金屬材料海洋環境生物污損腐蝕研究

劉疏影Bridget

（美國羅蘭德帕克女校，美國馬 里蘭巴爾的摩 21213）（Roland Park Country School Baltimore MD 21213）

0 引言

在海水環境當中，金屬材料是十分復雜的電化學過程，具體涉及生物、化學、物理以及氣象等因素。近些年來，相關腐蝕科學工作者所關注的課題具體包括宏觀生物附著腐蝕、微生物腐蝕等。通過相關實驗技術的快速發展，人們也更加深入的了解和認識生了物腐蝕問題。生物附著現象不僅具有一定的廣泛性，而且還有著較高的復雜性，因此需要進一步加大對微生物腐蝕現象的研究力度。

1 海水中影響腐蝕的海生物種類

在海水當中，需要充分分析影響腐蝕的相關海生物種類，具體包括以下3種類型。第一，單細胞有機質，具體包括藻類、細菌等。第二，柔軟生長物，包括海綿體等。第三，硬質海洋動物，包括貝類、藤壺等。相關微生物有機體可以在其表面附著，使微生物得到繁殖，有效建立起相應的微生物膜。針對宏觀生物幼體進行分析，其可以有效促進微生物膜的生長。在材料表面有生物覆蓋之后，微生物可在宏觀生物腐爛位置發生大量繁殖[1]。

2 微生物膜的結構與功能

2．1 海水環境中的生物膜

當微生物逐漸附著到金屬材料表面之后，可以利用相關的新陳代謝活動使黏稠細胞外高聚物得到有效產生，其組成物質具體包括脂蛋白、糖蛋白、蛋白質以及高聚糖等，不僅強度較大，而且還具有一定黏性，有著良好的附著性。微生物可在細胞胞外高聚物所組成的凝膠當中包藏，并在液體環境和金屬表面間形成相應的凝膠相。由于細胞胞外高聚物具有黏性，因此可以使其在一些特殊物質中進行黏附，如鈣鎂沉淀物、腐殖質、黏土礦物等。生物膜具體由黏附沉積物、微生物以及細胞胞外高聚物凝膠組成，在自然條件下，生物膜厚度會隨著環境條件的改變而產生極大變化。當生物膜處于強剪切力系統當中時，其厚度只達到了幾微米。對液壓承受較少的區域，生物膜中的微生物沉積厚度則可以達到幾厘米。

2.2 生物膜的特征與功能

凝膠相生物膜不僅透過性能較好，而且黏彈性、親水性、吸附性以及生物學性能等良好。細菌高聚物具體包括糖醛酸、丙酮酸等，其中存在相應的荷電基團，這也使得相關生物膜產生了離子交換器所具有的性質。在此情況下，EPC具有親水性，所以生物膜可以向疏水表面賦予具體的親水性質，從而改變了機體的表面性質。生物膜的特征具體包括以下3個方面，首先，在EPC凝膠當中，微生物保持靜止狀態，和生長表面十分靠近，在空間當中，各類菌種的微同生現象相對比較固定，可以長時間使細胞發生接觸。其次，空間中的代謝產物濃度、pH以及氧濃度等不均勻性十分明顯，同時還具有一定的濃度梯度。最后，當環境、時間等條件發生改變之后，相關微生物可能會不斷發生演替，會改變生物膜[2]。

當金屬表面覆蓋生物膜之后，溶液本體和金屬表面之間將會產生擴散屏障作用，因此存在相應的濃度梯度。EPC機制所具有的擴散屏障作用，不僅具有相應的強度，使形態和柔軟度得到有效保持，同時還具有相關的微生物活動，具體包括營養吸取、廢物排泄以及新陳代謝等。由于存在生物膜，進而使得金屬和溶液本體的界面狀態出現變化，導致代謝產物、有機物質、基質和氧等濃度以及pH值等和溶液本體也會存在相應的差異。與此同時，相關生物膜凝膠內部的各個成分也存在非均一性，界面上所出現的反應將會對各電化學參數產生影響，而且這些參數對腐蝕形態和機理等具有一定的決定作用，需要相關研究人員對生物膜表面附著力產生影響的相關因素進行充分考察。在生物膜初生階段，是早期生物膜對表面粗糙度和成分等積累的過程，不僅對生物膜初生具有十分重要的作用，而且對細胞的擴散和積累速率等也會產生一定影響。與此同時，相關研究人員還需要充分考察生物膜中電解液所帶來的影響，具體來說，水剪切應力和流速具有密切聯系，對生物膜內部的反應、傳質以及運輸等速率具有重要影響，對分離速率也有直接影響。

3 海洋環境的微生物腐蝕機理

微生物腐蝕產生原因主要與微生物有關，一方面可以引起腐蝕，另一方面還能夠加快腐蝕速度。該電化學過程相對比較復雜，而且針對局部腐蝕具有極強的破壞性。在微生物生長過程中，海水環境可以為其提供充足生長介質，同時海水中還普遍存在著相關的金屬材料生物膜，海洋宏觀生物可以在微生物環境當中生長，在附著較高級宏觀生物前，如貝類、藤壺等，需要確保微生物附著成膜。宏觀生物殼表面會有大量微生物產生，特別是在宏觀生物死亡以及腐蝕等位置會有大量微生物繁殖。微生物可以在金屬表面有效生長和附著，將會經歷新陳代謝、死亡等相關生命階段，對海水環境當中的金屬腐蝕具有直接影響，具體包括以下2個方面。

3.1 濃度差異電池形成

當金屬表面附著微生物后，將會有不規則聚集地形成，而相關材料也會存在不均勻性，而EPS基質可以有效擴散屏障，進而阻礙了材料表面擴散。而且通過微生物膜分布、結構所具有的不均勻性，以及局部堆積的腐蝕產物等，將會產生相應的氧濃度差異電池，同樣還會阻止微生物腐蝕產物和新陳代謝產物的擴散，從而導致局部逐漸有濃度差異電池形成。除此之外，海藻等通過光可以產生氧氣，并在生物膜內積聚，使得膜內的氧濃度有所增加，使陰極過程有所加速，也使腐蝕速度有所加快。

3.2 微生物新陳代謝、產物的影響

在微生物新陳代謝過程中，會有生物膜形成，無論是新陳代謝還是產物都會影響到金屬腐蝕，進而改變了腐蝕形態以及機理。首先，微生物新陳代謝會改變腐蝕機制。其次，微生物新陳代謝產生的物質具有腐蝕性特點，將會惡化金屬腐蝕環境。具體分析微生物新陳代謝以及相關產物等給腐蝕電化學帶來的影響后，可以發現其主要影響腐蝕行為和生物膜內部生物的呼吸頻率，使得腐蝕陰極機理產生了相應的改變。再次，酸的產生。有氧區相關好氧菌的代謝產物具體包括各種有機酸、硫酸等，當細菌內的養分代謝時，有機物會將代謝期間的電子去除。針對嗜氧菌而言，相關電子接收者主要為氧，在有機物發酵過程當中，多數異樣細菌會對有機酸進行代謝和分泌，使腐蝕發生轉變。最后，局部無氧菌區當中的厭氧菌在具體代謝過程中會生成硫化物、硫以及硫代硫酸鹽等，且具有極強的破壞性，這導致局部腐蝕有所加速[3]。

4 結語

綜上所述，通過對海域生物調查和生態研究等工作開展，可以進一步提升金屬材料生物腐蝕的研究水平，為相關研究工作開展提供有力依據，從而保證研究工作質量。為金屬材料生物腐蝕的研究工作提供十分豐富的信息和理論依據。相關領域科技人員需要確保海生物腐蝕研究工作的聯合推動，并要對典型材料當中的生命活動規律、海生物附著種類等進行充分調查，合理采用現代表面分析、電化學等技術，對生物膜結構進行充分研究，從而對結構物腐蝕、材料影響等進行明確，有效構建具體的生物因素數學模型，健全生物腐蝕機制，使相關工作的研究水平得到有效提升。