土壤中的微生物腐蝕研究進(jìn)展

何奕，杜翠薇，徐大可，張達(dá)威，劉智勇

（1. 北京科技大學(xué) 新材料技術(shù)研究院，北京 100083；2. 腐蝕與防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083；3. 中國(guó)科學(xué)院金屬研究所，沈陽(yáng) 110016）

微生物廣泛存在于各種自然環(huán)境、工業(yè)環(huán)境和極端環(huán)境中。許多材料如碳鋼、不銹鋼等對(duì)微生物都是敏感的。在金屬腐蝕中約有20%的損失是由微生物引起的[1]，每年，我國(guó)由于微生物腐蝕導(dǎo)致的損失高達(dá)約500億人民幣，嚴(yán)重危害著人們的生產(chǎn)生活。為了防止微生物腐蝕的發(fā)生，找到針對(duì)微生物腐蝕既環(huán)保又有效的防腐措施，必須清楚地認(rèn)識(shí)其腐蝕行為。

土壤中含有大量的微生物，包括細(xì)菌、真菌、藻類等。一克土壤中約含有 1010個(gè)細(xì)菌，由大約 4000個(gè)種類構(gòu)成[2]。在微生物腐蝕中，細(xì)菌是研究最多的，它們通過(guò)土壤粒子和其他潮濕的表面形成生物膜，通過(guò)胞外聚合物結(jié)合到一起。土壤微生物會(huì)引起材料的孔蝕、間隙腐蝕、選擇性去合金腐蝕、沉積層下腐蝕等多種不利現(xiàn)象的發(fā)生，其中涉及到石油化工、造紙、核電站等多種企業(yè)和部門[3]。土壤中細(xì)菌形成的生物膜既可以抑制金屬的腐蝕，也可以促進(jìn)金屬的腐蝕。

1 微生物腐蝕的機(jī)理

1.1 生物能量學(xué)機(jī)理

顧停月和徐大可[5-7]從生物能量學(xué)的角度出發(fā)，提出了生物陰極催化硫酸鹽還原機(jī)理（Biocatalytic Cathodic Sulfate Reduction Mechanism，BCSR）。該機(jī)理的主要新觀點(diǎn)為：微生物腐蝕金屬的目的是為了獲得能量。其具體反應(yīng)方程式如下[8]：

由反應(yīng)（1）和（2）可得，硫酸鹽還原菌（Sulfate Reducing Bacteria，SRB）在發(fā)生生物陰極催化硫酸鹽反應(yīng)時(shí)，ΔEo=+230 mV。根據(jù)公式 ΔGo=－nFΔEo＜0可知，該反應(yīng)能夠在熱力學(xué)上自發(fā)進(jìn)行，且為一種放熱反應(yīng)。由腺苷酰硫酸 APS這種途徑進(jìn)入到硫酸鹽還原菌細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的 SO42－在細(xì)菌內(nèi)酶的催化作用下被還原（如圖 1所示），反應(yīng)中鐵為電子供體，SO42-在反應(yīng)中得到電子。從動(dòng)力學(xué)上來(lái)講，細(xì)菌內(nèi)的酶為整個(gè)腐蝕反應(yīng)的進(jìn)行提供了基礎(chǔ)。硫酸鹽還原菌在進(jìn)行厭氧呼吸時(shí)，碳源（乳酸）為該反應(yīng)提供電子。

圖1 異化硫酸鹽的還原作用

以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了生物陰極催化硫酸鹽還原理論。根據(jù)該理論，可以合理解釋產(chǎn)甲烷古細(xì)菌[6]和硝酸鹽還原菌[9]也是為了獲取生命必須的能量，從而對(duì)金屬材料的表面造成了一定的腐蝕。

為獲得能量進(jìn)而腐蝕金屬，以硝酸鹽還原菌（Nitrogen Reducing Bacteria, NRB）為例：

反應(yīng)式（3）和（4）為NRB細(xì)胞質(zhì)內(nèi)可能發(fā)生的還原反應(yīng)。在熱力學(xué)上，將還原成NH3和N2的反應(yīng)是可以自發(fā)進(jìn)行的。與SRB相比，通過(guò)腐蝕，鐵可以為NRB提供更多的能量。

雖然從生物能量學(xué)上講，微生物可以獲取更多的能量。然而在利用這些能量的過(guò)程中，生物膜的導(dǎo)電性、金屬的表面形貌及其細(xì)菌對(duì)金屬的吸附能力等這些因素都會(huì)對(duì)腐蝕過(guò)程造成重要的影響。為了更清楚地了解 MIC，在研究過(guò)程中必須考慮到生物電化學(xué)（即細(xì)胞外電子異相傳遞動(dòng)力學(xué)）和生物膜的導(dǎo)電性等問(wèn)題。

甲品種R1R1r2r2r3r3與感病品種(基因型為r1r1r2r2r3r3)雜交后，得F1為雜合子R1r1r2r2r3r3，實(shí)際上r2r2r3r3始終為純合，因此分析過(guò)程中可以不考慮這兩對(duì)基因。F1自交得F2，它們的基因型可能是R1R1、 R1r1、 r1r1，因?yàn)镽1比r1片段短，所以分析電泳結(jié)果可以得出： 植株1為R1R1、植株2為r1r1、植株3為R1r1，因此由圖中的擴(kuò)增結(jié)果可以推測(cè)可抗病的植株有植株1和植株3；

1.2 生物電化學(xué)原理

近年來(lái)，微生物燃料電池（Microbial Fuel Cell，簡(jiǎn)稱MFC）領(lǐng)域的快速發(fā)展，促進(jìn)了人們對(duì)于生物電化學(xué)的認(rèn)識(shí)，加深了人們對(duì)微生物腐蝕金屬整個(gè)過(guò)程的了解[10]。根據(jù)BCSR理論，微生物腐蝕與生物陰極微生物燃料電池的最大區(qū)別在于不同種類的電子供體。微生物腐蝕的電子供體來(lái)源于金屬的腐蝕，而生物陰極微生物燃料電池的電子供體則來(lái)自碳源的氧化。根據(jù)生物陰極催化硫酸鹽還原機(jī)理，微生物主要是通過(guò)電子傳遞鏈獲得電子，主要分為以下三種形式。

1）電子的直接傳遞。電子的直接傳遞是指細(xì)菌的細(xì)胞壁通過(guò)跟金屬表面相接觸，將電子以細(xì)胞的色素C（Cytochrome C）等膜蛋白的方式進(jìn)行直接傳遞。此方式是微生物電子傳導(dǎo)的重要途徑。目前研究已經(jīng)證實(shí)細(xì)胞色素C和鐵硫蛋白存在于細(xì)胞外膜上，并作為電子傳遞的直接通道，使電子的傳遞變得更加快速。

2）細(xì)菌納米線。Reguera等[11]在2005年首次提出納米導(dǎo)線（Pili）這一概念，此理論通過(guò)導(dǎo)電原子力顯微鏡發(fā)現(xiàn)硫地桿菌的“菌毛蛋白”（Geopili）。這種蛋白通過(guò)具有導(dǎo)電性的細(xì)絲把電子傳遞給金屬氧化物，同時(shí)將與內(nèi)膜、周質(zhì)或者外膜相關(guān)的蛋白電子導(dǎo)出到胞外，利用這種方式多血紅素細(xì)胞色素能夠?qū)㈦娮觽鬟f到菌毛上。整個(gè)過(guò)程中，電子流入和流出的相關(guān)機(jī)制還不是很詳細(xì)，能夠確定的是細(xì)菌通過(guò)形成生物納米線（Pili）與金屬表面形成電子傳遞的通道。

3）通過(guò)介體轉(zhuǎn)移。電子在可溶性化合物中的傳遞，是一種間接的傳遞方式。Lojou等[12]指出，利用可溶性的氧化還原電子穿梭體可以有效地降低其傳遞活化能，提高電子轉(zhuǎn)移速率。這些中介體可直接作用于金屬離子，從而形成螯合物，并將這些螯合物傳遞給細(xì)胞膜上的酶或自身充當(dāng)電子載體[13]。SRB腐蝕金屬的三種電子轉(zhuǎn)移方式如圖2所示[14]。

圖2 SRB腐蝕金屬的三種電子轉(zhuǎn)移方式

由于所有的電子轉(zhuǎn)移過(guò)程中都有多種酶和蛋白的參與，因此可利用基因工程的方法抑制某些蛋白和酶的表達(dá)，研究金屬 MIC中可能的電子傳遞載體，并根據(jù)研究結(jié)果確定金屬腐蝕過(guò)程中的電子傳遞的方式，從而尋找抑制微生物腐蝕的新方法，指導(dǎo)抗菌劑的研發(fā)與生產(chǎn)、輸油管道的選材以及抗菌材料的進(jìn)一步發(fā)展。

2 環(huán)境因素

細(xì)菌所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)一般包括：Na+、K+、Mg2+、Ca2+、、Cl-、、、，有的還需要Fe2+的存在。土壤中的Cl-濃度、Fe2+濃度、氧濃度、溫度、pH值等，都會(huì)影響細(xì)菌對(duì)材料的腐蝕行為[15]。

2.1 氧的影響

在曝氧期間，金屬的腐蝕速率與厭氧時(shí)相比明顯高很多，形成的點(diǎn)蝕更深[16]。Hardy[17]等人研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)表面覆蓋有硫化物的生物膜接觸空氣之后，碳鋼發(fā)生了嚴(yán)重的孔蝕。提出這可能與生物膜在陽(yáng)極區(qū)和陰極區(qū)的差異有關(guān)，但對(duì)于反應(yīng)機(jī)理還不清楚。Vonrege和Sand[18]在含SRB的介質(zhì)分別測(cè)定覆蓋有生物膜的37鋼暴露在氧氣中的腐蝕率，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，37鋼的最大穿透深度在無(wú)氧和有氧交替變化的條件下，要比在嚴(yán)格厭氧條件時(shí)的大，但對(duì)其機(jī)理并沒(méi)有給出合理的解釋。

2.2 pH值的影響

溶液中 H+能夠與細(xì)胞膜中的酶相互作用，從而影響細(xì)菌活動(dòng)和細(xì)胞壁上酶的活性，因此溶液pH能夠影響微生物腐蝕過(guò)程[19]。目前，對(duì)硫酸鹽還原菌（SRB）的各項(xiàng)研究（生理、生化）表明，該種細(xì)菌能夠較快地適應(yīng)新環(huán)境，適合其生長(zhǎng)的pH值較為廣泛，一般在5.5～8.5之間，其中最佳范圍為7.0～7.5。因此當(dāng)SRB所處的環(huán)境pH值較高時(shí)，將會(huì)抑制細(xì)菌的生長(zhǎng)和繁殖，通過(guò)該方法可以控制微生物引起的腐蝕[20]。趙陽(yáng)國(guó)等[21]研究發(fā)現(xiàn)，pH＜7時(shí)，F(xiàn)e2+不能同H+作用產(chǎn)生H2被SRB利用。吳文菲等[22]研究了pH對(duì)微生物還原硫酸鹽的影響，發(fā)現(xiàn)在pH在7.0附近時(shí)，細(xì)菌的生長(zhǎng)率最高。當(dāng)環(huán)境溫度、溶液鹽度等條件相對(duì)適宜時(shí)，即便 pH減少到 4.0，仍存在 40%的硫酸鹽去除率，可見(jiàn)SRB對(duì)pH的適宜能力很強(qiáng)。

2.3 溫度的影響

在一定的溫度范圍內(nèi)，溫度升高時(shí)，細(xì)胞的生長(zhǎng)速率也會(huì)隨之增加[20]。范梅梅等[23]在研究嗜熱菌對(duì)X60鋼的腐蝕行為時(shí)發(fā)現(xiàn)，在30～75 ℃之間，隨著溫度的升高，腐蝕速率也逐漸增加（如圖3所示）。馮穎等人[24]關(guān)于溫度對(duì)中溫 SRB還原反應(yīng)的影響實(shí)驗(yàn)證明，36 ℃是最適合還原反應(yīng)的環(huán)境溫度。當(dāng)溫度高于 33 ℃，此時(shí)溫度對(duì)細(xì)菌還原反應(yīng)影響不大，但低于 30 ℃時(shí)，溫度對(duì)還原反應(yīng)抑制效果明顯，并且隨著溫度的降低，這種抑制作用越強(qiáng)。

圖3 溫度對(duì)X60鋼腐蝕速率的影響

3 研究現(xiàn)狀

3.1 加速腐蝕現(xiàn)象

微生物促進(jìn)金屬腐蝕的機(jī)理一般可概括為以下幾種：生物膜使金屬表面形成氧濃差電池；生物膜產(chǎn)生具有腐蝕性的代謝物；生物膜對(duì)金屬表面的鈍化膜、腐蝕產(chǎn)物膜以及防腐蝕涂層具有破壞性；生物膜通過(guò)代謝消耗介質(zhì)中的緩蝕劑等，從而加劇金屬的腐蝕[25]。

N. Bolton[26]等在研究短小芽孢桿菌對(duì)不同類型鋼材的腐蝕影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，該種細(xì)菌能夠在很大程度上促進(jìn)鍍鋅鋼的腐蝕（如圖4所示），但對(duì)碳鋼的腐蝕影響并不大。同時(shí)也指出，關(guān)于鍍鋅鋼的點(diǎn)蝕機(jī)理雖然也有相關(guān)研究，但具體原因還未解釋清，推測(cè)該腐蝕反應(yīng)與生物膜和種群密切相關(guān)。但是，細(xì)菌的種類不同，微生物腐蝕機(jī)理也存在差異[27]。

R.F. Jack[28]等研究枯草芽孢桿菌時(shí)發(fā)現(xiàn)，浸泡初期碳鋼的腐蝕速率被加速。隨浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，其腐蝕速率逐漸降低。他認(rèn)為枯草芽孢桿菌之所以能加速腐蝕速率，是因?yàn)榫淠?nèi)的次生代謝產(chǎn)物有可能是加速腐蝕的原因。

圖4 鍍鋅鋼在短小芽孢桿菌作用下發(fā)生點(diǎn)蝕

Xu Dake[29]等人研究C1018鋼在地衣芽胞桿菌作用下的腐蝕行為時(shí)發(fā)現(xiàn)，將C1018鋼于37 ℃下放置在地衣芽孢桿菌中3、7天，平均質(zhì)量損失分別為（如圖 5所示）：0.24、0.89 mg/cm2。在無(wú)菌條件下，C1018鋼于37 ℃下放置在地衣芽孢桿菌中7天的質(zhì)量損失為0.05 mg/cm2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，地衣芽孢桿菌加速了碳鋼的腐蝕，原因是地衣芽孢桿菌的生物膜相當(dāng)于催化劑，促進(jìn)了點(diǎn)蝕的發(fā)生。

圖5 C1018在地衣芽胞桿菌作用下3、7天的平均質(zhì)量損失

3.2 抑制腐蝕現(xiàn)象

微生物抑制腐蝕的主要機(jī)理如下：微生物代謝消耗材料表面的陰極去極化劑；微生物可以分泌抗菌素，減少金屬的腐蝕；微生物的代謝產(chǎn)物在金屬表面形成膜，如鈍化膜或分泌具有粘性的緩蝕劑類等物質(zhì)；通過(guò)介質(zhì)中的有機(jī)物將電子直接傳遞到電極表面，抑制金屬的腐蝕。

E. Juzelianas[30]等人研究蕈狀芽孢桿菌分別對(duì)鋁、鋅、鋼的腐蝕影響，電化學(xué)阻抗譜結(jié)果表明，該細(xì)菌對(duì)鋁的腐蝕起到抑制作用，對(duì)鋅的腐蝕則有促進(jìn)作用，但并不影響鋼的腐蝕。然而，他們未對(duì)上述現(xiàn)象的原因給出具體的解釋。

A. Rajasekar和Y.P. Ting[31]研究在有機(jī)、無(wú)機(jī)介質(zhì)中巨大芽孢桿菌和假單胞菌對(duì)304不銹鋼腐蝕的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，在無(wú)機(jī)介質(zhì)中，巨大芽孢桿菌和假單胞菌會(huì)使腐蝕電位（Ecorr）和點(diǎn)蝕點(diǎn)位（Epit）降低。無(wú)機(jī)介質(zhì)中的 NO3-以及 HPO42-、H2PO4-能促進(jìn)細(xì)菌的代謝過(guò)程，形成鈍化膜，減少不銹鋼的腐蝕速率。在有機(jī)介質(zhì)中，巨大芽孢桿菌和假單胞菌都會(huì)促進(jìn)不銹鋼表面點(diǎn)蝕的形成。根據(jù)電化學(xué)原理和表面分析，浸泡初期沒(méi)有產(chǎn)生抑制層時(shí)，鐵部分溶解，溶解的鐵會(huì)和K2HPO4及KH2PO4發(fā)生反應(yīng)生成鹽，堆積在試樣表面。

他們認(rèn)為，這種無(wú)機(jī)介質(zhì)能夠加速細(xì)菌代謝產(chǎn)物的形成，形成一種磷酸鐵鹽鈍化膜，從而抑制不銹鋼的腐蝕。對(duì)于為何在有機(jī)介質(zhì)中，兩種細(xì)菌均可以加速不銹鋼的點(diǎn)蝕，沒(méi)有作出解釋。

參閱文獻(xiàn)資料可知，關(guān)于土壤微生物的腐蝕行為，由于所用材料、介質(zhì)的不同，并且有些研究不夠深入，僅僅描述所發(fā)生的腐蝕現(xiàn)象及腐蝕行為，而對(duì)腐蝕規(guī)律則沒(méi)有進(jìn)行深入研究，而且部分結(jié)果相異，研究中提出的腐蝕機(jī)理不盡相同，不具有可比性。

4 結(jié)語(yǔ)

生物膜在土壤微生物腐蝕中具有重要的地位和作用。生物膜在金屬表面的形成很難避免，微生物腐蝕往往是菌體生命活動(dòng)中其他因素（產(chǎn)生表面活性劑或酸性代謝產(chǎn)物、產(chǎn)生蛋白催化酶、消耗氧氣、分解有機(jī)物質(zhì)、參與電子傳遞等）和生物膜對(duì)金屬基體的綜合作用。在細(xì)菌的生長(zhǎng)過(guò)程中，生物膜在金屬表面的形成、與金屬基體如何作用等，還需要更加深入地研究。未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)將更著重于微觀機(jī)理的研究，綜合利用先進(jìn)的技術(shù)來(lái)進(jìn)一步揭示微生物腐蝕的微觀機(jī)制，為達(dá)到更好的防護(hù)目的做準(zhǔn)備。