水環境下混合微生物對金屬腐蝕的影響

李泓雨，許萍

(北京建筑大學 水環境國家級實驗教學示范中心 城市雨水系統與水環境省部共建教育部重點實驗室，北京 100044)

有調查研究表明，每年微生物腐蝕帶來的經濟損失高達4萬億美元[1]。微生物腐蝕(Microbiologically influenced corrosion，MIC)是因微生物附著在金屬表面引起金屬材料表面理化性質的改變，進而引起金屬材料的腐蝕行為。引起微生物腐蝕的主要微生物包括硫酸鹽還原菌(Sulfate reducing bacteria，SRB)、硫氧化菌(Sulfure oxidizing bacteria，SOB)、鐵氧化細菌(Iron oxidizing bacteria，IOB)、鐵還原細菌(Iron reducing bacteria，IRB)和硝酸鹽還原菌(Nitrate reducing bacteria，NRB)等。不同微生物因其具有的代謝機制不同，對金屬造成的腐蝕影響也不同。

近年來，人們對典型微生物腐蝕機制做了大量研究，以硫酸鹽還原菌(SRB)為例，陸續出現了陰極去極化理論、濃差電池理論、陽極區固定理論、直接電子轉移理論等被廣泛認可的理論。但是在自然環境中，微生物附著在金屬表面主要是以微生物群落的形式存在，因此對復雜微生物群落的研究更貼近現實意義。然而微生物群落往往受到諸多環境因素的影響，導致微生物群落對金屬的腐蝕行為是一個非常復雜的過程，對于混合微生物腐蝕機理的研究十分困難。微生物對金屬的腐蝕是不同微生物共同作用的結果。多種微生物共同作用下會表現出與單菌種不同的腐蝕行為。如IOB更傾向于利用IRB產生的Fe2+而不是利用直接加入的Fe2+[2]。因此本文從微生物群落角度出發，討論了不同環境因素對種群的影響，并探討了多種微生物共同存在下通過協同和拮抗作用對金屬腐蝕產生的影響。

1 環境因素對種群的影響

管道管材、營養物質、溫度、溶解氧和pH值等會通過對微生物活性、微生物在基體表面附著能力和基體的親疏水性等對微生物種群多樣性、豐度和微生物結構產生影響，進而影響對金屬的腐蝕。

1.1 管道管材

管道管材對微生物群落存在顯著影響。不同管材因其元素組成和組織結構的差異，使得不同管材內微生物量、微生物多樣性和微生物群落結構也產生差異，而微生物量、微生物多樣性和腐蝕性微生物比例的增加，都會加劇材料的腐蝕。材料表面的微生物量受到細菌附著能力的顯著影響。Ren等發現球墨鑄鐵管、灰鑄鐵管、鍍鋅鋼管、不銹鋼復合管和聚氯乙烯5種管材中，鐵管中細菌總數和可培養異養菌數量均高于聚氯乙烯管[3]。這可能是由于微生物在不同材料表面的附著能力與基體表面粗糙度和親疏水性有關，材料表面粗糙度越大，細菌越容易附著；基體表面疏水性越高，則粘附力越大[4]。蘇艷等[5]發現，在316 L不銹鋼、PVC和玻璃3種管材中，玻璃表面最為均勻光滑，細菌不易附著，導致材料表面的附著量最低；而不銹鋼具有較大的表面粗糙度，因此微生物在其表面附著量最大。不同管材的微生物群落結構差異很大，PE管和球墨鑄鐵管在再生水環境下管壁表面微生物群落只有鞘脂單胞菌屬為二者的共同菌屬[6]。王薇[7]對5種管材的飲用水管網生物膜的研究表明，微生物多樣性從高到低依次為球墨鑄鐵管、灰口鑄鐵管、鍍鋅管、不銹鋼復合管、塑料管。Zhang等[8]對中試配水系統下不同種類管道細菌群落進行研究發現，球墨鑄鐵管生物膜主要由內桿菌(33.84%)、丙酸桿菌(8.08%)和不動桿菌(5.59%)組成。聚乙烯管狀生物膜中含有Sphingomons(25.25%)，鏈球菌(7.64%)，拉爾斯頓菌(4.83%)，假單胞菌(4.63%)，大腸桿菌-志賀氏菌(4.71%)。不銹鋼管生物膜中含有豐富的黃桿菌(24.76%)、弓形蟲(12.03%)和食性菌(8.98%)。隨著研究的不斷深入研究者逐漸不再簡單研究群落構成，開始逐漸關注腐蝕性功能菌在微生物群落中所占比重。靳軍濤[9]在再生水中UPVC、不銹鋼管、HDPE和鑄鐵管4種管材中發現，鑄鐵管中腐蝕性細菌所占比例明顯高于其他管材，最高可達33.6%。其中，鐵細菌、硝化細菌和產酸菌占比較大。

表1 不同管道管材微生物群落結構比較Table 1 Comparison of microbial community structure between different pipe materials

1.2 營養物質

1.3 溶解氧

溶解氧(DO，Dissolved oxygen)濃度的提高會一定程度增加微生物種群的多樣性和豐度。當DO濃度較低時，微生物形成的生物膜會較為疏松，無法阻隔腐蝕性離子等的傳輸，管道腐蝕加劇[16]。微生物演替和空間分布同樣會受到DO的影響，在生物膜內層對溶解氧有較強適應能力的兼性細菌可以在低DO濃度下穩定生長。有研究發現[17]低溶解氧環境下，生物膜中異養菌群數量雖然占絕對優勢，但異養菌群總量受到溶解氧的影響較小。而在溶解氧濃度較高的表面，以好氧菌為主的微生物將會成為優勢菌落。彭力[18]的研究表明，在腐蝕垢層的表面層將會形成以好氧菌鐵氧化菌為主的優勢菌群。而在微生物演替過程中，初期溶解氧充足，濃度較高，好氧菌將會成為優勢菌落，隨著時間的推移，微生物新陳代謝不斷消耗氧氣，使得溶解氧濃度下降，逐漸成為缺氧環境或厭氧環境，兼性細菌和厭氧細菌則逐漸成為優勢菌種。雒江菡等[16]分別對溶解氧濃度0.8,1.9,2.9,4.1,4.9,5.9，7.1 mg/L下生物膜進行檢測，從科水平來看，當溶解氧濃度的提高時，好氧的硝化螺旋菌科和亞硝化單胞菌科豐度提高，兼性厭氧的腸桿菌科豐富度會降低。而腐蝕性細菌中的好氧菌鐵細菌會隨溶解氧濃度的降低而下降，當溶解氧濃度超過了2.5 mg/L時，硫酸鹽還原菌的生長便會受到抑制，金屬腐蝕可以得到有效緩解。

1.4 溫度

微生物在不同溫度下敏感性和抗性會發生變化，因而微生物群落多樣性、豐度和群落結構受到溫度顯著影響。于雪[19]研究了人工模擬廢水液在25,35,40 ℃下微生物種群變化，發現物種豐富度和多樣性在25 ℃時最高，40 ℃時最低。任紅星[20]在飲用水給水系統7個采樣點取水樣，均發現冬季細菌群落多樣性高于夏季。有研究發現夏季優勢菌屬主要是鞘氨醇單胞菌屬、假黃色單胞菌屬、unidentified＿Cyanobacteria和不動桿菌屬；冬季優勢菌屬主要包含鞘氨醇單胞菌屬、弧形菌屬、分支桿菌屬和unidentified＿Cyanobacteria[21]。微生物種群在不同溫度下的差異可能由于細菌的吸附能力受到溫度的顯著影響，當溫度升高時，一是布朗運動提高，細菌與基底材料碰撞頻率增加；二是細菌會隨溫度升高疏水性增強；三是EPS分泌量增大，EPS主要成分多糖具有粘性，都使得細菌可以更牢固的附著在試樣表面[22]。Wade等[23]的研究也證明了這一點，大腸桿菌37 ℃時在試樣表面的吸附量約為21 ℃時的2.5倍?？梢愿眠m應水環境溫度的微生物菌群將成為優勢菌群，當腐蝕性功能菌群占據優勢時，金屬腐蝕將會加劇。韓文滔[24]發現腐蝕性功能菌鐵細菌的生長受到溫度的顯著影響，夏天時其在供水管網中的含量遠遠超過冬季使得管網腐蝕速率增大。而混合微生物體系中，Liu H等[25]研究了不同溫度下硫酸鹽還原菌與鐵氧化細菌對鋁合金的腐蝕行為，在45 ℃和60 ℃較30 ℃時腐蝕速率分別提高了2倍和4.6倍。因為在60 ℃時SRB逐漸演替成為優勢菌種，主導對金屬的腐蝕。

1.5 pH

pH是影響細菌群落多樣性、結構、相互作用和功能的關鍵因素。每種微生物適宜生存的pH值不同，pH過高或過低時均會影響生物大分子活性。當pH下降時，細菌群落功能如碳、氮、磷和硫等的循環相關酶和蛋白質隨之下降[26]。多數微生物群落富集生長在中性和弱堿性環境中[27]。pH對微生物種群的影響可能與pH值會影響細菌的黏附率有關。當粘附力降低時，附著在金屬表面的微生物減少，微生物對金屬造成的腐蝕影響也會相應減少。Sheng等[28]對脫硫弧菌、脫硫新加坡弧菌和假單胞菌在不同pH值下粘附金屬的能力進行了研究。研究發現，3種細菌在pH=3時對金屬的粘附能力達到最大，pH=9時，細菌的粘附能力降到最小，對金屬造成的腐蝕影響較小?？莶菅挎邨U菌和大腸桿菌的附著能力也受到pH值的影響，兩種菌在pH=8.2時附著量達到峰值。這是因為pH的升高使得孔徑蛋白通道增大，更多葡萄糖和麥芽糖得以進入細胞合成藻酸鈉，而大量的藻酸鈉有利于細菌附著以及細菌生物膜的生成[26]。研究發現在排水管道中，在綱水平上pH值與微生物群落存在顯著相關性，與黃桿菌綱、酸桿菌門呈正相關，與β-變形菌綱、放線菌綱呈負相關[29]。適應環境pH的腐蝕性功能菌會逐漸在微生物演替中占據優勢，主導金屬的腐蝕。Ling等[30]研究發現，pH值也是影響微生物群落演替的主要因素之一。硫氧化菌會隨著微生物演替過程中pH值的降低成為優勢菌種。李鑫對X70管線鋼在不同pH值下海泥模擬溶液的腐蝕情況做了研究，金屬腐蝕受到pH的顯著影響，當pH=8時金屬腐蝕情況最為嚴重，因為試樣中SRB在pH=8時生長情況最好[31]。

2 混合微生物腐蝕機制

2.1 協同作用

混合微生物對金屬腐蝕的協同作用主要體現在2個方面，見表2，一是腐蝕性微生物演化成為優勢菌種，主導對金屬的腐蝕；二是保護層變疏松，促進氧濃差電池形成。

表2 部分混合微生物對金屬腐蝕的協同作用Table 2 Synergistic effect of some mixed microorganisms on metal corrosion

當兩種微生物共同存在時，一種微生物通過生命活動為另一種微生物提供適宜的生長環境，使腐蝕性微生物大量生長，加速對金屬的腐蝕。SRB和IOB的組合是協同作用中最為典型的組合，其腐蝕機理見圖1。

微生物共同作用下生物膜形成速度變慢、細菌分布的不均勻、腐蝕產物和代謝產物的堆積，會導致生物膜和腐蝕產物膜的不均勻甚至出現裂紋變得疏松多孔，使不同區域氧濃度產生差異，貧氧區域形成陽極，富氧區域形成陰極，產生氧濃度差電池，局部腐蝕增強?？骂38]在假單胞菌和氧化硫硫桿菌協同作用中發現，腐蝕產物的堆積使得內應力增大，破壞了內層膜，腐蝕產物膜出現縫隙，使得溶解氧傳質產生差異，混菌體系較單菌體系均勻腐蝕減弱，局部腐蝕增強。董碩[39]對需鈉弧菌、芽孢桿菌混合腐蝕體系中的腐蝕行為研究發現，混合體系會促進金屬的腐蝕。需鈉弧菌和芽孢桿菌都是典型的兼性厭氧菌，但需鈉弧菌對缺氧環境的適應能力更強，因此會在兩者的競爭中占據優勢，混菌體系下生物膜的生長變慢；松散的菌體與腐蝕產物在裂開的混合層間結合，都導致膜層均一性變差產生局部氧濃差電池進而加劇了局部腐蝕。羅琦[40]的研究中表明弧菌和假單胞菌的混合體系較單菌體系腐蝕速率增大。因為假單胞菌其胞外聚合物具有黏附作用，使腐蝕產物不易脫落在金屬表面造成局部堆積，阻礙了氧的傳遞，產生氧濃度差，而混菌體系中兩種細菌分布的不均勻性加劇了氧濃度差腐蝕誘發了更嚴重的局部腐蝕。

2.2 拮抗作用

混合微生物對腐蝕的拮抗作用主要表現在三個方面，見表3，一是抑制甚至殺死腐蝕性微生物，二是鈍化保護層，三是產生表面活性劑。

表3 部分混合微生物對金屬腐蝕的拮抗作用Table 3 Antagonistic effect of some mixed microorganisms on metal corrosion

不同微生物會對溶解氧或營養物質等產生競爭關系或受到其他細菌生命活動代謝產物的影響，腐蝕性微生物生長受到抑制，進而減緩對金屬的腐蝕。皮振邦等[41]對小球菌與硫酸鹽還原菌混合作用下的碳鋼腐蝕行為進行了研究，小球菌雖是好氧菌，但會與SRB競爭營養物質，在有限的生長條件下，小球菌及其代謝產物抑制了SRB的生長，小球菌主導了對金屬的腐蝕，雖然小球菌在一定程度會加速金屬的腐蝕，但程度比硫酸鹽還原菌會小的多，仍會大幅降低碳鋼的腐蝕速率。雖然硝酸鹽還原菌和硫酸鹽還原菌都是厭氧型細菌，但是硝酸鹽還原菌接受電子的能力更強，在兩者的競爭關系中硝酸鹽還原菌更容易占據優勢[42]。在石油開采中，因硝酸鹽還原菌可以利用注入的硝酸鹽氧化油脂成分，在與SRB競爭中占據優勢，抑制SRB造成的腐蝕，因此石油生產中會加入NRB來抑制SRB對管網的腐蝕[43]。Qiu[44]對反硝化硫桿菌(TDN)對原油中SRB對X70管線鋼腐蝕的影響進行了研究。當TDN與SRB混合后，會隨時間變化交替占據優勢，TDN可以減少原油中硫化物的積累，抵抗SRB對金屬的腐蝕。有的微生物甚至可以直接殺死腐蝕性細菌，如Zuo[45]發現一種產短桿菌肽的短桿菌可以降低碳鋼的腐蝕速率，因為短桿菌肽可以抑制硫酸鹽還原菌和鐵氧化菌的生長甚至殺死它們。也有研究人員采用基因構建技術，使枯草芽抱桿菌分泌含?？咕w、bactenecin等抗生素的生物膜來抑制SRB生長，達到減緩腐蝕的目的[46]。

混合微生物可以通過形成較單菌體系更為致密的生物膜或腐蝕產物膜，阻隔腐蝕介質的侵入，降低腐蝕速率。硫酸鹽還原菌和硝化菌的混合體系腐蝕速率小于單菌體系，因為單菌體系下生物膜疏松，無法均勻覆蓋，但混菌共同代謝作用下使得形成的保護膜更為致密，有效減緩了金屬的腐蝕。且混菌體系膜層具有較強的吸附特性，一定程度上阻隔了介質中離子的侵襲，減低了金屬的溶解速率[47]。碳鋼的主要腐蝕產物中，Fe3O4和Fe2O3是較α-FeOOH和γ-FeOOH更為穩定的腐蝕產物，且結構也更為致密。如果腐蝕產物膜中有較高含量的Fe3O4和Fe2O3時，腐蝕產物膜相較會更為致密，有效減緩金屬的腐蝕。任恒陽[48]發現，大腸埃希氏菌會促進初期腐蝕產物α-FeOOH形成，熒光假單胞菌會促進Fe3O4和Fe2O3的生成，而在兩中菌競爭關系中，熒光假單胞菌占優并穩定存在，使得混合細菌下腐蝕產物Fe3O4和Fe2O3較多，形成的腐蝕產物層較為致密，減緩金屬的腐蝕。

在混合體系下，某些細菌會產生表面活性劑影響金屬的腐蝕。如假單胞菌能分泌EPS作為表面活性劑抑制其他微生物的附著以減緩金屬腐蝕的發生。段冶等[49]對鐵細菌和假單胞菌的混合腐蝕行為進行研究發現，雖然單菌體系與混菌體系抑制腐蝕機理不同，混菌體系可能由于胞外聚合物作為表面活性劑抑制細菌吸附，減弱細菌對金屬腐蝕的影響?？骂38]在假單胞菌和氧化硫硫桿菌協同作用中發現證實了這點，混合體系下，因假單胞菌分泌胞外聚合物使得氧化硫硫桿菌數量較單菌體系少了一個量級。胞外聚合物除了作為表面活性劑外，還可作為營養物質，影響微生物的生長。魏志剛[50]在大腸埃希氏菌和熒光假單胞菌的研究中證實了這一點。大腸埃希氏菌的EPS可作為熒光假單胞菌的營養物質，促進其的生長。而熒光假單胞菌EPS達到400 mg/L時，便能抑制或減緩大腸埃希氏菌的生長和繁殖，減緩腐蝕的發生。

3 展望

(1)自然環境因素復雜多變，與微生物新陳代謝、微生物群落分布、微生物附著、微生物演化等相互作用，協同對金屬產生影響，但難以對其進行定量的描述，對其進行相關性分析。結合微生物群落優勢菌種演化、微生物群落結構變化，如果可以建立混合微生物腐蝕的機制模型和經驗模型，則有利于我們更好地理解微生物腐蝕機制，從而找到更加有效抑制微生物腐蝕的方法。

(2)目前，研究已逐步從單一菌種腐蝕機制轉向混合菌種腐蝕機制的研究。微生物間相互作用彼此影響，如何利用微生物種間關系來減緩微生物的腐蝕，單菌種在混合體系下腐蝕特性，如何分離提純防腐蝕菌種都是未來值得深入研究的問題。但是腐蝕的實際環境中工況更為復雜，實驗室條件下，無法完全還原實際環境的情景，仍是當前該領域研究面臨的問題。未來仍應結合分子生物學、生物化學、電化學等多學科交叉技術對混合菌種腐蝕機制進行更深入的研究。