微生物腐蚀的危害及防治措施

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：能够引起金属腐蚀的微生物主要是在自然界中参与硫、铁元素循环的菌类，包括好氧菌和厌氧菌。此外，一些产生粘液的细菌、真菌及某些藻类和原生动物，都可引起金属腐蚀。微生物腐蚀常给地下管线、海底电缆、工业注水系统等工业设施带来严重的危害。在电力行业中，有大量的设施全部或部分埋入土壤与海水中，因微生物引起的金属腐蚀是一个不容忽视的问题。

能够引起金属腐蚀的微生物主要是在自然界中参与硫、铁元素循环的菌类，包括好氧菌和厌氧菌。好氧菌有硫杆菌属，如氧化硫杆菌、氧化亚铁硫杆菌和排硫硫杆菌等。它们分布于含硫的酸性矿水、土壤及海洋淤泥中，通过氧化元素硫和还原性硫化物，最终产生硫酸而腐蚀金属等。铁细菌能将水中亚铁氧化成高价铁氧化物沉积于菌体外鞘或周围粘液层中，在金属表面形成黄褐色的结瘤。结瘤内氧进入困难而导致氧浓差电池腐蚀。常见的危害菌有嘉利翁氏菌属、纤发菌属、泉发菌属和鞘铁菌属等。此外，一些产生粘液的细菌（如假单孢菌属中的细菌）、真菌及某些藻类和原生动物，都可引起金属腐蚀。厌氧菌主要是硫酸盐还原硫酸菌，广泛分布于pH值为6～9的土壤、淡水、海水、淤泥中。在金属腐蚀中出现最多的是脱硫弧菌，它将自然界中存在的硫酸盐还原为硫化物。微生物腐蚀常给地下管线、海底电缆、工业注水系统等工业设施带来严重的危害。在电力行业中，有大量的设施全部或部分埋入土壤与海水中，因微生物引起的金属腐蚀是一个不容忽视的问题。

1.微生物概况

微生物包括藻类、真菌和细菌，都属于植物界的藻菌植物门，其中藻类属亚门Ⅰ，真菌和细菌属亚门Ⅱ。亚门下又可分为纲、目、科、属和种。

（1）细菌

1）细菌的形态。细菌是一种最小的有机体，它像动物一样具有运动性，又像植物一样具有硬的细胞膜。细菌极小，如球菌的直径为1～2μm，多胞硫细菌的细胞横断面直径为18～58μm。一滴水中的细菌含量可达几十亿个，2×10¹²个细菌的总质量只有1g。

大多数细菌是完全无色透明的。细菌按其外形可分为球形、圆柱形和弯曲形三类。球菌最简单，它们可以相连而形成双球菌、链球菌、四连球菌和八叠球菌等；圆柱形菌也能形成双菌、链状菌、杆状菌和丝状菌等；弯曲形菌有轻微弯曲的弧菌、强烈弯曲的螺旋菌和非常强烈弯曲的螺旋体。此外，细菌还常常形成大群体——菌胶团。

2）细菌的结构。细菌是单细胞或多细胞的有机体。细胞的基本部分由细胞壁和原生质体组成。细胞壁是细胞最外面的一层薄膜，很坚韧，起着固定细胞形态和保护细胞的作用。细胞壁占微生物干重的10%～50%，它经受着相当大的膜内溶解物质所产生的渗透压力。细胞壁也是参与物质代谢的重要器官之一，它保证营养物质渗透入细胞内，并且从细胞内排出代谢产物，其中包括许多水解酶。细胞膜的化学组成与植物外膜不同，它不是由纤维素组成的，细菌细胞膜的成分中包含半纤维素、特种多糖和类脂等无氮化合物以及甲壳质等含氮化合物。细胞壁具有多层结构，最表面一层是具有突角和结节的类脂层；下面是类脂多糖层；再下面是不密实排列的蛋白质分子，以及接连原生质膜的稠密的甘肽链层。整个细胞壁被渠道所穿透。在生命活动过程中，某些细胞的外膜可能膨胀和发粘，特别是那些在含碳丰富、含蛋白质少的介质中生长的菌种。在此情况下，细菌外层转化为凝胶状的胶状团块并形成荚膜。荚膜经常比细菌大且有畸形。有时若干个细胞同时发粘，包括在一个大荚膜里，这种黏性的细菌菌落称为菌胶团。

原生质体包括细胞膜、细胞质、核质和内容物。细胞膜紧贴在细胞壁的内部，包围着细胞质，它的主要成分是脂类、蛋白质和糖等。细胞质是细胞内的“活物质”，是无色、透明、有轻微粘性的物质，是一种胶体溶液，其中分散介质是水，而分散相是各种化学物质。细胞质的组成包括蛋白质、核酸、脂类等，细胞质中还有各种酶系统，进行着各种新陈代谢活动。细胞的核质，占微生物干重的1%～2%，几乎集中了全部与遗传变异有密切关系的一些核酸，它们是决定生物遗传性能的主要部分。内含物是细胞新陈代谢的产物或储备的营养物质，如核蛋白类染质体颗粒，这些颗粒通常位于细菌细胞的两端，它们与酶及酶的活性有关。

3）细菌的运动。大多数细菌没有活动能力，有活动能力的细菌具有鞭毛，此外螺旋体菌也能以全身有节律的振动进行运动。

鞭毛是细胞质的突出体，在细胞质皱缩时，不收缩入细胞内。在未染色时鞭毛在显微镜下看不到。鞭毛的整个长度具有相同的厚度和直径，其直径为0.02～0.05μm，运动速度为10～20μm/s。细菌按鞭毛的位置可分为三类：①偏端单毛菌类，只具有一根鞭毛；②偏端丛毛菌类，细胞一端有一些鞭毛；③周毛菌类，鞭毛分布在细胞整个表面。

有些细菌的形状是可变的。如亚硝化菌（能把铵盐中的氮氧化为亚硝酸盐）刚接种在营养物中时是不运动的短杆菌形态，当营养介质耗尽后，亚硝化菌出现鞭毛并转变为运动的形态，此时亚硝化菌强烈氧化残余的铵盐，然后它们失去鞭毛，沉淀在底部，形成密实的菌胶团。

4）细菌的营养。细菌没有专门的吞食器官。细胞生活所需的物质是通过细胞膜上极小的孔渗透吸入细胞。因为细胞膜上的孔很小，所以营养物质必须以分子状态被吸收。微生物为了吸收营养常向介质中分泌出酶，酶的作用是使营养物质溶解，使它能穿过细胞膜。进入细胞膜的营养物质一部分用于合成蛋白质、脂肪和碳水化合物，用于细胞的增长，另一部分在呼吸过程中被消耗掉。不能被细胞利用的物质转化为溶解状态，又从细胞膜的孔中排出。

按营养方式不同，细菌可分为以下三类：

①自养菌，能利用无机碳化物（CO₂、碳酸盐）的细菌，如硝化菌、铁细菌、无色硫细菌和硫逐酸菌等。如铁细菌能在不含有机物的介质中生长，为了合成1g细胞物质，铁细菌需氧化279g二价铁，并产生534gFe（OH）₃。被氧化的铁与从CO₂中同化的碳的比例为500∶1，因此在自养性生长中产生大量的Fe（OH）₃。

②异养菌，需要现成的有机物来合成自身机体的细菌，如腐烂菌、消化菌、霉菌、酵母和放线菌等，异养菌又称腐生菌。

③寄生菌，需要寄生于动物蛋白中的细菌，包括所有的病原微生物，因为它们是靠动物组织中的有机物生活的。

5）细菌和呼吸。细菌的呼吸是伴随着放出能量的生物氧化过程。细菌体内的所有生命过程都是在消耗能量的情况下完成的，此能量来自蛋白质、脂肪、碳水化合物等高位能物质的化学转化。

在生物氧化过程中有氧气直接参加的细菌称为耗氧菌（或好氧菌），如醋酸菌、霉菌、亚硝化菌等。生物氧化没有氧气参加的间接氧化的细菌称为厌氧菌，如硫酸盐还原菌、油酸菌和甲烷菌等。厌氧菌呼吸时不需要游离氧，它们通过将复杂的有机物分子降解为简单分子获得能量，此时放出的能量要比有氧呼吸时少得多。还有一些细菌既能在有空气游离氧存在下生活，也能在缺氧条件下生活，它们称为兼氧菌，如乳酸菌和酵母菌。

（2）真菌　真菌是不含叶绿素的简单植物，也不分化成根、茎和叶，它们只需要较小的温度，并可在比细菌更低的pH值下存活，它们通过生成孢子进行繁殖。大多数真菌最宜生长温度是25～30℃。真菌中的霉菌长有许多像头发状的菌丝，这些菌丝会形成粘泥，堵塞管道。

（3）藻类　藻类是属于低等植物的一类有机体，它含有叶绿素，具有简陋的身体结构，但不像高等植物那样分为根、茎、叶。藻类按其结构可分为单细胞、多细胞和菌落形态。它们的生长都离不开空气、阳光和水。而冷却塔的分配板和塔壁正好是藻类生成繁殖的一个良好环境。在冷却塔中生长繁殖的藻类主要有蓝藻、绿藻和硅藻。

1）蓝藻。蓝藻大多为蓝色或青绿色，形状多呈丝状，许多丝状体聚集在一起形成群体，在群体周围包裹着一层果胶。这样的群体有时长达1m以上。在冷却塔塔壁上形成的藻层，常常是下层在死亡，上层在生长。藻层能够被成片地掀起来。

蓝藻在湿润的气候条件下，特别容易繁殖，在水温较高的夏季会迅速而大量繁殖。有时会使水的颜色发生变化。蓝藻中的念球藻、项圈藻和眉藻等能从空气中固定氮而成为有机氮化合物，这些固氮藻类能破坏亚硝酸盐类的缓蚀剂，使其失去抑制腐蚀的作用。蓝藻广泛分布于含盐水、淡水、土壤、沙漠中。蓝藻细胞中有产生恶臭的油类和环醇类，细胞死亡后，这些物质被释放出，引起恶臭，使水质和环境变坏。

2）绿藻。绿藻是分布最广的一种藻类，呈绿色，只要有阳光、二氧化碳和少量矿物质就能生长，这种藻的大多数种类的细胞具有纤维素膜。绿藻的色素与高等植物相同，是叶绿素和叶红素，它能进行有性或无性繁殖产生游动的孢子。绿藻可分为两类，一类由单细胞组成，能浮在水中，如小球藻；另一类呈丝状附着在壁上，如栅列藻。

3）硅藻。硅藻多为单细胞生物，有各种形状，如纺锤藻、舟形藻、针杆藻等。硅藻是水生动物的食物。硅藻的颜色呈褐色或绿褐色，一般喜欢生活在光线稍暗、温度较低的水域，常在较浅的水槽中繁殖。初春或深秋温度较低时，常常大量产生硅藻。硅藻的细胞壁中充满了聚合的乳白色的SiO₂，大量的繁殖可以产生硅污泥。

2.微生物腐蚀的特征

微生物腐蚀很少是一种独立的腐蚀现象，它常常伴随着一定类型的电化学腐蚀。

微生物腐蚀的第一个特征是先形成粘泥，然后再引起腐蚀。细菌能分泌粘液，粘液再把悬浮在水中的无机垢、腐蚀产物、灰沙、淤泥等粘结在金属表面上形成粘泥；藻类的分泌物或腐败物也能吸收其他固体粒子而在金属表面上形成粘泥；真菌能分泌出酶使纤维素分解，剩下的木质素及木材的腐败产物也能在金属表面上形成粘泥。粘泥的存在构成了氧浓差电池，因此引起垢下腐蚀；粘泥又为厌氧的硫酸盐还原菌提供了良好的滋生条件；粘泥中的细菌还能分泌出酸性物质来加速金属的腐蚀。

微生物腐蚀的第二个特征总是以局部腐蚀的形式存在，一般都呈孔蚀形貌。

3.与腐蚀有关的主要微生物

与腐蚀有关的微生物主要是细菌类，又称细菌腐蚀。其中最主要的是直接参与自然界硫、铁循环的微生物，即硫酸盐还原菌、铁细菌和硫氧化菌等。

（1）硫酸盐还原菌　又称脱硫弧菌，属厌氧菌，呈腊肠状，长度为1～4μm，pH值在4.5～9.0时繁殖生长，pH值小于3.5或大于11时，菌的活动受到抑制。硫酸盐还原菌具有的氢化酶能使阴极表面上产生的氢将硫酸盐还原为硫化氢，腐蚀后生成的H₂S和FeS结合起来形成有恶臭的黑色粘泥。腐蚀区通常有结瘤，结瘤外壳为棕黑色的Fe₃O₄和Fe₂O₃混合物，壳内包着黑色松软的FeS，硫酸盐还原菌参与腐蚀过程的主要反应是：

SO²4^-+8H→H₂S+2H₂O+2OH^-

反应生成的H₂S又与金属铁相互作用：

H₂S+Fe→FeS+H₂

硫酸盐还原菌生长最适宜的温度是20～30℃，但在55～60℃下也能存活，夏天它在自来水总管中很活跃，但很少侵蚀换热器管子，因为管壁温度太高。冷却水的淤泥中硫酸盐还原菌非常活跃，但在高度通气的循环水中却难以生长。硫酸盐还原菌广泛存在于土壤和海泥中，是地下钢铁腐蚀的重要原因之一。

图2-13　铁细菌腐蚀的示意图

（2）铁细菌　铁细菌属于锈菌属、纤毛铁细菌属和嘉氏铁柄杆菌属。铁细菌是嗜氧菌，它依靠铁和氧来进行生存和繁殖，依靠亚铁离子氧化成高铁离子所放出的能量来维持生命。铁细菌把铁溶解时生成的大量亚铁离子储存在细菌体内，而在细菌表面上的Fe²⁺被氧化成Fe（OH）₃，形成棕色粘泥。图2-13所示的是铁细菌腐蚀的示意图。铁细菌粘附在管壁上往往形成了红棕色到黑褐色的瘤，瘤的下面总是一个点蚀孔。

土壤中有铁离子存在时，就很容易产生铁细菌。铁细菌最适宜的pH值为6～8，最适宜的温度为24℃，最低温度为5℃，最高温度为40℃，铁细菌形成的锈瘤，其表面是通气的，但锈瘤内部是贫氧区，有利于硫酸盐还原菌的繁殖，因此微生物腐蚀往往是多种微生物协同作用的结果。

（3）硫氧化菌　硫氧化菌又称硫杆菌，是嗜氧菌，虽然不常见，但危害性极大。它能使土壤中的硫及硫化物氧化成硫酸，在细菌周围的环境中，硫酸浓度最高可达5%～10%。由于硫氧化菌造成的酸性环境，使该区域内的金属遭受到剧烈的腐蚀，同时也能使结构变酥软。

4.海洋生物的腐蚀

将金属浸入海水中几小时后便会附着一层生物粘泥。它们是活的细菌和其他微生物，以及它们的粘附物，然后在粘泥上又吸附了其他固着生物，如藤壶、牡蛎、珊瑚、海藻、硅质海绵等。海洋生物对金属腐蚀的影响主要是由于新陈代谢作用使它们分泌出具有腐蚀性作用的有机酸、NH₄OH和H₂S等。其次是由于光合作用而放出O₂，因而形成局部氧浓差腐蚀。

5.微生物腐蚀的控制

（1）投放杀菌剂　铁细菌可用通氯杀灭，残留氯含量一般控制在0.1～1mg/kg。硫酸盐还原菌可用加入量为2mg/kg的铬酸盐来抑制。季铵盐电离生成的正离子能吸附在细菌表面，它能侵害细菌细胞质膜中的磷脂类物质，使细胞自溶而死亡；同时它能破坏细胞的半透膜组织、细胞代谢物质和辅酶，使蛋白质变质而引起细胞死亡。季铵盐对污泥还有剥离作用，因此是一种有效的杀菌剂，但季铵盐对孢子的杀伤力不强。

（2）改变环境条件，抑制微生物生长　如提高pH值及温度（pH>9，温度>50℃）来抑制微生物的生长。采用曝气处理和改善环境通气条件来抑制或减轻硫酸盐还原菌腐蚀等。

（3）覆盖表面防护层　可采用各种涂料、玻璃钢等非金属覆盖层，也可采用电镀、喷镀等金属覆盖层。

（4）阴极保护　采用阴极保护和涂层相结合的措施，可以防止土壤环境中的微生物腐蚀。

[1]旧标准中的牌号。

微生物腐蚀的危害及防治措施

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