金屬材料的微生物腐蝕與防護(hù)研究進(jìn)展

湯秋華

（威立雅(中國)環(huán)境服務(wù)有限公司，江蘇 常州 213031）

當(dāng)處于海洋環(huán)境下時(shí)，微生物對(duì)金屬材料能夠產(chǎn)生兩種化學(xué)轉(zhuǎn)換反應(yīng)，如果金屬表面存在已經(jīng)生成的生物膜，這會(huì)導(dǎo)致這兩種物質(zhì)的相互作用，從而出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。到目前為止，海洋環(huán)境中各種有腐蝕效應(yīng)的細(xì)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(yīng)當(dāng)分為相應(yīng)溶液界面的新陳代謝腐蝕；受到客觀環(huán)境因素影響的酸堿程度變化腐蝕；以及多余代謝物質(zhì)造成的腐蝕現(xiàn)象。與此同時(shí)，這一問題的危害越來越顯著，因此受到了廣泛關(guān)注。

1 微生物腐蝕的歷史回溯

關(guān)于微生物腐蝕方面的研究起源于國外，20世紀(jì) 80年代末，國外科學(xué)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(shí)驗(yàn)中成功提取出具有腐蝕性質(zhì)的微生物細(xì)菌，將這一現(xiàn)象帶入到人們的視野中來，至此之后，越來越多的科學(xué)家開始致力于研究微生物對(duì)金屬材料的腐蝕作用[1]。

2 生物膜生成及其對(duì)微生物腐蝕的影響

（1）生物膜的生長過程。在天然的海水環(huán)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?yàn)檫@樣，就會(huì)出現(xiàn)生物膜這一特殊形象，生物膜的具體形態(tài)是由不同微生物發(fā)生作用的機(jī)理差異決定的。微生物在生長過程中，針對(duì)周邊客觀環(huán)境的變化，將會(huì)出現(xiàn)相對(duì)的應(yīng)激反應(yīng)，如果環(huán)境中的有害物質(zhì)超標(biāo)，則會(huì)采取緊急防御機(jī)制，通過分泌粘液的物質(zhì)緩解毒性，形成結(jié)構(gòu)相對(duì)較為穩(wěn)定的生活，這種特性也提升了微生物的相對(duì)獨(dú)立性，使其受到外界環(huán)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(tài)為一層厚度在20到80納米之間的薄膜。這種不同形態(tài)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)附著于金屬材料的表面，能夠改變其導(dǎo)電狀態(tài)和材料表面的濕度等性質(zhì)，從而將整體環(huán)境改造為一個(gè)微生物培養(yǎng)的溫床，方便其進(jìn)一步聚集生長。隨著生物膜的形態(tài)結(jié)構(gòu)漸趨成熟，在金屬材料的表面化學(xué)性質(zhì)和酸堿程度會(huì)發(fā)生一個(gè)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(fā)生導(dǎo)電反應(yīng)，通過有機(jī)氧化等反應(yīng)，慢慢侵蝕金屬材料的表面結(jié)構(gòu)[2]。

（3）腐蝕過程中生物膜所擔(dān)任的雙重角色。腐蝕過程中，微生物產(chǎn)生的生物膜擔(dān)任著雙重角色。微生物的反應(yīng)和活動(dòng)能夠在很短的時(shí)間周期內(nèi)改變金屬材料表面的化學(xué)性質(zhì)，這一反應(yīng)具有雙面性。從另一個(gè)角度研究，生物膜的形成將會(huì)影響材料表面的鈍化反應(yīng)，使得其對(duì)于外界客觀條件的變化影響變小，從而防止腐蝕現(xiàn)象進(jìn)一步惡化，此時(shí)生成的生物膜也可以看作是具有防護(hù)性質(zhì)的保護(hù)層[3]。

（4）生物膜模擬方法。由于客觀自然環(huán)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(gòu)建虛擬生物環(huán)境的方法，對(duì)金屬材料微生物腐蝕的作用進(jìn)行評(píng)價(jià)和研究，是比較常用的一種研究方式，通過經(jīng)年累月的實(shí)踐，表現(xiàn)出了明顯的優(yōu)越性。

3 微生物的作用機(jī)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(xiàn)。因此需要反復(fù)的研究和實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證他們的性質(zhì)，觀測(cè)它們變化的規(guī)律，到目前為止，微生物發(fā)生作用的機(jī)理可以簡單概括為以下兩種。①好氧菌的腐蝕機(jī)理。好氧菌通過酸性環(huán)境的方式對(duì)金屬材料造成腐蝕效應(yīng)，這種菌群代謝所產(chǎn)生的酸性物質(zhì)可以歸納為無機(jī)和有機(jī)兩種。除此之外，好氧菌的活動(dòng)區(qū)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(huán)境，并通過這一方式發(fā)生電解反應(yīng)，滿足了金屬材料腐蝕作用發(fā)生的環(huán)境要求，使得這一不良反應(yīng)得以滋生[4]。②厭氧菌的腐蝕機(jī)理.在種類繁多的厭氧菌中，金屬材料受害嚴(yán)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(jīng)成為了這一領(lǐng)域發(fā)展和進(jìn)步的當(dāng)務(wù)之急，其發(fā)生作用的機(jī)理可以概括為陰極反應(yīng)理論和陽極電解質(zhì)溶解理論[5]。

4 微生物腐蝕作用的防護(hù)

（1）物理方法。使用物理方法防范微生物對(duì)金屬材料表面造成的腐蝕作用，常見的為循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。簡單來說，就是通過處理和清潔水源環(huán)境，抑制微生物細(xì)菌的生長，并且定期進(jìn)行滅菌處理，將一定單位內(nèi)的微生物含量控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，減緩腐蝕效應(yīng)的發(fā)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(hào)的傳遞破壞細(xì)菌的繁殖。

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

（3）防護(hù)性涂層。預(yù)先在金屬材料表面做防護(hù)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(huán)境，同時(shí)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(quán)衡與考慮，現(xiàn)階段比較受歡迎的防腐涂層材料有水性環(huán)氧涂料、水性無機(jī)富鋅涂料、水性丙烯酸涂料等等，近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，還出現(xiàn)了更加先進(jìn)的納米防污涂料。