Microbially influenced corrosion and rust tubercle formation on sheet piles in freshwater systems  

淡水系統(tǒng)中鋼板樁上微生物影響腐蝕及銹瘤形成的研究  

來(lái)源：Environmental Microbiology, Volume 25, 2023, Pages 1796-1815

《環(huán)境微生物學(xué)》第25卷，2023年，第1796-1815頁(yè)  

 

摘要內(nèi)容  

該研究首次通過(guò)多技術(shù)聯(lián)用（微電極剖面、顯微CT、掃描電鏡、穆斯堡爾光譜、微生物測(cè)序）揭示了淡水環(huán)境中鋼板樁銹瘤形成的微生物驅(qū)動(dòng)機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)銹瘤內(nèi)部存在顯著化學(xué)梯度（O?、pH、氧化還原電位），分層結(jié)構(gòu)包含腔室和通道，微生物群落代謝多樣性高（光養(yǎng)菌、硫酸鹽還原菌、鐵還原菌等）。銹瘤核心區(qū)域檢測(cè)到導(dǎo)電性鐵礦物（磁鐵礦），證實(shí)微生物通過(guò)胞外電子傳遞加速腐蝕進(jìn)程。  

 

研究目的  

闡明淡水環(huán)境中銹瘤形成的微生物作用機(jī)制  

 

揭示銹瘤內(nèi)部微環(huán)境梯度與微生物群落功能的關(guān)聯(lián)  

 

建立微生物-礦物相互作用的腐蝕模型  

 

研究思路  

實(shí)地采樣：在德國(guó)哈弗爾河選取三處鋼板樁銹瘤（永久淹沒(méi)/間歇淹沒(méi)區(qū)）  

 

原位測(cè)量：使用Unisense微電極測(cè)量銹瘤內(nèi)部O?、pH、氧化還原電位梯度（圖2）  

 

 

結(jié)構(gòu)解析：顯微CT（圖3）和掃描電鏡（圖4-5）揭示銹瘤多層結(jié)構(gòu)與微生物分布  

 

 

 

 

礦物分析：穆斯堡爾光譜（圖6）鑒定鐵礦物相組成  

 

微生物組學(xué)：16S/18S rRNA測(cè)序分析微生物群落及代謝功能（圖7-8）  

 

 

模型構(gòu)建：整合數(shù)據(jù)提出微生物驅(qū)動(dòng)腐蝕的綜合機(jī)制（圖9）  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義  

微電極剖面數(shù)據(jù)（圖2）  

 

數(shù)據(jù)：O?濃度從表面300μM降至2mm深度以下不可測(cè)；pH從表面8.5-9降至內(nèi)部5.5；氧化還原電位從+100mV降至-600mV  

 

意義：證實(shí)銹瘤內(nèi)部形成強(qiáng)氧化-還原梯度，為電化學(xué)腐蝕提供微環(huán)境基礎(chǔ)  

銹瘤結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)（圖3-5）  

 

數(shù)據(jù)：顯微CT顯示多層腔室結(jié)構(gòu)（最大直徑17mm）；電鏡揭示微生物嵌入礦物基質(zhì)（如硅藻、鞘細(xì)菌）  

 

意義：物理屏障效應(yīng)限制物質(zhì)擴(kuò)散，促進(jìn)局部微缺氧/厭氧環(huán)境形成  

礦物組成數(shù)據(jù)（圖6）  

 

數(shù)據(jù)：銹瘤外層以針鐵礦（α-FeOOH）為主（44-66%），內(nèi)層含綠銹（Fe3?Fe2?(OH)?Cl）  

 

意義：導(dǎo)電礦物（磁鐵礦）存在加速電子傳遞，支持微生物胞外電子轉(zhuǎn)移  

微生物群落數(shù)據(jù)（圖7-8）  

 

數(shù)據(jù)：外層富集光養(yǎng)菌（藍(lán)細(xì)菌相對(duì)豐度＞15%）；內(nèi)層富集硫酸鹽還原菌（脫硫弧菌屬＞5%）和鐵還原菌（地桿菌屬）  

 

意義：微生物代謝分工驅(qū)動(dòng)腐蝕鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（外層產(chǎn)氧/有機(jī)物→內(nèi)層厭氧還原）  

 

丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的核心意義  

使用Unisense微電極（Clark型O?電極OX-10/pH電極pH-10）實(shí)現(xiàn)：  

毫米級(jí)梯度解析：首次在野外銹瘤內(nèi)部直接測(cè)量O?穿透深度僅2mm，證實(shí)擴(kuò)散受限環(huán)境形成  

 

腐蝕反應(yīng)指示：pH從堿性（表面pH9）到酸性（內(nèi)部pH5.5）的突變反映Fe3?水解反應(yīng)，氧化還原電位陡降（-600mV）指示Fe3?/SO?2?還原區(qū)  

 

微生物活性證據(jù)：O?消耗速率高于純化學(xué)腐蝕預(yù)測(cè)值，證明微生物呼吸作用主導(dǎo)氧化  

 

方法學(xué)突破：克服傳統(tǒng)體相測(cè)量局限，為原位微環(huán)境研究提供技術(shù)范式  

 

結(jié)論  

銹瘤是腐蝕熱點(diǎn)：多層結(jié)構(gòu)形成化學(xué)梯度，外層為氧化區(qū)（光養(yǎng)菌主導(dǎo)），內(nèi)層為還原區(qū)（硫酸鹽還原菌/鐵還原菌活躍）  

 

微生物驅(qū)動(dòng)機(jī)制：  

 

光養(yǎng)菌提供有機(jī)物并升高pH促進(jìn)礦物沉淀  

 

硫循環(huán)菌（脫硫弧菌）和鐵循環(huán)菌（地桿菌）通過(guò)胞外電子傳遞加速腐蝕  

 

發(fā)酵菌提供有機(jī)酸/氫氣維持還原代謝  

礦物-微生物互作：導(dǎo)電鐵礦物（磁鐵礦）形成生物電化學(xué)網(wǎng)絡(luò)，促進(jìn)電子從金屬基質(zhì)向微生物傳遞  

 

腐蝕持續(xù)機(jī)制：微生物介導(dǎo)礦物還原溶解（如綠銹），破壞銹瘤保護(hù)層，使腐蝕持續(xù)進(jìn)行