微生物膜的形成機(jī)制及其對(duì)材料腐蝕的影響

劉偉 李洪林 吳海旭 石玲 遼寧忠旺集團(tuán)有限公司

一、前言

微生物腐蝕（MIC）是指由材料表面生物膜內(nèi)的微生物生命活動(dòng)及其代謝產(chǎn)物引起或促進(jìn)材料的腐蝕和破壞的現(xiàn)象，普遍存在于各種自然環(huán)境中，如土壤、海洋、供水管網(wǎng)、油田系統(tǒng)等[1]。在腐蝕過(guò)程中，微生物傾向于在材料表面特定活性位點(diǎn)上附著，并隨著其自身生命活動(dòng)及其與材料作用而形成的一種主要由活的和死的細(xì)胞、水、腐蝕產(chǎn)物以及胞外聚合物（EPS）構(gòu)成[2]的復(fù)雜混合物。其中，EPS 是由多糖、核酸、蛋白質(zhì)、脂類以及吸附的有機(jī)物和無(wú)機(jī)物等構(gòu)成[3]，具有一定的強(qiáng)度和黏性，使得該混合物具有一定的附著能力，當(dāng)其附著在材料表面時(shí)，即形成一層微生物膜。

迄今為止，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)微生物膜的形成機(jī)制及其對(duì)材料腐蝕的影響進(jìn)行了廣泛而深入的研究，取得了眾多的研究成果。文中歸納總結(jié)了微生物膜的形成機(jī)制及其對(duì)材料腐蝕影響目前的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展，并探討了其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，以期對(duì)本領(lǐng)域的研究人員有所裨益。

二、微生物膜的形成機(jī)制

生物膜的形成是一個(gè)十分復(fù)雜的生物學(xué)/化學(xué)過(guò)程，是一個(gè)高度自發(fā)并且伴隨微生物的生長(zhǎng)和消亡以及環(huán)境不斷變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程。一般來(lái)說(shuō)，微生物膜的形成和發(fā)展過(guò)程主要經(jīng)歷五個(gè)階段[3-5]。

1.形成條件膜。一些溶解態(tài)的無(wú)機(jī)離子和有機(jī)大分子通過(guò)礦化作用與吸附作用，在材料表面形成條件膜，這個(gè)過(guò)程是不可逆的和大量發(fā)生的；

2.微生物可逆吸附過(guò)程。由于和材料表面間的靜電作用和范德華力，介質(zhì)中浮游狀態(tài)的微生物吸附到條件膜上。這個(gè)過(guò)程是可逆的，可以持續(xù)幾分鐘至數(shù)個(gè)小時(shí)；

3.微生物不可逆吸附過(guò)程。EPS 以物理或者化學(xué)（靜電作用、氫鍵、偶極作用和疏水作用）或者共價(jià)鍵的形式與微生物結(jié)合，使其緊緊地吸附在材料表面。這個(gè)過(guò)程是不可逆的，吸附的微生物不會(huì)脫離，布朗運(yùn)動(dòng)也觀察不到；

4.微生物膜形成。微生物在材料表面不斷生長(zhǎng)繁殖，并分泌EPS，進(jìn)而形成微生物膜。同時(shí)，介質(zhì)中的其他微生物仍然可以吸附到材料表面，進(jìn)入生物膜中。生物膜不斷生長(zhǎng)、變厚，直至成熟。

5.部分微生物膜脫落。當(dāng)微生物膜增長(zhǎng)到一定極限時(shí)，其穩(wěn)定性降低，在剪切力的作用下，部分微生物膜會(huì)脫落并被沖走。

在生物膜形成的初期，材料表面的粗糙度和成分起主要作用。另外，介質(zhì)的流速對(duì)生物膜內(nèi)物質(zhì)的運(yùn)輸、傳質(zhì)和反應(yīng)速率有很大的影響[3]。第一階段形成的條件膜很薄，厚度一般為 20～80nm。條件膜的形成改變了材料表面的性質(zhì)，如所帶電荷的電性、憎水性等，起到表面活性位點(diǎn)的作用，利于細(xì)菌和其他微生物在界面上聚集生長(zhǎng)，是生物膜進(jìn)一步發(fā)展的基礎(chǔ)[6-7]。

三、微生物膜對(duì)材料腐蝕的影響

大量的研究表明，微生物膜在材料的腐蝕過(guò)程中具有雙重角色，既能促進(jìn)材料腐蝕，也能抑制材料腐蝕[8]。

Castaneda 等[9]研究了模擬海水條件下生物膜對(duì)碳鋼腐蝕的影響，發(fā)現(xiàn)生物膜的非均勻性增加了碳鋼表面產(chǎn)生腐蝕的活性位點(diǎn)，使得碳鋼的腐蝕速率明顯增加。Videla等[10]研究發(fā)現(xiàn)，在金屬/溶液界面生物膜和無(wú)機(jī)產(chǎn)物膜同時(shí)存在，兩者的生長(zhǎng)方向相反，這種差異性使得金屬易于發(fā)生局部腐蝕，包括點(diǎn)蝕、晶間腐蝕和縫隙腐蝕。管方[11]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)微生物5052 鋁合金表面附著成膜后，其酸性代謝產(chǎn)物破壞了5052 鋁合金表面的氧化膜，顯著加速了腐蝕速率。

Li 等[12]研究發(fā)現(xiàn)生物膜在不銹鋼表面呈鱗片狀分布，阻礙了侵蝕性粒子向生物膜內(nèi)的擴(kuò)散，一定程度上抑制了腐蝕的發(fā)展。Yuan[13]和Xu[14]等人研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)環(huán)境中有假單胞菌和EPS 存在時(shí)能顯著降低合金的腐蝕速率。王丹[15]研究發(fā)現(xiàn)，腐蝕初期生物膜能夠減緩X80 鋼腐蝕反應(yīng)的進(jìn)行，而后由于腐蝕產(chǎn)物膜的生成破壞了原有生物膜的保護(hù)作用，導(dǎo)致腐蝕加劇。

四、總結(jié)

目前，針對(duì)微生物膜的形成機(jī)制及其對(duì)材料腐蝕影響的研究獲得了巨大進(jìn)展，取得了很多研究成果，但是微生物腐蝕是一個(gè)多因素綜合作用的復(fù)雜過(guò)程，發(fā)生的場(chǎng)所也是一個(gè)多菌種、氣液固三相共存以及有應(yīng)力作用的復(fù)雜環(huán)境，因此目前所取得研究成果與現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的真實(shí)情況仍然存在偏差，對(duì)于微生物膜的形成機(jī)制及其對(duì)材料腐蝕影響的研究仍存在許多不足以及亟待解決的問(wèn)題。隨著生物研究技術(shù)的不斷發(fā)展與創(chuàng)新，為微生物腐蝕研究提供了更為先進(jìn)的技術(shù)支持，這將有助于進(jìn)一步深入研究，揭示在真實(shí)環(huán)境中微生物膜形成的真實(shí)過(guò)程。