海洋環(huán)境中微生物腐蝕及其防護(hù)研究進(jìn)展

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(西北工業(yè)大學(xué)生命科學(xué)院，陜西 西安 710072)

通過(guò)對(duì)微生物腐蝕領(lǐng)域長(zhǎng)期系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)，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(gè)小時(shí)就形成一層包含細(xì)菌、藻類等水生生物及其代謝產(chǎn)物的微生物粘膜，成為其它海洋生物和細(xì)菌生長(zhǎng)和繁殖的“土壤”。隨后的微生物腐蝕都是通過(guò)這層微生物膜發(fā)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(zhǎng)。迄今為止，控制微生物腐蝕唯一有效的措施是使用化學(xué)殺菌劑。但由于效果不理想且不符合環(huán)保要求，化學(xué)殺菌劑將越來(lái)越受到限制，發(fā)展高效、環(huán)保的新型微生物腐蝕控制措施勢(shì)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(zhǎng)，新陳代謝產(chǎn)物在金屬表面形成微生物膜，其主要成分是水(占70%～95%)和細(xì)菌粘液物質(zhì)(由高聚糖、蛋白質(zhì)等組成，又稱為胞外高聚物，簡(jiǎn)稱EPS)[3～5]。微生物膜的基質(zhì)具有抗毒物影響的能力，其物理化學(xué)性質(zhì)決定了微生物膜中的生命活動(dòng)。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(huán)境介質(zhì)之間的粘液物質(zhì)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(dòng)時(shí)，凝膠起擴(kuò)散屏障作用，由此產(chǎn)生濃度梯度。細(xì)胞高聚物如丙酮酸或糖醛酸中荷電基團(tuán)的存在顯著地影響著EPS的物理性質(zhì)(如強(qiáng)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(zhì)，使得界面/表面性質(zhì)發(fā)生變化[4，6，7]。

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

在水環(huán)境中，微生物易吸附在固體表面。當(dāng)物體浸沒(méi)入海水后，有機(jī)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(zhì)，尤其是靜電荷和潤(rùn)濕度。這層薄膜是微生物膜進(jìn)一步發(fā)展的基礎(chǔ)[9,10]。微生物在固體表面的附著可能是趨向性或隨機(jī)性運(yùn)動(dòng)造成的，部分微生物會(huì)有選擇地運(yùn)動(dòng)并附著在材料的特定部位，部分吸附著的微生物也會(huì)由于自身的運(yùn)動(dòng)或水體的動(dòng)力學(xué)方面的因素而脫離附著點(diǎn)，附著緊密的微生物繁衍生長(zhǎng)并新陳代謝產(chǎn)生多聚物，最終形成微生物膜。

微生物膜的形成是一個(gè)高度自發(fā)的過(guò)程，是一個(gè)伴隨SRB的生長(zhǎng)和消亡、環(huán)境不斷變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程。許多學(xué)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(shù)[11,12]和模擬微生物膜物理行為的多孔性凝膠層技術(shù)[13]測(cè)定微生物膜中的溶解氧、錳、鐵等物質(zhì)的變化規(guī)律，闡析微生物膜的形成過(guò)程及其對(duì)金屬腐蝕的影響[14]，通過(guò)測(cè)定微生物膜的擴(kuò)散層厚度、氧擴(kuò)散系數(shù)以及孔隙率等參數(shù)來(lái)表征其特性等。

2 微生物腐蝕的研究方法

2.1 現(xiàn)代生物學(xué)技術(shù)

細(xì)菌在微生物腐蝕過(guò)程中具有極其重要的作用，有關(guān)微生物腐蝕的機(jī)理研究、腐蝕監(jiān)控和殺菌劑效果的評(píng)定等都需要能及時(shí)對(duì)影響腐蝕過(guò)程的微生物進(jìn)行檢測(cè)。多年來(lái)，對(duì)微生物的檢測(cè)仍廣泛采用傳統(tǒng)的培養(yǎng)法，如SRB計(jì)數(shù)的MPN法等，盡管其使用可靠性高，但操作繁瑣、耗時(shí)長(zhǎng)、工作量大，不易推廣使用。目前已報(bào)道了多種用于微生物快速檢測(cè)的新技術(shù)，主要包括氣相色譜技術(shù)、放射測(cè)量法、阻抗測(cè)量法、微量量熱法和生物發(fā)光法等物理化學(xué)方法，以及放射免疫測(cè)定法和酶聯(lián)免疫吸附測(cè)定法等免疫學(xué)方法，并將這些技術(shù)與計(jì)算機(jī)結(jié)合而發(fā)展了多種微生物自動(dòng)化檢測(cè)儀器和簡(jiǎn)易檢測(cè)系統(tǒng)。這些技術(shù)主要應(yīng)用于微生物分類學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)、食品科學(xué)和環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域。文獻(xiàn)[15，16]報(bào)道了SRB的檢測(cè)技術(shù)，從原理上可分為顯微鏡直接計(jì)數(shù)法、細(xì)菌構(gòu)成物定量法和代謝物的檢測(cè)等，這些方法快速、高效，但仍存在一些不足，如顯微鏡直接計(jì)數(shù)法無(wú)法分辨細(xì)菌的死活、ATP測(cè)試儀受到檢測(cè)范圍的限制等等。

2.2 電化學(xué)方法

微生物腐蝕本質(zhì)上是電化學(xué)過(guò)程，微生物的附著可以改變金屬表面的電化學(xué)狀態(tài)，因此可用電化學(xué)方法研究微生物腐蝕的詳細(xì)過(guò)程及其腐蝕機(jī)制、監(jiān)測(cè)微生物腐蝕的發(fā)生和發(fā)展[17，18]。從腐蝕電化學(xué)的角度來(lái)研究、記錄各種腐蝕參數(shù)的變化，包括通過(guò)電位(自然腐蝕電位、孔蝕電位、電化學(xué)噪聲電位等)、電流(腐蝕電流密度、穩(wěn)態(tài)與亞穩(wěn)態(tài)孔蝕電流、電化學(xué)噪聲電流、氫滲透電流等)、電阻(極化電阻等)等信號(hào)的變化來(lái)反映材料、環(huán)境的相互作用機(jī)制和特征，統(tǒng)稱為腐蝕信號(hào)學(xué)。有關(guān)微生物腐蝕的電化學(xué)研究方法的優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 微生物腐蝕的電化學(xué)研究方法比較

2.3 現(xiàn)代表面分析技術(shù)

結(jié)合表面原位或非原位的觀察來(lái)實(shí)證表面的腐蝕形貌和腐蝕特征，稱為腐蝕圖像學(xué)。由于具有直觀性和實(shí)證性，甚至具有獲取信息的唯一性，腐蝕圖像學(xué)對(duì)腐蝕研究也是極其重要的，并且變得越來(lái)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(huán)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(chǎn)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(zhuǎn)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(fā)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(xué)和基因?qū)W方法外，F(xiàn)TIR可以用來(lái)鑒別微生物，快速辨認(rèn)有特別紅外譜的細(xì)菌。傅立葉轉(zhuǎn)換紅外衰減總反射技術(shù)(FTIR-ATR)可以原位和實(shí)時(shí)研究微生物膜的形成及其相互作用[19]。SEM或ESEM可以用來(lái)檢查微生物和腐蝕產(chǎn)物之間的關(guān)系。AFM已逐漸推廣使用，用于解釋與金屬表面微生物膜相關(guān)的微生物腐蝕現(xiàn)象。Bremmer等[20]觀察培養(yǎng)基中在拋光和未拋光銅表面上細(xì)菌的生長(zhǎng)狀況，發(fā)現(xiàn)未拋光的銅表面點(diǎn)蝕與細(xì)菌電池有關(guān)。Steele等[21]用AFM研究發(fā)現(xiàn)，316L不銹鋼腐蝕在生物膜中SRB和好氧菌的協(xié)同作用下加速進(jìn)行，并在云母片上直接觀察到海洋SRB電池的半導(dǎo)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(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)碳鋼的腐蝕，通過(guò)測(cè)定點(diǎn)蝕的深度計(jì)算了腐蝕速度，并與失重法計(jì)算的腐蝕速度進(jìn)行了對(duì)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(dòng)對(duì)材料腐蝕的影響規(guī)律，學(xué)者們?cè)趯?shí)驗(yàn)室通過(guò)制備特種凝膠建立模擬微生物膜，利用人工生物培養(yǎng)方法增加電極表面細(xì)菌數(shù)量，開(kāi)展了各種研究。Roe[24]在低碳鋼上沉積細(xì)胞外生物高分子(藻酸鈣Ca-Alg和瓊脂糖) 來(lái)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(tǒng)，通過(guò)研究4種殺菌劑在生物膜內(nèi)的傳輸穿透行為及其對(duì)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(xì)胞密度)。王慶飛[26]以含羧酸官能團(tuán)的β-D-甘露糖醛酸單元等構(gòu)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(huán)境，探討了模擬海水NaCl溶液中生物膜對(duì)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(tǒng)方法

控制微生物腐蝕的傳統(tǒng)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(jié)垢或粘膜)，分為機(jī)械清洗法和化學(xué)清洗法。機(jī)械清洗法指能夠?qū)⒊练e物從表面去除的物理方法，通常包括擦除、打磨、沖刷等等。機(jī)械法與殺菌法同時(shí)應(yīng)用，可以去除金屬表面附著的微生物?；瘜W(xué)清洗法指利用礦物酸、有機(jī)酸或螯合劑等對(duì)表面沉積物進(jìn)行酸洗，它對(duì)結(jié)垢的去除十分有效，但對(duì)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?yàn)椋话阕贤鉄粼?60 nm波長(zhǎng)附近有很強(qiáng)的輻射，而這個(gè)波長(zhǎng)恰好能為核酸所吸收，因而照射一段時(shí)間就能使SRB致死。另外，還可利用超聲波抑制SRB的生長(zhǎng)，當(dāng)聲波頻率超過(guò)9～20 kHz時(shí)，就可以使SRB受到劇烈振蕩而被破壞。

(3)改變介質(zhì)環(huán)境：SRB的最佳生長(zhǎng)環(huán)境是pH值5.5～8.5、溫度25～30℃。當(dāng)pH值<5.5或>8.5時(shí)，SRB都會(huì)停止生長(zhǎng)。注入高礦化度水或NaCl水，通過(guò)滲透壓降低細(xì)胞內(nèi)部的含水量，可抑制SRB生長(zhǎng)。研究表明，當(dāng)注入水礦物質(zhì)含量達(dá)160 g·L-1時(shí)，SRB生長(zhǎng)數(shù)量減少50%；周期性地注入熱水(超過(guò)60℃)，也可殺死SRB。

(4)陰極保護(hù)：在SRB存在的條件下，可以使用陰極保護(hù)的方法來(lái)防止微生物的腐蝕，這是由于在陰極保護(hù)下陰極提供自由氫的速度超過(guò)了細(xì)菌去極化作用中利用氫的速度。陰極保護(hù)能夠通過(guò)釋放氫氧根離子增加金屬與介質(zhì)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(hù)對(duì)于防止海洋環(huán)境中厭氧微生物膜向碳鋼構(gòu)筑物表面的附著十分有效。

(5)化學(xué)方法：化學(xué)方法是最簡(jiǎn)便且行之有效的方法，主要是通過(guò)投加殺菌劑殺死或抑制微生物的生長(zhǎng)。目前化學(xué)方法存在的主要問(wèn)題是微生物產(chǎn)生抗藥性、殺菌劑現(xiàn)場(chǎng)使用中與其它水處理劑的配伍性、殺菌劑對(duì)基體金屬的腐蝕性、殺菌劑的加藥方式等?；诃h(huán)保要求，殺菌劑的使用會(huì)越來(lái)越受到限制，發(fā)展更有效的新型控制措施勢(shì)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(guò)對(duì)材料的表面進(jìn)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(dá)到防治SRB腐蝕的目的。

上述方法不但能耗大、運(yùn)行費(fèi)用高，而且殺菌過(guò)程容易產(chǎn)生副產(chǎn)品，形成二次污染。因此，急需一種新的高效環(huán)保的技術(shù)取代原有的殺菌方法。

3.2 液中高壓脈沖電場(chǎng)殺菌技術(shù)

自從Sale等[27]于1967年發(fā)現(xiàn)高壓脈沖電場(chǎng)有殺菌作用以來(lái)，高壓脈沖電場(chǎng)技術(shù)(High voltage pulsed electric fields, HVPEF)成為近年來(lái)研究最多的冷殺菌技術(shù)之一[28～32]。該方法是利用高壓脈沖電場(chǎng)下，負(fù)向脈沖波峰的出現(xiàn)對(duì)微生物細(xì)胞膜形成一個(gè)快速變化的壓力，使其結(jié)構(gòu)松散，從而與正向脈沖峰協(xié)同作用，迅速破壞細(xì)胞膜的透性。高壓脈沖電場(chǎng)殺菌技術(shù)殺菌條件易于控制、受外界環(huán)境影響較小，不但處理時(shí)間短、能耗低、殺菌率高，而且不使用殺菌劑、操作費(fèi)用低、無(wú)副產(chǎn)品、不產(chǎn)生二次污染，以其良好的應(yīng)用特性成為當(dāng)前最有前途實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用的冷殺菌技術(shù)之一。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已從處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)、能量消耗與經(jīng)濟(jì)性、處理效果、滅菌機(jī)理、影響因素等多方面對(duì)其進(jìn)行了大量研究。

3.2.1 影響高壓脈沖電場(chǎng)滅菌的因素

(1)對(duì)象菌的種類：不同菌種對(duì)電場(chǎng)的承受力差別很大。無(wú)芽孢細(xì)菌較有芽孢細(xì)菌更易被殺滅，革蘭氏陰性菌較陽(yáng)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(chǎng)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(duì)象菌所處的生長(zhǎng)周期也對(duì)殺菌效果有一定的影響，處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的菌體比處于穩(wěn)定期的菌體對(duì)電場(chǎng)更為敏感。

(2)菌的數(shù)量：研究中發(fā)現(xiàn)，對(duì)菌數(shù)高的樣品與菌數(shù)低的樣品加以同樣強(qiáng)度、同樣時(shí)間的脈沖，前者菌數(shù)下降的對(duì)數(shù)值比后者要大得多。

(3)電場(chǎng)強(qiáng)度：電場(chǎng)強(qiáng)度在各因素中對(duì)殺菌效果影響最明顯，電場(chǎng)強(qiáng)度加大時(shí)對(duì)象菌存活率明顯下降。

(4)處理時(shí)間：處理時(shí)間是各次放電釋放的脈沖時(shí)間的總和。隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，對(duì)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(shí)間的繼續(xù)延長(zhǎng)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(nèi)。

(6)介質(zhì)電導(dǎo)率：介質(zhì)的電導(dǎo)率提高時(shí)，脈沖頻率上升，脈沖寬度下降，而電容器放電時(shí)的脈沖數(shù)目不變，即殺菌脈沖時(shí)間縮短，因此殺菌效果相應(yīng)下降。介質(zhì)電導(dǎo)率影響著放電時(shí)的脈沖強(qiáng)度和脈沖次數(shù)，如是空氣導(dǎo)電，則無(wú)脈沖產(chǎn)生。

(7)脈沖頻率：提高脈沖頻率時(shí)，殺菌效果上升。這是因?yàn)槊}沖頻率提高后，對(duì)應(yīng)于每一次電容器放電來(lái)說(shuō)，具有更多的脈沖數(shù)目，指數(shù)衰減曲線的下降得以減緩，從而保證了更長(zhǎng)的殺菌處理時(shí)間。

(8)介質(zhì)pH值：在正常的pH值范圍內(nèi)，對(duì)象菌存活率無(wú)明顯變化?？梢哉J(rèn)為，pH值對(duì)高壓脈沖電場(chǎng)滅菌無(wú)增效作用。

3.2.2 高壓脈沖電場(chǎng)滅菌的處理效果

國(guó)內(nèi)外研究人員使用高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)培養(yǎng)液中的酵母、革蘭氏陰性菌、革蘭氏陽(yáng)性菌、細(xì)菌孢子以及蘋(píng)果汁、香蕉汁、菠蘿汁、牛奶、蛋清液等進(jìn)行了大量研究，結(jié)果表明，抑菌效果可達(dá)到4～6個(gè)數(shù)量級(jí)，其處理時(shí)間一般在微秒到毫秒級(jí)，最長(zhǎng)不超過(guò)1 s。肖更生等[33]對(duì)高壓交流電場(chǎng)的滅菌效果進(jìn)行了研究，結(jié)果表明在22.5 kV·cm-1的場(chǎng)強(qiáng)處理下乳酸桿菌數(shù)降低近6個(gè)數(shù)量級(jí)。陳健[34]在40 kV·cm-1條件下，用50個(gè)脈沖處理脫脂乳中的大腸桿菌后，99%的大腸桿菌失活。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，微生物腐蝕研究已經(jīng)從個(gè)別失效事故的描述性報(bào)道轉(zhuǎn)移到腐蝕過(guò)程和機(jī)制的研究，主要集中在用電化學(xué)方法和表面分析技術(shù)來(lái)研究金屬和合金的腐蝕機(jī)制。其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)將是從宏觀到微觀，利用基因探針、微電極以及掃描振動(dòng)電極等進(jìn)一步揭示微生物膜和腐蝕過(guò)程之間的空間關(guān)系和微觀機(jī)制。深入了解微生物膜的特征和發(fā)展過(guò)程是發(fā)展有效的生物膜控制技術(shù)的基礎(chǔ)，是減少生物污損和生物誘導(dǎo)腐蝕影響的關(guān)鍵。因此，對(duì)微生物膜的性質(zhì)和生長(zhǎng)規(guī)律、快速檢驗(yàn)微生物膜的新技術(shù)以及高效環(huán)保的處理微生物膜的方法進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究十分迫切。目前國(guó)內(nèi)的微生物腐蝕研究主要是評(píng)價(jià)材料的耐SRB引起的MIC的腐蝕規(guī)律，只有少數(shù)人建立了微生物膜的模擬環(huán)境進(jìn)行研究。

目前，高壓脈沖電場(chǎng)殺菌技術(shù)已廣泛應(yīng)用于食品加工、制藥及水處理等領(lǐng)域，然而應(yīng)用該技術(shù)處理金屬表面的微生物膜，進(jìn)而達(dá)到金屬表面防污防腐的目的尚未見(jiàn)報(bào)道。因此，研究液中高壓脈沖電場(chǎng)放電處理對(duì)金屬表面微生物膜的影響及其殺菌效果，能夠?yàn)楦佑行У胤乐紊镂蹞p和微生物腐蝕提供一種環(huán)保、節(jié)能的全新策略。

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