高压液相脉冲放电技术去除船体钢表面SRB微生物膜

赵江潮，傅增祥，赵雅莎，孙利娟

(西北工业大学生命学院，陕西 西安 710072)

海洋环境中，浮游于海水中的微生物很容易吸附在船体材料表面形成微生物膜，并随着时间的延长形成生物淤积，这不仅会增大材料表面粗糙度继而增加摩擦阻力，而且会造成生物污损或微生物对材料的腐蚀破坏[1，2]。微生物腐蚀已经成为海洋环境中船体钢材料腐蚀破坏最主要的原因之一[3，4]。在引起腐蚀破坏的微生物中，危害性最大、腐蚀性最强、分布最广泛的细菌为硫酸盐还原菌(SRB)。据统计，77%以上的腐蚀是由SRB造成的，这一数据还在逐年增加[2]。

为控制海洋环境中微生物对船体钢表面的腐蚀破坏，目前通常采用机械化学清洗、防护涂层、杀菌剂、阴极保护等方法来保护材料及清除微生物膜，但均存在一定的缺点。作者在此采用一种新型的高压液相脉冲放电技术去除船体钢表面的SRB微生物膜，以期更有效地控制SRB在船体钢表面的生长并将其去除，为更进一步研究提供依据。

1 实验

1.1 材料

实验材料为10Ni5CrMoV船体钢，其化学成分含量(%)为：C 0.10，Si 0.21，Mn 0.56，Ni 4.48，Cr 0.56，Mo 0.51，V 0.007，S 0.005，P 0.011。

试样尺寸为10 mm×10 mm×3 mm，先后用200#、600#、1000#砂纸打磨处理，保持一定的表面光洁度。

1.2 工作原理

液相放电实验设备由三部分组成：高压电源、储能电容、高压脉冲发生器。储能电容高压充电，再经由置于椭圆第一焦点处的放电电极在水中高压放电，在椭圆第二焦点处放置试样，利用第二焦点聚集的高压脉冲压力及其相关辅助作用，去除试样表面的SRB微生物膜。使用水听器和示波器进行信号的采集。

图1 液相放电原理示意图

液相脉冲放电的机理简述如下：整体装置分为充电和放电两部分，工业用电经升压、整流之后向储能电容上充电，当达到预定电压后，接通开关1，使储能电容上的高压迅速加到处于液体环境中的放电电极的两端。聚集在电极两端的电荷会产生极大的电压差使得电极附近的液体介质立即被击穿，出现解离和碰撞电离的过程，产生从高压电极向外延伸的高电导率的电离通道，迅速将能量注入液体中。在瞬间形成的放电通道中的水会迅速汽化，造成压力急剧增大，其冲击压力可达数千个大气压，高速向外膨胀并产生强烈的爆炸效应。由于水具有不可压缩的特性，这一爆炸过程会产生强冲击波向外传播，对周围的介质做功[5]。在这一爆炸过程中会发生电离、离子反应和光等物理化学现象，并在冲击波、紫外光及空化作用等综合效应作用下去除试样表面的微生物膜。

1.3 方法

1.3.1 SRB微生物膜的形成

将从青岛海域海泥中分离纯化得到的SRB接种于Starkey(STK)无菌培养基，置于厌氧培养箱中富集培养。当其生长成熟时，将准备好的船体钢试样编号后置于菌液中，使SRB在船体钢试样表面形成成熟稳定的生物膜。整个实验过程中通过测定试样表面的开路电位值来表征微生物膜的生长情况及控制效果。

1.3.2 SRB微生物膜的去除

当试样表面形成成熟稳定的生物膜后，在不同工作参数条件下采用液相放电技术去除表面SRB生物膜，然后将其继续放在实验介质中，通过测定开路电位恢复时间来评价去除效果。

1.3.3 液相放电实验参数设置

放电电压：6 kV、7 kV、8 kV、9 kV、10 kV、11 kV；储能电容：0.6 μF、1.0 μF、1.5 μF、2.0 μF；放电电极间隙：2 mm；放电次数：2。

2 结果与讨论

2.1 SRB微生物膜的形成

船体钢浸入SRB菌液中一段时间后通常会出现开路电位正移的现象。试样浸入SRB菌液和空白培养基后，其表面开路电位变化如图2所示。

图2 船体钢开路电位值在SRB菌液及空白培养基中的变化曲线

由图2可知，浸泡在SRB菌液中的船体钢开路电位的正移程度比浸泡在空白Starkey培养基中要大得多。在船体钢浸入SRB菌液中的前2 d，开路电位值呈线性增长势态，由初始的-323 mV迅速正移至-50 mV，开路电位总的正移量达到370 mV左右，之后在-50 mV处上下波动，8 d后略有上升，但幅度不大。浸泡在空白培养基中的船体钢的开路电位值随时间的延长只有轻微的正移，几乎可以视作没有变化。

船体钢浸泡在SRB菌液中的表面形貌见图3。

图3 船体钢浸泡在SRB菌液中3 d后的SEM照片

由图3可知，船体钢在SRB菌液中浸泡3 d后，表面形成了致密的SRB微生物膜。虽然SRB微生物膜中的主要成分水和其它细菌粘液物质经过脱水干燥后不能直接观察到，但仍能清晰地看见大量的SRB相互缠结在一起发生团簇现象，说明船体钢表面已有完整、成熟、稳定的SRB微生物膜生成。

2.2 SRB微生物膜的去除效果

船体钢经过液相放电技术处理后其表面SRB微生物膜的SEM照片见图4。

a,b.放电电压为6 kV、储能电容为1.5 μFc,d.放电电压为10 kV、储能电容为1.5 μF

由图4a、4b可知，大量的单个SRB吸附在船体钢表面，分布比较均匀，并没有随着钢表面形貌的变化而形成差异的分布状况。从放大倍数为3000的照片上看，单个完整的SRB很少，有相当多的SRB断裂成了几个部分，这一现象说明液相放电技术对于SRB的细胞结构具有破坏作用。

由图4c、4d可知，船体钢表面几乎没有SRB的存在，只有少量区域存在SRB残余的碎段。这说明在此工艺参数下，液电效应去除SRB生物膜的效果最佳。

2.3 最佳工艺参数的确定

2.3.1 放电电压对开路电位恢复时间的影响

在放电次数为2次、放电电极间隙为2 mm、储能电容为1.5 μF的条件下，考察放电电压对试样开路电位恢复时间的影响，结果见图5。

图5 船体钢开路电位恢复时间随放电电压的变化

由图5可知，放电电压在6～11 kV范围内，都能去除船体钢表面的SRB微生物膜。最佳的放电电压为10 kV，此时，船体钢表面再次形成成熟稳定的SRB微生物膜的时间约为66 h。

2.3.2 储能电容对开路电位恢复时间的影响

在放电电压为10 kV、放电次数为2次、放电电极间隙为2 mm的条件下，考察储能电容对试样开路电位恢复时间的影响，结果见图6。

图6 船体钢开路电位恢复时间随储能电容的变化

由图6可知，当储能电容为1.0 μF、1.5 μF 、2.0 μF时，均能去除船体钢表面的SRB微生物膜，最佳的储能电容为1.5 μF，此时，船体钢表面再次形成成熟稳定的SRB微生物膜的时间约为66 h。

2.4 讨论

船体钢在浸入天然海水中一段时间后通常会产生开路电位正移的现象。可能是由以下原因造成的：首先，当SRB附着于船体钢表面并形成微生物膜后，金属与原本的液体环境之间的接触界面发生了变化(包括离子类型、浓度、氧含量水平、流体粘度等)，从而对界面之间电子传递的过程产生影响[6]；此外，SRB的新陈代谢产物中含有很多酸性物质，使得微生物膜与船体钢接触界面的pH值下降，引起开路电位的正移。

王伟等[7]研究发现，钝态金属表面微生物的吸附和其开路电位之间有着密切的联系。以开路电位值来判断试样表面生物膜的形成、稳定以及控制效果是一种简单、有效的方法。

液电效应是集机械冲击波、空化作用、紫外光、高密度等离子体等为一体的复合效应[8]。其中，冲击波所带来的机械作用对去除微生物膜以及杀灭微生物细胞起到最关键的作用。此外，在液电效应中产生的紫外光辐射、活性体和等离子体所具有的化学效应也能杀灭微生物。本研究表明，生物膜的去除主要是由于液电效应所产生的冲击波对试样表面剪切应力作用的结果，具体为：在其剪切应力值较小的情况下，可以使试样表面的生物膜产生穿孔效应，从而使杀菌剂的有效粒子穿过生物膜而杀死膜内的微生物，同时还能为生物膜的进一步清除提供帮助；在其剪切应力值较大的情况下，可以有效剥离试样表面的微生物膜或将试样表面缠结在一起的SRB击碎分离并在液体流动作用下自动脱落。

总而言之，高压液相脉冲放电技术去除船体钢表面的微生物膜及其微生物淤积物非常有效。而对于冲击波的剪切应力和生物膜去除效果之间的定量关系还有待于更进一步的研究。

3 结论

采用开路电位来表征试样表面微生物及其微生物膜的生长，并通过测定开路电位恢复时间来评价微生物膜的去除效果，结果表明高压液相脉冲放电技术能有效去除船体钢表面的SRB微生物膜。在放电电压为10 kV、储能电容为1.5 μF的最佳工艺参数下，船体钢表面再次形成成熟稳定的SRB微生物膜的时间约为66 h。

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