典型芽孢杆菌属生物膜对钢的腐蚀影响及机理

No single mechanism can be used to elucidate microbiologically influenced corrosion (MIC), in fact, MIC usually is caused by the cooperation of bacterial biofilm formed on the material surface and other facts during bacterial physiological activities, however, up to date there is no any reports about the detailed role of biofilm in MIC. Recent researches show that the Bacillus species are often found on the corrosion areas and that the biofilm of some Bacillus species are thought to be as a possible novel strategy to control MIC, but literature available to date about Bacillus MIC is rather scarce. In this project, three typical Bacillus species will be chosen as the target-microorganisms, the attachment and formation of biofilm on steel surface will be investigated by atom force microscopy, fluorescence dye, confocal laser scanning microscope, etc., and their effects on the corrosion of steel will be studied by open circuit potential, potentiodynamic polarization, and electrochemical impedance spectroscopy, scanning electron microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy etc.. Then D-amino acids will be used to disassemble the biofilm without impacting bacterial growth, and the effects of planktonic Bacillus on the corrosion of steel will be investigated. Based on these, the role of biofilm of Bacillus species in the corrosion of steel will be elucidated by combination thermodynamic and kinetic analysis. The results will be helpful to further study the mechanisms of MIC, and be advantageous to control MIC.

微生物腐蚀是微生物生命活动在材料表面形成生物膜和其它因素综合作用的结果，生物膜在微生物腐蚀中的具体作用未见报道。近年研究发现金属腐蚀部位往往存在芽孢杆菌属微生物，其中有些种形成的生物膜被认为可能是一种潜在的抑制微生物腐蚀的有效方法，但有关其腐蚀研究较少。本项研究拟通过选择三种典型的芽孢杆菌属微生物，利用原位原子力显微镜、荧光染色技术和激光共聚焦显微镜等研究它们生命活动过程中在钢表面的吸附及成膜规律，并利用开路电位、动电位、电化学阻抗谱技术、扫描电镜，光电子能谱等分析其对钢的腐蚀影响，再通过生物膜消解技术即利用D-氨基酸抑制芽孢杆菌属生物膜的形成，研究其生命活动中浮游菌（无膜形成）对钢的腐蚀影响；结合热力学研究和动力学分析揭示生物膜在钢腐蚀中的作用。为进一步深入研究和探明微生物腐蚀的机理奠定基础，为更好地防治微生物腐蚀创造条件。

碳素钢和不锈钢被广泛地应用于各个领域，其接触的环境极其复杂，环境中除有能导致其腐蚀的侵蚀性离子、分子外，还有大量的微生物。微生物在其生命活动中会对钢及不锈钢带来腐蚀，即微生物腐蚀。近来研究者发现了一些微生物能明显影响金属材料的腐蚀，并提出了各种各样的腐蚀机理，目前比较一致的观点是生物膜在腐蚀中有着重要的作用；然而生物膜在微生物腐蚀中的具体作用未见报道。一些研究发现金属腐蚀部位往往存在芽孢杆菌属微生物，但有关其腐蚀研究较少。基于此，本项目在国家自然科学基金的资助下，采用荧光染色技术、红外光谱、扫描电镜、原子力显微镜、电化学技术等手段研究了三种典型的芽孢杆菌属微生物在它们生命活动过程中在钢表面的吸附及成膜规律，探讨了三株菌对同种材料及不同材料的腐蚀影响；然后在不影响三株菌正常生长的条件下，利用微量的D-氨基酸抑制生物膜的形成，研究三株菌的浮游菌对碳素钢和不锈钢的腐蚀影响和规律，通过对比提出生物膜在碳素钢及不锈钢中的腐蚀作用。研究结果表明：枯草芽孢杆菌和蜡状芽孢杆菌具有明显抑制碳素钢材的长期腐蚀的倾向，而巨大芽孢杆菌则有轻微加速腐蚀的趋向，微生物的加入后，碳素钢以均匀腐蚀为主；而不锈钢在人工海水中则以点蚀为特征，微生物的加入则明显可减缓其点蚀行为，但与枯草芽孢杆菌和蜡状芽孢杆菌有所区别，巨大芽孢杆菌则存在加速不锈钢初期腐蚀的倾向。该结果说明微生物即使处于同一属，但菌株不同，对同一材料带来的影响是不同的；同一菌株对不同材料的影响也是不同的，这也说明微生物腐蚀非常复杂。本研究也表明枯草芽孢杆菌和蜡状芽孢杆菌生物膜对碳素钢及不锈钢的腐蚀有着抑制的作用，这主要是由于生物膜抑制了侵蚀性离子及电子传输的性能。通过本项目的实施，项目组建立了一套针对金属材料微生物腐蚀的研究工作程序，为深入研究钢在多菌群复杂环境中腐蚀机理研究奠定了基础。从而为进一步研究利用有益生物膜防治微生物腐蚀的可能性提供了理论依据。