海洋環境中微生物腐蝕及其防護研究進展

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(西北工業大學生命科學院，陜西 西安 710072)

通過對微生物腐蝕領域長期系統的研究發現，海水中的微生物可以使各種類型的材料在海水中浸泡幾個小時就形成一層包含細菌、藻類等水生生物及其代謝產物的微生物粘膜，成為其它海洋生物和細菌生長和繁殖的“土壤”。隨后的微生物腐蝕都是通過這層微生物膜發生的。因此，控制微生物腐蝕的有效方法之一就是控制微生物膜的生長。迄今為止，控制微生物腐蝕唯一有效的措施是使用化學殺菌劑。但由于效果不理想且不符合環保要求，化學殺菌劑將越來越受到限制，發展高效、環保的新型微生物腐蝕控制措施勢在必行。

1 硫酸鹽還原菌形成的微生物膜及其腐蝕作用

SRB在金屬表面附著、繁殖生長，新陳代謝產物在金屬表面形成微生物膜，其主要成分是水(占70%～95%)和細菌粘液物質(由高聚糖、蛋白質等組成，又稱為胞外高聚物，簡稱EPS)[3～5]。微生物膜的基質具有抗毒物影響的能力，其物理化學性質決定了微生物膜中的生命活動。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是由固體表面與液體或氣體環境介質之間的粘液物質形成的凝膠相(因而可采用凝膠模擬微生物膜)，微生物在其中活動時，凝膠起擴散屏障作用，由此產生濃度梯度。細胞高聚物如丙酮酸或糖醛酸中荷電基團的存在顯著地影響著EPS的物理性質(如強度和粘性)。通常情況下EPS是親水的，因此EPS也能賦予疏水表面以親水性質，使得界面/表面性質發生變化[4，6，7]。

EPS具有粘性，容易粘附各種顆粒物質如粘土、腐殖質或碎片等，這些吸附物也影響著微生物膜的性質[8]。此外，EPS含有帶羧酸官能團的多糖，易捕獲金屬離子，由此改變微生物膜的微觀環境，從而影響微生物腐蝕行為。

在水環境中，微生物易吸附在固體表面。當物體浸沒入海水后，有機碎片容易粘附在表面上，形成一層厚度約5～10 nm的薄膜，從而改變物體表面的性質，尤其是靜電荷和潤濕度。這層薄膜是微生物膜進一步發展的基礎[9,10]。微生物在固體表面的附著可能是趨向性或隨機性運動造成的，部分微生物會有選擇地運動并附著在材料的特定部位，部分吸附著的微生物也會由于自身的運動或水體的動力學方面的因素而脫離附著點，附著緊密的微生物繁衍生長并新陳代謝產生多聚物，最終形成微生物膜。

微生物膜的形成是一個高度自發的過程，是一個伴隨SRB的生長和消亡、環境不斷變化的動態過程。許多學者從不同角度研究了微生物膜的生物特性，如采用微電極技術[11,12]和模擬微生物膜物理行為的多孔性凝膠層技術[13]測定微生物膜中的溶解氧、錳、鐵等物質的變化規律，闡析微生物膜的形成過程及其對金屬腐蝕的影響[14]，通過測定微生物膜的擴散層厚度、氧擴散系數以及孔隙率等參數來表征其特性等。

2 微生物腐蝕的研究方法

2.1 現代生物學技術

細菌在微生物腐蝕過程中具有極其重要的作用，有關微生物腐蝕的機理研究、腐蝕監控和殺菌劑效果的評定等都需要能及時對影響腐蝕過程的微生物進行檢測。多年來，對微生物的檢測仍廣泛采用傳統的培養法，如SRB計數的MPN法等，盡管其使用可靠性高，但操作繁瑣、耗時長、工作量大，不易推廣使用。目前已報道了多種用于微生物快速檢測的新技術，主要包括氣相色譜技術、放射測量法、阻抗測量法、微量量熱法和生物發光法等物理化學方法，以及放射免疫測定法和酶聯免疫吸附測定法等免疫學方法，并將這些技術與計算機結合而發展了多種微生物自動化檢測儀器和簡易檢測系統。這些技術主要應用于微生物分類學、臨床醫學、食品科學和環境檢測等領域。文獻[15，16]報道了SRB的檢測技術，從原理上可分為顯微鏡直接計數法、細菌構成物定量法和代謝物的檢測等，這些方法快速、高效，但仍存在一些不足，如顯微鏡直接計數法無法分辨細菌的死活、ATP測試儀受到檢測范圍的限制等等。

2.2 電化學方法

微生物腐蝕本質上是電化學過程，微生物的附著可以改變金屬表面的電化學狀態，因此可用電化學方法研究微生物腐蝕的詳細過程及其腐蝕機制、監測微生物腐蝕的發生和發展[17，18]。從腐蝕電化學的角度來研究、記錄各種腐蝕參數的變化，包括通過電位(自然腐蝕電位、孔蝕電位、電化學噪聲電位等)、電流(腐蝕電流密度、穩態與亞穩態孔蝕電流、電化學噪聲電流、氫滲透電流等)、電阻(極化電阻等)等信號的變化來反映材料、環境的相互作用機制和特征，統稱為腐蝕信號學。有關微生物腐蝕的電化學研究方法的優缺點見表1。

表1 微生物腐蝕的電化學研究方法比較

2.3 現代表面分析技術

結合表面原位或非原位的觀察來實證表面的腐蝕形貌和腐蝕特征，稱為腐蝕圖像學。由于具有直觀性和實證性，甚至具有獲取信息的唯一性，腐蝕圖像學對腐蝕研究也是極其重要的，并且變得越來越重要。用于腐蝕表觀形貌分析的方法包括金相分析、掃描電鏡或環境掃描電鏡(SEM或ESEM)、原子力顯微鏡(AFM)、透射電鏡(TEM)等，用于腐蝕產物和表面膜特征分析的有X-射線衍射(X-Ray)、X-射線光電子能譜(XPS)、拉曼光譜(Raman)、傅立葉轉換紅外光譜(FTIR)等，而熒光顯微鏡、掃描共聚焦顯微鏡(CSLM)在微生物研究中發揮著重要作用。

Schmitt等使用FTIR研究了材料表面的微生物膜。除了分類學和基因學方法外，FTIR可以用來鑒別微生物，快速辨認有特別紅外譜的細菌。傅立葉轉換紅外衰減總反射技術(FTIR-ATR)可以原位和實時研究微生物膜的形成及其相互作用[19]。SEM或ESEM可以用來檢查微生物和腐蝕產物之間的關系。AFM已逐漸推廣使用，用于解釋與金屬表面微生物膜相關的微生物腐蝕現象。Bremmer等[20]觀察培養基中在拋光和未拋光銅表面上細菌的生長狀況，發現未拋光的銅表面點蝕與細菌電池有關。Steele等[21]用AFM研究發現，316L不銹鋼腐蝕在生物膜中SRB和好氧菌的協同作用下加速進行，并在云母片上直接觀察到海洋SRB電池的半導體特征。Beech等[22]用AFM研究了鋼鐵表面SRB 生物膜下的腐蝕狀況。Xu等[23]用AFM研究了海水中SRB生物膜在實驗室條件下對碳鋼的腐蝕，通過測定點蝕的深度計算了腐蝕速度，并與失重法計算的腐蝕速度進行了對比。

2.4 模擬微生物膜的方法

為了很好地理解微生物膜的特性和微生物的活動對材料腐蝕的影響規律，學者們在實驗室通過制備特種凝膠建立模擬微生物膜，利用人工生物培養方法增加電極表面細菌數量，開展了各種研究。Roe[24]在低碳鋼上沉積細胞外生物高分子(藻酸鈣Ca-Alg和瓊脂糖) 來模擬微生物腐蝕，研究了溶解氧、pH值及電極電位在電極表面的分布情況。Stewart等[25]建立了一種藻元酸念珠狀凝膠人工生物膜系統，通過研究4種殺菌劑在生物膜內的傳輸穿透行為及其對生物膜的影響，分析了殺菌劑穿透極限的影響因素(人工生物膜的半徑和細胞密度)。王慶飛[26]以含羧酸官能團的β-D-甘露糖醛酸單元等構成的天然高分子多糖凝膠沉積于電極表面而建立模擬生物膜環境，探討了模擬海水NaCl溶液中生物膜對10CrMoAl、E2低合金鋼和1828不銹鋼腐蝕行為的影響。

3 微生物腐蝕的控制方法

3.1 控制微生物腐蝕的傳統方法

控制微生物腐蝕的傳統方法主要分為以下幾種：

(1)清洗：清洗主要是從金屬表面除掉沉積物(結垢或粘膜)，分為機械清洗法和化學清洗法。機械清洗法指能夠將沉積物從表面去除的物理方法，通常包括擦除、打磨、沖刷等等。機械法與殺菌法同時應用，可以去除金屬表面附著的微生物?；瘜W清洗法指利用礦物酸、有機酸或螯合劑等對表面沉積物進行酸洗，它對結垢的去除十分有效，但對于生物粘膜作用不大。

(2)紫外照射和超聲波處理：紫外線具有殺菌作用，利用紫外線照射可有效殺滅海水和船艦艙底積水中的SRB。這是因為，一般紫外燈在260 nm波長附近有很強的輻射，而這個波長恰好能為核酸所吸收，因而照射一段時間就能使SRB致死。另外，還可利用超聲波抑制SRB的生長，當聲波頻率超過9～20 kHz時，就可以使SRB受到劇烈振蕩而被破壞。

(3)改變介質環境：SRB的最佳生長環境是pH值5.5～8.5、溫度25～30℃。當pH值<5.5或>8.5時，SRB都會停止生長。注入高礦化度水或NaCl水，通過滲透壓降低細胞內部的含水量，可抑制SRB生長。研究表明，當注入水礦物質含量達160 g·L-1時，SRB生長數量減少50%；周期性地注入熱水(超過60℃)，也可殺死SRB。

(4)陰極保護：在SRB存在的條件下，可以使用陰極保護的方法來防止微生物的腐蝕，這是由于在陰極保護下陰極提供自由氫的速度超過了細菌去極化作用中利用氫的速度。陰極保護能夠通過釋放氫氧根離子增加金屬與介質界面的pH值，造成鈣鎂化合物溶解度的下降而形成鈣鎂沉積膜。陰極保護對于防止海洋環境中厭氧微生物膜向碳鋼構筑物表面的附著十分有效。

(5)化學方法：化學方法是最簡便且行之有效的方法，主要是通過投加殺菌劑殺死或抑制微生物的生長。目前化學方法存在的主要問題是微生物產生抗藥性、殺菌劑現場使用中與其它水處理劑的配伍性、殺菌劑對基體金屬的腐蝕性、殺菌劑的加藥方式等。基于環保要求，殺菌劑的使用會越來越受到限制，發展更有效的新型控制措施勢在必行。

(6)選擇抗微生物腐蝕的材料：由于各種金屬及其合金或非金屬材料耐微生物腐蝕的敏感性不同，通常銅、鉻及高分子聚合材料比較耐微生物腐蝕，可以通過對材料的表面進行處理、在基體材料中添加耐微生物腐蝕元素或在金屬表面涂敷抗微生物腐蝕的納米氧化物(如TiO2)等，達到防治SRB腐蝕的目的。

上述方法不但能耗大、運行費用高，而且殺菌過程容易產生副產品，形成二次污染。因此，急需一種新的高效環保的技術取代原有的殺菌方法。

3.2 液中高壓脈沖電場殺菌技術

自從Sale等[27]于1967年發現高壓脈沖電場有殺菌作用以來，高壓脈沖電場技術(High voltage pulsed electric fields, HVPEF)成為近年來研究最多的冷殺菌技術之一[28～32]。該方法是利用高壓脈沖電場下，負向脈沖波峰的出現對微生物細胞膜形成一個快速變化的壓力，使其結構松散，從而與正向脈沖峰協同作用，迅速破壞細胞膜的透性。高壓脈沖電場殺菌技術殺菌條件易于控制、受外界環境影響較小，不但處理時間短、能耗低、殺菌率高，而且不使用殺菌劑、操作費用低、無副產品、不產生二次污染，以其良好的應用特性成為當前最有前途實現工業化應用的冷殺菌技術之一。目前，國內外學者已從處理系統設計、能量消耗與經濟性、處理效果、滅菌機理、影響因素等多方面對其進行了大量研究。

3.2.1 影響高壓脈沖電場滅菌的因素

(1)對象菌的種類：不同菌種對電場的承受力差別很大。無芽孢細菌較有芽孢細菌更易被殺滅，革蘭氏陰性菌較陽性菌易于被殺滅。在其它條件均相同的情況下用高壓脈沖電場滅菌，不同菌種的存活率依次為霉菌>乳酸菌>大腸桿菌>酵母菌。特別需要指出的是，對象菌所處的生長周期也對殺菌效果有一定的影響，處于對數生長期的菌體比處于穩定期的菌體對電場更為敏感。

(2)菌的數量：研究中發現，對菌數高的樣品與菌數低的樣品加以同樣強度、同樣時間的脈沖，前者菌數下降的對數值比后者要大得多。

(3)電場強度：電場強度在各因素中對殺菌效果影響最明顯，電場強度加大時對象菌存活率明顯下降。

(4)處理時間：處理時間是各次放電釋放的脈沖時間的總和。隨著處理時間的延長，對象菌存活率起初急劇下降，然后降幅趨緩，直至幾乎不隨處理時間的繼續延長而變化。

(5)處理溫度：隨著處理溫度的上升，殺菌效果有所提高，其提高的程度一般在10倍以內。

(6)介質電導率：介質的電導率提高時，脈沖頻率上升，脈沖寬度下降，而電容器放電時的脈沖數目不變，即殺菌脈沖時間縮短，因此殺菌效果相應下降。介質電導率影響著放電時的脈沖強度和脈沖次數，如是空氣導電，則無脈沖產生。

(7)脈沖頻率：提高脈沖頻率時，殺菌效果上升。這是因為脈沖頻率提高后，對應于每一次電容器放電來說，具有更多的脈沖數目，指數衰減曲線的下降得以減緩，從而保證了更長的殺菌處理時間。

(8)介質pH值：在正常的pH值范圍內，對象菌存活率無明顯變化。可以認為，pH值對高壓脈沖電場滅菌無增效作用。

3.2.2 高壓脈沖電場滅菌的處理效果

國內外研究人員使用高壓脈沖電場對培養液中的酵母、革蘭氏陰性菌、革蘭氏陽性菌、細菌孢子以及蘋果汁、香蕉汁、菠蘿汁、牛奶、蛋清液等進行了大量研究，結果表明，抑菌效果可達到4～6個數量級，其處理時間一般在微秒到毫秒級，最長不超過1 s。肖更生等[33]對高壓交流電場的滅菌效果進行了研究，結果表明在22.5 kV·cm-1的場強處理下乳酸桿菌數降低近6個數量級。陳健[34]在40 kV·cm-1條件下，用50個脈沖處理脫脂乳中的大腸桿菌后，99%的大腸桿菌失活。

4 結語

經過幾十年的發展，微生物腐蝕研究已經從個別失效事故的描述性報道轉移到腐蝕過程和機制的研究，主要集中在用電化學方法和表面分析技術來研究金屬和合金的腐蝕機制。其未來的發展趨勢將是從宏觀到微觀，利用基因探針、微電極以及掃描振動電極等進一步揭示微生物膜和腐蝕過程之間的空間關系和微觀機制。深入了解微生物膜的特征和發展過程是發展有效的生物膜控制技術的基礎，是減少生物污損和生物誘導腐蝕影響的關鍵。因此，對微生物膜的性質和生長規律、快速檢驗微生物膜的新技術以及高效環保的處理微生物膜的方法進行深入系統的研究十分迫切。目前國內的微生物腐蝕研究主要是評價材料的耐SRB引起的MIC的腐蝕規律，只有少數人建立了微生物膜的模擬環境進行研究。

目前，高壓脈沖電場殺菌技術已廣泛應用于食品加工、制藥及水處理等領域，然而應用該技術處理金屬表面的微生物膜，進而達到金屬表面防污防腐的目的尚未見報道。因此，研究液中高壓脈沖電場放電處理對金屬表面微生物膜的影響及其殺菌效果，能夠為更加有效地防治生物污損和微生物腐蝕提供一種環保、節能的全新策略。

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