高壓液相脈沖放電技術(shù)去除船體鋼表面SRB微生物膜

趙江潮，傅增祥，趙雅莎，孫利娟

(西北工業(yè)大學生命學院，陜西 西安 710072)

海洋環(huán)境中，浮游于海水中的微生物很容易吸附在船體材料表面形成微生物膜，并隨著時間的延長形成生物淤積，這不僅會增大材料表面粗糙度繼而增加摩擦阻力，而且會造成生物污損或微生物對材料的腐蝕破壞[1，2]。微生物腐蝕已經(jīng)成為海洋環(huán)境中船體鋼材料腐蝕破壞最主要的原因之一[3，4]。在引起腐蝕破壞的微生物中，危害性最大、腐蝕性最強、分布最廣泛的細菌為硫酸鹽還原菌(SRB)。據(jù)統(tǒng)計，77%以上的腐蝕是由SRB造成的，這一數(shù)據(jù)還在逐年增加[2]。

為控制海洋環(huán)境中微生物對船體鋼表面的腐蝕破壞，目前通常采用機械化學清洗、防護涂層、殺菌劑、陰極保護等方法來保護材料及清除微生物膜，但均存在一定的缺點。作者在此采用一種新型的高壓液相脈沖放電技術(shù)去除船體鋼表面的SRB微生物膜，以期更有效地控制SRB在船體鋼表面的生長并將其去除，為更進一步研究提供依據(jù)。

1 實驗

1.1 材料

實驗材料為10Ni5CrMoV船體鋼，其化學成分含量(%)為：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。

試樣尺寸為10 mm×10 mm×3 mm，先后用200#、600#、1000#砂紙打磨處理，保持一定的表面光潔度。

1.2 工作原理

液相放電實驗設備由三部分組成：高壓電源、儲能電容、高壓脈沖發(fā)生器。儲能電容高壓充電，再經(jīng)由置于橢圓第一焦點處的放電電極在水中高壓放電，在橢圓第二焦點處放置試樣，利用第二焦點聚集的高壓脈沖壓力及其相關輔助作用，去除試樣表面的SRB微生物膜。使用水聽器和示波器進行信號的采集。

圖1 液相放電原理示意圖

液相脈沖放電的機理簡述如下：整體裝置分為充電和放電兩部分，工業(yè)用電經(jīng)升壓、整流之后向儲能電容上充電，當達到預定電壓后，接通開關1，使儲能電容上的高壓迅速加到處于液體環(huán)境中的放電電極的兩端。聚集在電極兩端的電荷會產(chǎn)生極大的電壓差使得電極附近的液體介質(zhì)立即被擊穿，出現(xiàn)解離和碰撞電離的過程，產(chǎn)生從高壓電極向外延伸的高電導率的電離通道，迅速將能量注入液體中。在瞬間形成的放電通道中的水會迅速汽化，造成壓力急劇增大，其沖擊壓力可達數(shù)千個大氣壓，高速向外膨脹并產(chǎn)生強烈的爆炸效應。由于水具有不可壓縮的特性，這一爆炸過程會產(chǎn)生強沖擊波向外傳播，對周圍的介質(zhì)做功[5]。在這一爆炸過程中會發(fā)生電離、離子反應和光等物理化學現(xiàn)象，并在沖擊波、紫外光及空化作用等綜合效應作用下去除試樣表面的微生物膜。

1.3 方法

1.3.1 SRB微生物膜的形成

將從青島海域海泥中分離純化得到的SRB接種于Starkey(STK)無菌培養(yǎng)基，置于厭氧培養(yǎng)箱中富集培養(yǎng)。當其生長成熟時，將準備好的船體鋼試樣編號后置于菌液中，使SRB在船體鋼試樣表面形成成熟穩(wěn)定的生物膜。整個實驗過程中通過測定試樣表面的開路電位值來表征微生物膜的生長情況及控制效果。

1.3.2 SRB微生物膜的去除

當試樣表面形成成熟穩(wěn)定的生物膜后，在不同工作參數(shù)條件下采用液相放電技術(shù)去除表面SRB生物膜，然后將其繼續(xù)放在實驗介質(zhì)中，通過測定開路電位恢復時間來評價去除效果。

1.3.3 液相放電實驗參數(shù)設置

放電電壓：6 kV、7 kV、8 kV、9 kV、10 kV、11 kV；儲能電容：0.6 μF、1.0 μF、1.5 μF、2.0 μF；放電電極間隙：2 mm；放電次數(shù)：2。

2 結(jié)果與討論

2.1 SRB微生物膜的形成

船體鋼浸入SRB菌液中一段時間后通常會出現(xiàn)開路電位正移的現(xiàn)象。試樣浸入SRB菌液和空白培養(yǎng)基后，其表面開路電位變化如圖2所示。

圖2 船體鋼開路電位值在SRB菌液及空白培養(yǎng)基中的變化曲線

由圖2可知，浸泡在SRB菌液中的船體鋼開路電位的正移程度比浸泡在空白Starkey培養(yǎng)基中要大得多。在船體鋼浸入SRB菌液中的前2 d，開路電位值呈線性增長勢態(tài)，由初始的-323 mV迅速正移至-50 mV，開路電位總的正移量達到370 mV左右，之后在-50 mV處上下波動，8 d后略有上升，但幅度不大。浸泡在空白培養(yǎng)基中的船體鋼的開路電位值隨時間的延長只有輕微的正移，幾乎可以視作沒有變化。

船體鋼浸泡在SRB菌液中的表面形貌見圖3。

圖3 船體鋼浸泡在SRB菌液中3 d后的SEM照片

由圖3可知，船體鋼在SRB菌液中浸泡3 d后，表面形成了致密的SRB微生物膜。雖然SRB微生物膜中的主要成分水和其它細菌粘液物質(zhì)經(jīng)過脫水干燥后不能直接觀察到，但仍能清晰地看見大量的SRB相互纏結(jié)在一起發(fā)生團簇現(xiàn)象，說明船體鋼表面已有完整、成熟、穩(wěn)定的SRB微生物膜生成。

2.2 SRB微生物膜的去除效果

船體鋼經(jīng)過液相放電技術(shù)處理后其表面SRB微生物膜的SEM照片見圖4。

a,b.放電電壓為6 kV、儲能電容為1.5 μFc,d.放電電壓為10 kV、儲能電容為1.5 μF

由圖4a、4b可知，大量的單個SRB吸附在船體鋼表面，分布比較均勻，并沒有隨著鋼表面形貌的變化而形成差異的分布狀況。從放大倍數(shù)為3000的照片上看，單個完整的SRB很少，有相當多的SRB斷裂成了幾個部分，這一現(xiàn)象說明液相放電技術(shù)對于SRB的細胞結(jié)構(gòu)具有破壞作用。

由圖4c、4d可知，船體鋼表面幾乎沒有SRB的存在，只有少量區(qū)域存在SRB殘余的碎段。這說明在此工藝參數(shù)下，液電效應去除SRB生物膜的效果最佳。

2.3 最佳工藝參數(shù)的確定

2.3.1 放電電壓對開路電位恢復時間的影響

在放電次數(shù)為2次、放電電極間隙為2 mm、儲能電容為1.5 μF的條件下，考察放電電壓對試樣開路電位恢復時間的影響，結(jié)果見圖5。

圖5 船體鋼開路電位恢復時間隨放電電壓的變化

由圖5可知，放電電壓在6～11 kV范圍內(nèi)，都能去除船體鋼表面的SRB微生物膜。最佳的放電電壓為10 kV，此時，船體鋼表面再次形成成熟穩(wěn)定的SRB微生物膜的時間約為66 h。

2.3.2 儲能電容對開路電位恢復時間的影響

在放電電壓為10 kV、放電次數(shù)為2次、放電電極間隙為2 mm的條件下，考察儲能電容對試樣開路電位恢復時間的影響，結(jié)果見圖6。

圖6 船體鋼開路電位恢復時間隨儲能電容的變化

由圖6可知，當儲能電容為1.0 μF、1.5 μF 、2.0 μF時，均能去除船體鋼表面的SRB微生物膜，最佳的儲能電容為1.5 μF，此時，船體鋼表面再次形成成熟穩(wěn)定的SRB微生物膜的時間約為66 h。

2.4 討論

船體鋼在浸入天然海水中一段時間后通常會產(chǎn)生開路電位正移的現(xiàn)象。可能是由以下原因造成的：首先，當SRB附著于船體鋼表面并形成微生物膜后，金屬與原本的液體環(huán)境之間的接觸界面發(fā)生了變化(包括離子類型、濃度、氧含量水平、流體粘度等)，從而對界面之間電子傳遞的過程產(chǎn)生影響[6]；此外，SRB的新陳代謝產(chǎn)物中含有很多酸性物質(zhì)，使得微生物膜與船體鋼接觸界面的pH值下降，引起開路電位的正移。

王偉等[7]研究發(fā)現(xiàn)，鈍態(tài)金屬表面微生物的吸附和其開路電位之間有著密切的聯(lián)系。以開路電位值來判斷試樣表面生物膜的形成、穩(wěn)定以及控制效果是一種簡單、有效的方法。

液電效應是集機械沖擊波、空化作用、紫外光、高密度等離子體等為一體的復合效應[8]。其中，沖擊波所帶來的機械作用對去除微生物膜以及殺滅微生物細胞起到最關鍵的作用。此外，在液電效應中產(chǎn)生的紫外光輻射、活性體和等離子體所具有的化學效應也能殺滅微生物。本研究表明，生物膜的去除主要是由于液電效應所產(chǎn)生的沖擊波對試樣表面剪切應力作用的結(jié)果，具體為：在其剪切應力值較小的情況下，可以使試樣表面的生物膜產(chǎn)生穿孔效應，從而使殺菌劑的有效粒子穿過生物膜而殺死膜內(nèi)的微生物，同時還能為生物膜的進一步清除提供幫助；在其剪切應力值較大的情況下，可以有效剝離試樣表面的微生物膜或?qū)⒃嚇颖砻胬p結(jié)在一起的SRB擊碎分離并在液體流動作用下自動脫落。

總而言之，高壓液相脈沖放電技術(shù)去除船體鋼表面的微生物膜及其微生物淤積物非常有效。而對于沖擊波的剪切應力和生物膜去除效果之間的定量關系還有待于更進一步的研究。

3 結(jié)論

采用開路電位來表征試樣表面微生物及其微生物膜的生長，并通過測定開路電位恢復時間來評價微生物膜的去除效果，結(jié)果表明高壓液相脈沖放電技術(shù)能有效去除船體鋼表面的SRB微生物膜。在放電電壓為10 kV、儲能電容為1.5 μF的最佳工藝參數(shù)下，船體鋼表面再次形成成熟穩(wěn)定的SRB微生物膜的時間約為66 h。

[1] Bos R，van der Mei H C，Busscher H J. Physico-chemistry of initial microbial adhesive interactions-its mechanisms and methods for study[J]. FEMS Microbiol Review，1999，23(2)：179-230.

[2] Berndt Eva，Ulbricht Mathias. Synthesis of block copolymers for surface functionalization with stimuli-responsive macromolecules[J]. Polymer，2009，50(22)：5181-5191.

[3] Kim Jung-Gu，Kim Yong-wook. Cathodic protection criteria of thermally insulated pipeline buried in soil[J]. Corro Sci，2001，43(11)： 2011-2021.

[4] Wang W，Li X，Wang J，et al. Influence of biofilms growth on corrosion potential of metals immersed in seawater[J]. Materials and Corrosion，2004，55(1)：30-35.

[5] 陳天明. 液電效應中壓力沖擊波產(chǎn)生原因及其傳播規(guī)律的探討[J]. 靜電，1987，(2)：50-53.

[6] Videla Hector A，Characklis William G. Biofouling and microbially influenced corrosion[J]. International Biodeterioration & Biodegradation，1992，29(3-4)：195-212.

[7] 王偉，王佳，徐海波，等. 海洋環(huán)境中微生物膜吸附動力學過程對鈍態(tài)金屬開路電位變化特征的影響[J]. 中國腐蝕與防護學報，2006，26(2)：65-69.

[8] Karpel Vel Leitner N，Syoen G，Romat H，et al. Generation of active entities by the pulsed arc electrohydraulic discharge system and application to removal atrazine[J]. Water Research，2005，39(19)：4705-4714.