金属表面混合微生物腐蚀及分析方法研究进展

微生物在工业系统、海洋环境、城市管道等系统中普遍存在，而微生物对系统材料的腐蚀也有诸多报道，其中，微生物对金属材料造成的腐蚀约占金属材料腐蚀的20%。

微生物腐蚀研究一直都是金属腐蚀领域关注的热点，微生物种类的不同，对金属材料的腐蚀影响也不尽相同。实际环境中，微生物的复杂性导致单一微生物的腐蚀机理并不能完全解释实际的腐蚀现象，因此混合微生物体系研究成为微生物腐蚀领域新的研究方向。

混合微生物的构成

在微生物腐蚀领域，研究较多的微生物主要有以下几类：硫循环中包括硫酸盐还原菌（Sulfate reducingbacteria，SRB）、硫氧化菌（Sulfure oxidizing bacteria，SOB）；铁循环中包括铁还原细菌（Iron reducingbacteria，IRB）、铁氧化细菌（Iron oxidizing bacteria，IOB）；氮循环中包括硝化细菌、硝酸盐还原菌（Nitratereducing bacteria，NRB）；此外，还有产酸菌（Acidproducing bacteria，APB）和产黏液菌（Slime formingbacteria，SFB）等。其中，针对含SRB、IOB 的混合微生物体系研究较多。根据相关文献研究，梳理部分混合微生物体系研究的微生物种类，见表1。

表1 微生物腐蚀研究中部分混合微生物体系选用的微生物种

混合微生物腐蚀作用机制

对于腐蚀机理的推测，目前大多数是指某一类微生物对材料的腐蚀机理，以SRB为例，有阴极去极化理论、浓差电池理论、代谢产物酸腐蚀理论、阳极区固定理论等。

混合微生物体系中，协同作用会抑制或促进金属材料腐蚀。研究较多的SRB和IOB的混合体系就是通过对氧需求的不同，促进了对金属的腐蚀。初期，混合体系使得碳钢的点蚀较为严重，SRB和IOB混合体系的腐蚀机理过程如图1所示。

图1 SRB和IOB混合体系的腐蚀机理图

首先，两种细菌会吸附在金属表面，SRB由于严格厌氧，会集中在金属基底，而IOB位于表面；然后两种细菌分泌EPS，形成生物膜，IOB 将Fe²⁺氧化成Fe³⁺，与OH^-结合形成腐蚀产物，下一阶段，生物膜和腐蚀产物的累积以及氧气的浓度下降，使SRB还原SO₄^2-，或通过Fe获得电子，同时产生FeS，促进点蚀加剧。混合微生物体系的协同作用也体现在一种微生物为另一种微生物提供生长条件（有机物、氧气、pH 等），进而对金属的腐蚀产生相同的影响。

研究体系

微生物腐蚀的环境有海洋、石油、市政管网等系统，原位条件下进行腐蚀实验存在着诸多因素的影响，因此混合微生物体系的研究主要从培养基、灭菌的原水水样和模拟原水的特定离子（或其他特征，如温度、pH等）方面进行。

金属表面微生物活动的微观研究技术

在混合体系中，如何检测或显示微生物在金属表面的生命活动、分布聚集和对金属表面电极反应的影响等微观变化，应是探究微生物相互作用的重要问题。

1）无论是典型的腐蚀性微生物体系，还是腐蚀环境下优势富集培养的混合微生物体系，都应重点关注两种甚至多种微生物的相互作用对金属腐蚀进程产生的影响。然而，当前对该领域的研究面临诸多的困难与挑战。第一，实验室内无法实现环境中只存在两种或多种指定微生物的原位研究条件，而搭建的实验环境又过于简单或有其他微生物的干扰。第二，在腐蚀过程中，微生物相互作用的监测技术或表征手段比较宏观，体系试验研究方法和相应的分析技术需要完善。第三，混合微生物会对金属腐蚀与其单种微生物产生影响，微生物间存在合作，又彼此竞争，在混合的环境中，如何达到体系平衡以及如何改变单种条件下的腐蚀特性，需要深入探索。当前，对单种微生物的腐蚀机理和作用机制有了较多的研究和理论，但对多种微生物下的腐蚀作用机制仍需要更多的研究。

2）混合微生物体系的腐蚀研究是对自然环境下，微生物群落腐蚀研究的一个阶段性研究，对其仍然需要大量的研究和深入的解释。未来的研究可以从混合微生物培养过程中的生长特性和代谢产物较单种微生物的变化两方面开展，结合腐蚀环境下的现象进行分析，探究是微生物自身的影响，还是代谢产物对腐蚀产生的影响。也可以利用荧光标记技术观察混合体系下，微生物生长和基因表达的差异，分析其调控过程，从细胞和分子水平上揭示混合微生物体系的腐蚀机理和作用机制。