1　引　言

    海洋微生物腐蚀的研究进展海洋中存在着种类繁多的微生物， 它们附着于工程材料表面， 形成生物膜（Biofilm）， 在生物膜内部，pH 值 、溶解氧、有机物和无机物种类等因素都与海洋本体环境完全不同， 生物膜内微生物的活性控制着电化学反应的速率和类型 ,这种受微生物影响的 金 属 和 合 金 的 腐 蚀 称 为 微 生 物 腐 蚀（Microbiologically Influenced Corrosion, 简 称MIC）。微生物腐蚀虽然早在 60 年前就已被人们所认识 ,但最初人们对微生物腐蚀的认识仅限于个别的微生物腐蚀失效事故的描述。到 80 年代中期 ,随着表面分析技术（如环境扫描电镜、原子力和激光共焦显微镜）的发展 ,人们可以测量生物膜的厚度和组成， 使得精确确定微生物和腐蚀之间的空间关系成为可能， 微生物腐蚀的研究也从失效事故的表面现象变为日益成熟的交叉学科 。

    2　影响腐蚀的微生物

    微生物腐蚀的本质是微生物新陈代谢的产物通过影响腐蚀反应的阴极过程或阳极过程， 从而影响腐蚀速率和类型 , 因此， 人们常按影响腐蚀的机制的不同来划分微生物的种类：如硫酸盐还原菌（Sulfate-reducing Bacteria ,简称SRB）、产酸菌（Acid-producing Bacteria）、产粘泥菌 （Slime-producingBacteria）、产氨菌（Ammonium-producing Bacteria）等。

     硫酸盐还原菌（SRB）是一种专性厌氧菌 , 它是一些能够把 SO₄^2-还原成 S ^2-而自身获得能量 、在生理和形态上完全不同的多种细菌的统称， 几乎对所有的金属和合金（钛合金除外）的腐蚀都能产生影响， 如碳钢、不锈钢 、铜和铜合金、镍及其合金。

    产酸菌能够将可溶性硫化物或氨转变为硫酸或硝酸 ,降低局部的 pH 值而加速金属的腐蚀 。产粘泥菌也是海水中数量较多的一类细菌 ,它们能产生一种胶状的、附着力很强的沉淀物 ,这种沉淀物附着在金属或合金的表面， 形成差异腐蚀电池而导致局部腐蚀。产氨菌是能够产生 NH₄⁺ 的细菌， 该类细菌对于铜和铜合金的腐蚀影响特别大， 能大大提高铜合金应力腐蚀开裂的敏感性 。

    实际上，在天然环境中，不存在只有单一细菌的环境。S .C .Dexter 认为生长在自然或人工环境中的微观生物都有影响腐蚀的潜力 ,这种对腐蚀的影响可以是加速、中立和减缓的 。当微生物成为影响腐蚀速率的主要因素时 , 腐蚀通常更趋局部化和更高的腐蚀穿孔速率 。

    3　细菌的培养与测量方法

    SRB 的培养与测量方法 , 分为培养方法和直接测量法两类 。培养方法是先对细菌进行培养 , 再用显微镜或统计方法进行计数 ;直接测量法是最近发展起来的生物化学方法， 通过测量细菌中某种特定化学物质，来确定细菌的数量 。本文将介绍三种培养方法和直接测量法 。

     3.1　培养方法

    （1）最 大 可能 菌 数 法（The Most ProbableNumber, 简称 MPN 法）　该方法在标准 API RP-38中有详细的描述 ,培养基采用以乳酸钠为碳源的液体培养基 ,成分列于表 1。

    当水样中含有 SRB 时， 它们把 SO₄^{2 -}还原成S ^{2 -} , S ^{2 -} 与 Fe ²⁺ 生成黑色的 FeS 腐蚀产物， 28 天后，若培养基变黑则表示有 SRB 存在。测试过程是先用 1ml 的注射器吸取 1ml 的待测水样， 注入含有9ml 培养基的测试瓶 ,稀释度为 10 倍 ,充分摇匀后 ,再用一个新的无菌注射器从该瓶中吸取 1ml 培养基，注入下一个测试瓶，重复以上操作形成一系列不同稀释度的测试瓶， 平行样可以是 3、4 或 5个 ,通过查表即得待测水样中的细菌数量。

    （2）琼脂培养基法（Agar Deeps法） 该法是由Biosan 实验室开发的一种 SRB 的测量法 ,通过培养基变黑的快慢来估计待测水样中细菌的相对含量 ,计数方法见表 2。

    实验过程是用一个移液管在待测水样中蘸一下， 然后接种到一个装有半固体的琼脂培养基中 ,将测试瓶密封， 每天检查小瓶黑的程度， 按表 2 的方式报告细菌数量 ,实验时间为 5 天。

    （3）液体琼脂试管法（Melt Agar Tubes 法）　该法由 Nalco 化学公司开发的 SRB 的测量法， 它利用色氨酸作为唯一的营养源，其组成见表 3 。

     将测试管置于沸水中融化， 然后自然冷却至 40～ 45℃， 将待测水样稀释到 10⁶,一系列稀释度的待测水样用移液管加入到测试管底部，然后塞紧， 培养三天 ,则水样中的细菌数量为离散的细菌群落的数量乘以水样的稀释倍数 。如果试管全部变黑， 无可见的细菌群落 ,表明SRB 数量太多而超出范围 。

     三种培养方法的优缺点：MPN 法精度最高 , 但所需时间长， 且需专用设备；琼脂培养基法的优点是简单易行 ,不需要专用设备， 缺点是 5 天时间不能使SRB 充分地生长， 且实验中需要每天观察和记录；液体琼脂试管法的优点是不需专用设备， 缺点是在现场测试中不易实现，且实验数据不易处理 。

     3.2 　直接测量法

    （1）三磷酸腺苷（ATP）法　该法是通过测量水样中 ATP 的含量来估计 SRB 的总数。ATP 是所有生命中都存在的化合物 , Littman 提出用 ATP 法来估计油田注水中 SRB 的相对含量。实验方法是先将水样过滤以除去固体颗粒和盐份 ,再加入一种试剂使细菌释放出 ATP ,然后加入一种能够与 ATP发生光化学反应的酶，用光度计测量发光量 ,细菌的数量与测得发光量成正比。

    （2）体外荧光表面抗体（ECSA）法 　该法是利用 SRB 表面一种特殊的抗体来对 SRB 进行测量。 附着在 SRB 表面的抗体与一种荧光化合物相结合，利用一个绿色的荧光玻片， 在萤光显微镜下就可看到带有这种抗体的细菌 ,并进行计数。

    （3）腺苷酰硫酸还原酶抗体（ARA）法 　该法是利用一种所有 SRB 中都含有的腺苷酰硫酸还原酶抗体来进行测量 。所测样品先用水洗去表面的H?2?S ,再用超声波仪打破细菌的团束， 使之释放出腺苷酰硫酸还原酶 。将待测水样经过一个多孔泡沫滴到移液管中，用水冲洗 4 次， 再滴入显色剂， 如果水样中含有腺苷酰硫酸还原酶， 则多孔泡沫在 10min内变兰，颜色的深度与水样中酶的含量成正比 ,通过与比色图上的颜色对比来估计 SRB 的含量 。

    三种直接测量法也各有优缺点 :ATP 法优点是结果可以在1h 内得到 ,缺点是要求水样相对比较干净；ECSA 法的结果也可在 2 ～ 3h 内得到 ,缺点是检测上限为 10⁴个/ml ,限制了其使用 ;ARA 法的优点是结果可以在 15min 内得到， 不需要昂贵的仪器 ,可在现场使用， 缺点是检测上限为 10³个/ml 。

    总之 ,每种方法都各有优缺点 ,实验人员应根据不同的测量精度要求、水样状况、仪器设备、实验时间等要求 ,选择适宜的测量方法。

    4　微生物腐蚀研究中的表面分析方法

    微生物腐蚀都是电化学过程， 吴建华 等人已撰文对微生物腐蚀的电化学研究方法进行了评述 。

    然而， 要对所得的电化学数据和腐蚀机制作出合理的解释 ,必须借助于表面分析技术。在微生物腐蚀的研究中， 常用的表面分析技术有 :环境扫描电镜（ESEM）、扫描电镜（SEM）、能谱（EDS）、俄歇电子能谱（AES）、X 射线光电子能谱（XPS）等。

    ESEM 和SEM 都是进行表面形貌分析的技术 ,常与 EDS 联用进行成分分析 。Little 和 Wagner 等人最早将 ESEM/EDS 应用于微生物腐蚀研究 ?,该仪器利用独特的二次电子探测器在 0.1 ～ 20 托的压力范围内形成高清晰度的图象， 对于多水的 、具有生物活性的生物膜来说， ESEM/EDS 是一种原位的、无伤探测方法 。SEM/EDS 由于在高真空下进行测试 ,需要对试样进行固定、脱水和喷导电涂层 ,试样制备过程较复杂， 会破坏生物膜的结构 ,因此 ,SEM 形成的图象具有一定的误差 ,在分析实验结果时应考虑到这一点。

    俄歇电子能谱（AES）和 X 射线光电子能谱（XPS）常用于研究微生物腐蚀的产物 , 这种测量对于理解腐蚀机制大有帮助。 R.A .Sadowski 和 R.Clayton 分别利用 AES 、XPS 研究了不锈钢在含有SRB 的介质中的腐蚀产物 ,提出了腐蚀机制。

    5　几种常见合金的微生物腐蚀

    人们最先研究的是碳钢的微生物腐蚀， 自 1934年， Von Wolzogen Kuhr 等人提出了经典的阴极去极化理论 ,这种 SRB 对碳钢腐蚀的影响机制已被人们所广泛接受 ?。目前研究最多的是不锈钢、铜及铜合金、镍合金的微生物腐蚀 ,本文将着重介绍这几种合金的腐蚀 。

    （1）不锈钢 　不锈钢的微生物腐蚀最常见的形式是焊缝区的点蚀 , Scot 等人报道了 904L 奥氏体不锈钢的微生物腐蚀。Borenstein 研究了 304L和 316L 不锈钢的焊缝区的微生物腐蚀 , 发现奥氏体和 δ亚铁相都具有微生物腐蚀的敏感性 。

    Stein 研究发现不锈钢的 MIC 敏感性与制造工艺有关， 退火可以减小不锈钢点蚀的敏感性 。

    大量文献报道了不锈钢在天然海水中自腐电位E corr 正移的现象 , S.C.Dexter 等人研究了其腐蚀机制 ?。不锈钢的微生物腐蚀是目前研究的热点之一 ,人们正试图探索不锈钢的合金组成与微生物腐蚀敏感性之间的联系， 以增强不锈钢在海洋环境中的耐蚀性能 。

    （2）铜和铜合金　铜合金对微生物腐蚀非常敏感， 人们提出了很多铜合金 MIC 的机制如：氧浓差电池 、选择性溶解 、膜下腐蚀和阴极去极化等。Pope等人提出以下新陈代谢产物可能加速铜合金的局部腐蚀， 如：CO ₂ 、H ₂ S 、NH ₃ 、有机酸、无机酸和硫化物 。McNeil 提出了铜合金在 SRB 环境中微生物腐蚀的机制，认为腐蚀是由于 SRB 新陈代谢产生的S 2- 与 Cu 2 O 膜发生反应， 破坏了合金的稳定性引起的 。

    引起铜合金微生物腐蚀的细菌不只是 SRB。 Pope 研究了电厂淡水和海水冷却系统中 90/10 铜镍合金、海军黄铜 、铝黄铜和铝青铜管的微生物腐蚀，大多数铜镍管是由于产粘液菌在表面附着而造成的 ,并从遭受应力腐蚀开裂的海军黄铜的垢下分离出了产氨菌 。

    （3）镍合金 　最典型的镍合金是 Monel 400, 它在含 Cl - 的环境中具有点蚀和缝隙腐蚀的敏感性，而硫化物也能破坏其钝化膜 。Gouda 等人研究了Monel 400 在阿拉伯湾发生的 SRB 膜下的点蚀和镍的选择性溶解 。

    625 合金（UNS N06625）也是一种应用较多的镍合金，D .G .Enos 等人研究了 625 合金在天然湖水中的微生物腐蚀 , 表明 625 合金在天然湖水中浸泡数小时后， 自腐电位 E corr 明显负移， 腐蚀速率明显加快，Ni（OH） 2 是 625 合金的腐蚀产物 , 而对其腐蚀机制的研究还较少。

    6　微生物腐蚀研究的发展趋势

    微生物腐蚀经过几十年的研究， 已经从个别的失效事故的描述性的报道 , 转移到腐蚀过程和机制的研究 ,主要集中在用电化学方法和表面分析技术来研究金属和合金的腐蚀机制 。未来的发展趋势将是从宏观到微观 ,用基因探针 、微电极以及扫描振动电极来进一步揭示生物膜和腐蚀过程之间的空间关系和微观机制。

    基因探针作为一种最新发展的生物测量技术 ,可在实验室内和现场用于对生物膜内的细菌进行快速、原位的测量 ;微电极技术可以测量生物膜内的物理化学环境， 如 pH 值 、溶解氧 、氧化还原电位 E h ,以及铁、锰、氯等离子 ,Dexter 等人已经在这方面进行了一些开创性的工作 ?。扫描振动电极系统用于微生物腐蚀的研究， 可以测量电极表面的电流密度分布和电位分布， 结合表面分析技术 ,对于探讨微生物腐蚀机制大有帮助。

    微生物腐蚀的工业现场原位监测与控制技术也是微生物腐蚀研究的重要发展方向和现实问题。

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责任编辑：殷鹏飞

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