金屬表面混合微生物腐蝕及分析方法研究進展
2019-11-20 09:38:41 作者:本網整理 來源:設備管理與防腐 分享至:

微生物腐蝕研究一直都是金屬腐蝕領域關注的熱點,微生物種類的不同,對金屬材料的腐蝕影響也不盡相同。實際環境中,微生物的復雜性導致單一微生物的腐蝕機理并不能完全解釋實際的腐蝕現象,因此混合微生物體系研究成為微生物腐蝕領域新的研究方向……在基于單種微生物對金屬的腐蝕行為及其腐蝕機理的研究基礎上,綜述了兩種微生物的混合體系在金屬表面對其腐蝕的影響。歸納總結了混合微生物的構成,重點綜述了含有SRB、IOB 和其他典型微生物的混合體系的作用過程,分析了混合體系中,不同微生物的相互作用(如協同、競爭作用等)對金屬腐蝕影響。


微生物在工業系統、海洋環境、城市管道等系統中普遍存在,而微生物對系統材料的腐蝕也有諸多報道,其中,微生物對金屬材料造成的腐蝕約占金屬材料腐蝕的20%。

 

一 混合物微生物對金屬的腐蝕

 


混合微生物的構成


在微生物腐蝕領域,研究較多的微生物主要有以下幾類:硫循環中包括硫酸鹽還原菌(Sulfate reducingbacteria,SRB)、硫氧化菌(Sulfure oxidizing bacteria,SOB);鐵循環中包括鐵還原細菌(Iron reducingbacteria,IRB)、鐵氧化細菌(Iron oxidizing bacteria,IOB);氮循環中包括硝化細菌、硝酸鹽還原菌(Nitratereducing bacteria,NRB);此外,還有產酸菌(Acidproducing bacteria,APB)和產黏液菌(Slime formingbacteria,SFB)等。其中,針對含SRB、IOB 的混合微生物體系研究較多。根據相關文獻研究,梳理部分混合微生物體系研究的微生物種類,見表1。


表1 微生物腐蝕研究中部分混合微生物體系選用的微生物種類

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01 含有SRB 的混合微生物體系


SRB可以氧化有機物或氫,把硫酸鹽、亞硫酸鹽等作為電子受體還原成H2S,從而獲得能量。SRB 和IOB 作為腐蝕金屬材料的兩類典型細菌,在混合微生物體系中常被作為研究對象。


02 含有IOB 的混合微生物體系


Fe是一種活潑的金屬,暴露在空氣、水、土壤等環境下容易發生氧化還原反應。IOB是一類可以通過氧化Fe2+獲得能量的微生物總稱,其可加速金屬的分解,使得腐蝕加重。IOB可以在含鐵的水環境下生長,對鋼鐵材料系統的腐蝕有著重要的影響,而與其他微生物混合,可能會使單一IOB條件下的腐蝕過程發生改變,使系統更加復雜。IOB與SRB的混合體系前文已經提到,其混合體系階段不同,對腐蝕的影響也不同。


03 其他混合微生物體系


其他混合微生物體系主要為特定環境的優勢菌種(如假單胞菌屬等),相關的研究與實際環境更相近。脫硫弧菌和溶藻弧菌單獨存在下的907鋼腐蝕結果表明,氧的存在及營養物質的匱乏,抑制了脫硫弧菌的存活和繁殖,使溶藻弧菌很好地生存且生成生物膜,進而抑制了907鋼的腐蝕。而在兩者混合體系中,腐蝕抑制作用更加明顯。

 

2 混合微生物腐蝕作用機制

 


對于腐蝕機理的推測,目前大多數是指某一類微生物對材料的腐蝕機理,以SRB 為例,有陰極去極化理論、濃差電池理論、代謝產物酸腐蝕理論、陽極區固定理論等。


混合微生物體系中,協同作用會抑制或促進金屬材料腐蝕。研究較多的SRB和IOB 的混合體系就是通過對氧需求的不同,促進了對金屬的腐蝕。初期,混合體系使得碳鋼的點蝕較為嚴重,SRB和IOB混合體系的腐蝕機理過程如圖1所示。首先,兩種細菌會吸附在金屬表面,SRB由于嚴格厭氧,會集中在金屬基底,而IOB位于表面;然后兩種細菌分泌EPS,形成生物膜,IOB 將Fe2+氧化成Fe3+,與OH-結合形成腐蝕產物,下一階段,生物膜和腐蝕產物的累積以及氧氣的濃度下降,使SRB 還原SO42-,或通過Fe 獲得電子,同時產生FeS,促進點蝕加劇。混合微生物體系的協同作用也體現在一種微生物為另一種微生物提供生長條件(有機物、氧氣、pH 等),進而對金屬的腐蝕產生相同的影響。


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圖1 SRB 和IOB 混合體系的腐蝕機理圖


二 混合微生物的研究環境與方法


1 研究體系


微生物腐蝕的環境有海洋、石油、市政管網等系統,原位條件下進行腐蝕實驗存在著諸多因素的影響,因此混合微生物體系的研究主要從培養基、滅菌的原水水樣和模擬原水的特定離子(或其他特征,如溫度、pH 等)方面進行。

 

2 金屬表面微生物活動的微觀研究技術


在混合體系中,如何檢測或顯示微生物在金屬表面的生命活動、分布聚集和對金屬表面電極反應的影響等微觀變化,應是探究微生物相互作用的重要問題。本文介紹了熒光顯微技術構建混合微生物及其生物膜的三維結構,將生物膜立體化和易視化。結合傳統的電化學技術,重點分析混合微生物下的電極反應、電子傳遞變化,并利用微電極技術得到微觀原位實時的相應物質變化。


01 熒光顯微技術


20 世紀90 年代,激光掃描顯微鏡(Laser Confocal Microscopy,LSM)開始應用于微生物的分析研究。直到結合共軛聚焦裝置后,發射連續光源來激發熒光探針被稱為激光掃描共聚焦顯微鏡(Laser Scanning Confocal Microscopy,CLSM)。


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圖2 CLSM 觀察混合體系生物膜中的細菌(藍色)、蛋白質(綠色)和多糖(紅色)


02 電化學技術


電化學技術在金屬腐蝕中常用作微觀分析技術。當金屬電極置于自然或特定微生物環境中時,微生物吸附在電極表面,其生命活動及形成的不均勻的生物膜必定會對金屬電極表面的電化學行為產生影響。在混合微生物體系下,可用電化學技術分析,從微觀電流和電位的角度對混合微生物體系下的腐蝕作用機制和腐蝕動力學進行判斷,研究不同微生物附著在金屬電極表面之間的相互作用對金屬腐蝕的影響。


03 微電極技術


微電極是工作面大小為微米或納米級的一類電極,其微小尺寸能保證在實驗過程中,盡可能小地損害被測物體,保證其微觀下參數的變化。Bungay等人首次將溶解氧微電極在水環境下用于生物膜的分析,如測量微生物膜中溶解氧、pH、H2S、H2、氧化還原電位、硝酸氮、氧化亞氮等。微電極能夠表征生物膜內外沿深度(與生物膜表面相垂直)方向的特征參數的梯度分布情況以及膜內部某深度上特征參數的變化情況,同時還能夠測量生物膜厚度。微電極的測試結果可獲得兩類參數:膜-水界面的物質傳輸速率與膜內部的生化反應速率。這兩類參數是推導生物膜模型和研究生物膜傳質過程的重要參數。


三 結論與展望


1)無論是典型的腐蝕性微生物體系,還是腐蝕環境下優勢富集培養的混合微生物體系,都應重點關注兩種甚至多種微生物的相互作用對金屬腐蝕進程產生的影響。然而,當前對該領域的研究面臨諸多的困難與挑戰。第一,實驗室內無法實現環境中只存在兩種或多種指定微生物的原位研究條件,而搭建的實驗環境又過于簡單或有其他微生物的干擾。第二,在腐蝕過程中,微生物相互作用的監測技術或表征手段比較宏觀,體系試驗研究方法和相應的分析技術需要完善。第三,混合微生物會對金屬腐蝕與其單種微生物產生影響,微生物間存在合作,又彼此競爭,在混合的環境中,如何達到體系平衡以及如何改變單種條件下的腐蝕特性,需要深入探索。當前,對單種微生物的腐蝕機理和作用機制有了較多的研究和理論,但對多種微生物下的腐蝕作用機制仍需要更多的研究。


2)混合微生物體系的腐蝕研究是對自然環境下,微生物群落腐蝕研究的一個階段性研究,對其仍然需要大量的研究和深入的解釋。未來的研究可以從混合微生物培養過程中的生長特性和代謝產物較單種微生物的變化兩方面開展,結合腐蝕環境下的現象進行分析,探究是微生物自身的影響,還是代謝產物對腐蝕產生的影響。也可以利用熒光標記技術觀察混合體系下,微生物生長和基因表達的差異,分析其調控過程,從細胞和分子水平上揭示混合微生物體系的腐蝕機理和作用機制。

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