土壤中的微生物腐蝕與防護(hù)

1、微生物腐蝕與防護(hù)摘要：本文概括介紹了微生物腐蝕的常見菌種，如硫酸鹽還原菌、鐵細(xì)菌等，其中主要介紹了硫酸鹽還原菌的腐蝕機(jī)理。針對微生物腐蝕，目前國內(nèi)外的防腐技術(shù)分為物理方法、化學(xué)方法和生物方法，文章對主要的防腐技術(shù)進(jìn)行了介紹。關(guān)鍵詞：微生物腐蝕 硫酸鹽還原菌 防腐技術(shù)Abstract: This paper presents the bacteria species involved in micro-biologically influenced corrosion, such as sulfate-reducing bacteria and iron bacteria.The corrosi

2、on mechanisms by sulfate-reducing bacteria (SRB) was mainly reviewed.Anti-corrosion techniques,including physical method,chemical method and biological method, were also introduced in this paper.Keywords: Micro-biologically influenced corrosion; sulfate-reducing bacteria; anti-corrosion technique1.

3、前言 微生物腐蝕(Micro-biologically Influenced Corrosion，簡稱MIC)是指微生物引起的腐蝕或受微生物影響的腐蝕。其本質(zhì)是微生物新陳代謝的產(chǎn)物通過影響腐蝕反應(yīng)的陰極過程或陽極過程，從而影響腐蝕速率和類型。為了找到針對 MIC 的既環(huán)保又有效的防腐措施，必須首先了解腐蝕微生物的種類及作用機(jī)理，了解當(dāng)今國內(nèi)外防腐技術(shù)的研究現(xiàn)狀。2.影響腐蝕的微生物 腐蝕微生物，按照氧的需求、金屬種類及腐蝕機(jī)制有不同的分類，主要包括硫酸鹽還原菌、鐵細(xì)菌、產(chǎn)酸菌、產(chǎn)粘泥菌和產(chǎn)氨菌等。Isabel Neria-González 等發(fā)現(xiàn)鋼管的腐蝕生物膜中包括檸檬酸桿菌、腸桿

4、菌、鹽厭氧菌及脫硫弧菌等?？梢?，金屬的腐蝕是多種細(xì)菌共同作用的結(jié)果。2.1 硫酸鹽還原菌硫酸鹽還原菌(Sulfate-reducingBacteria，簡稱SRB)是專性厭氧菌，它是一些能夠把還原成而使自身獲得能量，在生理和形態(tài)上完全不同的多種細(xì)菌的統(tǒng)稱。SRB 可導(dǎo)致鐵和低碳鋼、不銹鋼、鋁及鋁合金、銅及銅合金、鎳及鎳合金、混凝土等(除鈦合金外)大部分工業(yè)材料產(chǎn)生微生物腐蝕。表征SRB在金屬表面腐蝕情況的電化學(xué)測定參數(shù)包括開路電勢(Ecorr)、氧化還原電位(Eredox)、極化電阻(Rp)、電化學(xué)阻抗譜(EIS)和電化學(xué)噪聲(EN)等。用于研究生物膜形成和點(diǎn)蝕性狀的技術(shù)包括原子力顯微鏡(AF

5、M)、掃描電子顯微鏡檢查法(SEM)、掃描探針顯微術(shù)(SPM)、能譜分析(EDS)和X射線光電子能譜(XPS)等。目前有關(guān) SRB 致腐蝕作用的機(jī)理有陰極去極化機(jī)理、濃差電池機(jī)理、局部電池機(jī)理、代謝產(chǎn)物機(jī)理、沉積物下的酸腐蝕機(jī)理、陽極區(qū)固定機(jī)理等。其中普遍被學(xué)者們接受的是陰極去極化理論，該理論認(rèn)為 SRB 利用金屬表面的離子還原硫酸鹽，反應(yīng)式如式-。 陽極： 陰極： 陰極去極化： 陽極（腐蝕產(chǎn)物）： 陰極： 總反應(yīng)式： 整個(gè)過程稱為陰極去極化，公式代表了SRB促進(jìn)腐蝕的作用。2.2 鐵細(xì)菌 鐵細(xì)菌(Iron bacteria，簡稱IB)是一類生活在含有高濃度的池塘、湖泊、溫泉等水域中，能將氧化

6、成，并利用氧化過程中產(chǎn)生的能量來同化進(jìn)行生長的細(xì)菌的總稱。它是需氧菌，將氧化成，并使之以鞘的形式沉淀下來，同時(shí)形成大量粘液而形成結(jié)瘤?？偡磻?yīng)式為。由于鐵細(xì)菌耗氧，而結(jié)瘤又阻礙氧的滲入，結(jié)瘤下部常常處于缺氧狀態(tài)，因而構(gòu)成氧濃差電池加速腐蝕過程。鐵細(xì)菌還可造成腐蝕性和的富集。T.S.Rao 等通過 SEM 圖像觀察到，鐵細(xì)菌形成的結(jié)瘤中有嚴(yán)重的點(diǎn)蝕和SRB誘導(dǎo)的腐蝕，并含-、等復(fù)合物。2.3 其它腐蝕菌 產(chǎn)酸菌(Acid-producing Bacteria)能夠?qū)⒖扇苄粤蚧锘虬鞭D(zhuǎn)變?yōu)榱蛩峄蛳跛幔档途植康膒H值從而加速金屬的腐蝕。如硫氧化菌(SOB)中的排硫桿菌和氧化硫硫桿菌可分別使pH 值降

7、低到 4.73 ± 0.36 和 1.35 ±0.32。 產(chǎn)粘泥菌(Slime-producing Bacteria)，又稱腐生菌，是海水中數(shù)量較多的一類細(xì)菌，常見的有氣桿菌、黃桿菌、巨大芽孢菌、熒光假單孢菌和枯草芽孢桿菌等。產(chǎn)生一種膠狀的、附著力很強(qiáng)的沉淀物，附著在金屬或合金的表面，形成差異腐蝕電池而導(dǎo)致局部腐蝕。 產(chǎn)氨菌(Ammonium-producing Bacteria)是能產(chǎn)生 NH4+的細(xì)菌，該類細(xì)菌對銅和銅合金的腐蝕影響特別大，能大大提高銅合金應(yīng)力腐蝕開裂的敏感性。 事實(shí)上，天然環(huán)境中并不存在單一細(xì)菌的環(huán)境。除上述菌種外，引起腐蝕的菌還包括產(chǎn)甲烷菌、假單胞桿

8、菌、厚纖毛菌等，各菌種在腐蝕過程中也有著重要的相互關(guān)系。3.防腐技術(shù)研究進(jìn)展 腐蝕損壞的條件是金屬材料本身、環(huán)境以及二者之間的界面反應(yīng)，因而防腐措施應(yīng)從以下方面入手：（1）選擇耐蝕材料；（2）對腐蝕環(huán)境和介質(zhì)采取措施；（3）采用涂層和電化學(xué)保護(hù)方法；（4）采用非金屬材料代替金屬材料。具體的防腐方法包括物理方法、化學(xué)方法和生物方法。3.1 物理方法 利用電離射線（包括紫外線、射線和X射線）或超聲波處理。紫外線在 260nm 波長附近有很強(qiáng)的輻射,恰好能為核酸所吸收，延長照射時(shí)間能殺死SRB；和X射線能使細(xì)菌的 DNA 鏈中兩個(gè)胸腺嘧啶發(fā)生共價(jià)連接，使其復(fù)制發(fā)生錯誤，從而致死。另外，用超聲波或放射

9、線處理也可殺死SRB。3.2 化學(xué)方法3.2.1 殺菌劑 目前常用的殺菌劑可分為氧化型和非氧化型兩類：前者主要通過與細(xì)菌體內(nèi)的代謝酶發(fā)生氧化作用，將細(xì)菌完全分解為二氧化碳和水；后者根據(jù)作用基團(tuán)及作用機(jī)理，又分為季銨鹽類、季磷鹽類、醛類、酚類、雜環(huán)化合物類、含氰基化合物類、金屬鹽類和復(fù)配型。冷卻水系統(tǒng)中SRB的控制常用氯氣或者其它形式的氯離子，氯化作用能夠有效的控制SRB。Henry von Rège等發(fā)現(xiàn)，甲醛可有效減少SRB的細(xì)胞數(shù)量。3.2.2 緩蝕劑 稀土金屬在各種腐蝕系統(tǒng)中具有較高作用效率。3-茴香叉胺基-1,2,4-三唑磷酸鹽(AATP)對于水溶液中的碳鋼是一種較好的緩蝕劑

10、。另外，氨基酸類綠色緩蝕劑目前也有研究。3.3 防護(hù)涂層 防護(hù)涂層大體上分為非金屬涂層和金屬涂層，非金屬涂層一般為耐鹽耐酸的環(huán)氧漆、環(huán)氧煤瀝青等；金屬涂層一般熱噴涂鋅、鋁或鋅鋁合金。目前，普遍采用的涂層主要有：石油瀝青、聚乙烯涂層、熔結(jié)環(huán)氧涂層、煤焦油瓷漆涂層、煤焦油環(huán)氧涂層、聚氨酯涂層、富鋅涂層等及復(fù)合覆蓋層。我國使用的水性金屬防腐涂料主要包括水性無機(jī)富鋅涂料、水性環(huán)氧防腐涂料、水性丙烯酸防腐涂料和水性聚氨酯防腐涂料四大類。3.4 生物方法 微生物控制法是利用微生物之間的共生、競爭以及拮抗的關(guān)系來防止微生物對金屬的腐蝕。有些菌可以產(chǎn)生類似于抗生素類的物質(zhì)直接殺死SRB；或與原先存在的 SRB

11、 競爭養(yǎng)分，降低SRB的數(shù)量，從而減少硫化物的產(chǎn)生。目前關(guān)于MIC的研究主要針對SRB，用于防治SRB腐蝕的微生物主要有脫氮硫桿菌、短芽孢桿菌、假單胞菌、化能營養(yǎng)型還原菌、反硝化細(xì)菌。3.5 其他方法其它防腐方法包括改變介質(zhì)環(huán)境、限制營養(yǎng)源、采用耐腐蝕材料、電化學(xué)殺菌等。4.國內(nèi)外研究概況 最早指出微生物參與金屬腐蝕的是Gaines(1910)。當(dāng)時(shí)，他從地下埋設(shè)的鋼管的腐蝕產(chǎn)物中分離出了鐵嘉氏桿菌,腐蝕產(chǎn)物中含有大量的硫,這表明有硫酸鹽還原菌的存在。荷蘭學(xué)者Von.Wolzogen Khr自1922年以來做了大量的工作，指出了硫酸鹽還原菌在金屬腐蝕中起到非常重要的作用。劍橋的Postgate

12、系統(tǒng)地研究了硫酸鹽還原菌的生理、生態(tài)和生化特征及營養(yǎng)需求，為微生物腐蝕的研究奠定了基礎(chǔ)。60年代以來，許多學(xué)者如Booth、Iverson、Horvath等人對微生物的腐蝕機(jī)理進(jìn)行了大量的研究，研究集中在硫酸鹽還原菌的腐蝕破壞作用，形成了典型的硫酸鹽還原菌厭氧腐蝕機(jī)理。雖然現(xiàn)在對厭氧菌腐蝕的機(jī)理有了一定程度的理解，但對微生物影響造成材料的點(diǎn)蝕還缺乏認(rèn)識。 國內(nèi)微生物腐蝕的研究開展得比較晚，在50年代中科院微生物所建立了微生物腐蝕研究課題，對全國的腐蝕網(wǎng)站的微生物腐蝕情況進(jìn)行調(diào)查，并分離和鑒定了一些硫酸鹽還原菌、鐵細(xì)菌的種類，并且對防腐措施做了研究。國內(nèi)在這個(gè)領(lǐng)域的研究工作還很少，缺乏深入的研究

13、，尤其是在不銹鋼材料的微生物腐蝕方面研究更少,有待于做深入的研究和探討。5. 結(jié)語 微生物腐蝕涉及工業(yè)生產(chǎn)中的各個(gè)環(huán)節(jié)，問題也越來越突出。在微生物腐蝕的過程中，通常是多種微生物共同作用，因而各種防腐措施應(yīng)該綜合應(yīng)用，才能達(dá)到控制腐蝕的目的。隨著物理、化學(xué)和生物等學(xué)科及其交叉學(xué)科的發(fā)展，關(guān)于微生物腐蝕的研究也會進(jìn)一步深入發(fā)展。在防治硫酸鹽還原菌腐蝕的諸多措施中，微生物方法有著獨(dú)特的優(yōu)勢和廣闊的發(fā)展前景，但對于各防腐菌種的機(jī)理研究還處于初級階段，需要更深入的系統(tǒng)研究。探索、分離、提純更高效的防腐菌種并研究其防腐機(jī)理和最佳防腐條件也是未來的研究重點(diǎn)。參考文獻(xiàn)1.廖強(qiáng)強(qiáng).微生物腐蝕機(jī)制及檢測方法 10

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