在日常生活中，腐蝕現(xiàn)象隨處可見，因?yàn)楦g而造成的材料失效比比皆是。腐蝕對(duì)國家造成的經(jīng)濟(jì)損失不可小視，其中金屬腐蝕造成的損失為GDP的2 ～ 4％；據(jù)中國工程院重大咨詢項(xiàng)目結(jié)果顯示，2014 年我國的腐蝕總成本超過2.1 萬億元人民幣，約占當(dāng)年GDP的3.34%，相當(dāng)于每個(gè)中國人當(dāng)年承擔(dān)1555 多元的腐蝕成本。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道材料腐蝕失效中有20% 是歸因于微生物腐蝕。微生物腐蝕是指由于微生物自身生命活動(dòng)及其代謝產(chǎn)物直接或間接地加速金屬材料腐蝕過程的現(xiàn)象，普遍存在于各種自然環(huán)境中，如水系統(tǒng)、土壤、油田系統(tǒng)等，是引起工程材料失效的一個(gè)主要原因。腐蝕除造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失外，安全問題以及環(huán)境問題越來越突出。如2013.11.22 中石化東黃輸油管道泄漏爆炸特別重大事故認(rèn)定為責(zé)任事故，事故共造成62 人遇難，136 人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失7.5 億元。為了全面科普為微生物腐蝕相關(guān)知識(shí)，防患于未然，降腐蝕至最低，記者特邀請(qǐng)到華中科技大學(xué)劉宏芳教授做相關(guān)方面的精彩解讀。

    劉宏芳，華中科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院材料與環(huán)境化學(xué)所所長，教授，南京市321 科技領(lǐng)軍人才計(jì)劃，武漢市3551 人才計(jì)劃及湖北省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)計(jì)劃獲得者。兼任中國腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)水環(huán)境專業(yè)委員會(huì)委員，湖北省暨武漢市腐蝕學(xué)會(huì)常務(wù)理事及副秘書長。

劉宏芳教授

    記者：您主要從事應(yīng)用電化學(xué)、微生物腐蝕與防護(hù)、應(yīng)用微生物、環(huán)境化學(xué)、材料化學(xué)與物理等領(lǐng)域的研究。請(qǐng)給我們簡要地介紹一下您所從事的科研領(lǐng)域，并重要談?wù)勎⑸锔g與防護(hù)的研究在國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的作用和意義？您認(rèn)為微生物腐蝕防護(hù)關(guān)鍵應(yīng)該怎么做？

    劉教授：我主要從事材料腐蝕與防護(hù)領(lǐng)域的研究工作，擅長研究水系統(tǒng)微生物腐蝕與控制、綠色水處理藥劑研發(fā)、微生物資源應(yīng)用、界面電化學(xué)等。近年來主持國家及省部級(jí)課題8 項(xiàng)，中石化、中海油、中石油合作項(xiàng)目30 余項(xiàng)。系統(tǒng)地調(diào)查研究了我國10 多家油田微生物對(duì)金屬材料的腐蝕行為，在微生物多樣性、腐蝕性、耐藥性及生物膜等方面開展了大量研究工作。在湖北省自然科學(xué)基金及教育部留學(xué)回國基金的支持下，開發(fā)仿生環(huán)保型殺菌劑，利用微生物代謝產(chǎn)物提純獲得對(duì)環(huán)境無污染的抗菌劑，抑制SRB 引起的微生物腐蝕；通過微生物競(jìng)爭抑制的原理，培養(yǎng)反硝化細(xì)菌實(shí)現(xiàn)了低濃度硫化氫及老化油脫硫，并在相對(duì)密閉系統(tǒng)能有效抑制SRB微生物腐蝕；在管線材料表面生物污損控制領(lǐng)域開發(fā)了非溶出型抗菌材料如抗菌玻璃鋼、抗菌涂料；在微生物腐蝕機(jī)理研究領(lǐng)域致力于腐蝕機(jī)理及無污染控制新技術(shù)（磁處理）探索研究。目前相關(guān)技術(shù)已經(jīng)在勝利、大慶、吉林、江蘇等油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，為油氣安全生產(chǎn)提供了技術(shù)支持。目前在相關(guān)領(lǐng)域發(fā)表學(xué)術(shù)論文150 多篇，SCI 收錄50 多篇，申請(qǐng)發(fā)明專利18 項(xiàng)。

    微生物腐蝕是指由于微生物的自身生命活動(dòng)直接加速金屬材料腐蝕，或者通過其代謝產(chǎn)物間接地加速金屬材料腐蝕的現(xiàn)象。只要有水的存在，就會(huì)有微生物的生存，因此微生物腐蝕普遍存在于各種自然環(huán)境中，如土壤、油田系統(tǒng)、城市水網(wǎng)等，是引起工程材料失效的一個(gè)主要原因。微生物腐蝕是石油和天然氣行業(yè)面臨的棘手難題，也是城市水網(wǎng)腐蝕失效及水質(zhì)污染的主要原因之一。微生物腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失約占金屬腐蝕總量的20% 左右，腐蝕形態(tài)以局部腐蝕（孔蝕）為主。腐蝕的發(fā)生、發(fā)展具有不可預(yù)見性，由此引起的安全問題、次生環(huán)境問題等越來越突出。

    腐蝕是一個(gè)世界性難題，但是若能利用現(xiàn)有防腐技術(shù)可減少約1/3 的經(jīng)濟(jì)損失，因此腐蝕的防護(hù)研究尤為重要。當(dāng)前水系統(tǒng)中控制腐蝕最有效也是最常用的方法是添加緩蝕劑，緩蝕劑在鋼鐵材料表面吸附成膜，進(jìn)而抑制基體材料的腐蝕過程。但是，微生物對(duì)某些緩蝕劑緩蝕行為有一定的影響，甚至有些緩蝕劑會(huì)在微生物共存條件下發(fā)生降解，失去了緩蝕效率，因此應(yīng)建立新的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，合理評(píng)估緩蝕劑的性能，提升緩蝕劑的使用效率。微生物腐蝕最常用的方法之一是添加殺菌劑，直接殺死管線介質(zhì)中的微生物，達(dá)到抑制微生物腐蝕的目的。但殺菌劑的大量使用會(huì)增加環(huán)境的負(fù)荷，破壞生態(tài)環(huán)境；長期使用易誘導(dǎo)產(chǎn)生耐藥菌，增大水處理成本；多數(shù)殺菌劑對(duì)浮游微生物較為有效，但對(duì)生物膜的滲透和剝離能力不足，很難殺死生物膜中的微生物。

    微生物腐蝕的根源在于其在材料表面形成生物膜。生物膜的形成是一個(gè)高度自發(fā)并且伴隨微生物的生長和消亡以及環(huán)境不斷變化的動(dòng)態(tài)過程，膜中相鄰位置細(xì)胞之間通過長時(shí)間接觸產(chǎn)生生理相互作用，導(dǎo)致微生物的協(xié)同作用加速金屬材料的腐蝕。因此，針對(duì)生物膜的形成、膜中微生物的活性及膜下生物催化腐蝕過程的監(jiān)測(cè)、預(yù)警及控制技術(shù)研究，顯得尤為迫切和必要。

    記者：您獲得過許多科研獎(jiǎng)項(xiàng)和申請(qǐng)專利，其中在微生物腐蝕、監(jiān)測(cè)及防護(hù)領(lǐng)域，相關(guān)授權(quán)專利6項(xiàng)。能否給我們分享一下您印象深刻的這些獎(jiǎng)項(xiàng)、專利的具體內(nèi)容？

    劉教授：過獎(jiǎng)了，我和我的團(tuán)隊(duì)在微生物腐蝕、監(jiān)測(cè)及防護(hù)領(lǐng)域取得過一些專利，比如，油田污水管道內(nèi)壁生物膜測(cè)取及生物膜分析方法，發(fā)明專利號(hào)：ZL201110387595；一種復(fù)合生物膜剝離劑的發(fā)明，發(fā)明專利號(hào)：ZL201310419818.2； 一種吡啶類化合物在作為殺菌劑中的應(yīng)用，發(fā)明專利號(hào)：ZL201110279631.8；一種老化油生物脫硫菌劑及利用該菌劑處理老化油的方法，專利號(hào)：ZL201110277517.1；老化油生物脫硫反應(yīng)裝置及含該裝置的系統(tǒng)， 實(shí)用新型專利， 專利號(hào)ZL201120350648.3；一種生物還原制備氮硫同時(shí)摻雜石墨烯的方法，專利號(hào)：ZL201310017435.2。

    上述專利技術(shù)，因來源于生產(chǎn)實(shí)際需要，可以解決生產(chǎn)實(shí)際中的技術(shù)難題，因此得到相關(guān)合作單位及政府部門的認(rèn)可，先后獲得南京321 人才計(jì)劃，武漢市東湖高新區(qū)3551 人才計(jì)劃，湖北省創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)計(jì)劃支助。相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。代表性成果如下：

    （1）南京領(lǐng)軍型科技創(chuàng)業(yè)計(jì)劃（321）入選項(xiàng)目，專有及專利技術(shù)復(fù)合吡啶季胺鹽，利用農(nóng)藥生產(chǎn)單位的下腳料，通過改性，實(shí)現(xiàn)資源再生，產(chǎn)品可作低溫、中溫、高溫、超高溫油井酸化緩蝕劑的復(fù)配主劑，還可以作電廠和機(jī)車產(chǎn)品、鍋爐酸洗以及煉油廠緩蝕劑用。目前年產(chǎn)量可達(dá)到5000 噸。

    （2）3551 光谷人才計(jì)劃入選項(xiàng)目， 專利技術(shù)（ZL201120350649.3，201110277517.1.） 老化油生物催化處理技術(shù)；本專有技術(shù)不僅使用于石油部門落地油的資源化再生，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)含油污染土壤生態(tài)修復(fù)。目前技術(shù)處于市場(chǎng)應(yīng)用放大階段，參與的研究生同學(xué)10 多人。經(jīng)過多年悉心研究，從自然界分離出高效微生物菌株（中國典型培養(yǎng)物保存中心登記號(hào)：CCTCCNO:M2011135，2011276），通過菌株復(fù)合獲得對(duì)老化油體系具有生物降解、生物破乳和生物脫硫功能菌，原油回收效果顯著。專利技術(shù)名稱：老化油生物脫硫反應(yīng)裝置及含該裝置的系統(tǒng)，專利號(hào)：ZL201120350649.3；一種老化油生物脫硫菌劑及利用該菌劑處理老化油的方法，專利號(hào)：ZL201110277517.1 所得產(chǎn)品油達(dá)到外輸油標(biāo)準(zhǔn)。

    圖1. 紅太陽集團(tuán)油氣工藝緩蝕劑生產(chǎn)以及油田在線腐蝕監(jiān)測(cè)與緩蝕劑智能管理系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

    記者：您是科研工作者也是教授，請(qǐng)您談?wù)勅绾胃米龅疆a(chǎn)學(xué)研相結(jié)合？

    劉教授：當(dāng)前，提高油氣采收率、加速煤層氣、頁巖氣和深海油氣資源勘探和開發(fā)等，是保證我國能源安全的重要舉措。油氣井下與地面管柱服役環(huán)境苛刻，往往面臨嚴(yán)重腐蝕和應(yīng)力腐蝕開裂風(fēng)險(xiǎn)，而緩蝕劑是高效、便捷的防腐蝕技術(shù)。材料與環(huán)境化學(xué)所致力油氣開發(fā)和工藝緩蝕劑的研發(fā)，成功研發(fā)了7701 系列復(fù)合酸化緩蝕劑成功解決了塔里木油田超深井高溫濃酸壓裂酸化的腐蝕難題，研發(fā)了HGY 系列CO2 緩蝕劑，為世界首例超高含CO2 海上氣田開發(fā)提供了技術(shù)保障，使我國高含CO2 海洋油氣田開發(fā)的技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平，并在海洋和陸地油氣田開發(fā)中廣泛應(yīng)用。

    我們經(jīng)多方調(diào)研，與紅太陽集團(tuán)合作（中國制造500 強(qiáng)企業(yè)、中國石油化工行業(yè)30 強(qiáng)）。針對(duì)其生產(chǎn)廢料的資源化利用，以廢料為原料開發(fā)吡啶類油氣工藝緩蝕劑（ 圖1），并以此為主劑研發(fā)多種可用于不同環(huán)境的緩蝕劑，不僅為紅太陽集團(tuán)的產(chǎn)品拓寬了新的應(yīng)用領(lǐng)域，開發(fā)了新的應(yīng)用市場(chǎng)，每年為企業(yè)節(jié)約環(huán)保節(jié)約支出近8000 萬元。目前產(chǎn)品主要應(yīng)用于油氣田高溫酸化作業(yè)，填補(bǔ)國內(nèi)空白。產(chǎn)品性價(jià)比遠(yuǎn)高于國際油氣服務(wù)公司如GE、納爾科等。目前該產(chǎn)品年產(chǎn)可達(dá)5000 噸（30% 出口俄羅斯、伊朗、伊拉克等產(chǎn)油大國，70% 用于中石油、中海油和中石化下屬的各大油氣田），為企業(yè)新增經(jīng)濟(jì)效益上億元。劉宏芳教授因此于2015 年獲南京市第二屆“紫金科技創(chuàng)業(yè)新銳人物”獎(jiǎng)。

    此外，為實(shí)現(xiàn)緩蝕劑加注工藝的經(jīng)濟(jì)、高效和安全實(shí)施，我們團(tuán)隊(duì)研制了基于腐蝕電化學(xué)的在線腐蝕監(jiān)測(cè)與緩蝕劑智能加注系統(tǒng)，通過腐蝕傳感器監(jiān)測(cè)油田地面管線與井下關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的腐蝕速率， 并基于負(fù)反饋來自適應(yīng)調(diào)整緩蝕劑加注工藝，實(shí)現(xiàn)了腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控預(yù)警與緩蝕劑加注的智能化管理，極大地降低了管線泄露風(fēng)險(xiǎn)和水處理成本。

    圖2無支撐柔性GO和rGO紙狀薄膜的制備過程和形貌

    記者：您是華中科技大學(xué)的教授，也是日本廣島大學(xué)的研究員，請(qǐng)您談?wù)勗谖⑸锔g和生物污損控制方面國內(nèi)外有何差異？如何取長補(bǔ)短？

    劉教授：國外，我的主要研究領(lǐng)域是導(dǎo)電高分子材料及器件，回國后在微生物腐蝕監(jiān)測(cè)傳感器領(lǐng)域得到進(jìn)一步應(yīng)用。與美國Ohio 大學(xué)微生物腐蝕研究專家顧停月教授合作，致力于在不破壞生物膜結(jié)構(gòu)的前提下，利用微生物燃料電池的原理，建立生物膜活性監(jiān)測(cè)傳感器，可以在線顯示微生物腐蝕的程度。

    研究總體思路及和常用技術(shù)的比較如下：硫酸鹽還原菌（SRB）是引起微生物腐蝕的主要菌群之一。在其新陳代謝過程中，一般利用有機(jī)碳作為電子給體。然而，在生物膜下方，介質(zhì)中有機(jī)碳擴(kuò)散受阻，導(dǎo)致有機(jī)碳短缺。因此，生物膜會(huì)從碳鋼和不銹鋼中的鐵元素直接獲得電子，來還原氧化物如硫酸鹽和硝酸鹽。

    氧化還原反應(yīng)機(jī)理如下：

    Fe→Fe2++2e-（Iron oxidation） （1）

    SO42-+9H++8e-HS-+4H2O（Sulfate reduction）（2）

    液體和細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)之間的電子轉(zhuǎn)移主要有兩種方式：（a） 直接電子轉(zhuǎn)移（DET） 和（b） 介體的電子轉(zhuǎn)移（MET）。DET 依靠特殊的蛋白質(zhì)和其他分子在細(xì)胞壁和細(xì)胞內(nèi)傳遞電子。厭氧狀態(tài)生物膜下，基體材料鐵充當(dāng)了提供電子的重任，給生物膜維持生存提供了能量。鐵的氧化反應(yīng)發(fā)生在細(xì)胞外，因?yàn)殍F是不溶性的，無法擴(kuò)散進(jìn)入細(xì)胞。對(duì)于DET來講，細(xì)胞與基板（ 例如，鐵基板） 直接接觸是必要的，除非細(xì)胞形成菌毛連接到基板上。典型地直接連接在基板（ 例如，鐵基板） 上的固著細(xì)胞的單層是能夠從鐵氧化反應(yīng)中接受電子的。固著生物膜細(xì)胞必須是產(chǎn)電，才能導(dǎo)致直接電化學(xué)微生物腐蝕（MIC）。因此，生物膜的腐蝕性是直接關(guān)系到生物膜的產(chǎn)電能力的。在某些情況下，如果細(xì)胞能夠與電子介體的幫助下，例如同一生物膜群中其他細(xì)胞分泌的介質(zhì)或是外部添加的介質(zhì)，在金屬基板和細(xì)胞之間轉(zhuǎn)移電子，非產(chǎn)電生物膜細(xì)胞也可被認(rèn)為產(chǎn)電生物膜細(xì)胞?；诠讨⑸锇l(fā)生腐蝕的前提是細(xì)胞與基體材料之間發(fā)生直接電子轉(zhuǎn)移，進(jìn)而產(chǎn)生生物電，構(gòu)建微生物燃料電池測(cè)試體系，通過檢測(cè)生物電流，可實(shí)現(xiàn)對(duì)引起微生物腐蝕的生物膜活性進(jìn)行定量檢測(cè)，具有重要的理論和實(shí)際應(yīng)用意義。

    目前有關(guān)微生物腐蝕測(cè)量方法一般是基于線性極化電阻掃描技術(shù)（LPR） 來進(jìn)行生物膜的檢測(cè)。該技術(shù)背后的假設(shè)是，生物膜的存在與LPR 響應(yīng)有關(guān)。從理論上講，該假設(shè)與基礎(chǔ)生物膜的生物電化學(xué)不一致。生物膜通常是典型的很差的電導(dǎo)體這一點(diǎn)是確定無疑的，且在多數(shù)情況下，生物膜的電化學(xué)行為是電感性的，而不是電阻性的。而LPR 技術(shù)用于電阻薄膜，而不是電感薄膜。因此，利用LPR 技術(shù)的方法和裝置檢測(cè)生物膜有可能提供假陽性的結(jié)論，如LPR 技術(shù)是無法區(qū)分純電阻性的無機(jī)膜和電感性的生物膜。此外，LPR 技術(shù)需要在生物膜兩側(cè)施加外部電壓，一方面可能會(huì)干擾微生物的新陳代謝，另一方面生物膜可能會(huì)停止其天然腐蝕過程，因?yàn)榇藭r(shí)它可以使用由外部施加電壓提供的自由電子，而無需耗費(fèi)得到基體材料腐蝕提供的外部電子資源。事實(shí)上，研究人員發(fā)現(xiàn)，外加電流陰極保護(hù)（ICCP） 對(duì)微生物腐蝕（MIC） 的研究中，一個(gè)外部強(qiáng)加的電壓會(huì)影響SRB 的生物膜生長。此外，即使電流傳感器可以檢測(cè)到生物膜的存在，也無法區(qū)分腐蝕性生物膜（即，一個(gè)產(chǎn)電生物膜）和非腐蝕性的生物膜（即，非產(chǎn)電生物膜）。

    因此，仍然需要可以準(zhǔn)確地檢測(cè)出腐蝕生物膜的存在的方法和裝置，為了不干擾生物膜內(nèi)部的腐蝕過程，要以一種被動(dòng)的方式來進(jìn)行檢測(cè)，且能夠方便地反映生物膜對(duì)某一金屬基板的腐蝕性，此外該測(cè)試裝置必須具備成本低和方便使用。

    利用微生物構(gòu)建生物陰極，選擇固態(tài)惰性金屬或金屬氧化物做陽極，構(gòu)建微生物燃料電池（MFC）。選擇使用石墨烯紙材料作為生物膜負(fù)載材料，一方面通過表面改性更利于微生物吸附，另一方面由于其良好的導(dǎo)電性，可以減少傳感器內(nèi)阻，增加檢測(cè)靈敏度。技術(shù)原理見圖2. 可以不使用質(zhì)子交換膜，這也有利于加速生物反應(yīng)器中穩(wěn)定的響應(yīng)時(shí)間。通過生物電流的大小，可以判斷微生物腐蝕的程度。

    后記：

    世界上微生物種群千千萬萬無處不在，當(dāng)外部環(huán)境條件惡劣時(shí)可以芽孢的形態(tài)“休眠”數(shù)億年維持生存，一旦時(shí)機(jī)成熟其加速繁殖能力難以想像。金屬腐蝕大多由微生物腐蝕（MIC）引起，如建筑物、大橋、大壩、大量工廠機(jī)器設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)的微生物腐蝕，每年造成的全球經(jīng)濟(jì)損失數(shù)以萬億歐元計(jì)。金屬腐蝕導(dǎo)致金屬結(jié)構(gòu)退化老化，影響結(jié)構(gòu)功能和安全性能，因此每年需要花費(fèi)數(shù)百億歐元進(jìn)行維護(hù)。因此控制設(shè)備材料的微生物腐蝕迫在眉睫、不可小視！

    人物簡介

    劉宏芳，華中科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院副院長、材料與環(huán)境化學(xué)所所長，教授，南京市321科技領(lǐng)軍人才計(jì)劃，武漢市3551人才計(jì)劃及湖北省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)計(jì)劃獲得者。兼任中國腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)水環(huán)境專業(yè)委員會(huì)委員，湖北省暨武漢市腐蝕學(xué)會(huì)常務(wù)理事及副秘書長。

    1992年畢業(yè)于華中理工大學(xué)化學(xué)系獲學(xué)士學(xué)位，1997年畢業(yè)于華中理工大學(xué)化學(xué)系獲工學(xué)博士學(xué)位，2000年畢業(yè)于華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院獲工學(xué)博士學(xué)位，2003-2005年任國立廣島大學(xué)研究員。2000.6-現(xiàn)在歷任華中科技大學(xué)副教授、教授、博士生導(dǎo)師。近年來完成中石油、中石化及中海油相關(guān)項(xiàng)目30余項(xiàng)，國家及省部級(jí)項(xiàng)目8項(xiàng)，發(fā)表論文150余篇（SCI論文50余篇），國家發(fā)明專利18項(xiàng)，獲武漢市科技優(yōu)秀論文二等獎(jiǎng)一項(xiàng)、勝利油田科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)一項(xiàng)。