文 | 鄭萌 張一夢

中國科學院海洋研究所 海洋環(huán)境腐蝕與生物污損重點實驗室

科技部國家海洋腐蝕防護工程技術(shù)研究中心

法國作家圣埃克蘇佩里的《小王子》，是小朋友們和大朋友們都喜歡的一部作品，其中有一句話想必大家耳熟能詳“真正重要的東西，是眼睛看不見的”。今天，咱們就來聊聊一種看不見的“小生命”，以及它和金屬“生銹”之間割不斷的聯(lián)系。

舉足輕重的“小生命”

微生物是一種看不見、摸不著，但實實在在存在的“小生命”。你知道地球上的微生物有多少嗎？告訴你一個驚人的數(shù)字，如果將地球上的生物放于天平上稱量，微生物占總重量的 60%。微生物存在于我們身邊，就連我們體內(nèi)都存活著大量的微生物。如果將生存于我們身體的所有微生物集中起來稱重，能占到我們體重的 3%——也就是說 60 公斤的大人體內(nèi)，竟然有 1.8 公斤的“小生命”存活著呢。

最 大 的 微 生 物 尺 度 約 為100 ～ 750μm，而最小的微生物只有10nm 左右。例如，大腸桿菌為桿狀，它們的長度約 2~3 μm，300~500 只大腸桿菌排成直線才有大約1mm的長度。

微生物有好的也有壞的。大腸桿菌是腸道中最主要且數(shù)量最多的一種細菌，如果其中致病性的一類大量繁殖，會讓人拉肚子。我們喝的酸奶里常添加的保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌等等，則是一類有益菌。它們可以促進消化吸收，提高機體免疫，還能抑制有害菌的生長。青霉素則可以稱得上“拯救人類的真菌”。1928 年英國細菌學家弗萊明發(fā)現(xiàn)青霉素，邁出了造福人類的第一步；1940 年澳大利亞病理學家弗羅理和德國化學家錢恩對青霉素進行提純并應(yīng)用于醫(yī)療，拯救了無數(shù)人的生命。

圖1 實驗室培養(yǎng)的海洋微生物（馬巖博士 拍攝）（左：珊瑚表面分離純化的細菌；右：海中金屬生銹層中分離純化的細菌）

微生物如何“吃掉”金屬

很久以來，這些“小生命”的另外一種作用——對金屬腐蝕的影響都是科學家研究的一項課題。金屬腐蝕，也就是我們常說的“生銹”，是金屬在環(huán)境中發(fā)生的一類化學和電化學反應(yīng)。它不僅會導(dǎo)致設(shè)施設(shè)備的結(jié)構(gòu)損傷，縮短其壽命，還可能引起突發(fā)性災(zāi)難事故，污染環(huán)境，或造成重大財產(chǎn)損失和人員傷亡。

2001 年，宜賓金沙江大橋吊桿發(fā)生腐蝕斷裂，部分橋面垮塌，造成多人傷亡，經(jīng)濟損失數(shù)千萬元；2013 年 11 月，山東黃島發(fā)生爆炸事故，造成62人死亡、136 人受傷，直接經(jīng)濟損失超過 7.5 億元。調(diào)查報告指出，該事故直接原因是“輸油管道與排水暗渠交匯處管道腐蝕減薄、管道破裂、原油泄漏”，撞擊火花引發(fā)油氣爆炸。這些都是腐蝕的危害。經(jīng)過我國各行業(yè)專家長達兩年多的調(diào)查，2014 年我國腐蝕成本約為 21,278億元，這是一項非常驚人的經(jīng)濟損失。

圖2 金屬的“生銹”帶來的危害超過自然災(zāi)害總和（國家海洋腐蝕防護工程技術(shù)研究中心制作）

那么，金屬“生銹”是怎么和咱們身邊這些看不見的“小生命”搭上界的呢？這是因為微生物的生存和繁殖，會改變金屬表面的環(huán)境，例如氧氣濃度、酸堿度，各種離子濃度還有導(dǎo)電性等等，而這些因素都可以對金屬腐蝕產(chǎn)生影響。在水溶液中，細菌和其他微生物會在金屬表面形成一層薄薄的生物膜，在這個生物膜中會發(fā)生大量的化學反應(yīng)。所以說這些“小生命”也開起了一間間工廠呢。

舉例來說，有一類叫做硫酸鹽還原菌的“小生命”，這類細菌能把一些硫酸鹽通過代謝進行還原。它不是一種細菌，而是一類細菌的統(tǒng)稱，在大自然中的各種各樣的環(huán)境中都生活著，例如海水、河水、土壤還有油田等等，在自然界硫的化學循環(huán)中發(fā)揮著重要的作用。一般來說，硫酸鹽還原菌可以加速鋼鐵的腐蝕。

關(guān)于它加速腐蝕的原理，科學家們有過各種各樣的解釋。有些人認為，硫酸鹽還原菌代謝可以產(chǎn)生硫化氫和一些生物有機硫化物，它們和環(huán)境中的腐蝕離子產(chǎn)生協(xié)同作用，這種酸度環(huán)境會加速金屬的腐蝕；還有一些人認為，硫酸鹽還原菌的代謝可以吸收鐵原子里面的電子，促進鐵原子失去電子變成鐵離子，也就促進了腐蝕的化學反應(yīng)。這些小生命不但能夠加速鐵的腐蝕，對不銹鋼也不“示弱”，實驗證明，它的生長和代謝可以讓不銹鋼的鈍化作用降低。

圖3 顯微鏡下金屬表面的硫酸鹽還原菌（段繼周研究員 拍攝）

當然，微生物對腐蝕的影響也不能一概而論。比方說，含有微生物的生物膜在金屬表面也能夠形成有機障礙層，從而對腐蝕的化學反應(yīng)起到隔斷作用；另外，有一些消耗氧氣的細菌，可以降低金屬表面氧的濃度，而氧氣又是金屬腐蝕所必須的。所以說，很多情況下，生物膜可以減少金屬大面積的均勻腐蝕。不過，個別的微生物品種還是容易造成金屬的局部腐蝕，導(dǎo)致金屬生成小孔或發(fā)生斷裂等等，其威力也不可小視呢。

圖4 硫酸鹽還原菌讓腐蝕更嚴重的一種解釋（圖片來源：中國科學院海洋研究所陳士強博士學位論文）

圖5 碳鋼浸泡在硫酸鹽還原菌海水里產(chǎn)生的小腐蝕坑（圖片來源：中國科學院海洋研究所陳士強博士學位論文）

近些年，科學家們在關(guān)于細菌（包括厭氧菌和耗氧菌等）對金屬腐蝕影響方面的研究，取得了越來越深入的成果，我們也期待有一天，人類能夠調(diào)節(jié)和利用這些生活在金屬表面的“小生命”，讓它們更好地保護金屬而不是“吃掉”金屬。

（本文中標明來源的圖片均已獲得授權(quán)）

作者簡介：

鄭萌，中國科學院海洋研究所海洋環(huán)境腐蝕與生物污損重點實驗室，高級工程師。2012 年畢業(yè)于日本北海道大學工學院，獲得材料科學博士學位。參加工作以來，熱心科普活動。2015 年成立“蔚藍海岸”科普團隊，科普作品3次入圍“科普中國”項目，文章在騰訊、新浪、網(wǎng)易等各大網(wǎng)站刊登并獲得數(shù)十萬點擊量。參與創(chuàng)作《吃金屬的海風》科普動畫和“中國腐蝕調(diào)查”視頻短片。5 年間，赴全國 30 余所中小學做海洋腐蝕科普報告，并擔任青島大學路小學海洋社團輔導(dǎo)老師、青島市南區(qū)實驗小學海洋教育專家。2018 年加盟央視少兒頻道科普真人秀“問海夏令營”，帶領(lǐng)“海表最強金屬戰(zhàn)隊”營員獲得最佳學識獎。