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海洋微生物腐蚀发展及机理研究介绍

2017-11-19 投稿作者:疼了就再也不碰爱情 点击:15

  摘 要:随着我国海洋经济发展战略的提出和不断拓展,海洋材料的大量使用,对于海洋微生物腐蚀的研究也在日益深入。文章介绍了微生物腐蚀的研究发展过程、微生物腐蚀条件特征及的一些普遍认同的腐蚀机理。
  关键字:微生物腐蚀 金属材料 微生物膜 腐蚀防护
  1.引言
  随着经济全球化的发展及全球经济的迅猛发展,人们对于陆地资源的开发力度越来越大。人类社会的发展面临着资源危机的困扰。海洋面积约占全球面积的70%,其中蕴藏着丰富的矿产资源。按照海洋矿产资源形成的海洋环境和分布特征,从滨海浅海至深海大洋分布有:滨海砂矿、石油与天然气、磷钙土、多金属软泥、多金属结核、富钴结壳、热液硫化物以及未来的替代新能源--天然气水合物[1]。海洋中除了丰富的矿产资源外还拥有丰富的生物资源。据统计约有20多万种生物

生存在海洋中。可以说海洋资源开发利用的程度和人类对于海洋资源的认识与开发的能力对于人类社会的未来的发展是至关重要的。
  人们对于海洋开发与利用的,离不开开发海洋所需要利用的材料。我们将从海洋中提取出来的及专门用于海洋开发的各类特殊材料称之为海洋材料[2]。在海洋资源开发与利用过程中,材料应用的最主要破坏形式就是腐蚀,其中因海洋微生物影起的腐蚀约占海洋材料的70%到80%,每年因此种腐蚀而影起的损失高达上千亿美元[3]。
  所谓海洋微生物的腐蚀是指由各种各种微生物的生命活动而造成海洋环境中使用的各种材料的腐蚀过程统称为微生物腐蚀( Microbiologically influenced corrosion, MIC) 。附着于材料表面的微生物膜是诱发材料表面生物性腐蚀的重要因素, 微生物的附着是高度自发过程, 它几乎可以导致所有材料的腐蚀[4]。从微生物腐蚀的机理上去彻底研究材料表面与微生物的相互作用对于提高材料的抗微生物腐蚀的是极其重要的。
  2 微生物腐蚀
  2.1 微生物腐蚀研究的发展历史
  1891年,盖瑞特首次报告了微生物腐蚀的例子[5]。近20年后, 盖恩斯首先发现了微生物腐蚀,他在地下埋设的钢管腐蚀产物中提取出了铁嘉氏杆菌, 并发现有大量的硫的存在, 这表明有腐蚀过程是有硫酸盐还原菌的参与。荷兰学者屈尔等在1934年,提出硫酸盐还原菌参与金属腐蚀中阴极氢去极化的理论,指出了硫酸盐还原菌在金属腐蚀中起到非常重要的作用。1949 年,Butlin 和Vernon给出了这个领域的一些经典的基本概念。后来,剑桥的Postgate系统地研究了硫酸盐还原菌的生理、生态和生化特征及营养需求,奠定了微生物腐蚀的理论基础。20世纪60年代以来,欧洲各国及美国的许多学者都对微生物的腐蚀机理进行了大量的研究。但人们对于微生物腐蚀的认识还仅仅还处于对个别的微生物腐蚀失效事故的描述的阶段。到80年代中期, 随着环境扫描电镜、原子力显微和激光共焦显微等表面分析技术的发展,人们可以测量到生物膜的厚度和组成成份, 使得精确确定微生物和腐蚀之间的空间关系成为可能, little等[4]综述了各种环境、各行业存在的微生物腐蚀现象。Mansfeld等[6]介绍了各种电化学技术在微生物腐蚀研究中的应用。此外还引进了微生物技术进行微生物腐蚀的研究。微生物腐蚀的研究也从失效事故的表面现象日益发展成为一门多领域的交叉学科。
  2.2微生物膜
  2.2.1微生物膜的形成过程及其影响因素
  研究表明,材料表面浸入海水后,微生物就会迅速附着在上面,几个小时之后就会生成一层生物膜。海水中的微生物以各种形式被运送到固体材料的表面,如在深海环境中,由于海水是相对静止的,这时微生物是以沉积作用接触到固体表面的。此外海洋微生物还会由于洋流的作用,自身的趋化性及布朗运动等方式吸附到材料的表面。付玉斌[7~8]研究了玻片、钢片、防锈漆片、防污漆会由于微生物的群落的生长繁殖在材料表面形成一层由活的和片表面细菌粘膜中异养细菌的组成、数量和菌体形态。结果表明,附着细菌均是运动性很强的带有鞭毛的细菌, 其中鞭毛在细菌附着过程中起着重要作用,此外还会由于微生物种类的不同以及材料表面的性质不同都会对微生物吸附成膜过程产生影响。微生物吸附到材料表面之后,利用金属表面吸附的一层有机分子,催化营养物的生物降解,以获微生物自身繁殖所需的各种养分。无论微生物是以何种方式吸附到材料的表面,最终都会形成由活的死的细胞以及细胞外分泌物(Extracellular polymer substances 简称EPS)所构成的生物膜。不同类型的附着菌种,不同类型的附着菌种互相接近,互相协作,形成混合菌群,最终导致生物膜的逐渐成熟。
  2.2.2生物膜的的性质
  生物膜是一种凝胶相的物质,其具有较好的亲水性、粘弹性、通透性以及一定的吸附能力。由于细菌高聚物的存在,如丙酮酸或糖醛酸中的荷电基团等的存在,使得生物膜具有离子交换器的性质.在任何情况下,EPS都具有亲水性, 因此生物膜赋于疏水表面以亲水性质,基体的表面性质也就因此发生了变化。生物膜通常具有以下作用和特点:凝胶相的EPS使得微生物在其中生长繁殖的过程中,空间上是靠近于生长表面,各种菌具有固定的微同生现象存在,并且细菌的整个生长过程的空间位置的变换也是比较固定的。这样就使得了覆盖于材料表面的生物膜在垂直和水平方向的基质浓度、pH值、氧浓度、代谢产物的浓度、溶解盐浓度、有机物的浓度及无机物的浓度在空间上的不均分布。各处金属/生物膜的界面电化学参数由此发生了变化,最终导致金属腐蚀速率的加快或减慢和形态的各种变化。
  2.3微生物腐蚀机理
  不同种类的微生物在生物膜内的代谢类型多种多样, 微生物腐蚀的机理也多种多样, 但归结起来, 微生物腐蚀有以下几种类型: (1)形成氧浓差电池;(2)微生物代谢过程中产生的各种酸(有机酸和无机酸)引起的腐蚀;(3) 局部厌氧环境的形成使得硫酸盐还原菌活性增强,腐蚀增强;(4)微生物活动引起的生物矿化作用[9]。相应地腐蚀机理如下:
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