基于生物能量学和共生关系的碳钢混合菌落微生物腐蚀研究

Microbiologically influenced corrosion (MIC) of steel materials is a significant engineering problem. At present, the MIC research is mainly about corrosions caused by sulfate-reducing bacteria (SRB). In the real environment, SRB and other microorganisms such as saprophytic bacteria (TGB) form mixed symbiotic consortia, leading to more severe steel corrosion. However, the mechanism of MIC by consortia is not fully understood. Therefore, it is of great scientific significance to study the mechanism of carbon steel corrosion caused by biofilm consortia. In this project, carbon steel MIC by a consortium of SRB and TGB will be studied. Based on bioenergetics, the corrosion and biofilm characteristics of mixed symbiotic colonies are studied to reveal the corrosion mechanism of carbon steel by the biofilm consortium. Through the characteristics of consortium bioenergy requirements, the corrosiveness of mixed consortium will be judged. The rule of colony type and density, solution composition, pH under biofilm changing with time will be established to determine the reciprocal relationship between consortium symbiosis and different microorganisms. By approaches of biological staining and microscopic characterization, the influence of the symbiosis of mixed consortium on the structure of biofilms, the distribution of bacteria and the ability of adhesion will be studied. The characteristics of biofilm conductivity and ion selectivity will be analyzed. The influence of symbiosis on biofilms will be established. The corrosion mechanism of carbon steel mixed colonies was studied, and the interaction mechanism between symbiotic relationship and electron transfer will be established. Finally, the influence law of symbiosis on MIC types by consortium biofilm will be clarified.

目前，微生物腐蚀研究以硫酸盐还原菌（SRB）腐蚀为主。现实环境中，SRB与其他微生物例如腐生菌（TGB）形成混合菌落，SRB和TGB之间存在共生关系。混合菌落导致比SRB单独作用更严重的钢材腐蚀。然而，人们对混合菌落腐蚀机理认识不足。因此，阐明钢材的混合菌落腐蚀机理具有重要科学价值。本项目以SRB和TGB混合菌落为研究对象，基于生物能量学和共生关系研究混合菌落导致碳钢腐蚀机理。通过衡量混合菌落生物能量需求，确定混合菌落的腐蚀性，建立菌落类型及密度、溶液成分、膜下pH等腐蚀前后变化规律，明确混合菌落微生物间物质能量互惠关系。采用生物染色和微观表征等手段，研究共生关系对混合菌落生物膜、菌群分布和附着能力的影响规律，分析生物膜导电性和离子选择性特征，确立共生关系对生物膜结构的影响规律。研究碳钢混合菌落腐蚀机理，建立共生关系与电子传递的相互作用机制，明确代谢产物和电子传递对腐蚀协同作用机制。

1）提出了腐蚀过程中共生SRB和TGB菌落变化规律。对SRB、TGB腐蚀前后以及SRB+TGB共生的微生物菌落结构分析得出，腐蚀前后微生物种群结构发生了变化，腐蚀后SRB中变形菌门所占的比列升高，TGB中虽然厚壁菌门仍占据绝对优势，但是在属分类检测到更多的菌株。当SRB+TGB共生之后，微生物种群与单一菌种表现出较大的差异性，不但多出热袍菌门、广古菌门和Coprothermobacterota，属分类上也检测到更加多的菌株，其总种群数目远远大于SRB与TGB两者单独生长。因此，微生物共生会极大的改变其生态系统中的细菌种类和数量。这些微生物总群和数量上的改变，可能是造成碳钢表面电化学过程改变的原因，.2）揭示了共生微生物膜对于其腐蚀过程的影响规律。SRB+TGB共生产生更厚的生物膜，约为SRB介质中生物膜的六倍。共生生物膜的EPS可以促使微生物吸附在金属表面，然后在金属表面逐渐发展形成生物膜，起初生物膜在金属表面呈团簇状分布，最终将金属表面完全覆盖SRB+TGB共生中厚而致密的生物膜提供了局部厌氧环境。当SRB+TGB共生之后，均匀腐蚀速率和点蚀速率均高于单一SRB或TGB造成的腐蚀速率，致密的生物膜成为氧的传输屏障，也阻碍了溶液中物质传递给SRB，导致微生物从碳钢上捕获电子，获取能量，加剧微生物产生点蚀。.3）确定了混合菌落对碳钢的微生物腐蚀行为规律。在SRB和TGB共生过程中，SRB造成碳钢腐蚀的机理在于混合菌落微生物的细胞外电子传递EET过程。而TGB中还有大量产酸军，造成的碳钢腐蚀属于代谢产物腐蚀，即M-MIC。当SRB和TGB单独存在时，EET-MIC和M-MIC为各自腐蚀主要过程；当二者共生时，EET-MIC为主要腐蚀类型。.4）提出了生物膜下点蚀的形成机制。潜在机制有以下三种：一，腐蚀产物内Fe3+化合物的水合过程会在生物膜下形成pH＜3的酸性环境，高浓度酸液在生物膜下点蚀形核点处积聚，促进生物膜下点蚀的扩展。二，TGB中的产酸菌（APB）代谢产生有机酸在生物膜下积聚，也可使生物膜下点蚀形核点处酸性加剧，形成溶洞型点蚀。三，生物膜内的SRB进行硫酸盐还原形成的胞外电子传递过程会使生物膜下形成点蚀。