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    硫酸鹽還原菌對鋼材腐蝕行為的研究進展

    2021-05-14 02:55:46 hualin

    摘要:綜述了硫酸鹽還原菌(SRB)微生物腐蝕與防護的研究現狀,總結了厭氧生物膜的形 成過程及對鋼材腐蝕的影響,并在此基礎上介紹了 SRB 對金屬材料的腐蝕機理,包括陰極去 極化機理、代謝產物腐蝕機理、Fe/FeS 微電池作用機理等。分析了 SRB 代謝產生的胞外聚 合物(EPS)在金屬腐蝕過程中起到的作用,并詳細介紹了 SRB 與好氧型鐵氧化菌(IOB)、 典型腐蝕性陰離子(Cl/SO42)、彈性應力以及酸性氣體 CO2之間的微生物腐蝕協同作用。最后系統總結了 SRB 腐蝕研究中較為普遍的防腐蝕手段以及最新研究進展,從而為后續 SRB 腐蝕與防護提供參考。

    關鍵詞:微生物腐蝕;硫酸鹽還原菌(SRB);胞外聚合物(EPS);協同作用;腐蝕控制

    微生物腐蝕(MIC)可以通過依靠微生物自身的生命活動及其代謝產物的腐蝕作用直接或間接地影響金屬材料腐蝕過程[1] 。MIC 的本質是電化學腐蝕,并且在非生物的作用過程中引入了生物因素的影響,其常見的腐蝕形式是點蝕[2] 。MIC 可直接從金屬表面獲取電子,來加速金屬的溶解,其目的是為了獲得能量[3] 。微生物通過在生物膜下的富集和生長,能直接加速金屬基體的腐蝕,由其引起的腐蝕約占腐蝕總量的20%以上,造成的經濟損失巨大[4] 。近年來有關微生物腐蝕與防護研究較多的是硫酸鹽還原菌(SRB),作為典型的厭氧型腐蝕微生物,它能夠把 SO42-還原成 H2S 來獲得能量[5],也是對材料(包括金屬材料和非金屬材料)腐蝕貢獻較大的腐蝕性微生物之一。研究發現,70%的微生物腐蝕都是由 SRB 造成的,其廣泛存在于海水、土壤、油井和油氣運輸管道內[6] ,SRB 在新陳代謝過程中產生的具有強腐蝕性的硫化物會影響金屬表面膜電阻的變化[7]。隨著對微生物尤其是 SRB 研究的不斷深入,目前已發現 SRB 存在著促進或抑制金屬材料腐蝕的作用,而這兩種作用效果與生物膜的形成及其代謝產物密切相關。

    鋼材在石油化工行業的使用量大于 90%,被稱為“工業的骨骼”,微生物腐蝕是鋼材的主要腐蝕形式之一,也是目前最受關注和研究的熱點課題[8]。碳鋼是一種典型的鋼材,其在不同環境下易受腐蝕的影響而造成失效,近幾年有關 SRB 對碳鋼腐蝕行為的研究較多。劉靖等[9]采用電化學阻抗譜(EIS)分析了碳鋼在含有 SRB 環境下的腐蝕行為,結果發現在碳鋼表面形成的 SRB 生物膜使得碳鋼表面的微環境發生了改變,從而促進碳鋼點蝕的發生。但該研究中只是采用了單一掃描電鏡(SEM)對腐蝕產物的表面形貌進行觀察,缺少對腐蝕產物的組成(元素/相)分析。馬磊等[10]通過采用電化學方法研究了在不同腐蝕介質條件下 SRB對碳鋼的腐蝕行為,實驗結果表明 SRB 對碳鋼有明顯的加速腐蝕作用,而且腐蝕形貌以點蝕為主。有研究發現[11]材料表面出現點蝕坑。Fan 等[12]鋼在接種了 SRB 的飽和 CO2油田注入水中的腐蝕行為,結果表明 SRB 生物膜中分散的 Fe2S3,SRB 存在時也會導致并加速石油天然氣輸送和海底管線鋼的腐蝕,使利用動電位極化曲線(PDP)和電化學阻抗譜(EIS)研究了 X60與X60 鋼基體可能形成電偶,從而加速鋼基體的局部腐蝕。然而,該研究并沒有對碳鋼在 CO2和 SRB 共存環境中的腐蝕機理進行分析,對 SRB 的作用機理有必要進一步探究。葛嵐等[13]通過改變接種到模擬海水中的 SRB 數量,結果發現 X70 鋼的自腐蝕電流密度隨著 SRB 數量的增加而增大,且試樣鋼表面有點蝕坑出現。Zhai 等[14]通過采用電化學測試方法研究了 2507雙相不銹鋼浸泡在不同含量的 SRB 冷卻水模擬溶液中的腐蝕行為,結果表明不銹鋼在含2%SRB 溶液中的腐蝕速率提高了 4%以上,而且 SRB 生物膜的形成也會使不銹鋼表面腐蝕傾向增大。Ohashi 等[15]研究了 5 種不銹鋼材料在 SRB 生物膜存在和無菌條件下的海洋縫隙腐蝕,研究發現暴露于生物膜環境中的各雙相合金上觀察到的縫隙腐蝕量較大,且樣品形貌損傷相比無菌條件下的更加嚴重。由以上研究也可以看出,金屬材料表面的 MIC 行為往往與微生物膜的形成密不可分,成膜過程能夠加速局部腐蝕的發生[16]。

    隨著對 SRB 的深入研究,有研究發現微生物膜不僅能促進材料的腐蝕,在一定的情況下還可以抑制腐蝕的進行[17, 18],從而減輕對金屬材料的破壞。許萍等[19]指出,有些微生物自身具有防腐蝕效果,其生物膜的形成和生長不會引發腐蝕,反而能夠抑制腐蝕的發生。Yuan等[20] 研究發現 SRB 在代謝過程中會產生大量的侵蝕性硫化物,其能與基體材料反應產生一薄層鐵硫化合物,從而對鋼材表面起到鈍化作用并提供連續保護。吳亞楠[21]通過采用電化學方法研究了污水系統中的 SRB 對鋼材的腐蝕狀況,結果發現 SRB 對 Q235 鋼管的微生物腐蝕十分嚴重,在浸泡初期,SRB 在一定程度上形成的生物膜抑制了微生物腐蝕的發生。劉春平等[22] 通過采用腐蝕電化學方法,研究了在采出水中由 SRB 繁殖產生的 S2-對碳鋼的腐蝕行為,結果發現少量的 S2- 對碳鋼的腐蝕有抑制作用, 但并沒有區分 SRB 自身產生的 S2-與直接添加的S2-對碳鋼腐蝕的作用差異,而且后續的腐蝕產物分析部分還需作進一步的解釋說明。Qi 等[23]通過在循環冷卻水系統中添加不同化學試劑研究了 SRB 在 316L 不銹鋼表面的生物膜特性和腐蝕行為,結果發現 SRB 生物膜能增強鋼表面鈍化膜的保護性,從而延緩了腐蝕的發生。郭章偉等[18]還指出微生物膜抑制腐蝕的三種主要機制:(1)微生物通過呼吸作用對氧氣進行消耗;(2)微生物在基體材料表面形成有效的保護層;(3)微生物通過自身分泌物對腐蝕起到抑制作用。

    本文基于SRB引起的典型鋼材腐蝕行為綜述了近年來有關SRB腐蝕與防護方面的研究進展,并介紹了其與好氧微生物鐵氧化細菌(IOB)之間的協同作用。另外,本文還綜述了典型的腐蝕性陰離子(Cl-、SO42-)、彈性應力以及腐蝕性氣體 CO2與 SRB 之間的協同作用,以此來探索 SRB 的腐蝕機理并采取相應的防腐蝕措施,包括物理、化學、生物和陰極極化保護等,為今后有效控制由 SRB 引起的金屬材料腐蝕提供理論借鑒與參考。

    1 SRB 生物膜的腐蝕過程

    1.1 微生物膜的形成過程  

    生物膜是一群聚集在一起并不可逆地吸附在界面或基體表面上的固著態微生物群落,其對 MIC 行為、菌群形態等均有非常重要的影響[24]。黃燁等[2, 25]指出,附著在金屬表面形成的微生物膜可以通過四種方式影響金屬的腐蝕過程:1)影響陽極或陰極變化,進而促進電化學腐蝕;2)改變腐蝕反應的類型,使腐蝕速率加快;3)生物膜組織結構的形成,為生物膜創造了有利的腐蝕環境;4)微生物代謝產生的化合物, 促進或抑制金屬腐蝕過程。楊家東等[26]指出,在微生物代謝的影響下,生物膜的形成一般會經歷如圖 1 所示六個階段[27, 28]:1)在有機大分子的吸附作用和無機離子的礦化作用下,厚度約為 20-80nm 的膜層將在材料表面形成;2)材料基體表面上有浮游微生物不斷移動;3)微生物在材料表面不斷附著,并逐漸適應所處的生長環境;4)微生物不斷生長,并通過自身的代謝活動產生大量的代謝物;5)生物膜生長的過程中慢慢會趨于成熟穩定;6)隨著時間的推移,生物膜的穩定性慢慢下降,而且在后期生長過程中會有部分脫落。由此可看出,生物膜是微生物的一種重要聚集生長形式,其在金屬表面的形成和發展也是一個相對復雜的過程。

    硫酸鹽還原菌 SRB 對鋼材腐蝕行為的研究進展.jpg

    圖1 生物膜的形成和發展過程[28, 29]

    1.2 SRB 生物膜特性及對腐蝕的影響

    利用在碳鋼表面形成的生物膜,SRB 自身可以創造一個微型厭氧環境,從而促進生物膜中 SRB 的生長并引起碳鋼的腐蝕[29]。SRB 可以在厭氧條件下生長,并產生大量黏液狀的胞外聚合物(EPS)。EPS 是微生物膜的主要組成成分,它具有很強的絡合能力,能夠將多種無機金屬離子固定下來。不僅如此,其還包括多聚糖、蛋白質和糖脂類等,微生物產生的 EPS一般都是帶電荷的,外加電場可以破壞 EPS 的荷電特性[30]。許萍等[31]研究了 EPS 中的主要成分多糖和蛋白質對金屬材料腐蝕行為的影響,結果發現當多糖或蛋白質的質量濃度為 1.0 mg/mL 時,其對碳鋼有最低的腐蝕速率。有些細菌還可以在 EPS 的引導下產生礦化層,起到阻礙腐蝕介質傳遞從而降低腐蝕速率[18] 。細菌的這種能力往往會受到環境中 pH、金屬離子組成及其濃度的影響[32]。也有研究表明[28, 33],高濃度的 EPS 對 Fe2+具有很強的絡合作用,能夠有效的促進基體材料的陽極溶解,從而促進碳鋼的腐蝕;低濃度的 EPS 可以通過抑制陰極反應過程減緩電化學腐蝕的發生,以此來控制碳鋼腐蝕的發生。

    1.3 SRB 腐蝕機理

    通過研究金屬表面微生物的數量及活性變化、生物膜及代謝產物成分、金屬腐蝕產物的結構與晶型以及腐蝕后金屬基底的粗糙度變化等可以對金屬材料腐蝕機理進行判斷[5, 34]。典型的 SRB 腐蝕機理主要有陰極去極化機理、代謝產物腐蝕機理、Fe/FeS 微電池機理、濃差電池機理、生物能量機理、直接和間接電子傳遞機理以及排硫桿菌與 SRB 混合作用腐蝕機理等,其中陰極去極化是目前認可度最高的腐蝕機理[35]。

    (1)陰極去極化機理:SRB 腐蝕本質是電化學腐蝕,其陰極在厭氧條件下會發生析氫反應。在該反應過程中,氫離子得到電子被還原為氫原子,然后這些氫原子在金屬表面粘附下來,金屬表面的氫原子會被 SRB 利用氫化酶去除,從而使腐蝕發生[3]。

    (2)代謝產物腐蝕機理:作為典型的碳鋼腐蝕機理之一,SRB 代謝物的硫化物是其主要來源,也有研究表明是代謝產物磷化物的作用[36] 。一方面,SRB 對金屬的腐蝕速率與 H2 S濃度有關[28] ;另一方面,SRB 代謝產生的 S2-與溶液中的 Fe2+結合,還會形成致密或疏松的FeS 膜,影響腐蝕過程。

    (3)Fe/FeS 微電池作用機理: SRB 代謝生成的 S2-在與鐵的相互作用過程中,形成的 FeS作為陰極并吸附在基體表面,并且常常與鐵陽極形成腐蝕電池,在微電池的作用下不斷使腐蝕發生[36]。

    (4)濃差電池機理:當部分腐蝕產物覆蓋在金屬表面時,溶解于水中的氧氣無法與金屬基體進行接觸,這樣會導致管道上被沉積物覆蓋的區域呈現陽極變化,形成氧濃差電池[37],從而使得金屬表面原有的腐蝕更加嚴重。

    (5)生物能量機理:腐蝕的發生會伴隨能量釋放,SRB 的腐蝕反應就是一個自發的放能反應。研究表明當微生物生長處于停滯階段時,附著在金屬表面的生物膜以金屬為電子供體,通過腐蝕金屬獲得生存所需的能量[38]。正是由于這一獲得生存能量的過程,從而導致金屬材料腐 蝕的發生 ,總的反 應過程可以表示為 :2CH3CHOHCOO+SO4 +H+ →2CH3COO+2CO2+HS+4H2O,4Fe+SO4 +9H+→ HS+4H2O+4Fe2+ 。

    (6)直接和間接電子傳遞機理:直接電子傳遞指的是細菌通過自身的導電納米線[39] 或細胞膜上的導電蛋白[40]進行電子傳遞;間接電子傳遞是指細菌會利用自身分泌的可溶性電子載體進行生長和代謝,并且傳遞的金屬電子主要是通過細胞膜表面的細胞色素 C 蛋白來進行轉移[41] 。

    (7)與排硫桿菌混合作用腐蝕機理:硫氧化細菌(SOB)屬于耗氧菌,它是一種典型的

    排硫桿菌,其中的硫代謝生化過程為:2H2+2O2→H2S2+O3+H2O,5S2 2O3 +4O2 +H2O→5SO4 2+H2SO4+4S,2S+3O2+2H2O→2H2SO4;而 SRB 的硫代謝生化過程為:SO4 +8H→S2-+4H2O,二者可以形成共生細菌,從而共同加速腐蝕的發生。


    2 SRB 腐蝕中的協同作用

    在自然環境中,微生物大部分都是共生的,它們往往會協作建立一個微生態系統。厭氧型SRB和典型好氧微生物IOB就可以協同加速工程材料的腐蝕。除了與IOB之間的協同作,SRB 還會與其他因素產生協同作用,例如腐蝕性陰離子(Cl-/SO42-)、彈性應力以及 CO2等。

    2.1 SRB 與 IOB 的協同作用

    鐵氧化細菌是一種典型好氧菌,只要在有一部分溶解的流動水中,就可以不斷生長。該細菌以碳酸鹽為碳源,通過反應產生能量和鐵以維持其能量代謝。IOB 還可以通過有氧呼吸降解大分子有機物,從而產生富含 Fe 的厭氧環境,為厭氧的 SRB 創造合適的生長環境,加氣體速碳鋼管道的腐蝕或者促進 SRB 對基體材料的腐蝕。研究發現[36],IOB 可以將 Fe2+氧化成 Fe3+并生成 Fe(OH)3,從而在金屬表面產生氧濃差電池,引起局部腐蝕,從中獲得能量。Liu等[42]研究發現,在 SRB 和 IOB 共存條件下,二者對試樣的點蝕有協同作用,碳鋼試樣表面會產生更為嚴重的點蝕,并且在碳鋼表面形成疏松多孔的生物膜。孫福洋等[43] 研究了土壤模擬溶液中 SRB 和 IOB 對 X100 管線鋼腐蝕行為的影響,結果表明兩種細菌協同加劇了 X100 管線鋼的全面腐蝕,腐蝕產物主要為 FeS 和 Fe2O3。以上研究表明作為典型的厭氧菌和好氧菌,SRB和IOB對鋼鐵材料協同腐蝕作用的研究取得了很多成果,隨著現代分析技術的不斷發展,可以進一步從微觀上闡明二者的協同作用機理。

    2.2 SRB 與 Cl‐和 SO42‐的協同作用

    當一些陰離子與 SRB 共同存在時,陰離子會改變 SRB 的活性,進而影響金屬材料的腐蝕行為[7]。鄭美露[44]采用電化學測量方法分析了土壤模擬溶液中的陰離子 SO42-和Cl-對 X70 鋼SRB 腐蝕行為,結果表明當 SO42-的濃度增加時,SRB對 X70 鋼的腐蝕速率會先增大后減??;而隨著介質中 Cl-含量的增加,X70 鋼表面的 SRB 腐蝕速率先減小后增大。辛征等[45] 研究了316L 不銹鋼表面微生物在不同濃度的 Cl-作用下的腐蝕行為,結果發現當 Cl-濃度較低時,SRB 具有較強的生長活性且表面生物膜疏松多孔,表明此時 316L 不銹鋼的腐蝕速率相對較快。張倩等[46]研究了 SRB 在不同濃度的 Cl-溶液中對 Q235 鋼的腐蝕行為,結果表明當溶液中Cl-含量低于 50g/L 時,隨著 Cl-含量增加,會促進 SRB 對 Q235 鋼的腐蝕。孟章進等[47] 發現SO42- 在一定程度上會影響 SRB 的生長活性,當 SO42-濃度為 1000 mg/L 時,SRB 數量最多且活性最強;但當 SO4 濃度達到一定值時,SRB 的生長速率會趨于穩定。研究還發現,SO42-參與 SRB 的代謝活動時,作為 SRB 的電子受體,其濃度的變化可以直接影響 SRB 的生長狀態[7] 。

    2.3 SRB 與彈性應力的協同作用

    SRB 和應力之間協同作用可以誘發或增強管線鋼腐蝕開裂,研究管線鋼在 SRB 和外應力共同作用下的微裂紋萌生過程,對于 SRB 腐蝕開裂機理的研究具有重要意義[48] 。王丹等[49]研究發現,X80 鋼在土壤模擬溶液中的應力腐蝕開裂機制為陽極溶解;與沒有細菌的環境相比,SRB 的存在會促進 X80 鋼的陽極溶解,從而引發金屬點蝕的發生。Wu 等[50]研究了 SRB與彈性應力對 X80 鋼腐蝕的協同作用,結果表明二者都能使得鋼材的腐蝕程度有所增加,并且共同對 X80 鋼的腐蝕起促進作用。此外,SRB 的活性引起了凹坑的萌生,外加的彈性應力繼續保持并促進了凹坑的生長,SRB 的活性和外加的彈性應力在初始點蝕的底部會引起微小的二次點蝕。吳堂清等[48] 研究了管線鋼在彈性應力作用下的微生物致裂行為,結果表明 SRB的生理活性改變了腐蝕產物的結構,導致管線鋼局部腐蝕敏感性提高。

    2.4 SRB 與 CO2的協同作用

    近年來,有關鋼材在 CO2和 SRB 共存條件下的腐蝕行為的研究也有報道,二者會通過協同作用共同促進金屬材料的腐蝕[12]。劉宏偉等[51]研究了十二胺緩蝕劑在飽和 CO2和SRB 共存條件下對20#鋼的緩蝕行為,結果表明在該實驗條件下試樣以均勻腐蝕為主,局部會出現明顯的點蝕。陳旭等[52] 研究了在含 CO2的近中性溶液中 SRB 對 X70 鋼的腐蝕行為,結果發現隨著CO2濃度不斷增加,SRB 和 CO2會共同促進金屬表面點蝕的進行,且 X70 鋼在近中性 pH 值菌液中的表面膜層致密性變差。劉鳳蘭[53] 開展了在含有 CO2工況條件下的注水系統腐蝕規律的研究,結果發現 SRB 與 CO2協同作用加劇了注水系統腐蝕程度,而且二者也是注水系統腐蝕結垢的主要影響因素。

    3 SRB 腐蝕的控制方法

    3.1 物理手段

    物理手段主要是通過一些物理方法例如利用靜磁場作用、超聲波處理[54]、紫外線照射以及通過改變介質環境來減少 SRB 生長所必需的營養元素從而控制微生物的腐蝕。靜磁場可以抑制生物膜下微生物的腐蝕,即利用磁場作用影響 SRB 的分裂和生物酶的活性[3]。Chen 等[55, 56]研究了靜態磁場對 SRB 微生物腐蝕的影響,研究發現 SRB 的固著數量在 200 mT 的靜磁場下會有所減少,且該磁場條件下會促進 SRB 生物膜的分散,形成的較致密腐蝕產物膜會抑制 SRB 的生長繁殖。李克娟等[57]研究了磁場條件下 SRB 對 Q235 鋼腐蝕行為的影響,研究發現 Q235 鋼表面生物膜均勻致密,在磁場作用下與金屬表面結合更加緊密,表明磁場作用能有效地抑制 SRB 對Q235 鋼的腐蝕。當超聲波達到 90 kHz/s 以上的頻率時,可以震蕩細菌的組織結構,從而對 SRB 本身造成破壞以控制對材料的腐蝕。紫外線具有殺滅細菌的作用,紫外線波長一般在 210~313 nm 內就會有很強的輻射效應[58],這個范圍完全可以進行滅殺 SRB。辛征[59]研究了不同的環境因素對 SRB 生長代謝的影響,結果發現 SRB 在 pH 值為 5.5~7.5的環境中和 40℃左右的條件下均可以大量生長繁殖,故可以通過調整腐蝕介質的 pH 值大小以及通過升高或降低溫度來抑制 SRB 的生長。


    3.2 化學手段

    化學手段主要是通過使用一些殺菌劑、緩蝕劑等化學試劑來控制微生物的生長或者在金

    屬材料表面鍍上耐蝕性涂層來改變基體材料表面特性以此控制微生物對金屬材料的腐蝕破壞。常用的殺菌劑可分為氧化型和非氧化型兩種[35, 60],氧化型主要有氯氣,二氧化氯,臭氧;非氧化型主要有戊二醛,異噻唑啉酮,季銨鹽,四羥甲基硫,酸磷。許萍等[19]指出,某些微生物可分泌殺菌劑,不僅能夠減少金屬表面的電子受體,還能阻礙陰極去極化過程從而起到抑制金屬腐蝕的作用。劉宏偉等[61]研究了污水介質中加入殺菌劑前后 SRB 的菌株數量,實驗結果表明,SRB 的數量在殺菌劑添加前后從 2.5×103 減少到了 1.2 個/mL,表明SRB 的腐蝕破壞在殺菌劑作用下得到了抑制。研究還發現[37],大量的殺菌劑由于其自身毒性會對周圍環境造成新的污染,而且 SRB 常受到介質環境中其他微生物產生的多糖保護,使其殺菌效果變差。因此開發環境友好型、適合現場實際需要的新型殺菌劑備受關注。添加緩蝕劑也是控制金屬腐蝕的有效手段,因其具有成本低、使用方便、見效快等優點,在石油化工行業中得到了廣泛的應用[62]。王貴等[63]通過采用 7 種緩蝕劑對油田采出水中碳鋼腐蝕失重進行評價,實驗結果最后表明隨著緩蝕劑質量濃度的增加,緩蝕率也不斷提高。SRB 廣泛存在于油氣管道中,它可通過自身的代謝活動影響緩蝕劑膜層的完整性[36]。研究表明,在碳鋼材料表面覆蓋一層防護性涂層不僅能夠使基體表面不易被細菌附著,同時也具有殺菌防護的作用 [26]。目前油氣管道多為碳鋼材質,易引起 SRB 的腐蝕,涂層保護是一種有效的防腐蝕手段,如在金屬表面電鍍鉻鋅、涂覆環氧樹脂及聚乙烯等都可以使腐蝕得到控制。不僅如此,為了提高油氣管道的耐腐蝕性能,還可以在管道材料上施加一層鈦或形成鈦合金,以防止 SRB引起的腐蝕。


    3.3 生物手段

    實驗結果表明,SRB 的數量在殺菌劑添加前后從 2.5×103 減少到了 1.2 個/mL,表明SRB 的腐蝕破壞在殺菌劑作用下得到了抑制。研究還發現[37],大量的殺菌劑由于其自身毒性會對周圍環境造成新的污染,而且 SRB 常受到介質環境中其他微生物產生的多糖保護,使其殺菌效果變差。因此開發環境友好型、適合現場實際需要的新型殺菌劑備受關注。添加緩蝕劑也是控制金屬腐蝕的有效手段,因其具有成本低、使用方便、見效快等優點,在石油化工行業中得到了廣泛的應用[62]。王貴等[63]通過采用 7 種緩蝕劑對油田采出水中碳鋼腐蝕失重進行評價,實驗結果最后表明隨著緩蝕劑質量濃度的增加,緩蝕率也不斷提高。SRB 廣泛存在于油氣管道中,它可通過自身的代謝活動影響緩蝕劑膜層的完整性[36]。研究表明,在碳鋼材料表面覆蓋一層防護性涂層不僅能夠使基體表面不易被細菌附著,同時也具有殺菌防護的作用 [26]。目前油氣管道多為碳鋼材質,易引起 SRB 的腐蝕,涂層保護是一種有效的防腐蝕手段,如在金屬表面電鍍鉻鋅、涂覆環氧樹脂及聚乙烯等都可以使腐蝕得到控制。不僅如此,為了提高油氣管道的耐腐蝕性能,還可以在管道材料上施加一層鈦或形成鈦合金,以防止 SRB引起的腐蝕。

    3.4 陰極極化保護手段

    陰極保護方法通常用于防止厭氧微生物對碳鋼的腐蝕,其不僅經濟實用,而且是一種無毒、無污染的腐蝕防護方法,符合當前綠色環保的發展趨勢[36]。丁清苗等[66]通過表面觀察及電化學方法研究了 X80 鋼在含有SRB 的海水溶液中陰極保護準則的適用性,結果發現陰極保護對在含有 SRB 的微生物海水中 X80 鋼表面的陰極極化起到了一定促進作用,且極化電位的選擇會受到極化時間的影響。李雨等[67]研究了 FTO 導電玻璃的恒電位極化,結果表明陰極極化作用能抑制 SRB 等細菌與樣品表面生物膜接觸,且其抑制作用與表面鈣沉積無關。在實際海洋工程應用中,通常利用陰極極化保護方法來阻礙 SRB 對碳鋼材料的腐蝕,而且抑制效果非常顯著。陰極極化作為一種綠色經濟的防腐蝕手段,可以抑制生物的附著與生長,但由于材料方面的差異性,其對 SRB 吸附的抑制機制還有待進一步的研究。

    3.5 其他防腐蝕手段

    除了以上提到的常見的 SRB 腐蝕控制手段外,還有一些新的微生物防腐蝕思路被越來越多的研究者所提出。例如,SRB 生物膜分泌的 EPS 防腐蝕研究就引起了人們的關注,EPS 在鋼鐵材料表面形成致密鈍化保護層后,可以防止氧氣等陰極去極化劑到達金屬表面以阻止電子傳遞[19],從而防止腐蝕的發生。另外,通過改變 SRB 的生長環境來控制其正常的生長繁殖也能達到防腐的效果,例如可以調節溫度、pH 值和鹽濃度等抑制 SRB 的生長。在循環水體系中,通過對水源的防污、除垢以及添加適量的抗菌元素[68]等能夠減少細菌的來源,對冷卻塔遮光、防塵等也可抑制細菌繁殖。


    4 總結與展望

    本文重點綜述了SRB 對典型鋼材腐蝕研究現狀、SRB 與一些腐蝕影響因素之間的協同作

    用及目前普遍采用的MIC 控制方法。近年來,對SRB 腐蝕行為的研究主要集中在有機酸、H2S和FeS 等與生物膜之間的腐蝕機理以及SRB 微生物細胞與鐵之間的直接電子相互作用方面。隨著對SRB 研究的不斷深入,越來越多的研究人員發現SRB 生物膜不僅能加速腐蝕,而且在一定條件下還能抑制腐蝕的發生,其抑制效果遠遠優于某些防腐涂層,因此可以利用SRB這一生理特性來控制腐蝕以減少對金屬材料造成的經濟損失。對于相關研究學者而言,應當結合現代科技技術不斷研究和分析SRB 腐蝕行為特點,從而更深入了解SRB 的腐蝕機理。同時,還應意識到SRB 往往會與其他腐蝕介質中的影響因素之間發生協同作用,因此在研究過程中采取行之有效的方法來合理評價SRB 的作用。

    近年來,有關海洋方面的研究不斷成為熱點。眾所周知,我國是海洋大國,但不是海洋強國,海洋腐蝕方面面臨著許多關鍵科學問題有待解決。值得一提的是,解決海洋環境中的材料腐蝕問題是國家重大需求,未來有關海洋方面的微生物腐蝕防護的研究越來越趨向于綠色環保,更多的是要在傳統防護方法的基礎上著重研究生物防治方法。在今后微生物腐蝕研究中,有關MIC 的作用機理及其防護對策依舊是研究的重點,有必要加強物種多樣性的研究。此外,通過光譜電化學、分子生物學和微區電化學腐蝕觀察,研究有關SRB 菌株的呼吸代謝機制和直接電子傳遞途徑,對今后微生物腐蝕行為的研究和探索具有重要意義。


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