厌氧条件下铁的微生物腐蚀（MIC）是由硫酸盐、硝酸盐和质子等非氧氧化剂氧化铁所致。大多数厌氧MIC可基于两种厌氧代谢类型，即呼吸作用和发酵作用。I型MIC涉及进行厌氧呼吸作用的微生物。例如，硫酸盐还原菌（SRB）的呼吸作用通常以硫酸盐作为最终电子受体。挥发性脂肪酸等有机碳通常用作电子供体。产氢酶阳性的SRB可以利用分子氢(H₂)作为电子供体。这种涉及电子交换的氧化还原反应为SRB代谢提供能量。在钢表面被生物膜覆盖的情况下，由于生物膜内缺乏有机碳或生物膜阻碍了有机碳的传质导致碳饥饿，此时SRB会转而利用Fe⁰作为电子供体来产生能量以维持生存。II型MIC涉及分泌腐蚀性代谢产物，如有机酸。本研究涉及的是I型而非II型微生物腐蚀。

用注入硝酸盐抑制由SRB引起的油气田储层酸化，其原理是促进硝酸盐还原菌（NRB）的硝酸盐呼吸作用，抑制SRB的生长，从而抑制SRB产H₂S。然而，NRB对硝酸盐的还原可能会导致MIC，因为硝酸盐还原与铁氧化的耦合在热力学上是有利的。在生物催化作用下，NRB从这种氧化还原反应中获得生物能量。地衣芽孢杆菌是一种兼性厌氧菌，能够利用硝酸盐进行呼吸作用。本研究显示，在为期一周的实验室测试中，当地衣芽孢杆菌生物膜作为NRB生物膜生长时，对C1018碳钢造成了14.5μm的最大坑深和0.89mg/cm2的归一化重量损失。

一．实验内容

1.SECM结果：在扫描电子显微镜下观察了附着在试片表面的地衣芽孢杆菌生物膜。图1a展示了培养7天的试样上的MIC 凹坑图案。最大的凹坑表面直径为15微米。在相同培养基中未接种的无生物对照试样在7天后未出现可见凹坑（图1b），这表明在厌氧条件下培养基本身不具有腐蚀性。

图1.（a）在37°C下培养7天后，从地衣芽孢杆菌培养液中取出的C1018碳钢试样上出现点蚀的SECM图像。（b）在37°C下培养7天后未接种细菌的对照试样。

2.重量损失和腐蚀坑深度：图2a展示了在37°C下与地衣芽孢杆菌⼀起培养3天和7天的试样的（归一化）重量损失。3天试样的平均重量损失为0.24毫克/平方厘米，7天试样的重量损失增加到0.89mg/cm2。相比之下，在无生物培养基中培养7天的对照试样的重量损失为0.05mg/cm2，这与图1b⼀致。图2b和c显示，在37°C下与地衣芽孢杆菌⼀起培养3天和7天的最大凹坑深度分别为13.5微米和14.5微米。这些数值（13.5μm和14.5μm）明显大于在实验室中使用碳钢试片进行为期⼀周的测试时，由硫酸盐还原菌生物膜所导致的通常小于10μm的坑蚀深度。因此，在严格厌氧条件下进行的实验室微生物腐蚀坑蚀研究中，本研究中的地衣芽孢杆菌比典型的硫酸盐还原菌更具腐蚀性。

图2.（a）从37°C的地衣芽孢杆菌培养物中取出的试样在培养3天和7天后的归⼀化重量损失数据。每个数据点均为10个试样的平均值（每个无生物对照数据点为5个试样），误差线表示标准偏差。

（b）在37°C培养基中培养3天后发现的最大坑深为13.5μm。

（c）在37°C培养基中培养7天后发现的最大坑深为14.5μm。

3. X射线衍射分析（XRD）：图3展示了从地衣芽孢杆菌培养物中取出的7天试样在XRD下分析的腐蚀产物。硫酸亚铁铵和氮化铁被发现是主要产物。氮化铁出现在试样表面，根据XRD分析，可能是由FeN、Fe3N和Fe4N组成的混合物。氮化物复合物的存在也表明，即使地衣芽孢杆菌在某些发酵条件下是一种产酸菌，但由其代谢产物引起的酸性也不足以干扰I型MIC腐蚀机制，因为在酸性pH值条件下氮化物复合物可以溶解。硫酸亚铁铵的存在表明，培养基中的至少部分硝酸盐被地衣芽孢杆菌还原为铵。

图3.在37°C培养基中培养7天后，C1018碳钢表面腐蚀产物的X射线衍射图谱。

二．实验解释

1.MIC生物电化学机制：

经典的阴极去极化理论（CDT）认为，阴极上积累的原子氢在产氢酶的帮助下被去除，从而推动了腐蚀过程。此理论仅适用于产氢酶阳性的SRB。顾等人基于生物能学和生物催化作用，提出了BCSR（生物催化阴极硫酸盐还原）理论，利用以下两个反应来解释SRB引起的MIC，

方程（1b）和（2b）是用于计算平衡电位（单位为伏特）的能斯特方程，以标准氢电极（SHE）为参比。在能斯特方程中，R是通用气体常数，T是温度，F是法拉第常数。在25°C和1M亚铁离子浓度下，方程（1b）得出的还原电位E_e=447mV（相对于SHE）。在pH=7和1M 硫酸盐和亚硫酸盐浓度下，方程（2b）得出的还原电位E_e=214mV （相对于SHE）。

从214mV减去447mV，在25°C、pH=7和1M溶质条件下，铁氧化与硫酸盐还原的氧化还原反应的电池电势为E_cell=+233mV。根据方程:ΔG=-nFE_cell，这个正值对应于反应的自由能变化ΔG=-180kJ/mol硫酸盐。其中n是参与氧化还原反应的电子数（n=8）。这个负的ΔG值意味着该氧化还原反应在热力学上是有利的，因为硫酸盐对元素铁(Fe⁰)的厌氧氧化过程中释放了能量。

当硝酸盐而非硫酸盐作为MIC的阴极反应中的最终电子受体时，生物催化阴极硫酸盐还原（BCSR）理论就变成了生物催化阴极硝酸盐还原（BCNR）理论，这与BCSR类似。硝酸盐（或亚硝酸盐）可通过异化硝酸盐还原铵（DNRA）被还原为NH4⁺。生物反硝化是将硝酸盐（或亚硝酸盐）还原为氮气的过程。因此，N₂和NH4⁺可能都是NRB培养物中硝酸盐还原的产物，如以下反应所示：

在式（3b）中，p_N2表示的分压（单位为巴）。在25°C、pH=7以及1M溶质的条件下，式（3b）和式（4b）得出硝酸盐还原生成N₂和NH⁺₄的E_e值分别为+749mV（相对于SHE）和+358 mV（相对于SHE）。在相同条件下Fe⁺²/Fe⁰的E_e=+447mV（相对于SHE），铁氧化与反应（3a）相结合的氧化还原反应的E_cell=+1196mV，计算得出ΔG=577kJ/mol硝酸盐。同样，对于铁氧化与反应4(a)相结合的氧化还原反应的E_cell=+805mV，计算得出ΔG=621kJ/mol硝酸盐。这些非常负的ΔG值表明，在25°C、pH7和1M溶质（1bar气体）条件下，这两个氧化还原反应在热力学上非常有利。在NRB生物膜的生物催化作用下，NRB对碳钢具有腐蚀性也就不足为奇了。

2.电子转移：在没有SRB的情况下，硫酸盐不会导致MIC。这是因为硫酸盐还原反应的活化能较高，反应动力学受到抑制，这意味着需要SRB的生物催化作用来推动反应进行。不同的SRB种类在生物催化作用下，将电子从SRB细胞外运输到细胞内进行硫酸盐还原的机制各不相同。这些附着在金属表面的产氢酶阳性的SRB细胞能够利用H₂作为电⼦载体直接将铁氧化产生的胞外电⼦转移到细胞质中，通过酶催化作用完成。

图4.利用胞外电子进行硝酸盐还原的NRB导致MIC的机制示意图。

三．实验总结

本研究中NRB的腐蚀机制可以用生物能学来解释。在厌氧条件下，地衣芽孢杆菌（B.licheniformis）被发现对C1018碳钢具有腐蚀性硝酸盐还原作用。3天和7天的归⼀化重量损失分别为0.24和0.89mg/cm2。3天试样的最大蚀坑深度为13.5μm，7天试样的最大蚀坑深度为14.5μm。蚀坑数据表明，在严格的厌氧条件下，本研究中的地衣芽孢杆菌比微生物腐蚀实验室调查中典型的SRB更具腐蚀性。

文章链接：http://dx.doi.org/10.1016/j.corsci.2013.07.044

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