陳士強(qiáng)，張盾

（1.中國科學(xué)院海洋研究所，山東 青島 266071；2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266237）

海水環(huán)境為微生物的生長和繁殖提供了豐富條 件，如水、營養(yǎng)物質(zhì)和電子供受體等，盡管迄今為止還無法完全統(tǒng)計出海水中所含微生物的種類，但分子生物學(xué)技術(shù)的分析表明，單個海水樣品中包含超過一萬種不同類型的微生物[1]。海水環(huán)境中微生物的存在不僅在海洋生態(tài)環(huán)境和物質(zhì)循環(huán)中起到重要作用，還會影響海水中鋼鐵工程設(shè)施的腐蝕。微生物腐蝕（MIC）指的是微生物的生命活動間接或直接對金屬腐蝕的電化學(xué)過程產(chǎn)生影響。目前研究表明，MIC過程主要分為以下四種形式[2]：新陳代謝過程中產(chǎn)生某些具有腐蝕性的代謝產(chǎn)物，如酸、有機(jī)酸和硫化物等，惡化金屬腐蝕的環(huán)境；生命活動影響電極反應(yīng)的動力學(xué)過程；改變金屬所處環(huán)境狀況，如氧濃度、鹽濃度、pH值等，使金屬表面形成局部腐蝕電池；破壞金屬表面保護(hù)性的膜，如腐蝕產(chǎn)物膜、非金屬覆蓋層或緩蝕劑的膜。MIC的一個主要特征就是金屬表面伴隨有生物膜的沉積，生物膜是胞外多聚物（EPS）與介質(zhì)中的土粒、礦物質(zhì)、微生物細(xì)胞和金屬腐蝕產(chǎn)物的混合體。金屬遭受 MIC的程度往往和生物膜積聚的數(shù)量和形態(tài)有關(guān)。金屬腐蝕破壞形式主要分為均勻腐蝕和局部腐蝕，其中局部腐蝕又包括點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕開裂和沉積層下的腐蝕等。因由微生物構(gòu)成的生物膜在金屬表面的附著改變了金屬表面的局部化學(xué)環(huán)境，為局部腐蝕的發(fā)生創(chuàng)造了條件。因此，MIC是典型的局部腐蝕過程[3]。

隨著陸地油氣資源的日益枯竭，大力開發(fā)和利用深海和遠(yuǎn)海油氣資源日益成為世界各國的發(fā)展趨勢[4]。我國擁有三百多萬平方公里的廣闊海域，深海和遠(yuǎn)海油氣資源的開發(fā)與利用具有更廣闊的發(fā)展前景，而各類海中油氣輸送管線是這一發(fā)展趨勢不可或缺的重要組成部分[5]。從20世紀(jì)80年代至今，我國已經(jīng)投入應(yīng)用的海洋管線設(shè)備總量已經(jīng)超過7.5萬千米，目前服役的管線鋼的型號有 5LB、X42、X52、X60、X65和X70，以及高級別的管線鋼，如X80、X100和 X120等[6]。管線鋼在服役過程中，因破壞而導(dǎo)致油氣泄露的事故，給人民的生命和財產(chǎn)安全，以及生態(tài)環(huán)境造成重大威脅，引起了國內(nèi)外的高度關(guān)注[7]。大量的研究與數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，腐蝕是導(dǎo)致管線鋼破壞的重要原因之一[8]，其中內(nèi)外腐蝕引起的事故分別約占總體腐蝕的55%和45%[9]。相對于均勻腐蝕，局部腐蝕能夠?qū)е鹿芫€鋼局部穿孔、結(jié)構(gòu)力學(xué)性能減弱或變脆等，是影響管道安全穩(wěn)定運(yùn)行的最主要因素。隨著我國走向深海和遠(yuǎn)海的海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的實(shí)施，海水中管線鋼的應(yīng)用將日益增多，而作為海水中典型局部腐蝕形式的MIC，應(yīng)該引起高度重視。

文中從以下幾個方面綜述了海水中管線鋼 MIC近年來的研究進(jìn)展。

1 微生物的主要種類

海水中影響管線鋼腐蝕細(xì)菌的種類繁多，按照需氧量的不同可以分為：厭氧菌、好氧菌和兼性厭氧菌。研究表明，通常這幾類細(xì)菌同時吸附在金屬材料表面形成生物膜，其中，好氧菌和兼性厭氧菌首先生長繁殖，消耗掉環(huán)境中氧氣，為厭氧菌的生長繁殖提供條件[10]。以上細(xì)菌又可以分為以下幾類：硫酸鹽還原菌（SRB）、硫氧化細(xì)菌（SOB）、鐵還原細(xì)菌（IRB）、鐵氧化細(xì)菌（IOB）、錳氧化細(xì)菌（MnOB）、產(chǎn)酸菌（APB）、硝酸鹽還原菌（NRB）以及能夠代謝產(chǎn)生多聚物和粘泥的細(xì)菌[11-12]。實(shí)際環(huán)境的生物膜中，這幾類細(xì)菌以協(xié)同或拮抗的方式影響金屬材料腐蝕過程的進(jìn)行[13]，如圖1所示。以上并非是微生物分類學(xué)上的概念，而是一類具有特征代謝能力細(xì)菌的統(tǒng)稱，例如 SRB指的是能夠利用有機(jī)物為電子供體，硫酸鹽為電子受體，代謝產(chǎn)生硫化物一類細(xì)菌的統(tǒng)稱。SRB所致管線鋼腐蝕是被研究最早和最多的。統(tǒng)計表明，僅有 SRB所致的腐蝕損失占整個腐蝕損失的 1/2以上[14]。目前，海水中分離培養(yǎng)獲得的 SRB的主要種類有：Desulfovibrio sp.、Clostridium Sphenoides、Desulfobacterium、Desulfovibrio Caledoniensis、Desulfotomaculum nigrificans、 Desulfobacter sp.和Desulfotomaculum sp.等[10]。生物膜中常見的另一類硫代謝細(xì)菌為 SOB，主要種類有：Thiobacillus thiooxidans、Sulfurimonas、Sulfuricurvum、Sulfurovum 和Thioprofundum lithotrophicum等。近年來的研究表明，鐵代謝細(xì)菌（IRB和IOB）對金屬腐蝕也有非常重要的影響[15]，其中，IRB的種類主要有：Clostridium sp.、Shewanellaceae、Ferrimonas sediminum和 Alkaliphilus metalliredigens等。IOB的種類主要包括：Bacillus sp.、Gallionella、Sideroxydans、Mariprofundus ferrooxidans、Marinobacter和 Pseudoalteromonas等。MnOB的存在能夠?qū)е陆饘俦砻娉练eMnO2，引起腐蝕電位正移，發(fā)生局部腐蝕。目前研究發(fā)現(xiàn)海水中 MnOB主要包括：Bacillus、Staphylococcus、Synecoccus、Propionibacterium、Micrococcus、Pseudomonas和Vibrio[16]。APB的酸性代謝產(chǎn)物導(dǎo)致體系的pH降低，增加金屬的腐蝕速率，主要包括產(chǎn)醋酸菌和產(chǎn)硫酸菌: Thiobacillus thiooxidans、Sporomusa sphaeroides、Sporomusa ovata 和 Acetobacterium spp.等[17]。有研究表明，海水中NRB的存在同樣會影響腐蝕過程的進(jìn)行，目前主要的NRB有：Octadecabacter jejudonensis和Alcaligenes aquatilis等[18-19]。以上這些細(xì)菌并非嚴(yán)格地進(jìn)行單一代謝途徑，有些細(xì)菌可以根據(jù)環(huán)境中營養(yǎng)物質(zhì)以及電子供受體的變化，改變自身的代謝途徑。某些細(xì)菌既可以還原硫酸鹽也可以還原硝酸鹽，例如：Desulfonatronospira thiodismutans、Desulfohalobium retbaense和 Archaeoglobus fulgidis等[20]，有些既可以還原三價鐵也可以還原硫酸鹽，例如：Desulfuromonas acetoxidans[21]。還有些細(xì)菌同時具備兩種功能，例如SOB代謝產(chǎn)生產(chǎn)物通常為硫酸，因此很大一部分SOB也是APB。由此可見，腐蝕微生物具有代謝多樣性的特點(diǎn)。另外，上述僅是海水中影響管線鋼腐蝕微生物的一小部分而已，還有很多種類無法進(jìn)行分離和培養(yǎng)。這些都給MIC機(jī)理和防護(hù)的研究帶來了很大難度。

2 微生物腐蝕機(jī)理

自 MIC發(fā)現(xiàn)以來，其機(jī)理研究已經(jīng)歷了一個多世紀(jì)，大量的腐蝕機(jī)理模型被提出[2,7]。這些機(jī)理模型可以分為三類：代謝產(chǎn)物所致的腐蝕機(jī)理、代謝過程所致的腐蝕機(jī)理以及濃差電池的形成。

代謝產(chǎn)物所致的腐蝕機(jī)理模型是被研究最多和最早的。因影響腐蝕過程的微生物種類繁多，其代謝產(chǎn)物也是多種多樣，例如 SRB代謝產(chǎn)生的氫化酶、硫化物和胞外多聚物（EPS）等，APB代謝產(chǎn)生的有機(jī)或無機(jī)酸等，以及 IOB代謝產(chǎn)生的三價鐵，都會影響腐蝕過程的進(jìn)行。海水中管線鋼的腐蝕是典型的電化學(xué)過程（陰極反應(yīng)和陽極反應(yīng)），在厭氧環(huán)境中，陰極反應(yīng)（析氫反應(yīng)）是控制腐蝕速率的關(guān)鍵步驟。很多細(xì)菌的代謝產(chǎn)物具有直接或間接促進(jìn)陰極析氫反應(yīng)去極化的作用，例如：氫化酶、硫化物和有機(jī)酸等。氫化酶所致的陰極去極化作用是最經(jīng)典的 MIC機(jī)理，也是最早從電化學(xué)的角度解釋MIC過程。該機(jī)理認(rèn)為，SRB代謝產(chǎn)生的氫化酶，能夠消耗腐蝕過程中產(chǎn)生的陰極氫，從而促進(jìn)陽極溶解反應(yīng)的進(jìn)行[22]。后來，研究表明，SRB代謝產(chǎn)生的硫化物，與二價鐵反應(yīng)生成的 FeS也具有催化陰極氫還原的能力，另外硫化物還可以陽極溶解的反應(yīng)產(chǎn)物（二價鐵）反應(yīng)生成不溶性的FeS，促進(jìn)陽極反應(yīng)的進(jìn)行[23]。SOB和APB代謝產(chǎn)生的無機(jī)和有機(jī)酸能夠降低體系中的pH值，溶解金屬管線鋼表面保護(hù)性的氧化膜，促進(jìn)管線鋼陰陽極的電化學(xué)活性溶解過程[2]。IOB氧化二價鐵離子產(chǎn)生的三價鐵離子，一方面能夠與水反應(yīng)生成不溶性的鐵氧化物或氫氧化物以及氫離子，降低體系的 pH，另一方面三價鐵是強(qiáng)氧化劑，能夠與鐵直接反應(yīng)，促進(jìn)管線鋼的局部腐蝕過程的進(jìn)行[24]。微生物在代謝過程中除了產(chǎn)生無機(jī)代謝產(chǎn)物外，還能產(chǎn)生大量的有機(jī)代謝產(chǎn)物EPS，EPS分子中含有大量高活性的官能團(tuán)，能夠強(qiáng)有力地絡(luò)合鐵離子，促進(jìn)管線鋼的陽極溶解過程[25]。

除代謝產(chǎn)物外，近年來的研究表明，有些細(xì)菌的代謝過程直接參與腐蝕過程的進(jìn)行。例如某些細(xì)菌能夠從金屬表面直接獲取電子用于新陳代謝，還有些細(xì)菌代謝過程破壞保護(hù)性的腐蝕產(chǎn)物膜。Venzlaff等人在研究滅活和非滅活的 SRB生物膜對碳鋼腐蝕的影響時，發(fā)現(xiàn)非滅活的SRB能夠促進(jìn)陰極過程的進(jìn)行，其中腐蝕產(chǎn)物 FeS是細(xì)菌和金屬之間電子傳遞的媒介[26]。有研究發(fā)現(xiàn)，參與電子傳遞的也可能是細(xì)胞膜上的細(xì)胞色素c或SRB代謝產(chǎn)生的導(dǎo)電納米線等[27]。有些 SRB吸附在鋼鐵材料表面，通過導(dǎo)電性的生物膜，直接從金屬表面獲取腐蝕過程中產(chǎn)生的電子，加速鋼鐵陽極溶解過程[28]。IRB是一類利用有機(jī)物為電子供體，三價鐵為電子受體的微生物。目前研究表明有三種鐵還原機(jī)理：通過直接接觸鐵表面或通過類似“納米導(dǎo)線”的鞭毛或菌毛進(jìn)行電子專遞；自己產(chǎn)生或利用環(huán)境中有效的電子穿梭體化合物傳遞電子；通過絡(luò)合物溶解鐵再進(jìn)行電子轉(zhuǎn)移[29]。這個過程中，管線鋼表面保護(hù)性的三價鐵氧化物被還原成可溶性的二價鐵離子，金屬腐蝕的陽極溶解過程被促進(jìn)[7]。

形成生物膜是細(xì)菌在材料表面存在的主要形式，也是影響 MIC最主要的過程，與材料表面的特征和所積累的營養(yǎng)物質(zhì)有關(guān)[30]。生物膜的主要成分包含有細(xì)菌細(xì)胞、EPS、吸附的有機(jī)和無機(jī)物質(zhì)、代謝產(chǎn)物以及腐蝕產(chǎn)物等，其中 EPS構(gòu)成了生物膜的骨架。生物膜的組成決定了其具有多種性質(zhì)，例如多孔性、一定的強(qiáng)度、流動性和物質(zhì)傳輸性等。生物膜內(nèi)細(xì)菌的代謝數(shù)量和代謝活動與體相介質(zhì)中存在較大差異，這導(dǎo)致生物膜內(nèi)外化學(xué)環(huán)境不同，例如離子的種類和濃度、pH和溶解氧的濃度等[30]。另外因生物膜具有層狀結(jié)構(gòu)，不均勻地分布在金屬材料表面，在不同位置具有不同厚度和覆蓋度，導(dǎo)致生物膜內(nèi)細(xì)菌的活性和密度隨著生物膜厚度的不同而不同，從而在不同位置處生物膜內(nèi)化學(xué)環(huán)境也不同。這些因生物膜的吸附所致金屬表面化學(xué)環(huán)境的不均一[31]，使得金屬表面形成濃差電池，例如氧濃差電池和金屬離子濃差電池等。

由上可知，MIC機(jī)理與腐蝕微生物的種類、代謝產(chǎn)物的特性、代謝活動以及生物膜的微觀結(jié)構(gòu)等有關(guān)。以上影響因素除了極易受環(huán)境參數(shù)的變化影響以外，還共同作用于腐蝕過程，導(dǎo)致很難深入解析MIC機(jī)理。因此，目前為止還沒有一個統(tǒng)一的理論去解釋MIC過程。

3 微生物腐蝕的防護(hù)現(xiàn)狀

目前針對管線鋼 MIC防護(hù)方法主要分為以下幾種：機(jī)械法、化學(xué)法、電化學(xué)法和生物技術(shù)。

管道“豬”是最常用的處理管道內(nèi) MIC的機(jī)械物理方法。管道“豬”的外形如圖2所示，管道系統(tǒng)在設(shè)計時就配備有運(yùn)行管道“豬”的特殊接收器和發(fā)射器，運(yùn)行期間除了可以進(jìn)行檢測外，還可以清理管道內(nèi)壁的細(xì)菌、生物膜及腐蝕產(chǎn)物等[32]。超聲波處理是另外一種機(jī)械物理清除方法，但是在石油管道工業(yè)中不是很常用。超聲波能夠使液體產(chǎn)生高能氣泡，當(dāng)這些氣泡聚集時，產(chǎn)生的高壓和高溫能夠破壞細(xì)菌細(xì)胞，此時配合化學(xué)殺菌劑，能夠起到很好的防護(hù)效果[7]。

殺菌劑是目前石油天然氣工業(yè)中控制 MIC主要的化學(xué)技術(shù)，通常分為兩種類型：氧化型和非氧化型（見表1）。氧化型殺菌劑能夠穿透并破壞細(xì)菌細(xì)胞，例如：溴、臭氧和過氧化氫等。非氧化型的殺菌劑能夠穿透生物膜，并破壞細(xì)胞膜或改變細(xì)菌獲取能量的方式，例如醛類化合物、胺類化合物以及鹵代類化合物等。近年來，隨著環(huán)境法規(guī)和安全的限制，對殺菌劑提出了更高的要求，新型高效環(huán)保殺菌劑的開發(fā)日益增多，例如螯合劑能夠增強(qiáng)殺菌劑對革蘭氏陰性菌細(xì)胞外膜的通透性，提高殺菌效率。Wen等人發(fā)現(xiàn)，乙二胺二琥珀酸三鈉（EDDS）和 N-(2-羥乙基)亞氨基二乙酸（HEIDA）能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)的螯合劑（EDTA）增強(qiáng)殺菌劑 THPS對 Desulfovibrio vulgaris ATCC 7757和Desulfovibrio desulfuricans ATCC 14563的作用[33]。Kashif Rasool等人開發(fā)了一種綠色高穩(wěn)定性的殺菌劑分子——氧化鋅交聯(lián)的殼聚糖納米顆粒，該納米顆粒能夠有效地抑制超過 73%SRB的活性以及降低43%硫化物的產(chǎn)生[34]。

表1 用于控制MIC所用殺菌劑類型列表[35]

陰極保護(hù)（CP）和涂層是抑制MIC的兩類主要電化學(xué)方法。CP保護(hù)金屬材料的原理是施加陰極電流抑制金屬材料的陽極溶解過程。相反，涂層是通過阻止陰陽極之間的電子和離子流動實(shí)現(xiàn)對金屬材料的保護(hù)。工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，當(dāng)CP電位在-0.95 V（vs.Cu-CuSO4）能夠保護(hù)碳鋼免于SRB侵害。然而，有研究表明，這個電位不足以處理MIC，需要一個更高的電位（-1.07 V（vs.Cu-CuSO4））[2]。CP能夠使金屬表面積累負(fù)電荷，從而排斥帶負(fù)電的細(xì)菌在金屬表面吸附。另外，CP還能夠引起金屬表面pH的增加，阻止細(xì)菌的分裂和殺死已吸附的細(xì)菌。涂層是另一個在石油天然氣領(lǐng)域廣泛應(yīng)用于管線內(nèi)外腐蝕防護(hù)的技術(shù)。涂層系統(tǒng)包括煤焦油、瀝青基涂層、鋅涂層、塑料涂層、玻璃纖維涂層和聚合物涂層（例如熔結(jié)環(huán)氧涂層）等。合適涂層系統(tǒng)的選擇和應(yīng)用是防治MIC的關(guān)鍵。Yuan等人[36]研究開發(fā)了一種聚 4-乙烯基苯胺+聚苯胺的高分子復(fù)合涂層，該涂層能夠有效地殺菌及抑制微生物附著，另外還能防止侵蝕性離子（Cl-和S2-等）滲透到基體金屬表面。然而，實(shí)際環(huán)境中，因CP和涂層不合理的應(yīng)用，往往導(dǎo)致涂層剝離，這是涂層應(yīng)用的短板。

近期的研究表明，改變細(xì)菌的代謝途徑或利用微生物之間的拮抗作用可以用來控制MIC。例如改變介質(zhì)中電子受體種類或濃度抑制特定種類細(xì)菌的生長。Jhobalia等人的研究結(jié)果表明，過量的硫酸鹽能夠增加 SRB代謝或還原硫酸鹽過程的毒性，導(dǎo)致Desulfovibrio desulfuricans的生長過程以及管線鋼的腐蝕過程被抑制[37]。實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場應(yīng)用的結(jié)果表明，硝酸鹽處理能夠有效地改變殺菌劑對 SRB的作用，硝酸鹽的加入能夠?qū)е?SRB（Desulfovibrio desulphuricans）轉(zhuǎn)變?yōu)镹RB，降低SRB在MIC過程中的貢獻(xiàn)，這個方法使得腐蝕速率降低了至少 50%[38]。Jayaraman等人的研究發(fā)現(xiàn)，一株修飾的 Bacillus subtilis在營養(yǎng)物質(zhì)豐富的培養(yǎng)基中能夠產(chǎn)生抗微生物的多肽，抑制 SRB的生長[39]。盡管實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明這一方法可以用來控制MIC，然而在實(shí)際應(yīng)用中卻無法得到理想的結(jié)果。

鑒于海水中管道運(yùn)行的特點(diǎn)，其微生物所致管線鋼腐蝕分為內(nèi)腐蝕和外腐蝕。內(nèi)外環(huán)境的差異，導(dǎo)致其防護(hù)方法也不相同，例如管道外為開放的海水環(huán)境，適宜采用超聲波、涂層和CP技術(shù)。管道內(nèi)為封閉環(huán)境，適宜采用管道“豬”、殺菌劑和生物技術(shù)等。有時一種技術(shù)方法難以滿足要求，需要兩種或兩種以上的方法聯(lián)用。

4 結(jié)語

1）目前所獲得的腐蝕微生物的種類主要為可培養(yǎng)的，還有大量不可培養(yǎng)的腐蝕微生物無法獲取。因此，利用分子生物學(xué)的技術(shù)通過鑒定分析，一方面豐富海水中管線鋼腐蝕微生物的種類數(shù)據(jù)，另一方面為后續(xù)研究不可培養(yǎng)腐蝕微生物腐蝕機(jī)理和防護(hù)技術(shù)尋找模式菌株提供參照。微生物代謝過程的多樣性與環(huán)境因子息息相關(guān)，調(diào)查并建立各個海水環(huán)境中微生物種類與環(huán)境參數(shù)（特別是營養(yǎng)物質(zhì)和電子供受體）的數(shù)據(jù)庫，為腐蝕微生物的分類和后續(xù)研究提供重要依據(jù)。

2）海水中管線鋼的MIC是海水環(huán)境、腐蝕微生物和管線鋼共同作用的結(jié)果，其機(jī)理主要受海水環(huán)境和腐蝕微生物的影響。目前針對 MIC機(jī)理的研究主要集中在單一菌種，而對于實(shí)際環(huán)境中存在的多菌種混合所致腐蝕機(jī)理的研究較少。盡管微生物的生命活動能夠影響環(huán)境因子的變化，然而，環(huán)境因子的變化同樣可以影響微生物的生命活動，因此，環(huán)境因子與微生物代謝活動的交互作用所致管線鋼腐蝕的機(jī)理值得深入探討。生物膜的吸附是導(dǎo)致管線鋼局部腐蝕的最主要原因，而膜內(nèi)微環(huán)境的特征，例如離子的種類及含量、溶解氧的含量、pH的大小以及微生物的種類等，至今無法準(zhǔn)確獲取。

3）盡管針對海水中管線鋼MIC防護(hù)技術(shù)已經(jīng)大量開發(fā)和應(yīng)用，然而每年因腐蝕所致的管道泄漏事故還時有發(fā)生，因此防護(hù)技術(shù)的防護(hù)效果還有待提升。目前，殺菌劑還是油氣管道防護(hù)的主要方法，而大量殺菌劑的應(yīng)用不僅污染環(huán)境，還導(dǎo)致細(xì)菌抗藥性的增強(qiáng)，因此，開發(fā)綠色高效的殺菌劑迫在眉睫。海水管道所面臨的 MIC環(huán)境復(fù)雜多樣，防護(hù)方法應(yīng)因地制宜。為及時合理地控制海水管線鋼的MIC，有必要開發(fā)腐蝕微生物種類和MIC發(fā)生與否的快速檢測技術(shù)。

海洋油氣資源的開發(fā)利用是我國海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的重要組成部分。管線鋼作為海洋油氣資源開發(fā)和利用的關(guān)鍵材料，面臨著海水中 MIC的嚴(yán)重威脅，而目前針對這一問題機(jī)理及防護(hù)技術(shù)的研究還處于初級階段，深層次的機(jī)理和高效綠色防護(hù)技術(shù)有待進(jìn)一步研究和開發(fā)。