金屬材料SRB微生物腐蝕機理研究現(xiàn)狀與進展

劉偉 李洪林 吳海旭 石玲

（遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111000）

一、前言

微生物腐蝕（MIC）是指由材料表面生物膜內(nèi)的微生物生命活動及其代謝產(chǎn)物引起或促進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[1,2]。微生物不僅會引起鋼鐵、銅合金、鈦合金、鋁合金等金屬材料的腐蝕，也會引起非金屬材料（如混凝土）的腐蝕，是引起工程材料失效的主要原因之一[3,4]。研究者們發(fā)現(xiàn)，在微生物腐蝕主要以硫酸鹽還原菌（SRB）導(dǎo)致的腐蝕破壞為主。據(jù)統(tǒng)計，在英國的地下腐蝕中95%是由SRB引起的，在美國有77%以上的油氣井腐蝕主要由SRB引起的[5]，中國每年由于鋼鐵材料的腐蝕導(dǎo)致的直接經(jīng)濟損失約為2億元人民幣，而這其中大約50%則是由SRB引起的[6]。因此，對于SRB的腐蝕研究非常重要，是微生物腐蝕研究的重點。

迄今為止，國內(nèi)外學(xué)者對 SRB 的生物腐蝕機理進行了廣泛而深入的研究，對SRB的生物腐蝕機理提出了各種解釋，但是觀點尚不統(tǒng)一，其中比較有代表性的理論有陰極氫去極化理論、陽極加速理論、濃差電池理論、生物催化硫酸鹽還原理論（BCSR）等幾種。

二、SRB生物腐蝕機理

（一）陰極氫去極化理論

該理論認為在厭氧環(huán)境中，在陰極表面發(fā)生析氫反應(yīng)，即H+得到電子生成氫原子，由于腐蝕微電池無法滿足氫原子的活化電位，因而原子態(tài)的氫覆蓋在陰極表面，形成一層保護膜，阻礙甚至中止了腐蝕反應(yīng)。當溶液中含有SRB時，SRB細胞中的氫化酶能夠利用金屬表面產(chǎn)生的氫使SO42-還原為S2-，使得陰極表面由氫原子組成的保護膜被去除，致使電極反應(yīng)可以有效的進行，進而加速金屬的腐蝕。該理論可表示為[7]：

（二）陽極加速理論

陰極氫去極化理論主要探討的是SRB對金屬陰極反應(yīng)的影響，并未考慮SRB對陽極反應(yīng)的影響。在SRB代謝過程中除了會生成大量的無機硫化物之外，還會產(chǎn)生一種重要的有機代謝產(chǎn)物—胞外聚合物（EPS）。研究表明，EPS在微生物礦化過程中起著重要作用[8]，EPS中含有大量的羰基、磷酸基、巰基和羥基等官能團，這些官能團具有很強的絡(luò)合能力，能夠與Al3+、Cu2+、Fe2+等金屬離子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)[9]，從而加速金屬的陽極溶解。

（三）濃差電池理論

濃差電池理論是Goldmen[10]于1964年提出的，認為在金屬電極的腐蝕過程中，由于硫化物在金屬電極表面生成與富集，進而形成濃差電池，促進了金屬的腐蝕。1971年，R.A.King等人[11]對該理論進行了進一步的闡述，認為造成SRB腐蝕的真正原因是其代謝產(chǎn)物S2-的出現(xiàn)，S2-與Fe2+結(jié)合形成FeS并附著在基體（鐵）表面，作為新的陰極，與基體構(gòu)成局部電池，進而加速腐蝕。

該理論認為附著在金屬表面的生物膜及金屬的腐蝕產(chǎn)物在一定程度上阻礙了溶液中的溶解氧向金屬基體表面擴散，進而在金屬表面微生物富集的區(qū)域形成低氧區(qū)，而沒有微生物附著的金屬基體表面溶解氧含量相對較高，從而引起金屬表面不同區(qū)域的氧含量不同，誘導(dǎo)氧濃差腐蝕的發(fā)生。

（四）生物催化硫酸鹽還原理論

由于SRB在微生物腐蝕過程中扮演著至關(guān)重要的角色，因此研究者們從生物能量學(xué)和生物電化學(xué)的角度來詮釋微生物腐蝕的機理，提出了生物催化硫酸鹽還原理論（BCSR）。該理論認為當金屬浸泡在含有SRB的溶液中后，SRB在金屬表面附著并形成微生物膜，在生物活性酶的作用下，陰極硫酸鹽被還原并消耗了陽極金屬材料溶解釋放的電子，從而加速金屬的腐蝕[12]。BCSR理論可表示為[13]：

三、總結(jié)

目前，針對金屬材料SRB微生物腐蝕機理的研究獲得了巨大進展，取得了很多研究成果，但是自然環(huán)境是一個多菌種、氣液固三相共存以及有應(yīng)力作用的復(fù)雜環(huán)境，目前所取得研究成果與現(xiàn)實環(huán)境中的真實情況仍然存在偏差。因此，對于SRB生物腐蝕機理的研究仍存在許多不足以及亟待解決的問題，如多菌種的協(xié)同作用對腐蝕機理的影響、應(yīng)力作用條件下的微生物腐蝕行為、氣液固三相環(huán)境下微生物腐蝕行為等。隨著研究技術(shù)的不斷發(fā)展，為微生物腐蝕研究提供了更為先進的技術(shù)支持，這有助于從微觀上闡明SRB的腐蝕機理，揭示在自然環(huán)境中金屬材料SRB腐蝕的真實過程。