Dual anaerobic reactor model to study biofilm and microbiologically influenced corrosion interactions on carbon steel

双厌氧反应器模型

来源：npj Materials Degradation | (2024) 8:125


摘要核心内容


论文开发了一种新型双厌氧生物膜反应器模型，用于研究海洋沉积物微生物群落（含硫酸盐还原菌SRB和铁还原菌IRB）在人工海水（ASW）中对UNS G10180碳钢的腐蚀机制。通过多学科方法（电化学、表面分析、微生物组学）证实，电活性细菌（SRB和IRB）通过胞外电子传递（EET）主导微生物腐蚀（MIC），生物膜显著加剧局部点蚀，同时降低均匀腐蚀速率。


研究目的


建立标准化模型：开发可重复的生物膜-MIC研究平台，模拟真实海洋工程环境（如海上风电密封舱）。

揭示腐蚀机制：阐明混合菌群生物膜下SRB和IRB的协同腐蚀作用。

推动工业标准：为生物膜防控策略（如杀菌剂评价）提供数据支持。


研究思路


graph LR

A[双反应器设计] --> B[无菌对照组 vs 接种海洋沉积物组]

B --> C[28天持续监测]

C --> D1[电化学性能] --> D11[开路电位OCP] & D12[极化电阻Rp] & D13[阻抗谱EIS]

C --> D2[腐蚀形貌] --> D21[表面粗糙度] & D22[点蚀密度/深度]

C --> D3[微生物群落] --> D31[16S rRNA测序] & D32[ATP活性]

C --> D4[硫化物浓度] --> D41[Unisense微电极动态监测]


关键数据测量及意义

1. 硫化物浓度（Unisense微电极数据 - 图1）


数据：

无菌组：稳定低浓度（均值29.2 μmol/L）

生物组：第2周达峰值150 μmol/L，后期降至无菌组水平

意义：

动态反映SRB代谢活性：硫化物峰值证实SRB在早期通过EMIC（电化学MIC）直接氧化铁释放电子（反应式：4Fe0+SO42−+3HCO3−+5H+→FeS+3FeCO3+4H2O）。

揭示腐蚀机制转变：后期硫化物下降与IRB竞争电子受体（Fe3+）相关，导致代谢路径从硫酸盐还原转向铁还原。

Unisense电极价值：

高灵敏度（检测限0.3 μM）实现原位实时监测，避免取样干扰厌氧环境。

验证了生物膜成熟后腐蚀产物（如绿锈GR）的屏障作用抑制硫化物释放。


2. 表面形貌（图2 & 图3）


数据：

点蚀密度：生物组（31 pits/mm²）显著高于无菌组（13 pits/mm²）（图3c）

点蚀面积：生物组（2398 μm²） > 无菌组（1939 μm²）

意义：

生物膜不均匀分布导致局部微环境，加速点蚀（NACE SP0775-2023评定为严重点蚀速率>0.38 mm/yr）。


3. 电化学响应（图4 & 图5）


数据：

无菌组：Rp稳定在500 Ω·cm²（多孔腐蚀产物导致均匀腐蚀）

生物组：Rp周期性波动（5000–15,000 Ω·cm²），反映生物膜动态形成（图4b）

意义：

生物膜初期作为物理屏障抑制离子扩散，后期通过EET促进局部阴极反应。


4. 微生物群落（图6 & 附表6）


数据：

生物膜富集电活性菌：Desulfomicrobium（SRB）、Shewanella（IRB）、Desulfuromonas（SRB/IRB）

浮游菌以发酵型菌为主（如Vibrio）

意义：

生物膜特异性：电活性菌在金属表面定植，直接参与EET腐蚀，与浮游菌群落显著不同。

核心结论


生物膜的双重作用：

降低均匀腐蚀速率（0.025–0.12 mm/yr vs 无菌组0.25 mm/yr）

显著加剧点蚀（点蚀密度提高2.4倍，点蚀面积增大23%）。

腐蚀机制演化：

早期：SRB主导的EMIC（硫化物峰值）

后期：IRB参与铁还原，形成绿锈（Fe3O4、FeCO3）促进局部腐蚀。

工程意义：

传统均匀腐蚀模型低估实际点蚀风险，需针对生物膜设计防控策略（如靶向电活性菌的杀菌剂）。


Unisense电极数据的深层意义


动态关联腐蚀与代谢：

硫化物浓度变化直接关联SRB活性，为实时监测MIC提供指标。

机制诊断价值：

峰值后下降暗示电子受体竞争（Fe3+ vs SO42−），解释后期IRB富集原因。

技术优势：

微尺度检测（50 μm直径）捕捉界面反应，避免整体溶液稀释误差，尤其适用于低流速/停滞环境（如海上风电密封舱）。


局限提及：论文指出实验中途无法校准电极，可能影响中期数据精度；且硫化物浓度受pH影响，需结合pH数据解读（实验中未测）。


总结


该研究通过创新双反应器模型，结合Unisense微电极等多学科手段，揭示了混合生物膜中电活性菌（SRB/IRB）通过EET驱动点蚀的机制。Unisense数据不仅动态验证了SRB代谢活性，还为理解腐蚀机制转变提供了关键证据，对工程防腐策略制定具有重要指导意义。