微生物膜的形成機制及其對材料腐蝕的影響

劉偉 李洪林 吳海旭 石玲 遼寧忠旺集團有限公司

一、前言

微生物腐蝕（MIC）是指由材料表面生物膜內的微生物生命活動及其代謝產物引起或促進材料的腐蝕和破壞的現象，普遍存在于各種自然環境中，如土壤、海洋、供水管網、油田系統等[1]。在腐蝕過程中，微生物傾向于在材料表面特定活性位點上附著，并隨著其自身生命活動及其與材料作用而形成的一種主要由活的和死的細胞、水、腐蝕產物以及胞外聚合物（EPS）構成[2]的復雜混合物。其中，EPS 是由多糖、核酸、蛋白質、脂類以及吸附的有機物和無機物等構成[3]，具有一定的強度和黏性，使得該混合物具有一定的附著能力，當其附著在材料表面時，即形成一層微生物膜。

迄今為止，國內外學者對微生物膜的形成機制及其對材料腐蝕的影響進行了廣泛而深入的研究，取得了眾多的研究成果。文中歸納總結了微生物膜的形成機制及其對材料腐蝕影響目前的研究現狀與進展，并探討了其未來的發展趨勢，以期對本領域的研究人員有所裨益。

二、微生物膜的形成機制

生物膜的形成是一個十分復雜的生物學/化學過程，是一個高度自發并且伴隨微生物的生長和消亡以及環境不斷變化的動態過程。一般來說，微生物膜的形成和發展過程主要經歷五個階段[3-5]。

1.形成條件膜。一些溶解態的無機離子和有機大分子通過礦化作用與吸附作用，在材料表面形成條件膜，這個過程是不可逆的和大量發生的；

2.微生物可逆吸附過程。由于和材料表面間的靜電作用和范德華力，介質中浮游狀態的微生物吸附到條件膜上。這個過程是可逆的，可以持續幾分鐘至數個小時；

3.微生物不可逆吸附過程。EPS 以物理或者化學（靜電作用、氫鍵、偶極作用和疏水作用）或者共價鍵的形式與微生物結合，使其緊緊地吸附在材料表面。這個過程是不可逆的，吸附的微生物不會脫離，布朗運動也觀察不到；

4.微生物膜形成。微生物在材料表面不斷生長繁殖，并分泌EPS，進而形成微生物膜。同時，介質中的其他微生物仍然可以吸附到材料表面，進入生物膜中。生物膜不斷生長、變厚，直至成熟。

5.部分微生物膜脫落。當微生物膜增長到一定極限時，其穩定性降低，在剪切力的作用下，部分微生物膜會脫落并被沖走。

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，介質的流速對生物膜內物質的運輸、傳質和反應速率有很大的影響[3]。第一階段形成的條件膜很薄，厚度一般為 20～80nm。條件膜的形成改變了材料表面的性質，如所帶電荷的電性、憎水性等，起到表面活性位點的作用，利于細菌和其他微生物在界面上聚集生長，是生物膜進一步發展的基礎[6-7]。

三、微生物膜對材料腐蝕的影響

大量的研究表明，微生物膜在材料的腐蝕過程中具有雙重角色，既能促進材料腐蝕，也能抑制材料腐蝕[8]。

Castaneda 等[9]研究了模擬海水條件下生物膜對碳鋼腐蝕的影響，發現生物膜的非均勻性增加了碳鋼表面產生腐蝕的活性位點，使得碳鋼的腐蝕速率明顯增加。Videla等[10]研究發現，在金屬/溶液界面生物膜和無機產物膜同時存在，兩者的生長方向相反，這種差異性使得金屬易于發生局部腐蝕，包括點蝕、晶間腐蝕和縫隙腐蝕。管方[11]研究發現當微生物5052 鋁合金表面附著成膜后，其酸性代謝產物破壞了5052 鋁合金表面的氧化膜，顯著加速了腐蝕速率。

Li 等[12]研究發現生物膜在不銹鋼表面呈鱗片狀分布，阻礙了侵蝕性粒子向生物膜內的擴散，一定程度上抑制了腐蝕的發展。Yuan[13]和Xu[14]等人研究發現當環境中有假單胞菌和EPS 存在時能顯著降低合金的腐蝕速率。王丹[15]研究發現，腐蝕初期生物膜能夠減緩X80 鋼腐蝕反應的進行，而后由于腐蝕產物膜的生成破壞了原有生物膜的保護作用，導致腐蝕加劇。

四、總結

目前，針對微生物膜的形成機制及其對材料腐蝕影響的研究獲得了巨大進展，取得了很多研究成果，但是微生物腐蝕是一個多因素綜合作用的復雜過程，發生的場所也是一個多菌種、氣液固三相共存以及有應力作用的復雜環境，因此目前所取得研究成果與現實環境中的真實情況仍然存在偏差，對于微生物膜的形成機制及其對材料腐蝕影響的研究仍存在許多不足以及亟待解決的問題。隨著生物研究技術的不斷發展與創新，為微生物腐蝕研究提供了更為先進的技術支持，這將有助于進一步深入研究，揭示在真實環境中微生物膜形成的真實過程。