油氣管線鋼土壤環境硫酸鹽還原菌腐蝕研究進展

韋博鑫，許進，高立群，覃清鈺，付琦，于長坤，孫成，王振堯

（1.中國科學院金屬研究所 遼寧沈陽土壤大氣環境材料腐蝕國家野外科學觀測研究站，沈陽 110016；2.中國科學技術大學 材料科學與工程學院，沈陽 110016）

隨著國民經濟的發展和生態文明建設，油氣在我國一次能源中的比例持續攀升，埋地管線的建設得到蓬勃發展。我國長輸油氣管道總里程以每年超過5000 km 的速度逐年增長，預計到2025 年將超過24萬km[1]。我國油氣輸送管道沿線人口密集，生態環境脆弱，一旦發生事故，會造成泄露甚至爆炸，不僅影響能源供給，更會對環境、公共安全造成重大影響，并產生巨大的經濟損失。研究表明土壤環境中微生物的存在不僅對土壤生態環境起到重要作用，還會影響埋地管道的腐蝕[2-3]。腐蝕調查結果表明[4-6]，2014 年全國總腐蝕成本為21 278.2 億元人民幣，約占當年國內生產總值的3.34%，相當于我國每人承擔1555 多元的腐蝕成本，而其中微生物腐蝕造成的損失約占20%。微生物腐蝕（Microbial influenced corrosion，MIC）是指微生物在新陳代謝過程中直接或間接對金屬產生作用，進而影響金屬腐蝕過程和機理，也是威脅埋地油氣管道安全運行的最主要的一種腐蝕形式。油氣管道MIC 是“3M”綜合作用的結果（圖1），即微生物（Microorganisms）、介質（Media）和金屬（Metals）。MIC 研究是集土壤學、材料學、腐蝕科學和微生物學等多學科交叉的課題，這也進一步增加了MIC 研究的難度。同時，由于MIC 和非生物腐蝕經常同時發生，這也進一步增大了MIC 機理研究的復雜性。本文從土壤腐蝕微生物的種類和特征、環境因素對微生物腐蝕的影響、微生物腐蝕研究方法以及微生物腐蝕機理4 個方面的最新研究進展進行了綜述，并在此基礎上提出對微生物腐蝕研究工作的建議。

圖1 “3M”協同作用下MIC[7]Fig.1 MIC under the coupling effects of microorganisms, media and metals[7]

1 土壤微生物腐蝕

1.1 土壤腐蝕微生物

土壤微生物種類繁多，它們與土壤中的碳、氮、鐵、硫等元素循環息息相關，而與腐蝕相關的微生物多是土壤中鐵硫循環的參與者[8]。根據微生物對氧氣的需求不同可以將腐蝕微生物分為厭氧型和好氧型。目前研究較多的腐蝕微生物主要有以下幾類（表1）：厭氧型細菌包括硫酸鹽還原菌（Sulfate reducing bacteria，SRB）、硝酸鹽還原菌（Nitrate reducing bacteria，NRB）、鐵還原細菌（Iron reducing bacteria，IRB）和產酸菌（Acid-producing bacteria，APB）等；好氧型細菌包括硫氧化菌（Sulfur oxidizing bacteria，SOB）和鐵氧化細菌（Iron oxidizing bacteria，IOB）等。以上并非是微生物分類學上的概念，而是一類具有特征代謝能力細菌的統稱。SRB 是可以通過氧化有機化合物，將硫酸鹽、亞硫酸鹽、硫代硫酸鹽甚至單質硫（作為其電子傳遞鏈的最終電子受體）還原為H2S 的一類細菌，從而獲得其生理活動所需的能量[8]。在眾多引起微生物腐蝕的土壤細菌中，SRB 引起的腐蝕最嚴重，也是研究最廣泛的一種細菌[9-11]。據統計，油井腐蝕中75%以上的腐蝕是由SRB 引起的，而地下管線和線纜腐蝕中50%是SRB 腐蝕[12]。SOB 與SRB 作用剛好相反，是將還原態的硫化物（如H2S，硫代硫酸鹽等）或單質硫氧化成H2SO4的一類細菌。NRB 是指可以將硝酸鹽還原為亞硝酸鹽，并通過脫硝作用將亞硝酸鹽還原為氣態氮化合物或異化轉化為NH4+的一類細菌。近年來的研究表明[13-14]，土壤中NRB 同樣會造成較嚴重的微生物腐蝕。IRB 是一類利用有機物或H2作為電子供體，Fe3+（或者Mn4+）等作為電子受體，從而獲得能量的細菌。IOB 則是在厭氧條件下能有效利用Fe2+進行能量代謝的一類細菌。而與上述細菌作用機理不同的是APB。APB 對金屬的腐蝕主要是使金屬局部發生酸性溶解，這是因為其代謝產物包括多種有機酸和無機酸，可以造成局部酸化，從而使金屬發生嚴重的點蝕。目前，上述類型的細菌僅為一小部分與金屬腐蝕相關的已知細菌，而土壤環境中仍有大量其他種類的細菌未被發現和分離。因此，管線鋼MIC 的研究仍存在具大挑戰。

表1 與金屬腐蝕相關的微生物Tab.1 Bacteria related to MIC of metal

1.2 埋地管線鋼微生物腐蝕

人們對于微生物腐蝕已有百年以上的研究歷史。早在19 世紀90 年代初，Garrett[21]就報道了有關微生物腐蝕的研究。1934 年，Von Wolzogen Kuhr 等[22]首次報道了微生物腐蝕導致的服役管線失效案例。他們認為SRB 是硫酸鹽富集土壤環境中管道腐蝕的主要原因，并且提出了“陰極去極化”理論以解釋MIC機理。大量現場分析和實驗室研究結果表明，SRB 是誘發和加速管線鋼腐蝕的典型細菌，也是對埋地管線鋼腐蝕影響最大、被研究最多的一種腐蝕性細菌[23]。Sario?lu 等[24]的研究結果表明，在SRB 作用下，管線鋼的腐蝕速率增大了6 倍左右。近年來，我國也報道了大量由SRB 導致管線腐蝕失效的案例。2013 年，新疆地區一條X52 輸油管道發生爆管泄露，事故的最終調查認為微量游離水或積水聚積在管道起伏低洼處，為SRB 大量繁殖提供了有利環境，最終導致管線發生MIC 腐蝕而失效[25]。隨后，牛濤等[26]報道了1 條X60 級埋地輸氣管線鋼管在使用13 個月后發生了腐蝕穿孔。取樣分析表明，腐蝕孔附近的腐蝕產物表面含有大量S。最終認定SRB 腐蝕是引起管線腐蝕穿孔事故的主要原因。金屬尤其是鋼鐵材料的MIC已經成為腐蝕領域中的一個研究熱點。根據“3M 理論”，MIC 發生需要介質（土壤環境）、材料（埋地金屬）和微生物3 個基本條件。因此，針對這3 種基本因素，研究人員對埋地管線鋼SRB 腐蝕開展了大量研究。

1.2.1 土壤類型

我國土壤類型眾多，不同土壤對微生物的生理活性和腐蝕影響各不相同。吳堂清等[27-28]研究了酸性土壤環境中SRB 對管線鋼腐蝕行為的影響。他們發現接菌初期（24 h），由于土壤的強酸性導致SRB 細菌數量下降1 個數量級，隨著SRB 對新環境的逐漸適應，SRB 開始繁殖，并呈現指數級增長。他們還指出，實驗前期SRB 活性生物膜對管線鋼腐蝕起抑制作用，而后期SRB 則加速了鋼的腐蝕。孫福洋等[29]對西北典型鹽漬性土壤中X100 管線鋼SRB 腐蝕行為進行了研究。他們發現SRB 新陳代謝改變了基體表面的微環境，使得表面腐蝕產物產生明顯裂紋，從而加劇了管線鋼的腐蝕。Liu 等[30]在實驗室模擬加拿大粘土覆蓋下SRB 對X52 管線鋼的腐蝕影響。結果表明，SRB顯著加速了裸鋼的腐蝕，平均腐蝕速率可達0.68 mm/a。隨著土層厚度的增加，鋼表面固著SRB 細胞的數量逐漸減少，腐蝕速率也隨之降低。他們最終認為土壤層阻礙了SRB 與鋼基體的接觸。雖然一些學者對具體類型土壤中管線鋼的MIC 進行了一些研究，但是由于土壤本身組成的復雜性，相應的腐蝕規律也很難進行歸納。

1.2.2 交流電流

隨著交流電腐蝕問題日益突出，交流電引起的管線鋼的腐蝕逐漸受到各國研究人員的關注。當土壤中存在交流電時，會對土壤中管線鋼的腐蝕造成直接影響[31]。與此同時，管線實際服役環境中，交流電腐蝕和微生物腐蝕有可能同時發生。交流電還會對SRB的新陳代謝及金屬表面微生物膜的吸附狀態產生影響，進而影響金屬的腐蝕。Seok Hong 等[32]認為，交流電對微生物膜的影響分為兩方面，當交流電處于負半周期時，由于電排斥力會促進微生物膜中細菌（通常細菌帶負電）的脫附，而正半周期通過電吸引力加強金屬表面微生物膜中細菌的粘附，但過大的陽極電流具有殺菌作用。卿永長等[33-34]研究了交流電和SRB對Q235 鋼的腐蝕影響。結果表明，交變電場降低了微生物膜的吸附性，促進了微生物膜的脫附。實驗前期，活性生物膜對鋼腐蝕起抑制作用，而實驗后期，由于微生物膜活性降低，導致部分膜層脫落，最終促進了鋼腐蝕。他們認為交流電整流效應、交變電場作用以及點蝕自催化效應等共同加速了金屬腐蝕。鐘方麗等[35]則從微生物角度出發，研究了交流電對生物膜胞外聚合物（EPS）提取過程的影響。他們發現，小于10 A/m2的電流對生物膜內微生物細胞的影響較小，多糖和蛋白質的提取量較少；而大于10 A/m2的電流對微生物細胞活性的影響較大，可提取的蛋白質和多糖量明顯增多，特別是蛋白質的量。雖然對于交流電作用下金屬微生物腐蝕進行了一些研究，但多集中于對金屬腐蝕影響的研究，而對于交流電對金屬表面生物膜形成和發展，以及與金屬基體間相互作用機理等研究相對較少，這些方面還需要更加深入的研究。

1.2.3 陰極保護

陰極保護（CP）是埋地管線防護最有效的方法之一。通過施加陰極電流引起埋地管線鋼發生極化，使得受保護管線管地電位整體發生負移并進入免蝕區，從而阻止和減緩埋地管線鋼腐蝕[36]。在微生物存在下，生物膜的形成會使得極化電阻增大，達到相同的電位所需的極化電流也增大。因此，陰極保護對金屬MIC 行為的影響一直是研究的重點[36]。Li 等[15]的實驗結果表明，即使在管線處于CP 下，SRB 也會加速腐蝕。孫成等[37]的研究發現，鋼在接種SRB 的土壤中的腐蝕速率遠高于無菌土壤中的腐蝕速率。在相同的陰極電位下，接菌土壤中鋼的陰極電流密度大于無菌土壤中的陰極電流。李國華等[38]研究了陰極極化對埋地Q235 鋼SRB 腐蝕行為的影響。在相同的外加電位下，Q235 鋼在接菌土壤中所需要的陰極極化電流密度更大。隨著陰極極化電位不斷負移，Q235 鋼周圍土壤中的SRB 數量逐漸減少，但即使陰極電位為–1.05 V（vs. CSE）時，Q235 鋼試件周圍土壤中SRB 仍能夠存活。在相同的陰極極化電位下SRB 增大了Q235 鋼的腐蝕。SRB 和微生物膜的電負性，以及導電性代謝產物硫化物（如FeS）的存在都對鋼陰極保護過程產生影響，從而改變了鋼的腐蝕機理和陰極保護效率，然而對于此方面機理研究相對較少。可見，微生物作用下埋地管線陰極保護的可靠性，以及微生物和陰極極化相互作用關系等研究仍然值得關注。

1.2.4 應力

圖2 SRB 在裂紋尖端腐蝕電化學過程示意圖[41]Fig.2 Electrochemical modes of the corrosion process of a cracking tip in the presence of SRB[41]

近年來國內外相繼報道了多起管線腐蝕開裂事故，現場失效分析證實了微生物直接或間接參與了SCC 裂紋萌生和擴展過程。因此，微生物作為SCC研究的主要影響因素引起各國學者的關注。Abedi 等[9]對伊朗一條X52 管線進行失效分析時發現，SRB 是管線腐蝕開裂的主要原因。他們還發現SRB 作用下的宏觀裂紋尖端呈圓形，與大家知道的純粹SCC 誘發的尖銳條狀裂紋明顯不同。根據Slobodian 等[39]和Serednyts'kyi 等[40]的研究，圖2 給出了SRB 在裂紋尖端腐蝕電化學過程各階段示意圖[41]。第一階段，氧的陰極去極化反應和尖端鐵的陽極溶解反應；第二階段，水在金屬活性表面的催化分解，氫離子的釋放和氫的去極化，以及鐵的陽極溶解；第三階段，腐蝕產物的沉淀、FeS-Fe 微電偶形成，以及點蝕形成。吳堂清等[42-49]系統地研究了外加應力作用下管線鋼的MIC 腐蝕行為，并提出了“微生物致裂（MAC）”的概念。他們基于Gutman 的力學-化學交互作用理論、微生物能量學和腐蝕電化學理論，給出了土壤環境中2 種典型細菌SRB 和NRB 致裂的熱力學和動力學解釋。從熱力學和動力學上來看，外加應力和微生物共同作用導致Fe 基金屬具有更高的腐蝕趨勢和裂紋擴展速率。他們還發現SRB 及其代謝產物硫化物加速了管線鋼表面點蝕的萌生，SRB 和外應力共同作用誘發了蝕坑底部的“二次點蝕”和裂紋壁上的“二次開裂”，進而對管線鋼SCC 產生協同加速作用。趙健等[50]研究了應變速率對SRB 作用下X70 應力腐蝕開裂行為的影響。研究結果表明，當應變速率為5×10–7s–1時，接菌土壤溶液中試樣的應力腐蝕敏感性遠大于無菌條件下試樣的應力腐蝕敏感性，SRB 的存在對管線鋼SCC 起到很大程度的促進作用。當應變速率為1×10–6s–1時，SRB 對于管線鋼SCC 的影響較小，而力學因素起主導作用。

1.2.5 剝離涂層

目前，大量關于管線鋼微生物腐蝕的研究都集中于裸鋼的研究。實際上，在服役過程中埋地管線通常采用防腐涂層與陰極保護聯合防護的方式。但是涂層在施工和服役過程中，不可避免地發生多種形式的破壞和失效，如剝離、針孔或大的缺陷、起始于針孔的剝離等。一旦這些缺陷涂層發生剝離，腐蝕性介質就會滲透進入涂層內部，同時剝離涂層會對陰極保護電流產生屏蔽效應，最終使得剝離涂層下的管線鋼發生腐蝕[2]。因此，研究管線鋼在剝離涂層下的微生物腐蝕行為并揭示其腐蝕機理，對于埋地管線的腐蝕與防護更具有實際意義。Xu 等[51-54]研究表明，SRB 的存在增大了陰極保護電流密度，同時加速了剝離涂層下管線鋼的腐蝕。Wu 等[55]也通過電化學測試證明了剝離涂層下縫隙內的SRB 對X80 鋼的腐蝕加速作用。Liu 等[56]通過土壤薄液膜模擬實驗研究了剝離涂層下管線鋼的腐蝕。結果表明，SRB 加速了薄液膜下X52管線鋼的腐蝕。同時，還發現CO2氣體可以促進SRB的生長和生物膜的形成，SRB 和CO2對鋼的腐蝕具有協同加速作用。目前，剝離涂層下管線鋼微生物腐蝕的研究相對較少，多集中于單因素影響（如應力等），而多因素耦合作用下剝離涂層下的管線鋼微生物腐蝕行為和機理研究將成為今后研究的重點。

1.2.6 其他微生物

近年研究表明，硝酸鹽還原菌（NRB）也會加速埋地鋼的腐蝕[57-58]。Etique 等[59]實驗結果發現，NRB可以通過耦合硝酸鹽的還原將Fe2+氧化成Fe3+。他們還從熱力學角度探討了硝酸鹽還原導致金屬氧化的可行性。Wan 等[57]采用電化學方法研究了X80 鋼的NRB 腐蝕行為。結果表明，NRB 加速了X80 鋼的腐蝕，腐蝕形貌以點蝕為主。Li 等[60]的研究結果也表明NRB 加速了X80 鋼表面點蝕的形成。他們認為點蝕的形成可能是由于NRB 加速了鐵的陽極溶解。同時NRB 可以將生物膜或損壞的腐蝕產物膜中的硝酸鹽還原并獲得電子，最終加速鋼的腐蝕。Xu 等[58]對比研究了碳鋼NRB 和SRB 腐蝕。結果表明，在嚴格的厭氧條件下，NRB 比SRB 更具有腐蝕性。接菌NRB體系中的鋼試樣在第 7 天時的腐蝕速率達到 0.89 mg/cm2，最大蝕坑深度為14.5 μm。

目前大量的研究多集中于單一菌種的影響，而實際土壤環境中微生物種類繁多，對于埋地管線鋼腐蝕產生影響的也并非單一菌群。埋地管線鋼表面微生物膜內寄居多種微生物，各種微生物之間可能會發生共生、競爭、拮抗等不同的作用，從而對鋼腐蝕產生影響[61]。因此，土壤環境中混合菌對MIC 耦合作用的研究也將成為MIC 行為和機理研究的挑戰和機遇。

2 微生物腐蝕研究方法

2.1 電化學測試技術

微生物吸附在電極表面會形成生物膜，對金屬電極表面的電化學行為產生影響。因此，線性極化測試（LPR）、交流阻抗譜法（EIS）和電化學噪聲（EN）等電化學測試技術，常用于實驗室和現場評價微生物腐蝕[51]。

線性極化測量只需施加小的極化電位，通常|ΔE|小于10 mV。該方法對腐蝕體系中金屬試樣的影響較小，且可以快速得到相應的腐蝕參數。該方法常用于管線實時腐蝕信息監測和服役壽命評估。在大多數情況下，對于給定腐蝕體系，βa和βc的值在60～120 mV之間。因此，在一些研究中，通常選取βa和βc的值都等于120 mV，即B=26 mV。但采用LPR 評價管線腐蝕速率時，應該注意，對于微生物存在條件下的B值并非一個固定值。Sun 等[62]采用LPR 和失重法研究了X80 管線鋼在銅綠假單胞菌、醋酸桿菌和普通脫硫弧菌存在下的B 值。結果表明，在3 種不同細菌存在的條件下，B 值分別為(35.60±0.55)、(33.00±1.00)、(58.60±0.55) mV。因此，采用線性極化對管線鋼微生物腐蝕進行測量和評價時，通常采用的B 值（26 mV）并不適用，需要根據具體的試驗條件，重新測量和計算極化曲線的βa和βc值，以獲得更準確的B 值。

電化學阻抗譜（EIS）是施加一個頻率不同的小振幅的正弦交流電，測量阻抗值隨正弦波頻率ω 的變化，或者是阻抗的相位角Φ 隨ω 的變化，進而獲得電極界面相關電化學過程的信息，如電極過程動力學、雙電層和擴散等。EIS 是獲取電極過程動力學信息和電極界面結構信息，從而判斷金屬腐蝕變化的一種常用方法[63]。雖然可以通過觀察阻抗值的變化趨勢，獲得雙電層電容、擴散等相關腐蝕動力學信息，但是該種方法需要具備一些專業知識的人員對EIS數據進行擬合處理。因此，該方法更適用于實驗室微生物腐蝕機理研究。

電化學噪聲（EN）是指電化學動力系統演化過程中系統狀態參量（如電極電位和外測電流密度）隨機非平衡波動現象[64]。EN 技術能夠原位、連續、無損地監測局部腐蝕萌生與發展，將其應用于腐蝕監測領域的關鍵是通過合適的信號處理方法提取有效的特征參數，然后關聯其與特定腐蝕機制或腐蝕發展過程[65]。Zhao 等[66]認為線性極化電阻和電化學阻抗譜抑制樣品表面生物膜的附著和生長，并影響內部電場，而電化學噪聲作為一種被動的電化學測量技術對生物膜沒有負面影響。同時EN 測試所得的腐蝕速率與失重數據最為接近。與LPR 和EIS 相比，EN 更適合用于MIC 研究，但由于數據處理需要豐富的相關經驗和復雜的處理過程，從而限制了其應用。

2.2 先進表面分析技術

土壤微生物腐蝕研究涉及土壤學、材料學、腐蝕科學和微生物學等多種學科，是一個多學科交叉的研究課題，而化學和電化學分析技術、微生物分析技術以及材料表征技術等的聯用也將為土壤微生物腐蝕行為和機制的研究提供更多的研究方法，這也有助于更好地理解微生物/材料之間的相互作用機制。

2.2.1 熒光標記顯微技術

近些年來，生物技術與光學顯微技術也廣泛應用于MIC 研究。采用不同熒光染料可標記細胞活死狀態或生物膜中的不同成分（如核酸、蛋白質、多糖等），并利用激光共聚焦顯微鏡（Confocal laser scanning microscope，CLSM）可以顯像微生物和微生物膜的三維結構，從而使得微生物膜立體化和易視化[67]。圖3 和圖4 為接菌土壤中X80 鋼表面活死細胞平面和斷層空間熒光成像圖，其中綠色代表活細胞，紅色為死細胞。從圖3 和圖4 中可以看出，試樣表面可以觀察到大量固著的活細胞和死細胞，且固著的活細胞數量遠遠多于死細胞數量。利用CLSM 測試軟件還可以測量樣品表面微生物膜的厚度。

圖3 接菌土壤中X80 鋼試樣表面SRB 活死細胞的CLSM 圖Fig.3 2D-CLSM images of SRB biofilms on X80 coupon surfaces in SRB containing soil: a) live cells of SRB, b) dead cells of SRB

圖4 接菌土壤中X80 鋼試樣表面SRB 生物膜的三維CLSM 圖像Fig.4 3D-CLSM images of SRB biofilms on X80 coupon surfaces in SRB containing soil

雖然熒光顯微技術可以對樣品表面微生物膜的形成過程進行可視化研究，但是在MIC 研究過程中，該技術仍存在著挑戰。例如，當金屬材料表面形成多種細菌混合生物膜時，該技術無法分辨單一細菌微生物膜的形成過程以及單一細菌在微生物膜成膜過程中的貢獻。此外，由于腐蝕產物膜與生物膜都同時存在于腐蝕金屬表面，腐蝕產物膜具有很差的透光性，這也對樣品表面微生物膜的熒光觀察造成困難[63]。

2.2.2 聚焦離子束（FIB）技術

眾所周知，MIC 與微生物膜的結構和性質關系密切。微生物首先附著在金屬表面，并分泌代謝產物從而形成微生物膜，最終誘發MIC。因此，微生物膜的結構、組成及成膜過程都會對金屬腐蝕反應熱力學與動力學產生影響。同時，細菌在生物膜中的分布和界面處的物質信息也是了解MIC 過程的關鍵。長期以來，由于微生物活動的復雜性以及缺乏微生物膜與金屬界面之間交互作用的深刻認識，因此限制了微生物腐蝕機理的認知和理解[68]。隨著納米技術的發展，納米尺度制造業發展迅速，通過FIB 技術對樣品進行納米尺度加工已實現暴露后亞表面特征的無損成像，為深入研究MIC 機制提供了更精確的微觀分析方法，并有助于更好地理解細菌/金屬界面的相互作用。在傳統的截面樣品制備中，通常采用金相砂紙打磨截面，該方法很容易對細菌細胞造成破壞。而FIB 可以在保持樣品完整形態的同時，利用高強度聚焦離子束對材料進行納米加工，配合掃描/透射電鏡（SEM/TEM）等高倍數電子顯微鏡觀察微生物膜的結構和分布情況，這也為科研人員從納米尺度理解MIC 機理提供了有效的工具。李迎超等[69]利用FIB-SEM 研究了細菌細胞和腐蝕產物層的形態，以及生物膜和腐蝕產物中細菌的分布和材料特性（圖5）。他們發現腐蝕產物和生物膜下的樣品表面覆蓋著完整的FeS 層。他們還分析了細菌在生物膜中的分布和MIC 點蝕的縱向元素分布，并提出了細菌分布、生物膜和產物離子選擇性的點蝕機理，同時認為SRB 生理活動產生的 H+在生物膜下的累積是導致點蝕發生的主要原因。FIB 技術為深入理解微生物引起的點蝕機理研究提供了強有力的證據。Li 等[70]也結合FIB 銑削技術和SEM/TEM 對地衣芽孢桿菌細胞/X80 鋼的界面情況進行了分析，并且通過FIB-TEM 表征揭示了細胞的超微結構。FIB 結合其他微觀分析技術必將成為今后MIC 研究中不可或缺的一種表征技術。

圖5 聚焦離子束結合掃描電鏡研究MIC 結果[69]Fig.5 MIC results of carbon steel studied using FIB-SEM[69]: a) element mapping at the interface between iron sample and biofilm, b) linear element mapping of a single SRB cell

3 硫酸鹽還原菌腐蝕機理研究

腐蝕是金屬與周圍環境發生化學或電化學反應，遭受破壞而引起性能劣化的現象。微生物可通過多種方式影響金屬的腐蝕過程[71]：（1）影響腐蝕過程的陰/陽極反應，如分泌能夠促進陰極還原的酶；（2）微生物生理活動過程產生促進（或抑制）金屬腐蝕的化合物；（3）改變金屬表面狀態，微生物吸附在金屬表面并形成微生物膜改變了金屬表面腐蝕微環境；（4）改變腐蝕反應類型，如微生物引起局部腐蝕。

在土壤環境中，SRB 是引起微生物腐蝕最主要也是最嚴重的一種厭氧菌[72]。研究人員對SRB 腐蝕機制進行了大量的研究，并提出多種腐蝕機理。但是，由于SRB 與金屬之間的相互作用復雜，涉及多種生物和物理化學過程。所以，單一的機制并不能完全解釋SRB 引起的MIC，有時需要多種機理共同進行解釋說明。下面主要對一些得出普遍承認的SRB 腐蝕機理進行闡述。

3.1 陰極去極化理論

1934 年Von Wolzogen Kuhr 和Van der Vlugt[73]首次提出“陰極去極化理論”（CDT），對SRB 腐蝕機理進行了解釋。CDT 理論認為SRB 通過消耗“氫化酶”來消耗陰極氫，同時把SO42–還原成HS–，通過這種陰極去極化作用使得金屬持續發生陽極溶解，從而加速金屬腐蝕。在腐蝕過程中，陽極溶解轉變成Fe2+進入溶液，Fe2+分別與S2–和OH–反應生成腐蝕產物FeS 和Fe(OH)2并堆積在金屬表面，致使其內外形成濃差電池。以上過程的反應式為：

圖6 總結了基于CDT 理論的SRB 腐蝕過程。細菌通過氫化酶從鐵表面的陰極區域除去氫，同時還原SO42–。這個過程產生的腐蝕產物是FeS 和Fe(OH)2。SRB 通過還原SO42–，催化吸附的氫原子H（ads）復合成氫氣（H2），提高陰極反應速率。因此，SRB作用下陰極反應的去極化會間接加速腐蝕反應的進行。CDT 理論從電化學角度解釋了SRB 引起的MIC腐蝕過程，但仍然存在難以解決的問題。例如，基于CDT 理論，4 mol Fe2+發生反應生成1 mol FeS，理論比值應為4。然而，Javaherdashti 等[74]的研究指出這個比率在0.9～1 之間變化，遠遠偏離理論值。由于MIC 過程的復雜性，金屬界面的物理和化學參數隨微生物的代謝發生不斷變化。因此，很難用單一的電化學理論來解釋MIC 機制。

圖6 SRB 陰極去極化理論示意圖Fig.6 Schematic of the cathodic depolarization theory of SRB

3.2 代謝產物腐蝕理論

H2S 和FeS 是SRB 的典型代謝產物，也是導致金屬腐蝕加速的原因之一[75]。Romero 等[76]報道生物膜具有擴散阻擋作用，減緩了H2S 的溢出，SRB 生物膜中的細菌可以達到108cfu/cm2，可以產生大量的腐蝕性H2S，從而造成嚴重的局部腐蝕。Jia 等[77]通過厭氧瓶頂空容積試驗，驗證了H2S 變化對固著細胞數、培養基pH 值、腐蝕失重和點蝕的影響。研究發現，較大的頂部空間會導致更多的H2S 逸出，增大了游離和固著的細胞數量，從而導致更嚴重的MIC。

圖7 SRB 生物膜結構示意圖[78]Fig.7 Schematic of SRB-biofilm[78]

FeS 是SRB 腐蝕的典型產物。研究表明[78]，如圖7 所示，SRB 生物膜由SRB 細胞、胞外聚合物、鐵硫化物等組成，且存在大量的孔隙和微小的裂縫，這些缺陷的存在會降低微生物膜的穩定性，從而導致膜發生破裂。同時，由于FeS 的嵌入，微生物膜的導電性升高，在電解質與鐵基體之間形成連續的電子傳遞路徑，而代謝產物硫化物（陰極）和裸露的鋼基體（陽極）之間形成了一個電偶對，進而加速了鋼基體的腐蝕。

3.3 胞外電子傳遞理論

一些研究表明[79-82]，微生物能直接從金屬表面獲取電子，從而加速金屬的腐蝕。Sherar 等[83]發現，當培養基中缺乏有機碳源時，“饑餓”的SRB 會利用菌毛將它們與鋼表面連接，并通過菌毛從鐵基體中直接獲取電子。Venzlaff 等[79]通過電化學技術證實了SRB 的直接電子傳遞過程。Xu 和Gu[80]研究也進一步證實，當培養基中缺少碳源時，SRB 可以將鐵作為電子供體，并利用菌毛從碳鋼表面轉移電子進行硫酸鹽還原并獲取自身所需的能量，從而氧化鐵基體。在SRB 引起的MIC 中，有機碳源（如乳酸）需要擴散到SRB 細胞的細胞質中并被氧化，給SO42–還原過程提供電子。當缺乏碳源時，電子供體Fe 的氧化反應發生在細胞外，而SO42–還原則發生在細胞內。這也意味著Fe 首先在細胞外發生氧化并釋放的電子，隨后電子穿過細胞壁進入細胞質以完成硫酸鹽的還原過程。一般認為，腐蝕過程中的微生物通過兩種方式（圖8）獲取電子：（1）利用細胞膜結合的氧化還原蛋白（如c 型細胞色素、導電納米線（pili））進行的直接電子轉移[81-82]；（2）利用電子載體（如氫）或電子轉移介質（如核黃素和黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD））的電子轉移[84-85]。

圖8 微生物腐蝕金屬的電子傳遞方式[3]Fig.8 Electronic transfer pathway of MIC[3]

3.4 生物陰極還原理論

根據CDT 理論，SRB 加速MIC 過程必須需要氫化酶。而有很多的SRB 并不能產生氫化酶，也同樣加速了金屬的腐蝕[58]。因此，傳統的CDT 理論并不能用于解釋所有的SRB 引起的MIC。隨著表面分析測試技術的發展，人們對MIC 的相界面反應過程有了更加深入的了解，并逐漸意識到生物膜在MIC 過程中扮演著重要的作用。顧停月和徐大可[80,86]提出了生物催化硫酸鹽還原機理（BCSR）理論，首次從生物能量學角度對MIC 進行解釋。BCSR 理論認為，當周圍環境中有充足的碳源（如乳酸）時，SRB 優先利用有機物質乳酸作為電子供體，陽極發生乳酸氧化反應（反應（10））。當介質中缺少碳源時，SRB 不能通過氧化碳源來獲取自身所需的能量，使其處于生長停滯階段。但是，此時SRB 的能量代謝過程仍然在繼續，SRB 可以將Fe 作為電子供體并從中“捕食”電子，同時將SO42–還原（反應（11）和反應（12）），以獲取自身新陳代謝所需的能量。主要發生的腐蝕反應如下。

陽極反應：

從反應熱力學角度來看，在25 °C、pH=7、溶質濃度為1 mol/L、氣體分壓為0.1 MPa 的條件下，反應（10）的電極電位為E0′ = ?0.430 V（vs. SHE），反應（11）的電極電位為E0′ = ?0.447 V（vs. SHE），反應（12）的電極電位為E0′ = ?0.217 V（vs. SHE）。可以看出，Fe2+/Fe 的電極電位值（?0.447 V）比CO2+CH3COO?/CH3CHOHCOO?的值（?0.430 V）更負。因此，Fe 氧化釋放的能量略高于乳酸。BCSR 理論從微生物自身的能量交換著手，分析金屬的腐蝕過程，從生物電化學和生物能量學角度來解釋微生物為什么以及如何造成金屬腐蝕，為探索MIC 防治的新方法、殺菌劑的研發以及新型抗菌材料的研發提供了理論指導。

4 管線鋼微生物腐蝕防護與監檢測技術

MIC 是材料、環境和微生物共同作用的結果，因此抑制MIC 就應該從這3 個方面來著手。目前，對于金屬MIC 防治提出了多種方法[87]：（1）物理方法，即采用紫外線、磁場等物理措施進行殺菌處理，如在管道輸送系統中安裝紫外線殺菌裝置等；（2）化學方法，即使用殺菌劑等化學試劑直接殺死環境介質中的微生物，如戊二醛和四羥甲基硫酸磷等殺菌劑對MIC 均有抑制作用；（3）防護性涂層，即采用噴涂等方法在金屬表面形成一層特殊的防護層，從而降低微生物在金屬表面吸附；（4）電化學方法，即利用電化學原理對金屬進行防護，如對管線施加陰極電流以抑制金屬微生物腐蝕，通常在SRB 存在的環境中，陰極保護電位需要達到?0.95 V（vs. CSE）或更負才能達到抑制作用；（5）生物防治法，即通過微生物之間的競爭和拮抗等關系來防止微生物腐蝕，如NRB對SRB 的抑制作用。實際服役環境中，埋地管線土壤環境MIC 防護面臨較大的挑戰。由于土壤服役環境的限制，物理法和化學法難以用于環境殺菌。殺菌劑的使用會改變土壤微環境，既增加環境的負荷，又會引發破壞生態環境的風險。此外，對于微生物來說，長期使用殺菌劑易誘導微生物變異，產生耐藥菌。因此，抗菌涂層開發和耐微生物腐蝕管線鋼研發為MIC防治提供了一個新的研究路徑。

合金的抗SRB 腐蝕性能與合金中抗菌元素密切相關，而重金屬元素和大部分稀土元素（如銅、鈰、鎢、鑭、鉬、鎳等）都具有抗菌作用[88-89]。因此，在合金成分中添加適量的抗菌元素，一旦細菌與材料接觸或者材料受到侵蝕，其抗菌元素就會釋放重金屬離子穿透細胞膜，干擾細胞代謝過程或各種酶的活力，從而抑制微生物的生長繁殖。同時，上述抗菌元素也具有良好的耐腐蝕性能。史顯波等[90-92]設計了一種含銅管線鋼。由于鋼表面富Cu 相的析出賦予此類鋼優異的抗菌功能，使其具備一定的耐微生物腐蝕性能。他們發現在接菌土壤溶液中浸泡20 d 后，含銅抗菌X80 管線鋼表面點蝕數量和最大點蝕深度均遠小于X80 管線鋼。同時，抗菌涂層也是一種重要的控制和抑制金屬微生物腐蝕的主要手段。Xu 等[93]研發了一種新型抗菌MoO3-SiO2納米復合鍍層。該涂層在厭氧條件下，通過在表面形成Mo(V)-S 配合物，可以有效地抑制SRB 的生長。Zhang 等[94]采用熱噴涂方法制備出了一種低孔隙率（0.76%）的新型鐵基非晶涂層。該涂層具有優良的抗腐蝕、抗菌性能。他們發現噴涂涂層試樣表面生物膜厚度和表面活細胞數量急劇降低（圖9）。雖然新型抗菌管線鋼和抗菌涂層都表現出優異的抗微生物腐蝕性能，但是其發展和應用還存在巨大的挑戰。一方面，從科學研究的角度來看，抗菌元素在微生物腐蝕過程中的作用機理，以及對細菌生物膜形成和發展過程的影響機理等尚無明確結論；另一方面，抗菌元素的含量通常受其在合金基體中固溶性的限制，過量添加會削弱合金的機械性能，而材料性能的均衡性也是該方法面臨的主要問題。我國管線鋼正朝著高壓、高強和大口徑方向發展，這也對管線鋼材料的力學性能、焊接性能和耐蝕性能提出了更高的要求。因此，如何在不影響其他性能的前提下，通過增加抗菌、耐蝕元素的含量來提高這些合金的抗菌和耐蝕性能是關鍵問題。添加一種或幾種抗菌元素并同時獲得綜合性能優異的管線鋼材料，開發復合型耐微生物腐蝕管線鋼將是未來耐微生物腐蝕管線鋼研發的重要方向。

由于管線服役環境的特殊性和復雜性，微生物腐蝕的防治要綜合應用多種手段才能達到較好的控制效果。目前對MIC 防護的研究主要集中在機理與抗菌材料開發，土壤微生物監檢測技術的研究是整個腐蝕研究領域中最薄弱的環節之一，仍具有巨大的挑戰。一方面，土壤腐蝕監測的智能化較低，急需研發長效的土壤環境MIC 原位監測設備，如何通過“移動端+大數據+云計算”的體系框架，實現管道MIC監測的數字化、網格化與智能化是今后研究需重點解決的難題；另一方面，土壤環境生物多樣性的變化規律與土壤MIC 的關系未被考慮。20 世紀50 年代末，國家科學技術委員會組織并建立了“全國大氣、海水、土壤腐蝕試驗站網”，開始了我國土壤環境腐蝕試驗研究工作。經過系統建設，我國的土壤腐蝕野外站在長期連續基礎數據獲取、自然現象和規律認知、推動領域方向發展等方面發揮了重要作用。但是，目前的主要問題是缺少生物多樣性動態變化的實時監測方法和技術、研究方法不統一、數據整合困難等。國家腐蝕野外觀測站應布設生物多樣性監測網絡觀測點，利用生物信息學技術，圍繞土壤微生物群落和功能基因組的組成與多樣性，開展長期定點的動態監測。通過土壤微生物多樣性監測，將有助于闡明土壤微生物組成、多樣性、功能基因的時空變化特征和驅動機制，建立土壤微生物多樣性變化與管線材料腐蝕速率的關系及相關的模型，預測環境條件變化下土壤微生物的演變規律，為土壤微生物腐蝕監檢測技術開發與相關機理研究提供科學依據。土壤環境MIC 是一個復雜的生物/化學過程，隨著表面分析技術和生物信息學方法的快速應用及發展，將會進一步促進微生物監檢測技術向更深和更廣的方向發展[95]。

圖9 SRB 菌液中浸泡21 d 后試樣表面的CLSM 活/死細胞圖像[94]Fig.9 CLSM live/dead cell images of coupon surface after 21 days immersion in SRB-inoculated media[94]:a) Fe-based amorphous coating, b) 304SS stainless steel, c) X80 steel

5 展望

隨著我國基礎設施建設和能源消費的日益增長，埋地管線鋼的MIC 逐漸受到人們的重視。盡管對MIC現象進行了大量的研究，但對于各影響因素（生物的還是非生物的）與MIC 過程的相關性，以及主導MIC過程的腐蝕機理等仍然存在爭議。隨著材料科學、微生物學、電化學和表面分析技術的進步和發展，更先進和精確的研究手段為科研人員更好地理解MIC 的動態過程，以及這些過程如何影響腐蝕電化學反應的機理提供了可能性。由于土壤環境的復雜性，土壤微生物腐蝕研究仍存在巨大的挑戰，涉及以下幾個主要問題：

1）埋地管線鋼腐蝕受到土壤類型、含水量、應力、雜散電流和材料性能等多因素的影響。目前大量的研究仍主要集中于單因素的研究，多因素耦合作用下埋地管線鋼微生物腐蝕規律研究的報道較少。而多種因素相互作用機理的研究對深入揭示土壤服役環境中管線鋼使用性能更具有實際的指導意義。

2）土壤微生物腐蝕研究方法仍面臨巨大的挑戰，需要新的研究方法和測試手段以配合土壤微生物腐蝕的深入研究。在未來，結合基因技術、分子生物學、光譜電化學及微區腐蝕觀察等原位技術手段，從多角度研究微生物的呼吸代謝、電子傳遞途徑和金屬界面反應機制等。

3）自然界中，單一的微生物菌落群很難存在，往往是多種微生物通過生理相互作用共同存在于生物膜內。微生物群落通過釋放多種信號分子得以相互“溝通”，形成合作或競爭群體，共同對金屬材料腐蝕產生影響。因此，實際情況下通常是多種機制以不同的方式在腐蝕過程中共同發生作用。揭示混合菌種間的相互作用機理、生物多樣性的變化規律和如何影響腐蝕過程，以及與單一菌種腐蝕間的區別，將是今后深入研究微生物腐蝕機理的方向。對于多種微生物對金屬腐蝕耦合作用的研究，更有助于揭示實際環境中的MIC 機理，將為MIC 的防治方法和策略提供理論支持。