金属材料的微生物腐蚀与防护研究进展

2020-03-24 01:56:50 来源:永利402com官方网站 5

海洋环境下金属腐蚀的两个电化学过程,即阳极和阴极反应,常常受到附着在金属表面微生物膜协同作用的影响[1],而引起微生物腐蚀(MIC)。据统计[2],微生物腐蚀的作用不容小觑,大约20%的腐蚀损失是由其引起的,全世界因微生物腐蚀造成的直接损失每年估计为300~500 亿美元,我国每年因腐蚀造成的直接损失也高达2800 亿元人民币[3],其中相当一部分是由微生物造成的。微生物腐蚀给国民经济带来巨大的危害,越来越受到人们的重视。


目前,海洋环境中与腐蚀相关的微生物主要有: 铁细菌(Iron Bacteria)、硫酸盐还原菌( Sulfate-re- ducing Bacteria)、产酸菌(Acid-producing Bacteria)、和腐生菌(Slime-producing Bacteria)等,微生物通过生命活动,直接或间接地影响金属的腐蚀过程[4],主要表现为3 种方式:新陈代谢影响金属/溶液界面的腐蚀反应过程;改变周围的环境条件,如溶解氧、盐度、pH 值等;通过代谢产物促进或抑制腐蚀。


1 微生物腐蚀历史回溯

1891 年 Garrett 第一次提出微生物腐蚀后, Gaines 于1910 年从埋设地下管线的腐蚀产物中提取出铁嘉氏杆菌(Gallinoella Ferruginea ),指出了细菌参与管道腐蚀的证据[5]。荷兰学者Von Wlzoge Kühr 自1922 年开始做了大量关于SRB 的研究工作,并于1934 年提出了著名的阴极去极化理论,自此,科技界才开始关注微生物作用下的腐蚀。


20 世纪60 年代以来,各国学者对微生物腐蚀进行了一系列研究。Postgate[6]系统地探究了硫酸盐还原菌的营养需求、生理和生态特征,奠定了微生物腐蚀的研究基础。Booth 和Ievrson 等人在微生物腐蚀机理方面作了大量探索,形成了典型的SRB 厌氧腐蚀理论[7]。到了20 世纪80 年代,表面分析技术日趋发展,使得人们可以精确地测量生物膜的厚度和结构组成。出于工业发展的需要,微生物腐蚀的研究也从单纯地分析表面失效事故变成日益成熟的交叉学科[8—9]。其范围涉及微生物学、电化学、材料科学


和表面化学等,大大加深了人们对于 MIC 的认识。进入 20 世纪 90 年代,各种表面分析技术( EDAX, XPS,XRD)、电化学技术( EIS,EMPA)、微观成像技术( AFM,ESEM,SECM,SVM)和生物技术( PCR, 16S rRNA)等都被应用到微生物腐蚀领域[8],在腐蚀界掀起了一股研究热潮。此后,微生物腐蚀研究朝着微观化和宏观生态学方向不断发展,已形成相对完整的理论。如今,鉴于海洋环境的特殊性和生物物种多样性,有关微生物腐蚀的各类研究更是如火如荼,不时有文章刊出[10—12]。


2生物膜生成及其对微生物腐蚀的影响

2.1生物膜的成长过程


自然海水中,微生物倾向于附着在材料表面生长,并在其上形成生物膜,这是由不同的机理决定的。微生物具有自我保护的反馈机制,当环境中有毒物质,如缓蚀剂、杀菌剂出现时,会刺激菌体聚集成团,分泌大量黏液而抵御毒物的侵入。细菌以生物膜的方式聚集在一起有利于捕获环境中的营养物质,而且通过种间协作,不同种类的细菌集聚生长能够充分利用双方的代谢产物,形成能量循环,达到“合作共赢”的模式,如产酸菌( APB)和硫酸盐还原菌( SRB)的协作关系。这种特性使得生物膜群落独立于外部环境,抗干扰能力显著增强[13]。


生物膜的成分较复杂,主要为含水量在95%以上的凝胶相[14],由细菌、胞外高聚物(EPS)、腐蚀产物和悬浮颗粒等共同组成[15]。它的形成是一个高度自发的动态过程,随着细菌的生长和消亡,周围环境不断变化。一般来说,生物膜的生成主要涉及4


个步骤[16],如图1 所示。


1ㄘ海水中溶解态的的无机粒子和有机物,如蛋白质等被吸附在材料表面形成一条件膜;


2ㄘ浮游状态的微生物因静电作用或范德华力与条件膜接触,逐步“定居”在物体表面上;


3ㄘ附着的细胞在表面不断增殖,分泌胞外高聚


物,同时也有其他的微生物粘附到表面,生物膜不断生长、变厚,直至成熟;


1ㄘ在外部条件的作用下,部分生物膜脱落,被水流带到其余地方继续生长。

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图1  生物膜演化模型Fig.1 


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