海洋环境中微生物腐蚀及其防护研究进展

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(西北工业大学生命科学院，陕西 西安 710072)

通过对微生物腐蚀领域长期系统的研究发现，海水中的微生物可以使各种类型的材料在海水中浸泡几个小时就形成一层包含细菌、藻类等水生生物及其代谢产物的微生物粘膜，成为其它海洋生物和细菌生长和繁殖的“土壤”。随后的微生物腐蚀都是通过这层微生物膜发生的。因此，控制微生物腐蚀的有效方法之一就是控制微生物膜的生长。迄今为止，控制微生物腐蚀唯一有效的措施是使用化学杀菌剂。但由于效果不理想且不符合环保要求，化学杀菌剂将越来越受到限制，发展高效、环保的新型微生物腐蚀控制措施势在必行。

1 硫酸盐还原菌形成的微生物膜及其腐蚀作用

SRB在金属表面附着、繁殖生长，新陈代谢产物在金属表面形成微生物膜，其主要成分是水(占70%～95%)和细菌粘液物质(由高聚糖、蛋白质等组成，又称为胞外高聚物，简称EPS)[3～5]。微生物膜的基质具有抗毒物影响的能力，其物理化学性质决定了微生物膜中的生命活动。在微生物膜中，EPS一般占干膜的60%～95%左右，而微生物所占比例很小。EPS是由固体表面与液体或气体环境介质之间的粘液物质形成的凝胶相(因而可采用凝胶模拟微生物膜)，微生物在其中活动时，凝胶起扩散屏障作用，由此产生浓度梯度。细胞高聚物如丙酮酸或糖醛酸中荷电基团的存在显著地影响着EPS的物理性质(如强度和粘性)。通常情况下EPS是亲水的，因此EPS也能赋予疏水表面以亲水性质，使得界面/表面性质发生变化[4，6，7]。

EPS具有粘性，容易粘附各种颗粒物质如粘土、腐殖质或碎片等，这些吸附物也影响着微生物膜的性质[8]。此外，EPS含有带羧酸官能团的多糖，易捕获金属离子，由此改变微生物膜的微观环境，从而影响微生物腐蚀行为。

在水环境中，微生物易吸附在固体表面。当物体浸没入海水后，有机碎片容易粘附在表面上，形成一层厚度约5～10 nm的薄膜，从而改变物体表面的性质，尤其是静电荷和润湿度。这层薄膜是微生物膜进一步发展的基础[9,10]。微生物在固体表面的附着可能是趋向性或随机性运动造成的，部分微生物会有选择地运动并附着在材料的特定部位，部分吸附着的微生物也会由于自身的运动或水体的动力学方面的因素而脱离附着点，附着紧密的微生物繁衍生长并新陈代谢产生多聚物，最终形成微生物膜。

微生物膜的形成是一个高度自发的过程，是一个伴随SRB的生长和消亡、环境不断变化的动态过程。许多学者从不同角度研究了微生物膜的生物特性，如采用微电极技术[11,12]和模拟微生物膜物理行为的多孔性凝胶层技术[13]测定微生物膜中的溶解氧、锰、铁等物质的变化规律，阐析微生物膜的形成过程及其对金属腐蚀的影响[14]，通过测定微生物膜的扩散层厚度、氧扩散系数以及孔隙率等参数来表征其特性等。

2 微生物腐蚀的研究方法

2.1 现代生物学技术

细菌在微生物腐蚀过程中具有极其重要的作用，有关微生物腐蚀的机理研究、腐蚀监控和杀菌剂效果的评定等都需要能及时对影响腐蚀过程的微生物进行检测。多年来，对微生物的检测仍广泛采用传统的培养法，如SRB计数的MPN法等，尽管其使用可靠性高，但操作繁琐、耗时长、工作量大，不易推广使用。目前已报道了多种用于微生物快速检测的新技术，主要包括气相色谱技术、放射测量法、阻抗测量法、微量量热法和生物发光法等物理化学方法，以及放射免疫测定法和酶联免疫吸附测定法等免疫学方法，并将这些技术与计算机结合而发展了多种微生物自动化检测仪器和简易检测系统。这些技术主要应用于微生物分类学、临床医学、食品科学和环境检测等领域。文献[15，16]报道了SRB的检测技术，从原理上可分为显微镜直接计数法、细菌构成物定量法和代谢物的检测等，这些方法快速、高效，但仍存在一些不足，如显微镜直接计数法无法分辨细菌的死活、ATP测试仪受到检测范围的限制等等。

2.2 电化学方法

微生物腐蚀本质上是电化学过程，微生物的附着可以改变金属表面的电化学状态，因此可用电化学方法研究微生物腐蚀的详细过程及其腐蚀机制、监测微生物腐蚀的发生和发展[17，18]。从腐蚀电化学的角度来研究、记录各种腐蚀参数的变化，包括通过电位(自然腐蚀电位、孔蚀电位、电化学噪声电位等)、电流(腐蚀电流密度、稳态与亚稳态孔蚀电流、电化学噪声电流、氢渗透电流等)、电阻(极化电阻等)等信号的变化来反映材料、环境的相互作用机制和特征，统称为腐蚀信号学。有关微生物腐蚀的电化学研究方法的优缺点见表1。

表1 微生物腐蚀的电化学研究方法比较

2.3 现代表面分析技术

结合表面原位或非原位的观察来实证表面的腐蚀形貌和腐蚀特征，称为腐蚀图像学。由于具有直观性和实证性，甚至具有获取信息的唯一性，腐蚀图像学对腐蚀研究也是极其重要的，并且变得越来越重要。用于腐蚀表观形貌分析的方法包括金相分析、扫描电镜或环境扫描电镜(SEM或ESEM)、原子力显微镜(AFM)、透射电镜(TEM)等，用于腐蚀产物和表面膜特征分析的有X-射线衍射(X-Ray)、X-射线光电子能谱(XPS)、拉曼光谱(Raman)、傅立叶转换红外光谱(FTIR)等，而荧光显微镜、扫描共聚焦显微镜(CSLM)在微生物研究中发挥着重要作用。

Schmitt等使用FTIR研究了材料表面的微生物膜。除了分类学和基因学方法外，FTIR可以用来鉴别微生物，快速辨认有特别红外谱的细菌。傅立叶转换红外衰减总反射技术(FTIR-ATR)可以原位和实时研究微生物膜的形成及其相互作用[19]。SEM或ESEM可以用来检查微生物和腐蚀产物之间的关系。AFM已逐渐推广使用，用于解释与金属表面微生物膜相关的微生物腐蚀现象。Bremmer等[20]观察培养基中在抛光和未抛光铜表面上细菌的生长状况，发现未抛光的铜表面点蚀与细菌电池有关。Steele等[21]用AFM研究发现，316L不锈钢腐蚀在生物膜中SRB和好氧菌的协同作用下加速进行，并在云母片上直接观察到海洋SRB电池的半导体特征。Beech等[22]用AFM研究了钢铁表面SRB 生物膜下的腐蚀状况。Xu等[23]用AFM研究了海水中SRB生物膜在实验室条件下对碳钢的腐蚀，通过测定点蚀的深度计算了腐蚀速度，并与失重法计算的腐蚀速度进行了对比。

2.4 模拟微生物膜的方法

为了很好地理解微生物膜的特性和微生物的活动对材料腐蚀的影响规律，学者们在实验室通过制备特种凝胶建立模拟微生物膜，利用人工生物培养方法增加电极表面细菌数量，开展了各种研究。Roe[24]在低碳钢上沉积细胞外生物高分子(藻酸钙Ca-Alg和琼脂糖) 来模拟微生物腐蚀，研究了溶解氧、pH值及电极电位在电极表面的分布情况。Stewart等[25]建立了一种藻元酸念珠状凝胶人工生物膜系统，通过研究4种杀菌剂在生物膜内的传输穿透行为及其对生物膜的影响，分析了杀菌剂穿透极限的影响因素(人工生物膜的半径和细胞密度)。王庆飞[26]以含羧酸官能团的β-D-甘露糖醛酸单元等构成的天然高分子多糖凝胶沉积于电极表面而建立模拟生物膜环境，探讨了模拟海水NaCl溶液中生物膜对10CrMoAl、E2低合金钢和1828不锈钢腐蚀行为的影响。

3 微生物腐蚀的控制方法

3.1 控制微生物腐蚀的传统方法

控制微生物腐蚀的传统方法主要分为以下几种：

(1)清洗：清洗主要是从金属表面除掉沉积物(结垢或粘膜)，分为机械清洗法和化学清洗法。机械清洗法指能够将沉积物从表面去除的物理方法，通常包括擦除、打磨、冲刷等等。机械法与杀菌法同时应用，可以去除金属表面附着的微生物。化学清洗法指利用矿物酸、有机酸或螯合剂等对表面沉积物进行酸洗，它对结垢的去除十分有效，但对于生物粘膜作用不大。

(2)紫外照射和超声波处理：紫外线具有杀菌作用，利用紫外线照射可有效杀灭海水和船舰舱底积水中的SRB。这是因为，一般紫外灯在260 nm波长附近有很强的辐射，而这个波长恰好能为核酸所吸收，因而照射一段时间就能使SRB致死。另外，还可利用超声波抑制SRB的生长，当声波频率超过9～20 kHz时，就可以使SRB受到剧烈振荡而被破坏。

(3)改变介质环境：SRB的最佳生长环境是pH值5.5～8.5、温度25～30℃。当pH值<5.5或>8.5时，SRB都会停止生长。注入高矿化度水或NaCl水，通过渗透压降低细胞内部的含水量，可抑制SRB生长。研究表明，当注入水矿物质含量达160 g·L-1时，SRB生长数量减少50%；周期性地注入热水(超过60℃)，也可杀死SRB。

(4)阴极保护：在SRB存在的条件下，可以使用阴极保护的方法来防止微生物的腐蚀，这是由于在阴极保护下阴极提供自由氢的速度超过了细菌去极化作用中利用氢的速度。阴极保护能够通过释放氢氧根离子增加金属与介质界面的pH值，造成钙镁化合物溶解度的下降而形成钙镁沉积膜。阴极保护对于防止海洋环境中厌氧微生物膜向碳钢构筑物表面的附着十分有效。

(5)化学方法：化学方法是最简便且行之有效的方法，主要是通过投加杀菌剂杀死或抑制微生物的生长。目前化学方法存在的主要问题是微生物产生抗药性、杀菌剂现场使用中与其它水处理剂的配伍性、杀菌剂对基体金属的腐蚀性、杀菌剂的加药方式等。基于环保要求，杀菌剂的使用会越来越受到限制，发展更有效的新型控制措施势在必行。

(6)选择抗微生物腐蚀的材料：由于各种金属及其合金或非金属材料耐微生物腐蚀的敏感性不同，通常铜、铬及高分子聚合材料比较耐微生物腐蚀，可以通过对材料的表面进行处理、在基体材料中添加耐微生物腐蚀元素或在金属表面涂敷抗微生物腐蚀的纳米氧化物(如TiO2)等，达到防治SRB腐蚀的目的。

上述方法不但能耗大、运行费用高，而且杀菌过程容易产生副产品，形成二次污染。因此，急需一种新的高效环保的技术取代原有的杀菌方法。

3.2 液中高压脉冲电场杀菌技术

自从Sale等[27]于1967年发现高压脉冲电场有杀菌作用以来，高压脉冲电场技术(High voltage pulsed electric fields, HVPEF)成为近年来研究最多的冷杀菌技术之一[28～32]。该方法是利用高压脉冲电场下，负向脉冲波峰的出现对微生物细胞膜形成一个快速变化的压力，使其结构松散，从而与正向脉冲峰协同作用，迅速破坏细胞膜的透性。高压脉冲电场杀菌技术杀菌条件易于控制、受外界环境影响较小，不但处理时间短、能耗低、杀菌率高，而且不使用杀菌剂、操作费用低、无副产品、不产生二次污染，以其良好的应用特性成为当前最有前途实现工业化应用的冷杀菌技术之一。目前，国内外学者已从处理系统设计、能量消耗与经济性、处理效果、灭菌机理、影响因素等多方面对其进行了大量研究。

3.2.1 影响高压脉冲电场灭菌的因素

(1)对象菌的种类：不同菌种对电场的承受力差别很大。无芽孢细菌较有芽孢细菌更易被杀灭，革兰氏阴性菌较阳性菌易于被杀灭。在其它条件均相同的情况下用高压脉冲电场灭菌，不同菌种的存活率依次为霉菌>乳酸菌>大肠杆菌>酵母菌。特别需要指出的是，对象菌所处的生长周期也对杀菌效果有一定的影响，处于对数生长期的菌体比处于稳定期的菌体对电场更为敏感。

(2)菌的数量：研究中发现，对菌数高的样品与菌数低的样品加以同样强度、同样时间的脉冲，前者菌数下降的对数值比后者要大得多。

(3)电场强度：电场强度在各因素中对杀菌效果影响最明显，电场强度加大时对象菌存活率明显下降。

(4)处理时间：处理时间是各次放电释放的脉冲时间的总和。随着处理时间的延长，对象菌存活率起初急剧下降，然后降幅趋缓，直至几乎不随处理时间的继续延长而变化。

(5)处理温度：随着处理温度的上升，杀菌效果有所提高，其提高的程度一般在10倍以内。

(6)介质电导率：介质的电导率提高时，脉冲频率上升，脉冲宽度下降，而电容器放电时的脉冲数目不变，即杀菌脉冲时间缩短，因此杀菌效果相应下降。介质电导率影响着放电时的脉冲强度和脉冲次数，如是空气导电，则无脉冲产生。

(7)脉冲频率：提高脉冲频率时，杀菌效果上升。这是因为脉冲频率提高后，对应于每一次电容器放电来说，具有更多的脉冲数目，指数衰减曲线的下降得以减缓，从而保证了更长的杀菌处理时间。

(8)介质pH值：在正常的pH值范围内，对象菌存活率无明显变化。可以认为，pH值对高压脉冲电场灭菌无增效作用。

3.2.2 高压脉冲电场灭菌的处理效果

国内外研究人员使用高压脉冲电场对培养液中的酵母、革兰氏阴性菌、革兰氏阳性菌、细菌孢子以及苹果汁、香蕉汁、菠萝汁、牛奶、蛋清液等进行了大量研究，结果表明，抑菌效果可达到4～6个数量级，其处理时间一般在微秒到毫秒级，最长不超过1 s。肖更生等[33]对高压交流电场的灭菌效果进行了研究，结果表明在22.5 kV·cm-1的场强处理下乳酸杆菌数降低近6个数量级。陈健[34]在40 kV·cm-1条件下，用50个脉冲处理脱脂乳中的大肠杆菌后，99%的大肠杆菌失活。

4 结语

经过几十年的发展，微生物腐蚀研究已经从个别失效事故的描述性报道转移到腐蚀过程和机制的研究，主要集中在用电化学方法和表面分析技术来研究金属和合金的腐蚀机制。其未来的发展趋势将是从宏观到微观，利用基因探针、微电极以及扫描振动电极等进一步揭示微生物膜和腐蚀过程之间的空间关系和微观机制。深入了解微生物膜的特征和发展过程是发展有效的生物膜控制技术的基础，是减少生物污损和生物诱导腐蚀影响的关键。因此，对微生物膜的性质和生长规律、快速检验微生物膜的新技术以及高效环保的处理微生物膜的方法进行深入系统的研究十分迫切。目前国内的微生物腐蚀研究主要是评价材料的耐SRB引起的MIC的腐蚀规律，只有少数人建立了微生物膜的模拟环境进行研究。

目前，高压脉冲电场杀菌技术已广泛应用于食品加工、制药及水处理等领域，然而应用该技术处理金属表面的微生物膜，进而达到金属表面防污防腐的目的尚未见报道。因此，研究液中高压脉冲电场放电处理对金属表面微生物膜的影响及其杀菌效果，能够为更加有效地防治生物污损和微生物腐蚀提供一种环保、节能的全新策略。

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