资讯中心

数据共享

试验资源

信息资源

防护技术

徐大可:通力合作 全面推进微生物防腐工作

2017-01-05 10:36:50
作者:王元
来源:中国腐蚀与防护网

为了全面科普微生物腐蚀相关知识,了解国内外在该方面研究的差异,推动微生物腐蚀研究的发展。记者特邀请到中国科学院金属研究所副研究员徐大可老师做相关方面的精彩解读。

    微生物腐蚀(MIC)是指微生物生命活动参与下发生的腐蚀过程。凡是同水、土壤或润湿空气接触的设施, 都可能遭遇微生物腐蚀。微生物腐蚀遍布国家经济建设的各个角落。发电厂冷却水循环系统、热交换系统, 石油开采、储存和输运系统、污水处理管道,饮用水管道, 飞机燃油储存罐,造纸厂设备, 金属切削液中都有不同程度的微生物侵染及其造成的腐蚀。据统计,微生物腐蚀在金属和建筑材料的腐蚀破坏中占20% , 仅在天然气工业中, 微生物腐蚀损失在与管道相关的腐蚀损失即占15%—30% , 且逐年上升。近几十年对材料微生物腐蚀的大量研究表明,几乎所有常用材料都会产生由微生物引起的腐蚀。虽然目前国内外对微生物腐蚀有了一定的认识,但是对微生物腐蚀的机理和其导致点腐蚀的严重性还缺乏更深入的了解。为了全面科普微生物腐蚀相关知识,了解国内外在该方面研究的差异,推动微生物腐蚀研究的发展。记者特邀请到中国科学院金属研究所副研究员徐大可老师做相关方面的精彩解读。


    徐大可,毕业于美国俄亥俄大学化学工程系腐蚀与多相流技术中心。中国科学院金属研究所副研究员,2014 年获得“中国科学院金属研究所所引进优秀学者”。从事材料微生物腐蚀的机理与防治、抗菌不锈钢抗菌机理的相关研究。

 

nace徐大可 2011

徐大可副研究员


    记者:您主要从事材料微生物腐蚀的机理与防治、抗菌不锈钢抗菌机理的相关研究。请您谈谈这一研究方向在国家经济建设的重要作用和意义?


    徐老师:
金属材料的腐蚀给世界经济造成了巨大的损失。据不完全统计,金属的腐蚀每年造成的损失占发达国家GDP 的2%~3%。而在金属的腐蚀中,微生物腐蚀是不容忽视的。据相关调查,美国81% 的严重腐蚀与微生物相关,埋地金属腐蚀至少有50% 是由微生物腐蚀参与的。在石油天然气领域,美国油井77% 以上的腐蚀是与微生物有关的。微生物是存在于我们生活中的重要成员,肉眼难以看见却起着微妙的作用,在美国有人把微生物腐蚀(Microbiologically influenced corrosion,MIC)称为“Myth”,过去的大部分时间里人们都忽视了它对腐蚀的影响。微生物参与金属腐蚀,最初是从地下管道中发现,后来逐渐发现海洋、水坝、矿井、油田及循环冷却水系统中的材料设备的腐蚀均与微生物活动有关。目前国家飞速发展,各项设施建设已经基本完备,甚至达到较高的水准,而关于材料的腐蚀与防护将是未来的重点工作。据统计中国目前年腐蚀成本已高达2 万多亿元,2014 年我国的腐蚀成本约占当年GDP 的3.34%,作为很棘手的微生物腐蚀已经成为未来大企业能否正常生产的关键环节之一,近十年来微生物腐蚀在冶金、电力、航海、化工等行业带来了巨大损失,这些数字和实例提醒我们微生物腐蚀与防治已经迫在眉睫。我从08年博士入学以来,一直从事微生物腐蚀的机理与防治的相关研究,特别希望能有更多的科研同行和学生加入这项理论基础有深度,应用前景有广度的微生物、腐蚀、材料、电化学交叉的研究中来。


    我的另一部分工作就是抗菌不锈钢的相关研究。微生物除了会加速金属的腐蚀外,还容易使人感染各种疾病。全球范围内曾发生多起恶性食物中毒、细菌感染事件,如1996 年的大肠杆菌“O-157” 感染事件;2003 年SARS;2009 年全球肆虐的甲型H1N1;2014 年,爆发于西非的埃博拉病毒造成数万人被感染,再一次敲响了人类的警钟。由此可见,细菌等致病性微生物对人类的生存和健康造成了巨大威胁,防止和控制有害微生物的危害已成为人类不可忽视问题。抗菌金属材料的出现使微生物对人体的危害有效降低。抗菌材料是指能够在一定时间内将某些细菌抑制在一定的水平以下的材料。如今市场对于抗菌金属材料制品的需求不断增长,譬如人体植入材料、手术刀、手术剪等。即该类型的材料可广泛应用于医疗器械工业、食品工业、家庭卫生设备、化工设备、建筑材料等各个领域。因此,开发和推广应用抗菌金属材料,具有重要的经济价值和社会意义。根据我个人的研究方向,我也在做一些抗菌金属材料耐细菌微生物腐蚀的工作。


    记者:随着国家经济建设的发展,对装备材料的防护技术要求也愈高,请您谈谈关于装备材料的防护除了其他防护技术之外,在微生物腐蚀的防治方面关键应该怎么做?


    徐老师:
这方面的例子不胜枚举,我就说一个我所了解到的最严重的微生物腐蚀案例吧,2006 年3 月2 日,美国阿拉斯加隶属于BP 的Prudhoe Bay 油田1 条863mm 原油管道发生泄漏,这是阿拉斯加Prudhoe Bay 油田30 多年开发历史中最大的一次泄漏事故。这条线路担负着运输全美国每年用油量的20%,Prudhoe Bay 油田突然停止原油供应,导致了美国油价的大幅度上升。经过权威部门调查,该事故被判定为是微生物腐蚀导致的。这次事故也使BP,美孚等石油公司非常重视微生物腐蚀的防治。


    微生物会形成细菌生物膜,而目前公认,生物膜就是导致微生物腐蚀的主要因素。所以微生物腐蚀的防治主要就是如何消除附着在材料表面的细菌生物膜。目前微生物腐蚀防护的方法包括以下几种:(1) 物理方法:主要通过紫外线和超声波等手段进行处理,另外用阴极保护的方法可以在一定程度上抑制微生物的附着。石油天然气和电厂等领域还采用直接的物理刮擦方法进行生物膜的去处,比如使用PIG 来清洗石油管道。(2) 化学方法:化学杀灭法是目前最简便而又行之有效的控制MIC 的方法。在油田和循环冷却水中系统中被广泛应用。在国内,中船重工七二五所在抑制海生物污损方面也做了许多很不错的工作,其设计的船舶压载水处理系统,利用电解海水制氯法能有效地杀死海水中的微生物。(3) 防护性涂层:在金属表面覆盖抗菌或者防附着的超滑或者超疏水涂层来保证其表面不易被微生物附着,同时也具有杀菌的作用。(4)生物防治法:生物防治法的机制是利用微生物之间的共生、竞争以及拮抗的关系来防止微生物对金属的腐蚀。目前关于MIC 的生物防治研究主要是针对SRB的,有些细菌可以产生类抗生素类的物质可直接杀死SRB;或通过与SRB 竞争养分来降低SRB 的数量,从而达到抑制SRB 腐蚀的目的。反硝化细菌(Nitratereducing bacteria,NRB) 能够对SRB 的生长代谢产生竞争性抑制作用。可以通过添加硝酸盐/ 亚硝酸盐来激活油藏中原本存在的NRB;也可以添加NRB 来抑制SRB 的数量和活性,这两种方法具有不同的适用范围。NRB 和硝酸盐的投加同时抑制了SRB 的生长繁殖(SRB 总数的减少) 和SRB 的活性( 单位SRB 产硫化物量的下降)。通过NRB 来抑制SRB 的办法已经在石油天然气行业广泛应用。
由于注入NO3-/NO2- 之后的油田产出水是低毒性的,挪威政府于2005 年鉴定该技术为零伤害排放,并且批准壳牌(挪威)公司在其开发的Draugen 油田的不同地层压力条件下,在回注水中加入NO3- 来激活NRB,使用该技术三个月后有效地控制了SRB 和H2S。但是近年来有研究表明,NRB 也具有一定的腐蚀性,从而对NRB 生物防治方法的广谱性和有效性提出了挑战。(5) 抗菌材料:以全尺寸本体抗菌材料来抑制腐蚀性生物膜的形成,从而抑制微生物腐蚀。


    目前来看,微生物防治法有着广阔的发展前景。但是由于微生物的普遍存在性和所在环境的复杂性,真正的微生物腐蚀的防治要综合应用各种防治手段才能达到很好的控制微生物腐蚀的效果。比如在海洋环境中,可以发展具有抗菌性能和抑制微生物附着的超疏水和超滑涂层。而在石油管道内,则应该发展绿色环保的杀菌剂、杀菌剂增效剂和更为有效的物理杀菌方法。而全尺寸的抗菌材料也给微生物腐蚀的防治提供了一个新的选择。

 

图片20
   
图1. 2205双相不锈钢在污染海水中浸泡(a)1天,(b)3天,(c)5天和2205-Cu抗菌双相不锈钢在污染海水中浸泡(d)1天,(e)3天,(f)5天


   
记者:您是中国科学院金属研究所引进优秀学者,请您谈谈中国科学院金属研究所在腐蚀与防护领域内目前取得了哪些进展?尤其在微生物腐蚀控制方面。


    徐老师:
中国科学院金属研究所是国内腐蚀研究领域的重要组成部分,而关于微生物腐蚀也是积累了很多相关研究经验,比如在土壤微生物腐蚀方面。我回到金属所工作以来主要从事耐微生物腐蚀的抗菌双相不锈钢的相关研究。众所周知,导致海洋用金属结构件微生物腐蚀的主要原因是金属表面细菌生物膜的生成。有效抑制和杀灭粘附在金属材料表面的细菌生物膜,将有效缓解或抑制微生物腐蚀的发生。我们创新性地提出利用抗菌不锈钢的抗菌特性来抑制细菌生物膜的形成,从而提高不锈钢的抗微生物腐蚀能力。针对不锈钢在海洋环境中形成的细菌生物膜,利用Cu 离子的强烈杀菌作用,在国际上首次研发出一种具有耐微生物腐蚀能力的抗菌双相不锈钢(2205-Cu),其在海洋工程结构中具有广泛应用前景。2205-Cu 这种耐微生物腐蚀能力极强的双相抗菌不锈钢的问世填补了我国在海洋工程用抗菌材料的空白,该研究成果具有重要的学术意义与实际应用价值。研究结果已期刊登在Biofouling、Corrosion Science 和RSC Advances 上,并已申报国家发明专利(申请号:201510098196.7)。该项研究得到了973 项目(2014CB643300)、国家材料环境腐蚀平台和国家自然科学基金青年项目(51501203)的资助。如图1 所示2205-Cu 抗菌双相不锈钢在污染海水中抗菌效果,其中绿色为活的细菌,红色为死的细菌。从图中可以明显观察到2205-Cu 抗菌双相不锈钢在海水中具有强烈的杀死细菌生物膜的作用。


    从电化学测试所获得的Rp 值证明2205-Cu 不锈钢在与细菌共培养9 天后,Rp 明显增大,说明其耐微生物腐蚀的能力明显增强。我们发现在激光共聚焦显微镜(CLSM)镜下观察与海洋铜绿假单胞菌共培养1 天和7 天后的普通2205不锈钢和2205-Cu 抗菌不锈钢样品,经活/ 死染色后,2205-Cu 抗菌不锈钢表现出了极强的杀死细菌生物膜的能力。
经过7 天后,2205-Cu 对海洋铜绿假单胞菌生物膜的抑制率达到了96%,而且附着在2205-Cu 上的细菌生物膜厚度也明显小于2205 上的细菌生物膜厚度。我们还创新地从DNA 和基因水平研究2205-Cu 双相不锈钢对NRB 的作用机制。硝酸盐还原酶(NR)、亚硝酸盐还原酶(NIR)、一氧化氮还原酶(NOR)都是NRB 调控硝酸盐还原的重要酶,而这些酶的表达是由nirS、nirK 和nosZ 这几个重要基因的转录所决定的。最新研究结果表明,2205-Cu 抗菌不锈钢会明显降低NRB 基因组中nirS、nirK 和nosZ 的表达,从而抑制NRB 的厌氧呼吸,达到抑制或杀死NRB 的效果。


    记者:您毕业于美国俄亥俄大学化学工程系腐蚀与多相流技术中心,曾在NACE 2011Houston 获学生Harvey Herro 二等奖。请您谈谈国内外在腐蚀控制方面有何不同?如何取长补短?


    徐老师:
2011 年在休斯敦NACE 年会获得Harvey Herro 二等奖的工作是关于杀菌剂增效剂的工作。之前好像没有微生物腐蚀的相关工作获得过NACE 类似的奖励,说明NACE 是非常看重各领域具有潜在应用价值的技术。相关的PCT 专利引起了美孚和康菲等石油公司的兴趣。


    关于微生物腐蚀的防护与控制,美国还是处于比较领先的位置。以石油天然气领域为例,由于大量使用杀菌剂,美国的环保局对石油公司的杀菌剂排放有着很严格的规定。因此,绿色环保的杀菌剂成了石油公司的唯一选择。在严厉法规的制约下,只有THPS、戊二醛等少数几种杀菌剂可以使用。那么大家熟知的抗药性问题,就慢慢成为了石油公司的棘手问题。而靠着美国在腐蚀、化学、生物学等学科强大基础支持下,他们马上就开发出了很多杀菌剂增效剂,比如替换EDTA 的EDDS,还有EDDS 和甲醇的组合。最新的生物信号小分子D-氨基酸类型的杀菌剂增效剂也开发出来了,目前正在油田进行中试。对比国内我所了解到的情况,由于立法的缺乏,导致杀菌剂的滥用。目前在市面上使用的杀菌剂五花八门,导致杀菌剂本身和使用后排放环保不达标的现象屡见不鲜。而且杀菌剂的使用缺乏系统和专业的指导,也导致杀菌剂无法达到理论效率,导致严重的过度使用和浪费的现象。


    在科研从业者的学科背景上,我们和美国相比也是有比较大的差异。在美国微生物腐蚀由搞M(微生物)的人主导,比如美国国家海军实验室和美国俄克拉何马州的生物腐蚀中心都是由微生物背景的人主导。而国内微生物腐蚀的相关科研人员以材料、腐蚀和化学背景为主。这种差异性导致了美国在理论研究和实际应用上有很强的延伸性,把微生物当作导致腐蚀的主导者,而不是把微生物当作一个类似温度和pH 的参数来看待。目前国内的生物学快速发展,希望以后有更多的微生物背景的科研人员来推动我国微生物腐蚀相关的研究。

 

图片21
   
图2 微生物腐蚀的电子传递机制


    记者:请您展望一下您所研究的领域未来如何发展?该如何创新?


    徐老师:
目前微生物腐蚀相关研究领域已经获得腐蚀届的重视,包括李晓刚老师为首席科学家的973 项目、国家材料环境腐蚀平台项目和国家自然科学基金都资助了微生物相关的研究。目前在Corrosion Science 上发表的微生物腐蚀领域相关的文章,我们国内从发表数量上来讲应该是排在第一名。目前也有很多做的非常好的课题组涌现,比如中国科学院青岛海洋所和华中科技大学。希望在受重视程度提高的前提下,大家能把中国的微生物腐蚀领域推进到一个新的高度。


    目前为止,人们对于微生物如何造成金属的腐蚀机制尚不十分清楚。
近年来随着人们展开对微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC) 的相关研究,关于微生物产电和微生物与电极之间的电子转移机制研究的相关报导越来越多。微生物的细胞外电子传递(Extracellular electron transfer,EET) 主要依靠以下三种方式( 如图2):(a)通过细胞表面的氧化还原分子(如细胞膜上的细胞色素C)进行短距离的直接电子传递;(b) 通过导电的生物纳米线进行远程电子传递;(c) 电子通过自身产生的可溶性氧化还原分子(Electronshuttle,电子载体)传递电子。(a) 和(b) 属于直接电子转移(Direct electrontransfer,DET), 而(c) 属于间接电子转移(Mediated electron transfer,MET)。我个人觉得,细菌的细胞外电子传递与其腐蚀性有着十分紧密的联系,将成为微生物腐蚀机理研究的一个突破口。


    后记:微生物腐蚀的提出至今已有近百年的历史,经过了几十年的研究,已经从个别的失效事故的描述性报道,转移到腐蚀过程和机制的研究,但离真正科学地解释和有效控制还有相当距离。腐蚀微生物学是一门涉及多学科的综合性强的边缘学科,唯有通力合作,方能把防护工作做得更好!


    人物简介


    徐大可,1982年生。中国科学院金属研究所副研究员,2014年获得“中国科学院金属研究所所引进优秀学者”,NPJ Material degradation编委。从事材料微生物腐蚀的机理与防治、抗菌不锈钢抗菌机理的相关研究。毕业于美国俄亥俄大学化学工程系腐蚀与多相流技术中心,曾在NACE 2011 Houston获学生Harvey Herro二等奖。获得国际PCT专利1项。成功研发了一种新型的耐微生物腐蚀2205-Cu双相不锈钢(专利申请号201510098196.7);作为课题负责人主持了973专项服务课题、国家自然科学基金及企业委托项目共10项,经费共571.5万元;以第一作者或通讯作者发表SCI论文34篇,其中回所工作三年来(2014-2016年)发表SCI论文25篇,其中影响因子大于3.0的16篇。

 

 

声明: 本网原创,转载时请务必标明文章来源和作者信息。未经允许, 严禁用于商业用途。 

 

更多关于材料方面、材料腐蚀控制、材料科普等方面的国内外最新动态,我们网站会不断更新。希望大家一直关注中国腐蚀与防护网http://www.ecorr.org
  

标签: 徐大可, 微生物, 腐蚀, 微生物腐蚀

腐蚀与防护网官方微信

官方微信

新闻 天天有料
分享到: