金属表面混合微生物腐蚀及分析方法研究进展

  惊鸿一瞥        2019-11-20 16:02:48

微生物在工业系统、海洋环境、城市管道等系统中普遍存在,而微生物对系统材料的腐蚀也有诸多报道,其中,微生物对金属材料造成的腐蚀约占金属材料腐蚀的20%。


微生物腐蚀研究一直都是金属腐蚀领域关注的热点,微生物种类的不同,对金属材料的腐蚀影响也不尽相同。实际环境中,微生物的复杂性导致单一微生物的腐蚀机理并不能完全解释实际的腐蚀现象,因此混合微生物体系研究成为微生物腐蚀领域新的研究方向。


混合物微生物对金属的腐蚀


混合微生物的构成


在微生物腐蚀领域,研究较多的微生物主要有以下几类:硫循环中包括硫酸盐还原菌(Sulfate reducingbacteria,SRB)、硫氧化菌(Sulfure oxidizing bacteria,SOB);铁循环中包括铁还原细菌(Iron reducingbacteria,IRB)、铁氧化细菌(Iron oxidizing bacteria,IOB);氮循环中包括硝化细菌、硝酸盐还原菌(Nitratereducing bacteria,NRB);此外,还有产酸菌(Acidproducing bacteria,APB)和产黏液菌(Slime formingbacteria,SFB)等。其中,针对含SRB、IOB 的混合微生物体系研究较多。根据相关文献研究,梳理部分混合微生物体系研究的微生物种类,见表1。


表1 微生物腐蚀研究中部分混合微生物体系选用的微生物种

金属表面混合微生物腐蚀及分析方法研究进展

金属表面混合微生物腐蚀及分析方法研究进展

1、含有SRB的混合微生物体系


SRB可以氧化有机物或氢,把硫酸盐、亚硫酸盐等作为电子受体还原成H2S,从而获得能量。SRB和IOB作为腐蚀金属材料的两类典型细菌,在混合微生物体系中常被作为研究对象。


2、含有IOB的混合微生物体系


Fe是一种活泼的金属,暴露在空气、水、土壤等环境下容易发生氧化还原反应。IOB是一类可以通过氧化Fe2+获得能量的微生物总称,其可加速金属的分解,使得腐蚀加重。IOB可以在含铁的水环境下生长,对钢铁材料系统的腐蚀有着重要的影响,而与其他微生物混合,可能会使单一IOB条件下的腐蚀过程发生改变,使系统更加复杂。IOB与SRB混合体系的阶段不同,对腐蚀的影响也不同。


3、其他混合微生物体系


其他混合微生物体系主要为特定环境的优势菌种(如假单胞菌属等),相关的研究与实际环境更相近。脱硫弧菌和溶藻弧菌单独存在下的907钢腐蚀结果表明,氧的存在及营养物质的匮乏,抑制了脱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,进而抑制了907钢的腐蚀。而在两者混合体系中,腐蚀抑制作用更加明显。


混合微生物腐蚀作用机制


对于腐蚀机理的推测,目前大多数是指某一类微生物对材料的腐蚀机理,以SRB为例,有阴极去极化理论、浓差电池理论、代谢产物酸腐蚀理论、阳极区固定理论等。


混合微生物体系中,协同作用会抑制或促进金属材料腐蚀。研究较多的SRB和IOB的混合体系就是通过对氧需求的不同,促进了对金属的腐蚀。初期,混合体系使得碳钢的点蚀较为严重,SRB和IOB混合体系的腐蚀机理过程如图1所示。

金属表面混合微生物腐蚀及分析方法研究进展

图1 SRB和IOB混合体系的腐蚀机理图


首先,两种细菌会吸附在金属表面,SRB由于严格厌氧,会集中在金属基底,而IOB位于表面;然后两种细菌分泌EPS,形成生物膜,IOB 将Fe2+氧化成Fe3+,与OH-结合形成腐蚀产物,下一阶段,生物膜和腐蚀产物的累积以及氧气的浓度下降,使SRB还原SO42-,或通过Fe获得电子,同时产生FeS,促进点蚀加剧。混合微生物体系的协同作用也体现在一种微生物为另一种微生物提供生长条件(有机物、氧气、pH 等),进而对金属的腐蚀产生相同的影响。


混合微生物的研究环境与方法


研究体系


微生物腐蚀的环境有海洋、石油、市政管网等系统,原位条件下进行腐蚀实验存在着诸多因素的影响,因此混合微生物体系的研究主要从培养基、灭菌的原水水样和模拟原水的特定离子(或其他特征,如温度、pH等)方面进行。


金属表面微生物活动的微观研究技术


在混合体系中,如何检测或显示微生物在金属表面的生命活动、分布聚集和对金属表面电极反应的影响等微观变化,应是探究微生物相互作用的重要问题。


1、荧光显微技术


20世纪90年代,激光扫描显微镜(Laser Confocal Microscopy,LSM)开始应用于微生物的分析研究。直到结合共轭聚焦装置后,发射连续光源来激发荧光探针被称为激光扫描共聚焦显微镜(Laser Scanning Confocal Microscopy,CLSM)。

金属表面混合微生物腐蚀及分析方法研究进展

图2 CLSM观察混合体系生物膜中的细菌(蓝色)、蛋白质(绿色)和多糖(红色)


2、电化学技术


电化学技术在金属腐蚀中常用作微观分析技术。当金属电极置于自然或特定微生物环境中时,微生物吸附在电极表面,其生命活动及形成的不均匀的生物膜必定会对金属电极表面的电化学行为产生影响。在混合微生物体系下,可用电化学技术分析,从微观电流和电位的角度对混合微生物体系下的腐蚀作用机制和腐蚀动力学进行判断,研究不同微生物附着在金属电极表面之间的相互作用对金属腐蚀的影响。


3、微电极技术


微电极是工作面大小为微米或纳米级的一类电极,其微小尺寸能保证在实验过程中,尽可能小地损害被测物体,保证其微观下参数的变化。Bungay等人首次将溶解氧微电极在水环境下用于生物膜的分析,如测量微生物膜中溶解氧、pH、H2S、H2、氧化还原电位、硝酸氮、氧化亚氮等。微电极能够表征生物膜内外沿深度(与生物膜表面相垂直)方向的特征参数的梯度分布情况以及膜内部某深度上特征参数的变化情况,同时还能够测量生物膜厚度。微电极的测试结果可获得两类参数:膜-水界面的物质传输速率与膜内部的生化反应速率。这两类参数是推导生物膜模型和研究生物膜传质过程的重要参数。


结论与展望


1)无论是典型的腐蚀性微生物体系,还是腐蚀环境下优势富集培养的混合微生物体系,都应重点关注两种甚至多种微生物的相互作用对金属腐蚀进程产生的影响。然而,当前对该领域的研究面临诸多的困难与挑战。第一,实验室内无法实现环境中只存在两种或多种指定微生物的原位研究条件,而搭建的实验环境又过于简单或有其他微生物的干扰。第二,在腐蚀过程中,微生物相互作用的监测技术或表征手段比较宏观,体系试验研究方法和相应的分析技术需要完善。第三,混合微生物会对金属腐蚀与其单种微生物产生影响,微生物间存在合作,又彼此竞争,在混合的环境中,如何达到体系平衡以及如何改变单种条件下的腐蚀特性,需要深入探索。当前,对单种微生物的腐蚀机理和作用机制有了较多的研究和理论,但对多种微生物下的腐蚀作用机制仍需要更多的研究。


2)混合微生物体系的腐蚀研究是对自然环境下,微生物群落腐蚀研究的一个阶段性研究,对其仍然需要大量的研究和深入的解释。未来的研究可以从混合微生物培养过程中的生长特性和代谢产物较单种微生物的变化两方面开展,结合腐蚀环境下的现象进行分析,探究是微生物自身的影响,还是代谢产物对腐蚀产生的影响。也可以利用荧光标记技术观察混合体系下,微生物生长和基因表达的差异,分析其调控过程,从细胞和分子水平上揭示混合微生物体系的腐蚀机理和作用机制。

来源:设备管理与防腐

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