海水中微生物对水线作用下金属材料腐蚀过程的影响机制

Microbially influenced corrosion (MIC) is a significant source for the failure of metal engineering equipment and facilities. The present project focuses on the juncture area of marine environment, in which the MIC research is relatively backward, environmental factors change dramatically, and the corrosion condition is complex. There is an extrusive problem that it is unclear what mechanism is involved in the effect of microorganisms in seawater on metal material corrosion under the role of water-line, and the influencing rule of microorganisms towards corrosion and the influencing mechanism of key microorganisms will be investigated aiming at promoting the solution of this problem. The comprehensive analysis of the impact of microorganisms on the corrosion development process will be achieved from the corrosion rate, electrochemical kinetics, morphology, and products, with the aid of wire-beam electrode and electrically connected corrosion coupon. The influencing rule of microorganisms in seawater towards the corrosion process of metal materials under the role of water-line will be gained via the dependence analysis of corrosion impact on environmental factors. The biofilm evolution rule will be acquired with methods like high-throughput sequencing, and key microorganisms at different corrosion stages will be ascertained via the analysis of the correlation between biofilm evolution and corrosion development. The effect of typical key microorganisms and their synergy will be further studied, and the action mechanism will be unveiled. Finally, the influencing mechanism of microorganisms in seawater towards the corrosion process of metal materials under the role of water-line will be proposed. This project is vital to the extension of marine MIC theory.

微生物腐蚀是引起海洋环境中金属工程装备与设施失效的一重要原因。本项目立足微生物腐蚀研究相对滞后、环境因子变化剧烈、腐蚀条件复杂的海洋环境跃变区，针对目前海水中微生物对水线作用下金属材料腐蚀影响机制不清晰的突出问题，自获取微生物对腐蚀的影响规律和解析关键微生物的腐蚀影响机制两个层次推动这一问题的解决。通过阵列电极与电联接挂片相结合，自腐蚀速率、腐蚀电化学动力学、腐蚀形貌、腐蚀产物等方面全面解析微生物对腐蚀动态演变过程的影响，并分析微生物影响对环境因子的依赖性，获取海水中微生物对水线作用下金属材料腐蚀过程的影响规律；借助高通量测序等手段获取生物膜的演变规律，通过解析其与腐蚀演变过程的相关性，确定不同腐蚀阶段的关键微生物；并进一步研究典型关键微生物及其协同作用的影响、揭示作用机理，进而提出海水中微生物对水线作用下金属材料腐蚀过程的影响机制。该项目的开展对丰富海洋环境微生物腐蚀理论具有重要意义。

微生物腐蚀是引起海洋环境中金属工程装备与设施失效的一重要原因，目前有关海洋环境微生物腐蚀的研究大多以海水全浸区为背景，而海洋环境跃变区的微生物腐蚀研究相对滞后。因此，本项目以大气-海水跃变区为背景，以EH40钢为代表性金属材料，研究海水中微生物对水线作用下EH40钢腐蚀的影响。发现了海水中微生物可导致EH40钢在水线作用下的腐蚀过程发生阴阳极转变，揭示了氧浓差电池与微生物代谢耗氧的拮抗作用是导致水线处位点发生阴阳极转变的根本，确定了好氧/兼性厌氧微生物在阴阳极反转中的关键作用。研究了不同季节海水中微生物对水线作用下EH40钢腐蚀的影响，发现了水线处位点的阴阳极转变只发生于夏季海水、而不发生于冬季海水，揭示了海水中微生物对水线作用下EH40钢腐蚀影响的环境因子依赖性，突出了温度与群落性质的重要性。发现了在研究典型菌株对水线作用下EH40钢腐蚀中为了保证体系不被其他微生物污染所采用的密闭体系中溶液上方的空气湿度接近100%，导致阵列电极在空气中的部分发生快速的薄液膜下的腐蚀，使得水线处微生物的影响不再显著。基于此采用两种方式来模拟水线环境不同位置来研究典型菌株对腐蚀的影响，一是水线环境不同深度的溶解氧浓度差异，二是模拟薄液膜的出现。发现了泰坦尼克盐单胞菌在有氧环境下抑制EH40钢的腐蚀、无氧环境下促进腐蚀，并揭示了其腐蚀作用机制，泰坦尼克盐单胞菌对水线作用下EH40钢腐蚀的影响是水线处腐蚀抑制、远离水线处腐蚀促进和宏观氧浓差电池三方面共同作用的结果。发现了薄液膜的存在使得泰坦尼克盐单胞菌对EH40钢的腐蚀抑制效果增强，并揭示了薄液膜促进细菌在钢表面附着与提高有氧呼吸活性的作用机制，由于薄液膜下泰坦尼克盐单胞菌对EH40钢的自腐蚀与氧浓差作用下宏观电偶腐蚀的影响具有一致性，水线作用下金属材料腐蚀的阴阳极转变可向薄液膜方向扩展。这些结果对丰富海洋环境微生物腐蚀理论具有重要意义。