金屬材料的微生物腐蝕與防護研究進展

湯秋華

（威立雅(中國)環境服務有限公司，江蘇 常州 213031）

當處于海洋環境下時，微生物對金屬材料能夠產生兩種化學轉換反應，如果金屬表面存在已經生成的生物膜，這會導致這兩種物質的相互作用，從而出現腐蝕現象。到目前為止，海洋環境中各種有腐蝕效應的細菌，是造成金屬材料受到損傷的主要因素，從研究的角度而言，應當分為相應溶液界面的新陳代謝腐蝕；受到客觀環境因素影響的酸堿程度變化腐蝕；以及多余代謝物質造成的腐蝕現象。與此同時，這一問題的危害越來越顯著，因此受到了廣泛關注。

1 微生物腐蝕的歷史回溯

關于微生物腐蝕方面的研究起源于國外，20世紀 80年代末，國外科學家首次提出了微生物腐蝕這一概念，并于90年代初期的地下生物實驗中成功提取出具有腐蝕性質的微生物細菌，將這一現象帶入到人們的視野中來，至此之后，越來越多的科學家開始致力于研究微生物對金屬材料的腐蝕作用[1]。

2 生物膜生成及其對微生物腐蝕的影響

（1）生物膜的生長過程。在天然的海水環境中，微生物要想尋求長期生存，唯一的途徑就是附著于其他材料的表面，也因為這樣，就會出現生物膜這一特殊形象，生物膜的具體形態是由不同微生物發生作用的機理差異決定的。微生物在生長過程中，針對周邊客觀環境的變化，將會出現相對的應激反應，如果環境中的有害物質超標，則會采取緊急防御機制，通過分泌粘液的物質緩解毒性，形成結構相對較為穩定的生活，這種特性也提升了微生物的相對獨立性，使其受到外界環境因素的影響降低。

（2）生物膜的具體特性。顧名思義，生物膜的初始形態為一層厚度在20到80納米之間的薄膜。這種不同形態的物質結構附著于金屬材料的表面，能夠改變其導電狀態和材料表面的濕度等性質，從而將整體環境改造為一個微生物培養的溫床，方便其進一步聚集生長。隨著生物膜的形態結構漸趨成熟，在金屬材料的表面化學性質和酸堿程度會發生一個較大的改變，將微生物為了形成生物膜而分泌的粘液作為其他粒子傳播的渠道，形成溶液的濃度差，從而發生導電反應，通過有機氧化等反應，慢慢侵蝕金屬材料的表面結構[2]。

（3）腐蝕過程中生物膜所擔任的雙重角色。腐蝕過程中，微生物產生的生物膜擔任著雙重角色。微生物的反應和活動能夠在很短的時間周期內改變金屬材料表面的化學性質，這一反應具有雙面性。從另一個角度研究，生物膜的形成將會影響材料表面的鈍化反應，使得其對于外界客觀條件的變化影響變小，從而防止腐蝕現象進一步惡化，此時生成的生物膜也可以看作是具有防護性質的保護層[3]。

（4）生物膜模擬方法。由于客觀自然環境是不斷變化中的，其中的生物因素也難以被確定和量化，因此，為了方便下一步研究，采取構建虛擬生物環境的方法，對金屬材料微生物腐蝕的作用進行評價和研究，是比較常用的一種研究方式，通過經年累月的實踐，表現出了明顯的優越性。

3 微生物的作用機理

微生物的種類較為繁雜，在多種金屬材料表面都有他們的身影出現。因此需要反復的研究和實驗來驗證他們的性質，觀測它們變化的規律，到目前為止，微生物發生作用的機理可以簡單概括為以下兩種。①好氧菌的腐蝕機理。好氧菌通過酸性環境的方式對金屬材料造成腐蝕效應，這種菌群代謝所產生的酸性物質可以歸納為無機和有機兩種。除此之外，好氧菌的活動區域不同能夠在金屬材料表面形成溶液濃度差造成的電解環境，并通過這一方式發生電解反應，滿足了金屬材料腐蝕作用發生的環境要求，使得這一不良反應得以滋生[4]。②厭氧菌的腐蝕機理.在種類繁多的厭氧菌中，金屬材料受害嚴重的微生物為硫酸鹽還原菌，這一厭氧菌在金屬材料的表面腐蝕和侵害作用上廣為人知，已經成為了這一領域發展和進步的當務之急，其發生作用的機理可以概括為陰極反應理論和陽極電解質溶解理論[5]。

4 微生物腐蝕作用的防護

（1）物理方法。使用物理方法防范微生物對金屬材料表面造成的腐蝕作用，常見的為循環冷卻水系統。簡單來說，就是通過處理和清潔水源環境，抑制微生物細菌的生長，并且定期進行滅菌處理，將一定單位內的微生物含量控制在一個合理的范圍內，減緩腐蝕效應的發生。一般來說，采用紫外線照射的方式能夠取得較好的效果，超聲波處理則是通過信號的傳遞破壞細菌的繁殖。

（2）化學方法。到目前為止，對于抑制微生物的腐蝕作用來說，化學方法操作起來比較簡便，成本低廉的同時也能夠取得較好的效果。比較常見的化學殺菌劑按照職能和作用方式的不同可以區分為好氧型和厭氧型殺菌劑兩種，顧名思義，分別針對好氧菌和厭氧菌的生成與繁殖。通過不斷的嘗試和試驗可以發現，通過污水處理系統提升當前海洋環境的水潔凈程度，配合化學殺菌劑的使用，能夠有效抑制海洋環境中微生物的數量，從而減緩船體表面金屬材料受到的腐蝕[6]。

（3）防護性涂層。預先在金屬材料表面做防護性涂層處理，也是目前較為常見的一種防腐蝕方法。這種方法不僅能夠在金屬材料表面形成微生物難以附著的環境，同時還可以從一定程度上起到殺菌防腐的作用。出于成本和效果的權衡與考慮，現階段比較受歡迎的防腐涂層材料有水性環氧涂料、水性無機富鋅涂料、水性丙烯酸涂料等等，近年來，隨著科學技術的進步，還出現了更加先進的納米防污涂料。