在日常生活中，腐蝕現象隨處可見，因為腐蝕而造成的材料失效比比皆是。腐蝕對國家造成的經濟損失不可小視，其中金屬腐蝕造成的損失為GDP的2 ～ 4％；據中國工程院重大咨詢項目結果顯示，2014 年我國的腐蝕總成本超過2.1 萬億元人民幣，約占當年GDP的3.34%，相當于每個中國人當年承擔1555 多元的腐蝕成本。據文獻報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及其代謝產物直接或間接地加速金屬材料腐蝕過程的現象，普遍存在于各種自然環境中，如水系統、土壤、油田系統等，是引起工程材料失效的一個主要原因。腐蝕除造成巨大的經濟損失外，安全問題以及環境問題越來越突出。如2013.11.22 中石化東黃輸油管道泄漏爆炸特別重大事故認定為責任事故，事故共造成62 人遇難，136 人受傷，直接經濟損失7.5 億元。為了全面科普為微生物腐蝕相關知識，防患于未然，降腐蝕至最低，記者特邀請到華中科技大學劉宏芳教授做相關方面的精彩解讀。

    劉宏芳，華中科技大學化學與化工學院材料與環境化學所所長，教授，南京市321 科技領軍人才計劃，武漢市3551 人才計劃及湖北省創新創業團隊計劃獲得者。兼任中國腐蝕與防護學會水環境專業委員會委員，湖北省暨武漢市腐蝕學會常務理事及副秘書長。

劉宏芳教授

    記者：您主要從事應用電化學、微生物腐蝕與防護、應用微生物、環境化學、材料化學與物理等領域的研究。請給我們簡要地介紹一下您所從事的科研領域，并重要談談微生物腐蝕與防護的研究在國家經濟建設中的作用和意義？您認為微生物腐蝕防護關鍵應該怎么做？

    劉教授：我主要從事材料腐蝕與防護領域的研究工作，擅長研究水系統微生物腐蝕與控制、綠色水處理藥劑研發、微生物資源應用、界面電化學等。近年來主持國家及省部級課題8 項，中石化、中海油、中石油合作項目30 余項。系統地調查研究了我國10 多家油田微生物對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。在湖北省自然科學基金及教育部留學回國基金的支持下，開發仿生環保型殺菌劑，利用微生物代謝產物提純獲得對環境無污染的抗菌劑，抑制SRB 引起的微生物腐蝕；通過微生物競爭抑制的原理，培養反硝化細菌實現了低濃度硫化氫及老化油脫硫，并在相對密閉系統能有效抑制SRB微生物腐蝕；在管線材料表面生物污損控制領域開發了非溶出型抗菌材料如抗菌玻璃鋼、抗菌涂料；在微生物腐蝕機理研究領域致力于腐蝕機理及無污染控制新技術（磁處理）探索研究。目前相關技術已經在勝利、大慶、吉林、江蘇等油田現場應用，為油氣安全生產提供了技術支持。目前在相關領域發表學術論文150 多篇，SCI 收錄50 多篇，申請發明專利18 項。

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

    腐蝕是一個世界性難題，但是若能利用現有防腐技術可減少約1/3 的經濟損失，因此腐蝕的防護研究尤為重要。當前水系統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，進而抑制基體材料的腐蝕過程。但是，微生物對某些緩蝕劑緩蝕行為有一定的影響，甚至有些緩蝕劑會在微生物共存條件下發生降解，失去了緩蝕效率，因此應建立新的評價標準，合理評估緩蝕劑的性能，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，直接殺死管線介質中的微生物，達到抑制微生物腐蝕的目的。但殺菌劑的大量使用會增加環境的負荷，破壞生態環境；長期使用易誘導產生耐藥菌，增大水處理成本；多數殺菌劑對浮游微生物較為有效，但對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高度自發并且伴隨微生物的生長和消亡以及環境不斷變化的動態過程，膜中相鄰位置細胞之間通過長時間接觸產生生理相互作用，導致微生物的協同作用加速金屬材料的腐蝕。因此，針對生物膜的形成、膜中微生物的活性及膜下生物催化腐蝕過程的監測、預警及控制技術研究，顯得尤為迫切和必要。

    記者：您獲得過許多科研獎項和申請專利，其中在微生物腐蝕、監測及防護領域，相關授權專利6項。能否給我們分享一下您印象深刻的這些獎項、專利的具體內容？

    劉教授：過獎了，我和我的團隊在微生物腐蝕、監測及防護領域取得過一些專利，比如，油田污水管道內壁生物膜測取及生物膜分析方法，發明專利號：ZL201110387595；一種復合生物膜剝離劑的發明，發明專利號：ZL201310419818.2； 一種吡啶類化合物在作為殺菌劑中的應用，發明專利號：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：ZL201110277517.1；老化油生物脫硫反應裝置及含該裝置的系統， 實用新型專利， 專利號ZL201120350648.3；一種生物還原制備氮硫同時摻雜石墨烯的方法，專利號：ZL201310017435.2。

    上述專利技術，因來源于生產實際需要，可以解決生產實際中的技術難題，因此得到相關合作單位及政府部門的認可，先后獲得南京321 人才計劃，武漢市東湖高新區3551 人才計劃，湖北省創業團隊計劃支助。相關產品已經在現場應用。代表性成果如下：

    （1）南京領軍型科技創業計劃（321）入選項目，專有及專利技術復合吡啶季胺鹽，利用農藥生產單位的下腳料，通過改性，實現資源再生，產品可作低溫、中溫、高溫、超高溫油井酸化緩蝕劑的復配主劑，還可以作電廠和機車產品、鍋爐酸洗以及煉油廠緩蝕劑用。目前年產量可達到5000 噸。

    （2）3551 光谷人才計劃入選項目， 專利技術（ZL201120350649.3，201110277517.1.） 老化油生物催化處理技術；本專有技術不僅使用于石油部門落地油的資源化再生，同時可實現含油污染土壤生態修復。目前技術處于市場應用放大階段，參與的研究生同學10 多人。經過多年悉心研究，從自然界分離出高效微生物菌株（中國典型培養物保存中心登記號：CCTCCNO:M2011135，2011276），通過菌株復合獲得對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。專利技術名稱：老化油生物脫硫反應裝置及含該裝置的系統，專利號：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：ZL201110277517.1 所得產品油達到外輸油標準。

    圖1. 紅太陽集團油氣工藝緩蝕劑生產以及油田在線腐蝕監測與緩蝕劑智能管理系統的現場應用

    記者：您是科研工作者也是教授，請您談談如何更好做到產學研相結合？

    劉教授：當前，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境苛刻，往往面臨嚴重腐蝕和應力腐蝕開裂風險，而緩蝕劑是高效、便捷的防腐蝕技術。材料與環境化學所致力油氣開發和工藝緩蝕劑的研發，成功研發了7701 系列復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，研發了HGY 系列CO2 緩蝕劑，為世界首例超高含CO2 海上氣田開發提供了技術保障，使我國高含CO2 海洋油氣田開發的技術達到國際領先水平，并在海洋和陸地油氣田開發中廣泛應用。

    我們經多方調研，與紅太陽集團合作（中國制造500 強企業、中國石油化工行業30 強）。針對其生產廢料的資源化利用，以廢料為原料開發吡啶類油氣工藝緩蝕劑（ 圖1），并以此為主劑研發多種可用于不同環境的緩蝕劑，不僅為紅太陽集團的產品拓寬了新的應用領域，開發了新的應用市場，每年為企業節約環保節約支出近8000 萬元。目前產品主要應用于油氣田高溫酸化作業，填補國內空白。產品性價比遠高于國際油氣服務公司如GE、納爾科等。目前該產品年產可達5000 噸（30% 出口俄羅斯、伊朗、伊拉克等產油大國，70% 用于中石油、中海油和中石化下屬的各大油氣田），為企業新增經濟效益上億元。劉宏芳教授因此于2015 年獲南京市第二屆“紫金科技創業新銳人物”獎。

    此外，為實現緩蝕劑加注工藝的經濟、高效和安全實施，我們團隊研制了基于腐蝕電化學的在線腐蝕監測與緩蝕劑智能加注系統，通過腐蝕傳感器監測油田地面管線與井下關鍵節點的腐蝕速率， 并基于負反饋來自適應調整緩蝕劑加注工藝，實現了腐蝕風險的網絡化監控預警與緩蝕劑加注的智能化管理，極大地降低了管線泄露風險和水處理成本。

    圖2無支撐柔性GO和rGO紙狀薄膜的制備過程和形貌

    記者：您是華中科技大學的教授，也是日本廣島大學的研究員，請您談談在微生物腐蝕和生物污損控制方面國內外有何差異？如何取長補短？

    劉教授：國外，我的主要研究領域是導電高分子材料及器件，回國后在微生物腐蝕監測傳感器領域得到進一步應用。與美國Ohio 大學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構的前提下，利用微生物燃料電池的原理，建立生物膜活性監測傳感器，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，一般利用有機碳作為電子給體。然而，在生物膜下方，介質中有機碳擴散受阻，導致有機碳短缺。因此，生物膜會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。

    氧化還原反應機理如下：

    Fe→Fe2++2e-（Iron oxidation） （1）

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

    液體和細胞的細胞質之間的電子轉移主要有兩種方式：（a） 直接電子轉移（DET） 和（b） 介體的電子轉移（MET）。DET 依靠特殊的蛋白質和其他分子在細胞壁和細胞內傳遞電子。厭氧狀態生物膜下，基體材料鐵充當了提供電子的重任，給生物膜維持生存提供了能量。鐵的氧化反應發生在細胞外，因為鐵是不溶性的，無法擴散進入細胞。對于DET來講，細胞與基板（ 例如，鐵基板） 直接接觸是必要的，除非細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） 上的固著細胞的單層是能夠從鐵氧化反應中接受電子的。固著生物膜細胞必須是產電，才能導致直接電化學微生物腐蝕（MIC）。因此，生物膜的腐蝕性是直接關系到生物膜的產電能力的。在某些情況下，如果細胞能夠與電子介體的幫助下，例如同一生物膜群中其他細胞分泌的介質或是外部添加的介質，在金屬基板和細胞之間轉移電子，非產電生物膜細胞也可被認為產電生物膜細胞。基于固著微生物發生腐蝕的前提是細胞與基體材料之間發生直接電子轉移，進而產生生物電，構建微生物燃料電池測試體系，通過檢測生物電流，可實現對引起微生物腐蝕的生物膜活性進行定量檢測，具有重要的理論和實際應用意義。

    目前有關微生物腐蝕測量方法一般是基于線性極化電阻掃描技術（LPR） 來進行生物膜的檢測。該技術背后的假設是，生物膜的存在與LPR 響應有關。從理論上講，該假設與基礎生物膜的生物電化學不一致。生物膜通常是典型的很差的電導體這一點是確定無疑的，且在多數情況下，生物膜的電化學行為是電感性的，而不是電阻性的。而LPR 技術用于電阻薄膜，而不是電感薄膜。因此，利用LPR 技術的方法和裝置檢測生物膜有可能提供假陽性的結論，如LPR 技術是無法區分純電阻性的無機膜和電感性的生物膜。此外，LPR 技術需要在生物膜兩側施加外部電壓，一方面可能會干擾微生物的新陳代謝，另一方面生物膜可能會停止其天然腐蝕過程，因為此時它可以使用由外部施加電壓提供的自由電子，而無需耗費得到基體材料腐蝕提供的外部電子資源。事實上，研究人員發現，外加電流陰極保護（ICCP） 對微生物腐蝕（MIC） 的研究中，一個外部強加的電壓會影響SRB 的生物膜生長。此外，即使電流傳感器可以檢測到生物膜的存在，也無法區分腐蝕性生物膜（即，一個產電生物膜）和非腐蝕性的生物膜（即，非產電生物膜）。

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

    利用微生物構建生物陰極，選擇固態惰性金屬或金屬氧化物做陽極，構建微生物燃料電池（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電性，可以減少傳感器內阻，增加檢測靈敏度。技術原理見圖2. 可以不使用質子交換膜，這也有利于加速生物反應器中穩定的響應時間。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，當外部環境條件惡劣時可以芽孢的形態“休眠”數億年維持生存，一旦時機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、大量工廠機器設備金屬結構的微生物腐蝕，每年造成的全球經濟損失數以萬億歐元計。金屬腐蝕導致金屬結構退化老化，影響結構功能和安全性能，因此每年需要花費數百億歐元進行維護。因此控制設備材料的微生物腐蝕迫在眉睫、不可小視！

    人物簡介

    劉宏芳，華中科技大學化學與化工學院副院長、材料與環境化學所所長，教授，南京市321科技領軍人才計劃，武漢市3551人才計劃及湖北省創新創業團隊計劃獲得者。兼任中國腐蝕與防護學會水環境專業委員會委員，湖北省暨武漢市腐蝕學會常務理事及副秘書長。

    1992年畢業于華中理工大學化學系獲學士學位，1997年畢業于華中理工大學化學系獲工學博士學位，2000年畢業于華中科技大學材料科學與工程學院獲工學博士學位，2003-2005年任國立廣島大學研究員。2000.6-現在歷任華中科技大學副教授、教授、博士生導師。近年來完成中石油、中石化及中海油相關項目30余項，國家及省部級項目8項，發表論文150余篇（SCI論文50余篇），國家發明專利18項，獲武漢市科技優秀論文二等獎一項、勝利油田科技進步三等獎一項。