金属材料的微生物腐蚀与防护研究进展

汤秋华

（威立雅(中国)环境服务有限公司，江苏 常州 213031）

当处于海洋环境下时，微生物对金属材料能够产生两种化学转换反应，如果金属表面存在已经生成的生物膜，这会导致这两种物质的相互作用，从而出现腐蚀现象。到目前为止，海洋环境中各种有腐蚀效应的细菌，是造成金属材料受到损伤的主要因素，从研究的角度而言，应当分为相应溶液界面的新陈代谢腐蚀；受到客观环境因素影响的酸碱程度变化腐蚀；以及多余代谢物质造成的腐蚀现象。与此同时，这一问题的危害越来越显著，因此受到了广泛关注。

1 微生物腐蚀的历史回溯

关于微生物腐蚀方面的研究起源于国外，20世纪 80年代末，国外科学家首次提出了微生物腐蚀这一概念，并于90年代初期的地下生物实验中成功提取出具有腐蚀性质的微生物细菌，将这一现象带入到人们的视野中来，至此之后，越来越多的科学家开始致力于研究微生物对金属材料的腐蚀作用[1]。

2 生物膜生成及其对微生物腐蚀的影响

（1）生物膜的生长过程。在天然的海水环境中，微生物要想寻求长期生存，唯一的途径就是附着于其他材料的表面，也因为这样，就会出现生物膜这一特殊形象，生物膜的具体形态是由不同微生物发生作用的机理差异决定的。微生物在生长过程中，针对周边客观环境的变化，将会出现相对的应激反应，如果环境中的有害物质超标，则会采取紧急防御机制，通过分泌粘液的物质缓解毒性，形成结构相对较为稳定的生活，这种特性也提升了微生物的相对独立性，使其受到外界环境因素的影响降低。

（2）生物膜的具体特性。顾名思义，生物膜的初始形态为一层厚度在20到80纳米之间的薄膜。这种不同形态的物质结构附着于金属材料的表面，能够改变其导电状态和材料表面的湿度等性质，从而将整体环境改造为一个微生物培养的温床，方便其进一步聚集生长。随着生物膜的形态结构渐趋成熟，在金属材料的表面化学性质和酸碱程度会发生一个较大的改变，将微生物为了形成生物膜而分泌的粘液作为其他粒子传播的渠道，形成溶液的浓度差，从而发生导电反应，通过有机氧化等反应，慢慢侵蚀金属材料的表面结构[2]。

（3）腐蚀过程中生物膜所担任的双重角色。腐蚀过程中，微生物产生的生物膜担任着双重角色。微生物的反应和活动能够在很短的时间周期内改变金属材料表面的化学性质，这一反应具有双面性。从另一个角度研究，生物膜的形成将会影响材料表面的钝化反应，使得其对于外界客观条件的变化影响变小，从而防止腐蚀现象进一步恶化，此时生成的生物膜也可以看作是具有防护性质的保护层[3]。

（4）生物膜模拟方法。由于客观自然环境是不断变化中的，其中的生物因素也难以被确定和量化，因此，为了方便下一步研究，采取构建虚拟生物环境的方法，对金属材料微生物腐蚀的作用进行评价和研究，是比较常用的一种研究方式，通过经年累月的实践，表现出了明显的优越性。

3 微生物的作用机理

微生物的种类较为繁杂，在多种金属材料表面都有他们的身影出现。因此需要反复的研究和实验来验证他们的性质，观测它们变化的规律，到目前为止，微生物发生作用的机理可以简单概括为以下两种。①好氧菌的腐蚀机理。好氧菌通过酸性环境的方式对金属材料造成腐蚀效应，这种菌群代谢所产生的酸性物质可以归纳为无机和有机两种。除此之外，好氧菌的活动区域不同能够在金属材料表面形成溶液浓度差造成的电解环境，并通过这一方式发生电解反应，满足了金属材料腐蚀作用发生的环境要求，使得这一不良反应得以滋生[4]。②厌氧菌的腐蚀机理.在种类繁多的厌氧菌中，金属材料受害严重的微生物为硫酸盐还原菌，这一厌氧菌在金属材料的表面腐蚀和侵害作用上广为人知，已经成为了这一领域发展和进步的当务之急，其发生作用的机理可以概括为阴极反应理论和阳极电解质溶解理论[5]。

4 微生物腐蚀作用的防护

（1）物理方法。使用物理方法防范微生物对金属材料表面造成的腐蚀作用，常见的为循环冷却水系统。简单来说，就是通过处理和清洁水源环境，抑制微生物细菌的生长，并且定期进行灭菌处理，将一定单位内的微生物含量控制在一个合理的范围内，减缓腐蚀效应的发生。一般来说，采用紫外线照射的方式能够取得较好的效果，超声波处理则是通过信号的传递破坏细菌的繁殖。

（2）化学方法。到目前为止，对于抑制微生物的腐蚀作用来说，化学方法操作起来比较简便，成本低廉的同时也能够取得较好的效果。比较常见的化学杀菌剂按照职能和作用方式的不同可以区分为好氧型和厌氧型杀菌剂两种，顾名思义，分别针对好氧菌和厌氧菌的生成与繁殖。通过不断的尝试和试验可以发现，通过污水处理系统提升当前海洋环境的水洁净程度，配合化学杀菌剂的使用，能够有效抑制海洋环境中微生物的数量，从而减缓船体表面金属材料受到的腐蚀[6]。

（3）防护性涂层。预先在金属材料表面做防护性涂层处理，也是目前较为常见的一种防腐蚀方法。这种方法不仅能够在金属材料表面形成微生物难以附着的环境，同时还可以从一定程度上起到杀菌防腐的作用。出于成本和效果的权衡与考虑，现阶段比较受欢迎的防腐涂层材料有水性环氧涂料、水性无机富锌涂料、水性丙烯酸涂料等等，近年来，随着科学技术的进步，还出现了更加先进的纳米防污涂料。