金屬材料SRB微生物腐蝕機理研究現狀與進展

劉偉 李洪林 吳海旭 石玲

（遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111000）

一、前言

微生物腐蝕（MIC）是指由材料表面生物膜內的微生物生命活動及其代謝產物引起或促進材料的腐蝕和破壞的現象，普遍存在于各種自然環境中，如土壤、海洋、供水管網、油田系統等[1,2]。微生物不僅會引起鋼鐵、銅合金、鈦合金、鋁合金等金屬材料的腐蝕，也會引起非金屬材料（如混凝土）的腐蝕，是引起工程材料失效的主要原因之一[3,4]。研究者們發現，在微生物腐蝕主要以硫酸鹽還原菌（SRB）導致的腐蝕破壞為主。據統計，在英國的地下腐蝕中95%是由SRB引起的，在美國有77%以上的油氣井腐蝕主要由SRB引起的[5]，中國每年由于鋼鐵材料的腐蝕導致的直接經濟損失約為2億元人民幣，而這其中大約50%則是由SRB引起的[6]。因此，對于SRB的腐蝕研究非常重要，是微生物腐蝕研究的重點。

迄今為止，國內外學者對 SRB 的生物腐蝕機理進行了廣泛而深入的研究，對SRB的生物腐蝕機理提出了各種解釋，但是觀點尚不統一，其中比較有代表性的理論有陰極氫去極化理論、陽極加速理論、濃差電池理論、生物催化硫酸鹽還原理論（BCSR）等幾種。

二、SRB生物腐蝕機理

（一）陰極氫去極化理論

該理論認為在厭氧環境中，在陰極表面發生析氫反應，即H+得到電子生成氫原子，由于腐蝕微電池無法滿足氫原子的活化電位，因而原子態的氫覆蓋在陰極表面，形成一層保護膜，阻礙甚至中止了腐蝕反應。當溶液中含有SRB時，SRB細胞中的氫化酶能夠利用金屬表面產生的氫使SO42-還原為S2-，使得陰極表面由氫原子組成的保護膜被去除，致使電極反應可以有效的進行，進而加速金屬的腐蝕。該理論可表示為[7]：

（二）陽極加速理論

陰極氫去極化理論主要探討的是SRB對金屬陰極反應的影響，并未考慮SRB對陽極反應的影響。在SRB代謝過程中除了會生成大量的無機硫化物之外，還會產生一種重要的有機代謝產物—胞外聚合物（EPS）。研究表明，EPS在微生物礦化過程中起著重要作用[8]，EPS中含有大量的羰基、磷酸基、巰基和羥基等官能團，這些官能團具有很強的絡合能力，能夠與Al3+、Cu2+、Fe2+等金屬離子發生絡合反應[9]，從而加速金屬的陽極溶解。

（三）濃差電池理論

濃差電池理論是Goldmen[10]于1964年提出的，認為在金屬電極的腐蝕過程中，由于硫化物在金屬電極表面生成與富集，進而形成濃差電池，促進了金屬的腐蝕。1971年，R.A.King等人[11]對該理論進行了進一步的闡述，認為造成SRB腐蝕的真正原因是其代謝產物S2-的出現，S2-與Fe2+結合形成FeS并附著在基體（鐵）表面，作為新的陰極，與基體構成局部電池，進而加速腐蝕。

該理論認為附著在金屬表面的生物膜及金屬的腐蝕產物在一定程度上阻礙了溶液中的溶解氧向金屬基體表面擴散，進而在金屬表面微生物富集的區域形成低氧區，而沒有微生物附著的金屬基體表面溶解氧含量相對較高，從而引起金屬表面不同區域的氧含量不同，誘導氧濃差腐蝕的發生。

（四）生物催化硫酸鹽還原理論

由于SRB在微生物腐蝕過程中扮演著至關重要的角色，因此研究者們從生物能量學和生物電化學的角度來詮釋微生物腐蝕的機理，提出了生物催化硫酸鹽還原理論（BCSR）。該理論認為當金屬浸泡在含有SRB的溶液中后，SRB在金屬表面附著并形成微生物膜，在生物活性酶的作用下，陰極硫酸鹽被還原并消耗了陽極金屬材料溶解釋放的電子，從而加速金屬的腐蝕[12]。BCSR理論可表示為[13]：

三、總結

目前，針對金屬材料SRB微生物腐蝕機理的研究獲得了巨大進展，取得了很多研究成果，但是自然環境是一個多菌種、氣液固三相共存以及有應力作用的復雜環境，目前所取得研究成果與現實環境中的真實情況仍然存在偏差。因此，對于SRB生物腐蝕機理的研究仍存在許多不足以及亟待解決的問題，如多菌種的協同作用對腐蝕機理的影響、應力作用條件下的微生物腐蝕行為、氣液固三相環境下微生物腐蝕行為等。隨著研究技術的不斷發展，為微生物腐蝕研究提供了更為先進的技術支持，這有助于從微觀上闡明SRB的腐蝕機理，揭示在自然環境中金屬材料SRB腐蝕的真實過程。