腐蚀微生物种类及腐蚀机理研究进展_邱丽娜.pdf

腐蚀微生物种类及腐蚀机理研究进展邱丽娜1,2)，张玮玮3)，弓爱君1,2)，郑书佳1)，赵丹丹1)，赵伟宇1)，范荣荣4)1)北京科技大学化学与化学工程学院，北京1000832)北京科技大学功能分子与晶态材料科学与应用北京市重点实验室，北京1000833)北京科技大学自然科学基础实验中心，北京1000834)昆山禾信质谱技术有限公司，昆山215300通信作者，E-mail：摘要目前微生物腐蚀（MIC）在工业环境中已成为普遍存在的严重问题，其是造成腐蚀损坏、设备故障和经济损失的主要原因之一.虽然部分经典的腐蚀理论能够解释一些微生物腐蚀的现象，但这些机理的片面性也逐渐暴露出来.随着对腐蚀菌种类的研究越来越多,人们对微生物腐蚀机理的认识也更加全面深入.本文重点介绍了易导致腐蚀的微生物种类及特征，如硫酸盐还原菌、硝酸盐还原菌和铁氧化菌等，并总结了微生物腐蚀机理中基于生物能学和生物电化学的最新研究进展，包括微生物胞外电子传递过程、代谢产物腐蚀和浓差电池作用等理论，为工业中厌氧及好氧条件下微生物腐蚀的诊断、预测及防治提供了理论指导.关键词微生物腐蚀；金属材料；腐蚀性微生物种类；生物膜；腐蚀机理；细胞外电子传递分类号TG174.3SpeciesofcorrosivemicrobesandcorrosionmechanismsQIU Li-na1,2)，ZHANG Wei-wei3)，GONG Ai-jun1,2)，ZHENG Shu-jia1)，ZHAO Dan-dan1)，ZHAO Wei-yu1)，FAN Rong-rong4)1)SchoolofChemistryandBiologicalEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China2)BeijingKeyLaboratoryforScienceandApplicationofFunctionalMolecularandCrystallineMaterials,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China3)BasicExperimentalCenterforNaturalScience,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China4)KunshanHexinMassSpectrometryTechnologyCo,Ltd,Kunshan215300,ChinaCorrespondingauthor,E-mail:ABSTRACTCorrosionisaglobalproblemaffectingawidevarietyofthemechanicalstructuresofpiping,buildings,transportation,sewage,andautomotiveparts.Corrosionisanabioticelectrochemicalreactionofmetaloxidationwithoxygenandwater.Underanoxicconditions,theonlyreactantavailableforironoxidationiswater-derivedprotons.Thekineticsofthisreactionisextremelyslow.However,thisbehaviorcontrastswithextremecorrosionobservedinanoxicenvironments,demonstratingthatbiologicalprocessesplayan important role in iron and steel corrosion.Therefore,among the different corrosion mechanisms,microbiologically influencedcorrosion(MIC)isthemostcommonandthemostcloselyrelatedtothecomplexprocessesconnectedwithmicroorganismactivity.Biocorrosionisawell-established,highlydestructivephenomenon,andMICcanacceleratethedeteriorationofmetal,plastics,stone,concrete,andwood,leadingtohumanandenvironmentalrisksaswellassubstantialeconomiclosses,whichmakeMICanimportantresearchtopic.Itisestimatedthat20%ormoreofcorrosionlossescanbeattributedtoMIC.ThemaintypesofbacteriaassociatedwithcorrosionareSRB,SRA,NRB,APB,IOB,IRB,SOB,andbacteria-producingorganicacids,exopolymers,orslime.MICisalwaysassociatedwithbiofilm.AlthoughclassicalcorrosiontheoriescanexplainsomeMICphenomena,thelimitationsofthesemechanismsareexposedwhenMICbecomesaseriousconcerninrealindustrialapplications.Withincreasinglymoreresearchoncorrosivebacteria,收稿日期:20220420基金项目:国家重点研发计划资助项目（2017YFF0106006）;国家自然科学青年科学基金资助项目（51701016）工程科学学报，第45卷，第6期：927940，2023年6月ChineseJournalofEngineering,Vol.45,No.6:927940,June2023https:/doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2022.04.20.007;http:/peoplehaveamorecomprehensiveandin-depthunderstandingofthemechanismofMIC.Inthiswork,thespeciesandcharacteristicsofmicroorganismseasilyleadingtocorrosionareanalyzed,suchassulfate-reducingbacteria,nitrate-reducingbacteria,andiron-oxidizingbacteria.DifferentmechanismsofMICarediscussedusingtheconceptsofbioenergetics,electrontransfertheories,andrespirationtypes.The latest research progress on the microbial corrosion mechanism,including extracellular electron transport,metabolitecorrosion,andtheconcentrationdifferentialbattery,wasreviewed.Theprocessofmicrobialcorrosionofteninvolvesmorethanonemechanism.Differentmicroorganismsgrowindifferentenvironments,andtheirmetabolicprocessesdiffer.Therefore,obtainingaunifiedcorrosionmechanismisdifficult,sowecanonlyjudgewhichmechanismplaysthemainroleaccordingtothespecificsituation.Thisreviewprovidestheoreticalguidanceforthediagnosis,prediction,andpreventionofmicrobialcorrosionunderanaerobicandaerobicconditionsintheindustry.KEY WORDSmicrobiologically influenced corrosion；metallic materials；species of corrosive microbes；biofilm；corrosionmechanisms；extracellularelectrontransfer金属腐蚀是全球性的问题，它制约着建筑业、水处理、航运、石油化工业和海洋工业等众多行业的发展.据 2016 年报道美国腐蚀成本每年高达2.54 万亿美元1，在中国，腐蚀造成的年损失约为国内生产总值的 3%5%2.材料腐蚀失效不仅造成重大的经济损失，还可能造成严重的环境污染，危害人类健康3.导致腐蚀的因素有很多，如温度、湿度、酸碱度、土壤性质和微生物等，其中微生物腐蚀(MIC)，即由微生物活动引起的腐蚀，是最常见的，也是一种被公认的、极具破坏性的腐蚀行为.MIC 会导致塑料、石头、混凝土、木材等材料的破坏4，在石油天然气、海洋工业、（废）水处理系统等工业系统中无处不在57.据统计全球每年约 20%的腐蚀损失是由微生物腐蚀引起的8.在过去 20 年中，由微生物腐蚀引起的管道泄漏、设施故障以及环境破坏等事件屡屡发生89.杀菌剂、增强剂、抗菌不锈钢和抗菌涂层等防腐技术的研究受到人们越来越多的关注10，而这些处理方法所涉及到的化学物质基本都是有毒有害的，这些化学物质会不断释放到环境中，其毒性、致癌性不仅导致环境污染及细菌耐药性增加1112，并且能够产生生物累积13.此外采用海水注入来提高原油采收率的方法，导致微生物腐蚀和蓄水池酸化问题越来越严重，这就意味着微生物腐蚀问题在原油采收中也日益普遍14.因此，随着人们对微生物腐蚀的认识和对人类健康和环境问题的关注加深，越来越多的微生物腐蚀受到研究者的关注.微生物腐蚀是由金属表面微生物群落和腐蚀环境的相互作用而发生的腐蚀行为15.一些工业生产使用的管道、储罐等基础设施中的微生物会造成生物淤积和腐蚀，甚至造成人员伤亡或财产损失及环境破坏等.许多工业部门如石油和天然气工业及核电厂1617、燃料加工厂、发电厂、下水道18、地下储罐及管道19、石油回收系统、冷却水塔、消防喷淋系统2021、铁路系统2223，油田及其相关区域如泵、阀门和容器2425、船舶26、医疗设备27和放射性元素储存设施2829等设备都会被微生物腐蚀.因此，可以说许多大型事故是由 MIC直接或间接导致的，如 2015 年墨西哥石油巨头PEMEX 公司海上钻井平台大火事件16、阿拉斯加北坡 Prudhoe 湾漏油事件30和美国新墨西哥州卡尔斯巴德天然气管道泄漏引起的大爆炸事件31.MIC 涉及的微生物种类较多，按照需氧量的不同可以分为：厌氧菌、好氧菌和兼性厌氧菌.通常这几类菌同时吸附在金属材料表面形成生物膜.好氧菌和兼性厌氧菌在生长过程中消耗掉环境中的氧气，为厌氧菌提供生长的局部条件.常见腐蚀菌包括细菌、古菌和真菌等，如硫酸盐还原菌(SRB)32、硫酸盐还原古菌(SRA)33、硝酸盐还原菌(NRB)34、产甲烷菌35、产酸菌(APB)36、铁还原菌（IRB）37、铁氧化菌(IOB)38、硫氧化菌（SOB）39、锰氧