微生物腐蝕研究一直都是金屬腐蝕領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)，微生物種類的不同，對(duì)金屬材料的腐蝕影響也不盡相同。實(shí)際環(huán)境中，微生物的復(fù)雜性導(dǎo)致單一微生物的腐蝕機(jī)理并不能完全解釋實(shí)際的腐蝕現(xiàn)象，因此混合微生物體系研究成為微生物腐蝕領(lǐng)域新的研究方向……在基于單種微生物對(duì)金屬的腐蝕行為及其腐蝕機(jī)理的研究基礎(chǔ)上，綜述了兩種微生物的混合體系在金屬表面對(duì)其腐蝕的影響。歸納總結(jié)了混合微生物的構(gòu)成，重點(diǎn)綜述了含有SRB、IOB 和其他典型微生物的混合體系的作用過程，分析了混合體系中，不同微生物的相互作用（如協(xié)同、競爭作用等）對(duì)金屬腐蝕影響。

微生物在工業(yè)系統(tǒng)、海洋環(huán)境、城市管道等系統(tǒng)中普遍存在，而微生物對(duì)系統(tǒng)材料的腐蝕也有諸多報(bào)道，其中，微生物對(duì)金屬材料造成的腐蝕約占金屬材料腐蝕的20%。

一 混合物微生物對(duì)金屬的腐蝕

1 混合微生物的構(gòu)成

在微生物腐蝕領(lǐng)域，研究較多的微生物主要有以下幾類：硫循環(huán)中包括硫酸鹽還原菌（Sulfate reducingbacteria，SRB）、硫氧化菌（Sulfure oxidizing bacteria，SOB）；鐵循環(huán)中包括鐵還原細(xì)菌（Iron reducingbacteria，IRB）、鐵氧化細(xì)菌（Iron oxidizing bacteria，IOB）；氮循環(huán)中包括硝化細(xì)菌、硝酸鹽還原菌（Nitratereducing bacteria，NRB）；此外，還有產(chǎn)酸菌（Acidproducing bacteria，APB）和產(chǎn)黏液菌（Slime formingbacteria，SFB）等。其中，針對(duì)含SRB、IOB 的混合微生物體系研究較多。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)研究，梳理部分混合微生物體系研究的微生物種類，見表1。

表1 微生物腐蝕研究中部分混合微生物體系選用的微生物種類

01 含有SRB 的混合微生物體系

SRB可以氧化有機(jī)物或氫，把硫酸鹽、亞硫酸鹽等作為電子受體還原成H2S，從而獲得能量。SRB 和IOB 作為腐蝕金屬材料的兩類典型細(xì)菌，在混合微生物體系中常被作為研究對(duì)象。

02 含有IOB 的混合微生物體系

Fe是一種活潑的金屬，暴露在空氣、水、土壤等環(huán)境下容易發(fā)生氧化還原反應(yīng)。IOB是一類可以通過氧化Fe2+獲得能量的微生物總稱，其可加速金屬的分解，使得腐蝕加重。IOB可以在含鐵的水環(huán)境下生長，對(duì)鋼鐵材料系統(tǒng)的腐蝕有著重要的影響，而與其他微生物混合，可能會(huì)使單一IOB條件下的腐蝕過程發(fā)生改變，使系統(tǒng)更加復(fù)雜。IOB與SRB的混合體系前文已經(jīng)提到，其混合體系階段不同，對(duì)腐蝕的影響也不同。

03 其他混合微生物體系

其他混合微生物體系主要為特定環(huán)境的優(yōu)勢菌種（如假單胞菌屬等），相關(guān)的研究與實(shí)際環(huán)境更相近。脫硫弧菌和溶藻弧菌單獨(dú)存在下的907鋼腐蝕結(jié)果表明，氧的存在及營養(yǎng)物質(zhì)的匱乏，抑制了脫硫弧菌的存活和繁殖，使溶藻弧菌很好地生存且生成生物膜，進(jìn)而抑制了907鋼的腐蝕。而在兩者混合體系中，腐蝕抑制作用更加明顯。

2 混合微生物腐蝕作用機(jī)制

對(duì)于腐蝕機(jī)理的推測，目前大多數(shù)是指某一類微生物對(duì)材料的腐蝕機(jī)理，以SRB 為例，有陰極去極化理論、濃差電池理論、代謝產(chǎn)物酸腐蝕理論、陽極區(qū)固定理論等。

混合微生物體系中，協(xié)同作用會(huì)抑制或促進(jìn)金屬材料腐蝕。研究較多的SRB和IOB 的混合體系就是通過對(duì)氧需求的不同，促進(jìn)了對(duì)金屬的腐蝕。初期，混合體系使得碳鋼的點(diǎn)蝕較為嚴(yán)重，SRB和IOB混合體系的腐蝕機(jī)理過程如圖1所示。首先，兩種細(xì)菌會(huì)吸附在金屬表面，SRB由于嚴(yán)格厭氧，會(huì)集中在金屬基底，而IOB位于表面；然后兩種細(xì)菌分泌EPS，形成生物膜，IOB 將Fe2+氧化成Fe3+，與OH-結(jié)合形成腐蝕產(chǎn)物，下一階段，生物膜和腐蝕產(chǎn)物的累積以及氧氣的濃度下降，使SRB 還原SO42-，或通過Fe 獲得電子，同時(shí)產(chǎn)生FeS，促進(jìn)點(diǎn)蝕加劇。混合微生物體系的協(xié)同作用也體現(xiàn)在一種微生物為另一種微生物提供生長條件（有機(jī)物、氧氣、pH 等），進(jìn)而對(duì)金屬的腐蝕產(chǎn)生相同的影響。

圖1 SRB 和IOB 混合體系的腐蝕機(jī)理圖

二 混合微生物的研究環(huán)境與方法

1 研究體系

微生物腐蝕的環(huán)境有海洋、石油、市政管網(wǎng)等系統(tǒng)，原位條件下進(jìn)行腐蝕實(shí)驗(yàn)存在著諸多因素的影響，因此混合微生物體系的研究主要從培養(yǎng)基、滅菌的原水水樣和模擬原水的特定離子（或其他特征，如溫度、pH 等）方面進(jìn)行。

2 金屬表面微生物活動(dòng)的微觀研究技術(shù)

在混合體系中，如何檢測或顯示微生物在金屬表面的生命活動(dòng)、分布聚集和對(duì)金屬表面電極反應(yīng)的影響等微觀變化，應(yīng)是探究微生物相互作用的重要問題。本文介紹了熒光顯微技術(shù)構(gòu)建混合微生物及其生物膜的三維結(jié)構(gòu)，將生物膜立體化和易視化。結(jié)合傳統(tǒng)的電化學(xué)技術(shù)，重點(diǎn)分析混合微生物下的電極反應(yīng)、電子傳遞變化，并利用微電極技術(shù)得到微觀原位實(shí)時(shí)的相應(yīng)物質(zhì)變化。

01 熒光顯微技術(shù)

20 世紀(jì)90 年代，激光掃描顯微鏡（Laser Confocal Microscopy，LSM）開始應(yīng)用于微生物的分析研究。直到結(jié)合共軛聚焦裝置后，發(fā)射連續(xù)光源來激發(fā)熒光探針被稱為激光掃描共聚焦顯微鏡（Laser Scanning Confocal Microscopy，CLSM）。

圖2 CLSM 觀察混合體系生物膜中的細(xì)菌（藍(lán)色）、蛋白質(zhì)（綠色）和多糖（紅色）

02 電化學(xué)技術(shù)

電化學(xué)技術(shù)在金屬腐蝕中常用作微觀分析技術(shù)。當(dāng)金屬電極置于自然或特定微生物環(huán)境中時(shí)，微生物吸附在電極表面，其生命活動(dòng)及形成的不均勻的生物膜必定會(huì)對(duì)金屬電極表面的電化學(xué)行為產(chǎn)生影響。在混合微生物體系下，可用電化學(xué)技術(shù)分析，從微觀電流和電位的角度對(duì)混合微生物體系下的腐蝕作用機(jī)制和腐蝕動(dòng)力學(xué)進(jìn)行判斷，研究不同微生物附著在金屬電極表面之間的相互作用對(duì)金屬腐蝕的影響。

03 微電極技術(shù)

微電極是工作面大小為微米或納米級(jí)的一類電極，其微小尺寸能保證在實(shí)驗(yàn)過程中，盡可能小地?fù)p害被測物體，保證其微觀下參數(shù)的變化。Bungay等人首次將溶解氧微電極在水環(huán)境下用于生物膜的分析，如測量微生物膜中溶解氧、pH、H2S、H2、氧化還原電位、硝酸氮、氧化亞氮等。微電極能夠表征生物膜內(nèi)外沿深度（與生物膜表面相垂直）方向的特征參數(shù)的梯度分布情況以及膜內(nèi)部某深度上特征參數(shù)的變化情況，同時(shí)還能夠測量生物膜厚度。微電極的測試結(jié)果可獲得兩類參數(shù)：膜-水界面的物質(zhì)傳輸速率與膜內(nèi)部的生化反應(yīng)速率。這兩類參數(shù)是推導(dǎo)生物膜模型和研究生物膜傳質(zhì)過程的重要參數(shù)。

三 結(jié)論與展望

1）無論是典型的腐蝕性微生物體系，還是腐蝕環(huán)境下優(yōu)勢富集培養(yǎng)的混合微生物體系，都應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注兩種甚至多種微生物的相互作用對(duì)金屬腐蝕進(jìn)程產(chǎn)生的影響。然而，當(dāng)前對(duì)該領(lǐng)域的研究面臨諸多的困難與挑戰(zhàn)。第一，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)無法實(shí)現(xiàn)環(huán)境中只存在兩種或多種指定微生物的原位研究條件，而搭建的實(shí)驗(yàn)環(huán)境又過于簡單或有其他微生物的干擾。第二，在腐蝕過程中，微生物相互作用的監(jiān)測技術(shù)或表征手段比較宏觀，體系試驗(yàn)研究方法和相應(yīng)的分析技術(shù)需要完善。第三，混合微生物會(huì)對(duì)金屬腐蝕與其單種微生物產(chǎn)生影響，微生物間存在合作，又彼此競爭，在混合的環(huán)境中，如何達(dá)到體系平衡以及如何改變單種條件下的腐蝕特性，需要深入探索。當(dāng)前，對(duì)單種微生物的腐蝕機(jī)理和作用機(jī)制有了較多的研究和理論，但對(duì)多種微生物下的腐蝕作用機(jī)制仍需要更多的研究。

2）混合微生物體系的腐蝕研究是對(duì)自然環(huán)境下，微生物群落腐蝕研究的一個(gè)階段性研究，對(duì)其仍然需要大量的研究和深入的解釋。未來的研究可以從混合微生物培養(yǎng)過程中的生長特性和代謝產(chǎn)物較單種微生物的變化兩方面開展，結(jié)合腐蝕環(huán)境下的現(xiàn)象進(jìn)行分析，探究是微生物自身的影響，還是代謝產(chǎn)物對(duì)腐蝕產(chǎn)生的影響。也可以利用熒光標(biāo)記技術(shù)觀察混合體系下，微生物生長和基因表達(dá)的差異，分析其調(diào)控過程，從細(xì)胞和分子水平上揭示混合微生物體系的腐蝕機(jī)理和作用機(jī)制。