油氣管線(xiàn)鋼土壤環(huán)境硫酸鹽還原菌腐蝕研究進(jìn)展

韋博鑫，許進(jìn)，高立群，覃清鈺，付琦，于長(zhǎng)坤，孫成，王振堯

（1.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所 遼寧沈陽(yáng)土壤大氣環(huán)境材料腐蝕國(guó)家野外科學(xué)觀(guān)測(cè)研究站，沈陽(yáng) 110016；2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110016）

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)，油氣在我國(guó)一次能源中的比例持續(xù)攀升，埋地管線(xiàn)的建設(shè)得到蓬勃發(fā)展。我國(guó)長(zhǎng)輸油氣管道總里程以每年超過(guò)5000 km 的速度逐年增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2025 年將超過(guò)24萬(wàn)km[1]。我國(guó)油氣輸送管道沿線(xiàn)人口密集，生態(tài)環(huán)境脆弱，一旦發(fā)生事故，會(huì)造成泄露甚至爆炸，不僅影響能源供給，更會(huì)對(duì)環(huán)境、公共安全造成重大影響，并產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)損失。研究表明土壤環(huán)境中微生物的存在不僅對(duì)土壤生態(tài)環(huán)境起到重要作用，還會(huì)影響埋地管道的腐蝕[2-3]。腐蝕調(diào)查結(jié)果表明[4-6]，2014 年全國(guó)總腐蝕成本為21 278.2 億元人民幣，約占當(dāng)年國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的3.34%，相當(dāng)于我國(guó)每人承擔(dān)1555 多元的腐蝕成本，而其中微生物腐蝕造成的損失約占20%。微生物腐蝕（Microbial influenced corrosion，MIC）是指微生物在新陳代謝過(guò)程中直接或間接對(duì)金屬產(chǎn)生作用，進(jìn)而影響金屬腐蝕過(guò)程和機(jī)理，也是威脅埋地油氣管道安全運(yùn)行的最主要的一種腐蝕形式。油氣管道MIC 是“3M”綜合作用的結(jié)果（圖1），即微生物（Microorganisms）、介質(zhì)（Media）和金屬（Metals）。MIC 研究是集土壤學(xué)、材料學(xué)、腐蝕科學(xué)和微生物學(xué)等多學(xué)科交叉的課題，這也進(jìn)一步增加了MIC 研究的難度。同時(shí)，由于MIC 和非生物腐蝕經(jīng)常同時(shí)發(fā)生，這也進(jìn)一步增大了MIC 機(jī)理研究的復(fù)雜性。本文從土壤腐蝕微生物的種類(lèi)和特征、環(huán)境因素對(duì)微生物腐蝕的影響、微生物腐蝕研究方法以及微生物腐蝕機(jī)理4 個(gè)方面的最新研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，并在此基礎(chǔ)上提出對(duì)微生物腐蝕研究工作的建議。

圖1 “3M”協(xié)同作用下MIC[7]Fig.1 MIC under the coupling effects of microorganisms, media and metals[7]

1 土壤微生物腐蝕

1.1 土壤腐蝕微生物

土壤微生物種類(lèi)繁多，它們與土壤中的碳、氮、鐵、硫等元素循環(huán)息息相關(guān)，而與腐蝕相關(guān)的微生物多是土壤中鐵硫循環(huán)的參與者[8]。根據(jù)微生物對(duì)氧氣的需求不同可以將腐蝕微生物分為厭氧型和好氧型。目前研究較多的腐蝕微生物主要有以下幾類(lèi)（表1）：厭氧型細(xì)菌包括硫酸鹽還原菌（Sulfate reducing bacteria，SRB）、硝酸鹽還原菌（Nitrate reducing bacteria，NRB）、鐵還原細(xì)菌（Iron reducing bacteria，IRB）和產(chǎn)酸菌（Acid-producing bacteria，APB）等；好氧型細(xì)菌包括硫氧化菌（Sulfur oxidizing bacteria，SOB）和鐵氧化細(xì)菌（Iron oxidizing bacteria，IOB）等。以上并非是微生物分類(lèi)學(xué)上的概念，而是一類(lèi)具有特征代謝能力細(xì)菌的統(tǒng)稱(chēng)。SRB 是可以通過(guò)氧化有機(jī)化合物，將硫酸鹽、亞硫酸鹽、硫代硫酸鹽甚至單質(zhì)硫（作為其電子傳遞鏈的最終電子受體）還原為H2S 的一類(lèi)細(xì)菌，從而獲得其生理活動(dòng)所需的能量[8]。在眾多引起微生物腐蝕的土壤細(xì)菌中，SRB 引起的腐蝕最嚴(yán)重，也是研究最廣泛的一種細(xì)菌[9-11]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，油井腐蝕中75%以上的腐蝕是由SRB 引起的，而地下管線(xiàn)和線(xiàn)纜腐蝕中50%是SRB 腐蝕[12]。SOB 與SRB 作用剛好相反，是將還原態(tài)的硫化物（如H2S，硫代硫酸鹽等）或單質(zhì)硫氧化成H2SO4的一類(lèi)細(xì)菌。NRB 是指可以將硝酸鹽還原為亞硝酸鹽，并通過(guò)脫硝作用將亞硝酸鹽還原為氣態(tài)氮化合物或異化轉(zhuǎn)化為NH4+的一類(lèi)細(xì)菌。近年來(lái)的研究表明[13-14]，土壤中NRB 同樣會(huì)造成較嚴(yán)重的微生物腐蝕。IRB 是一類(lèi)利用有機(jī)物或H2作為電子供體，F(xiàn)e3+（或者M(jìn)n4+）等作為電子受體，從而獲得能量的細(xì)菌。IOB 則是在厭氧條件下能有效利用Fe2+進(jìn)行能量代謝的一類(lèi)細(xì)菌。而與上述細(xì)菌作用機(jī)理不同的是APB。APB 對(duì)金屬的腐蝕主要是使金屬局部發(fā)生酸性溶解，這是因?yàn)槠浯x產(chǎn)物包括多種有機(jī)酸和無(wú)機(jī)酸，可以造成局部酸化，從而使金屬發(fā)生嚴(yán)重的點(diǎn)蝕。目前，上述類(lèi)型的細(xì)菌僅為一小部分與金屬腐蝕相關(guān)的已知細(xì)菌，而土壤環(huán)境中仍有大量其他種類(lèi)的細(xì)菌未被發(fā)現(xiàn)和分離。因此，管線(xiàn)鋼MIC 的研究仍存在具大挑戰(zhàn)。

表1 與金屬腐蝕相關(guān)的微生物Tab.1 Bacteria related to MIC of metal

1.2 埋地管線(xiàn)鋼微生物腐蝕

人們對(duì)于微生物腐蝕已有百年以上的研究歷史。早在19 世紀(jì)90 年代初，Garrett[21]就報(bào)道了有關(guān)微生物腐蝕的研究。1934 年，Von Wolzogen Kuhr 等[22]首次報(bào)道了微生物腐蝕導(dǎo)致的服役管線(xiàn)失效案例。他們認(rèn)為SRB 是硫酸鹽富集土壤環(huán)境中管道腐蝕的主要原因，并且提出了“陰極去極化”理論以解釋MIC機(jī)理。大量現(xiàn)場(chǎng)分析和實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果表明，SRB 是誘發(fā)和加速管線(xiàn)鋼腐蝕的典型細(xì)菌，也是對(duì)埋地管線(xiàn)鋼腐蝕影響最大、被研究最多的一種腐蝕性細(xì)菌[23]。Sario?lu 等[24]的研究結(jié)果表明，在SRB 作用下，管線(xiàn)鋼的腐蝕速率增大了6 倍左右。近年來(lái)，我國(guó)也報(bào)道了大量由SRB 導(dǎo)致管線(xiàn)腐蝕失效的案例。2013 年，新疆地區(qū)一條X52 輸油管道發(fā)生爆管泄露，事故的最終調(diào)查認(rèn)為微量游離水或積水聚積在管道起伏低洼處，為SRB 大量繁殖提供了有利環(huán)境，最終導(dǎo)致管線(xiàn)發(fā)生MIC 腐蝕而失效[25]。隨后，牛濤等[26]報(bào)道了1 條X60 級(jí)埋地輸氣管線(xiàn)鋼管在使用13 個(gè)月后發(fā)生了腐蝕穿孔。取樣分析表明，腐蝕孔附近的腐蝕產(chǎn)物表面含有大量S。最終認(rèn)定SRB 腐蝕是引起管線(xiàn)腐蝕穿孔事故的主要原因。金屬尤其是鋼鐵材料的MIC已經(jīng)成為腐蝕領(lǐng)域中的一個(gè)研究熱點(diǎn)。根據(jù)“3M 理論”，MIC 發(fā)生需要介質(zhì)（土壤環(huán)境）、材料（埋地金屬）和微生物3 個(gè)基本條件。因此，針對(duì)這3 種基本因素，研究人員對(duì)埋地管線(xiàn)鋼SRB 腐蝕開(kāi)展了大量研究。

1.2.1 土壤類(lèi)型

我國(guó)土壤類(lèi)型眾多，不同土壤對(duì)微生物的生理活性和腐蝕影響各不相同。吳堂清等[27-28]研究了酸性土壤環(huán)境中SRB 對(duì)管線(xiàn)鋼腐蝕行為的影響。他們發(fā)現(xiàn)接菌初期（24 h），由于土壤的強(qiáng)酸性導(dǎo)致SRB 細(xì)菌數(shù)量下降1 個(gè)數(shù)量級(jí)，隨著SRB 對(duì)新環(huán)境的逐漸適應(yīng)，SRB 開(kāi)始繁殖，并呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。他們還指出，實(shí)驗(yàn)前期SRB 活性生物膜對(duì)管線(xiàn)鋼腐蝕起抑制作用，而后期SRB 則加速了鋼的腐蝕。孫福洋等[29]對(duì)西北典型鹽漬性土壤中X100 管線(xiàn)鋼SRB 腐蝕行為進(jìn)行了研究。他們發(fā)現(xiàn)SRB 新陳代謝改變了基體表面的微環(huán)境，使得表面腐蝕產(chǎn)物產(chǎn)生明顯裂紋，從而加劇了管線(xiàn)鋼的腐蝕。Liu 等[30]在實(shí)驗(yàn)室模擬加拿大粘土覆蓋下SRB 對(duì)X52 管線(xiàn)鋼的腐蝕影響。結(jié)果表明，SRB顯著加速了裸鋼的腐蝕，平均腐蝕速率可達(dá)0.68 mm/a。隨著土層厚度的增加，鋼表面固著SRB 細(xì)胞的數(shù)量逐漸減少，腐蝕速率也隨之降低。他們最終認(rèn)為土壤層阻礙了SRB 與鋼基體的接觸。雖然一些學(xué)者對(duì)具體類(lèi)型土壤中管線(xiàn)鋼的MIC 進(jìn)行了一些研究，但是由于土壤本身組成的復(fù)雜性，相應(yīng)的腐蝕規(guī)律也很難進(jìn)行歸納。

1.2.2 交流電流

隨著交流電腐蝕問(wèn)題日益突出，交流電引起的管線(xiàn)鋼的腐蝕逐漸受到各國(guó)研究人員的關(guān)注。當(dāng)土壤中存在交流電時(shí)，會(huì)對(duì)土壤中管線(xiàn)鋼的腐蝕造成直接影響[31]。與此同時(shí)，管線(xiàn)實(shí)際服役環(huán)境中，交流電腐蝕和微生物腐蝕有可能同時(shí)發(fā)生。交流電還會(huì)對(duì)SRB的新陳代謝及金屬表面微生物膜的吸附狀態(tài)產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響金屬的腐蝕。Seok Hong 等[32]認(rèn)為，交流電對(duì)微生物膜的影響分為兩方面，當(dāng)交流電處于負(fù)半周期時(shí)，由于電排斥力會(huì)促進(jìn)微生物膜中細(xì)菌（通常細(xì)菌帶負(fù)電）的脫附，而正半周期通過(guò)電吸引力加強(qiáng)金屬表面微生物膜中細(xì)菌的粘附，但過(guò)大的陽(yáng)極電流具有殺菌作用。卿永長(zhǎng)等[33-34]研究了交流電和SRB對(duì)Q235 鋼的腐蝕影響。結(jié)果表明，交變電場(chǎng)降低了微生物膜的吸附性，促進(jìn)了微生物膜的脫附。實(shí)驗(yàn)前期，活性生物膜對(duì)鋼腐蝕起抑制作用，而實(shí)驗(yàn)后期，由于微生物膜活性降低，導(dǎo)致部分膜層脫落，最終促進(jìn)了鋼腐蝕。他們認(rèn)為交流電整流效應(yīng)、交變電場(chǎng)作用以及點(diǎn)蝕自催化效應(yīng)等共同加速了金屬腐蝕。鐘方麗等[35]則從微生物角度出發(fā)，研究了交流電對(duì)生物膜胞外聚合物（EPS）提取過(guò)程的影響。他們發(fā)現(xiàn)，小于10 A/m2的電流對(duì)生物膜內(nèi)微生物細(xì)胞的影響較小，多糖和蛋白質(zhì)的提取量較少；而大于10 A/m2的電流對(duì)微生物細(xì)胞活性的影響較大，可提取的蛋白質(zhì)和多糖量明顯增多，特別是蛋白質(zhì)的量。雖然對(duì)于交流電作用下金屬微生物腐蝕進(jìn)行了一些研究，但多集中于對(duì)金屬腐蝕影響的研究，而對(duì)于交流電對(duì)金屬表面生物膜形成和發(fā)展，以及與金屬基體間相互作用機(jī)理等研究相對(duì)較少，這些方面還需要更加深入的研究。

1.2.3 陰極保護(hù)

陰極保護(hù)（CP）是埋地管線(xiàn)防護(hù)最有效的方法之一。通過(guò)施加陰極電流引起埋地管線(xiàn)鋼發(fā)生極化，使得受保護(hù)管線(xiàn)管地電位整體發(fā)生負(fù)移并進(jìn)入免蝕區(qū)，從而阻止和減緩埋地管線(xiàn)鋼腐蝕[36]。在微生物存在下，生物膜的形成會(huì)使得極化電阻增大，達(dá)到相同的電位所需的極化電流也增大。因此，陰極保護(hù)對(duì)金屬M(fèi)IC 行為的影響一直是研究的重點(diǎn)[36]。Li 等[15]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，即使在管線(xiàn)處于CP 下，SRB 也會(huì)加速腐蝕。孫成等[37]的研究發(fā)現(xiàn)，鋼在接種SRB 的土壤中的腐蝕速率遠(yuǎn)高于無(wú)菌土壤中的腐蝕速率。在相同的陰極電位下，接菌土壤中鋼的陰極電流密度大于無(wú)菌土壤中的陰極電流。李國(guó)華等[38]研究了陰極極化對(duì)埋地Q235 鋼SRB 腐蝕行為的影響。在相同的外加電位下，Q235 鋼在接菌土壤中所需要的陰極極化電流密度更大。隨著陰極極化電位不斷負(fù)移，Q235 鋼周?chē)寥乐械腟RB 數(shù)量逐漸減少，但即使陰極電位為–1.05 V（vs. CSE）時(shí)，Q235 鋼試件周?chē)寥乐蠸RB 仍能夠存活。在相同的陰極極化電位下SRB 增大了Q235 鋼的腐蝕。SRB 和微生物膜的電負(fù)性，以及導(dǎo)電性代謝產(chǎn)物硫化物（如FeS）的存在都對(duì)鋼陰極保護(hù)過(guò)程產(chǎn)生影響，從而改變了鋼的腐蝕機(jī)理和陰極保護(hù)效率，然而對(duì)于此方面機(jī)理研究相對(duì)較少。可見(jiàn)，微生物作用下埋地管線(xiàn)陰極保護(hù)的可靠性，以及微生物和陰極極化相互作用關(guān)系等研究仍然值得關(guān)注。

1.2.4 應(yīng)力

圖2 SRB 在裂紋尖端腐蝕電化學(xué)過(guò)程示意圖[41]Fig.2 Electrochemical modes of the corrosion process of a cracking tip in the presence of SRB[41]

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外相繼報(bào)道了多起管線(xiàn)腐蝕開(kāi)裂事故，現(xiàn)場(chǎng)失效分析證實(shí)了微生物直接或間接參與了SCC 裂紋萌生和擴(kuò)展過(guò)程。因此，微生物作為SCC研究的主要影響因素引起各國(guó)學(xué)者的關(guān)注。Abedi 等[9]對(duì)伊朗一條X52 管線(xiàn)進(jìn)行失效分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，SRB 是管線(xiàn)腐蝕開(kāi)裂的主要原因。他們還發(fā)現(xiàn)SRB 作用下的宏觀(guān)裂紋尖端呈圓形，與大家知道的純粹SCC 誘發(fā)的尖銳條狀裂紋明顯不同。根據(jù)Slobodian 等[39]和Serednyts'kyi 等[40]的研究，圖2 給出了SRB 在裂紋尖端腐蝕電化學(xué)過(guò)程各階段示意圖[41]。第一階段，氧的陰極去極化反應(yīng)和尖端鐵的陽(yáng)極溶解反應(yīng)；第二階段，水在金屬活性表面的催化分解，氫離子的釋放和氫的去極化，以及鐵的陽(yáng)極溶解；第三階段，腐蝕產(chǎn)物的沉淀、FeS-Fe 微電偶形成，以及點(diǎn)蝕形成。吳堂清等[42-49]系統(tǒng)地研究了外加應(yīng)力作用下管線(xiàn)鋼的MIC 腐蝕行為，并提出了“微生物致裂（MAC）”的概念。他們基于Gutman 的力學(xué)-化學(xué)交互作用理論、微生物能量學(xué)和腐蝕電化學(xué)理論，給出了土壤環(huán)境中2 種典型細(xì)菌SRB 和NRB 致裂的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)解釋。從熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)上來(lái)看，外加應(yīng)力和微生物共同作用導(dǎo)致Fe 基金屬具有更高的腐蝕趨勢(shì)和裂紋擴(kuò)展速率。他們還發(fā)現(xiàn)SRB 及其代謝產(chǎn)物硫化物加速了管線(xiàn)鋼表面點(diǎn)蝕的萌生，SRB 和外應(yīng)力共同作用誘發(fā)了蝕坑底部的“二次點(diǎn)蝕”和裂紋壁上的“二次開(kāi)裂”，進(jìn)而對(duì)管線(xiàn)鋼SCC 產(chǎn)生協(xié)同加速作用。趙健等[50]研究了應(yīng)變速率對(duì)SRB 作用下X70 應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂行為的影響。研究結(jié)果表明，當(dāng)應(yīng)變速率為5×10–7s–1時(shí)，接菌土壤溶液中試樣的應(yīng)力腐蝕敏感性遠(yuǎn)大于無(wú)菌條件下試樣的應(yīng)力腐蝕敏感性，SRB 的存在對(duì)管線(xiàn)鋼SCC 起到很大程度的促進(jìn)作用。當(dāng)應(yīng)變速率為1×10–6s–1時(shí)，SRB 對(duì)于管線(xiàn)鋼SCC 的影響較小，而力學(xué)因素起主導(dǎo)作用。

1.2.5 剝離涂層

目前，大量關(guān)于管線(xiàn)鋼微生物腐蝕的研究都集中于裸鋼的研究。實(shí)際上，在服役過(guò)程中埋地管線(xiàn)通常采用防腐涂層與陰極保護(hù)聯(lián)合防護(hù)的方式。但是涂層在施工和服役過(guò)程中，不可避免地發(fā)生多種形式的破壞和失效，如剝離、針孔或大的缺陷、起始于針孔的剝離等。一旦這些缺陷涂層發(fā)生剝離，腐蝕性介質(zhì)就會(huì)滲透進(jìn)入涂層內(nèi)部，同時(shí)剝離涂層會(huì)對(duì)陰極保護(hù)電流產(chǎn)生屏蔽效應(yīng)，最終使得剝離涂層下的管線(xiàn)鋼發(fā)生腐蝕[2]。因此，研究管線(xiàn)鋼在剝離涂層下的微生物腐蝕行為并揭示其腐蝕機(jī)理，對(duì)于埋地管線(xiàn)的腐蝕與防護(hù)更具有實(shí)際意義。Xu 等[51-54]研究表明，SRB 的存在增大了陰極保護(hù)電流密度，同時(shí)加速了剝離涂層下管線(xiàn)鋼的腐蝕。Wu 等[55]也通過(guò)電化學(xué)測(cè)試證明了剝離涂層下縫隙內(nèi)的SRB 對(duì)X80 鋼的腐蝕加速作用。Liu 等[56]通過(guò)土壤薄液膜模擬實(shí)驗(yàn)研究了剝離涂層下管線(xiàn)鋼的腐蝕。結(jié)果表明，SRB 加速了薄液膜下X52管線(xiàn)鋼的腐蝕。同時(shí)，還發(fā)現(xiàn)CO2氣體可以促進(jìn)SRB的生長(zhǎng)和生物膜的形成，SRB 和CO2對(duì)鋼的腐蝕具有協(xié)同加速作用。目前，剝離涂層下管線(xiàn)鋼微生物腐蝕的研究相對(duì)較少，多集中于單因素影響（如應(yīng)力等），而多因素耦合作用下剝離涂層下的管線(xiàn)鋼微生物腐蝕行為和機(jī)理研究將成為今后研究的重點(diǎn)。

1.2.6 其他微生物

近年研究表明，硝酸鹽還原菌（NRB）也會(huì)加速埋地鋼的腐蝕[57-58]。Etique 等[59]實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，NRB可以通過(guò)耦合硝酸鹽的還原將Fe2+氧化成Fe3+。他們還從熱力學(xué)角度探討了硝酸鹽還原導(dǎo)致金屬氧化的可行性。Wan 等[57]采用電化學(xué)方法研究了X80 鋼的NRB 腐蝕行為。結(jié)果表明，NRB 加速了X80 鋼的腐蝕，腐蝕形貌以點(diǎn)蝕為主。Li 等[60]的研究結(jié)果也表明NRB 加速了X80 鋼表面點(diǎn)蝕的形成。他們認(rèn)為點(diǎn)蝕的形成可能是由于NRB 加速了鐵的陽(yáng)極溶解。同時(shí)NRB 可以將生物膜或損壞的腐蝕產(chǎn)物膜中的硝酸鹽還原并獲得電子，最終加速鋼的腐蝕。Xu 等[58]對(duì)比研究了碳鋼NRB 和SRB 腐蝕。結(jié)果表明，在嚴(yán)格的厭氧條件下，NRB 比SRB 更具有腐蝕性。接菌NRB體系中的鋼試樣在第 7 天時(shí)的腐蝕速率達(dá)到 0.89 mg/cm2，最大蝕坑深度為14.5 μm。

目前大量的研究多集中于單一菌種的影響，而實(shí)際土壤環(huán)境中微生物種類(lèi)繁多，對(duì)于埋地管線(xiàn)鋼腐蝕產(chǎn)生影響的也并非單一菌群。埋地管線(xiàn)鋼表面微生物膜內(nèi)寄居多種微生物，各種微生物之間可能會(huì)發(fā)生共生、競(jìng)爭(zhēng)、拮抗等不同的作用，從而對(duì)鋼腐蝕產(chǎn)生影響[61]。因此，土壤環(huán)境中混合菌對(duì)MIC 耦合作用的研究也將成為MIC 行為和機(jī)理研究的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

2 微生物腐蝕研究方法

2.1 電化學(xué)測(cè)試技術(shù)

微生物吸附在電極表面會(huì)形成生物膜，對(duì)金屬電極表面的電化學(xué)行為產(chǎn)生影響。因此，線(xiàn)性極化測(cè)試（LPR）、交流阻抗譜法（EIS）和電化學(xué)噪聲（EN）等電化學(xué)測(cè)試技術(shù)，常用于實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)微生物腐蝕[51]。

線(xiàn)性極化測(cè)量只需施加小的極化電位，通常|ΔE|小于10 mV。該方法對(duì)腐蝕體系中金屬試樣的影響較小，且可以快速得到相應(yīng)的腐蝕參數(shù)。該方法常用于管線(xiàn)實(shí)時(shí)腐蝕信息監(jiān)測(cè)和服役壽命評(píng)估。在大多數(shù)情況下，對(duì)于給定腐蝕體系，βa和βc的值在60～120 mV之間。因此，在一些研究中，通常選取βa和βc的值都等于120 mV，即B=26 mV。但采用LPR 評(píng)價(jià)管線(xiàn)腐蝕速率時(shí)，應(yīng)該注意，對(duì)于微生物存在條件下的B值并非一個(gè)固定值。Sun 等[62]采用LPR 和失重法研究了X80 管線(xiàn)鋼在銅綠假單胞菌、醋酸桿菌和普通脫硫弧菌存在下的B 值。結(jié)果表明，在3 種不同細(xì)菌存在的條件下，B 值分別為(35.60±0.55)、(33.00±1.00)、(58.60±0.55) mV。因此，采用線(xiàn)性極化對(duì)管線(xiàn)鋼微生物腐蝕進(jìn)行測(cè)量和評(píng)價(jià)時(shí)，通常采用的B 值（26 mV）并不適用，需要根據(jù)具體的試驗(yàn)條件，重新測(cè)量和計(jì)算極化曲線(xiàn)的βa和βc值，以獲得更準(zhǔn)確的B 值。

電化學(xué)阻抗譜（EIS）是施加一個(gè)頻率不同的小振幅的正弦交流電，測(cè)量阻抗值隨正弦波頻率ω 的變化，或者是阻抗的相位角Φ 隨ω 的變化，進(jìn)而獲得電極界面相關(guān)電化學(xué)過(guò)程的信息，如電極過(guò)程動(dòng)力學(xué)、雙電層和擴(kuò)散等。EIS 是獲取電極過(guò)程動(dòng)力學(xué)信息和電極界面結(jié)構(gòu)信息，從而判斷金屬腐蝕變化的一種常用方法[63]。雖然可以通過(guò)觀(guān)察阻抗值的變化趨勢(shì)，獲得雙電層電容、擴(kuò)散等相關(guān)腐蝕動(dòng)力學(xué)信息，但是該種方法需要具備一些專(zhuān)業(yè)知識(shí)的人員對(duì)EIS數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理。因此，該方法更適用于實(shí)驗(yàn)室微生物腐蝕機(jī)理研究。

電化學(xué)噪聲（EN）是指電化學(xué)動(dòng)力系統(tǒng)演化過(guò)程中系統(tǒng)狀態(tài)參量（如電極電位和外測(cè)電流密度）隨機(jī)非平衡波動(dòng)現(xiàn)象[64]。EN 技術(shù)能夠原位、連續(xù)、無(wú)損地監(jiān)測(cè)局部腐蝕萌生與發(fā)展，將其應(yīng)用于腐蝕監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的關(guān)鍵是通過(guò)合適的信號(hào)處理方法提取有效的特征參數(shù)，然后關(guān)聯(lián)其與特定腐蝕機(jī)制或腐蝕發(fā)展過(guò)程[65]。Zhao 等[66]認(rèn)為線(xiàn)性極化電阻和電化學(xué)阻抗譜抑制樣品表面生物膜的附著和生長(zhǎng)，并影響內(nèi)部電場(chǎng)，而電化學(xué)噪聲作為一種被動(dòng)的電化學(xué)測(cè)量技術(shù)對(duì)生物膜沒(méi)有負(fù)面影響。同時(shí)EN 測(cè)試所得的腐蝕速率與失重?cái)?shù)據(jù)最為接近。與LPR 和EIS 相比，EN 更適合用于MIC 研究，但由于數(shù)據(jù)處理需要豐富的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和復(fù)雜的處理過(guò)程，從而限制了其應(yīng)用。

2.2 先進(jìn)表面分析技術(shù)

土壤微生物腐蝕研究涉及土壤學(xué)、材料學(xué)、腐蝕科學(xué)和微生物學(xué)等多種學(xué)科，是一個(gè)多學(xué)科交叉的研究課題，而化學(xué)和電化學(xué)分析技術(shù)、微生物分析技術(shù)以及材料表征技術(shù)等的聯(lián)用也將為土壤微生物腐蝕行為和機(jī)制的研究提供更多的研究方法，這也有助于更好地理解微生物/材料之間的相互作用機(jī)制。

2.2.1 熒光標(biāo)記顯微技術(shù)

近些年來(lái)，生物技術(shù)與光學(xué)顯微技術(shù)也廣泛應(yīng)用于MIC 研究。采用不同熒光染料可標(biāo)記細(xì)胞活死狀態(tài)或生物膜中的不同成分（如核酸、蛋白質(zhì)、多糖等），并利用激光共聚焦顯微鏡（Confocal laser scanning microscope，CLSM）可以顯像微生物和微生物膜的三維結(jié)構(gòu)，從而使得微生物膜立體化和易視化[67]。圖3 和圖4 為接菌土壤中X80 鋼表面活死細(xì)胞平面和斷層空間熒光成像圖，其中綠色代表活細(xì)胞，紅色為死細(xì)胞。從圖3 和圖4 中可以看出，試樣表面可以觀(guān)察到大量固著的活細(xì)胞和死細(xì)胞，且固著的活細(xì)胞數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于死細(xì)胞數(shù)量。利用CLSM 測(cè)試軟件還可以測(cè)量樣品表面微生物膜的厚度。

圖3 接菌土壤中X80 鋼試樣表面SRB 活死細(xì)胞的CLSM 圖Fig.3 2D-CLSM images of SRB biofilms on X80 coupon surfaces in SRB containing soil: a) live cells of SRB, b) dead cells of SRB

圖4 接菌土壤中X80 鋼試樣表面SRB 生物膜的三維CLSM 圖像Fig.4 3D-CLSM images of SRB biofilms on X80 coupon surfaces in SRB containing soil

雖然熒光顯微技術(shù)可以對(duì)樣品表面微生物膜的形成過(guò)程進(jìn)行可視化研究，但是在MIC 研究過(guò)程中，該技術(shù)仍存在著挑戰(zhàn)。例如，當(dāng)金屬材料表面形成多種細(xì)菌混合生物膜時(shí)，該技術(shù)無(wú)法分辨單一細(xì)菌微生物膜的形成過(guò)程以及單一細(xì)菌在微生物膜成膜過(guò)程中的貢獻(xiàn)。此外，由于腐蝕產(chǎn)物膜與生物膜都同時(shí)存在于腐蝕金屬表面，腐蝕產(chǎn)物膜具有很差的透光性，這也對(duì)樣品表面微生物膜的熒光觀(guān)察造成困難[63]。

2.2.2 聚焦離子束（FIB）技術(shù)

眾所周知，MIC 與微生物膜的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)關(guān)系密切。微生物首先附著在金屬表面，并分泌代謝產(chǎn)物從而形成微生物膜，最終誘發(fā)MIC。因此，微生物膜的結(jié)構(gòu)、組成及成膜過(guò)程都會(huì)對(duì)金屬腐蝕反應(yīng)熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生影響。同時(shí)，細(xì)菌在生物膜中的分布和界面處的物質(zhì)信息也是了解MIC 過(guò)程的關(guān)鍵。長(zhǎng)期以來(lái)，由于微生物活動(dòng)的復(fù)雜性以及缺乏微生物膜與金屬界面之間交互作用的深刻認(rèn)識(shí)，因此限制了微生物腐蝕機(jī)理的認(rèn)知和理解[68]。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，納米尺度制造業(yè)發(fā)展迅速，通過(guò)FIB 技術(shù)對(duì)樣品進(jìn)行納米尺度加工已實(shí)現(xiàn)暴露后亞表面特征的無(wú)損成像，為深入研究MIC 機(jī)制提供了更精確的微觀(guān)分析方法，并有助于更好地理解細(xì)菌/金屬界面的相互作用。在傳統(tǒng)的截面樣品制備中，通常采用金相砂紙打磨截面，該方法很容易對(duì)細(xì)菌細(xì)胞造成破壞。而FIB 可以在保持樣品完整形態(tài)的同時(shí)，利用高強(qiáng)度聚焦離子束對(duì)材料進(jìn)行納米加工，配合掃描/透射電鏡（SEM/TEM）等高倍數(shù)電子顯微鏡觀(guān)察微生物膜的結(jié)構(gòu)和分布情況，這也為科研人員從納米尺度理解MIC 機(jī)理提供了有效的工具。李迎超等[69]利用FIB-SEM 研究了細(xì)菌細(xì)胞和腐蝕產(chǎn)物層的形態(tài)，以及生物膜和腐蝕產(chǎn)物中細(xì)菌的分布和材料特性（圖5）。他們發(fā)現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物和生物膜下的樣品表面覆蓋著完整的FeS 層。他們還分析了細(xì)菌在生物膜中的分布和MIC 點(diǎn)蝕的縱向元素分布，并提出了細(xì)菌分布、生物膜和產(chǎn)物離子選擇性的點(diǎn)蝕機(jī)理，同時(shí)認(rèn)為SRB 生理活動(dòng)產(chǎn)生的 H+在生物膜下的累積是導(dǎo)致點(diǎn)蝕發(fā)生的主要原因。FIB 技術(shù)為深入理解微生物引起的點(diǎn)蝕機(jī)理研究提供了強(qiáng)有力的證據(jù)。Li 等[70]也結(jié)合FIB 銑削技術(shù)和SEM/TEM 對(duì)地衣芽孢桿菌細(xì)胞/X80 鋼的界面情況進(jìn)行了分析，并且通過(guò)FIB-TEM 表征揭示了細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)。FIB 結(jié)合其他微觀(guān)分析技術(shù)必將成為今后MIC 研究中不可或缺的一種表征技術(shù)。

圖5 聚焦離子束結(jié)合掃描電鏡研究MIC 結(jié)果[69]Fig.5 MIC results of carbon steel studied using FIB-SEM[69]: a) element mapping at the interface between iron sample and biofilm, b) linear element mapping of a single SRB cell

3 硫酸鹽還原菌腐蝕機(jī)理研究

腐蝕是金屬與周?chē)h(huán)境發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，遭受破壞而引起性能劣化的現(xiàn)象。微生物可通過(guò)多種方式影響金屬的腐蝕過(guò)程[71]：（1）影響腐蝕過(guò)程的陰/陽(yáng)極反應(yīng)，如分泌能夠促進(jìn)陰極還原的酶；（2）微生物生理活動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生促進(jìn)（或抑制）金屬腐蝕的化合物；（3）改變金屬表面狀態(tài)，微生物吸附在金屬表面并形成微生物膜改變了金屬表面腐蝕微環(huán)境；（4）改變腐蝕反應(yīng)類(lèi)型，如微生物引起局部腐蝕。

在土壤環(huán)境中，SRB 是引起微生物腐蝕最主要也是最嚴(yán)重的一種厭氧菌[72]。研究人員對(duì)SRB 腐蝕機(jī)制進(jìn)行了大量的研究，并提出多種腐蝕機(jī)理。但是，由于SRB 與金屬之間的相互作用復(fù)雜，涉及多種生物和物理化學(xué)過(guò)程。所以，單一的機(jī)制并不能完全解釋SRB 引起的MIC，有時(shí)需要多種機(jī)理共同進(jìn)行解釋說(shuō)明。下面主要對(duì)一些得出普遍承認(rèn)的SRB 腐蝕機(jī)理進(jìn)行闡述。

3.1 陰極去極化理論

1934 年Von Wolzogen Kuhr 和Van der Vlugt[73]首次提出“陰極去極化理論”（CDT），對(duì)SRB 腐蝕機(jī)理進(jìn)行了解釋。CDT 理論認(rèn)為SRB 通過(guò)消耗“氫化酶”來(lái)消耗陰極氫，同時(shí)把SO42–還原成HS–，通過(guò)這種陰極去極化作用使得金屬持續(xù)發(fā)生陽(yáng)極溶解，從而加速金屬腐蝕。在腐蝕過(guò)程中，陽(yáng)極溶解轉(zhuǎn)變成Fe2+進(jìn)入溶液，F(xiàn)e2+分別與S2–和OH–反應(yīng)生成腐蝕產(chǎn)物FeS 和Fe(OH)2并堆積在金屬表面，致使其內(nèi)外形成濃差電池。以上過(guò)程的反應(yīng)式為：

圖6 總結(jié)了基于CDT 理論的SRB 腐蝕過(guò)程。細(xì)菌通過(guò)氫化酶從鐵表面的陰極區(qū)域除去氫，同時(shí)還原SO42–。這個(gè)過(guò)程產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物是FeS 和Fe(OH)2。SRB 通過(guò)還原SO42–，催化吸附的氫原子H（ads）復(fù)合成氫氣（H2），提高陰極反應(yīng)速率。因此，SRB作用下陰極反應(yīng)的去極化會(huì)間接加速腐蝕反應(yīng)的進(jìn)行。CDT 理論從電化學(xué)角度解釋了SRB 引起的MIC腐蝕過(guò)程，但仍然存在難以解決的問(wèn)題。例如，基于CDT 理論，4 mol Fe2+發(fā)生反應(yīng)生成1 mol FeS，理論比值應(yīng)為4。然而，Javaherdashti 等[74]的研究指出這個(gè)比率在0.9～1 之間變化，遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離理論值。由于MIC 過(guò)程的復(fù)雜性，金屬界面的物理和化學(xué)參數(shù)隨微生物的代謝發(fā)生不斷變化。因此，很難用單一的電化學(xué)理論來(lái)解釋MIC 機(jī)制。

圖6 SRB 陰極去極化理論示意圖Fig.6 Schematic of the cathodic depolarization theory of SRB

3.2 代謝產(chǎn)物腐蝕理論

H2S 和FeS 是SRB 的典型代謝產(chǎn)物，也是導(dǎo)致金屬腐蝕加速的原因之一[75]。Romero 等[76]報(bào)道生物膜具有擴(kuò)散阻擋作用，減緩了H2S 的溢出，SRB 生物膜中的細(xì)菌可以達(dá)到108cfu/cm2，可以產(chǎn)生大量的腐蝕性H2S，從而造成嚴(yán)重的局部腐蝕。Jia 等[77]通過(guò)厭氧瓶頂空容積試驗(yàn)，驗(yàn)證了H2S 變化對(duì)固著細(xì)胞數(shù)、培養(yǎng)基pH 值、腐蝕失重和點(diǎn)蝕的影響。研究發(fā)現(xiàn)，較大的頂部空間會(huì)導(dǎo)致更多的H2S 逸出，增大了游離和固著的細(xì)胞數(shù)量，從而導(dǎo)致更嚴(yán)重的MIC。

圖7 SRB 生物膜結(jié)構(gòu)示意圖[78]Fig.7 Schematic of SRB-biofilm[78]

FeS 是SRB 腐蝕的典型產(chǎn)物。研究表明[78]，如圖7 所示，SRB 生物膜由SRB 細(xì)胞、胞外聚合物、鐵硫化物等組成，且存在大量的孔隙和微小的裂縫，這些缺陷的存在會(huì)降低微生物膜的穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致膜發(fā)生破裂。同時(shí)，由于FeS 的嵌入，微生物膜的導(dǎo)電性升高，在電解質(zhì)與鐵基體之間形成連續(xù)的電子傳遞路徑，而代謝產(chǎn)物硫化物（陰極）和裸露的鋼基體（陽(yáng)極）之間形成了一個(gè)電偶對(duì)，進(jìn)而加速了鋼基體的腐蝕。

3.3 胞外電子傳遞理論

一些研究表明[79-82]，微生物能直接從金屬表面獲取電子，從而加速金屬的腐蝕。Sherar 等[83]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)培養(yǎng)基中缺乏有機(jī)碳源時(shí)，“饑餓”的SRB 會(huì)利用菌毛將它們與鋼表面連接，并通過(guò)菌毛從鐵基體中直接獲取電子。Venzlaff 等[79]通過(guò)電化學(xué)技術(shù)證實(shí)了SRB 的直接電子傳遞過(guò)程。Xu 和Gu[80]研究也進(jìn)一步證實(shí)，當(dāng)培養(yǎng)基中缺少碳源時(shí)，SRB 可以將鐵作為電子供體，并利用菌毛從碳鋼表面轉(zhuǎn)移電子進(jìn)行硫酸鹽還原并獲取自身所需的能量，從而氧化鐵基體。在SRB 引起的MIC 中，有機(jī)碳源（如乳酸）需要擴(kuò)散到SRB 細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中并被氧化，給SO42–還原過(guò)程提供電子。當(dāng)缺乏碳源時(shí)，電子供體Fe 的氧化反應(yīng)發(fā)生在細(xì)胞外，而SO42–還原則發(fā)生在細(xì)胞內(nèi)。這也意味著Fe 首先在細(xì)胞外發(fā)生氧化并釋放的電子，隨后電子穿過(guò)細(xì)胞壁進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)以完成硫酸鹽的還原過(guò)程。一般認(rèn)為，腐蝕過(guò)程中的微生物通過(guò)兩種方式（圖8）獲取電子：（1）利用細(xì)胞膜結(jié)合的氧化還原蛋白（如c 型細(xì)胞色素、導(dǎo)電納米線(xiàn)（pili））進(jìn)行的直接電子轉(zhuǎn)移[81-82]；（2）利用電子載體（如氫）或電子轉(zhuǎn)移介質(zhì)（如核黃素和黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD））的電子轉(zhuǎn)移[84-85]。

圖8 微生物腐蝕金屬的電子傳遞方式[3]Fig.8 Electronic transfer pathway of MIC[3]

3.4 生物陰極還原理論

根據(jù)CDT 理論，SRB 加速M(fèi)IC 過(guò)程必須需要?dú)浠?。而有很多的SRB 并不能產(chǎn)生氫化酶，也同樣加速了金屬的腐蝕[58]。因此，傳統(tǒng)的CDT 理論并不能用于解釋所有的SRB 引起的MIC。隨著表面分析測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)MIC 的相界面反應(yīng)過(guò)程有了更加深入的了解，并逐漸意識(shí)到生物膜在MIC 過(guò)程中扮演著重要的作用。顧停月和徐大可[80,86]提出了生物催化硫酸鹽還原機(jī)理（BCSR）理論，首次從生物能量學(xué)角度對(duì)MIC 進(jìn)行解釋。BCSR 理論認(rèn)為，當(dāng)周?chē)h(huán)境中有充足的碳源（如乳酸）時(shí)，SRB 優(yōu)先利用有機(jī)物質(zhì)乳酸作為電子供體，陽(yáng)極發(fā)生乳酸氧化反應(yīng)（反應(yīng)（10））。當(dāng)介質(zhì)中缺少碳源時(shí)，SRB 不能通過(guò)氧化碳源來(lái)獲取自身所需的能量，使其處于生長(zhǎng)停滯階段。但是，此時(shí)SRB 的能量代謝過(guò)程仍然在繼續(xù)，SRB 可以將Fe 作為電子供體并從中“捕食”電子，同時(shí)將SO42–還原（反應(yīng)（11）和反應(yīng)（12）），以獲取自身新陳代謝所需的能量。主要發(fā)生的腐蝕反應(yīng)如下。

陽(yáng)極反應(yīng)：

從反應(yīng)熱力學(xué)角度來(lái)看，在25 °C、pH=7、溶質(zhì)濃度為1 mol/L、氣體分壓為0.1 MPa 的條件下，反應(yīng)（10）的電極電位為E0′ = ?0.430 V（vs. SHE），反應(yīng)（11）的電極電位為E0′ = ?0.447 V（vs. SHE），反應(yīng)（12）的電極電位為E0′ = ?0.217 V（vs. SHE）。可以看出，F(xiàn)e2+/Fe 的電極電位值（?0.447 V）比CO2+CH3COO?/CH3CHOHCOO?的值（?0.430 V）更負(fù)。因此，F(xiàn)e 氧化釋放的能量略高于乳酸。BCSR 理論從微生物自身的能量交換著手，分析金屬的腐蝕過(guò)程，從生物電化學(xué)和生物能量學(xué)角度來(lái)解釋微生物為什么以及如何造成金屬腐蝕，為探索MIC 防治的新方法、殺菌劑的研發(fā)以及新型抗菌材料的研發(fā)提供了理論指導(dǎo)。

4 管線(xiàn)鋼微生物腐蝕防護(hù)與監(jiān)檢測(cè)技術(shù)

MIC 是材料、環(huán)境和微生物共同作用的結(jié)果，因此抑制MIC 就應(yīng)該從這3 個(gè)方面來(lái)著手。目前，對(duì)于金屬M(fèi)IC 防治提出了多種方法[87]：（1）物理方法，即采用紫外線(xiàn)、磁場(chǎng)等物理措施進(jìn)行殺菌處理，如在管道輸送系統(tǒng)中安裝紫外線(xiàn)殺菌裝置等；（2）化學(xué)方法，即使用殺菌劑等化學(xué)試劑直接殺死環(huán)境介質(zhì)中的微生物，如戊二醛和四羥甲基硫酸磷等殺菌劑對(duì)MIC 均有抑制作用；（3）防護(hù)性涂層，即采用噴涂等方法在金屬表面形成一層特殊的防護(hù)層，從而降低微生物在金屬表面吸附；（4）電化學(xué)方法，即利用電化學(xué)原理對(duì)金屬進(jìn)行防護(hù)，如對(duì)管線(xiàn)施加陰極電流以抑制金屬微生物腐蝕，通常在SRB 存在的環(huán)境中，陰極保護(hù)電位需要達(dá)到?0.95 V（vs. CSE）或更負(fù)才能達(dá)到抑制作用；（5）生物防治法，即通過(guò)微生物之間的競(jìng)爭(zhēng)和拮抗等關(guān)系來(lái)防止微生物腐蝕，如NRB對(duì)SRB 的抑制作用。實(shí)際服役環(huán)境中，埋地管線(xiàn)土壤環(huán)境MIC 防護(hù)面臨較大的挑戰(zhàn)。由于土壤服役環(huán)境的限制，物理法和化學(xué)法難以用于環(huán)境殺菌。殺菌劑的使用會(huì)改變土壤微環(huán)境，既增加環(huán)境的負(fù)荷，又會(huì)引發(fā)破壞生態(tài)環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)。此外，對(duì)于微生物來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)期使用殺菌劑易誘導(dǎo)微生物變異，產(chǎn)生耐藥菌。因此，抗菌涂層開(kāi)發(fā)和耐微生物腐蝕管線(xiàn)鋼研發(fā)為MIC防治提供了一個(gè)新的研究路徑。

合金的抗SRB 腐蝕性能與合金中抗菌元素密切相關(guān)，而重金屬元素和大部分稀土元素（如銅、鈰、鎢、鑭、鉬、鎳等）都具有抗菌作用[88-89]。因此，在合金成分中添加適量的抗菌元素，一旦細(xì)菌與材料接觸或者材料受到侵蝕，其抗菌元素就會(huì)釋放重金屬離子穿透細(xì)胞膜，干擾細(xì)胞代謝過(guò)程或各種酶的活力，從而抑制微生物的生長(zhǎng)繁殖。同時(shí)，上述抗菌元素也具有良好的耐腐蝕性能。史顯波等[90-92]設(shè)計(jì)了一種含銅管線(xiàn)鋼。由于鋼表面富Cu 相的析出賦予此類(lèi)鋼優(yōu)異的抗菌功能，使其具備一定的耐微生物腐蝕性能。他們發(fā)現(xiàn)在接菌土壤溶液中浸泡20 d 后，含銅抗菌X80 管線(xiàn)鋼表面點(diǎn)蝕數(shù)量和最大點(diǎn)蝕深度均遠(yuǎn)小于X80 管線(xiàn)鋼。同時(shí)，抗菌涂層也是一種重要的控制和抑制金屬微生物腐蝕的主要手段。Xu 等[93]研發(fā)了一種新型抗菌MoO3-SiO2納米復(fù)合鍍層。該涂層在厭氧條件下，通過(guò)在表面形成Mo(V)-S 配合物，可以有效地抑制SRB 的生長(zhǎng)。Zhang 等[94]采用熱噴涂方法制備出了一種低孔隙率（0.76%）的新型鐵基非晶涂層。該涂層具有優(yōu)良的抗腐蝕、抗菌性能。他們發(fā)現(xiàn)噴涂涂層試樣表面生物膜厚度和表面活細(xì)胞數(shù)量急劇降低（圖9）。雖然新型抗菌管線(xiàn)鋼和抗菌涂層都表現(xiàn)出優(yōu)異的抗微生物腐蝕性能，但是其發(fā)展和應(yīng)用還存在巨大的挑戰(zhàn)。一方面，從科學(xué)研究的角度來(lái)看，抗菌元素在微生物腐蝕過(guò)程中的作用機(jī)理，以及對(duì)細(xì)菌生物膜形成和發(fā)展過(guò)程的影響機(jī)理等尚無(wú)明確結(jié)論；另一方面，抗菌元素的含量通常受其在合金基體中固溶性的限制，過(guò)量添加會(huì)削弱合金的機(jī)械性能，而材料性能的均衡性也是該方法面臨的主要問(wèn)題。我國(guó)管線(xiàn)鋼正朝著高壓、高強(qiáng)和大口徑方向發(fā)展，這也對(duì)管線(xiàn)鋼材料的力學(xué)性能、焊接性能和耐蝕性能提出了更高的要求。因此，如何在不影響其他性能的前提下，通過(guò)增加抗菌、耐蝕元素的含量來(lái)提高這些合金的抗菌和耐蝕性能是關(guān)鍵問(wèn)題。添加一種或幾種抗菌元素并同時(shí)獲得綜合性能優(yōu)異的管線(xiàn)鋼材料，開(kāi)發(fā)復(fù)合型耐微生物腐蝕管線(xiàn)鋼將是未來(lái)耐微生物腐蝕管線(xiàn)鋼研發(fā)的重要方向。

由于管線(xiàn)服役環(huán)境的特殊性和復(fù)雜性，微生物腐蝕的防治要綜合應(yīng)用多種手段才能達(dá)到較好的控制效果。目前對(duì)MIC 防護(hù)的研究主要集中在機(jī)理與抗菌材料開(kāi)發(fā)，土壤微生物監(jiān)檢測(cè)技術(shù)的研究是整個(gè)腐蝕研究領(lǐng)域中最薄弱的環(huán)節(jié)之一，仍具有巨大的挑戰(zhàn)。一方面，土壤腐蝕監(jiān)測(cè)的智能化較低，急需研發(fā)長(zhǎng)效的土壤環(huán)境MIC 原位監(jiān)測(cè)設(shè)備，如何通過(guò)“移動(dòng)端+大數(shù)據(jù)+云計(jì)算”的體系框架，實(shí)現(xiàn)管道MIC監(jiān)測(cè)的數(shù)字化、網(wǎng)格化與智能化是今后研究需重點(diǎn)解決的難題；另一方面，土壤環(huán)境生物多樣性的變化規(guī)律與土壤MIC 的關(guān)系未被考慮。20 世紀(jì)50 年代末，國(guó)家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)組織并建立了“全國(guó)大氣、海水、土壤腐蝕試驗(yàn)站網(wǎng)”，開(kāi)始了我國(guó)土壤環(huán)境腐蝕試驗(yàn)研究工作。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)建設(shè)，我國(guó)的土壤腐蝕野外站在長(zhǎng)期連續(xù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取、自然現(xiàn)象和規(guī)律認(rèn)知、推動(dòng)領(lǐng)域方向發(fā)展等方面發(fā)揮了重要作用。但是，目前的主要問(wèn)題是缺少生物多樣性動(dòng)態(tài)變化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法和技術(shù)、研究方法不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)整合困難等。國(guó)家腐蝕野外觀(guān)測(cè)站應(yīng)布設(shè)生物多樣性監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)觀(guān)測(cè)點(diǎn)，利用生物信息學(xué)技術(shù)，圍繞土壤微生物群落和功能基因組的組成與多樣性，開(kāi)展長(zhǎng)期定點(diǎn)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。通過(guò)土壤微生物多樣性監(jiān)測(cè)，將有助于闡明土壤微生物組成、多樣性、功能基因的時(shí)空變化特征和驅(qū)動(dòng)機(jī)制，建立土壤微生物多樣性變化與管線(xiàn)材料腐蝕速率的關(guān)系及相關(guān)的模型，預(yù)測(cè)環(huán)境條件變化下土壤微生物的演變規(guī)律，為土壤微生物腐蝕監(jiān)檢測(cè)技術(shù)開(kāi)發(fā)與相關(guān)機(jī)理研究提供科學(xué)依據(jù)。土壤環(huán)境MIC 是一個(gè)復(fù)雜的生物/化學(xué)過(guò)程，隨著表面分析技術(shù)和生物信息學(xué)方法的快速應(yīng)用及發(fā)展，將會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)微生物監(jiān)檢測(cè)技術(shù)向更深和更廣的方向發(fā)展[95]。

圖9 SRB 菌液中浸泡21 d 后試樣表面的CLSM 活/死細(xì)胞圖像[94]Fig.9 CLSM live/dead cell images of coupon surface after 21 days immersion in SRB-inoculated media[94]:a) Fe-based amorphous coating, b) 304SS stainless steel, c) X80 steel

5 展望

隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和能源消費(fèi)的日益增長(zhǎng)，埋地管線(xiàn)鋼的MIC 逐漸受到人們的重視。盡管對(duì)MIC現(xiàn)象進(jìn)行了大量的研究，但對(duì)于各影響因素（生物的還是非生物的）與MIC 過(guò)程的相關(guān)性，以及主導(dǎo)MIC過(guò)程的腐蝕機(jī)理等仍然存在爭(zhēng)議。隨著材料科學(xué)、微生物學(xué)、電化學(xué)和表面分析技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，更先進(jìn)和精確的研究手段為科研人員更好地理解MIC 的動(dòng)態(tài)過(guò)程，以及這些過(guò)程如何影響腐蝕電化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理提供了可能性。由于土壤環(huán)境的復(fù)雜性，土壤微生物腐蝕研究仍存在巨大的挑戰(zhàn)，涉及以下幾個(gè)主要問(wèn)題：

1）埋地管線(xiàn)鋼腐蝕受到土壤類(lèi)型、含水量、應(yīng)力、雜散電流和材料性能等多因素的影響。目前大量的研究仍主要集中于單因素的研究，多因素耦合作用下埋地管線(xiàn)鋼微生物腐蝕規(guī)律研究的報(bào)道較少。而多種因素相互作用機(jī)理的研究對(duì)深入揭示土壤服役環(huán)境中管線(xiàn)鋼使用性能更具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。

2）土壤微生物腐蝕研究方法仍面臨巨大的挑戰(zhàn)，需要新的研究方法和測(cè)試手段以配合土壤微生物腐蝕的深入研究。在未來(lái)，結(jié)合基因技術(shù)、分子生物學(xué)、光譜電化學(xué)及微區(qū)腐蝕觀(guān)察等原位技術(shù)手段，從多角度研究微生物的呼吸代謝、電子傳遞途徑和金屬界面反應(yīng)機(jī)制等。

3）自然界中，單一的微生物菌落群很難存在，往往是多種微生物通過(guò)生理相互作用共同存在于生物膜內(nèi)。微生物群落通過(guò)釋放多種信號(hào)分子得以相互“溝通”，形成合作或競(jìng)爭(zhēng)群體，共同對(duì)金屬材料腐蝕產(chǎn)生影響。因此，實(shí)際情況下通常是多種機(jī)制以不同的方式在腐蝕過(guò)程中共同發(fā)生作用。揭示混合菌種間的相互作用機(jī)理、生物多樣性的變化規(guī)律和如何影響腐蝕過(guò)程，以及與單一菌種腐蝕間的區(qū)別，將是今后深入研究微生物腐蝕機(jī)理的方向。對(duì)于多種微生物對(duì)金屬腐蝕耦合作用的研究，更有助于揭示實(shí)際環(huán)境中的MIC 機(jī)理，將為MIC 的防治方法和策略提供理論支持。