微生物膜的形成机制及其对材料腐蚀的影响

刘伟 李洪林 吴海旭 石玲 辽宁忠旺集团有限公司

一、前言

微生物腐蚀（MIC）是指由材料表面生物膜内的微生物生命活动及其代谢产物引起或促进材料的腐蚀和破坏的现象，普遍存在于各种自然环境中，如土壤、海洋、供水管网、油田系统等[1]。在腐蚀过程中，微生物倾向于在材料表面特定活性位点上附着，并随着其自身生命活动及其与材料作用而形成的一种主要由活的和死的细胞、水、腐蚀产物以及胞外聚合物（EPS）构成[2]的复杂混合物。其中，EPS 是由多糖、核酸、蛋白质、脂类以及吸附的有机物和无机物等构成[3]，具有一定的强度和黏性，使得该混合物具有一定的附着能力，当其附着在材料表面时，即形成一层微生物膜。

迄今为止，国内外学者对微生物膜的形成机制及其对材料腐蚀的影响进行了广泛而深入的研究，取得了众多的研究成果。文中归纳总结了微生物膜的形成机制及其对材料腐蚀影响目前的研究现状与进展，并探讨了其未来的发展趋势，以期对本领域的研究人员有所裨益。

二、微生物膜的形成机制

生物膜的形成是一个十分复杂的生物学/化学过程，是一个高度自发并且伴随微生物的生长和消亡以及环境不断变化的动态过程。一般来说，微生物膜的形成和发展过程主要经历五个阶段[3-5]。

1.形成条件膜。一些溶解态的无机离子和有机大分子通过矿化作用与吸附作用，在材料表面形成条件膜，这个过程是不可逆的和大量发生的；

2.微生物可逆吸附过程。由于和材料表面间的静电作用和范德华力，介质中浮游状态的微生物吸附到条件膜上。这个过程是可逆的，可以持续几分钟至数个小时；

3.微生物不可逆吸附过程。EPS 以物理或者化学（静电作用、氢键、偶极作用和疏水作用）或者共价键的形式与微生物结合，使其紧紧地吸附在材料表面。这个过程是不可逆的，吸附的微生物不会脱离，布朗运动也观察不到；

4.微生物膜形成。微生物在材料表面不断生长繁殖，并分泌EPS，进而形成微生物膜。同时，介质中的其他微生物仍然可以吸附到材料表面，进入生物膜中。生物膜不断生长、变厚，直至成熟。

5.部分微生物膜脱落。当微生物膜增长到一定极限时，其稳定性降低，在剪切力的作用下，部分微生物膜会脱落并被冲走。

在生物膜形成的初期，材料表面的粗糙度和成分起主要作用。另外，介质的流速对生物膜内物质的运输、传质和反应速率有很大的影响[3]。第一阶段形成的条件膜很薄，厚度一般为 20～80nm。条件膜的形成改变了材料表面的性质，如所带电荷的电性、憎水性等，起到表面活性位点的作用，利于细菌和其他微生物在界面上聚集生长，是生物膜进一步发展的基础[6-7]。

三、微生物膜对材料腐蚀的影响

大量的研究表明，微生物膜在材料的腐蚀过程中具有双重角色，既能促进材料腐蚀，也能抑制材料腐蚀[8]。

Castaneda 等[9]研究了模拟海水条件下生物膜对碳钢腐蚀的影响，发现生物膜的非均匀性增加了碳钢表面产生腐蚀的活性位点，使得碳钢的腐蚀速率明显增加。Videla等[10]研究发现，在金属/溶液界面生物膜和无机产物膜同时存在，两者的生长方向相反，这种差异性使得金属易于发生局部腐蚀，包括点蚀、晶间腐蚀和缝隙腐蚀。管方[11]研究发现当微生物5052 铝合金表面附着成膜后，其酸性代谢产物破坏了5052 铝合金表面的氧化膜，显著加速了腐蚀速率。

Li 等[12]研究发现生物膜在不锈钢表面呈鳞片状分布，阻碍了侵蚀性粒子向生物膜内的扩散，一定程度上抑制了腐蚀的发展。Yuan[13]和Xu[14]等人研究发现当环境中有假单胞菌和EPS 存在时能显著降低合金的腐蚀速率。王丹[15]研究发现，腐蚀初期生物膜能够减缓X80 钢腐蚀反应的进行，而后由于腐蚀产物膜的生成破坏了原有生物膜的保护作用，导致腐蚀加剧。

四、总结

目前，针对微生物膜的形成机制及其对材料腐蚀影响的研究获得了巨大进展，取得了很多研究成果，但是微生物腐蚀是一个多因素综合作用的复杂过程，发生的场所也是一个多菌种、气液固三相共存以及有应力作用的复杂环境，因此目前所取得研究成果与现实环境中的真实情况仍然存在偏差，对于微生物膜的形成机制及其对材料腐蚀影响的研究仍存在许多不足以及亟待解决的问题。随着生物研究技术的不断发展与创新，为微生物腐蚀研究提供了更为先进的技术支持，这将有助于进一步深入研究，揭示在真实环境中微生物膜形成的真实过程。