劉疏影Bridget

（美國(guó)羅蘭德帕克女校，美國(guó)馬 里蘭巴爾的摩 21213）（Roland Park Country School Baltimore MD 21213）

0 引言

在海水環(huán)境當(dāng)中，金屬材料是十分復(fù)雜的電化學(xué)過程，具體涉及生物、化學(xué)、物理以及氣象等因素。近些年來，相關(guān)腐蝕科學(xué)工作者所關(guān)注的課題具體包括宏觀生物附著腐蝕、微生物腐蝕等。通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的快速發(fā)展，人們也更加深入的了解和認(rèn)識(shí)生了物腐蝕問題。生物附著現(xiàn)象不僅具有一定的廣泛性，而且還有著較高的復(fù)雜性，因此需要進(jìn)一步加大對(duì)微生物腐蝕現(xiàn)象的研究力度。

1 海水中影響腐蝕的海生物種類

在海水當(dāng)中，需要充分分析影響腐蝕的相關(guān)海生物種類，具體包括以下3種類型。第一，單細(xì)胞有機(jī)質(zhì)，具體包括藻類、細(xì)菌等。第二，柔軟生長(zhǎng)物，包括海綿體等。第三，硬質(zhì)海洋動(dòng)物，包括貝類、藤壺等。相關(guān)微生物有機(jī)體可以在其表面附著，使微生物得到繁殖，有效建立起相應(yīng)的微生物膜。針對(duì)宏觀生物幼體進(jìn)行分析，其可以有效促進(jìn)微生物膜的生長(zhǎng)。在材料表面有生物覆蓋之后，微生物可在宏觀生物腐爛位置發(fā)生大量繁殖[1]。

2 微生物膜的結(jié)構(gòu)與功能

2．1 海水環(huán)境中的生物膜

當(dāng)微生物逐漸附著到金屬材料表面之后，可以利用相關(guān)的新陳代謝活動(dòng)使黏稠細(xì)胞外高聚物得到有效產(chǎn)生，其組成物質(zhì)具體包括脂蛋白、糖蛋白、蛋白質(zhì)以及高聚糖等，不僅強(qiáng)度較大，而且還具有一定黏性，有著良好的附著性。微生物可在細(xì)胞胞外高聚物所組成的凝膠當(dāng)中包藏，并在液體環(huán)境和金屬表面間形成相應(yīng)的凝膠相。由于細(xì)胞胞外高聚物具有黏性，因此可以使其在一些特殊物質(zhì)中進(jìn)行黏附，如鈣鎂沉淀物、腐殖質(zhì)、黏土礦物等。生物膜具體由黏附沉積物、微生物以及細(xì)胞胞外高聚物凝膠組成，在自然條件下，生物膜厚度會(huì)隨著環(huán)境條件的改變而產(chǎn)生極大變化。當(dāng)生物膜處于強(qiáng)剪切力系統(tǒng)當(dāng)中時(shí)，其厚度只達(dá)到了幾微米。對(duì)液壓承受較少的區(qū)域，生物膜中的微生物沉積厚度則可以達(dá)到幾厘米。

2.2 生物膜的特征與功能

凝膠相生物膜不僅透過性能較好，而且黏彈性、親水性、吸附性以及生物學(xué)性能等良好。細(xì)菌高聚物具體包括糖醛酸、丙酮酸等，其中存在相應(yīng)的荷電基團(tuán)，這也使得相關(guān)生物膜產(chǎn)生了離子交換器所具有的性質(zhì)。在此情況下，EPC具有親水性，所以生物膜可以向疏水表面賦予具體的親水性質(zhì)，從而改變了機(jī)體的表面性質(zhì)。生物膜的特征具體包括以下3個(gè)方面，首先，在EPC凝膠當(dāng)中，微生物保持靜止?fàn)顟B(tài)，和生長(zhǎng)表面十分靠近，在空間當(dāng)中，各類菌種的微同生現(xiàn)象相對(duì)比較固定，可以長(zhǎng)時(shí)間使細(xì)胞發(fā)生接觸。其次，空間中的代謝產(chǎn)物濃度、pH以及氧濃度等不均勻性十分明顯，同時(shí)還具有一定的濃度梯度。最后，當(dāng)環(huán)境、時(shí)間等條件發(fā)生改變之后，相關(guān)微生物可能會(huì)不斷發(fā)生演替，會(huì)改變生物膜[2]。

當(dāng)金屬表面覆蓋生物膜之后，溶液本體和金屬表面之間將會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)散屏障作用，因此存在相應(yīng)的濃度梯度。EPC機(jī)制所具有的擴(kuò)散屏障作用，不僅具有相應(yīng)的強(qiáng)度，使形態(tài)和柔軟度得到有效保持，同時(shí)還具有相關(guān)的微生物活動(dòng)，具體包括營(yíng)養(yǎng)吸取、廢物排泄以及新陳代謝等。由于存在生物膜，進(jìn)而使得金屬和溶液本體的界面狀態(tài)出現(xiàn)變化，導(dǎo)致代謝產(chǎn)物、有機(jī)物質(zhì)、基質(zhì)和氧等濃度以及pH值等和溶液本體也會(huì)存在相應(yīng)的差異。與此同時(shí)，相關(guān)生物膜凝膠內(nèi)部的各個(gè)成分也存在非均一性，界面上所出現(xiàn)的反應(yīng)將會(huì)對(duì)各電化學(xué)參數(shù)產(chǎn)生影響，而且這些參數(shù)對(duì)腐蝕形態(tài)和機(jī)理等具有一定的決定作用，需要相關(guān)研究人員對(duì)生物膜表面附著力產(chǎn)生影響的相關(guān)因素進(jìn)行充分考察。在生物膜初生階段，是早期生物膜對(duì)表面粗糙度和成分等積累的過程，不僅對(duì)生物膜初生具有十分重要的作用，而且對(duì)細(xì)胞的擴(kuò)散和積累速率等也會(huì)產(chǎn)生一定影響。與此同時(shí)，相關(guān)研究人員還需要充分考察生物膜中電解液所帶來的影響，具體來說，水剪切應(yīng)力和流速具有密切聯(lián)系，對(duì)生物膜內(nèi)部的反應(yīng)、傳質(zhì)以及運(yùn)輸?shù)人俾示哂兄匾绊?，?duì)分離速率也有直接影響。

3 海洋環(huán)境的微生物腐蝕機(jī)理

微生物腐蝕產(chǎn)生原因主要與微生物有關(guān)，一方面可以引起腐蝕，另一方面還能夠加快腐蝕速度。該電化學(xué)過程相對(duì)比較復(fù)雜，而且針對(duì)局部腐蝕具有極強(qiáng)的破壞性。在微生物生長(zhǎng)過程中，海水環(huán)境可以為其提供充足生長(zhǎng)介質(zhì)，同時(shí)海水中還普遍存在著相關(guān)的金屬材料生物膜，海洋宏觀生物可以在微生物環(huán)境當(dāng)中生長(zhǎng)，在附著較高級(jí)宏觀生物前，如貝類、藤壺等，需要確保微生物附著成膜。宏觀生物殼表面會(huì)有大量微生物產(chǎn)生，特別是在宏觀生物死亡以及腐蝕等位置會(huì)有大量微生物繁殖。微生物可以在金屬表面有效生長(zhǎng)和附著，將會(huì)經(jīng)歷新陳代謝、死亡等相關(guān)生命階段，對(duì)海水環(huán)境當(dāng)中的金屬腐蝕具有直接影響，具體包括以下2個(gè)方面。

3.1 濃度差異電池形成

當(dāng)金屬表面附著微生物后，將會(huì)有不規(guī)則聚集地形成，而相關(guān)材料也會(huì)存在不均勻性，而EPS基質(zhì)可以有效擴(kuò)散屏障，進(jìn)而阻礙了材料表面擴(kuò)散。而且通過微生物膜分布、結(jié)構(gòu)所具有的不均勻性，以及局部堆積的腐蝕產(chǎn)物等，將會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的氧濃度差異電池，同樣還會(huì)阻止微生物腐蝕產(chǎn)物和新陳代謝產(chǎn)物的擴(kuò)散，從而導(dǎo)致局部逐漸有濃度差異電池形成。除此之外，海藻等通過光可以產(chǎn)生氧氣，并在生物膜內(nèi)積聚，使得膜內(nèi)的氧濃度有所增加，使陰極過程有所加速，也使腐蝕速度有所加快。

3.2 微生物新陳代謝、產(chǎn)物的影響

在微生物新陳代謝過程中，會(huì)有生物膜形成，無(wú)論是新陳代謝還是產(chǎn)物都會(huì)影響到金屬腐蝕，進(jìn)而改變了腐蝕形態(tài)以及機(jī)理。首先，微生物新陳代謝會(huì)改變腐蝕機(jī)制。其次，微生物新陳代謝產(chǎn)生的物質(zhì)具有腐蝕性特點(diǎn)，將會(huì)惡化金屬腐蝕環(huán)境。具體分析微生物新陳代謝以及相關(guān)產(chǎn)物等給腐蝕電化學(xué)帶來的影響后，可以發(fā)現(xiàn)其主要影響腐蝕行為和生物膜內(nèi)部生物的呼吸頻率，使得腐蝕陰極機(jī)理產(chǎn)生了相應(yīng)的改變。再次，酸的產(chǎn)生。有氧區(qū)相關(guān)好氧菌的代謝產(chǎn)物具體包括各種有機(jī)酸、硫酸等，當(dāng)細(xì)菌內(nèi)的養(yǎng)分代謝時(shí)，有機(jī)物會(huì)將代謝期間的電子去除。針對(duì)嗜氧菌而言，相關(guān)電子接收者主要為氧，在有機(jī)物發(fā)酵過程當(dāng)中，多數(shù)異樣細(xì)菌會(huì)對(duì)有機(jī)酸進(jìn)行代謝和分泌，使腐蝕發(fā)生轉(zhuǎn)變。最后，局部無(wú)氧菌區(qū)當(dāng)中的厭氧菌在具體代謝過程中會(huì)生成硫化物、硫以及硫代硫酸鹽等，且具有極強(qiáng)的破壞性，這導(dǎo)致局部腐蝕有所加速[3]。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過對(duì)海域生物調(diào)查和生態(tài)研究等工作開展，可以進(jìn)一步提升金屬材料生物腐蝕的研究水平，為相關(guān)研究工作開展提供有力依據(jù)，從而保證研究工作質(zhì)量。為金屬材料生物腐蝕的研究工作提供十分豐富的信息和理論依據(jù)。相關(guān)領(lǐng)域科技人員需要確保海生物腐蝕研究工作的聯(lián)合推動(dòng)，并要對(duì)典型材料當(dāng)中的生命活動(dòng)規(guī)律、海生物附著種類等進(jìn)行充分調(diào)查，合理采用現(xiàn)代表面分析、電化學(xué)等技術(shù)，對(duì)生物膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行充分研究，從而對(duì)結(jié)構(gòu)物腐蝕、材料影響等進(jìn)行明確，有效構(gòu)建具體的生物因素?cái)?shù)學(xué)模型，健全生物腐蝕機(jī)制，使相關(guān)工作的研究水平得到有效提升。