微生物驱动的腐蚀：模拟海上油田环境揭示生物膜奥秘

《Applied and Environmental Microbiology》：Toward simulating offshore oilfield conditions: insights into microbiologically influenced corrosion from a dual anaerobic biofilm reactor

本文利用新型双厌氧生物膜反应器，研究海上油田系统生物膜，助力工业腐蚀防治。

　　

一、研究背景

在石油和天然气系统中，生物膜的形成与行为对材料和基础设施的完整性有着至关重要的影响。尤其是碳钢（CS）表面与采出水（PW）接触时，特定微生物的存在会引发诸如腐蚀、硫化和生物污垢等一系列基础设施问题。虽然在基础设施设计阶段会考虑一定的金属损耗，但过高的腐蚀速率若未能及时察觉并缓解，将会导致高昂的维修或更换成本。

采出水通常富含营养物质，然而，由于其中复杂的有机化合物成分，且缺乏氨基酸、肽和糖等丰富碳源，加之极端环境和化学处理的影响，微生物多样性和生物量往往较低，利用标准实验室技术培养环境样本极具挑战性。同时，微生物影响的腐蚀（MIC）是一个复杂且普遍的现象，在石油和天然气、水处理及海事等行业中，给经济、结构和运营带来巨大挑战。尽管分子工具和微生物监测策略不断发展，但管道中 MIC 的潜在机制仍不明确，使得 MIC 成为一种难以管理的腐蚀机制。

此前，对于石油和天然气系统中混合物种生物膜对 MIC 的长期影响研究较为有限，多数实验室研究集中于腐蚀过程的特定方面，且多为短期或中期研究，无法充分反映 MIC 在真实环境中的长期动态和累积效应。因此，本研究旨在通过新型双生物反应器协议，模拟海上油气环境，深入探究模拟环境条件对天然混合物种生物膜群落的影响，建立可重复的 MIC 研究模型，以填补实验与实际应用之间的差距，为行业生物膜管理策略提供更可靠的依据。

二、材料与方法

1. 实验装置与条件：使用两个厌氧 CDC 生物膜反应器，分别作为非生物对照反应器和生物测试反应器。将无菌碳钢试片固定在反应器中，暴露于不同条件下 28 天。通过向系统中通入氮气维持厌氧环境，以采自海上平台的采出水为测试介质，添加刃天青作为氧化还原指示剂。设置反应器搅拌速度为 50rpm，温度为 40°C。在接种生物反应器前，先制备含有 10% 海洋沉积物的预培养物。
2. 微生物群落：从英国 Langstone Harbour 采集潮间带沉积物微生物群落，该沉积物处于低氧环境，适合研究厌氧微生物。将沉积物样本添加到采出水培养基中，并存储于厌氧培养箱，随后创建冷冻库存。
3. 碳钢试片准备：采用 UNS G10180（AISI 1018）碳钢圆盘试片，实验前对其表面轮廓和重量进行评估，以便在实验结束后进行对比分析。
4. 实验流程：实验前对反应器及相关组件进行清洁、消毒和灭菌处理。组装好反应器后，将其转移至工作区域并连接氮气供应。实验过程中，先在批处理模式下运行 3 天，促进生物膜形成，之后切换为连续流动新鲜培养基模式。
5. 分析方法：采用多种分析方法对实验样本进行检测。利用硫化物微传感器监测硫化物浓度；通过表面轮廓测量和视觉检查评估碳钢表面腐蚀情况；采用重量分析法确定腐蚀速率；运用电化学工作站进行电化学分析；借助共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）和后续图像分析研究生物膜内活细胞和死细胞的分布；通过 16S rRNA 扩增子测序分析微生物群落；使用 ATP 检测试剂盒测定 ATP 浓度；利用扫描电子显微镜 - 能谱仪（SEM - EDS）和拉曼光谱对腐蚀产物进行分析。

三、实验结果

1. 视觉观察：在实验初期，非生物培养基呈粉色，碳钢试片保持银灰色金属光泽；生物反应器中的采出水在第 3 天迅速变为深绿色 / 黑色。实验结束时，非生物试片表面覆盖黑色腐蚀产物和红褐色颗粒沉积物，而生物试片表面部分被黑色腐蚀产物覆盖，还存在不均匀的深绿色 / 黑色生物膜。
2. 硫化物分析：实验过程中未检测到 H₂S，可能是采出水使微传感器中毒。同时，由于探头故障，无法测量溶解氧（DO）浓度，但测量的 pH 值在 7.01 - 7.47 之间。
3. 碳钢表面分析：表面轮廓测量显示，非生物和生物条件下均存在低水平的均匀或局部点蚀腐蚀。非生物平均点蚀深度为 12μm，平均点蚀面积为 971μm²；生物平均点蚀深度为 7μm，但平均点蚀面积为 1501μm²。通过重量分析法和表面轮廓测量得到的腐蚀速率表明，非生物和生物反应器中的腐蚀速率均为中等水平，且非生物条件下的点蚀速率（PR）为中等，生物条件下为低水平。
4. 腐蚀产物分析：SEM - EDS 元素映射显示，生物条件下试片表面覆盖度更高。主要检测到的元素有铁（Fe）、硫（S）和氧（O），腐蚀区域主要由 Fe 和 O 覆盖，S 分布不均匀。拉曼光谱分析表明，腐蚀产物主要为马基诺矿，同时还存在可能归因于硫以及铁氧化物化合物的特征峰。
5. 电化学测量：电化学测量结果显示，非生物和生物条件下的开路电位（E_corr）和极化电阻（R_p）变化趋势相似。在低频区域，两者的电化学阻抗谱（EIS）响应均呈现出扩散行为，且拟合结果表明生物膜或腐蚀产物膜的电阻（R_film）和电荷转移电阻（R_ct）在实验过程中变化不显著。电位动力学极化测量结果与线性极化电阻（LPR）和 EIS 数据相符，非生物条件下的腐蚀电流密度（j_corr）更高，腐蚀电位（E_corr）更具正电性。
6. 生物膜表征：CLSM 图像显示生物膜在碳钢试片表面分布不均匀，无法测量最大生物膜厚度，活细胞与死细胞比例约为 87% 活细胞和 13% 死细胞。16S rRNA 扩增子测序结果表明，微生物群落组成在实验过程中发生了显著变化。实验开始时，沉积物样本微生物组成多样，以厌氧、嗜盐和化能自养微生物为主；第 0 天浮游样本中，弧菌（Vibrio）、甲烷球菌属（Methanococcoides）等占主导；第 28 天，浮游样本和生物膜样本中变形菌门（Proteobacteria）物种显著增加，如海洋杆菌属（Marinobacter）、假单胞菌属（Pseudomonas）和盐单胞菌属（Halomonas）成为优势菌属。ATP 检测结果显示，生物采出水（散装流体）中的 ATP 浓度在第 0 天和第 28 天有显著变化，且生物条件下的 ATP 浓度明显高于非生物条件。

四、讨论

1. 非生物反应器：在非生物条件下，实验初期形成的有机和无机混合的调节膜影响了钢表面的电化学性质，导致阳极极化和电负性偏移。随着时间推移，调节膜和腐蚀产物的持续相互作用，使得腐蚀电位（E_corr）未达到稳态。腐蚀产物主要为马基诺矿，其在高度还原条件下由溶解的硫化物与铁离子反应形成，会加速腐蚀并形成局部原电池。此外，还检测到硫以及铁氧化物化合物，表明钢表面存在缺氧和氧化微环境，促进了多种腐蚀过程，整体表现为钢表面的中度均匀腐蚀。
2. 生物反应器：在生物反应器中，实验初期添加酵母提取物促进了生物膜的形成，导致 E_corr电负性偏移。生物膜的形成改变了局部化学环境，可能涉及硫酸盐还原菌（SRB）的活动，使培养基颜色和外观发生变化。当新鲜培养基流动开始后，E_corr变化趋势与非生物条件相似。生物条件下的极化电阻（R_p）较低，表明电荷转移反应速率较高，存在活跃腐蚀。生物膜在实验前期表现出电容性行为，后期为扩散行为，且双层电容性行为在后期归因于生物膜形成，可能导致扩散限制。表面轮廓分析显示生物条件下点蚀平均面积更大，虽然整体点蚀水平较低，但生物膜有促进局部腐蚀的潜力。微生物群落分析表明，实验过程中微生物群落发生显著变化，多种细菌在生物膜形成、营养循环和微环境创造中发挥重要作用，如海洋杆菌属、假单胞菌属、盐单胞菌属等，且希瓦氏菌属（Shewanella）的相对丰度增加，其在 MIC 中具有独特作用，可能通过多种机制增强腐蚀。
3. 研究局限性与展望：海上油田系统的现场测试存在诸多困难，如环境偏远、条件多变，难以长期监测和准确识别 MIC 驱动因素。实验室研究虽能模拟部分环境条件，但难以完全复制海上系统的复杂性，如温度、压力、化学组成的波动，以及微生物群落的动态变化和实际管道的规模与流动条件。因此，未来需要设计更贴近实际的实验，开展长期研究，以深入了解生物膜成熟和腐蚀进展的关键阶段，揭示微生物在 MIC 中的作用机制，为制定更有效的腐蚀管理策略提供依据。

五、研究结论

本研究利用海洋沉积物微生物群落，在实验室中模拟海上油田系统环境，通过新型双生物反应器协议，对生物膜发展、群落动态和 MIC 诱导潜力进行了深入研究。研究发现，非生物和生物条件下的电化学响应相似，初期形成的调节膜影响钢表面性质，但采出水缺乏丰富碳源限制了生物膜快速生长。马基诺矿是主要腐蚀产物，同时检测到其他相关化合物。两种条件均呈现中度均匀腐蚀和有限局部点蚀，生物条件下点蚀平均面积更大，体现了 MIC 特征。生物膜表征显示，多种微生物在模拟海上油田系统条件下对生物膜形成至关重要。本研究为混合物种生物膜和 MIC 的研究搭建了实验与实际应用的桥梁，有助于提升工业生物膜管理策略的有效性，促进可持续发展。