海水中产甲烷古菌所致碳钢腐蚀机理研究

Methanogenic archaea are the dominant microbial community in the carbon steel corrosion products in seawater, and have significant influence on corrosion of carbon steel. However, the mechanism of methanogenic archaea influenced corrosion is still unclear. Based on the obtained growth and metabolism characteristics of typical marine methanogenic archaea (Methanococcus maripaludis), this project focuses on demonstrating two scientific issues, i.e., the influence mechanism of methanogenic archaea on the kinetics process of carbon steel corrosion, as well as the synergistic effect of electrical and chemical microbiologically influenced corrosion mechanism on carbon steel corrosion caused by methanogenic archaea. The influence of methanogenic archaea on electrode reaction during the corrosion of carbon steel will be illuminated through studying methanogenic archaea induced the electrochemical corrosion behavior of EH40 steel commonly used in marine engineering. The effects of the supply of different energy sources (organic energy, inorganic energy and direct electron source) on extracellular electron transfer of methanogenic archaea during corrosion of EH40 steel, and the influence of its metabolites (extracellular polymeric substances) on corrosion behavior of EH40 steel will be further explored to demonstrate the electrical and chemical microbiologically influenced corrosion mechanism, respectively. Finally, the corrosion mechanism model of carbon steel caused by methanogenic archaea in seawater will be built. The research will deepen our understanding of the mechanism of marine microbiologically influenced corrosion and provide scientific basis for the control of microbiologically influenced corrosion of carbon steel in marine engineering.

产甲烷古菌被鉴定为海水中腐蚀产物层内的优势微生物种群，且被证明对碳钢的腐蚀有重要影响，而其所致碳钢腐蚀的机理尚不明确。本项目在已获得典型海洋产甲烷古菌（Methanococcus maripaludis）生长代谢规律的基础上，拟解决产甲烷古菌对碳钢腐蚀动力学过程的影响规律，及腐蚀过程中电子和化学的微生物腐蚀机理的协同作用规律这两个科学问题。通过研究产甲烷古菌对海洋工程常用EH40钢腐蚀电化学行为的影响，揭示产甲烷古菌所致碳钢腐蚀电极反应机理。进一步探究不同能源（有机能源、无机能源和直接电子来源）供给对产甲烷古菌从EH40钢表面获取电子过程的影响，及其代谢产物-胞外多聚物对EH40钢腐蚀行为的影响，分别揭示产甲烷古菌所致电子和化学的微生物腐蚀机理，进而构建海水中产甲烷古菌所致碳钢腐蚀的机理模型。通过本项目研究将加深我们对海洋微生物腐蚀机理的认识，为海洋工程用碳钢的微生物腐蚀控制提供科学依据。

长期以来，海洋微生物机理的研究主要集中在细菌，而近年来一些研究初步发现严格厌氧的产甲烷古菌对碳钢腐蚀有显著影响，但相关的机理研究甚少。本项目通过研究典型海洋产甲烷古菌（Methanococcus maripaludis）生长代谢规律，发现当M. maripaludis以醋酸钠或钢作为唯一能源时，其代谢可导致环境的pH值降低。当H2作为能源时，M. maripaludis的活性高于醋酸钠和钢，导致环境的pH值升高。研究M. maripaludis对EH40钢腐蚀行为的影响时发现，M. maripaludis生物膜的不均匀分布诱导点蚀，代谢过程加速了阳、阴极去极化过程。研究M. maripaludis所致的直接电子传递机制发现，M. maripaludis能通过代谢产生的氧化还原性物质，进行胞外电子传递促进钢腐蚀，且与生物膜的附着不存在直接关系。深入研究证实，外源性电子穿梭体-核黄素的加入能够促进EH40钢的点蚀，降低腐蚀过程的电荷转移电阻，并加速的阳极反应，且随着核黄素浓度的增加，M. maripaludis对EH40钢的腐蚀加剧。除核黄素外，M. maripaludis还可以利用人工电子中介体，促进EH40钢的腐蚀，不同电子中介体对于M. maripaludis所致EH40钢腐蚀的促进效果为AQC > Neutral red > Thionin，这与电子中介体的电荷转移能力的差异有关。有氧环境中，EH40钢在M. maripaludis代谢产生的EPS作用下腐蚀特征为均匀腐蚀，而无氧环境中，EPS的存在引发EH40钢的局部腐蚀。总之，不论是以何种能源作为营养物质，无氧环境中M. maripaludis的存在都会促进碳钢的局部腐蚀，在醋酸钠环境中M. maripaludis对碳钢的腐蚀是EMIC和CMIC共同作用的结果，且EMIC起到主要作用，而EMIC过程中，也并非是仅有胞外电子传递过程，M. maripaludis还可以利用阴极氢加速腐蚀。本研究明确了海水中M. maripaludis的存在对碳钢腐蚀电极动力学过程的作用，M. maripaludis从碳钢表面直接获取电子的途径，以及 CMIC 和 EMIC 机制在 M. maripaludis 所致碳钢腐蚀中的协同作用机理，本项目研究的开展对深入认识海洋腐蚀机理和丰富海洋腐蚀与防护理论具有重要意义和科学价值。