航天器進(jìn)出太空嚴(yán)控微生物

 

    自1957 年蘇聯(lián)成功發(fā)射世界上第一顆人造衛(wèi)星開始，人類對(duì)地外空間的探索已經(jīng)持續(xù)了半個(gè)多世紀(jì)，其間各式各樣的飛行器攜帶著地球生命無數(shù)次地進(jìn)出過地球大氣層。越來越多的太空活動(dòng)，不禁讓天體生物學(xué)家開始擔(dān)心起來。

    在各國(guó)科學(xué)家的不斷努力下，人類將飛向太空的夢(mèng)想逐漸變成了現(xiàn)實(shí)。隨著空間探索的開始，人類能夠借助于航天器發(fā)射各種儀器到月球、火星或其他行星。然而，在進(jìn)行星際探索時(shí)，飛行器或著陸裝置難免會(huì)與各種微生物進(jìn)行接觸，這就引出了一個(gè)十分嚴(yán)肅的問題，會(huì)不會(huì)因此攪亂地球與其他行星的生物環(huán)境。科學(xué)家也開始注意到空間活動(dòng)背后存在著的一些隱患，特別是對(duì)天體生物環(huán)境保護(hù)問題備受矚目。

    可以做一個(gè)假設(shè)，如果地球微生物闖入其他星球，找到適合于它生長(zhǎng)的條件，就可能會(huì)增殖，從而破壞目標(biāo)行星的原始狀態(tài)。另一方面，我們也必須保護(hù)地球及其生物圈與地上人群，不被可能存在的地外危險(xiǎn)物質(zhì)或生命所“污染”。因此，科學(xué)家們對(duì)天體生物環(huán)境的保護(hù)工作十分重視。不久前，國(guó)際空間站人員對(duì)站內(nèi)微生物環(huán)境進(jìn)行了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)無孔不入的微生物在人類眼皮底下借助貨運(yùn)飛船進(jìn)入了空間站，同時(shí)迅速適應(yīng)空間站內(nèi)的環(huán)境并四處蔓延。目前國(guó)際空間站內(nèi)共發(fā)現(xiàn)有 76 種微生物，其中包括致病細(xì)菌和真菌，以及能夠?qū)饘僭斐缮镄愿g的微生物。這些微生物會(huì)損害儀表盤、線路上的絕緣材料及其他類型的聚合材料。微生物的大量繁殖和材料的大量降解耗損將會(huì)導(dǎo)致空間站內(nèi)的設(shè)備運(yùn)行失靈。微生物也嚴(yán)重威脅著國(guó)際空間站內(nèi)宇航員的健康。微生物會(huì)釋放出毒素，它們的大量繁殖可能導(dǎo)致宇航員患傳染病的幾率增加。

    不過好在科學(xué)家基于以前的研究，使用一種特殊液體對(duì)空間站內(nèi)部進(jìn)行了殺菌清理，化解微生物“侵襲”的危機(jī)。鑒于微生物未來還會(huì)對(duì)空間站造成襲擾，俄羅斯科學(xué)家準(zhǔn)備在站內(nèi)安裝一種名為“阿爾法”的特殊裝置。它能夠發(fā)射出波長(zhǎng) 200 納米至 400 納米的紫外線。這些紫外線非常厲害，目前還沒有發(fā)現(xiàn)哪種微生物能夠在它的照射下繼續(xù)存活。

 

    只有嚴(yán)格滅菌 星際探索才有保障

 

    在制造航天器材時(shí)，一些微生物也不免混入其中，科學(xué)家也考慮到了這方面的問題。

    航天器和航天儀器設(shè)備的制造可使用一類新型功能抗菌材料，來預(yù)防控制微生物的“污染”。此類材料是在原料中添加抗菌劑，使航天器材制品具有內(nèi)在的抗菌性，在一定時(shí)間內(nèi)可以將附著在材料上的微生物殺死或抑制其生長(zhǎng)繁殖。比如，可以在航天材料中添加無機(jī)抗菌劑材料，其中銀離子類抗菌劑是最常用的抗菌劑，有時(shí)為了提高協(xié)同作用，還要再添加一些銅離子、鋅離子。

    此外，還可以添加有機(jī)抗菌劑的材料，主要品種有香草醛或乙基香草醛類化合物，還有酰基苯胺類、咪唑類、噻唑類、異噻唑酮衍生物、季銨鹽類、雙呱類、酚類等。目前有機(jī)抗菌劑的安全性尚在研究中。一般來說有機(jī)抗菌劑耐熱性差些，容易水解有效期短。用高科技納米技術(shù)處理無機(jī)抗菌劑后制造的納米抗菌材料，因具有更為廣泛、卓越的抗菌殺菌功能，并且通過緩釋作用，能夠提高抗菌長(zhǎng)效性，所以也是制造航天器材時(shí)常會(huì)用到的。

    對(duì)航天器可以做到嚴(yán)格滅菌，那么作為生命體的宇航員身上也會(huì)攜帶微生物，對(duì)于它們要如何處理？

    生物學(xué)家估計(jì)人體至少攜帶有 10億個(gè)微生物，約占體重的 2%。它們中的大多數(shù)都能夠與人體和諧相處，但有些也會(huì)致病。即使航天飛機(jī)、載人飛船、航天服、裝船產(chǎn)品等經(jīng)過再嚴(yán)格的真空消毒，微生物還是會(huì)隨著航天員的皮膚、人體分泌物、物資等途徑混進(jìn)乘員艙。

    因此，對(duì)于人體攜帶的微生物是無法清除的，也是不能清除的。只能通過開展載人航天生物保護(hù)系統(tǒng)中的微生物安全監(jiān)控策略預(yù)防微生物的危害。

    當(dāng)然在進(jìn)行星際探索時(shí)，肯定會(huì)有一些微生物被“粘”回地球，對(duì)它們進(jìn)行怎樣的防范？

    首先，為了歷行國(guó)際行星保護(hù)公約，我們應(yīng)不斷發(fā)展及應(yīng)用空間飛行器的生物載荷測(cè)量和減少生物載荷的技術(shù)，防患于未然。

    其次，要對(duì)難以避免的“污染”進(jìn)行補(bǔ)救。在眾多太空任務(wù)中，有一類任務(wù)是“受限制地球返回”任務(wù)。

    說得通俗一點(diǎn)就是執(zhí)行這種任務(wù)的航天器，有可能受到過外星微生物“污染”，因而在返回地球前受到一定的限制。這種情況下所有返回的硬件在整個(gè)返回階段都應(yīng)采取防泄漏措施。

    如果采集了來自于目標(biāo)天體的未消毒材料（比如石塊樣本），那么還要對(duì)這些材料采取防泄漏措施。返回后，應(yīng)在嚴(yán)格控制下及時(shí)地采用最靈敏的技術(shù)分析收集到的未消毒樣品。如果發(fā)現(xiàn)任何可能的非地球復(fù)制物實(shí)體的信息，在沒有采用有效的消毒程序之前，都要嚴(yán)格保管防止泄漏。但并不是所有空間微生物都對(duì)人類及地球生物有害，我們知道空間生物學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容之一就是利用各種航天飛行器（高空氣球、軌道衛(wèi)星、空間站、航天飛機(jī)等）探索生物對(duì)空間環(huán)境因子作用的反應(yīng)，即空間生物學(xué)效應(yīng)。空間環(huán)境諸多的物理?xiàng)l件，如顯著的失重，熱交換影響，粒子穿透，宇宙射線，磁變影響，細(xì)胞懸浮，營(yíng)養(yǎng)物的濃度梯度、毛細(xì)特性、流體行為等均可能引起生物體的遺傳和生物學(xué)特性的變異反應(yīng)。因此，我國(guó)在過去 40 多年里，利用各種飛行器成功地搭載了動(dòng)植物和微生物樣品，去探討了解空間環(huán)境因子的生物學(xué)效應(yīng)，并發(fā)展新的生物技術(shù)服務(wù)于地球人類生活。1987 年中國(guó)科學(xué)院和有關(guān)單位首次利用我國(guó)發(fā)射的返回式科學(xué)衛(wèi)星，安裝搭載了 68 件試驗(yàn)容器和裝置，開展了對(duì) 32 種植物種子、6 種植物愈傷組織、2 種昆蟲、1 種病毒和 7 種微生物的生物學(xué)效應(yīng)探討。在隨后的 20 年間，我國(guó)科學(xué)家利用我國(guó)成功發(fā)射的 19 顆返回式科學(xué)衛(wèi)星進(jìn)行了涉及航天醫(yī)學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、植物學(xué)、動(dòng)物學(xué)、微生物學(xué)、水生生物學(xué)、放射生物等生命科學(xué)的廣泛研究，已經(jīng)取得了一些顯著成果。

    所以凡事都有兩面性，空間生物的保護(hù)和利用也是如此，未來我們會(huì)讓空間微生物更好地為人類造福。

 

    船舶的微生物腐蝕及其防護(hù)

 

    微生物影響金屬腐蝕過程是海洋腐蝕的重要類型之一。船舶在海洋上航行，與海水接觸部分不僅受海水腐蝕的影響，還受海洋生物污損的影響，許多海洋微生物能夠吸附于船底、螺旋槳、船舶管路及其他金屬結(jié)構(gòu)表面并生長(zhǎng)和繁殖，導(dǎo)致嚴(yán)重的生物污損。污損生物會(huì)破壞金屬表面的涂層，使金屬裸露而導(dǎo)致金屬的腐蝕；有石灰外殼的污損生物覆蓋在金屬表面，改變了金屬表面的局部供氧，形成氧濃差電池加劇腐蝕；有些微生物本身就對(duì)金屬有腐蝕作用。但是，船舶的微生物腐蝕起初并不被人們所重視。近 20 年來，隨著腐蝕研究的不斷深入，許多異常快速的腐蝕問題引起了人們的注意，由此發(fā)現(xiàn)微生物腐蝕在船舶上大量存在。

 

    船舶微生物腐蝕發(fā)生位點(diǎn)與危害

 

    船舶的微生物腐蝕情況根據(jù)船體各部位所處環(huán)境、船舶航行海域、船齡以及維護(hù)保養(yǎng)程度不同而有很大差別。

    由于船體水下部分直接接觸海水，生物污損能破壞表面防腐涂層使漆膜脫落，增加船舶航行阻力，增大油耗。此外，在漆膜破損處，腐蝕微生物可以直接與金屬基體接觸誘發(fā)微生物腐蝕。船體水下部分的生物污損群落結(jié)構(gòu)受到多種因素的影響。一般來說，富營(yíng)養(yǎng)化、水溫較高、水流速度緩慢的海域有利于污損生物的附著；污損生物附著量與船舶在港停靠的時(shí)間成正比，與船舶航行速度成反比。

    船體水上結(jié)構(gòu)，包括干舷、甲板和上層建筑。主要受到海洋大氣、海水飛沫、雨雪、沖洗甲板時(shí)所用的海水以及凝結(jié)水的侵蝕。水在各種難以維護(hù)的地方聚集并長(zhǎng)期存在，也是船體水上結(jié)構(gòu)局部腐蝕破壞的重用原因，但是該部位由于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)匱乏，一般認(rèn)為發(fā)生微生物腐蝕的概率很小。

    船體內(nèi)部結(jié)構(gòu)由于不直接接觸海水，不會(huì)發(fā)生大型生物污損，但是由于船體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在海洋環(huán)境中有六個(gè)區(qū)域有發(fā)生微生物腐蝕的潛在可能性，分別是燃油系統(tǒng)、潤(rùn)滑油系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、艙底積水部位、壓載艙水部位和油輪油艙。其中，水、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、溫度以及環(huán)境是微生物生存的幾個(gè)要素。

    水是最主要的要素。燃油和潤(rùn)滑油中的水會(huì)給微生物生長(zhǎng)提供條件，水含量往往成為微生物生長(zhǎng)的控制因素。同時(shí)溶解在燃料中的水還可以維持霉菌的生長(zhǎng)。一般認(rèn)為燃料中的微生物是在水滴中或者是被水膜包圍的環(huán)境中生存的。而大量微生物的生長(zhǎng)需要大量的水，通常要求含水量超過 1wt%。

    微生物生長(zhǎng)需要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。燃油和潤(rùn)滑油中的碳水化合物和各種化學(xué)添加劑，以及水中可利用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)均可以作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)供微生物利用。用于清洗壓載艙的已經(jīng)被污染的海港附近的海水也含有營(yíng)養(yǎng)有機(jī)物和農(nóng)肥，以及遺留下的石油降解微生物，這些都會(huì)為壓載艙水中的微生物生長(zhǎng)提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。此外，船舶內(nèi)部貨艙中的貨物殘留 （ 如尿素、肥料和糖等 ）、少量的殺菌劑殘留、銹層以及死掉的微生物都有可能充當(dāng)貨艙微生物生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。一般認(rèn)為，船體內(nèi)部結(jié)構(gòu)溫度在 15-35℃范圍內(nèi)，會(huì)給微生物提供理想的生長(zhǎng)環(huán)境。如果船體內(nèi)部結(jié)構(gòu)溫度低于5℃或高于70℃時(shí)，都不利于微生物生長(zhǎng)。

    腐蝕微生物通常不喜歡擾動(dòng)的環(huán)境，因此在港的船舶或間歇性航行的船舶更易發(fā)生微生物腐蝕。腐蝕微生物可以在油水界面生長(zhǎng)，將油相中的碳水化合物氧化成酸，包括有毒、有刺激性的H 2 S。腐蝕微生物還可以利用燃料、潤(rùn)滑油、海水和廢料中的含硫化合物。在理想的環(huán)境中，腐蝕微生物在極短的時(shí)間內(nèi)就會(huì)大量生長(zhǎng)， 產(chǎn)生幾公斤的生物量。

 

    船體鋼的微生物腐蝕

 

    SRB 對(duì)碳鋼腐蝕的影響較大，日本學(xué)者管野照造的研究認(rèn)為，碳鋼在含與不含 SRB 的海泥中的腐蝕速率之比為37 : 17。烏拉諾夫斯基曾評(píng)定在 SRB 作用下鋼的腐蝕速度加速 50%-60%；巴切爾遜曾測(cè)量 SRB 對(duì)鋼腐蝕的加速可達(dá) 20倍。有人測(cè)定了含 SRB 的船艙水浸泡的鋼質(zhì)船板，其腐蝕速度是25mg/（dm 2 d），而無菌鋼的腐蝕速度是 2.6mg/（dm 2 d），兩者相差幾乎 10 倍。早在 1966 年，就報(bào)道了在船艙底的疑似微生物腐蝕。船尾螺旋槳附近的 8mm 碳鋼板在 2 年內(nèi)腐蝕穿孔，腐蝕速率達(dá)到 4mm/yr，比同樣鋼板在海水中的腐蝕速率 （0.127mm/yr）快 30 多倍，SRB 腐蝕產(chǎn)物 FeS 的存在證明了微生物腐蝕的發(fā)生。

    1994 年，我南海某艦艙底板發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，在主機(jī)艙、副機(jī)艙和尾軸艙，發(fā)現(xiàn)直徑 8-20mm、坑深 3-6mm 的潰瘍狀蝕坑 217 個(gè)，年潰瘍腐蝕率為 1.5-3.0mm/yr，最大潰瘍腐蝕率為 4.5mm/yr，其中左主機(jī)齒輪箱左側(cè)一處已腐蝕穿孔，坑徑 80mm，孔徑 20mm。其余為潰瘍狀蝕坑，呈橢圓形，有的蝕坑呈階梯狀。經(jīng)國(guó)內(nèi)有關(guān)專家勘驗(yàn)分析，事故主要原因是由微生物腐蝕所引起，并首次提出了治理艦船微生物腐蝕的建議。

    2000 年，我國(guó)有 6 艘某型艦艇船底在下水后不到 2 年的使用期間就發(fā)生了多處的腐蝕穿孔。經(jīng)檢測(cè)艙內(nèi)積水部位單位體積內(nèi) SRB 數(shù)量約是舷外海水的103-104 倍，說明 SRB 在艦船的艙底水中大量存在。同時(shí)，勘驗(yàn)結(jié)果還表明，其腐蝕形貌具備 SRB 腐蝕的明顯特征：

    腐蝕產(chǎn)物帶有難聞氣味，外貌為黑色沾糊狀覆蓋在鋼板上，蝕坑往往是一些開口的階梯形圓錐體，坑內(nèi)側(cè)有許多同心圓環(huán)，坑內(nèi)是黑色的腐蝕產(chǎn)物，產(chǎn)物下可以看到光澤的金屬表面。2007 年報(bào)道了澳大利亞皇家海軍軍艦的 10mm 船體板在不到 1 年的時(shí)間內(nèi)腐蝕穿孔，腐蝕速率達(dá)到 10mm/yr，這一過程也被認(rèn)為可能是由微生物腐蝕導(dǎo)致的。

    科學(xué)家在澳大利亞皇家海軍 7 艘軍艦的艙底水中取樣詳細(xì)研究了四種金屬材料的微生物腐蝕，包括兩種澳大利亞海軍軍艦用船體鋼 （ 一種水面艦艇用低合金鋼和一種潛艇用高強(qiáng)低合金鋼 ） 和兩種不銹鋼。浸泡 116 天后，采用光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡和能譜分析樣品表面形貌和組成。對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，與浸泡在天然海水中的材料相比，浸泡在艙底水中的海軍軍艦用船體鋼腐蝕速率加快，點(diǎn)蝕敏感性增大，出現(xiàn)了半球型的點(diǎn)蝕坑，表明船體鋼在艙底水中的腐蝕與 SRB 導(dǎo)致的微生物腐蝕有關(guān)。而對(duì)于兩種不銹鋼樣品，沒有證據(jù)表明其在天然海水和艙底水中的腐蝕與微生物腐蝕有關(guān)。

    此外，在儲(chǔ)罐底部的水和污泥以及原油自身含有的水滴中均發(fā)現(xiàn)了包括SRB和產(chǎn)酸細(xì)菌在內(nèi)的腐蝕微生物群落，而采用殺菌劑控制原油儲(chǔ)罐的微生物腐蝕是不切實(shí)際的。

    船體其他金屬材料的微生物腐蝕

 

     微生物對(duì)船舶管道的腐蝕是最近幾年才引起重視的。研究發(fā)現(xiàn) SRB 能在厭氧條件下的海水管道內(nèi)大量繁殖，并產(chǎn)生粘液物質(zhì)，加速垢的形成，造成海水管道的堵塞；同時(shí)，SRB 菌落致使管道設(shè)施發(fā)生局部腐蝕，甚至出現(xiàn)穿孔，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。管道的腐蝕過程起初是由鐵細(xì)菌或一些粘液形成菌在管壁上附著生長(zhǎng)，形成較大菌落、結(jié)瘤或不均勻粘液層，產(chǎn)生氧濃差電池。隨著生物污垢的擴(kuò)大，形成了 SRB 繁殖的厭氧條件，從而加劇了氧濃差電池腐蝕，同時(shí) SRB 產(chǎn)生的去極化作用及硫化物產(chǎn)物腐蝕，使得腐蝕進(jìn)一步惡化，直至局部穿孔。

    大量的失效事例分析表明，銅鎳合金雖不發(fā)生海生物污損，但卻具有微生物腐蝕敏感性。不銹鋼的微生物腐蝕常常發(fā)生在焊縫及熱影響區(qū)。研究表明，不銹鋼材料的微觀組織和表面結(jié)構(gòu)對(duì)金屬抗微生物腐蝕是有影響的，特別是鈍化層的性質(zhì)對(duì)抗微生物腐蝕有較大影響。在不銹鋼的微生物腐蝕中起作用的微生物主要有藻類、SRB、鐵氧化菌及錳氧化菌等。在不銹鋼材料表面，由于需氧菌的新陳代謝作用，消耗氧氣，在生物膜下，產(chǎn)生一個(gè)氧濃差電池；另外，由于鐵氧化菌和錳氧化菌的生長(zhǎng)活動(dòng)，在金屬表面形成局部沉淀，阻礙了氧氣在生物膜中的擴(kuò)散，使生物膜的中心部分形成無氧環(huán)境，適合 SRB 的生長(zhǎng)和繁殖。在 SRB、鐵氧化菌和錳氧化菌的共同作用下，點(diǎn)蝕產(chǎn)生。也有人認(rèn)為，在金屬表面形成的沉淀瘤，造成了微小縫隙，從而產(chǎn)生縫隙腐蝕。

    一般認(rèn)為銅對(duì) SRB 有毒性，但 SRB對(duì)銅有一定的適應(yīng)性。最耐 SRB 腐蝕的材料是鈦及鈦合金。在英國(guó)皇家海軍的報(bào)告中也提到由于微生物腐蝕導(dǎo)致軍艦上燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生故障。故障原因與冷卻管路系統(tǒng)使用海水作為冷卻介質(zhì)有關(guān)。這些冷卻水中含有的微生物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)會(huì)導(dǎo)致微生物腐蝕。英國(guó)皇家海軍潛艇冷卻系統(tǒng)所使用的銅鎳合金也發(fā)現(xiàn)由微生物腐蝕導(dǎo)致的點(diǎn)蝕。在船底艙水和污泥中檢測(cè)到了包括 SRB、真菌和酵母菌在內(nèi)的多種微生物。在腐蝕產(chǎn)物和海泥樣本中均檢測(cè)到了硫化物，表明主要發(fā)生了 SRB 導(dǎo)致的微生物腐蝕。

    對(duì)比國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，我們可以看到國(guó)外對(duì)于船舶生物腐蝕污損的研究開展的相對(duì)較早，認(rèn)識(shí)較為深入。1966 年Copenhagen 就分析了船底鋼的微生物腐蝕機(jī)理。在后續(xù)的研究中，對(duì)于船舶不同部位的生物腐蝕污損問題也有了分類認(rèn)識(shí)，提出不僅在船底水和壓載水等水環(huán)境中，在燃油和潤(rùn)滑系統(tǒng)等部位也會(huì)因?yàn)槿加秃蜐?rùn)滑油受到微生物污染導(dǎo)致微生物污損腐蝕，影響設(shè)備安全有效運(yùn)行。同時(shí)，美國(guó)、英國(guó)、加拿大、澳大利亞等國(guó)海軍也對(duì)水面艦艇和潛艇的微生物腐蝕進(jìn)行了系統(tǒng)的調(diào)查，形成了多份公開的調(diào)查報(bào)告，建議了有針對(duì)性的防護(hù)措施。而在我國(guó)，對(duì)于船舶水下部位生物污損的問題研究較早，也相對(duì)全面系統(tǒng)，通過多年實(shí)海掛板分析，掌握了我國(guó)不同海域生物污損群落特征隨季節(jié)、地理位置變化的演變規(guī)律，并且也有相應(yīng)的防污措施。但是對(duì)于船舶內(nèi)部結(jié)構(gòu)微生物腐蝕問題的研究則起步較晚，從公開文獻(xiàn)的調(diào)研結(jié)果可見，我國(guó)直到上世紀(jì)末才充分認(rèn)識(shí)到微生物腐蝕對(duì)于艦船設(shè)備安全有效運(yùn)行的巨大破壞作用，建議了相應(yīng)的防護(hù)措施。但總體而言，在重視程度和機(jī)理分析方面與國(guó)外尚有一定差距，在船舶微生物腐蝕機(jī)理及防護(hù)技術(shù)領(lǐng)域的研究亟待加強(qiáng)。

 

    燃油系統(tǒng)如何對(duì)抗微生物誘導(dǎo)腐蝕

 

    微生物誘導(dǎo)腐蝕與埋地油罐系統(tǒng)泄漏之間的聯(lián)系直到 20 世紀(jì) 80 年代才被廣泛的認(rèn)識(shí)到。那時(shí)美國(guó)環(huán)保署記錄了成千上萬(wàn)的埋地油罐系統(tǒng)中油品及化學(xué)品泄漏至地下水及土壤的事故。 1988年，經(jīng)國(guó)會(huì)批準(zhǔn)，美國(guó)環(huán)保署發(fā)布了埋地油罐系統(tǒng)管理?xiàng)l例，并成立了專門的埋地油罐系統(tǒng)辦公室，來負(fù)責(zé)防止泄漏的進(jìn)一步發(fā)生和清理現(xiàn)有的滲泄漏。截至2015 年 9 月，被聯(lián)邦政府確認(rèn)的超過528000 個(gè)埋地油罐系統(tǒng)泄漏中，已經(jīng)有457000 個(gè)完成了清理工作。

    微生物誘導(dǎo)腐蝕的研究歷程

 

    1999 年，隨著對(duì)燃油系統(tǒng)中微生物誘導(dǎo)腐蝕的進(jìn)一步科學(xué)進(jìn)展和理解，美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)對(duì)其編號(hào)為 ASTMD6469-99 的“燃油和燃油系統(tǒng)微生物污染指南”進(jìn)行了大范圍修訂，提供了關(guān)于慢性微生物的癥狀、現(xiàn)象和后果的理解，以及對(duì)燃油和燃油系統(tǒng)微生物污染的控制。然而，標(biāo)準(zhǔn)中聲明“盡管大多數(shù)的油罐配置會(huì)盡可能的進(jìn)行排水，但是不可能將水 100% 排凈”，標(biāo)準(zhǔn)更指出溶于燃料的滅微生物制劑與溶于水的滅微生物制劑僅在各自的液體環(huán)境中有效，通用的（同時(shí)能夠溶于燃料和水）的滅微生物制劑十分昂貴，且需配合油罐和管線的清洗才能使用。但這種頻繁的檢查對(duì)于加油站的運(yùn)營(yíng)是不切實(shí)際的。隨著生物燃料、含醇燃料及其他極性油品添加劑的引入，又極大地增加了燃料的含水率和親水性，使得保持油品無水的努力非常難以達(dá)到。一個(gè)典型的例子是美國(guó)空軍技術(shù)大學(xué)在 2003 年進(jìn)行的一項(xiàng)關(guān)于微生物誘導(dǎo)腐蝕的取樣和研究，采集了 40 份 JP-8 燃料樣本，分別來自 12 個(gè)遍布全美的在役空軍基地的儲(chǔ)油罐、油罐車、飛行器，以及一個(gè)未透露的海外空軍基地的柔性燃料囊，其中 90% 的樣本中檢測(cè)出了明顯的微生物存在。超過 40% 的系列稀釋中產(chǎn)生的微生物增長(zhǎng)被鑒定為中度或重度污染樣本。

 

    超低硫柴油的應(yīng)用與微生物誘導(dǎo)腐蝕

 

    2006 年 6 月開始，美國(guó)環(huán)保署規(guī)定了 2010 年之前，柴油中硫的含量要下降 97%，含硫量從 500ppm 下降到15ppm，這種柴油被稱為超低硫柴油。幾乎同時(shí)，2007 年美國(guó)頒布能源獨(dú)立和安全法案，規(guī)定大幅增加生物燃料的產(chǎn)量，進(jìn)而加油站增加了含醇燃料和生物柴油的存儲(chǔ)及銷售。 也正是在2007年里，美國(guó)石油設(shè)備協(xié)會(huì)開始收到大量異常的與超低硫柴油相關(guān)的油罐及加注設(shè)備中金屬部件被嚴(yán)重且快速腐蝕的報(bào)告。報(bào)告包括觀測(cè)到有一種金屬的咖啡渣形式的物質(zhì)堵塞了加油機(jī)過濾器，腐蝕或?qū)е铝嗣芊馊Α|片、油罐、流量計(jì)、測(cè)漏探頭、電磁閥和立管的損壞。該現(xiàn)象最早在轉(zhuǎn)換到超低硫柴油 6 個(gè)月內(nèi)就發(fā)生。到了 2010 年，由美國(guó)石油設(shè)備協(xié)會(huì)進(jìn)行的一項(xiàng)廣泛的調(diào)研顯示，上述問題遍布全國(guó)各地，而且同時(shí)存在于燃油系統(tǒng)的液相空間和氣相空間中。隨后，清潔柴油聯(lián)盟成立了一個(gè)專門的研究小組，并資助委托巴特爾紀(jì)念研究所深入調(diào)研超低硫柴油存儲(chǔ)與加注系統(tǒng)中的腐蝕問題。清潔柴油聯(lián)盟的專門研究小組包括美國(guó)鐵路協(xié)會(huì)、美國(guó)石油學(xué)會(huì)、福特汽車公司，美國(guó)便利店協(xié)會(huì)、美國(guó)停車場(chǎng)運(yùn)營(yíng)協(xié)會(huì)、美國(guó)石油設(shè)備協(xié)會(huì)等。

    2012 年 9 月，巴特爾紀(jì)念研究所總結(jié)了 146 頁(yè)的研究報(bào)告，以超低硫柴油存儲(chǔ)和加注系統(tǒng)中的微生物誘導(dǎo)腐蝕，極有可能是由廣泛散布的醋酸所造成的這一終極假說作為結(jié)論。醋酸的產(chǎn)生是由醋菌屬細(xì)菌在極低水平的乙醇污染飼養(yǎng)下，受較高氣壓的作用以及卸油時(shí)的擾動(dòng)使醋酸擴(kuò)散到潮濕的氣相空間，進(jìn)而分布在整個(gè)燃料系統(tǒng)中。這導(dǎo)致在一個(gè)干燥和濕潤(rùn)的循環(huán)中，醋酸濃縮在設(shè)備的金屬部件上，從而發(fā)生快速且嚴(yán)重的腐蝕。

    2014 年，由于與超低硫柴油相關(guān)的嚴(yán)重腐蝕持續(xù)存在，美國(guó)環(huán)保署的埋地油罐系統(tǒng)辦公室承擔(dān)了一項(xiàng)關(guān)于 42個(gè)埋地油罐系統(tǒng)加油站的研究。2015年 6 月，美國(guó)環(huán)保署的初步數(shù)據(jù)報(bào)告顯示“腐蝕現(xiàn)象似乎非常普遍，42 個(gè)加油站中有 35 個(gè)被認(rèn)定為中度或重度的腐蝕，而且可能是由微生物誘導(dǎo)腐蝕造成的”。

 

    歐美國(guó)家對(duì)抗微生物誘導(dǎo)腐蝕的措施

 

    歐美國(guó)家對(duì)于埋地油罐燃油系統(tǒng)嚴(yán)峻的微生物誘導(dǎo)腐蝕現(xiàn)象的研究進(jìn)展不斷推進(jìn)，尤其是在超低硫柴油方面。北美油品零售市場(chǎng)傾向于廣泛地應(yīng)用非金屬埋地油罐系統(tǒng)，例如在埋地油罐選擇上，在北美銷量最高的 50 個(gè)油品零售商中，有 46 個(gè)一直或已經(jīng)轉(zhuǎn)向使用非金屬的全 FRP 材料制成的雙層油罐，而2000 年時(shí)全 FRP 雙層油罐的市場(chǎng)占有率只有 55%。全 FRP 油罐在油品零售市場(chǎng)擁有超過 50 年的成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，20 世紀(jì) 80 年代的一項(xiàng)匯總統(tǒng)計(jì)包括幾大石油公司，美國(guó)環(huán)保署及研究院獨(dú)立測(cè)試的共 19240 個(gè)單層 FRP 油罐的應(yīng)用情況，總體使用成功率為 99.995%。加拿大和澳大利亞一直以來幾乎全部使用 FRP 油罐。在歐洲，過去幾十年中加油站的數(shù)量一直在下降，很少有新建的加油站，并且超低硫柴油銷售逐年增長(zhǎng)遠(yuǎn)高于汽油銷量，由于缺乏本土 FRP 油罐供應(yīng)商和狹小的加油站空間，所以更傾向于使用內(nèi)襯法來升級(jí)現(xiàn)有的油罐。過去幾十年成千上萬(wàn)的油罐采用了 FRP 或環(huán)氧基樹脂等其他非金屬材料進(jìn)行內(nèi)襯改造以對(duì)抗微生物誘導(dǎo)腐蝕。

 

    微生物誘導(dǎo)腐蝕與歐美標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展

 

    技術(shù)的進(jìn)步必須在行業(yè)協(xié)會(huì)組織下各企業(yè)單位密切合作才能達(dá)到。美國(guó)石油設(shè)備協(xié)會(huì)，擁有 80 余個(gè)國(guó)家的 1600多個(gè)會(huì)員的貿(mào)易協(xié)會(huì)，會(huì)員包括加油站、零售終端、油庫(kù)及油品配送方面的設(shè)備制造商、銷售商和安裝服務(wù)商。關(guān)于超低硫柴油微生物誘導(dǎo)腐蝕的研究，也必須依靠類似于美國(guó)石油設(shè)備協(xié)會(huì)之類的行業(yè)組織才能做到。1986 年，美國(guó)石油設(shè)備協(xié)會(huì)發(fā)布了第一版埋地液體存儲(chǔ)系統(tǒng)安裝的建議操作規(guī)程。從此以后，操作規(guī)程在大量研究和同行評(píng)議的基礎(chǔ)上不斷發(fā)展并修訂合并最新的研究成果，比如微生物誘導(dǎo)腐蝕。在歐洲范圍內(nèi)，也有一個(gè)位于英國(guó)的類似組織叫作石油和爆炸物管理協(xié)會(huì)，出版了一個(gè)被稱為藍(lán)寶書的《加油站設(shè)計(jì)、建設(shè)、改造、維護(hù)和停運(yùn)的指南》。類似于 RP900 中要求油罐每月檢查是否有水，藍(lán)寶書指出油罐存儲(chǔ)系統(tǒng)中水的積累會(huì)導(dǎo)致微生物污染和油罐罐壁的內(nèi)部腐蝕，并指出FRP 材料制作的油罐不受腐蝕的影響。

    在埋地油罐存儲(chǔ)系統(tǒng)的滲泄漏檢測(cè)方面，英國(guó)標(biāo)準(zhǔn) BS EN13160《滲泄漏檢測(cè)系統(tǒng)》也得到了廣泛的應(yīng)用。在此，建議我國(guó)的設(shè)備制造商、零售商和零售相關(guān)服務(wù)公司形成一個(gè)強(qiáng)有力的行業(yè)協(xié)會(huì)，來推進(jìn)我國(guó)油品零售行業(yè)相關(guān)的最新技術(shù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)推廣。

    除上述加油站相關(guān)的操作標(biāo)準(zhǔn)之外，還有太多的單獨(dú)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)難以列全。在這里僅對(duì)全球石油公司廣泛采用的埋地油罐標(biāo)準(zhǔn)和埋地管線標(biāo)準(zhǔn)的演變做一個(gè)簡(jiǎn)略的探討。1966 年，美國(guó)保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室發(fā)布了第一版 UL1316《用于儲(chǔ)存石油產(chǎn)品的 FRP 埋地油罐系統(tǒng)》標(biāo)準(zhǔn)。1984 年，雙層油罐的設(shè)計(jì)被納入U(xiǎn)L1316 標(biāo)準(zhǔn)。進(jìn)而在 1994 年和 2006 年，隨著業(yè)內(nèi)發(fā)現(xiàn)非金屬 FRP 埋地油罐系統(tǒng)適用于所有的燃料且沒有微生物誘導(dǎo)腐蝕的問題，標(biāo)準(zhǔn)添加了醇類和含醇燃料在內(nèi)的新的燃料的適用性。1987 年，美國(guó)保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室發(fā)布了用于夾套鋼罐的 UL1746 標(biāo)準(zhǔn)。相應(yīng)的，歐洲用于FRP 埋地油罐系統(tǒng)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)是 EN976.

    EN977 和 EN978，用于夾套鋼罐的標(biāo)準(zhǔn)是 EN12285。但上述標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)知并不如UL 標(biāo)準(zhǔn)廣泛。比如在藍(lán)寶書中，當(dāng)提到雙層埋地油罐系統(tǒng)時(shí)就只引用了 UL1316和 EN12285 的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于埋地管線系統(tǒng)來說，UL971《用于易燃液體的非金屬埋地管線標(biāo)準(zhǔn)》

    應(yīng)用的十分廣泛。在美國(guó)，由于微生物誘導(dǎo)腐蝕的現(xiàn)象，在幾十年前金屬管線就已經(jīng)全面淘汰，市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品一直是在壓力下更堅(jiān)固且安全系數(shù)更高的 FRP 硬管，而符合 EN14125標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)合材料柔性管線則在歐洲應(yīng)用的更為廣泛。由第三方強(qiáng)制執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)、UL 和 UL 審查下的認(rèn)證和制造為產(chǎn)品提供了可靠性和安全性，從而令工程師和政府部門更容易接受非金屬埋地油罐系統(tǒng)和管線系統(tǒng)，非金屬地下儲(chǔ)罐及管線超過 50 年的標(biāo)準(zhǔn)及成功使用歷程證明了它們是微生物誘導(dǎo)腐蝕的終極解決方案。

    在中國(guó)，已經(jīng)開始廣泛應(yīng)用超低硫油品、含醇油品和生物燃料。希望美國(guó)關(guān)于微生物誘導(dǎo)腐蝕尤其是超低硫柴油相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)、教訓(xùn)和研究成果，能夠幫助中國(guó)的油品銷售企業(yè)在埋地油罐系統(tǒng)方面做出更好的選擇。同時(shí)，我們相信，將來有一天在全球的油品儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)中，將不會(huì)再有任何的低碳鋼部件的應(yīng)用，徹底清除腐蝕以輸送真正清潔的油品給客戶。

 

    石質(zhì)文物微生物防腐蝕

 

    中國(guó)是歷史悠久的文明古國(guó)，我們的祖先創(chuàng)造了燦爛的文化，留下了豐富的歷史遺產(chǎn)。其中，散布在野外的各種石質(zhì)文物是其中重要的一類。除了酸雨、凍融、鹽結(jié)晶、風(fēng)沙、干濕循環(huán)等因素會(huì)破壞野外的石質(zhì)文物外，生物也是侵蝕石質(zhì)文物的最重要因素之一。近一二十年來，生物腐蝕石質(zhì)文物的問題已經(jīng)越來越受到人們的關(guān)注。生物的破壞作用盡管較為緩慢，但累積效果不可小視，據(jù)初步估計(jì)有 20%-30% 的石頭表層腐蝕是生物作用的結(jié)果。

    常見的破壞石質(zhì)文物的生物主要有兩大類：微生物：即細(xì)菌、真菌、藻類及地衣等；較高級(jí)生物：包括蘚類、 植物、昆蟲及哺乳動(dòng)物等。

    微生物腐蝕作用的觀測(cè)

 

    在杭州閘口的白塔（建于公元 907年）和杭州靈隱寺雙塔（建于公元 960年）的石灰?guī)r上都有生物生長(zhǎng)和腐蝕的證據(jù)，尤其是微生物幾乎在所有古舊建筑上都有它們生長(zhǎng)和侵蝕的痕跡。在古舊建筑石材上發(fā)現(xiàn)的數(shù)量最多的微生物是異養(yǎng)菌和真菌，在電子顯微鏡下可以直接看到石內(nèi)或石面生的各種微生物群落；通過檢測(cè)石面層微生物代謝物或反應(yīng)產(chǎn)物的變化可以估計(jì)微生物的活動(dòng)情況；微生物分泌物引起的石面層的 pH值的變化也常常作為微生物化學(xué)侵蝕性的一種指標(biāo)。

    人們?cè)缂喊l(fā)現(xiàn)在古舊石質(zhì)建筑上附生著大量微生物，尤其是大理石或石灰石表層有許多喜鈣微生物，它們是侵蝕大理石等石材的主要禍害之一。例如，在某些氣候條件下凹坑地衣會(huì)造成大理石崩解；異養(yǎng)菌能夠從石灰石中溶解鈣，其中絲狀真菌溶解礦物的能力特別強(qiáng)；硝化細(xì)菌會(huì)分泌硝酸并改變鈣聯(lián)結(jié)材料的化學(xué)組成；硫桿菌能夠產(chǎn)生硫酸并腐蝕所寄居的石材等等。

 

    微生物腐蝕的機(jī)理

 

    野外石質(zhì)文物的生物腐蝕過程可分為生物化學(xué)機(jī)理和生物物理機(jī)理兩類。侵蝕石質(zhì)文物的生物種類從微生物到高等植物都有可能，生物產(chǎn)生的破壞作用既有因植物的根和微生物菌絲的穿透作用引起的機(jī)械破壞，也有因它們的分泌物螯合石頭礦物中的金屬離子而引起的化學(xué)破壞。

    微生物侵蝕石材的過程可以分為三個(gè)階段。

    1、微生物的傳播與沉積階段

 

    微生物傳播到石材上需要通過風(fēng)、浮塵、植物及動(dòng)物的轉(zhuǎn)運(yùn)。在暴露于自然環(huán)境中的石材表面上，有人觀察到異養(yǎng)菌的堆積速度可達(dá)到每天每平方米。

    微生物附著石材的能力，受微生物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和表面電荷的影響，也受石材的性質(zhì)和表面孔隙結(jié)構(gòu)的影響，同時(shí)微生物本身的生存能力也是決定性的因素。堆積形成的微生物和塵埃的履蓋層，由于微生物的代謝作用會(huì)逐漸增加石材表面的粘著力，使石材表面的持水能力和捕獲空氣中營(yíng)養(yǎng)性浮塵及有機(jī)物的能力增加，從而進(jìn)一步改善微生物群落的生存條件。

    2、微生物與巖石的相互作用階段

 

    石材腐蝕過程的化學(xué)反應(yīng)十分復(fù)雜，不僅涉及到微生物代謝和繁殖的機(jī)理，還涉及許多中間產(chǎn)物的轉(zhuǎn)換。首先，巖石礦物晶粒間的聯(lián)接性會(huì)因微生物分泌的酸、深入石材微孔隙菌絲的生物粘液、生物體吸濕和干燥的變化、分泌物凝膠—溶膠間自動(dòng)調(diào)節(jié)的變動(dòng)等等因素而被削弱。其次，微生物的存在改變了石材微孔隙毛細(xì)管水吸收和氣體擴(kuò)散等性能，加快了有機(jī)或無機(jī)營(yíng)養(yǎng)浮塵的沉積速度。各種微生物以其擅長(zhǎng)的生存方式在石頭上和石頭內(nèi)生長(zhǎng)。這種生長(zhǎng)有可能會(huì)緩解天然石材對(duì)于干濕、溫差和冰凍等破壞因素的敏感性，但是微生物生長(zhǎng)的穿透性、增容壓力等易引起機(jī)械破壞，特別是酸等分泌物造成的化學(xué)破壞將使石質(zhì)文物的表面層面目全非。

    3、腐蝕層的剝離和腐蝕循環(huán)（恒定期）

 

    在古舊石材表面覆蓋的微生物層演化發(fā)展過程中，隨著石面層某些產(chǎn)物的積累和基本礦物的退化，占據(jù)石面層的微生物群落的種類和復(fù)雜程度會(huì)隨時(shí)間變化，生物充分作用后疏松的巖石外殼會(huì)從石材上剝離，新鮮暴露的石材表層會(huì)再度被微生物侵占，腐蝕過程將繼續(xù)并不斷循環(huán)下去，形成持續(xù)恒定的破壞進(jìn)程。微生物腐蝕石材的過程和速率受環(huán)境因素的影響。由于人類的活動(dòng)使空氣中的污染物和飄塵增加，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)脂肪烴和芳香烴會(huì)加速古老建筑石材上的異養(yǎng)菌的繁殖速率和腐蝕進(jìn)程。

    侵蝕石質(zhì)文物的微生物

 

    古舊建筑石材上常見的微生物群落，有簡(jiǎn)單的細(xì)菌、真菌和光合類微生物開始，也有復(fù)雜的藻類、藍(lán)細(xì)菌和地衣等微生物群落。

 

    細(xì)菌

 

    細(xì)菌是微生物中數(shù)量最多的一類。

    任何有水存在的地方都有細(xì)菌生長(zhǎng)。從腐敗石材上發(fā)現(xiàn)的大多數(shù)微生物是異養(yǎng)型細(xì)菌，它們對(duì)石質(zhì)文物的表面腐蝕起著重要作用，下面以硝化細(xì)菌和硫桿菌為例具體說明。

    硝化細(xì)菌有兩類，即能將氨氧化成亞硝酸鹽的亞硝化細(xì)菌和將亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽的硝化細(xì)菌。細(xì)菌從氨或硝酸鹽的氧化過程中獲得能量，消化碳源以合成細(xì)胞物質(zhì)。建筑石材表層中氨的濃度越高硝化細(xì)菌的數(shù)量也越多，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)巖石環(huán)境的 pH 值為 5-7 時(shí)硝化細(xì)菌最為活躍，古建筑石材最常見的 pH值為 6-7 值為，此時(shí)硝化細(xì)菌是主要的產(chǎn)生酸的細(xì)菌之一。在不同類型的古建筑石材樣品中都已發(fā)現(xiàn)硝化細(xì)菌氧化得到亞硝酸，再得到硝酸的現(xiàn)象。硝化細(xì)菌的繁殖與石材本身的結(jié)構(gòu)特征有關(guān)，當(dāng)石材微孔半徑為 1-10μm 時(shí)硝化細(xì)菌數(shù)量最多，在微孔小于 1μm 的石面層中硝化細(xì)菌的數(shù)量就很少。硝化細(xì)菌的繁殖也與石材的化學(xué)成分有關(guān)，含碳砂巖中硝化細(xì)菌的數(shù)量很多。另外，若巖石表面有黑色風(fēng)化殼層，硝化細(xì)菌就很容易繁殖。

    硫桿菌主要靠氧化還原態(tài)的硫化物而最終形成硫酸鹽，從中獲得能量，消化碳源以合成細(xì)胞物質(zhì)。硫桿菌是好氧菌，其突出特點(diǎn)是耐酸性強(qiáng)，有些種類能在 pH 值為 1-2 的條件下生長(zhǎng)。當(dāng)有揮發(fā)性含硫化合物存在時(shí)，硫桿菌生長(zhǎng)旺盛，由于這類細(xì)菌的繁殖會(huì)產(chǎn)生硫酸，由此不斷降低周圍的 pH 值，從而侵蝕寄居的石材。

    真菌

 

    真菌是另一類最活躍的腐蝕石質(zhì)文物的微生物。在每一處被腐蝕的古舊建筑上幾乎都能發(fā)現(xiàn)真菌的存在。真菌是異養(yǎng)型且常為需氧有機(jī)物。在石質(zhì)文物上觀察到的真菌常常為單菌絲或菌絲網(wǎng)形式。在很多石材上常見到類似于酵母菌或者黑色菌的真菌。這些真菌在光學(xué)顯微鏡下酷似石灰質(zhì)沉積，在標(biāo)準(zhǔn)真菌培養(yǎng)基上還難以生長(zhǎng)，故不太容易鑒定。

    但是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)許多建筑石材，特別是城市區(qū)域建筑石材表面的顏色變黑，以及含鈣石材表面石膏殼層的變暗等都與黑色菌的作用有關(guān)。另外，許多石材表面出現(xiàn)的色斑常常與真菌的繁殖和作用有關(guān)，例如石材表面出現(xiàn)的桔紅色斑塊就是一些真菌染色的結(jié)果。另外，石塊間粘接的沙漿、維修加固材料和防護(hù)材料等，如石材表面防護(hù)劑、防水劑、粘接劑等，由于含有有機(jī)物利用并使石材受到侵蝕。

    光合類微生物

 

    石面微生物群落的光合類主要是藻類和藍(lán)細(xì)菌或藍(lán)綠藻。

    建筑石材的表面都可以找到藻類和藍(lán)細(xì)菌。藻類和藍(lán)細(xì)菌的種類明顯地呈區(qū)域分布，例如在以色列的石質(zhì)文物上看到的大多數(shù)是“黑色的”藍(lán)細(xì)菌，巖石的黑色外觀除煙塵的沉積外，主要是黑色藍(lán)細(xì)菌的生物化學(xué)過程形成的黑色素造成；在氣候潮濕的德國(guó)北部看到的大多數(shù)是綠色的藻類，而不是藍(lán)細(xì)菌。在中國(guó)，不同地區(qū)情況相差很大，有人估計(jì)藻類與藍(lán)細(xì)菌的分布與石材內(nèi)所含的提供微生物生長(zhǎng)的氮源的含量有關(guān)。

    研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過一定周期的微生物作用，腐蝕層會(huì)自發(fā)剝離，巖石表層的剝離說明藍(lán)細(xì)菌和藻類的占據(jù)和繁殖引起了石材的機(jī)械破壞。藻類呼吸的氣體溶于周圍的水生成碳酸，碳酸的化學(xué)酸蝕作用使石材腐蝕。除此之外，也發(fā)現(xiàn)它們會(huì)產(chǎn)生有機(jī)酸，這些酸會(huì)溶解石頭中的鈣從而侵蝕石材。

 

    地衣

 

    在世界各地的古建筑上都可以發(fā)現(xiàn)地衣的存在。

    地衣在地質(zhì)巖石和土壤的演變中充當(dāng)著生物風(fēng)化劑的角色，研究已經(jīng)表明地衣是能夠較快地侵蝕石質(zhì)文物的微生物之一。 地衣侵蝕石材的方式和機(jī)理為：

    呼吸出的 CO 2 溶解于水產(chǎn)生酸性溶液；通過分泌草酸與周圍巖石中的陽(yáng)離子如鈣離子反應(yīng)形成草酸鹽；分泌檸檬酸和地衣酸等溶于水可與多種陽(yáng)離子形成螯合混合物，改變石材的化學(xué)成分；因菌絲生長(zhǎng)產(chǎn)生的物理壓力破壞石材微孔的微結(jié)構(gòu)；使石材局部改變物理性能如水力膨脹性能造成應(yīng)力破壞。

    微生物是腐蝕破壞石質(zhì)文物和古跡的重要因素之一。微生物對(duì)石質(zhì)文物的危害程度不僅與微生物的種類有關(guān)，也與石材的性質(zhì)和周圍的環(huán)境有關(guān)。在一般情況下微生物是石質(zhì)文物的破壞因素，但在某些特殊情況下微生物也有緩解其他因素腐蝕石質(zhì)文物的作用，例如草酸鈣膜的防酸雨作用等。研究微生物腐蝕石質(zhì)文物的機(jī)理，對(duì)于控制微生物的生長(zhǎng)，保護(hù)石質(zhì)文物和古跡具有十分重要的作用；另外，也告戒我們?cè)陂_發(fā)使用新型維修防護(hù)材料時(shí)都應(yīng)該考慮材料本身帶來或引起的生物破壞問題。

 

    再生水管道金屬管材防微生物腐蝕

 

    再生水營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)豐富，為微生物大量滋生提供了適宜條件。微生物生長(zhǎng)可能會(huì)造成管網(wǎng)腐蝕，影響再生水水質(zhì)安全，因此探究管網(wǎng)中微生物生長(zhǎng)對(duì)管網(wǎng)腐蝕的影響，對(duì)于延長(zhǎng)管網(wǎng)壽命和保證供水安全具有積極意義。

    再生水是指雨水、工業(yè)廢水、生活污水進(jìn)行集中深度處理達(dá)到一定的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)后，進(jìn)行二次利用的水。再生水的回用途徑主要包括以下五個(gè)方面：工業(yè)用水、農(nóng)田灌溉、城市雜用、景觀環(huán)境、地下水回灌。再生水回用于工業(yè)，主要用于鍋爐、冷卻塔的洗滌和工藝的補(bǔ)充水源。為了提高工業(yè)用水的重復(fù)利用率，我國(guó)相繼建成了大量再生水回用工程。

    冷卻水是工業(yè)用水大戶，實(shí)現(xiàn)再生水的冷卻回用對(duì)于工業(yè)節(jié)水具有重大意義。

    例如，北京從 2007 年開始，相繼有國(guó)華熱電廠、華能熱電廠、高井熱電廠、石景山熱電廠、高安屯垃圾焚燒廠等工業(yè)用戶以再生水作為循環(huán)冷卻水的補(bǔ)充水源。天津的咸陽(yáng)路再生水回用工程，主要用于楊柳青電廠的循環(huán)冷卻補(bǔ)充水源。2012 年，大連的第二再生水處理廠，主要將再生水用于供給第二熱電廠的循環(huán)冷卻水和其他工業(yè)用水。再生水回用已經(jīng)成為未來城市節(jié)水的關(guān)鍵途徑。但是由于再生水由于水質(zhì)成分復(fù)雜，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)豐富，隨著管網(wǎng)余氯的衰減，微生物勢(shì)必會(huì)大量生長(zhǎng)，特別在長(zhǎng)期運(yùn)輸過程中，勢(shì)必會(huì)引起管道的腐蝕問題，給管道的安全運(yùn)行和水質(zhì)安全帶來嚴(yán)重隱患，探究微生物對(duì)于管道的腐蝕影響和腐蝕機(jī)理就顯得尤為重要。

    再生水管道的微生物腐蝕問題

 

    再生水水質(zhì)成分復(fù)雜，pH 適宜，營(yíng)養(yǎng)豐富，為微生物生長(zhǎng)提供了豐富的碳源、氮源、磷源，再加上再生水中溶解氧豐富，管道內(nèi)溫度變化不大，有大量的微生物滋生，其主要種類有細(xì)菌，真菌，藻類。

    細(xì)菌 包括：①產(chǎn)黏泥細(xì)菌，粘附力很強(qiáng)，能夠覆蓋在金屬表面；②硫細(xì)菌，硫細(xì)菌在污水中比較常見，能把硫磺顆粒和硫化氫氧化成硫酸根離子；③鐵細(xì)菌生能把水中的亞鐵離子氧化成三價(jià)鐵離子；④硫酸鹽還原菌能夠把硫酸根還原成硫化氫；⑤硝化細(xì)菌能把亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽。

    真菌 真菌主要有絲狀霉、菌似酵母菌、擔(dān)子菌。菌絲大量生長(zhǎng)能形成生物粘泥，管道將會(huì)受到堵塞。

    藻類 能利用光能進(jìn)行同化作用，在接觸到光的場(chǎng)所比較常見，主要有藍(lán)藻、綠藻、硅藻。

 

    微生物腐蝕對(duì)再生水管道的危害

 

    再生水中的微生物附著在管壁上，微生物新陳代謝的有機(jī)酸以及微生物群體本身形成微生物膜，改變了管壁的局部環(huán)境，對(duì)管道的水泥砂漿涂層和混凝土產(chǎn)生腐蝕作用。某些微生物比如硫細(xì)菌和硝化細(xì)菌，經(jīng)過一系列的生物化學(xué)作用，使水泥水化物分解，使得管道的涂層受到損壞。加上再生水對(duì)管道的外在沖刷浸泡的雙重作用，防腐涂層更容易膨脹剝落，進(jìn)而使管道的金屬管材裸露于再生水中，引起金屬的微生物電化學(xué)腐蝕，給再生水管道運(yùn)行安全以及水質(zhì)安全帶來多方面隱患。

    微生物腐蝕的危害主要表現(xiàn)在以下方面：1）惡化水質(zhì)。再生水中的微生物大量繁殖，勢(shì)必引起水質(zhì)的濁度、色度增加，甚至水體發(fā)臭。2）形成生物黏泥。再生水中的微生物附著在管壁，與無機(jī)物以及其代謝物一起形成生物膜，影響再生水的水力流動(dòng)，堵塞管道，破壞水泥砂漿保護(hù)層的結(jié)構(gòu)，使得水泥砂漿內(nèi)襯剝離、脫落到水中，使水中的懸浮物和其他顆粒增多，進(jìn)一步惡化水質(zhì)。3）影響管道質(zhì)量安全，降低管道使用壽命。在生物垢的影響下，管壁保護(hù)層脫落剝離后，微生物垢直接與金屬管材接觸，造成鋼筋、鑄鐵生銹腐蝕，甚至引起管道裂縫，影響管道的使用，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

 

    再生水中微生物腐蝕研究進(jìn)展

 

    （1）碳鋼的微生物腐蝕

 

    關(guān)于碳鋼的微生物腐蝕研究，主要集中在海水、油田循環(huán)冷卻水領(lǐng)域，研究的微生物菌種主要是單一的硫酸鹽還原菌對(duì)碳鋼的腐蝕。近年來，逐漸出現(xiàn)了很多關(guān)于混合微生物或者新興微生物對(duì)于碳鋼的腐蝕研究。A3 鋼在單一的氧化亞鐵硫桿菌、單一的鏈霉菌和兩種混合菌的環(huán)境里，金屬表面的腐蝕形態(tài)和形貌隨著菌種狀態(tài)而改變。Q235 鋼在青霉菌的作用下，其腐蝕狀態(tài)跟微生物膜的狀態(tài)和微生物活性密切相關(guān)。從成品油的油罐里分離出芽孢桿菌和氧化硫硫桿菌對(duì) Q235 碳鋼的腐蝕行為更加嚴(yán)重。

    （2）鑄鐵的微生物腐蝕

 

    2011年， Sancy等用電化學(xué)阻抗譜、SEM、EDS 技術(shù)研究了含有多年腐蝕產(chǎn)物的鑄鐵的腐蝕特性，并提出了內(nèi)外部不同的腐蝕產(chǎn)物轉(zhuǎn)移運(yùn)輸模型。同年，陳笑居從哈爾濱某水廠的輸水管網(wǎng)的腐蝕產(chǎn)物中，分離出硫酸鹽還原菌和鐵細(xì)菌，采用失重法和腐蝕法研究了鑄鐵管材在單一菌種和混合菌種下的腐蝕狀態(tài)，結(jié)果表明，單一菌種促進(jìn)鑄鐵的腐蝕，混合菌種延緩鑄鐵的腐蝕。喬培鵬等對(duì)某核電廠球磨鑄鐵管道失效進(jìn)行了分析，指出腐蝕瘤是致使管道失效的主要原因，局部氧濃差電池加速了管道的腐蝕。

    （3）不銹鋼的微生物腐蝕

 

    2010 年，李進(jìn)等采用交流阻抗譜法、原子力顯微鏡和能譜儀結(jié)合的掃描電鏡，研究了從北京某電廠的循環(huán)冷卻再生水中分離出的硫酸鹽還原菌對(duì) 304不銹鋼的腐蝕的影響。研究表明，隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，不銹鋼表面的微生物膜逐漸增厚，腐蝕產(chǎn)物逐漸堆積增加，不銹鋼的電化學(xué)腐蝕過程由活化極化控制，轉(zhuǎn)變?yōu)榛罨瘶O化和擴(kuò)散步驟控制。

    焦迪等從北京以再生水作為循環(huán)冷卻補(bǔ)充水的冷卻塔底分離出硫酸鹽還原菌，比較研究了 304 不銹鋼、316L 不銹鋼、317L 不銹鋼在含有硫酸鹽還原菌的再生水中的腐蝕行為。經(jīng)過原子顯微鏡、電化學(xué)交流阻抗譜測(cè)定后，結(jié)果表明，硫酸鹽還原菌極大地促進(jìn)了 304 不銹鋼的腐蝕，對(duì) 316L 不銹鋼、317L 不銹鋼基本不發(fā)生腐蝕。2013 年，李雨等研究了304 不銹鋼在天然海水中的腐蝕行為，采用奧林巴斯熒光顯微鏡觀察不銹鋼表面微生物膜的變化情況，結(jié)合交流阻抗譜的研究結(jié)果表明，微生物膜在一定程度上抑制了不銹鋼的腐蝕。

    （4）銅合金的微生物腐蝕

 

    再生水回用成為未來城市節(jié)水的關(guān)鍵途徑。再生水由于水質(zhì)成分復(fù)雜，在長(zhǎng)期運(yùn)輸過程中，勢(shì)必會(huì)引起管道的腐蝕問題，給管道的安全運(yùn)行和水質(zhì)安全帶來嚴(yán)重隱患。再生水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)豐富，隨著管網(wǎng)余氯的衰減，微生物勢(shì)必會(huì)大量生長(zhǎng)，探究微生物對(duì)于管道的腐蝕影響和腐蝕機(jī)理，最終為提出新型管道防腐技術(shù)措施提供理論依據(jù)，對(duì)再生水管網(wǎng)安全運(yùn)行、防止管網(wǎng)水質(zhì)二次污染以及延長(zhǎng)管道壽命都具有重要的理論價(jià)值和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，進(jìn)而確保再生水回用作為解決水資源短缺重要途徑的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值。

 

 

更多關(guān)于材料方面、材料腐蝕控制、材料科普等方面的國(guó)內(nèi)外最新動(dòng)態(tài)，我們網(wǎng)站會(huì)不斷更新。希望大家一直關(guān)注中國(guó)腐蝕與防護(hù)網(wǎng)http://www.ecorr.org

責(zé)任編輯：邢云輝

《中國(guó)腐蝕與防護(hù)網(wǎng)電子期刊》征訂啟事

投稿聯(lián)系：編輯部

電話：010-62313558-806

郵箱：fsfhzy666@163.com

中國(guó)腐蝕與防護(hù)網(wǎng)官方 QQ群：140808414