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還沒等你吃土，微生物已經大口吃金屬了！

2018-10-09 15:32:11 作者：本網整理來源：中國科普博覽分享至：

法國作家圣埃克蘇佩里的《小王子》，是小朋友們和大朋友們都喜歡的一部作品，其中有一句話想必大家耳熟能詳——“真正重要的東西，是眼睛看不見的”。今天，咱們就來聊聊一種看不見的“小生命”，以及它和金屬“生銹”之間割不斷的聯系。

舉足輕重的“小生命”

微生物是一種看不見、摸不著，但實實在在存在的“小生命”。你知道地球上的微生物有多少嗎？告訴你一個驚人的數字，如果將地球上的生物放于天平上稱量，微生物占總重量的60%。微生物存在于我們身邊，就連我們體內都存活著大量的微生物。如果將生存于我們身體的所有微生物集中起來稱重，能占到我們體重的3%——也就是說60公斤的大人體內，竟然有1.8公斤的“小生命”存活著呢。

最大的尺度約為100～750μm，而最小的微生物只有10nm左右。例如，大腸桿菌為桿狀，它們的長度約2~3 μm，300~500只大腸桿菌排成直線才有大約1mm的長度。

微生物有好的也有壞的。大腸桿菌是腸道中最主要且數量最多的一種細菌，如果其中致病性的一類大量繁殖，會讓人拉肚子。我們喝的酸奶里常添加的和等等，則是一類有益菌。它們可以促進消化吸收，提高機體免疫，還能抑制有害菌的生長。青霉素則可以稱得上“拯救人類的真菌”。1928年英國細菌學家弗萊明發現青霉素，邁出了造福人類的第一步；1940年澳大利亞病理學家弗羅理和德國化學家錢恩對青霉素進行提純并應用于醫療，拯救了無數人的生命。

圖1 實驗室培養的海洋微生物（馬巖博士拍攝）▲（左：珊瑚表面分離純化的細菌；右：海中金屬生銹層中分離純化的細菌）

微生物如何“吃掉”金屬

很久以來，這些“小生命”的另外一種作用——對金屬腐蝕的影響都是科學家研究的一項課題。金屬腐蝕，也就是我們常說的“生銹”，是金屬在環境中發生的一類化學和電化學反應。它不僅會導致設施設備的結構損傷，縮短其壽命，還可能引起突發性災難事故，污染環境，或造成重大財產損失和人員傷亡。

2001年，宜賓金沙江大橋吊桿發生腐蝕斷裂，部分橋面垮塌，造成多人傷亡，經濟損失數千萬元；2013年11月，山東黃島發生爆炸事故，造成62人死亡、136人受傷，直接經濟損失超過7.5億元。調查報告指出，該事故直接原因是“輸油管道與排水暗渠交匯處管道腐蝕減薄、管道破裂、原油泄漏”，撞擊火花引發油氣爆炸。這些都是腐蝕的危害。經過我國各行業專家長達兩年多的調查，2014年我國腐蝕成本約為21,278億元，這是一項非常驚人的經濟損失。

圖2 金屬的“生銹”帶來的危害超過自然災害總和

那么，金屬“生銹”是怎么和咱們身邊這些看不見的“小生命”搭上界的呢？這是因為微生物的生存和繁殖，會改變金屬表面的環境，例如氧氣濃度、酸堿度，各種離子濃度還有導電性等等，而這些因素都可以對金屬腐蝕產生影響。在水溶液中，細菌和其他微生物會在金屬表面形成一層薄薄的生物膜，在這個生物膜中會發生大量的化學反應。所以說這些“小生命”也開起了一間間工廠呢。

舉例來說，有一類叫做硫酸鹽還原菌的“小生命”，這類細菌能把一些硫酸鹽通過代謝進行還原。它不是一種細菌，而是一類細菌的統稱，在大自然中的各種各樣的環境中都生活著，例如海水、河水、土壤還有油田等等，在自然界硫的化學循環中發揮著重要的作用。一般來說，硫酸鹽還原菌可以加速鋼鐵的腐蝕。

關于它加速腐蝕的原理，科學家們有過各種各樣的解釋。有些人認為，硫酸鹽還原菌代謝可以產生硫化氫和一些生物有機硫化物，它們和環境中的腐蝕離子產生協同作用，這種酸度環境會加速金屬的腐蝕；還有一些人認為，硫酸鹽還原菌的代謝可以吸收鐵原子里面的電子，促進鐵原子失去電子變成鐵離子，也就促進了腐蝕的化學反應。這些小生命不但能夠加速鐵的腐蝕，對不銹鋼也不“示弱”，實驗證明，它的生長和代謝可以讓不銹鋼的鈍化作用降低。

圖3 顯微鏡下金屬表面的硫酸鹽還原菌（段繼周研究員拍攝）

圖4 硫酸鹽還原菌讓腐蝕更嚴重的一種解釋▲（圖片來源：中國科學院海洋研究所陳士強博士學位論文）

當然，微生物對腐蝕的影響也不能一概而論。比方說，含有微生物的生物膜在金屬表面也能夠形成有機障礙層，從而對腐蝕的化學反應起到隔斷作用；另外，有一些消耗氧氣的細菌，可以降低金屬表面氧的濃度，而氧氣又是金屬腐蝕所必須的。所以說，很多情況下，生物膜可以減少金屬大面積的均勻腐蝕。不過，個別的微生物品種還是容易造成金屬的局部腐蝕，導致金屬生成小孔或發生斷裂等等，其威力也不可小視呢。

圖5 碳鋼浸泡在硫酸鹽還原菌海水里產生的小腐蝕坑