N、S、Fe和Mn 氧化的微生物酸化，海底喷射混凝土劣化生物机制

海底隧道中喷射混凝土的耐久性受到微生物活动的影响，微生物活动会导致混凝土酸化并随后发生劣化。最近的一项研究表明，氮(N)、硫(S)、铁(Fe)和锰(Mn)的微生物氧化在这一降解过程中起着关键作用。

海底喷射混凝土与酸化影响

喷射混凝土常用于海底隧道建设，由于各种因素，包括化学侵蚀和物理磨损，喷射混凝土容易发生降解。其中，微生物引起的酸化已成为混凝土结构恶化的重要因素。微生物，特别是参与N、S、Fe和Mn生物地球化学循环的微生物，可通过其代谢活动引起酸化，导致钢纤维腐蚀和混凝土完整性减弱。

微生物酸化的机制是什么？某些细菌可以氧化氮化合物（例如铵），产生硝酸，这种酸化过程会降低周围环境的pH值，从而促进混凝土部件的腐蚀。硫氧化细菌(SOB)可以将硫化合物转化为硫酸，这一过程在硫含量丰富的环境中尤为常见，硫酸会导致混凝土酸化，从而导致钙化合物溶解和混凝土基质变弱。此外，参与铁和锰氧化的微生物会产生酸性副产物，如铁和锰离子，从而进一步酸化环境，同时还会形成不溶性氧化物，从而对混凝土结构造成物理损坏。

在挪威奥斯陆峡湾海底隧道进行的一项研究调查了劣化混凝土样品中的微生物群落。研究发现，在盐水侵入的地点，生物膜生长显著，导致混凝土劣化和钢纤维腐蚀。宏基因组分析显示，存在能够氧化氮、硫、铁和锰的微生物类群，这导致了混凝土结构的酸化和降解。

新的研究发现

研究人员研究了在奥斯陆峡湾海底隧道（挪威）中纤维增强喷射混凝土的劣化现象，用扩增子测序和散弹枪宏基因组学，确定了两个地点五年内混凝土降解的微生物类群和调查的潜在微生物机制。利用偏光显微镜、扫描电子显微镜和X射线衍射研究了生物膜下的混凝土。

研究发现，混凝土劣化不仅仅是由于物理因素，还与特定的微生物群落有关。隧道中的有氧环境有利于氮、硫和金属生物地球化学循环中的有氧氧化过程。研究结果表明，参与几种元素循环的自养微生物群落导致了钢纤维的腐蚀和酸化，从而导致混凝土的劣化。

这一发现意义重大，因为它为理解海洋环境中的混凝土劣化引入了生物学成分。

思考

海底隧道环境中哪些特定微生物物种参与了N、S、Fe和Mn的氧化？微生物氧化产生的酸如何与混凝土基质的不同成分（如骨料和粘合剂）相互作用？哪些环境条件（例如温度、盐度、pH值）对微生物活动以及混凝土劣化速度的影响最大？

参考文献：Sabina Karačić, Carolina Suarez, Per Hagelia, Frank Persson, Oskar Modin, Paula Dalcin Martins & Britt-Marie Wilén，Microbial acidification by N, S, Fe and Mn oxidation as a key mechanism for deterioration of subsea tunnel sprayed concrete.  Scientific Reports volume 14, Article number: 22742 (2024)，doi.s41598-024-73911-w

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