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張盾：向海圖強，直面海洋腐蝕難題

2021-08-11 09:53:28 作者：王元來源：中國腐蝕與防護網分享至：

“日月之行，若出其中。星漢燦爛，若出其里。”蔚藍色的海洋，波濤洶涌，無邊無際。自古以來，它既是文人墨客傾灑文思的地方，也是巨大的資源寶藏。我國既是陸地大國，也是海洋大國。自黨的十八大提出建設海洋強國的戰略目標以來，我國邁出了從海洋大國向海洋強國轉變的穩健步伐。海洋經濟的快速發展，船舶逐漸向大型化、智能化、綠色環保方向發展，海洋工程裝備也由近海、淺海走向遠海、深海，對船舶與海洋工程材料的性能提出了更高的要求。如何強化和提高船舶、海工裝備、海洋設施在復雜海洋環境下的抗腐蝕性能成為我國走向深遠海的當務之急。為此，我們特邀請到中國科學院海洋研究所張盾研究員做相關方面的精彩解讀。

張盾，中國科學院 “BR計劃” 學者，中國科學院海洋研究所研究員、博士生導師，中國科學院海洋環境腐蝕與生物污損重點實驗室主任，中國腐蝕與防護學會副理事長、中國海洋與湖沼學會理事、中國海洋與湖沼學會海洋腐蝕與污損專業委員會主任、山東省暨青島市腐蝕與防護學會理事等，多年來一直從事海洋腐蝕與生物污損防護方面研究工作，是海洋防腐研究領域的權威專家。

張盾研究員

記者：隨著海洋資源的不斷開發，海工裝備、海洋設施的腐蝕防護也愈加受到重視，海洋環境腐蝕與生物污損是海工裝備、海洋設施面臨的難題。請您談談海洋防腐的重要意義。

張盾：海洋腐蝕和生物污損是人類開發利用海洋過程中必須面臨的考驗。由于海洋環境的苛刻性，海洋腐蝕危害嚴重。一方面海洋腐蝕造成巨大的經濟損失，根據侯保榮院士主持的全國腐蝕調查結果表明，2014年我國由腐蝕造成的經濟損失約占當年GDP的3.34%，其中海洋腐蝕損失占總腐蝕損失的三分之一左右，超過7000億元。另一方面海洋腐蝕威脅人身安全與海洋生態環境。由海洋腐蝕引起的英國北海“亞歷山大基定德”號鉆井平臺坍塌、英國石油公司墨西哥灣“深水地平線”鉆井平臺爆炸、山東黃島排水暗渠爆炸等事故都是由于海洋腐蝕引起的。不僅造成人員傷亡，也帶來環境污染和生態影響等問題。海洋生物污損也造成海洋裝備能耗大、裝備材料受損、不能正常服役等問題。

所以，海洋腐蝕與生物污損的防護是海洋裝備和海洋設施安全服役的保障，必須進行的一項工作。有研究表明，正確的海洋腐蝕防護可以減少25-40%的經濟損失。同時綠色防腐技術也是改善海洋環境和生態的不能回避的一個方面。這就是海洋環境腐蝕與防護技術研究的意義所在。所以，有總結說，腐蝕是安全問題、腐蝕是經濟問題、腐蝕是生態文明問題。

記者：您主要從事海洋環境腐蝕與生物污損的研究工作，并取得了諸多卓越的科研成果。身為科研表率，請您談談做好這類工作的關鍵是什么？您和您的團隊做出了哪些努力和成果？

張盾：海洋環境的腐蝕苛刻性不僅來自海水因含有大量的鹽類所具備的強電解質溶液性質，而且與其生物活性密切相關。微生物腐蝕在海洋工程裝備與設施的金屬材料的腐蝕失效中的作用不可忽視，如鋼樁在緊鄰低潮線下發生的低水位加速腐蝕現象就是海洋微生物腐蝕的典型實例。研究表明海洋微生物的參與導致最大腐蝕速率是其他海洋腐蝕區帶的20-100倍，大大增加了腐蝕的危害。

碼頭用鋼在不同腐蝕區帶腐蝕速率對比圖

早在19世紀中葉到20世紀20年代，人們就已意識到了微生物參與并影響腐蝕過程，而且確定了硫酸鹽還原菌在微生物腐蝕中的重要性。隨后，在20世紀20年代到60年代之間，出現許多里程碑式的研究結果，如氧化還原電位可作為MIC的重要指示、氫化酶的發現、首例由MIC導致的地下管道破壞事故的確定、SRB經典陰極去極化理論的提出等。在之后的很長一段時間內，由于微生物腐蝕研究體系復雜且多變，傳統的研究手段無法支撐機制研究的突破，微生物腐蝕研究長期處于停滯不前的狀態。國際上很多研究人員因為成果產出周期長、經費來源少等問題，紛紛轉向其他方向的研究，微生物腐蝕研究成為“冷門”方向。

自2006年入選中國科學院BR項目后，我回國到中國科學院海洋研究所從事海洋腐蝕與防護的研究工作。發現微生物腐蝕研究非常重要，但我國在該領域研究力量薄弱，這對腐蝕學科發展尤其不利。作為腐蝕研究工作者，要有承擔微生物腐蝕研究的責任，要敢于啃硬骨頭，有堅持開展微生物腐蝕研究的決心。另外，中國科學院海洋研究所在海洋腐蝕研究方面已有60年的積累，尤其是侯保榮院士等老一輩科學家在微生物腐蝕研究方向取得了一些重要進展，需要有新生代不斷加入傳承這一重要方向。在此背景下，嘗試開展海洋環境微生物腐蝕機理及防護新材料的研究工作。

首先是海洋環境微生物腐蝕機理研究需要解答：誰在腐蝕金屬？為什么腐蝕金屬？如何腐蝕金屬？這幾個基本問題。我們團隊立足海洋環境，在近海典型海域（三亞、青島等）、深海冷泉等環境進行了實海掛片，解析了不同金屬材料表面的微生物群落演替規律，分離出了近百種微生物，評價了其腐蝕活性，篩選出了十余株腐蝕促進細菌。研究了所篩選出的細菌對腐蝕的影響，代表性工作包括：采用陣列電極技術追蹤了細菌作用下的不均勻腐蝕過程，揭示了生物膜發展不均勻誘發不均勻腐蝕的作用機制；建立了硝酸鹽濃度、溶解氧濃度、電子供體種類、群體感應信號分子等環境因素對生物膜群落結構組成、生物膜結構、生物膜功能的影響及其對腐蝕影響的相關性，解析了生物膜功能與結構的環境依賴性所致腐蝕影響的差異機制；研究了合金元素、不同相結構、相比例等對生物膜的影響及其與腐蝕影響的關系，揭示了材料表面性質對生物膜的調控及其腐蝕影響機制；開展了大氣/海水交界環境下的微生物腐蝕研究，解析了交界環境脅迫對腐蝕的作用機制。這些工作的開展對系統深入理解海洋環境微生物腐蝕機理及相應的腐蝕防護具有重要的推動作用。

其次，為了加強工程監管與環境監測，建立快速、準確、可靠的腐蝕微生物檢測方法是十分迫切的。但是目前腐蝕微生物檢測最常用的是國標MPN法，需要經歷至少15天才能完成整個檢測過程，既耗時又耗力。此外，其它已報道的腐蝕微生物檢測技術均是以生物材料特異性識別為基礎的，存在應用普遍性與穩定性的不足等技術難題，距離實際需求仍有較大距離。我們團隊針對這些腐蝕微生物檢測技術難題，構建了一系列新型腐蝕微生物檢測技術，對各類檢測方法的基本原理、構造、實現及性能評價結果展開了系統的研究，創新性的提出了構建差異化識別策略的思路，針對不同的應用場景設計了差異性識別策略，實現了海洋環境中腐蝕微生物的穩定、快速檢測，解決了腐蝕微生物識別特異性與應用普遍性的矛盾。同時，研究構建了多種“電子舌”微生物鑒定系統，模擬人類的舌頭對不同味道的感應，成功實現了對多種腐蝕微生物的同時識別、分析和鑒定，解決了單一識別材料特異性不足的問題，擺脫了專業設備和操作的限制，操作便捷、快速，為微生物的鑒定和檢測提供了新方法。

鑒于微生物腐蝕造成的巨大腐蝕損失，發展海洋先進防腐技術對抵御海洋微生物腐蝕蝕具有重大意義的。我們團隊基于典型海洋腐蝕微生物硫酸鹽還原菌的代謝特性，從綠色原料、合理設計、應用前景角度出發，開發了包括金屬-多酚涂層在內的系列具有硫離子響應釋放防污劑性能的智能防腐涂層，智能涂層主動響應腐蝕微環境中硫化物濃度變化，實現防污劑定時、定點、定量控制釋放，通過按需釋放防污劑來抑制微生物在涂層表面附著過程，從源頭上阻止了微生物腐蝕行為的發生，也避免了傳統涂層中防污劑的“爆釋”及一系列所導致的成本、環境問題，這些研究為海洋微生物腐蝕防護提供了新思路。

仿生超疏水表面在腐蝕防護領域展現出巨大的潛力。但是，其表面的機械穩定性差限制了其應用。針對這一問題，我們團隊從多個角度強化微結構/基體界面穩定性，從而實現高穩定性超疏水表面的設計構建。從化學反應的角度，基于硅酸鹽與氧化物顆粒進行化學反應，通過脫水縮合形成硅氧鍵和硅酸鹽網絡結構，實現了微結構的界面強化；從自修復的角度，基于自修復聚合物作為疏水材料與基體的界面強化劑，通過聚合物的自修復行為驅動超疏水涂層的自修復，實現了疏水納米顆粒與金屬之間的界面強化和拒水性的可逆性?；谏鲜鑫⒔Y構/基底界面強化有效提升了超疏水表面穩定性，以適應實際環境中可能發生的物理破壞（線性磨損、砂子沖擊、雨水沖擊等）和化學侵蝕（酸雨侵蝕、海水侵蝕等），為提高超疏水性表面海洋長期腐蝕防護提供了基礎。

最后，為保護海洋生態環境，環境友好海洋防污材料研究一直是國際相關基礎研究領域前沿。開發適應海洋環境且價格低廉的環境友好防污材料依然是一項具有挑戰性的工作，大量基礎性科學問題亟需解決。我們團隊深入研究了催化防污反應調控機制，力圖打破不同催化體系技術壁壘，尋求多催化功能偶聯集成解決方案。具體基于具有獨特結構和合適禁帶寬度的鉍系半導體材料，通過材料設計和工藝優化可控制備出系列高可見光催化防污活性材料，特別是在分子層面解析了光催化活性增強調控機制、在應用層面解決了光催化活性材料暗態無防污活性的應用瓶頸、在工藝層面簡化高活性光催化材料工藝流程并發展了高活性太陽能驅動功能防污薄膜可控制備新技術。同時，為提高納米酶在海洋環境的防污活性，并克服單體納米酶團聚易失活以及貴金屬納米酶價格昂貴的性能瓶頸，提出了采用前驅體拓撲轉化技術可控合成多種廉價金屬氧化物和硫化物為基礎的仿生復合納米酶防污新材料的新思路，解析了分子防污機制，可適配海洋環境，有力推動了仿生納米酶防污新技術在海洋防污領域的實際應用。并結合3D打印技術開發了多種適配海洋監測儀器的防污功能部件，有助于解決海洋儀器防污難題。

上述研究多學科交叉，具有很好的創新性，為我國環境友好海洋防污材料領域提供了理論和技術基礎。同時，上述基礎研究成果具有自主知識產權，未來有望實現成果轉化，將助力于解決我國在海洋防污先進技術領域的“卡脖子”現狀。這些工作在《Corrosion Science》、《Applied Catalysis B-Environmental》、《ChemicalEngineering Journal》、《Journal of Hazardous Materials》、《Biosensors & Bioelectronics》、《中國腐蝕與防護學報》等期刊發表論文200余篇、出版專著4部、獲得授權國家發明專利30余項。

在完成上述工作的過程中，也培養了一些優秀的青年人才，形成海洋研究所的“微生物腐蝕與控制”團隊。比如，王鵬研究員承擔了國家自然科學基金優秀青年項目、獲得中國腐蝕與防護學會首屆杰出青年學術成就獎等獎勵，在超浸潤仿生材料腐蝕防護研究方面頗有造詣；王毅研究員也獲得了腐蝕與防護學會杰出青年學術成就獎，在仿生材料海洋防污研究方面有很深的積累；戚鵬研究員作為科協青年人才托舉工程項目入選者，在海洋微生物腐蝕檢測研究方面工作突出；吳佳佳博士一直拼搏在海洋環境微生物腐蝕機理的研究中。隨著人事體制的改革，有更多的多學科的特別研究助理加入到研究團隊中。

研究生也是我們研究團隊的生力軍，研究生的培養也是工作的重要部分之一。自2006年我回國以來共培養“海洋腐蝕與防護”專業碩士、博士研究生54人次。在培養研究生方面，我期望他們青于藍而勝于藍。所培養的研究生獲得中國科學院及國家級獎勵近40人次，我本人也因為在研究生培養方面的成績獲得了中國科學院朱李月華優秀教師獎、山東省優秀導師獎等稱號。這些人才培養不僅推動了團隊在海洋環境腐蝕與防護研究方面的進展，也為我國腐蝕與防護事業的發展壯大貢獻了力量。

記者：請回憶一下您這些年的科研歷程，并談談您對科研的建議和看法？

張盾：我是1987年畢業于北京理工大學（當時為“北京工業學院”）金屬材料專業，畢業后在東北機器制造廠技術處從事進廠金屬材料的性能及熱處理工藝的工作。這段工作得到兩點印象：第一，從事科研工作是我的興趣和心愿；第二，工作對象是有應用背景的金屬材料。這兩點體會也讓我走向了后來的道路。1990年考入中國科學院金屬研究所研究生，師從王儀康先生，直至1999年12月主要從事油氣田環境的材料的研究。這段經歷讓我堅定了從事科研工作的愿望。接著到日本東京工業大學物質電化學專業做訪問學者、攻讀博士學位、做產學官連攜研究員，從事電化學基礎及應用的研究。這段經歷為我從事現在的工作做了基礎知識的儲備。直到2006年入選中國科學院人才項目來到中國科學院海洋研究所從事海洋腐蝕與防護的研究。

從1987年開始計算的話，我已經有34年的工作經歷。以下幾點是我做科研工作的體會和認識。

第一，有濃厚的科研興趣?？蒲泄ぷ魇且豁棽粩鄤撔碌墓ぷ?，需要更多的付出和投入。如果沒有濃厚的科研興趣，很難堅持做下去。

第二，良好的科研平臺。良好的科研平臺是科研工作的保障。中國科學院海洋研究所從上個世紀60年代初就開始從事海洋腐蝕與防護技術的研究工作，有了幾十年的積累，更是擁有學科帶頭人侯保榮院士。我國唯一具有海洋腐蝕與防護的博士和碩士授予點。具有國家和科學院級別的平臺。

第三，確定好研究方向。確定一個好的方向也是可持續開展科研工作的重要條件。我想大家都會有相同的認識。

第四，建設好創新的團隊。

最后，事情是人做出來的，需要一支富有創新力和活力、團結的隊伍。這也是做好科研的保障。

記者：您是中國科學院BR入選者，中國科學院海洋環境腐蝕與生物污損重點實驗室主任。請您談談如何打造一支精良的科研團隊？

張盾：我2006年入選中國科學院BR人才項目。剛回國時，海洋所里從事海洋腐蝕與防護的在職工作人員不足10人，當時由于科學院的機構改革，還不是一個獨立的部門。直到2008年，海洋研究所成立海洋腐蝕與防護研究發展中心，被推選為腐蝕中心主任主持工作。2013年，中國科學院海洋環境腐蝕與生物污損重點實驗室獲批成立，被任命為重點實驗室主任。根據科學院“一三五”規劃的部署，實驗室以海洋環境工程裝備和材料為對象，開展的研究匯集為三個主要方向：不同海洋環境因子對腐蝕作用的過程和機理，海洋污損生物腐蝕的關鍵過程、機理和防護技術，以及研制開發海洋腐蝕防護與監檢測的主要技術。

經過十余年的發展，實驗室已發展成為我國海洋腐蝕防護領域的重要力量。形成了一支擁有在編人員50人，總人數超過150人的研究團隊。2012年以后獲得批準先后建立了國家海洋腐蝕防護工程技術研究中心、中國科學院海洋腐蝕與生物污損重點實驗室、青島海洋科學與技術國家實驗室海洋腐蝕與防護開放工作室，也是中國科學院“十三五”和“十四五”規劃重要的研究方向、中國科學院海洋大科學中心的核心研究單元研究內容。

研究隊伍和研究方向的發展離不開重要項目的牽引，實驗室先后承擔和參與了國家科技支撐計劃項目，國家重點研發計劃、國家863計劃項目、國家973計劃項目、國家海洋公益性項目、國家自然科學基金項目、中國科學院先導性專項、中國科學院重要方向性項目、山東省和青島市科研項目、國際合作、企業合作項目等大量科研任務，取得了一系列重大創新性科技成果。主持了中國工程院重大咨詢項目“我國腐蝕狀況及控制戰略研究”。

在研究項目的支持下，我們在海洋環境腐蝕機理和防護技術方面累計發表SCI論文540篇，主編并由科學出版社出版學術專著16部，授權專利134件，牽頭起草、發布實施國家標準4項、山東省標準6項，獲各類科技獎項54項，其中省部級獎勵26項。此外，實驗室還擁有復層礦脂包覆防腐技術（PTC），混凝土防腐蝕技術（FCC），氧化聚合型包覆防腐蝕技術（OTC），陰極保護監測技術，雜散電流防腐技術，海洋污損防治技術，陰極保護技術等國際先進的腐蝕防護技術。這些技術已在眾多的海洋基礎設施進行了應用，取得了優異的防護效果，節支效益10多億元人民幣。

人始終是科研的核心，科研需要人的不斷傳承，因此人才引進和培養也是實驗室發展的決定性因素。實驗室一直非常重視團隊的建設。在侯保榮院士領導下，實驗室先后從國內外引進了學術帶頭人：王佳研究員、黃彥良研究員、李焰研究員、孫虎元研究員、張盾研究員、陳卓元研究員、付俊偉研究員等；引進國外青年人才：劉娜珍博士、張瑞勇博士、龐亮博士等。同時培養國內青年人才：段繼周研究員、李言濤研究員、李偉華研究員、王鵬研究員、張杰研究員、王秀通研究員、王毅研究員、田慧文研究員、王靜研究員、戚鵬項目研究員等等。使得研究隊伍從幾名研究員發展至今有19名研究員。并且聘任國際著名專家Tootu Tsuru、Hirovuki Tanabe、Omote Yoshihi、Frank Cheng、Tingyue Gu等為特聘研究員。正在引進外國專家（院士）Friedrich Widdel教授等人。在這些優秀的學術帶頭人的帶領下，全體實驗室成員團結奮斗，才能取得今天的成績，獲得今天的發展。

親身經歷實驗室的發展，我感到特別榮幸。我本人也在今年的實驗室工作會議上獲得研究室特別貢獻獎，倍感高興。

2021年7月12日研究室年中工作會議參會人員合影

張盾研究員在2021年7月12日研究室年中工作會議獲得實驗室特別貢獻獎

記者：目前海洋環境腐蝕與生物污損的研究領域面臨哪些機遇和挑戰？如何應對？您認為發展發展這一行業的關鍵是什么？以及海洋環境腐蝕與生物污損研究領域未來的科研方向？

張盾：近年來，微生物腐蝕研究關注度逐年增加，微生物腐蝕研究隊伍不斷有新生力量加入。隨著人類對微生物腐蝕機制的認知逐漸清晰，未來微生物腐蝕研究將回歸到問題的本質，包括模擬環境微生物腐蝕研究結果與實際環境微生物腐蝕過程的匹配度問題，實際環境中微生物活性對腐蝕過程的貢獻度問題等。在解決上述問題的基礎上，還需要開發生物膜微環境監測技術，智能化微生物腐蝕狀態分析技術，微生物腐蝕風險評價技術，環境友好型微生物腐蝕控制技術等。鑒于微生物腐蝕涉及生物、材料等多學科的交叉，希望有更多的、不同領域的科研工作者加入到這個研究領域。相信在同行的共同努力下，未來我國的微生物腐蝕機制研究一定可以引領國際前沿，相關微生物腐蝕防控技術開發也會實現從0到1的革命性突破，真正解決好海洋環境微生物腐蝕難題，為我國海洋戰略提供技術支撐和保障。

后記

長風破浪會有時，直掛云帆濟滄海。我們相信在張盾研究員為代表的廣大科研工作者們兢兢業業、科研報國的切實工作推動下，我國的海洋腐蝕防護事業會不斷地取得突破性的發展，中華民族海洋強國夢定會早日實現！

人物簡介

張盾博士2006年獲得中國科學院BR計劃學者的支持后，到中國科學院海洋研究所從事海洋腐蝕與防護工作。先后主持或參與了國家海洋公益性項目、國家科技支撐計劃項目、國家基礎研究計劃項目、國家重點研發計劃項目、國家自然基金項目等，并獲得中國科學院和山東省人才項目等。

組織并帶領團隊從事金屬材料在海洋環境中腐蝕機制與控制技術的前沿研究，研究結果已出版主編專著4部、期刊論文200余篇，在腐蝕領域最高影響因子期刊Corrosion Science上發表論文18篇，被SCI論文他引4000多次，獲得授權的國家發明專利30余件。多篇論文被評為ESI高被引論文；在國內外會議上多次做大會特邀報告和Keynote報告。先后多次獲得海洋工程科學技術獎、海洋科學技術獎、青島市自然科學獎、并多次獲得中國腐蝕與防護學會頒發的科學技術獎-優秀論文獎。并獲得青島市特貼專家、山東省TS特聘專家、山東省“三八紅旗手”、享受國務院政府津貼等稱號。

作為博士生導師，培養了50余名博士后、博士和碩士等海洋環境微生物腐蝕與防護技術的高端人才。其中多人次獲得國家優秀青年、中國腐蝕與防護學會的杰出青年、中國科協青年人才托舉工程入選者、山東省和青島市青年科技獎、國家獎學金、中國科學院各種冠名獎、山東省研究生創新獎、山東省優秀博士后等。因此張盾同志獲得中國科學院朱李月華優秀教師、中國科學院優秀指導教師、中國科學院優秀研究生指導教師山東省優秀博士后合作導師、山東省優秀導師等表彰。

積極參與學術活動，為推動海洋腐蝕與防護學科的發展做貢獻?，F任《中國腐蝕與防護學報》、《腐蝕與防護》、《環境裝備工程》、《海洋科學》等期刊的編委；中國腐蝕與防護學會副理事長、中國海洋與湖沼學會理事、中國海洋與湖沼學會海洋腐蝕與污損專業委員會主任、山東省暨青島市腐蝕與防護學會理事，參與相關的活動。作為會議主席組織了五屆海洋腐蝕與控制國際研討會、組織或參與組織全國腐蝕大會、“海洋腐蝕與防護”、“微生物腐蝕機制”等專題研討會。

作為中國科學院海洋環境腐蝕與生物污損重點實驗室的主任，自2013年實驗室正式成立主持工作至今，為實驗室的人才隊伍建設、科研成果的產出、國際合作的交流、“海洋腐蝕與防護”博士和碩士授予點的成立和發展都做出了努力和貢獻。所在團隊先后被批準建立了“國家海洋腐蝕防護工程技術研究中心”、“中國科學院海洋腐蝕與生物污損重點實驗室”等平臺。被評為中國科學院“一三五”規劃及“率先行動”第一階段的優秀的重點培育方向。

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