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作者与研究机构及发表信息
本文由张一哲（Yizhe Zhang）、张天随（Tiansui Zhang）、万会海（Huihai Wan）、李光芳（Guangfang Li）和刘红芳（Hongfang Liu*）共同完成，通讯作者为刘红芳教授。研究团队隶属于华中科技大学（Huazhong University of Science and Technology）化学与化工学院，材料化学与能量转换及存储教育部重点实验室、湖北省材料化学与服役失效重点实验室以及湖北省生物材料与医用防护材料工程技术研究中心。该研究发表于《Corrosion Science》期刊（影响因子较高），文章编号为220 (2023) 111268，正式接收日期为2023年5月14日。
学术背景与研究目的
本研究聚焦于微生物诱导腐蚀（Microbiologically Influenced Corrosion, MIC）领域，特别是硫酸盐还原菌（Sulfate Reducing Bacteria, SRB）对980高强度钢在富营养人工海水中的厌氧水线腐蚀（Anaerobic Water-Line Corrosion, AWLC）机制的影响。水线腐蚀是一种常见的局部腐蚀现象，广泛存在于海洋船舶及相关领域，严重威胁金属设备在海洋环境中的服役安全。传统上，水线腐蚀被认为是由气相区和液相区的氧浓度差异驱动的电偶效应（Galvanic Effect）所致。然而，近年来的研究发现，在富含营养物质的厌氧环境中，SRB等微生物的生长代谢活动可能改变了水线腐蚀的基本机制。因此，本研究旨在揭示SRB如何影响水线区域的腐蚀行为及其分布规律，并探讨其作用机制。
研究方法与实验流程
本研究通过一系列精心设计的实验，系统地分析了SRB对980高强度钢水线腐蚀的电化学过程及腐蚀产物特性的影响。具体实验流程如下：
样品制备
实验材料为980高强度钢，其化学成分包括C（0.26 wt%）、Mn（1.93 wt%）、Si（1.59 wt%）等。样品被加工成不同尺寸用于电化学测试和形貌表征。电化学测试电极为10 mm × 10 mm × 10 mm的立方体，其中一个端面焊接铜线作为导线，另一端作为工作面，面积为1 cm²，其余非工作表面用环氧树脂密封。所有样品均经过逐步打磨至光滑，并用乙醇和丙酮清洗后置于氮气填充的手套箱中保存。
培养基与实验介质
SRB菌株从中国广东省湛江市南海分离得到，鉴定为脱硫弧菌（Desulfovibrio）。实验采用富营养人工海水作为培养基和实验介质，其成分包括NaCl（23.476 g/L）、Na₂SO₄（3.917 g/L）、乳酸钠（4.5 mL/L）等。培养基需经121°C高压灭菌20分钟，其中FeSO₄·7H₂O需紫外线照射30分钟后加入冷却的无菌培养基中。实验过程中引入纯氮气去除溶解氧，确保厌氧环境。
电化学测试
使用三电极体系进行电化学测试，饱和甘汞电极（SCE）作为参比电极，铂电极作为对电极。实验装置如图1所示，通过两个耦合电极分别置于水线区和液相区，外部连接铜线并在测试时断开。测试内容包括开路电位（OCP）、电化学阻抗谱（EIS）和动电位极化曲线。EIS测试频率范围为10⁴ ~ 10⁻² Hz，振幅为10 mV；动电位扫描范围为±250 mV（相对于OCP），扫描速率为0.5 mV/s。
样品表面形貌观察与分析
腐蚀实验结束后，样品表面的生物膜和腐蚀产物被清除，使用扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）、X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）对腐蚀产物的形貌、元素组成及价态进行分析。此外，通过共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）对附着细菌的数量和分布进行表征。
主要结果
1. 生物膜与腐蚀产物分析
SEM结果显示，在无菌条件下，腐蚀产物均匀分布在水线区域，而在含SRB的条件下，水线区域出现了大量生物膜覆盖，并形成了独特的片状腐蚀产物结构。EDS线扫描分析表明，这些片状腐蚀产物中含有高浓度的硫元素。XRD和XPS分析进一步确认，腐蚀产物主要包括硫化铁（FeS）和碳酸铁（FeCO₃）。
细菌分布与腐蚀形貌
CLSM图像显示，水线区域的生物膜厚度显著高于液相区，且附着的SRB数量远多于液相区。去除生物膜和腐蚀产物后，水线区域呈现出连续的沟槽状点蚀，最大深度约为12 µm，而液相区的最大点蚀深度可达16.6 µm。
电化学结果
在含SRB的条件下，水线区域电极的开路电位显著高于液相区，形成较大的电位差，从而引发强烈的电偶效应。EIS测试显示，水线区域的Nyquist直径较小，表明腐蚀更为严重。此外，动电位极化曲线分析表明，水线区域的腐蚀电流密度最高，进一步验证了SRB对腐蚀的加速作用。
结论与意义
本研究表明，SRB的存在不仅加剧了水线区域的腐蚀，导致大量连续点蚀的产生，还加速了液相区域的电化学腐蚀过程。水线区域因SRB的快速繁殖迅速耗尽了营养物质，饥饿条件下的浮游SRB倾向于吸附在钢材表面获取电子以维持代谢活动，从而引发严重的点蚀。同时，水线与液相区域之间形成的强烈电偶效应进一步加速了液相区域的腐蚀。这一研究为理解微生物诱导腐蚀提供了新的视角，具有重要的科学价值和工程应用前景。
研究亮点
1. 首次系统揭示了SRB对980高强度钢水线腐蚀的具体机制。
2. 结合多种先进表征技术（如SEM、CLSM、XPS等），全面分析了腐蚀产物和细菌分布。
3. 提出了SRB在饥饿条件下直接从金属表面获取电子的新机制。
其他有价值的内容
本研究得到了国家自然科学基金（NSFC，项目编号52171069）的支持，并利用华中科技大学分析测试中心的设备完成了部分关键测试。此外，研究团队开发了一种新型实验装置，能够有效模拟厌氧水线腐蚀环境，为未来相关研究提供了重要参考。