1　引　言

    海洋微生物腐蝕的研究進展海洋中存在著種類繁多的微生物， 它們附著于工程材料表面， 形成生物膜（Biofilm）， 在生物膜內部，pH 值 、溶解氧、有機物和無機物種類等因素都與海洋本體環(huán)境完全不同， 生物膜內微生物的活性控制著電化學反應的速率和類型 ,這種受微生物影響的 金 屬 和 合 金 的 腐 蝕 稱 為 微 生 物 腐 蝕（Microbiologically Influenced Corrosion, 簡 稱MIC）。微生物腐蝕雖然早在 60 年前就已被人們所認識 ,但最初人們對微生物腐蝕的認識僅限于個別的微生物腐蝕失效事故的描述。到 80 年代中期 ,隨著表面分析技術（如環(huán)境掃描電鏡、原子力和激光共焦顯微鏡）的發(fā)展 ,人們可以測量生物膜的厚度和組成， 使得精確確定微生物和腐蝕之間的空間關系成為可能， 微生物腐蝕的研究也從失效事故的表面現象變?yōu)槿找娉墒斓慕徊鎸W科 。

    2　影響腐蝕的微生物

    微生物腐蝕的本質是微生物新陳代謝的產物通過影響腐蝕反應的陰極過程或陽極過程， 從而影響腐蝕速率和類型 , 因此， 人們常按影響腐蝕的機制的不同來劃分微生物的種類：如硫酸鹽還原菌（Sulfate-reducing Bacteria ,簡稱SRB）、產酸菌（Acid-producing Bacteria）、產粘泥菌 （Slime-producingBacteria）、產氨菌（Ammonium-producing Bacteria）等。

     硫酸鹽還原菌（SRB）是一種專性厭氧菌 , 它是一些能夠把 SO₄^2-還原成 S ^2-而自身獲得能量 、在生理和形態(tài)上完全不同的多種細菌的統(tǒng)稱， 幾乎對所有的金屬和合金（鈦合金除外）的腐蝕都能產生影響， 如碳鋼、不銹鋼 、銅和銅合金、鎳及其合金。

    產酸菌能夠將可溶性硫化物或氨轉變?yōu)榱蛩峄蛳跛?,降低局部的 pH 值而加速金屬的腐蝕 。產粘泥菌也是海水中數量較多的一類細菌 ,它們能產生一種膠狀的、附著力很強的沉淀物 ,這種沉淀物附著在金屬或合金的表面， 形成差異腐蝕電池而導致局部腐蝕。產氨菌是能夠產生 NH₄⁺ 的細菌， 該類細菌對于銅和銅合金的腐蝕影響特別大， 能大大提高銅合金應力腐蝕開裂的敏感性 。

    實際上，在天然環(huán)境中，不存在只有單一細菌的環(huán)境。S .C .Dexter 認為生長在自然或人工環(huán)境中的微觀生物都有影響腐蝕的潛力 ,這種對腐蝕的影響可以是加速、中立和減緩的 。當微生物成為影響腐蝕速率的主要因素時 , 腐蝕通常更趨局部化和更高的腐蝕穿孔速率 。

    3　細菌的培養(yǎng)與測量方法

    SRB 的培養(yǎng)與測量方法 , 分為培養(yǎng)方法和直接測量法兩類 。培養(yǎng)方法是先對細菌進行培養(yǎng) , 再用顯微鏡或統(tǒng)計方法進行計數 ;直接測量法是最近發(fā)展起來的生物化學方法， 通過測量細菌中某種特定化學物質，來確定細菌的數量 。本文將介紹三種培養(yǎng)方法和直接測量法 。

     3.1　培養(yǎng)方法

    （1）最 大 可能 菌 數 法（The Most ProbableNumber, 簡稱 MPN 法）　該方法在標準 API RP-38中有詳細的描述 ,培養(yǎng)基采用以乳酸鈉為碳源的液體培養(yǎng)基 ,成分列于表 1。

    當水樣中含有 SRB 時， 它們把 SO₄^{2 -}還原成S ^{2 -} , S ^{2 -} 與 Fe ²⁺ 生成黑色的 FeS 腐蝕產物， 28 天后，若培養(yǎng)基變黑則表示有 SRB 存在。測試過程是先用 1ml 的注射器吸取 1ml 的待測水樣， 注入含有9ml 培養(yǎng)基的測試瓶 ,稀釋度為 10 倍 ,充分搖勻后 ,再用一個新的無菌注射器從該瓶中吸取 1ml 培養(yǎng)基，注入下一個測試瓶，重復以上操作形成一系列不同稀釋度的測試瓶， 平行樣可以是 3、4 或 5個 ,通過查表即得待測水樣中的細菌數量。

    （2）瓊脂培養(yǎng)基法（Agar Deeps法） 該法是由Biosan 實驗室開發(fā)的一種 SRB 的測量法 ,通過培養(yǎng)基變黑的快慢來估計待測水樣中細菌的相對含量 ,計數方法見表 2。

    實驗過程是用一個移液管在待測水樣中蘸一下， 然后接種到一個裝有半固體的瓊脂培養(yǎng)基中 ,將測試瓶密封， 每天檢查小瓶黑的程度， 按表 2 的方式報告細菌數量 ,實驗時間為 5 天。

    （3）液體瓊脂試管法（Melt Agar Tubes 法）　該法由 Nalco 化學公司開發(fā)的 SRB 的測量法， 它利用色氨酸作為唯一的營養(yǎng)源，其組成見表 3 。

     將測試管置于沸水中融化， 然后自然冷卻至 40～ 45℃， 將待測水樣稀釋到 10⁶,一系列稀釋度的待測水樣用移液管加入到測試管底部，然后塞緊， 培養(yǎng)三天 ,則水樣中的細菌數量為離散的細菌群落的數量乘以水樣的稀釋倍數 。如果試管全部變黑， 無可見的細菌群落 ,表明SRB 數量太多而超出范圍 。

     三種培養(yǎng)方法的優(yōu)缺點：MPN 法精度最高 , 但所需時間長， 且需專用設備；瓊脂培養(yǎng)基法的優(yōu)點是簡單易行 ,不需要專用設備， 缺點是 5 天時間不能使SRB 充分地生長， 且實驗中需要每天觀察和記錄；液體瓊脂試管法的優(yōu)點是不需專用設備， 缺點是在現場測試中不易實現，且實驗數據不易處理 。

     3.2 　直接測量法

    （1）三磷酸腺苷（ATP）法　該法是通過測量水樣中 ATP 的含量來估計 SRB 的總數。ATP 是所有生命中都存在的化合物 , Littman 提出用 ATP 法來估計油田注水中 SRB 的相對含量。實驗方法是先將水樣過濾以除去固體顆粒和鹽份 ,再加入一種試劑使細菌釋放出 ATP ,然后加入一種能夠與 ATP發(fā)生光化學反應的酶，用光度計測量發(fā)光量 ,細菌的數量與測得發(fā)光量成正比。

    （2）體外熒光表面抗體（ECSA）法 　該法是利用 SRB 表面一種特殊的抗體來對 SRB 進行測量。 附著在 SRB 表面的抗體與一種熒光化合物相結合，利用一個綠色的熒光玻片， 在螢光顯微鏡下就可看到帶有這種抗體的細菌 ,并進行計數。

    （3）腺苷酰硫酸還原酶抗體（ARA）法 　該法是利用一種所有 SRB 中都含有的腺苷酰硫酸還原酶抗體來進行測量 。所測樣品先用水洗去表面的H?2?S ,再用超聲波儀打破細菌的團束， 使之釋放出腺苷酰硫酸還原酶 。將待測水樣經過一個多孔泡沫滴到移液管中，用水沖洗 4 次， 再滴入顯色劑， 如果水樣中含有腺苷酰硫酸還原酶， 則多孔泡沫在 10min內變蘭，顏色的深度與水樣中酶的含量成正比 ,通過與比色圖上的顏色對比來估計 SRB 的含量 。

    三種直接測量法也各有優(yōu)缺點 :ATP 法優(yōu)點是結果可以在1h 內得到 ,缺點是要求水樣相對比較干凈；ECSA 法的結果也可在 2 ～ 3h 內得到 ,缺點是檢測上限為 10⁴個/ml ,限制了其使用 ;ARA 法的優(yōu)點是結果可以在 15min 內得到， 不需要昂貴的儀器 ,可在現場使用， 缺點是檢測上限為 10³個/ml 。

    總之 ,每種方法都各有優(yōu)缺點 ,實驗人員應根據不同的測量精度要求、水樣狀況、儀器設備、實驗時間等要求 ,選擇適宜的測量方法。

    4　微生物腐蝕研究中的表面分析方法

    微生物腐蝕都是電化學過程， 吳建華 等人已撰文對微生物腐蝕的電化學研究方法進行了評述 。

    然而， 要對所得的電化學數據和腐蝕機制作出合理的解釋 ,必須借助于表面分析技術。在微生物腐蝕的研究中， 常用的表面分析技術有 :環(huán)境掃描電鏡（ESEM）、掃描電鏡（SEM）、能譜（EDS）、俄歇電子能譜（AES）、X 射線光電子能譜（XPS）等。

    ESEM 和SEM 都是進行表面形貌分析的技術 ,常與 EDS 聯(lián)用進行成分分析 。Little 和 Wagner 等人最早將 ESEM/EDS 應用于微生物腐蝕研究 ?,該儀器利用獨特的二次電子探測器在 0.1 ～ 20 托的壓力范圍內形成高清晰度的圖象， 對于多水的 、具有生物活性的生物膜來說， ESEM/EDS 是一種原位的、無傷探測方法 。SEM/EDS 由于在高真空下進行測試 ,需要對試樣進行固定、脫水和噴導電涂層 ,試樣制備過程較復雜， 會破壞生物膜的結構 ,因此 ,SEM 形成的圖象具有一定的誤差 ,在分析實驗結果時應考慮到這一點。

    俄歇電子能譜（AES）和 X 射線光電子能譜（XPS）常用于研究微生物腐蝕的產物 , 這種測量對于理解腐蝕機制大有幫助。 R.A .Sadowski 和 R.Clayton 分別利用 AES 、XPS 研究了不銹鋼在含有SRB 的介質中的腐蝕產物 ,提出了腐蝕機制。

    5　幾種常見合金的微生物腐蝕

    人們最先研究的是碳鋼的微生物腐蝕， 自 1934年， Von Wolzogen Kuhr 等人提出了經典的陰極去極化理論 ,這種 SRB 對碳鋼腐蝕的影響機制已被人們所廣泛接受 ?。目前研究最多的是不銹鋼、銅及銅合金、鎳合金的微生物腐蝕 ,本文將著重介紹這幾種合金的腐蝕 。

    （1）不銹鋼 　不銹鋼的微生物腐蝕最常見的形式是焊縫區(qū)的點蝕 , Scot 等人報道了 904L 奧氏體不銹鋼的微生物腐蝕。Borenstein 研究了 304L和 316L 不銹鋼的焊縫區(qū)的微生物腐蝕 , 發(fā)現奧氏體和 δ亞鐵相都具有微生物腐蝕的敏感性 。

    Stein 研究發(fā)現不銹鋼的 MIC 敏感性與制造工藝有關， 退火可以減小不銹鋼點蝕的敏感性 。

    大量文獻報道了不銹鋼在天然海水中自腐電位E corr 正移的現象 , S.C.Dexter 等人研究了其腐蝕機制 ?。不銹鋼的微生物腐蝕是目前研究的熱點之一 ,人們正試圖探索不銹鋼的合金組成與微生物腐蝕敏感性之間的聯(lián)系， 以增強不銹鋼在海洋環(huán)境中的耐蝕性能 。

    （2）銅和銅合金　銅合金對微生物腐蝕非常敏感， 人們提出了很多銅合金 MIC 的機制如：氧濃差電池 、選擇性溶解 、膜下腐蝕和陰極去極化等。Pope等人提出以下新陳代謝產物可能加速銅合金的局部腐蝕， 如：CO ₂ 、H ₂ S 、NH ₃ 、有機酸、無機酸和硫化物 。McNeil 提出了銅合金在 SRB 環(huán)境中微生物腐蝕的機制，認為腐蝕是由于 SRB 新陳代謝產生的S 2- 與 Cu 2 O 膜發(fā)生反應， 破壞了合金的穩(wěn)定性引起的 。

    引起銅合金微生物腐蝕的細菌不只是 SRB。 Pope 研究了電廠淡水和海水冷卻系統(tǒng)中 90/10 銅鎳合金、海軍黃銅 、鋁黃銅和鋁青銅管的微生物腐蝕，大多數銅鎳管是由于產粘液菌在表面附著而造成的 ,并從遭受應力腐蝕開裂的海軍黃銅的垢下分離出了產氨菌 。

    （3）鎳合金 　最典型的鎳合金是 Monel 400, 它在含 Cl - 的環(huán)境中具有點蝕和縫隙腐蝕的敏感性，而硫化物也能破壞其鈍化膜 。Gouda 等人研究了Monel 400 在阿拉伯灣發(fā)生的 SRB 膜下的點蝕和鎳的選擇性溶解 。

    625 合金（UNS N06625）也是一種應用較多的鎳合金，D .G .Enos 等人研究了 625 合金在天然湖水中的微生物腐蝕 , 表明 625 合金在天然湖水中浸泡數小時后， 自腐電位 E corr 明顯負移， 腐蝕速率明顯加快，Ni（OH） 2 是 625 合金的腐蝕產物 , 而對其腐蝕機制的研究還較少。

    6　微生物腐蝕研究的發(fā)展趨勢

    微生物腐蝕經過幾十年的研究， 已經從個別的失效事故的描述性的報道 , 轉移到腐蝕過程和機制的研究 ,主要集中在用電化學方法和表面分析技術來研究金屬和合金的腐蝕機制 。未來的發(fā)展趨勢將是從宏觀到微觀 ,用基因探針 、微電極以及掃描振動電極來進一步揭示生物膜和腐蝕過程之間的空間關系和微觀機制。

    基因探針作為一種最新發(fā)展的生物測量技術 ,可在實驗室內和現場用于對生物膜內的細菌進行快速、原位的測量 ;微電極技術可以測量生物膜內的物理化學環(huán)境， 如 pH 值 、溶解氧 、氧化還原電位 E h ,以及鐵、錳、氯等離子 ,Dexter 等人已經在這方面進行了一些開創(chuàng)性的工作 ?。掃描振動電極系統(tǒng)用于微生物腐蝕的研究， 可以測量電極表面的電流密度分布和電位分布， 結合表面分析技術 ,對于探討微生物腐蝕機制大有幫助。

    微生物腐蝕的工業(yè)現場原位監(jiān)測與控制技術也是微生物腐蝕研究的重要發(fā)展方向和現實問題。

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責任編輯：殷鵬飛

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