海洋环境腐蚀破坏

2026-11-09 11:57:18 作者：海洋环境微生物腐蚀来源：海洋环境微生物腐蚀分享至：

海洋环境腐蚀是指金属材料在海洋环境当中服役而发生腐蚀（主要是电化学腐蚀）而使性能破坏失效的过程。海水是一个强电解质，离子强度约为0.7，含有包括常量元素、微量元素、溶解气体、有机物等组分。海洋在不同的时空条件下具有不同的理化性质，垂直空间下的物理环境差异造成了金属长尺试样不同的腐蚀特征和腐蚀损失，在垂直方向把海洋环境分为海洋大气区、浪花飞溅区、潮差区、海水全浸区和海泥区，已知金属在浪花飞溅区和海水-海泥界面区域的腐蚀速率最大。海洋环境腐蚀的显著特征在于电化学腐蚀行为与环境物理化学因子之间的相互作用，而在海洋环境当中仍有另一种腐蚀性因素值得关注，即生物因素，其中又以微生物的电活性腐蚀为显著特征。

海洋环境具有复杂多变性。以物理空间的分异而将海洋划分为五个区的方式方法是粗糙大概的，不能够代表所有的海洋环境。海洋环境自身的复杂性体现在特殊海洋环境的存在，比如高污染浓度的河口滨海地区、深海热液冷泉地区、极地冰川冰冻区、海洋微表层干湿交替区、海洋生物体环境等，这些特殊的海洋环境造就材料服役环境苛刻，腐蚀样品难以采取，造成腐蚀的原因多种多样，腐蚀防护方法难以开展等。其中尤以微生物腐蚀引起的腐蚀损失在特殊环境乃至高污染或高压低温的极端环境当中较为显著，微生物遍布海洋的各个片层，与独特的海洋环境形成了海洋环境生态。

重视海洋环境生态腐蚀，即重视以微生物为媒介的海洋环境腐蚀的特殊性。这特殊性和重要性首先体现在微生物对于环境的适应性，以及在恶劣条件下对于金属的腐蚀上。微生物可以形成生物被膜，自动附着在金属基体上，依靠微生物本身或者其代谢产物对铁发生腐蚀损失，这种微生物膜作用也可以作为抑制腐蚀的缓释成分而在将来的材料防护当中大有用处。其次，微生物群落的复杂性和环境的复杂性息息相关，什么样的环境下生活如何的微生物对于材料的使用条件有一定的影响，比如在厌氧环境当中管线钢被SRB腐蚀就异常严重。最后，腐蚀微生物的电子传递作用既能够适应恶劣环境，对环境污染物进行降解代谢，也能够对金属造成一定的腐蚀或者腐蚀抑制，如果能研究到同时影响污染物降解和金属腐蚀的基因，制备基因菌剂，对于污染物环境的设备使用，设备的长久性运行等具有实在意义。

二富营养化环境藻菌共生体系微生物腐蚀

1. 藻菌共生体系

在天然水环境中，存在着营光合自养作用为主的浮游植物藻类。藻类的光合作用提供了初级生产为浮游动物等消费者提供了代谢基质，贡献了水体中的溶解氧含量，促进生源要素的生物地球化学循环过程。天然水体中的藻类一般有金藻、褐藻、绿藻、黄藻和金藻等几类，藻类的分布范围广，对环境条件要求不严格，是影响较强，光照和温度影响其数量分布。而在天然水体当中，同样存在着诸多异养微生物，作为次级生产者，提供了天然水体真光层生物量的25%，对元素的循环起到重要的介导作用，其生长发育代谢过程常常与浮游植物形成密切的联系。

天然水体的富营养化指的是，水体当中由于自然养分积累或者人为污染物排放而导致的水体当中的营养盐含量过高，浮游植物大量繁殖，消耗水中的氧气而导致水体缺氧、生物毒素释放、浮游动物大量死亡等一系列后续的生态威胁的一种天然环境灾害。衡量富营养化水体程度的指标有营养盐含量，一般地当总磷浓度高于0.1mg/L，总氮浓度超过0.3mg/L，即已经达到富营养化状态。硅藻和甲藻的比例也可以作为其中之一的衡量指标，甲藻数量的升高会导致水体的生物毒素含量升高，而对水体中的生物有更大的伤害性。在富营养化水体中存在绿藻、褐藻等优势藻种，也存在大量蓝细菌等微生物。

藻菌体系的共生关系会影响双方的生理生态功能，提供一个相对稳定的抗逆性环境，塑造生物多样性。细菌和藻类之间的相互作用主要包括物理接触、底物交换、信号转导和水平基因转移等作用。但是目前对于富营养化水体内爆发式增长的藻类和微生物的种类以及其共生关系的生态学存在及其意义的研究较少，而生物量的大爆发是否和共生关系有关，藻菌共生体系在爆发-消亡阶段经历了什么转化过程还值得继续研究，其结果可能对于富营养化水体的生物修复有重要意义。

图一：金属锈层中分离纯化后的优势藻种和菌种

2. 研究进展

（1）从eDNA数据得到，在富营养化水体的腐蚀锈层中存在着优势的藻类褐藻和硫氧化杆菌，且藻类和菌株在实验室可培养出来，其对于铵根离子具有一定的吸收能力；

（2）菌株和藻株之间具有一定的共生能力，其种群数量彼此关联，且能够随着培养时间的延长而增多，对于环境的pH改变不大，但是对于溶解氧的消耗比较明显；

（3）该藻菌共生体系的物质循环比较迅速，生产力提高，对于氨氮的消耗也加快。其中 c-di-GMP 和 AIP 的代谢随着共生体的聚集而增多，可以明显看出其共生体系对于环境的营养盐消耗大于单独存在时，但是其对于环境铵盐污染有一定的耐受性，高浓度铵污染下，细胞仍然会受到一定的损伤，对于环境富营养化污染物具有一定的缓冲作用。

图二：藻-细菌相互作用在生物技术和环境领域的各种应用

3. 藻菌共生体系腐蚀破坏

藻菌共生体系对金属腐蚀呈双向作用：多数场景显著加速腐蚀，少数条件下抑制腐蚀，核心由氧调控、生物膜结构、代谢协同与电子传递共同决定。

最为核心的微生物腐蚀加速机制为氧浓差电池腐蚀机制。藻光合作用产高浓度O₂，生物膜内外形成氧梯度，膜下缺氧为阳极，膜外富氧为阴极，形成氧浓差电池，大幅加速碳钢/低合金钢腐蚀。好氧菌耗氧，为膜下厌氧菌（如SRB）创造缺氧微环境，协同放大腐蚀。藻分泌有机碳/胞外聚合物（EPS），为细菌提供营养，细菌代谢产有机酸/酶，破坏钝化膜、溶解金属氧化物。金属溶出Fe²⁺/Fe³⁺，被藻吸收，上调光合基因，藻加速生长→更厚生物膜→更强氧浓差→更快腐蚀，形成自催化恶性循环。三角褐指藻和高地芽孢杆菌共生，使Q235钢腐蚀速率增至单菌/单藻的4倍。

同时，藻菌共同形成致密、不均质生物膜，造成局部闭塞区，诱发点蚀/缝隙腐蚀，腐蚀更具破坏性。生物膜中的细菌（如希瓦氏菌）通过胞外电子传递（EET）直接从金属获取电子，直接加速阴极反应。具有兼性呼吸作用的微生物如假单胞菌，能够在生物膜内进行好氧和厌氧呼吸，消耗介质中的氧气和硝酸盐，通过BSRN反应加速碳钢腐蚀。

藻菌共生体系在特定条件下能够抑制金属材料的腐蚀。对不锈钢/钛合金等钝化材料，藻产O₂可维持/修复钝化膜，抑制点蚀的萌生。部分藻菌共生形成均匀、致密生物膜，隔绝O₂/腐蚀介质，降低腐蚀速率。溶藻弧菌和脱硫弧菌共生，在907钢表面形成致密膜，腐蚀速率低于无菌/单菌体系。藻与腐蚀菌竞争营养/附着位点，或分泌抑菌物质，能够抑制腐蚀菌活性。