發(fā)展海洋裝備，建設(shè)海洋工程是推進和實施國家海洋戰(zhàn)略的重要內(nèi)容。
鑒于海洋裝備和海洋工程長期處于海洋環(huán)境下工作，服役中無法回避的問題是海洋工程材料在海洋環(huán)境下的腐蝕損傷、磨蝕失效和生物污損。
海洋環(huán)境下，海洋工程材料的腐蝕和生物污損問題每年給國家造成近萬億元的經(jīng)濟損失和30%以上海中航行體的能源浪費，已成為嚴重制約重大海洋工程技術(shù)和裝備發(fā)展的技術(shù)瓶頸之一，其失效問題更是嚴重影響海洋工程和裝備的可靠性和壽命，是國內(nèi)外海洋工程領(lǐng)域都亟待解決的問題。
海洋環(huán)境是一個復(fù)雜多變的環(huán)境，不同海域、不同季節(jié)、離海平面不同距離的區(qū)域，所面臨的海洋環(huán)境就可能大不相同，其所對應(yīng)的腐蝕、磨蝕和污損等環(huán)境損傷形式和機理也不盡相同。
圖1
按高度劃分的海洋環(huán)境類型及各區(qū)域所面臨的主要損傷問題
圖1給出了按離海平面距離劃分的海洋環(huán)境區(qū)域、不同區(qū)域的主要致?lián)p因素和所面臨的主要材料損傷問題，從圖1可以看出，不同區(qū)域的環(huán)境因素和材料損傷模式差別是很大的，但除了飛濺區(qū)以外，幾乎每一個區(qū)域的損傷都有微生物的參與，包括深海區(qū)域。因此，微生物腐蝕研究是海洋工程材料防護的重要課題。
海洋環(huán)境下，海生物活性所引起的微生物腐蝕已被公認為是海工裝備鋼鐵材料構(gòu)件諸如石油平臺、管線、碼頭等腐蝕破壞的重要形式，需要采取有效的微生物腐蝕防護技術(shù)。
據(jù)估計，海洋環(huán)境腐蝕損失的20%與微生物腐蝕直接相關(guān)，海洋微生物會加速腐蝕破壞和局部腐蝕破壞如孔蝕、應(yīng)力腐蝕等，微生物通過在材料表面形成生物膜而與其發(fā)生相互作用，導(dǎo)致金屬性能的劣化和破壞，是材料加速腐蝕破壞的重要發(fā)生因素，同時又和生物污損形成復(fù)合作用。
海洋環(huán)境微生物腐蝕最嚴重的是低水位區(qū)鋼鐵表面細菌生物膜的腐蝕，國內(nèi)外大量案例表明，低水位區(qū)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕微生物腐蝕嚴重威脅著重大工程設(shè)施的安全，我國已建海洋采油平臺、碼頭的鋼樁等重大工程設(shè)施在海洋低水區(qū)存在著因微生物腐蝕而導(dǎo)致的加速腐蝕現(xiàn)象(Accelerated low water corrosion, ALWC)，其腐蝕速度甚至比浪花飛濺區(qū)的腐蝕速度都要快，達到0.5 mm/y甚至更高，常常導(dǎo)致局部腐蝕甚至穿孔，與其他區(qū)域相比，硫酸鹽還原菌更容易在低水位區(qū)的鋼鐵表面發(fā)生生物化學反應(yīng)并形成生物膜，此反應(yīng)過程對鋼鐵表面腐蝕起到了加劇腐蝕的作用。
日本橫濱港山下碼頭的棧橋發(fā)生倒塌事故就是微生物腐蝕的典型案例。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，平均低潮以下部位發(fā)生了嚴重的大面積局部微生物腐蝕，英國、美國等許多專家提出，腐蝕微生物如硫酸鹽還原菌(Sulfate-reducing bacteria, SRB)是關(guān)鍵腐蝕因素(見圖2)。
圖2
海洋低水腐蝕區(qū)鋼鐵材料微生物腐蝕形貌和表面的腐蝕微生物形貌
另外，微生物腐蝕也是造成海上油田二次采油酸化腐蝕的主要原因，還是艦船銅鎳合金螺旋槳等重大設(shè)施部件發(fā)生局部腐蝕和脫合金腐蝕的關(guān)鍵因素。
海水中金屬材料上生物膜的存在具有普遍性，海洋宏觀生物的生長離不開微生物的環(huán)境，在較高級的生物組織，如藤壺、貝類等宏觀生物附著前，總是先形成微生物膜，因此研究海洋材料的微生物附著腐蝕機制，對于從材料微觀結(jié)構(gòu)上提高耐海水及海洋微生物腐蝕能力至關(guān)重要。
1891 年蓋瑞特首次報道了微生物腐蝕的例子[1]；近二十年后， Gaines 認為硫酸鹽還原菌（SRB），硫氧化細菌和鐵細菌是導(dǎo)致土壤中鐵腐蝕的部分原因[2]；庫爾及其合作者首次指出了在厭氧條件下微生物對金屬腐蝕起著直接的作用[3]，他們假設(shè)SRB 能夠吸附金屬表面的氫對金屬腐蝕有促進作用，這就是著名的陰極氫去極化理論。
A.Mollic[4] 等認為微生物膜對三種不銹鋼有兩種影響：一個是它們的腐蝕電位在五天后正移，并認為這五天是形成微生物膜的時間；另一個是微生物膜的去極化作用，它使活化控制部分的極化電流密度增大。這兩種作用增加了不銹鋼的點蝕發(fā)生趨勢，研究還表明海水的流速與微生物膜的形成有關(guān)。
S. C. Dexter等[5] 對SS316 不銹鋼在海水中的腐蝕電位和陰極性質(zhì)進行了研究。結(jié)果表明微生物膜可以引起材料的局部腐蝕。對于仍保持鈍化的電極微生物膜的形成導(dǎo)致腐蝕電位正移。他們認為微生物膜對陰極反應(yīng)動力學的影響可能導(dǎo)致腐蝕電位的正移。同時微生物膜內(nèi)的氧濃差電池和陰極反應(yīng)速度的增加使得天然海水比無菌海水更具腐蝕性。
Scotto等[6]研究表明，不銹鋼的腐蝕電位隨著微生物膜內(nèi)碳水化合物和蛋白質(zhì)的量的增加而增加。在兩種物質(zhì)增加的初期腐蝕電位的增加速度較快，當達到一定量后腐蝕電位增加緩慢。在-200 mV（SCE）極化電位下，極化電流隨不銹鋼電極表面微生物膜內(nèi)聚多糖的量的增加而增大。
V.Scotto等[7]認為腐蝕電位正移是膜內(nèi)特殊酶的作用，通過向海水中加NaN3 （一種可以抑制微生物體內(nèi)酶活性的化學物質(zhì)），不銹鋼已經(jīng)正移的腐蝕電位又恢復(fù)到正移前的電位值。
R.Johnsen 等[8]認為膜內(nèi)形成的金屬絡(luò)合物是其原因，膜內(nèi)pH 值的降低也被認為與此現(xiàn)象有關(guān)。
Dinh 等發(fā)現(xiàn)[9]，在鐵存在條件下，一種硫酸鹽還原菌可以產(chǎn)生高濃度的氫氣而不是消耗氫氣，認為該細菌可以直接從鐵中獲得電子來加速陽極反應(yīng)過程，而非依靠消耗陰極氫。
這一系列結(jié)果說明，微生物自身活動或者代謝過程產(chǎn)生的產(chǎn)物對腐蝕的電化學反應(yīng)過程的影響是材料表面微生物腐蝕發(fā)生的主要原因。對于海洋環(huán)境中的金屬腐蝕過程，陰極發(fā)生吸氧反應(yīng)更為普遍，氧氣反應(yīng)速度是影響海水腐蝕速度的重要因素。在海洋中普遍存在的脫硫弧菌這一類SRB生物體內(nèi)具有超氧化物還原酶和過氧化氫酶，可以催化分解環(huán)境中的超氧離子或過氧化氫等活性氧類物質(zhì)生成水，因此，代謝產(chǎn)物必然會對陰極氧氣的還原過程產(chǎn)生影響。
從已有研究中可看出，關(guān)于微生物的作用，多停留在腐蝕現(xiàn)象的描述和腐蝕產(chǎn)物的表象分析層面，對于腐蝕過程及機理只能依靠推測，難以深入。
海洋環(huán)境中微生物腐蝕發(fā)生在一個復(fù)雜的體系，自身代謝過程產(chǎn)生的生物化學分子與腐蝕的電化學反應(yīng)之間存在交互作用，目前的研究角度和研究手段僅僅能獲取表面的現(xiàn)象，很難揭示腐蝕過程的實質(zhì)，微生物附著腐蝕除了具備一般海水腐蝕的電化學特征外，還存在一個獨特的“活性動態(tài)”界面反應(yīng)，所謂“活性”是指微生物的新陳代謝參與整個腐蝕過程，在腐蝕界面推進中，微生物的生長與消亡是一直存在的，并加速（或抑制）腐蝕速度；而“動態(tài)”除了反應(yīng)金屬腐蝕的動力學本質(zhì)外，還指生物膜中生命活動的持續(xù)性和多變性。
正是這種生命循環(huán)、能量循環(huán)和物質(zhì)循環(huán)的多因素耦合，造成了微生物附著腐蝕獨特的腐蝕機理和理論。
參考文獻：
[1] Garret J H. TheAction of Water on Lead. London: H. K. Lewis and Co., Ltd, 1891:23-29.
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[6] Scotto,V., Mollica, A.Audouard, J.P, Carrera, p.,Compere, C., Feron D., Rogne T. and Thierry, D., in proceedings Second MAST days and Euromar Market, Sorrento, Italy, Project reports. 2005, 11: 1060-1073.
[7] Scotto V., Lai, M.E., The ennoblement of stainless steels in seawater, Corrosion Science,2012, 40: 1007-1018.
[8] R. Johnsen, E. Bardal, Effects of seawater biofilms on corrosion potential and oxygen reduction of stainless steel. Corrosion, 2011, 41: 296-299.
[9] Dinh H.T., Kuever J., Mussmann M., et al. Iron corrosion by novel anaerobic microorganisms. Nature, 2004, 427(6977):829
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