金属材料海洋环境生物污损腐蚀研究

刘疏影Bridget

（美国罗兰德帕克女校，美国马 里兰巴尔的摩 21213）（Roland Park Country School Baltimore MD 21213）

0 引言

在海水环境当中，金属材料是十分复杂的电化学过程，具体涉及生物、化学、物理以及气象等因素。近些年来，相关腐蚀科学工作者所关注的课题具体包括宏观生物附着腐蚀、微生物腐蚀等。通过相关实验技术的快速发展，人们也更加深入的了解和认识生了物腐蚀问题。生物附着现象不仅具有一定的广泛性，而且还有着较高的复杂性，因此需要进一步加大对微生物腐蚀现象的研究力度。

1 海水中影响腐蚀的海生物种类

在海水当中，需要充分分析影响腐蚀的相关海生物种类，具体包括以下3种类型。第一，单细胞有机质，具体包括藻类、细菌等。第二，柔软生长物，包括海绵体等。第三，硬质海洋动物，包括贝类、藤壶等。相关微生物有机体可以在其表面附着，使微生物得到繁殖，有效建立起相应的微生物膜。针对宏观生物幼体进行分析，其可以有效促进微生物膜的生长。在材料表面有生物覆盖之后，微生物可在宏观生物腐烂位置发生大量繁殖[1]。

2 微生物膜的结构与功能

2．1 海水环境中的生物膜

当微生物逐渐附着到金属材料表面之后，可以利用相关的新陈代谢活动使黏稠细胞外高聚物得到有效产生，其组成物质具体包括脂蛋白、糖蛋白、蛋白质以及高聚糖等，不仅强度较大，而且还具有一定黏性，有着良好的附着性。微生物可在细胞胞外高聚物所组成的凝胶当中包藏，并在液体环境和金属表面间形成相应的凝胶相。由于细胞胞外高聚物具有黏性，因此可以使其在一些特殊物质中进行黏附，如钙镁沉淀物、腐殖质、黏土矿物等。生物膜具体由黏附沉积物、微生物以及细胞胞外高聚物凝胶组成，在自然条件下，生物膜厚度会随着环境条件的改变而产生极大变化。当生物膜处于强剪切力系统当中时，其厚度只达到了几微米。对液压承受较少的区域，生物膜中的微生物沉积厚度则可以达到几厘米。

2.2 生物膜的特征与功能

凝胶相生物膜不仅透过性能较好，而且黏弹性、亲水性、吸附性以及生物学性能等良好。细菌高聚物具体包括糖醛酸、丙酮酸等，其中存在相应的荷电基团，这也使得相关生物膜产生了离子交换器所具有的性质。在此情况下，EPC具有亲水性，所以生物膜可以向疏水表面赋予具体的亲水性质，从而改变了机体的表面性质。生物膜的特征具体包括以下3个方面，首先，在EPC凝胶当中，微生物保持静止状态，和生长表面十分靠近，在空间当中，各类菌种的微同生现象相对比较固定，可以长时间使细胞发生接触。其次，空间中的代谢产物浓度、pH以及氧浓度等不均匀性十分明显，同时还具有一定的浓度梯度。最后，当环境、时间等条件发生改变之后，相关微生物可能会不断发生演替，会改变生物膜[2]。

当金属表面覆盖生物膜之后，溶液本体和金属表面之间将会产生扩散屏障作用，因此存在相应的浓度梯度。EPC机制所具有的扩散屏障作用，不仅具有相应的强度，使形态和柔软度得到有效保持，同时还具有相关的微生物活动，具体包括营养吸取、废物排泄以及新陈代谢等。由于存在生物膜，进而使得金属和溶液本体的界面状态出现变化，导致代谢产物、有机物质、基质和氧等浓度以及pH值等和溶液本体也会存在相应的差异。与此同时，相关生物膜凝胶内部的各个成分也存在非均一性，界面上所出现的反应将会对各电化学参数产生影响，而且这些参数对腐蚀形态和机理等具有一定的决定作用，需要相关研究人员对生物膜表面附着力产生影响的相关因素进行充分考察。在生物膜初生阶段，是早期生物膜对表面粗糙度和成分等积累的过程，不仅对生物膜初生具有十分重要的作用，而且对细胞的扩散和积累速率等也会产生一定影响。与此同时，相关研究人员还需要充分考察生物膜中电解液所带来的影响，具体来说，水剪切应力和流速具有密切联系，对生物膜内部的反应、传质以及运输等速率具有重要影响，对分离速率也有直接影响。

3 海洋环境的微生物腐蚀机理

微生物腐蚀产生原因主要与微生物有关，一方面可以引起腐蚀，另一方面还能够加快腐蚀速度。该电化学过程相对比较复杂，而且针对局部腐蚀具有极强的破坏性。在微生物生长过程中，海水环境可以为其提供充足生长介质，同时海水中还普遍存在着相关的金属材料生物膜，海洋宏观生物可以在微生物环境当中生长，在附着较高级宏观生物前，如贝类、藤壶等，需要确保微生物附着成膜。宏观生物壳表面会有大量微生物产生，特别是在宏观生物死亡以及腐蚀等位置会有大量微生物繁殖。微生物可以在金属表面有效生长和附着，将会经历新陈代谢、死亡等相关生命阶段，对海水环境当中的金属腐蚀具有直接影响，具体包括以下2个方面。

3.1 浓度差异电池形成

当金属表面附着微生物后，将会有不规则聚集地形成，而相关材料也会存在不均匀性，而EPS基质可以有效扩散屏障，进而阻碍了材料表面扩散。而且通过微生物膜分布、结构所具有的不均匀性，以及局部堆积的腐蚀产物等，将会产生相应的氧浓度差异电池，同样还会阻止微生物腐蚀产物和新陈代谢产物的扩散，从而导致局部逐渐有浓度差异电池形成。除此之外，海藻等通过光可以产生氧气，并在生物膜内积聚，使得膜内的氧浓度有所增加，使阴极过程有所加速，也使腐蚀速度有所加快。

3.2 微生物新陈代谢、产物的影响

在微生物新陈代谢过程中，会有生物膜形成，无论是新陈代谢还是产物都会影响到金属腐蚀，进而改变了腐蚀形态以及机理。首先，微生物新陈代谢会改变腐蚀机制。其次，微生物新陈代谢产生的物质具有腐蚀性特点，将会恶化金属腐蚀环境。具体分析微生物新陈代谢以及相关产物等给腐蚀电化学带来的影响后，可以发现其主要影响腐蚀行为和生物膜内部生物的呼吸频率，使得腐蚀阴极机理产生了相应的改变。再次，酸的产生。有氧区相关好氧菌的代谢产物具体包括各种有机酸、硫酸等，当细菌内的养分代谢时，有机物会将代谢期间的电子去除。针对嗜氧菌而言，相关电子接收者主要为氧，在有机物发酵过程当中，多数异样细菌会对有机酸进行代谢和分泌，使腐蚀发生转变。最后，局部无氧菌区当中的厌氧菌在具体代谢过程中会生成硫化物、硫以及硫代硫酸盐等，且具有极强的破坏性，这导致局部腐蚀有所加速[3]。

4 结语

综上所述，通过对海域生物调查和生态研究等工作开展，可以进一步提升金属材料生物腐蚀的研究水平，为相关研究工作开展提供有力依据，从而保证研究工作质量。为金属材料生物腐蚀的研究工作提供十分丰富的信息和理论依据。相关领域科技人员需要确保海生物腐蚀研究工作的联合推动，并要对典型材料当中的生命活动规律、海生物附着种类等进行充分调查，合理采用现代表面分析、电化学等技术，对生物膜结构进行充分研究，从而对结构物腐蚀、材料影响等进行明确，有效构建具体的生物因素数学模型，健全生物腐蚀机制，使相关工作的研究水平得到有效提升。