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  2. 海洋微生物腐蝕的研究進(jìn)展
    2017-05-24 11:34:24 作者:劉光洲, 吳建華 來源:知網(wǎng) 分享至:

        1 引 言

     

        海洋微生物腐蝕的研究進(jìn)展海洋中存在著種類繁多的微生物, 它們附著于工程材料表面, 形成生物膜(Biofilm), 在生物膜內(nèi)部,pH 值 、溶解氧、有機(jī)物和無機(jī)物種類等因素都與海洋本體環(huán)境完全不同, 生物膜內(nèi)微生物的活性控制著電化學(xué)反應(yīng)的速率和類型 ,這種受微生物影響的 金 屬 和 合 金 的 腐 蝕 稱 為 微 生 物 腐 蝕(Microbiologically Influenced Corrosion, 簡 稱MIC)。微生物腐蝕雖然早在 60 年前就已被人們所認(rèn)識(shí) ,但最初人們對(duì)微生物腐蝕的認(rèn)識(shí)僅限于個(gè)別的微生物腐蝕失效事故的描述。到 80 年代中期 ,隨著表面分析技術(shù)(如環(huán)境掃描電鏡、原子力和激光共焦顯微鏡)的發(fā)展 ,人們可以測(cè)量生物膜的厚度和組成, 使得精確確定微生物和腐蝕之間的空間關(guān)系成為可能, 微生物腐蝕的研究也從失效事故的表面現(xiàn)象變?yōu)槿找娉墒斓慕徊鎸W(xué)科 。

     

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        2 影響腐蝕的微生物

     

        微生物腐蝕的本質(zhì)是微生物新陳代謝的產(chǎn)物通過影響腐蝕反應(yīng)的陰極過程或陽極過程, 從而影響腐蝕速率和類型 , 因此, 人們常按影響腐蝕的機(jī)制的不同來劃分微生物的種類:如硫酸鹽還原菌(Sulfate-reducing Bacteria ,簡稱SRB)、產(chǎn)酸菌(Acid-producing Bacteria)、產(chǎn)粘泥菌 (Slime-producingBacteria)、產(chǎn)氨菌(Ammonium-producing Bacteria)等。

     

         硫酸鹽還原菌(SRB)是一種專性厭氧菌 , 它是一些能夠把 SO42-還原成 S 2-而自身獲得能量 、在生理和形態(tài)上完全不同的多種細(xì)菌的統(tǒng)稱, 幾乎對(duì)所有的金屬和合金(鈦合金除外)的腐蝕都能產(chǎn)生影響, 如碳鋼、不銹鋼 、銅和銅合金、鎳及其合金。

     

        產(chǎn)酸菌能夠?qū)⒖扇苄粤蚧锘虬鞭D(zhuǎn)變?yōu)榱蛩峄蛳跛?,降低局部的 pH 值而加速金屬的腐蝕 。產(chǎn)粘泥菌也是海水中數(shù)量較多的一類細(xì)菌 ,它們能產(chǎn)生一種膠狀的、附著力很強(qiáng)的沉淀物 ,這種沉淀物附著在金屬或合金的表面, 形成差異腐蝕電池而導(dǎo)致局部腐蝕。產(chǎn)氨菌是能夠產(chǎn)生 NH4+ 的細(xì)菌, 該類細(xì)菌對(duì)于銅和銅合金的腐蝕影響特別大, 能大大提高銅合金應(yīng)力腐蝕開裂的敏感性 。

     

        實(shí)際上,在天然環(huán)境中,不存在只有單一細(xì)菌的環(huán)境。S .C .Dexter 認(rèn)為生長在自然或人工環(huán)境中的微觀生物都有影響腐蝕的潛力 ,這種對(duì)腐蝕的影響可以是加速、中立和減緩的 。當(dāng)微生物成為影響腐蝕速率的主要因素時(shí) , 腐蝕通常更趨局部化和更高的腐蝕穿孔速率 。

     

        3 細(xì)菌的培養(yǎng)與測(cè)量方法

     

        SRB 的培養(yǎng)與測(cè)量方法 , 分為培養(yǎng)方法和直接測(cè)量法兩類 。培養(yǎng)方法是先對(duì)細(xì)菌進(jìn)行培養(yǎng) , 再用顯微鏡或統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行計(jì)數(shù) ;直接測(cè)量法是最近發(fā)展起來的生物化學(xué)方法, 通過測(cè)量細(xì)菌中某種特定化學(xué)物質(zhì),來確定細(xì)菌的數(shù)量 。本文將介紹三種培養(yǎng)方法和直接測(cè)量法 。

     

         3.1 培養(yǎng)方法

     

        (1)最 大 可能 菌 數(shù) 法(The Most ProbableNumber, 簡稱 MPN 法) 該方法在標(biāo)準(zhǔn) API RP-38中有詳細(xì)的描述 ,培養(yǎng)基采用以乳酸鈉為碳源的液體培養(yǎng)基 ,成分列于表 1。

     

    圖片17

     

        當(dāng)水樣中含有 SRB 時(shí), 它們把 SO42 -還原成S 2 - , S 2 - 與 Fe 2+ 生成黑色的 FeS 腐蝕產(chǎn)物, 28 天后,若培養(yǎng)基變黑則表示有 SRB 存在。測(cè)試過程是先用 1ml 的注射器吸取 1ml 的待測(cè)水樣, 注入含有9ml 培養(yǎng)基的測(cè)試瓶 ,稀釋度為 10 倍 ,充分搖勻后 ,再用一個(gè)新的無菌注射器從該瓶中吸取 1ml 培養(yǎng)基,注入下一個(gè)測(cè)試瓶,重復(fù)以上操作形成一系列不同稀釋度的測(cè)試瓶, 平行樣可以是 3、4 或 5個(gè) ,通過查表即得待測(cè)水樣中的細(xì)菌數(shù)量。

     

        (2)瓊脂培養(yǎng)基法(Agar Deeps法) 該法是由Biosan 實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的一種 SRB 的測(cè)量法 ,通過培養(yǎng)基變黑的快慢來估計(jì)待測(cè)水樣中細(xì)菌的相對(duì)含量 ,計(jì)數(shù)方法見表 2。

     

    圖片18

     

        實(shí)驗(yàn)過程是用一個(gè)移液管在待測(cè)水樣中蘸一下, 然后接種到一個(gè)裝有半固體的瓊脂培養(yǎng)基中 ,將測(cè)試瓶密封, 每天檢查小瓶黑的程度, 按表 2 的方式報(bào)告細(xì)菌數(shù)量 ,實(shí)驗(yàn)時(shí)間為 5 天。

     

        (3)液體瓊脂試管法(Melt Agar Tubes 法) 該法由 Nalco 化學(xué)公司開發(fā)的 SRB 的測(cè)量法, 它利用色氨酸作為唯一的營養(yǎng)源,其組成見表 3 。

     

    圖片19

     

         將測(cè)試管置于沸水中融化, 然后自然冷卻至 40~ 45℃, 將待測(cè)水樣稀釋到 106,一系列稀釋度的待測(cè)水樣用移液管加入到測(cè)試管底部,然后塞緊, 培養(yǎng)三天 ,則水樣中的細(xì)菌數(shù)量為離散的細(xì)菌群落的數(shù)量乘以水樣的稀釋倍數(shù) 。如果試管全部變黑, 無可見的細(xì)菌群落 ,表明SRB 數(shù)量太多而超出范圍 。

     

         三種培養(yǎng)方法的優(yōu)缺點(diǎn):MPN 法精度最高 , 但所需時(shí)間長, 且需專用設(shè)備;瓊脂培養(yǎng)基法的優(yōu)點(diǎn)是簡單易行 ,不需要專用設(shè)備, 缺點(diǎn)是 5 天時(shí)間不能使SRB 充分地生長, 且實(shí)驗(yàn)中需要每天觀察和記錄;液體瓊脂試管法的優(yōu)點(diǎn)是不需專用設(shè)備, 缺點(diǎn)是在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中不易實(shí)現(xiàn),且實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不易處理 。

     

         3.2  直接測(cè)量法

     

        (1)三磷酸腺苷(ATP)法 該法是通過測(cè)量水樣中 ATP 的含量來估計(jì) SRB 的總數(shù)。ATP 是所有生命中都存在的化合物 , Littman 提出用 ATP 法來估計(jì)油田注水中 SRB 的相對(duì)含量。實(shí)驗(yàn)方法是先將水樣過濾以除去固體顆粒和鹽份 ,再加入一種試劑使細(xì)菌釋放出 ATP ,然后加入一種能夠與 ATP發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)的酶,用光度計(jì)測(cè)量發(fā)光量 ,細(xì)菌的數(shù)量與測(cè)得發(fā)光量成正比。

     

        (2)體外熒光表面抗體(ECSA)法  該法是利用 SRB 表面一種特殊的抗體來對(duì) SRB 進(jìn)行測(cè)量。 附著在 SRB 表面的抗體與一種熒光化合物相結(jié)合,利用一個(gè)綠色的熒光玻片, 在螢光顯微鏡下就可看到帶有這種抗體的細(xì)菌 ,并進(jìn)行計(jì)數(shù)。

     

        (3)腺苷酰硫酸還原酶抗體(ARA)法  該法是利用一種所有 SRB 中都含有的腺苷酰硫酸還原酶抗體來進(jìn)行測(cè)量 。所測(cè)樣品先用水洗去表面的H?2?S ,再用超聲波儀打破細(xì)菌的團(tuán)束, 使之釋放出腺苷酰硫酸還原酶 。將待測(cè)水樣經(jīng)過一個(gè)多孔泡沫滴到移液管中,用水沖洗 4 次, 再滴入顯色劑, 如果水樣中含有腺苷酰硫酸還原酶, 則多孔泡沫在 10min內(nèi)變蘭,顏色的深度與水樣中酶的含量成正比 ,通過與比色圖上的顏色對(duì)比來估計(jì) SRB 的含量 。

     

        三種直接測(cè)量法也各有優(yōu)缺點(diǎn) :ATP 法優(yōu)點(diǎn)是結(jié)果可以在1h 內(nèi)得到 ,缺點(diǎn)是要求水樣相對(duì)比較干凈;ECSA 法的結(jié)果也可在 2 ~ 3h 內(nèi)得到 ,缺點(diǎn)是檢測(cè)上限為 104個(gè)/ml ,限制了其使用 ;ARA 法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)果可以在 15min 內(nèi)得到, 不需要昂貴的儀器 ,可在現(xiàn)場(chǎng)使用, 缺點(diǎn)是檢測(cè)上限為 103個(gè)/ml 。

     

        總之 ,每種方法都各有優(yōu)缺點(diǎn) ,實(shí)驗(yàn)人員應(yīng)根據(jù)不同的測(cè)量精度要求、水樣狀況、儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)時(shí)間等要求 ,選擇適宜的測(cè)量方法。

     

        4 微生物腐蝕研究中的表面分析方法

     

        微生物腐蝕都是電化學(xué)過程, 吳建華 等人已撰文對(duì)微生物腐蝕的電化學(xué)研究方法進(jìn)行了評(píng)述 。

     

        然而, 要對(duì)所得的電化學(xué)數(shù)據(jù)和腐蝕機(jī)制作出合理的解釋 ,必須借助于表面分析技術(shù)。在微生物腐蝕的研究中, 常用的表面分析技術(shù)有 :環(huán)境掃描電鏡(ESEM)、掃描電鏡(SEM)、能譜(EDS)、俄歇電子能譜(AES)、X 射線光電子能譜(XPS)等。

     

        ESEM 和SEM 都是進(jìn)行表面形貌分析的技術(shù) ,常與 EDS 聯(lián)用進(jìn)行成分分析 。Little 和 Wagner 等人最早將 ESEM/EDS 應(yīng)用于微生物腐蝕研究 ?,該儀器利用獨(dú)特的二次電子探測(cè)器在 0.1 ~ 20 托的壓力范圍內(nèi)形成高清晰度的圖象, 對(duì)于多水的 、具有生物活性的生物膜來說, ESEM/EDS 是一種原位的、無傷探測(cè)方法 。SEM/EDS 由于在高真空下進(jìn)行測(cè)試 ,需要對(duì)試樣進(jìn)行固定、脫水和噴導(dǎo)電涂層 ,試樣制備過程較復(fù)雜, 會(huì)破壞生物膜的結(jié)構(gòu) ,因此 ,SEM 形成的圖象具有一定的誤差 ,在分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)應(yīng)考慮到這一點(diǎn)。

     

        俄歇電子能譜(AES)和 X 射線光電子能譜(XPS)常用于研究微生物腐蝕的產(chǎn)物 , 這種測(cè)量對(duì)于理解腐蝕機(jī)制大有幫助。 R.A .Sadowski 和 R.Clayton 分別利用 AES 、XPS 研究了不銹鋼在含有SRB 的介質(zhì)中的腐蝕產(chǎn)物 ,提出了腐蝕機(jī)制。

     

        5 幾種常見合金的微生物腐蝕

     

        人們最先研究的是碳鋼的微生物腐蝕, 自 1934年, Von Wolzogen Kuhr 等人提出了經(jīng)典的陰極去極化理論 ,這種 SRB 對(duì)碳鋼腐蝕的影響機(jī)制已被人們所廣泛接受 ?。目前研究最多的是不銹鋼、銅及銅合金、鎳合金的微生物腐蝕 ,本文將著重介紹這幾種合金的腐蝕 。

     

        (1)不銹鋼  不銹鋼的微生物腐蝕最常見的形式是焊縫區(qū)的點(diǎn)蝕 , Scot 等人報(bào)道了 904L 奧氏體不銹鋼的微生物腐蝕。Borenstein 研究了 304L和 316L 不銹鋼的焊縫區(qū)的微生物腐蝕 , 發(fā)現(xiàn)奧氏體和 δ亞鐵相都具有微生物腐蝕的敏感性 。

     

        Stein 研究發(fā)現(xiàn)不銹鋼的 MIC 敏感性與制造工藝有關(guān), 退火可以減小不銹鋼點(diǎn)蝕的敏感性 。

     

        大量文獻(xiàn)報(bào)道了不銹鋼在天然海水中自腐電位E corr 正移的現(xiàn)象 , S.C.Dexter 等人研究了其腐蝕機(jī)制 ?。不銹鋼的微生物腐蝕是目前研究的熱點(diǎn)之一 ,人們正試圖探索不銹鋼的合金組成與微生物腐蝕敏感性之間的聯(lián)系, 以增強(qiáng)不銹鋼在海洋環(huán)境中的耐蝕性能 。

     

        (2)銅和銅合金 銅合金對(duì)微生物腐蝕非常敏感, 人們提出了很多銅合金 MIC 的機(jī)制如:氧濃差電池 、選擇性溶解 、膜下腐蝕和陰極去極化等。Pope等人提出以下新陳代謝產(chǎn)物可能加速銅合金的局部腐蝕, 如:CO 2 、H 2 S 、NH 3 、有機(jī)酸、無機(jī)酸和硫化物 。McNeil 提出了銅合金在 SRB 環(huán)境中微生物腐蝕的機(jī)制,認(rèn)為腐蝕是由于 SRB 新陳代謝產(chǎn)生的S 2- 與 Cu 2 O 膜發(fā)生反應(yīng), 破壞了合金的穩(wěn)定性引起的 。

     

        引起銅合金微生物腐蝕的細(xì)菌不只是 SRB。 Pope 研究了電廠淡水和海水冷卻系統(tǒng)中 90/10 銅鎳合金、海軍黃銅 、鋁黃銅和鋁青銅管的微生物腐蝕,大多數(shù)銅鎳管是由于產(chǎn)粘液菌在表面附著而造成的 ,并從遭受應(yīng)力腐蝕開裂的海軍黃銅的垢下分離出了產(chǎn)氨菌 。

     

        (3)鎳合金  最典型的鎳合金是 Monel 400, 它在含 Cl - 的環(huán)境中具有點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕的敏感性,而硫化物也能破壞其鈍化膜 。Gouda 等人研究了Monel 400 在阿拉伯灣發(fā)生的 SRB 膜下的點(diǎn)蝕和鎳的選擇性溶解 。

     

        625 合金(UNS N06625)也是一種應(yīng)用較多的鎳合金,D .G .Enos 等人研究了 625 合金在天然湖水中的微生物腐蝕 , 表明 625 合金在天然湖水中浸泡數(shù)小時(shí)后, 自腐電位 E corr 明顯負(fù)移, 腐蝕速率明顯加快,Ni(OH) 2 是 625 合金的腐蝕產(chǎn)物 , 而對(duì)其腐蝕機(jī)制的研究還較少。

     

        6 微生物腐蝕研究的發(fā)展趨勢(shì)

     

        微生物腐蝕經(jīng)過幾十年的研究, 已經(jīng)從個(gè)別的失效事故的描述性的報(bào)道 , 轉(zhuǎn)移到腐蝕過程和機(jī)制的研究 ,主要集中在用電化學(xué)方法和表面分析技術(shù)來研究金屬和合金的腐蝕機(jī)制 。未來的發(fā)展趨勢(shì)將是從宏觀到微觀 ,用基因探針 、微電極以及掃描振動(dòng)電極來進(jìn)一步揭示生物膜和腐蝕過程之間的空間關(guān)系和微觀機(jī)制。

     

        基因探針作為一種最新發(fā)展的生物測(cè)量技術(shù) ,可在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)用于對(duì)生物膜內(nèi)的細(xì)菌進(jìn)行快速、原位的測(cè)量 ;微電極技術(shù)可以測(cè)量生物膜內(nèi)的物理化學(xué)環(huán)境, 如 pH 值 、溶解氧 、氧化還原電位 E h ,以及鐵、錳、氯等離子 ,Dexter 等人已經(jīng)在這方面進(jìn)行了一些開創(chuàng)性的工作 ?。掃描振動(dòng)電極系統(tǒng)用于微生物腐蝕的研究, 可以測(cè)量電極表面的電流密度分布和電位分布, 結(jié)合表面分析技術(shù) ,對(duì)于探討微生物腐蝕機(jī)制大有幫助。

     

        微生物腐蝕的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)原位監(jiān)測(cè)與控制技術(shù)也是微生物腐蝕研究的重要發(fā)展方向和現(xiàn)實(shí)問題。

     

     

     

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