海水中钢铁锈层的微生物成因及其环境效应-高校地质学报.PDFVIP

2007 年 12 月，第 13 卷，第 4 期，631-636页 高 　校　地　质　学　报 December 2007，Vol. 13， No.4， p. 631-636 Geological Journal of China Universities 海水中钢铁锈层的微生物成因及其环境效应 段继周，张晓军 （中国科学院 海洋研究所，青岛 266071） 摘要： 研究了海水环境中钢铁腐蚀产物即锈层中的厌氧微生物群落和锈层矿物特征及其相关性。微生物富集培养 和初步的分子生物学分析结果表明，海水钢铁锈层中至少生存有硫酸盐还原细菌和铁还原细菌两种厌氧细菌。使 用扫描电子显微镜和电子能谱、X- 射线衍射仪等对锈层样品进行了矿物学观察和分析。在外锈层和中间锈层，主 要是 α, β, γ-FeOOH 等铁（水合）氧化物。铁水合硫酸盐即绿锈则主要出现在内锈层。初步讨论了厌氧细菌作 用下的铁腐蚀矿物生成和转化过程，并提出钢铁锈层微生物和矿物在海洋环境的微生物修复中可能具有重要作用。 关键词： 微生物矿化；微生物腐蚀；硫酸盐还原细菌；铁还原细菌；铁氧化物；绿锈 中图分类号：Q939.99 　　　　　文献标识码：A　　　　文章编号：1006-7493（2007）04-0631-06 物。与之相反，对采自海洋环境中的腐蚀锈层样 1　引言 品研究表明，铁（Ⅱ,Ⅲ）水合硫酸盐（或碳酸盐 　　在水体和沉积物中，许多微生物倾向于在固 等），俗称绿锈，是一种重要的腐蚀产物（Génin 体表面（包括矿物颗粒、人造金属和非金属材料 et al, 2002）。有研究认为，铁还原细菌（IRB）能 等）附着形成生物膜，并进而形成具有复杂结 够导致绿锈的形成（Ona-Nguema et al, 2004） ；IRB 构的微生物群落（Little et al, 1997）。在海洋环境 细菌能够直接使用铁氧化物矿物进行呼吸（Lovley, 下，硫酸盐还原细菌（SRB）等腐蚀性微生物能够 1991） ；Fe （Ⅲ）氧化物作为电子受体被还原为Fe 在金属表面形成微生物膜，导致金属的微生物腐 （Ⅱ） ，并被认为能够抑制铁的腐蚀（Dubiel et al, 蚀破坏（Lee et al, 1995）。微生物腐蚀不仅导致金 2002）。因此，在实际海洋环境中，钢铁锈层的生 属腐蚀动力学的改变，金属腐蚀产物也会受到微 成与微生物密切相关，很有可能锈层生物膜的微 生物活动的影响。微生物腐蚀本质上也是一种微 生物群落也参于了其矿物生成过程。 生物-矿物的相互作用过程，是一种零价金属的生 　　然而，到目前为止，人们对海洋钢铁锈层中 物地球化学过程（Hamilton，2003）。 的腐蚀微生物群落还缺少较系统的认识（Zhang 　　在海洋环境中，每年有大量的海上钢铁设施 and Fang, 2001），对腐蚀产物在海洋微生物作用 遭受严重腐蚀，生成多种铁的氧化物矿物等产 下的变化过程还了解很少（Jeffrey and Melchers, 物，成为近海环境重要铁源之一。在富氧的海水 2003）。本文以海洋全浸环境下形成的钢铁锈层为 环境下，铁（水合）氧化物作为腐蚀产物能够迅 研究对象，对锈层中厌氧细菌进行了富集培养和 速自然地在钢铁表面生成。在SRB作用下，伴随着 初步分子生物学分析，分析了锈层的矿物成分， 有机碳源的氧化和硫酸盐还原，生物产生的硫化 从微生物-矿物相互作用角度，初步探讨了锈层中 氢导致铁氧化物能够转化生成铁硫化物（Neal et 微