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段继周:关注微生物腐蚀与生物污损 攻克“世界性难题”

2017-01-05 10:40:08
作者:刘洋、王元
来源:中国腐蚀与防护网

为了全面科普微生物腐蚀与生物污损的相关知识,引起人们的广泛重视,防患于未然,记者特邀请到中国科学院海洋研究所段继周研究员进行相关精彩解读。

    21世纪是海洋世纪,海洋在全球的战略地位日益突出。随着我国海洋开发的不断深入,微生物腐蚀与生物污损逐渐受到人们的关注和重视,据统计,海洋微生物引起的腐蚀约占海洋材料的70%~80%,每年因此种腐蚀而造成的损失高达上千亿美元。近年来,无论是对微生物腐蚀机理的认识,还是海洋防污技术方面的创新,国内外都取得了明显的成效。为了全面科普微生物腐蚀与生物污损的相关知识,引起人们的广泛重视,防患于未然,记者特邀请到中国科学院海洋研究所段继周研究员进行相关精彩解读。


    段继周,中国科学院海洋研究所研究员,博士生导师,中国科学院海洋环境腐蚀与生物污损重点实验室副主任。目前主要从事海洋微生物腐蚀与生物污损的基础和防控技术研究工作。

 

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段继周研究员


    记者:您主要从事海洋微生物腐蚀与生物污损方面的研究工作,能否谈谈微生物腐蚀有哪些危害,会给国民经济发展带来怎样的影响?


   
段研究员:
众所周知,海洋腐蚀环境可以分为五个腐蚀区带,这五个腐蚀区带可大体分为水上区和水下区。海洋水下区带腐蚀环境的一个显著特征,是海水的微生物腐蚀和生物污损。海水中含有丰富的盐类及碳、氮、磷等有机物,生活着从微微型到大型的种类繁多的海洋生物体。每毫升海水中仅细菌数量即达百万数量级。某些细菌和附着生物会选择性地在材料设施表面附着,生长、代谢、繁殖,作为其生长栖息的生态群落家园,而在我们人类眼中这种过程结果则可能造成了钢铁等材料设施的微生物腐蚀和生物污损。对于腐蚀微生物人们不能用肉眼直接看到,但对于生物污损,到过海边的人,都会在岸边的礁石不经意看到过牡蛎、贻贝等硬壳生物的污损生物附着现象。


    微生物腐蚀能够导致材料和设备设施的加速腐蚀减薄,特别是严重的局部腐蚀破坏,严重的导致整个设施的失效报废。有报道认为,管线腐蚀损失的30% 与微生物腐蚀密切相关。而生物污损能引起海水管道内径变窄甚至堵塞,海洋平台载荷增加,舰船航行阻力增大,油耗增加等等,所有这些都导致设施的使役安全性降低。


    生物腐蚀和生物污损是制约许多水下设施和装备长期安全运行的关键影响因素,其腐蚀防护技术是水下设施必须充分考虑的。虽然水下阴极保护、防污涂料、杀菌剂、电解防污等技术已十分成熟并已获得广泛工业应用,但随着环保法规的日益严格,现有技术并不能充分满足应用需求;特别是随着海洋工程设施的多样化发展,生物腐蚀和污损问题不断出现,防护需求也呈现多样化。
海洋生物腐蚀和污损是海洋水下工程设施领域的重大科学问题,也是亟待解决的重大科学技术难题。

 

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微生物腐蚀试样


 
   记者:近年来国内在微生物腐蚀和生物污损领域的探索有哪些进展?与国外相比如何取长补短?


    段研究员:
微生物腐蚀是由微生物直接或间接的作用引起材料腐蚀破坏的现象。现在,人们已逐渐认识到,海水的腐蚀规律不能简单的用盐水或人造海水腐蚀规律来代替。受生物膜、腐蚀微生物和生物污损的影响,材料在天然海水中的腐蚀特别是长期腐蚀规律与无菌盐水中的腐蚀规律是十分不同的。在海洋微生物腐蚀领域。早期中科院海洋所的张经磊、马士德等教授上世纪八、九十代主要关注海泥中细菌的腐蚀规律研究,国内许多专家也在从事海洋微生物腐蚀、微生物腐蚀领域的研究。在更早期,中科院微生物所的吕人豪教授等多年从事霉菌、土壤和水环境微生物腐蚀研究,是我国微生物腐蚀研究之开端。近十年来,关于海水、工业水等环境中的微生物腐蚀研究发展比较集中,特别是在海洋硫酸盐还原细菌腐蚀行为、电活性腐蚀机理、局部腐蚀破坏机理等方面有较突出进展。目前,从早期集中关注的硫酸盐还原菌腐蚀规律到海水天然生物膜、铁细菌、硫细菌等不同微生物腐蚀,从海泥、海水腐蚀微生物培养到特殊生境的腐蚀微生物群落研究,从碳钢、不锈钢到有色金属的微生物腐蚀,从杀菌剂、抗菌不锈钢、抗菌镀层、阴极保护等对微生物腐蚀的影响,从微生物影响的局部腐蚀、电偶腐蚀和应力腐蚀,在海水、海泥、土壤、工业水、油田、油水环境等都有涉及。在有关研究所和大学有一批更年轻的学者也迅速成长起来,这是令人欣喜的。


    国外包括欧洲和美国等的微生物腐蚀研究在上世纪九十年代到本世纪初经历过一个高潮,按德国的一位微生物腐蚀领域的专家说,这可能也是与国外的城市化和工业发展水平有关。当时有一批人专门从事微生物腐蚀的研究,美国及法国、意大利、英国和德国等国家都有几个代表性实验室和代表性人物一直在从事该领域的研究,也有若干经典文献出现。当时,在欧盟支持下,有若干个微生物腐蚀项目出现,支持着欧洲几个国家微生物腐蚀的研究开展,从历史上看,欧洲也应该算微生物腐蚀研究的发源地了。微生物腐蚀是典型的交叉学科领域,目前,国外在腐蚀微生物的分子生物学、组学、表面分析科学等领域有很大进展,如基于上述有关技术,Iwona Beech 等已研发成功了几乎可以原位分析生物膜和细菌代谢产物的取样-分子生物学- 质谱分析技术,对微生物的群落、生物代谢物质和腐蚀产物等的分析具有重要推动作用。当前,我们国家可能也正在经历一个生物腐蚀和污损研究的上升期和活跃期,这也是与我们国家海洋资源开发、城镇化水平和综合国力的整体提升相关联的。


    生物污损是由于污损生物在人造设施或材料表面的附着而对设施设备的功能和人类生产活动造成负面影响的现象。生物污损与微生物腐蚀在实际海水环境发生过程中具有连续性,具有共生性的生物群落集聚现象,但二者总体还是有着显著不同的两个自然现象。在研究方法、手段和研究关注重点上也有着许多不同,开展先进防污技术的研究无疑历来是研究的重点,但对生物污损发生过程、规律的研究同样具有重要意义。


    我国在防污技术领域的发展总体是在快速发展的,比如压载水舱电解防污技术领域,国内中船重工725 所等有关单位已做出了很好的产业化发展。在防污涂料领域,国内海洋化工研究院、厦门725 所等有若干研究所、大学和有关企业在防污涂料研发、性能测试和产品应用等方面也都有很好的业绩。但在防污涂料领域,国外有关防污涂料企业在市场占有率等方面仍有较大优势。当前,防污技术正朝着无毒、环保、长效、功能化和综合化等方面发展。许多具有功能性的防污材料如自抛光水解性、粘弹性、自修复释放等树脂类防污材料、功能材料已开展大量的研究测试,有的已产品化、产业化。防污技术是综合性技术,特别是对于静态或固定设施,如水下采油平台、码头、取水隧道等,有时仅仅采用防污涂层技术还是不够的,包括生物污损的监测、机械去除和新型防污技术的研发都是有必要的,这方面还需要进一步研发。


    生物污损与海域、季节、温度及附着生物本身等环境生物因素有密切关系。海藻、藤壶、贻贝、牡蛎等典型污损生物其生态习性和变态附着规律各有不同。国家海洋局第三海洋研究所的黄宗国教授所著的《海洋污损生物及其防除》是我国生物污损研究领域的重要著作。中科院海洋所、中科院南海所、中国海洋大学、厦门大学、上海海洋大学等单位在海洋生物分类、培育和养殖、生态等方面的研究十分齐全;但生物由于污损常常与工程设施相关联,海洋生物学家专门从事污损生物研究特别是污损生物生态研究的专家不是很多。


    近十年来,美国和欧洲的生物污损研究仍处于活跃期,有一大批专家和企业在从事生物污损、防污材料的团队在开展该领域的研究开发。开展污损规律和防污技术研究,无疑需要建立有关加速研发平台,也需要上下游研发、应用单位的通力合作。目前在欧盟有关项目支持下,英国纽卡斯尔大学、伯明翰大学等在模式污损生物培养与生物污损评价加速测试、先进防污材料与涂料研发,以及研究单位与企业的合作模式方面都做得很好,值得我们学习。


    我国的生物腐蚀和污损研究可以说方兴未艾,有志于从事海洋腐蚀和污损研究的青年人可以大显身手。与国外相比,从科学研究和成果转化与产业化角度,我国目前在源头创新和产业化技术创新与应用方面都还需亟待提高。需要进一步整合有关科研、企业应用等上下游资源,建立生物腐蚀与污损研究的平台,特别是在腐蚀微生物和污损生物培育、腐蚀微生物与污损生物群落与演替过程、微生物和污损生物生理生态研究等方面夯实基础,在先进防腐防污材料、防腐防污技术创新研究及工程化和产业化应用等方面开展系统研究。


    记者:海洋微生物腐蚀与生物污损这个领域有哪些亟待解决的重大科学问题?


    段研究员:
海洋微生物腐蚀与生物污损属于典型的交叉学科,生物、材料、化学等不同学科背景的人对其理解可能十分不同,对所谓重大科学的问题的理解和认识也会有差异。有位美国科学家说过,“微生物腐蚀是海洋腐蚀的另一半(未解决的科学问题)”,至今,微生物腐蚀仍有很多问题亟待探明。比如,在碳钢、不锈钢、铜表面的腐蚀微生物群落是不同的,充分研究认识微生物腐蚀规律,有望为开发耐海水腐蚀材料提供重要技术支撑。


    海洋生物污损更被认为是“世界性难题”,上世纪六十年代,我国曾专门组织科技攻关,解决舰船的生物污损问题,并成功开发了海洋防污涂料。但随着环境保护要求的提高,从源头上开展生物污损规律研究,并发展绿色、环保的防污技术成为新的需求。但这不是一两个人、一两个团队能够解决的,需要国家层面予以充分重视,也需研究团体从不同的角度、做长期的、持续不断的努力。


    目前,在微生物腐蚀领域,我们正在开展腐蚀微生物群落的高通量测序及腐蚀微生物的宏基因组及微生物- 材料腐蚀生态学的有关研究,有望对微生物腐蚀机制有更进一步的理解。


    当前,随着国际和我国海洋开发的深入,新的海洋微生物腐蚀和生物污损问题也不断出现。需要我们针对其特点开展有关的腐蚀和污损规律和防腐防污技术研究,既要发现共性科学问题,又要研究专门的科学和技术问题。


   
记者:在您的科研过程中,有没有特别令您印象深刻的科研经历?可否分享一下您印象深刻的案例?


   
段研究员:
科研路上若没有导师的指导和前辈、同事、同行的帮助和进步,难以取得任何成绩,当初闯入微生物腐蚀研究也实属偶然。我本人是学化学出身,真正开始微生物腐蚀学习研究还是在博士期间,导师是侯保荣教授。侯老师当时正在申请一个海泥环境中微生物腐蚀的基金,后来基金委作为主任基金批准,才开始做这方面的研究了。当时海洋所的海洋微生物老专家陈騳教授还专门赠给我有关微生物研究的有关资料。自己当时第一次从海泥中培养出硫酸盐还原细菌(SRB),并开展了微生物腐蚀的初步研究。后来,基金研究获评优秀,科学时报还专门采访,并以“吃铁的细菌亦有大用”被报道。博士后期间,日本东京工业大学水流徹教授与侯保荣院士有一个日中国际合作项目,包含微生物腐蚀的研究内容,经两位教授推荐,安排我去东京工业大学丹治保典教授实验室学习研究6 个月,在丹治教授实验室又开展了比较系统的微生物方面的学习研究工作。


    在博士后期间,申请了一项青年基金,是关于厌氧细菌影响的钢铁锈层转化及其腐蚀行为的研究。我们目前973工作的部分内容也是这个研究的进一步延伸。这个基金做的成功的一点是从钢铁锈层里培养出一株SRB,做了比较系统的微生物腐蚀试验。在此基础上,又开展了电活性生物膜研究、微生物污损研究,对微生物电极电子传递机理,电位变正机理、锈层生物矿化和微生物群落开展系统研究。


    积极参与国际、国内交流与合作可能算是我在科研方面的一个特色。我十数次参加在微生物腐蚀、生物污损领域的国际会议。近年来,也邀请国外多位微生物腐蚀和微生物生态领域专家到海洋所访问交流,参与中日防腐防污方面的合作研究,受益匪浅。近年来,也接受了伊朗、印度、俄罗斯等国家的青年学者来所合作研究。同时,与国内微生物腐蚀、生物污损等领域的同行专家及有关企业有着比较密切的交流。


    目前我们国家的资助模式和研究模式与之前相比正在发生变化,产、学、研、用结合更加密切,我相信有更多的人可以真正安下心来,去做真正的科研了!


    记者:随着海洋开发逐步走向深海,海洋微生物腐蚀这个领域的研究会为深海开发提供怎样的理论依据和技术支撑?


    段研究员:
随着我国海洋资源和海洋开发走向深海大洋,深海油气、采矿、钻探、观测、渔业等设施装备不断增多,深海腐蚀研究的重要性日渐凸显。与浅海环境相比,人们对深海环境腐蚀规律研究还十分不充分,所涉及的深海微生物腐蚀的研究就更少,深海微生物腐蚀和微生物污损都可能对设施造成影响,如海底管线、牺牲阳极、锚链等的腐蚀失效都可能有腐蚀微生物的参与,值得去进一步研究。但目前在研究手段上仍常常受制于试验条件和试验设施,今后随着深海腐蚀装置和测试分析技术等方面进一步发展,深海腐蚀包括深海微生物腐蚀规律会进一步阐明,深海材料、设施和装备会得到更好的研发、保护和应用。


    后记:
随着“一带一路”和“海洋强国”战略的提出,我国对海洋资源的开发将步入新纪元。海洋工程设施的发展和多样化需求,给微生物腐蚀与生物污损的研究和探索提出了更高的要求。


    人物简介


    段继周,男,1972年生,中国科学院海洋化学专业理学博士(2003),中国海洋大学博士后。现为中国科学院海洋研究所研究员,博士生导师,中国科学院海洋环境腐蚀与生物污损重点实验室副主任。兼任中国腐蚀与防护学会青年委员会副主任委员、中国海洋湖沼学会海洋腐蚀与污损专业委员会秘书长、全国涂料与颜料标准化委员会专家委员、山东省暨青岛市腐蚀与防护学会理事等职。多年来主要从事海洋微生物腐蚀机制与防护技术研究,近年来也在开展海洋生物污损过程与绿色防污技术研究。先后主持和参与多项国家基金、国家科技支撑计划、国家“973”项目、中国科学院先导科技专项及中广核、中海油等企业合作和中日等国际合作项目等。已发表论文80余篇,发明专利6项,参编专著3部;培养研究生近20名。作为第一获奖人,“海洋环境中硫酸盐还原细菌的厌氧腐蚀作用机理”获2012年度青岛市自然科学奖二等奖等奖项。

 

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标签: 段继周, 微生物腐蚀, 生物污损, 腐蚀

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