小小的微生物,正在吃掉我们的“GDP”

出品:科普中国

制作:韦博鑫 许进 孙成 (中国科学院金属研究所)

监制:中国科学院计算机网络信息中心

从我们一出生,体内就有无数的微生物,它们是我们身体中非常复杂的一部分,时刻与我们互动,而我们对它们却知之甚少。多年来,庞大、神秘的微生物家族,无时无刻不吸引着人们对它们进行探知、利用和对抗。

那么,是不是所有微生物都对人类有益呢?答案或许是令人失望的。

微生物——亦敌亦友的“神秘力量”

作为地球上最古老的生物,微生物在自然界分布极广。无论是人迹罕至的南北极还是环境苛刻的沙漠,无论是神秘的外太空还是深邃的海底世界,都有它们的足迹。微生物对于人类来说用处极大,人们利用微生物来生产抗菌素、抗生素等药品,帮助人类对抗疾病;利用微生物来生产饮料,啤酒,肥料和杀虫剂等产品,以服务大众;甚至还可以利用微生物生产出电池所需要的燃料,解决能源短缺。

然而,微生物并没有我们想象的那么友好,在服务人类的同时,它也“吃”掉了我们的GDP。

小小的微生物,正在吃掉我们的“GDP”

神秘的微生物(图片来源:维基百科)

正在“吃掉”人类GDP微生物

并不是所有的微生物都对人类有益。当微生物遇到钢材时,就会产生异样的“电火花”,使得管道、桥梁和船舶等受到严重腐蚀——即“微生物腐蚀(MIC)”。我们先看三个例子:

2000年,韩国石油天然气公司一条X65输油管道发生腐蚀失效。调查发现管道表面覆盖着一层黑色沉淀物,滴加盐酸后散发出臭鸡蛋气味,表明腐蚀产物中含有硫化物。证实了埋地管线剥离涂层下受到了土壤中硫酸盐还原菌(SRB)的腐蚀。硫酸盐还原菌(SRB)是一种广泛存在于土壤、海水、地下管道以及油气井等环境的厌氧细菌。大量研究表明SRB的存在加速了钢的腐蚀。

同年,我国某型舰艇船底在下水后不到2年内船底就发生了多处的腐蚀穿孔。经检测舱内积水部位单位体积内SRB数量约是舱外海水的103-104倍,说明SRB在舰船的舱底水中大量存在。

2003年,新疆一条X52钢输油管道发生爆管泄露事件。该管道曾多次发生内腐蚀穿孔泄漏事故,但令人不解的是均发生在管道沿线起伏管段。原来罪魁祸首就是“微生物”!事故最终调查结果认为,该管段起伏较大,原油流量较低,管道低洼处有微量游离水或积水聚积,从而为微生物生长提供了环境,使得硫酸盐还原菌(SRB)大量繁殖导致管道局部腐蚀失效。

据国际腐蚀工程师协会(NACE)调查结果,2013年美国的腐蚀成本已经达到2.5万亿美元,约占GDP的3.4%。而其中由微生物腐蚀造成的损失约占20%[4]。可见,微生物已经在慢慢地吃掉我们的“GDP”。

小小的微生物,正在吃掉我们的“GDP”

腐蚀严重的管道(图片来源:参考文献2)

小小的微生物,正在吃掉我们的“GDP”

扫描电镜下观察到的钢材上附着的微生物(图片来源:参考文献3)

微生物腐蚀该如何防治?

腐蚀是一种常见的自然现象。大多数的腐蚀都是物质与环境相互作用的电化学过程。那么微生物是怎样参与腐蚀过程的呢?

科学家研究表明微生物参与腐蚀过程,金属表面会附着一层具有腐蚀能力的生物膜,在微生物体内生物酶的作用下,细菌将硫酸盐还原成硫离子,硫离子与腐蚀产生的铁离子进一步反应生成铁硫化物(反应1和2),从而参与并加速腐蚀过程。

小小的微生物,正在吃掉我们的“GDP”

目前,科学家对于微生物腐蚀的机理也有了初步认识,并提出了多种措施防治微生物腐蚀[1]。例如:

(1)表面技术:涂层作为一道屏障可以使金属表面光滑以减少微生物附着。目前研发抗生物污染的有机涂层,已经广泛地用于埋地管线、建筑物外墙、海洋结构材料的防护;

(2)电化学保护:阴极保护可以使金属腐蚀过程的电子迁移得到抑制,避免或减弱腐蚀的发生。因此可以采用更低的阴极保护电位来控制微生物引起的钢铁厌氧腐蚀,同时阴极保护与有机涂层联合使用也有效地弥补了有机涂层会发生降解的缺欠;

(3)生物抑制剂:目前采用杀菌剂注入工业水系统中,也可以作为防治细菌腐蚀的方法;

(4)实时监测:大多数的腐蚀都可以通过早期监测来采取控制措施从而减缓腐蚀,避免事故发生。因此对腐蚀过程中微生物的生长,数量,生物膜的厚度等进行监测,也有助于我们采取控制措施。

通过上述案例,我们看到微生物不容小觑的力量,只有了解微生物腐蚀,控制微生物腐蚀和利用微生物腐蚀,这样才能为工业装备保驾护航。微生物腐蚀的复杂性注定它是长期斗争的过程,国内外科学家们一直在行动,齐心协力和贡献才智。让我们与微生物腐蚀宣战,抗争到底!

参考文献:

[1]林建,朱国文,孙成,韩恩厚,高立群,张淑泉. 金属的微生物腐蚀 [J]. 腐蚀科学与防护技术, 2001, 13(5).

[2] 图片来源http://www.ybzhan.cn/tech_news/detail/108924.html

[3] Sherar B W A , Power I M , Keech P G , et al. Characterizing the effect of carbon steel exposure in sulfide containing solutions to microbially induced corrosion [J]. Corrosion Science, 2011, 53(3).

[4] 黄烨, 刘双江, 姜成英. 微生物腐蚀及腐蚀机理研究进展[J]. 微生物学通报, 2017(7).

小小的微生物,正在吃掉我们的“GDP”

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投稿时间:2021-11-13  最后更新:2022-07-02

标签:微生物   中国科学院   船底   硫酸盐   阴极   涂层   管道   人类   过程   发生

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