何勇君，張斐，王海濤，張?zhí)焖欤顝V芳，劉宏芳

（1.中國(guó)石化銷(xiāo)售有限公司華南分公司，廣州 510000；2.華中科技大學(xué) a.化學(xué)與化工學(xué)院 b.材料化學(xué)與服役失效湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074；3.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100029）

微生物腐蝕（Microbiologically influenced corrosion，MIC）主要是指由微生物自身直接參與或通過(guò)自身代謝產(chǎn)物間接參與金屬腐蝕，造成金屬材料腐蝕失效的現(xiàn)象[1-2]。隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷升級(jí)，金屬服役的場(chǎng)所更加多元化。在水體環(huán)境中，微生物種類(lèi)繁多，種群數(shù)量龐大，尤其在土壤、海水、油田系統(tǒng)、城市管網(wǎng)、電力設(shè)施、航空燃料系統(tǒng)等環(huán)境中，都發(fā)現(xiàn)了微生物誘導(dǎo)金屬腐蝕失效的現(xiàn)象。造成金屬材料腐蝕失效的細(xì)菌種類(lèi)主要有厭氧的硫酸鹽還原菌（SRB）、好氧的鐵氧化菌（IOB）和銅綠假單胞菌（PAE）等[3-5]。實(shí)際工況條件下，并不是單一微生物的作用，而是微生物種群間的協(xié)同作用，不同種類(lèi)的細(xì)菌之間通過(guò)生理協(xié)同作用，建立細(xì)菌生命共同體，共同抵御外界風(fēng)險(xiǎn)，維護(hù)菌落共生環(huán)境。比如好氧細(xì)菌利用氧氣代謝環(huán)境中的大分子有機(jī)物，同時(shí)產(chǎn)生小分子的有機(jī)物，為生物膜底層厭氧細(xì)菌提供一個(gè)相對(duì)厭氧的封閉環(huán)境，且供應(yīng)小分子碳源、氮源、磷源，促進(jìn)生物膜內(nèi)層微生物生長(zhǎng)繁殖，而生物膜及腐蝕產(chǎn)物下容易形成局部氧濃差腐蝕電池，促進(jìn)基體材料腐蝕失效[6]。金屬基體材料遭受腐蝕，易發(fā)生陽(yáng)極溶解，腐蝕微電流會(huì)促進(jìn)微生物生長(zhǎng)。其中電子產(chǎn)物可以被某些微生物直接利用，F(xiàn)e2+可以促進(jìn)硫酸鹽還原菌生長(zhǎng)[7]，同時(shí)也可以和S2–結(jié)合，給生物膜中共存細(xì)菌解毒，有利于細(xì)菌菌落共生[8]。

據(jù)中國(guó)工程院“腐蝕調(diào)查”的結(jié)果顯示，僅2014年中國(guó)的腐蝕成本已超過(guò)2 萬(wàn)億元人民幣，約占當(dāng)年GDP 總量的3.34%。每年由于微生物參與而造成金屬材料的腐蝕近似為金屬總腐蝕的20%～50%，因此微生物腐蝕研究受到科研工作者和工程業(yè)界的廣泛關(guān)注，也是亟待解決的工程共性難題[9]。實(shí)際工況環(huán)境中，微生物種類(lèi)復(fù)雜多樣，研究其腐蝕作用比較棘手，研究者們往往選擇培養(yǎng)金屬所處環(huán)境中腐蝕影響程度最大的細(xì)菌為模擬研究對(duì)象。比如在石油管道、油田系統(tǒng)等幾乎厭氧環(huán)境中，主要研究SRB 對(duì)金屬材料的腐蝕作用和機(jī)理，以期為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)腐蝕防護(hù)提供理論和技術(shù)支撐。然而自然界中可培養(yǎng)的微生物種類(lèi)占比不到2%，因此實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果并不能還原現(xiàn)場(chǎng)腐蝕狀態(tài)，常常發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室微生物腐蝕速度低，甚至有減緩腐蝕的現(xiàn)象，而實(shí)驗(yàn)室模擬條件下還沒(méi)有報(bào)道出在短時(shí)間內(nèi)微生物導(dǎo)致材料穿孔的案例。實(shí)際工程中，由于是多因素腐蝕協(xié)同作用，新管線短期腐蝕穿孔事件時(shí)有發(fā)生。

SRB 能在厭氧條件下或者氧氣濃度很低的環(huán)境中大量繁殖，屬于兼性厭氧型細(xì)菌。其主要利用環(huán)境中的碳源等物質(zhì)作為能量來(lái)源，通過(guò)結(jié)合質(zhì)子氫和電子，與環(huán)境中的硫酸鹽發(fā)生氧化還原反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程釋放硫化氫以及參與金屬基體的溶解等過(guò)程造成金屬材料腐蝕失效[10]。當(dāng)環(huán)境中缺乏碳源時(shí)，SRB 傾向于在生物膜的底層生長(zhǎng)，SRB 可以直接從Fe0基體獲得電子[11]，代謝產(chǎn)生的物質(zhì)主要是具有腐蝕性的硫化物和黏液狀胞外聚合物（EPS）。EPS 能夠在金屬表面吸附成膜，形成生物膜垢，改變界面的物理化學(xué)性質(zhì)，造成嚴(yán)重的局部腐蝕[12]。EPS 是生物膜內(nèi)部重要的組成，其主要是由蛋白質(zhì)、糖類(lèi)、核酸和脂質(zhì)等構(gòu)成[13-14]。有研究報(bào)道指出，EPS 能夠形成水合凝膠，具有很高的黏性和彈性，可以在金屬基體上附著，使生物膜內(nèi)部保持穩(wěn)定的局部環(huán)境，進(jìn)而對(duì)殺菌劑有一定的抵制作用[15]。此外，EPS 能夠與金屬離子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，形成的金屬絡(luò)合物，可以在金屬基體表面附著，促進(jìn)金屬材料溶解[16]。Dong 等[17]研究表明，EPS濃度對(duì)碳鋼腐蝕具有差異，低濃度的EPS 可以在表面吸附成膜，抑制陰極腐蝕反應(yīng)，而較高濃度則促進(jìn)陽(yáng)極基體溶解。鐵氧化菌（IOB）廣泛存在于油氣田、弱酸及近中性富鐵地下水、深海等環(huán)境體系中，作為一種典型的好氧細(xì)菌，在金屬基體表面成膜后，更傾向于富集在生物膜的中層和表層，通常生物膜中的固著細(xì)菌比液體環(huán)境中高出2 個(gè)數(shù)量級(jí)以上[18]。IOB 利用氧化Fe2+為Fe3+的過(guò)程，獲得能量進(jìn)行生長(zhǎng)，來(lái)加速金屬陽(yáng)極腐蝕過(guò)程。IOB 對(duì)金屬材料的主要腐蝕產(chǎn)物為較難溶的鐵氧化合物（如FeOOH、Fe2O3和Fe3O4等），沉積物和細(xì)菌的大量聚集會(huì)形成結(jié)瘤而堵塞管道，好氧的IOB 也是造成金屬材料點(diǎn)蝕的一個(gè)主要腐蝕性微生物[19-20]。

對(duì)微生物腐蝕的防護(hù)手段通常是加入殺菌劑，但通常殺菌劑是一些有毒性的物質(zhì)，對(duì)于浮游細(xì)菌比較有效，對(duì)于固著細(xì)菌卻存在一定的限制。相關(guān)研究表明，生物膜內(nèi)固著的微生物比浮游微生物對(duì)材料造成的腐蝕破壞更加嚴(yán)重，而且大量的投入使用不僅會(huì)使細(xì)菌產(chǎn)生耐藥性，同時(shí)造成環(huán)境的二次污染[21]。相比之下，通過(guò)磁場(chǎng)進(jìn)行水管除垢、污水凈化、原油殺菌、水體除藻，不僅成本低廉、方便快捷，而且綠色環(huán)保效果好?，F(xiàn)代生物磁學(xué)研究表明，磁場(chǎng)會(huì)對(duì)細(xì)胞形態(tài)、膜結(jié)構(gòu)以及代謝均有影響，細(xì)胞之間進(jìn)行物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)的小分子在磁場(chǎng)洛倫茲力的作用下，會(huì)對(duì)細(xì)胞的正常功能造成破壞，導(dǎo)致細(xì)菌功能紊亂而喪失正常的生理特性，進(jìn)而減輕對(duì)金屬的腐蝕程度[22]。

雖然近年來(lái)已有較多文獻(xiàn)報(bào)道了磁場(chǎng)環(huán)境下金屬微生物腐蝕行為的研究，但缺乏磁場(chǎng)條件下金屬微生物腐蝕系統(tǒng)的報(bào)道。本文總結(jié)了近幾年關(guān)于靜磁場(chǎng)環(huán)境微生物腐蝕研究進(jìn)展，從磁場(chǎng)對(duì)于微生物生長(zhǎng)特性影響、磁場(chǎng)對(duì)金屬腐蝕相關(guān)機(jī)理研究、磁場(chǎng)條件下微生物防護(hù)方法等幾個(gè)方面進(jìn)行了論述，為環(huán)境友好的磁處理物理防治技術(shù)研究提供參考。

1 磁場(chǎng)對(duì)微生物的作用

1.1 磁場(chǎng)對(duì)單一細(xì)菌的影響

磁場(chǎng)作為一種殺菌、阻垢的綠色環(huán)保手段，近年來(lái)被廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)生活中。此外，漏磁檢測(cè)是當(dāng)前較為成熟且工業(yè)應(yīng)用最廣泛的輸油管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)，可以檢測(cè)出管道內(nèi)外壁的腐蝕、機(jī)械損傷等金屬損失缺陷，對(duì)被檢測(cè)管道清潔度要求低，可兼用于輸油和輸氣管道[23]。通過(guò)在線檢測(cè)，可以對(duì)缺陷進(jìn)行識(shí)別、定位和量化統(tǒng)計(jì)，是指導(dǎo)管道合理維修、開(kāi)展管道完整性管理工作的重要手段。然而，漏磁檢測(cè)后，管壁存在的剩磁對(duì)管線材料微生物的腐蝕行為是否會(huì)存在影響有待探索研究。

磁場(chǎng)能夠通過(guò)影響離子的傳質(zhì)過(guò)程，改變?nèi)芤旱膒H 值，通過(guò)抑制微生物生長(zhǎng)代謝等過(guò)程，影響金屬的腐蝕。研究表明，細(xì)菌的生存能力和數(shù)量變化與磁場(chǎng)作用時(shí)間呈正相關(guān)，同時(shí)磁場(chǎng)環(huán)境中會(huì)影響細(xì)菌生物膜形成，來(lái)遏制細(xì)菌生長(zhǎng)[24]。在電廠和大型設(shè)備操作運(yùn)移的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)。比如海洋環(huán)境中大型船舶在快速運(yùn)動(dòng)的瞬間，便會(huì)在周?chē)h(huán)境中產(chǎn)生一定的磁場(chǎng)，對(duì)周?chē)Ｓ蚝透街诖w表面的細(xì)菌造成影響，進(jìn)而改變其生理活性[25]。通過(guò)磁場(chǎng)來(lái)防護(hù)金屬微生物腐蝕的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已有相關(guān)報(bào)道。田光等[26]研究了A3 鋼在不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下的腐蝕性能，認(rèn)為一定強(qiáng)度范圍內(nèi)，磁場(chǎng)可以減緩腐蝕，且較強(qiáng)磁場(chǎng)下的腐蝕速率最小，遠(yuǎn)大于不加磁場(chǎng)下的腐蝕速率。磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)微生物腐蝕過(guò)程的影響和作用周期密切相關(guān)。張小云等[27]通過(guò)改變磁場(chǎng)強(qiáng)度和作用時(shí)間，發(fā)現(xiàn)1.4 T 的磁場(chǎng)比0.4 T 的磁場(chǎng)對(duì)細(xì)胞分裂產(chǎn)生的抑制作用更加明顯，在研究范圍內(nèi)與磁場(chǎng)強(qiáng)度和暴露在磁場(chǎng)中的時(shí)間呈正相關(guān)，而抑制時(shí)間主要發(fā)生在微生物細(xì)胞分裂的G2 期。不同磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)細(xì)菌也存在較大差異。Sueptitz 等[28]研究表明，較低的磁場(chǎng)強(qiáng)度（2.7～10 mT）對(duì)大腸桿菌具有殺滅作用，而不是簡(jiǎn)單的抑制生長(zhǎng)，且隨著在磁場(chǎng)中暴露時(shí)間的增長(zhǎng)，其氧化還原能力隨之減弱。低強(qiáng)度磁場(chǎng)（2～4 mT）能夠控制SRB 的活性，延緩生物膜的形成，并降低金屬的微生物腐蝕速率。在富含IOB 的環(huán)境中，磁場(chǎng)能夠通過(guò)促進(jìn)碳鋼表面的生物膜更加致密來(lái)影響腐蝕的進(jìn)行[29]。陳碧等[30]研究了靜磁場(chǎng)條件下硫酸鹽還原菌對(duì)HSn70-1 銅合金的腐蝕行為，指出磁場(chǎng)存在時(shí)，金屬表面的腐蝕產(chǎn)物膜均勻致密，能夠有效地減緩HSn70-1 銅合金的微生物腐蝕。磁場(chǎng)環(huán)境中致密生物膜的形成，會(huì)對(duì)金屬表面產(chǎn)生防護(hù)效果，李克娟等人[31]研究了在磁場(chǎng)條件下Q235 鋼的腐蝕行為和碳鋼生物礦化作用，研究發(fā)現(xiàn)，磁場(chǎng)導(dǎo)致試樣表面的生物膜形成滯后，且生物膜均勻致密地粘附在金屬基體表面，起到了一定的保護(hù)作用。此外，磁場(chǎng)還能夠抑制細(xì)菌的生長(zhǎng)，減緩對(duì)Q235 碳鋼的腐蝕。磁場(chǎng)環(huán)境中，表面腐蝕坑的數(shù)量和最大腐蝕坑深度均明顯改善，同時(shí)磁場(chǎng)導(dǎo)致形成了更為致密的生物礦化膜。其有無(wú)磁場(chǎng)時(shí)的生物膜形貌如圖1 所示，右側(cè)圖為紅框局部放大后的生物膜形貌圖。

圖1 在有、無(wú)磁場(chǎng)條件下SRB 菌液中浸泡14 d 后Q235 鋼表面的SEM 圖像[31]Fig.1 SEM images of Q235 steel after exposure for 14 d in SRB solution with the magnetic field (a) and without magnetic field (b) [31]

對(duì)于其他金屬材料的研究也有很多。王海燕等[32-33]研究了5 mT 磁場(chǎng)環(huán)境對(duì)316L 不銹鋼和X100 鋼在SRB 土壤模擬溶液中的腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)能夠使316L 不銹鋼表面膜層趨于均勻致密，減小局部堆積，抑制不銹鋼點(diǎn)蝕的形成與發(fā)展。其中X100 鋼表面膜層的主要成分為易磁化的鐵的氧化物和硫化物，有磁場(chǎng)時(shí)，膜層吸附更加牢固，密度明顯大于無(wú)磁場(chǎng)時(shí)。同時(shí)，宗月等[34]也研究了不同磁場(chǎng)強(qiáng)度（0、4、8、12 mT）下X100 鋼在接種SRB 海水溶液中的腐蝕行為。結(jié)果表明，磁場(chǎng)環(huán)境抑制了SRB 的生長(zhǎng)和表面腐蝕坑的發(fā)展，磁場(chǎng)強(qiáng)度越強(qiáng)，抑制作用越明顯，試樣表面越平整。磁場(chǎng)減緩金屬表面腐蝕與改變細(xì)菌吸附性能有關(guān)。呂亞林等[35]研究了不同磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)SRB在碳鋼表面的吸附性能，指出150 mT 磁場(chǎng)對(duì)浮游SRB生長(zhǎng)影響不大，但會(huì)延遲其在碳鋼表面的固著，且4 mT時(shí)抑制碳鋼表面生物膜形成和吸附的效果更佳。

由此可知，磁場(chǎng)可以通過(guò)殺菌抑菌減緩金屬腐蝕，或者改變腐蝕產(chǎn)物膜的組成結(jié)構(gòu)及物理化學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而形成致密的生物膜阻礙腐蝕性離子對(duì)金屬的侵蝕，起到了保護(hù)性屏障的作用。微生物在金屬表面形成生物膜或腐蝕產(chǎn)物膜，在金屬材料腐蝕失效過(guò)程中起到關(guān)鍵作用。當(dāng)金屬材料與所含細(xì)菌的液體介質(zhì)接觸時(shí)，由于腐蝕過(guò)程中細(xì)菌自身代謝產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物和生物膜會(huì)在金屬表面聚集，這些代謝產(chǎn)物在弱酸性的生物膜環(huán)境下，改變了金屬/溶液界面的電化學(xué)性質(zhì)，造成金屬?lài)?yán)重的腐蝕。這一過(guò)程的本質(zhì)是微生物利用新陳代謝產(chǎn)物對(duì)腐蝕反應(yīng)的陰陽(yáng)極半反應(yīng)產(chǎn)生催化加速作用，改變了金屬腐蝕的總反應(yīng)速率[36-37]。在油田的環(huán)境中，金屬表面的生物膜同樣扮演著重要角色，生物膜的不均勻分布會(huì)造成腐蝕電位和電流的變化。一般來(lái)說(shuō)，相對(duì)完整的生物膜下腐蝕較弱，而生物膜破裂后，則會(huì)引起較為嚴(yán)重的局部腐蝕。生物膜通常是一種有著較多復(fù)雜成分的混合物，包含菌體、代謝產(chǎn)物、腐蝕產(chǎn)物、無(wú)機(jī)離子和一些吸附的有機(jī)物等，而生物膜的形成過(guò)程往往是伴隨細(xì)菌生長(zhǎng)、衰亡的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程[38]。筆者課題組前期研究了鐵氧化菌在培養(yǎng)基體系中的生物膜變化，如圖2 所示。

圖2 碳鋼在含有鐵氧化菌的培養(yǎng)介質(zhì)中培養(yǎng)不同時(shí)間獲得的生物膜形貌Fig.2 Change of biofilm of IOB on the carbon steel surface with different incubation time

在培養(yǎng)的周期內(nèi)，最初可觀察到細(xì)菌在金屬表面附著，此時(shí)數(shù)量較少，活性不是特別高，因此產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物也較少。隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，細(xì)菌不斷繁殖，活性也隨之增強(qiáng)，產(chǎn)生大量的腐蝕產(chǎn)物聚集在金屬表面，腐蝕產(chǎn)物中包含著大量的細(xì)菌。在培養(yǎng)的后期，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)匱乏，細(xì)菌進(jìn)入衰亡期，不斷死亡，在腐蝕產(chǎn)物中觀察不到細(xì)菌的存在，腐蝕產(chǎn)物變得相對(duì)致密緊湊，一定程度上抑制了金屬的腐蝕。

1.2 磁場(chǎng)對(duì)混菌環(huán)境中的影響

近些年，隨著單一細(xì)菌對(duì)金屬腐蝕影響研究的不斷深入，研究者們逐漸開(kāi)始研究多種細(xì)菌對(duì)金屬的腐蝕影響。劉宏偉等[39]通過(guò)嚴(yán)格控制氧的含量，研究了油田模擬水環(huán)境下SRB 與IOB 共存時(shí)對(duì)碳鋼的腐蝕行為。結(jié)果表明，兩種細(xì)菌共存時(shí)主要造成局部腐蝕。此外，Xu 等[40]的實(shí)驗(yàn)研究同樣指出在煉油廠的冷卻水環(huán)境中，SRB 和IOB 共存狀態(tài)下加速了316L 不銹鋼點(diǎn)蝕的擴(kuò)展，提高了不銹鋼的腐蝕速率。通過(guò)SEM形貌（如圖3 所示）可以表明，SRB 和IOB 共存狀態(tài)下的腐蝕坑深度最大，腐蝕最為嚴(yán)重。

圖3 316L 不銹鋼在幾種介質(zhì)中暴露30 天后的點(diǎn)蝕SEM 形貌[40]Fig.3 SEM micrographs showing corrosion pits on 316L stainless steel surface after 30 days exposure in (a) sterile medium and presence of (b) IOB, (c) SRB, (d) SRB+IOB[40]

以上研究表明，混菌較單一細(xì)菌存在對(duì)金屬腐蝕危害更大。針對(duì)常見(jiàn)的混菌腐蝕體系，學(xué)者們對(duì)磁場(chǎng)環(huán)境下微生物引起的金屬腐蝕問(wèn)題進(jìn)行了廣泛的研究。Kohno 等[41]研究了磁場(chǎng)條件對(duì)厭氧環(huán)境中變形球菌和葡萄球菌的影響。結(jié)果表明，磁場(chǎng)強(qiáng)度為30～100 mT 時(shí)，能夠?qū)?xì)菌產(chǎn)生較為明顯的抑制作用，但對(duì)含氧環(huán)境下的細(xì)菌不具有抑制作用。磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)混菌和金屬材質(zhì)的抑制作用存在差異。衛(wèi)曉陽(yáng)等[42]研究了外加磁場(chǎng)對(duì)純銅在混合菌液中的腐蝕，指出磁場(chǎng)對(duì)Cu 的微生物腐蝕過(guò)程有明顯的抑制作用，且與強(qiáng)度有關(guān)。同時(shí)利用FTIR 分析了生物膜在有/無(wú)磁場(chǎng)下的區(qū)別（如圖4 所示），發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)和碳水化合物的含量發(fā)生了明顯的變化，磁場(chǎng)改變了生物膜的結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致Cu 的耐蝕性差異。

圖4 Cu 在未施加與施加磁場(chǎng)的溶液中浸泡10 d 后表面生物膜的FTIR 譜[42]Fig.4 FTIR spectra of the biofilms formed on pure copper immersed in bacteria solution for 10 d under the magnetic fields of 0, 28 and 60 mT[42]

此外，磁場(chǎng)也會(huì)影響不同類(lèi)型細(xì)菌的存活率。許喜林等[43]研究了磁場(chǎng)對(duì)大腸桿菌和枯草桿菌的影響，指出不同強(qiáng)度的磁場(chǎng)對(duì)細(xì)菌的存活率存在差異，磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)不同種類(lèi)細(xì)菌影響也不盡相同，磁場(chǎng)作用下能夠?qū)е录?xì)菌DNA 發(fā)生變異。

2 磁場(chǎng)對(duì)金屬腐蝕的影響和相關(guān)機(jī)理研究

2.1 磁場(chǎng)對(duì)濃差極化控制過(guò)程的影響

磁場(chǎng)力大小與磁場(chǎng)強(qiáng)度有一定的關(guān)系，金屬離子等磁性物質(zhì)在不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度下的運(yùn)動(dòng)軌跡也存在差異，因而不同磁場(chǎng)對(duì)金屬腐蝕的影響程度不同。在濃差極化控制的腐蝕體系中，腐蝕與金屬表面的陰極去極化劑的多少有關(guān)，極化劑越多，腐蝕越嚴(yán)重。磁場(chǎng)會(huì)造成金屬/溶液界面內(nèi)離子濃度和排列分布差異，而引起雙電層電容的變化，造成金屬自腐蝕電位發(fā)生改變，促進(jìn)或抑制金屬腐蝕發(fā)生的趨勢(shì)[44-45]。通常來(lái)說(shuō)，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度從較小數(shù)值變化時(shí)，在磁場(chǎng)環(huán)境中金屬表面的帶電粒子會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生磁流體動(dòng)力學(xué)流動(dòng)相，能夠與金屬/溶液界面產(chǎn)生的濃差擴(kuò)散對(duì)流層進(jìn)行抵消，造成金屬表面擴(kuò)散層逐漸增厚。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到臨界值時(shí)，擴(kuò)散層達(dá)到最厚，抑制金屬的腐蝕效果最好。然而，一旦超過(guò)這一臨界值，磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加會(huì)導(dǎo)致自然對(duì)流占據(jù)主導(dǎo)地位，引起擴(kuò)散層厚度變薄，加劇金屬的腐蝕過(guò)程[46]。呂戰(zhàn)鵬等[47]研究了磁場(chǎng)對(duì)銅在含F(xiàn)e3+溶液中陰極擴(kuò)散的影響，發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)加速銅電極上Fe3+陰極擴(kuò)散過(guò)程，使陰極極限擴(kuò)散電流密度增大。磁場(chǎng)對(duì)溶液傳質(zhì)過(guò)程的影響主要是磁場(chǎng)下電解質(zhì)受到了洛倫茲力的作用而在垂直于磁感線的方向上加速運(yùn)動(dòng)，對(duì)電解質(zhì)起到攪拌作用[48]。磁場(chǎng)也會(huì)通過(guò)抑制離子傳質(zhì)過(guò)程影響腐蝕。Sueptitz 等[28]研究了高梯度磁場(chǎng)對(duì)Fe 在H2SO4溶液中的影響，發(fā)現(xiàn)酸濃度為0.5 mol/L 時(shí)，由于磁場(chǎng)作用增加了金屬表面附近Fe2+的濃度，抑制了傳質(zhì)過(guò)程，導(dǎo)致溶液中的電流密度較低，減緩了腐蝕速率。

2.2 磁場(chǎng)對(duì)電化學(xué)極化控制腐蝕的影響

磁場(chǎng)會(huì)對(duì)金屬（尤其是鐵磁性金屬）表面腐蝕中的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生影響。金屬所在溶液范圍內(nèi)的離子，由于受到磁場(chǎng)洛倫茲力的作用，在垂直于磁場(chǎng)方向上，離子運(yùn)動(dòng)劇烈，增加了電化學(xué)的傳質(zhì)過(guò)程，平行于磁場(chǎng)的方向則不會(huì)對(duì)該電化學(xué)過(guò)程產(chǎn)生影響。在電化學(xué)極化控制的腐蝕體系中，磁場(chǎng)主要是通過(guò)促進(jìn)或抑制電化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程來(lái)影響腐蝕，而腐蝕速率取決于電化學(xué)反應(yīng)的難易程度[49-50]。王晨等[51]研究了強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)鐵腐蝕過(guò)程中陰極析氫和陽(yáng)極溶解過(guò)程的影響，發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)存在的條件下，由于離子的水合作用，出現(xiàn)了磁致過(guò)電位，原因是Fe 與Fe2+的磁矩存在差異，磁場(chǎng)環(huán)境中在金屬/溶液界面形成雙電層結(jié)構(gòu)引起的。關(guān)于磁場(chǎng)對(duì)金屬電化學(xué)腐蝕抑制的作用機(jī)理，Busch 等[52]在研究中證實(shí)了雙電層結(jié)構(gòu)的說(shuō)法，指出其與Fe2+的水合作用有關(guān)。在磁場(chǎng)作用下，金屬表面的Fe 與Fe2+由于磁矩差異使Fe2+產(chǎn)生吸附于二者界面的力，對(duì)Fe 溶解產(chǎn)生了抑制作用；同時(shí)由于Fe2+具有磁性，磁場(chǎng)會(huì)改變其水合作用，產(chǎn)生脫附于界面的力，磁場(chǎng)通過(guò)改變兩種力的相對(duì)大小來(lái)決定金屬的腐蝕進(jìn)程。

2.3 磁場(chǎng)對(duì)微生物腐蝕的影響機(jī)理

磁場(chǎng)也會(huì)通過(guò)磁感線作用對(duì)細(xì)菌等生物體產(chǎn)生影響。生物體內(nèi)參與的生化反應(yīng)大多為氧化還原反應(yīng)，磁場(chǎng)環(huán)境下會(huì)對(duì)反應(yīng)過(guò)程的電子和離子產(chǎn)生干擾，具有磁性力的分子的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生改變，同時(shí)影響細(xì)菌體內(nèi)酶和蛋白質(zhì)中金屬元素的活性中心而使其活性喪失，從而影響了生物體的生長(zhǎng)繁殖[53-54]。除此之外，磁場(chǎng)會(huì)通過(guò)改變生物體內(nèi)自由基的運(yùn)動(dòng)路徑、生物膜離子選擇通透性等方式，使細(xì)菌等生物體的生物學(xué)功能發(fā)生改變。通過(guò)大量的研究，目前對(duì)于磁場(chǎng)對(duì)微生物系統(tǒng)的影響機(jī)制主要是以下3 種理論[55]：

1）生物膜理論。在細(xì)菌細(xì)胞膜內(nèi)部存在豐富的具有抗磁性特性的各向異性分子，當(dāng)暴露在磁場(chǎng)的環(huán)境中時(shí)，這些分子由于受到磁場(chǎng)作用而發(fā)生旋轉(zhuǎn)，最終穩(wěn)定在一個(gè)能量較低的平衡狀態(tài)。這些具有各向異性的分子在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞膜內(nèi)部的離子通道發(fā)生改變，進(jìn)而影響細(xì)胞膜內(nèi)外兩側(cè)離子的交換與遷移過(guò)程，對(duì)生物體的正常生長(zhǎng)代謝造成影響。

2）離子干涉理論。生物體內(nèi)部的大分子酶和蛋白質(zhì)等物質(zhì)通常需要與金屬離子結(jié)合才能發(fā)揮其活性作用。比如與一些具有順磁性特性的過(guò)渡金屬元素Mn、Fe 和Co 等形成活性中心，磁場(chǎng)的存在可能會(huì)導(dǎo)致這些大分子結(jié)合物的結(jié)構(gòu)狀態(tài)被破壞而使其喪失活性。

3）自由基理論。磁場(chǎng)條件下可能會(huì)誘發(fā)生物體內(nèi)產(chǎn)生氧自由基（如HO2·和·OH 等），而這些類(lèi)型的自由基通常具有較高的活性，可能會(huì)造成生物體組織某些部位被破壞。

3 磁場(chǎng)條件下微生物腐蝕防護(hù)方法

在磁場(chǎng)環(huán)境中，由于磁場(chǎng)本身對(duì)微生物參與的腐蝕會(huì)有影響，不僅對(duì)細(xì)菌活性、腐蝕產(chǎn)物膜結(jié)構(gòu)組成有顯著影響，而且影響了細(xì)菌的胞外聚合物在基體材料表面的吸脫附行為。筆者課題組前期對(duì)分離純化后的SRB 胞外聚合物在3% NaCl 溶液中于Q235 鋼表面吸附膜的電化學(xué)阻抗曲線（見(jiàn)圖5）進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，在這種條件下，應(yīng)該首選能夠與磁場(chǎng)條件協(xié)同促進(jìn)對(duì)材料保護(hù)的方法[56]。

圖5 Q235 電極在3% NaCl 溶液中的電化學(xué)奈奎斯特圖[56]（EPS：SRB 的胞外聚合物，SMF：65 mT 的靜磁場(chǎng)強(qiáng)度）Fig.5 The EIS of the Q235 electrode in 3%wt NaCl solution with SRB EPS and SMF[56](EPS: Extracellular polymer of SRB, SMF: Static magnetic field strength of 65 mT)

緩蝕劑由一種或多種化學(xué)物質(zhì)組成，添加少量于介質(zhì)中就能對(duì)金屬的腐蝕過(guò)程產(chǎn)生很好的防護(hù)效果，且能保持金屬原有的物理、力學(xué)性能不變[57]。緩蝕劑分子通常具有不同的偶極矩和電荷，在磁場(chǎng)環(huán)境中，緩蝕劑分子發(fā)生遷移，能夠在金屬表面形成緩蝕劑膜[58]。Liu 等[59]研究了在磁場(chǎng)條件下緩蝕劑對(duì)Q235鋼的影響。結(jié)果表明，帶電荷的緩蝕劑在磁場(chǎng)條件下的抑制率明顯提高。相對(duì)于電極表面的磁場(chǎng)方向?qū)щ姾傻木徫g劑也有顯著影響，但對(duì)不帶電荷的緩蝕劑沒(méi)有影響。兩種緩蝕劑在磁場(chǎng)條件下的極化曲線如圖6 所示，可以看出，磁場(chǎng)對(duì)緩蝕劑有影響，同時(shí)磁場(chǎng)方向的變化對(duì)于兩種緩蝕劑的影響也存在差異。

圖6 在靜磁場(chǎng)存在下于含緩蝕劑ID 和DL 油田采出水中測(cè)試3 h 后電極的動(dòng)態(tài)電位極化曲線[59]Fig.6 Potentiodynamic polarization curve of electrode was measured in the produced water of oil field containing inhibitor ID and DL for 3 h in the presence of static magnetic field[59]

磁場(chǎng)環(huán)境中也能促進(jìn)緩蝕劑分子在金屬表面的吸附傳質(zhì)速率。趙靜等[60]研究了磁場(chǎng)條件下十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）對(duì)陽(yáng)極鋁箔的緩蝕性能。結(jié)果表明，磁場(chǎng)作用提高了電解液中離子向鋁箔表面及孔內(nèi)的傳質(zhì)速率，腐蝕鋁箔表面SDBS 的吸附量及分布均一性均得到提高，腐蝕箔質(zhì)量損失降低，耐蝕性能增強(qiáng)。此外，磁處理與緩蝕劑聯(lián)合作用對(duì)金屬耐蝕性能的提升效果顯著。韓建勛等[61]研究了磁處理與苯并三氮唑（BTA）聯(lián)合作用對(duì)黃銅腐蝕的影響，發(fā)現(xiàn)二者聯(lián)合作用較緩蝕劑BTA 單獨(dú)存在時(shí)，腐蝕速率進(jìn)一步下降。能譜分析也表明此處理促進(jìn)了BAT 在黃銅表面的吸附，耐蝕性能提升。由此可見(jiàn)，在磁場(chǎng)環(huán)境下，選擇合適的緩蝕劑可以充分發(fā)揮緩蝕劑的功效，減緩金屬的腐蝕。

除此之外，也有文獻(xiàn)報(bào)道利用其他微生物來(lái)抑制或消除環(huán)境中造成金屬腐蝕的主要微生物，其原理主要是利用不同微生物類(lèi)型之間共生、拮抗以及競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)系，通過(guò)消耗環(huán)境中的營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)或者產(chǎn)生代謝產(chǎn)物，來(lái)對(duì)腐蝕金屬的主要微生物造成影響，達(dá)到減緩金屬腐蝕的目的。

4 結(jié)語(yǔ)

本文重點(diǎn)綜述了磁場(chǎng)環(huán)境下金屬材料微生物腐蝕的研究現(xiàn)狀，主要分析了磁場(chǎng)對(duì)微生物生長(zhǎng)特性的影響，以及關(guān)于不同種類(lèi)細(xì)菌混合條件下微生物腐蝕的研究報(bào)道，并總結(jié)了磁場(chǎng)環(huán)境下影響金屬腐蝕的相關(guān)機(jī)理和防護(hù)方法。但金屬在磁場(chǎng)環(huán)境中遭受的微生物腐蝕因素涉及領(lǐng)域較多，目前還有較多問(wèn)題需要研究和探討[62]：

1）磁場(chǎng)環(huán)境下不同微生物間的協(xié)同作用機(jī)理研究。針對(duì)油田和海洋等典型腐蝕環(huán)境，體系存在的細(xì)菌類(lèi)型繁多，微生物之間的相互作用較為密切，對(duì)于其中部分細(xì)菌的研究有時(shí)不足以反映實(shí)際腐蝕過(guò)程。此外，磁場(chǎng)對(duì)細(xì)菌類(lèi)型的研究數(shù)據(jù)尚不充分，因此進(jìn)一步還原多種類(lèi)細(xì)菌在磁場(chǎng)條件下的腐蝕行為和機(jī)理，對(duì)于更好地揭示微生物腐蝕過(guò)程顯得尤為重要。

2）磁場(chǎng)對(duì)緩蝕劑、殺菌劑的協(xié)同作用機(jī)理研究。抑制微生物通常采用殺菌劑等化學(xué)方法，而減緩金屬的腐蝕通常是加入緩蝕劑，磁場(chǎng)存在環(huán)境中對(duì)于細(xì)菌在不同類(lèi)型緩蝕劑和殺菌劑中的影響報(bào)道較少，目前對(duì)于這一領(lǐng)域還未形成系統(tǒng)性的研究結(jié)論。

3）磁場(chǎng)環(huán)境對(duì)微生物腐蝕產(chǎn)物與生物污損的作用。磁場(chǎng)環(huán)境對(duì)微生物腐蝕產(chǎn)物和代謝產(chǎn)物的形成作用，以及腐蝕產(chǎn)物在磁場(chǎng)環(huán)境下成分變化對(duì)金屬表面的影響還需要進(jìn)一步探究。海洋環(huán)境中存在生物污損現(xiàn)象，加速金屬材料的腐蝕失效，宏觀污損與微生物引起的腐蝕在磁場(chǎng)環(huán)境中的作用機(jī)制尚不明確。

4）不同強(qiáng)度磁場(chǎng)環(huán)境對(duì)微生物腐蝕的影響仍存在不足。不同磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)微生物促進(jìn)或抑制金屬腐蝕的結(jié)論尚未統(tǒng)一，可以結(jié)合管道漏磁檢測(cè)的工業(yè)需求，進(jìn)一步研究磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)金屬微生物腐蝕過(guò)程的影響。