建筑行業微生物腐蝕與防護研究進展
摘要(yao)
綜述(shu)了導致混(hun)凝(ning)土材(cai)(cai)料和金(jin)屬材(cai)(cai)料微(wei)生物腐(fu)蝕(shi)的(de)研(yan)(yan)究現狀，分別闡述(shu)了其微(wei)生物腐(fu)蝕(shi)的(de)機(ji)理，包(bao)括混(hun)凝(ning)土生物硫(liu)酸腐(fu)蝕(shi)機(ji)制(zhi)、金(jin)屬微(wei)生物腐(fu)蝕(shi)的(de)經典腐(fu)蝕(shi)機(ji)制(zhi)和細胞外電(dian)子(zi)轉移(yi)機(ji)制(zhi)。概述(shu)了現有的(de)建筑行業混(hun)凝(ning)土和金(jin)屬材(cai)(cai)料微(wei)生物腐(fu)蝕(shi)及混(hun)凝(ning)土改性(xing)、制(zhi)備(bei)保護(hu)涂層材(cai)(cai)料、添(tian)加殺菌(jun)劑等(deng)防護(hu)方法的(de)研(yan)(yan)究進展，為后續(xu)建筑材(cai)(cai)料微(wei)生物腐(fu)蝕(shi)機(ji)制(zhi)和防護(hu)技術的(de)深入研(yan)(yan)究提(ti)供參考。
關鍵詞： 建筑行業； 微生物腐蝕； 混凝土材料； 金屬材料； 腐蝕防護
微生物腐蝕(shi) （MIC） 是指由微生物自身及其代謝活動直(zhi)接(jie)或間接(jie)地導(dao)致或加速材(cai)料腐蝕(shi)的(de)(de)現象(xiang)[1]，在(zai)石油天然(ran)氣(qi)工(gong)業、海洋工(gong)業、水處理系統、城(cheng)市環境工(gong)程(cheng)和核(he)廢料存儲(chu)設施等廣泛存在(zai)[2-10]。微生物腐蝕(shi)是一個復雜的(de)(de)過(guo)程(cheng)，包含細(xi)菌、真菌、古細(xi)菌等多(duo)種(zhong)微生物的(de)(de)作(zuo)用(yong)，并(bing)且(qie)能對多(duo)種(zhong)工(gong)程(cheng)材(cai)料產生腐蝕(shi)作(zuo)用(yong)。據統計(ji)微生物所造成的(de)(de)腐蝕(shi)損失(shi)占總(zong)腐蝕(shi)的(de)(de)20%[11-14]。
混凝(ning)土(tu)材(cai)料和(he)鋼鐵結構(gou)材(cai)料等存在(zai)(zai)著嚴(yan)重的(de)(de)(de)(de)微(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕問題(ti)，在(zai)(zai)城市環(huan)境地(di)下工程(cheng)中，污水輸(shu)送和(he)處理設(she)施(shi)大(da)多為鋼筋(jin)混凝(ning)土(tu)結構(gou)，長期受到酸[15,16]、磨(mo)損[17]、微(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)[18]和(he)其他腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕作用(yong)的(de)(de)(de)(de)影(ying)響，其腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕成(cheng)本巨大(da)[19,20]。微(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)還會(hui)對(dui)建筑(zhu)中廣泛使用(yong)的(de)(de)(de)(de)金屬材(cai)料產生(sheng)(sheng)(sheng)嚴(yan)重的(de)(de)(de)(de)腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕影(ying)響，2006年橫貫(guan)阿拉(la)斯(si)加的(de)(de)(de)(de)管(guan)道泄漏被(bei)(bei)普遍認(ren)為是微(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕造(zao)成(cheng)的(de)(de)(de)(de)[21]。鋼結構(gou)的(de)(de)(de)(de)橋梁在(zai)(zai)海(hai)洋壞境中服役面臨著嚴(yan)重的(de)(de)(de)(de)腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕挑戰，其中微(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕的(de)(de)(de)(de)問題(ti)不容忽視。海(hai)岸線附近的(de)(de)(de)(de)工程(cheng)、建筑(zhu)所發(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)(de)局部腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕加速(su)的(de)(de)(de)(de)現象常被(bei)(bei)稱為低(di)水位加速(su)腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕，當前可以認(ren)為低(di)水位加速(su)腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕是微(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕的(de)(de)(de)(de)一種[22]，如(ru)不能及時發(fa)現可能引(yin)發(fa)建筑(zhu)材(cai)料的(de)(de)(de)(de)腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕穿孔、回填損失等，嚴(yan)重影(ying)響建筑(zhu)工程(cheng)材(cai)料的(de)(de)(de)(de)服役壽命和(he)安全。
在建筑行業中混凝(ning)土(tu)材料(liao)和金(jin)屬結構材料(liao)微生(sheng)(sheng)物腐蝕的特點和機制(zhi)是不同的，本文將分別對這兩種材料(liao)的微生(sheng)(sheng)物腐蝕展開(kai)論述。
1 混凝土微生物腐蝕
1.1 混凝土(tu)材料的微生物(wu)腐(fu)蝕概(gai)述
混(hun)凝(ning)土(tu)材(cai)料以其價格低廉、施(shi)工(gong)(gong)方便、取材(cai)廣(guang)泛和耐久性好等(deng)特點在建筑(zhu)行業(ye)中應(ying)用最為廣(guang)泛。伴隨我國社(she)會經(jing)濟的高(gao)速(su)發展，高(gao)層建筑(zhu)、大(da)跨度橋(qiao)梁、大(da)型水利工(gong)(gong)程(cheng)、城市(shi)軌道(dao)交通、城市(shi)下(xia)水道(dao)系統等(deng)大(da)型工(gong)(gong)程(cheng)的建設數量位于世界(jie)前列。我國2016年(nian)的商品(pin)混(hun)凝(ning)土(tu)產量已經(jing)達到(dao)17.92億立方米[23]。生(sheng)物(wu)腐蝕(shi)在混(hun)凝(ning)土(tu)材(cai)料的腐蝕(shi)降解(jie)中起到(dao)重要作用，混(hun)凝(ning)土(tu)微生(sheng)物(wu)腐蝕(shi) （MICC） 是(shi)下(xia)水道(dao)系統、海(hai)底管(guan)道(dao)、橋(qiao)墩、油氣管(guan)道(dao)、儲(chu)罐和海(hai)上平臺(tai)材(cai)料所(suo)面臨的一(yi)個嚴重問題。
Parker[24,25]最(zui)早(zao)提(ti)出污水管(guan)道(dao)的(de)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)失效與(yu)微(wei)(wei)生物(wu)(wu)的(de)代(dai)謝活動(dong)(dong)相(xiang)關，并從(cong)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)的(de)混(hun)(hun)(hun)(hun)凝(ning)(ning)土(tu)(tu)表面分(fen)離出5種硫(liu)(liu)(liu)桿菌(jun)(jun)(jun)菌(jun)(jun)(jun)株，并證實了其(qi)產(chan)酸(suan)作用(yong)與(yu)混(hun)(hun)(hun)(hun)凝(ning)(ning)土(tu)(tu)的(de)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)相(xiang)關。除了下水道(dao)系(xi)統(tong)外，混(hun)(hun)(hun)(hun)凝(ning)(ning)土(tu)(tu)的(de)微(wei)(wei)生物(wu)(wu)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)在(zai)石(shi)油(you)(you)和(he)(he)(he)天然氣管(guan)道(dao)、儲(chu)罐(guan)和(he)(he)(he)海(hai)上平臺中(zhong)(zhong)(zhong)也很普遍(bian)[26,27]。混(hun)(hun)(hun)(hun)凝(ning)(ning)土(tu)(tu)和(he)(he)(he)砂漿襯里(li)由于(yu)(yu)其(qi)堿(jian)性(xing)(xing)在(zai)鋼(gang)表面形(xing)(xing)成一層(ceng)(ceng)防腐(fu)(fu)(fu)鈍化(hua)(hua)膜 （Fe2O3），被廣泛用(yong)作金屬(shu)管(guan)道(dao)的(de)保護層(ceng)(ceng)。混(hun)(hun)(hun)(hun)凝(ning)(ning)土(tu)(tu)用(yong)作外部保護層(ceng)(ceng)，用(yong)作油(you)(you)氣管(guan)道(dao)的(de)防腐(fu)(fu)(fu)涂層(ceng)(ceng)，或在(zai)海(hai)上應(ying)(ying)用(yong)時提(ti)供浮(fu)力(li)[28]。然而，海(hai)洋或地下環境(jing)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)微(wei)(wei)生物(wu)(wu)的(de)存(cun)在(zai)會(hui)通過影(ying)響氧(yang)濃度、改(gai)變pH和(he)(he)(he)產(chan)生腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)性(xing)(xing)代(dai)謝物(wu)(wu)來產(chan)生侵蝕(shi)性(xing)(xing)環境(jing)，從(cong)而顯著影(ying)響混(hun)(hun)(hun)(hun)凝(ning)(ning)土(tu)(tu)的(de)耐久性(xing)(xing)。硫(liu)(liu)(liu)酸(suan)鹽(yan)還原菌(jun)(jun)(jun) （SRB） 的(de)活動(dong)(dong)可導(dao)致(zhi)(zhi)用(yong)于(yu)(yu)石(shi)油(you)(you)儲(chu)罐(guan)和(he)(he)(he)海(hai)上結構平臺支(zhi)腿的(de)混(hun)(hun)(hun)(hun)凝(ning)(ning)土(tu)(tu)嚴重劣化(hua)(hua)。由于(yu)(yu)石(shi)油(you)(you)和(he)(he)(he)燃料從(cong)使(shi)用(yong)海(hai)水的(de)儲(chu)存(cun)系(xi)統(tong)中(zhong)(zhong)(zhong)排出，硫(liu)(liu)(liu)酸(suan)鹽(yan)的(de)存(cun)在(zai)有利于(yu)(yu)SRB的(de)生長(chang)。儲(chu)存(cun)系(xi)統(tong)中(zhong)(zhong)(zhong)水相(xiang)氧(yang)濃度的(de)波(bo)動(dong)(dong)也可能有助于(yu)(yu)SRB和(he)(he)(he)硫(liu)(liu)(liu)氧(yang)化(hua)(hua)菌(jun)(jun)(jun) （SOB） 的(de)結合(he)(he)，從(cong)而形(xing)(xing)成酸(suan)性(xing)(xing)代(dai)謝物(wu)(wu)[29]。好氧(yang)的(de)油(you)(you)氧(yang)化(hua)(hua)細菌(jun)(jun)(jun) （OOB） 和(he)(he)(he)SRB之(zhi)間的(de)營養共生關系(xi)也與(yu)油(you)(you)水系(xi)統(tong)中(zhong)(zhong)(zhong)混(hun)(hun)(hun)(hun)凝(ning)(ning)土(tu)(tu)成分(fen)的(de)惡化(hua)(hua)有關。OOB在(zai)原油(you)(you)上比SRB先產(chan)生有機(ji)酸(suan)，主(zhu)要是乙酸(suan)，因(yin)此降低了水的(de)酸(suan)堿(jian)度。隨著時間的(de)推移(yi)，混(hun)(hun)(hun)(hun)凝(ning)(ning)土(tu)(tu)和(he)(he)(he)酸(suan)性(xing)(xing)化(hua)(hua)合(he)(he)物(wu)(wu)之(zhi)間的(de)化(hua)(hua)學反應(ying)(ying)導(dao)致(zhi)(zhi)了膨脹(zhang)的(de)含鈣化(hua)(hua)合(he)(he)物(wu)(wu)的(de)形(xing)(xing)成，使(shi)混(hun)(hun)(hun)(hun)凝(ning)(ning)土(tu)(tu)變得(de)疏(shu)松多孔。對于(yu)(yu)鋼(gang)筋混(hun)(hun)(hun)(hun)凝(ning)(ning)土(tu)(tu)結構，微(wei)(wei)生物(wu)(wu)分(fen)泌(mi)的(de)硫(liu)(liu)(liu)酸(suan)等酸(suan)性(xing)(xing)代(dai)謝物(wu)(wu)與(yu)混(hun)(hun)(hun)(hun)凝(ning)(ning)土(tu)(tu)中(zhong)(zhong)(zhong)存(cun)在(zai)的(de)氫氧(yang)化(hua)(hua)鈣之(zhi)間的(de)反應(ying)(ying)導(dao)致(zhi)(zhi)可膨脹(zhang)產(chan)物(wu)(wu)的(de)形(xing)(xing)成，例如石(shi)膏(gao)和(he)(he)(he)鈣礬(fan)石(shi)，這(zhe)會(hui)增加混(hun)(hun)(hun)(hun)凝(ning)(ning)土(tu)(tu)的(de)內(nei)部壓(ya)力(li)并產(chan)生裂縫(feng)和(he)(he)(he)點(dian)蝕(shi)[30]。
1.2 造成混凝土材料腐(fu)蝕的微(wei)生物
可(ke)導致(zhi)(zhi)混(hun)(hun)(hun)凝(ning)(ning)(ning)(ning)(ning)土(tu)(tu)材(cai)(cai)料(liao)腐蝕(shi)的(de)(de)微(wei)(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)種類繁多。首先在(zai)厭氧條件下，廢(fei)(fei)水和(he)(he)沉積(ji)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)中(zhong)的(de)(de)硫酸(suan)(suan)(suan)(suan)鹽(yan)還(huan)(huan)(huan)原(yuan)菌(jun)代謝(xie)產(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)H2S，然后(hou)部分(fen)H2S與(yu)(yu)大氣中(zhong)的(de)(de)氧氣反應，在(zai)廢(fei)(fei)水上方的(de)(de)頂部空間(jian)生(sheng)(sheng)(sheng)成(cheng)(cheng)(cheng)S和(he)(he)硫代硫酸(suan)(suan)(suan)(suan)鹽(yan)。最后(hou)，混(hun)(hun)(hun)凝(ning)(ning)(ning)(ning)(ning)土(tu)(tu)表(biao)(biao)面(mian)凝(ning)(ning)(ning)(ning)(ning)結水中(zhong)存在(zai)的(de)(de)硫氧化(hua)(hua)細菌(jun)將溶解的(de)(de)硫化(hua)(hua)氫(qing)和(he)(he)其(qi)他硫化(hua)(hua)合物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)氧化(hua)(hua)成(cheng)(cheng)(cheng)硫酸(suan)(suan)(suan)(suan)，從而(er)腐蝕(shi)混(hun)(hun)(hun)凝(ning)(ning)(ning)(ning)(ning)土(tu)(tu)。有證據(ju)表(biao)(biao)明，硫桿(gan)菌(jun) （Thiobacillus sp.） 屬是(shi)導致(zhi)(zhi)混(hun)(hun)(hun)凝(ning)(ning)(ning)(ning)(ning)土(tu)(tu)材(cai)(cai)料(liao)微(wei)(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)腐蝕(shi)的(de)(de)主要微(wei)(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)[25,31]。混(hun)(hun)(hun)凝(ning)(ning)(ning)(ning)(ning)土(tu)(tu)表(biao)(biao)面(mian)的(de)(de)硫桿(gan)菌(jun)通過(guo)氧化(hua)(hua)硫或還(huan)(huan)(huan)原(yuan)態的(de)(de)硫化(hua)(hua)合物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)形成(cheng)(cheng)(cheng)硫酸(suan)(suan)(suan)(suan)，從而(er)侵蝕(shi)混(hun)(hun)(hun)凝(ning)(ning)(ning)(ning)(ning)土(tu)(tu)的(de)(de)膠(jiao)凝(ning)(ning)(ning)(ning)(ning)基質，造(zao)成(cheng)(cheng)(cheng)混(hun)(hun)(hun)凝(ning)(ning)(ning)(ning)(ning)土(tu)(tu)材(cai)(cai)料(liao)強度和(he)(he)粘結力的(de)(de)損失。一些與(yu)(yu)混(hun)(hun)(hun)凝(ning)(ning)(ning)(ning)(ning)土(tu)(tu)腐蝕(shi)有關的(de)(de)硫桿(gan)菌(jun)，如(ru)Thiobacillus thiooxidans[32]、Thiobacillus intermedius[33]、Thiobacillus perometabolis[26]、Thiobacillus novellus[32]、Thiobacillus thioparus[34]、Thiobacillus neapolitanus[32]和(he)(he)Thiobacillus versutus[18]，它們(men)都(dou)能夠(gou)氧化(hua)(hua)無(wu)機還(huan)(huan)(huan)原(yuan)態含硫化(hua)(hua)合物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)[32,35]。研(yan)究還(huan)(huan)(huan)表(biao)(biao)明鐵(tie)氧化(hua)(hua)細菌(jun)，如(ru)Thiobacillus ferrooxidans[36]，參與(yu)(yu)了污水管道中(zhong)硫酸(suan)(suan)(suan)(suan)的(de)(de)產(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)[36]。此外，在(zai)混(hun)(hun)(hun)凝(ning)(ning)(ning)(ning)(ning)土(tu)(tu)建筑中(zhong)還(huan)(huan)(huan)曾發現大量的(de)(de)硝(xiao)(xiao)(xiao)化(hua)(hua)微(wei)(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)，這些微(wei)(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)可(ke)以(yi)代謝(xie)來自(zi)污染空氣的(de)(de)氨氣和(he)(he)一氧化(hua)(hua)氮等無(wu)機物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)，最終產(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)硝(xiao)(xiao)(xiao)酸(suan)(suan)(suan)(suan)，也會對混(hun)(hun)(hun)凝(ning)(ning)(ning)(ning)(ning)土(tu)(tu)材(cai)(cai)料(liao)造(zao)成(cheng)(cheng)(cheng)嚴重的(de)(de)腐蝕(shi)[37]。污水處理廠的(de)(de)硝(xiao)(xiao)(xiao)化(hua)(hua)池中(zhong)也可(ke)以(yi)明顯(xian)觀察到混(hun)(hun)(hun)凝(ning)(ning)(ning)(ning)(ning)土(tu)(tu)材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)腐蝕(shi)，硝(xiao)(xiao)(xiao)化(hua)(hua)細菌(jun)在(zai)混(hun)(hun)(hun)凝(ning)(ning)(ning)(ning)(ning)土(tu)(tu)表(biao)(biao)面(mian)形成(cheng)(cheng)(cheng)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)膜，通過(guo)氧化(hua)(hua)NH3形成(cheng)(cheng)(cheng)硝(xiao)(xiao)(xiao)酸(suan)(suan)(suan)(suan)鹽(yan)并降低(di)pH[38]。
有(you)些學者還(huan)將(jiang)最初混(hun)(hun)凝(ning)(ning)土(tu)(tu)表(biao)面pH的(de)(de)降低歸因于(yu)真(zhen)菌的(de)(de)生(sheng)長[31,39]。Mori等[31]發現了一種在高pH下生(sheng)長并能(neng)將(jiang)pH值降低到適合T. thiooxidans生(sheng)長的(de)(de)綠色(se)真(zhen)菌。Gu等[39]認為觀察到的(de)(de)Fusarium sp.對混(hun)(hun)凝(ning)(ning)土(tu)(tu)有(you)著(zhu)比嗜中性(xing)細菌T.intermedius更(geng)為有(you)害的(de)(de)影響(xiang)。真(zhen)菌Fusarium sp.和Penicillium frequentans[40]可(ke)以(yi)造(zao)(zao)成混(hun)(hun)凝(ning)(ning)土(tu)(tu)材料的(de)(de)腐蝕，除(chu)產生(sheng)有(you)機酸外，Fusarium sp.等真(zhen)菌還(huan)可(ke)以(yi)通過物理方式如通過菌絲滲(shen)透到混(hun)(hun)凝(ning)(ning)土(tu)(tu)表(biao)面對混(hun)(hun)凝(ning)(ning)土(tu)(tu)造(zao)(zao)成破壞。
1.3 混(hun)凝(ning)土材料微生物腐蝕機理
各(ge)種(zhong)微生(sheng)(sheng)(sheng)物產生(sheng)(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)(sheng)物源性(xing)(xing)有機酸(suan)(suan)(suan) （乙酸(suan)(suan)(suan)、乳酸(suan)(suan)(suan)、丁酸(suan)(suan)(suan)等(deng)） 和CO2對混(hun)(hun)(hun)凝(ning)(ning)土(tu)(tu)(tu)具(ju)有極強的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)腐(fu)(fu)(fu)蝕性(xing)(xing)[41,42]。導(dao)致(zhi)下水(shui)道混(hun)(hun)(hun)凝(ning)(ning)土(tu)(tu)(tu)管道快速惡化(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)最具(ju)腐(fu)(fu)(fu)蝕性(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)是H2S，存(cun)在的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)硫(liu)氧化(hua)細菌將溶解在水(shui)分中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)H2S氧化(hua)成硫(liu)酸(suan)(suan)(suan) （H2SO4），這種(zhong)生(sheng)(sheng)(sheng)物硫(liu)酸(suan)(suan)(suan)被認為(wei)是造(zao)成混(hun)(hun)(hun)凝(ning)(ning)土(tu)(tu)(tu)腐(fu)(fu)(fu)蝕的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)重要原(yuan)因。這種(zhong)生(sheng)(sheng)(sheng)物硫(liu)酸(suan)(suan)(suan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)釋放會(hui)降解混(hun)(hun)(hun)凝(ning)(ning)土(tu)(tu)(tu)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)膠凝(ning)(ning)材(cai)料(liao)，從而(er)(er)產生(sheng)(sheng)(sheng)具(ju)有膨脹性(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)石(shi)膏 （各(ge)種(zhong)水(shui)化(hua)狀(zhuang)態的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)CaSO4）[31]和不同的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)鈣(gai)礬石(shi) （3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O或3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O）。石(shi)膏可(ke)以(yi)(yi)作為(wei)混(hun)(hun)(hun)凝(ning)(ning)土(tu)(tu)(tu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)保護(hu)層，如果去除石(shi)膏的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)“保護(hu)性(xing)(xing)”涂層，混(hun)(hun)(hun)凝(ning)(ning)土(tu)(tu)(tu)表(biao)面可(ke)能會(hui)暴露在酸(suan)(suan)(suan)蝕促(cu)進劑中(zhong)(zhong)(zhong)，加速表(biao)面的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)損壞。此(ci)外，混(hun)(hun)(hun)凝(ning)(ning)土(tu)(tu)(tu)中(zhong)(zhong)(zhong)石(shi)膏和鋁酸(suan)(suan)(suan)鈣(gai)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)混(hun)(hun)(hun)合物會(hui)產生(sheng)(sheng)(sheng)鈣(gai)礬石(shi)，從而(er)(er)增加因其(qi)體積較大而(er)(er)引起的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)內部壓(ya)力，并導(dao)致(zhi)裂縫的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)形成[43]。隨(sui)著污水(shui)流去除劣化(hua)材(cai)料(liao)，新的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)混(hun)(hun)(hun)凝(ning)(ning)土(tu)(tu)(tu)表(biao)面暴露在污水(shui)中(zhong)(zhong)(zhong)，混(hun)(hun)(hun)凝(ning)(ning)土(tu)(tu)(tu)腐(fu)(fu)(fu)蝕過程(cheng)加速[31]。即使(shi)混(hun)(hun)(hun)凝(ning)(ning)土(tu)(tu)(tu)中(zhong)(zhong)(zhong)沒(mei)有明(ming)顯的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)裂縫，微生(sheng)(sheng)(sheng)物也(ye)可(ke)以(yi)(yi)穿透混(hun)(hun)(hun)凝(ning)(ning)土(tu)(tu)(tu)基(ji)質[44]。最常見的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)進入機制是通過微裂紋或通過混(hun)(hun)(hun)凝(ning)(ning)土(tu)(tu)(tu)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)毛細管進入。此(ci)外，研(yan)究表(biao)明(ming)微生(sheng)(sheng)(sheng)物還(huan)會(hui)對混(hun)(hun)(hun)凝(ning)(ning)土(tu)(tu)(tu)基(ji)質的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)作用并導(dao)致(zhi)其(qi)疏(shu)松多孔，從而(er)(er)改變混(hun)(hun)(hun)凝(ning)(ning)土(tu)(tu)(tu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)擴散率[44]。更(geng)多的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)孔隙也(ye)會(hui)導(dao)致(zhi)更(geng)嚴重的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)表(biao)面磨(mo)損，從而(er)(er)降低鋼筋外混(hun)(hun)(hun)凝(ning)(ning)土(tu)(tu)(tu)保護(hu)層的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)深度，從而(er)(er)促(cu)進鋼筋的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)腐(fu)(fu)(fu)蝕。
混凝土管道最主要的微生物腐蝕方式是生物硫酸腐蝕 （BSA）。該過程一般分為3個階段。第一階段，混凝土表面的酸堿性中和。新混凝土的pH為11~13，如此高的pH是不利于硫氧化細菌生長的。然而H2S氣體會吸附在混凝土表面，并與羥鈣石 （CH） 和硅酸鈣水合物 （CSH） 反應，從而使混凝土表面的pH降到9以下[45,46]。這一階段的pH下降是沒有細菌參與的，H2S擴散到混凝土表面層，在無細菌作用下被氧化為硫代硫酸，促進混凝土表面的中和反應[47]。第二階段，產硫酸的硫氧化細菌的生長。當混凝土表面的pH下降到9以下時，一些硫氧化細菌開始生長并在混凝土表面形成生物膜。雖然對于生物膜內的微生物活動不能完全了解，但普遍認為生物膜內的硫化氫被硫氧化微生物緩慢地氧化成硫酸。當下降到pH 4~5時，嗜酸的硫氧化微生物就會氧化產生更多的硫酸，從而對混凝土造成更嚴重的破壞。若有足夠的硫源，混凝土表面的pH甚至可以下降到1[31]。第三階段，混凝土硫酸腐蝕。生物硫酸會滲透進混凝土，并與羥鈣石和硅酸鈣水合物反應。硫酸鹽的充足供應和酸的侵入可能導致形成鈣礬石 （3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O）。Gabrisova等[48,49]研究發現鈣礬石在pH 12~12.5范圍內時開始形成，當降到pH 10.7時，鈣礬石開始分解成石膏。而腐蝕微生物被膜內的pH可能低于3[50]，這明顯滿足鈣礬石分解的pH要求。
2 建筑行(xing)業中金屬材料的微生物腐蝕
2.1 建筑行業中金(jin)屬(shu)材料的微生物(wu)腐(fu)蝕概述
近年來(lai)金屬(shu)的(de)(de)微生物腐(fu)蝕(shi)(shi)造成的(de)(de)危害(hai)引發了全世界的(de)(de)關注(zhu)。海洋平臺、海水(shui)淡化設施、污水(shui)處理系統中(zhong)的(de)(de)鋼(gang)筋(jin)結構的(de)(de)腐(fu)蝕(shi)(shi)，碳鋼(gang)石油天然氣管道(dao)的(de)(de)腐(fu)蝕(shi)(shi)穿孔[51]和暴露在(zai)海水(shui)中(zhong)的(de)(de)碳鋼(gang)樁的(de)(de)腐(fu)蝕(shi)(shi)[52]等，都和微生物的(de)(de)作用密切相關。
微(wei)(wei)生物(wu)腐(fu)蝕(shi)幾乎可以在所有常用(yong)工(gong)程(cheng)材(cai)(cai)料(liao)表(biao)面(mian)發生，參(can)與(yu)了(le)工(gong)程(cheng)材(cai)(cai)料(liao)在海洋底泥區(qu)、全(quan)浸(jin)區(qu)、潮差(cha)區(qu)和飛(fei)濺區(qu)的(de)腐(fu)蝕(shi)過程(cheng)[53]。碼(ma)頭和港(gang)口的(de)建(jian)設中常用(yong)的(de)碳鋼(gang)(gang)樁，經(jing)常處(chu)(chu)于無保(bao)護(hu)狀態或低保(bao)護(hu)狀態，因此容(rong)易受到海水(shui)和微(wei)(wei)生物(wu)的(de)侵蝕(shi)。鋼(gang)(gang)樁的(de)腐(fu)蝕(shi)速(su)率與(yu)鋼(gang)(gang)樁所處(chu)(chu)海域、氣(qi)候條(tiao)件、暴露條(tiao)件等都有關系(xi)，通(tong)常在浪(lang)花飛(fei)濺區(qu)或潮差(cha)區(qu)的(de)腐(fu)蝕(shi)速(su)率最快(kuai)。然而在低水(shui)位加速(su)腐(fu)蝕(shi)的(de)情況下，鋼(gang)(gang)樁的(de)腐(fu)蝕(shi)速(su)率能夠達到0.5 mm/a甚至更(geng)高(gao)，顯著縮(suo)短了(le)海洋工(gong)程(cheng)結構材(cai)(cai)料(liao)的(de)服(fu)役壽命[22]。
微(wei)生(sheng)物(wu)腐(fu)蝕(shi)是(shi)埋地管(guan)線(xian)鋼在(zai)土壤(rang)中最具破壞性(xing)的(de)失效(xiao)方(fang)式之一[54]。超過20%的(de)管(guan)道腐(fu)蝕(shi)問題(ti)與微(wei)生(sheng)物(wu)有關[55]。SRB、鐵(tie)還原(yuan)/氧化菌(jun)和CO2還原(yuan)菌(jun)是(shi)管(guan)道腐(fu)蝕(shi)的(de)典型微(wei)生(sheng)物(wu)。其(qi)中，SRB引起的(de)微(wei)生(sheng)物(wu)腐(fu)蝕(shi)在(zai)土壤(rang)環境中最為(wei)普遍。
混凝(ning)(ning)土材料的(de)(de)(de)(de)(de)(de)孔(kong)隙溶液(ye)一般有較(jiao)高(gao)堿度 （pH＞13.5），這會對鋼(gang)(gang)(gang)(gang)筋(jin)(jin)(jin)提(ti)供高(gao)度的(de)(de)(de)(de)(de)(de)防腐(fu)保(bao)護(hu)，在高(gao)堿度下，鋼(gang)(gang)(gang)(gang)筋(jin)(jin)(jin)保(bao)持著鈍化(hua)(hua)狀態[56]。然而在實踐中混凝(ning)(ning)土中鋼(gang)(gang)(gang)(gang)筋(jin)(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)腐(fu)蝕(shi)(shi)已成為許多鋼(gang)(gang)(gang)(gang)筋(jin)(jin)(jin)混凝(ning)(ning)土結(jie)構惡(e)化(hua)(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)原因。一旦(dan)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)筋(jin)(jin)(jin)腐(fu)蝕(shi)(shi)開始，幾(ji)乎以(yi)穩定(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)速度發展，并縮短結(jie)構的(de)(de)(de)(de)(de)(de)使用壽命，導致(zhi)表(biao)面開裂，隨后(hou)由(you)于腐(fu)蝕(shi)(shi)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)筋(jin)(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)膨脹導致(zhi)保(bao)護(hu)層混凝(ning)(ning)土剝落(luo)。腐(fu)蝕(shi)(shi)速率(lv)直接(jie)影響鋼(gang)(gang)(gang)(gang)筋(jin)(jin)(jin)混凝(ning)(ning)土結(jie)構的(de)(de)(de)(de)(de)(de)剩余使用壽命。混凝(ning)(ning)土表(biao)面的(de)(de)(de)(de)(de)(de)微生物生長也能顯著降低孔(kong)隙水的(de)(de)(de)(de)(de)(de)堿度，破(po)壞(huai)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)筋(jin)(jin)(jin)周(zhou)圍的(de)(de)(de)(de)(de)(de)鈍化(hua)(hua)膜[57]。當混凝(ning)(ning)土保(bao)護(hu)層破(po)壞(huai)后(hou)，微生物如SRB和SOB的(de)(de)(de)(de)(de)(de)生長也會直接(jie)對鋼(gang)(gang)(gang)(gang)筋(jin)(jin)(jin)產(chan)生腐(fu)蝕(shi)(shi)作(zuo)用[58,59]。
2.2 造成金屬腐蝕的微生物
SRB是微(wei)生物(wu)(wu)(wu)(wu)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)文獻(xian)中(zhong)研究最多(duo)的(de)(de)細(xi)菌，SRB存在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)的(de)(de)情況(kuang)下，經常觀(guan)察到(dao)點蝕(shi)、硫(liu)(liu)化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)生成(cheng)(cheng)和(he)(he)硫(liu)(liu)酸(suan)(suan)(suan)(suan)(suan)(suan)鹽(yan)(yan)消耗之(zhi)間的(de)(de)正相關(guan)[6]。除(chu)(chu)了硫(liu)(liu)酸(suan)(suan)(suan)(suan)(suan)(suan)鹽(yan)(yan)，SRB還(huan)(huan)可(ke)以(yi)使用(yong)其他價態(tai)高(gao)于-2的(de)(de)硫(liu)(liu)化(hua)(hua)合物(wu)(wu)(wu)(wu)作(zuo)為末端電子(zi)(zi)(zi)受體，它們包括亞(ya)硫(liu)(liu)酸(suan)(suan)(suan)(suan)(suan)(suan)氫(qing)鹽(yan)(yan) （HSO3-）、硫(liu)(liu)代硫(liu)(liu)酸(suan)(suan)(suan)(suan)(suan)(suan)鹽(yan)(yan) （S2O32-） 和(he)(he)元素硫(liu)(liu)[26]。金(jin)(jin)屬(shu)(shu)氧化(hua)(hua)微(wei)生物(wu)(wu)(wu)(wu)也(ye)被報道與(yu)MIC有(you)(you)關(guan)[60]。鐵氧化(hua)(hua)細(xi)菌 （IOB） 可(ke)以(yi)在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)細(xi)胞外沉積(ji)鐵氫(qing)氧化(hua)(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)[61]，通過(guo)將(jiang)Fe2+氧化(hua)(hua)成(cheng)(cheng)Fe3+來(lai)獲得IOB生長(chang)所需(xu)的(de)(de)能量(liang)[62]。此外，在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)生物(wu)(wu)(wu)(wu)膜(mo)中(zhong)，有(you)(you)氧或兼性(xing)IOB可(ke)以(yi)為SRB的(de)(de)生長(chang)提供(gong)無(wu)氧的(de)(de)局部環(huan)境。研究發(fa)(fa)現，IOB和(he)(he)SRB的(de)(de)混合培養比純菌株(zhu)IOB或純菌株(zhu)SRB導致(zhi)更(geng)嚴重的(de)(de)Fe腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)[63]。除(chu)(chu)Fe之(zhi)外，金(jin)(jin)屬(shu)(shu)氧化(hua)(hua)微(wei)生物(wu)(wu)(wu)(wu)還(huan)(huan)可(ke)以(yi)使用(yong)其他金(jin)(jin)屬(shu)(shu)，如(ru)Mn作(zuo)為電子(zi)(zi)(zi)供(gong)體，導致(zhi)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)[64,65]。具(ju)有(you)(you)產(chan)酸(suan)(suan)(suan)(suan)(suan)(suan)能力的(de)(de)細(xi)菌也(ye)可(ke)以(yi)造成(cheng)(cheng)金(jin)(jin)屬(shu)(shu)材(cai)料的(de)(de)微(wei)生物(wu)(wu)(wu)(wu)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)。生物(wu)(wu)(wu)(wu)膜(mo)下的(de)(de)酸(suan)(suan)(suan)(suan)(suan)(suan)堿(jian)度比溶液(ye)中(zhong)的(de)(de)要低得多(duo)。Vroom等(deng)[66]發(fa)(fa)現即使在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)相同(tong)的(de)(de)生物(wu)(wu)(wu)(wu)膜(mo)內，附近兩個位置的(de)(de)pH值(zhi)也(ye)可(ke)以(yi)相差2或更(geng)高(gao)。與(yu)硫(liu)(liu)酸(suan)(suan)(suan)(suan)(suan)(suan)鹽(yan)(yan)還(huan)(huan)原(yuan)不同(tong)，質子(zi)(zi)(zi)還(huan)(huan)原(yuan)可(ke)以(yi)在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)金(jin)(jin)屬(shu)(shu)表面細(xi)胞外發(fa)(fa)生，不需(xu)要生物(wu)(wu)(wu)(wu)催化(hua)(hua)。在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)這種(zhong)(zhong)情況(kuang)下，浮游(you)細(xi)胞通過(guo)產(chan)生質子(zi)(zi)(zi)來(lai)幫助(zhu)維持酸(suan)(suan)(suan)(suan)(suan)(suan)性(xing)環(huan)境，從而有(you)(you)助(zhu)于腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)。有(you)(you)機(ji)酸(suan)(suan)(suan)(suan)(suan)(suan)通常是弱酸(suan)(suan)(suan)(suan)(suan)(suan)。在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)相同(tong)的(de)(de)酸(suan)(suan)(suan)(suan)(suan)(suan)堿(jian)度下，有(you)(you)機(ji)酸(suan)(suan)(suan)(suan)(suan)(suan)比硫(liu)(liu)酸(suan)(suan)(suan)(suan)(suan)(suan)等(deng)強酸(suan)(suan)(suan)(suan)(suan)(suan)具(ju)有(you)(you)更(geng)大的(de)(de)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)性(xing)，因(yin)為有(you)(you)機(ji)酸(suan)(suan)(suan)(suan)(suan)(suan)具(ju)有(you)(you)緩沖能力來(lai)提供(gong)額(e)外的(de)(de)質子(zi)(zi)(zi)[67]。此外，硝酸(suan)(suan)(suan)(suan)(suan)(suan)鹽(yan)(yan)還(huan)(huan)原(yuan)菌 （NRB）[68]、產(chan)甲烷菌[6,69]和(he)(he)多(duo)種(zhong)(zhong)真菌物(wu)(wu)(wu)(wu)種(zhong)(zhong)[70]也(ye)與(yu)微(wei)生物(wu)(wu)(wu)(wu)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)有(you)(you)關(guan)。
微(wei)(wei)(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)腐蝕被(bei)認為(wei)與材料(liao)(liao)表(biao)面(mian)形(xing)成(cheng)的(de)微(wei)(wei)(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)被(bei)膜(mo)密切(qie)相(xiang)關。微(wei)(wei)(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)膜(mo)由(you)水分、細(xi)胞(bao)外聚合物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)質 （EPS） 和(he)(he)(he)(he)囊括的(de)細(xi)胞(bao)組(zu)成(cheng)。EPS在(zai)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)膜(mo)的(de)形(xing)成(cheng)、成(cheng)熟和(he)(he)(he)(he)維持中起著(zhu)重要作用[71,72]。EPS化(hua)合物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)包括多(duo)糖、蛋白質、脂類和(he)(he)(he)(he)核酸，會形(xing)成(cheng)凝膠(jiao)狀粘液[73]。材料(liao)(liao)表(biao)面(mian)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)被(bei)膜(mo)的(de)形(xing)成(cheng)是一個(ge)高度自發的(de)并伴(ban)隨微(wei)(wei)(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)成(cheng)長和(he)(he)(he)(he)消亡的(de)動態的(de)過程(cheng)。在(zai)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)膜(mo)形(xing)成(cheng)的(de)初期階(jie)段(duan)，無機離子和(he)(he)(he)(he)有機化(hua)合物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)會在(zai)表(biao)面(mian)吸(xi)附和(he)(he)(he)(he)沉積，形(xing)成(cheng)一層(ceng)幾十納米的(de)薄膜(mo)，改變(bian)了材料(liao)(liao)表(biao)面(mian)的(de)潤濕(shi)性，為(wei)微(wei)(wei)(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)膜(mo)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)長提(ti)供(gong)了基礎。然后微(wei)(wei)(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)在(zai)材料(liao)(liao)表(biao)面(mian)開始生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)長，并不斷代謝胞(bao)外聚合物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)形(xing)成(cheng)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)被(bei)膜(mo)。接(jie)下來生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)被(bei)膜(mo)會進入一段(duan)穩定(ding)(ding)期，在(zai)這個(ge)階(jie)段(duan)微(wei)(wei)(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)不斷生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)長和(he)(he)(he)(he)代謝。伴(ban)隨時(shi)間的(de)增加，生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)(wu)被(bei)膜(mo)的(de)穩定(ding)(ding)性變(bian)差，開始出現脫(tuo)落。
不是所有微生(sheng)物(wu)(wu)膜(mo)(mo)都會(hui)造成(cheng)(cheng)對金屬材料(liao)造成(cheng)(cheng)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)。例(li)如銅綠(lv)假單胞菌生(sheng)物(wu)(wu)膜(mo)(mo)增加了(le)(le)鎳銅合金的(de)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)速率，但(dan)對鎳鋅合金起到了(le)(le)保護(hu)作(zuo)用[74]。硫還(huan)原土桿菌生(sheng)物(wu)(wu)膜(mo)(mo)在不銹(xiu)鋼(gang)表面(mian)形成(cheng)(cheng)保護(hu)屏(ping)障，增強(qiang)不銹(xiu)鋼(gang)的(de)耐腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)性[75]。好(hao)氧生(sheng)物(wu)(wu)膜(mo)(mo)可以作(zuo)為(wei)氧氣(qi)屏(ping)障，減緩氧氣(qi)滲(shen)透，從而可能延緩腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)。每個階段(duan)的(de)生(sheng)物(wu)(wu)膜(mo)(mo)對腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)過程(cheng)的(de)影響不同，從飲用水(shui)系統中分(fen)離出的(de)生(sheng)物(wu)(wu)膜(mo)(mo)樣品在最(zui)初(chu)7 d的(de)孵(fu)(fu)化(hua)過程(cheng)中加速了(le)(le)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)，但(dan)在孵(fu)(fu)化(hua)30 d后(hou)，它為(wei)管(guan)道提供了(le)(le)保護(hu)[76]。
2.3 金(jin)屬材料微生物腐蝕(shi)機理
傳(chuan)統的(de)(de)腐蝕機理(li)包括(kuo)陰(yin)(yin)極(ji)(ji)去極(ji)(ji)化(hua)機理(li)、濃差(cha)電(dian)池機理(li)、代謝產物機理(li)和酸腐蝕機理(li)等。得到眾多認可的(de)(de)有陰(yin)(yin)極(ji)(ji)去極(ji)(ji)化(hua)理(li)論[77]。當(dang)金(jin)(jin)(jin)屬暴(bao)露在水(shui)中(zhong)時，金(jin)(jin)(jin)屬發生陽極(ji)(ji)反應溶解(jie)失去電(dian)子(zi)生成(cheng)金(jin)(jin)(jin)屬陽離子(zi)，在厭氧條件下自由(you)電(dian)子(zi)還(huan)原H+產生H2，在金(jin)(jin)(jin)屬表面(mian)形成(cheng)“膜”，造(zao)成(cheng)所謂(wei)的(de)(de)“陰(yin)(yin)極(ji)(ji)極(ji)(ji)化(hua)”，阻礙(ai)材料(liao)的(de)(de)腐蝕。而SRB利用體內氫(qing)(qing)化(hua)酶，在將SO42-還(huan)原成(cheng)H2S過(guo)程中(zhong)除去表面(mian)的(de)(de)氫(qing)(qing)，使金(jin)(jin)(jin)屬的(de)(de)溶解(jie)更容易進行，SRB起到了(le)陰(yin)(yin)極(ji)(ji)去極(ji)(ji)化(hua)劑的(de)(de)作用。而陰(yin)(yin)極(ji)(ji)去極(ji)(ji)化(hua)機理(li)仍有不完(wan)善的(de)(de)地方(fang)，并不能解(jie)釋(shi)所有的(de)(de)SRB微(wei)生物腐蝕的(de)(de)過(guo)程，例如不分泌(mi)氫(qing)(qing)化(hua)酶的(de)(de)SRB也(ye)會造(zao)成(cheng)金(jin)(jin)(jin)屬的(de)(de)腐蝕。
腐(fu)蝕(shi)(shi)產物理論認為SRB的(de)(de)腐(fu)蝕(shi)(shi)產物FeS在金屬(shu)表(biao)面形成(cheng)(cheng)腐(fu)蝕(shi)(shi)產物層(ceng)，作為腐(fu)蝕(shi)(shi)反應的(de)(de)陰極，從而影響腐(fu)蝕(shi)(shi)過程。酸腐(fu)蝕(shi)(shi)機理[78]認為SRB代謝產生的(de)(de)腐(fu)蝕(shi)(shi)性H2S，可以(yi)造(zao)成(cheng)(cheng)膜下局部較低的(de)(de)pH值，將局部的(de)(de)黃鐵礦(kuang)還原(yuan)成(cheng)(cheng)硫鐵礦(kuang)，造(zao)成(cheng)(cheng)嚴(yan)重的(de)(de)局部腐(fu)蝕(shi)(shi)。
金(jin)(jin)屬的(de)微(wei)(wei)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)腐(fu)(fu)蝕(shi)工作(zuo)主要(yao)停留在特定細菌的(de)腐(fu)(fu)蝕(shi)行為(wei)(wei)評價的(de)層面，忽視了(le)微(wei)(wei)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)腐(fu)(fu)蝕(shi)的(de)腐(fu)(fu)蝕(shi)源微(wei)(wei)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)。Gu等[79]從(cong)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)能量(liang)學的(de)角度解釋了(le)微(wei)(wei)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)通(tong)過(guo)利用(yong)金(jin)(jin)屬氧化(hua)獲(huo)得(de)電(dian)子(zi)(zi)，參(can)與為(wei)(wei)自身生(sheng)(sheng)命活動提(ti)供能量(liang)的(de)氧化(hua)還(huan)(huan)原(yuan)反應(ying)，從(cong)而(er)獲(huo)取能量(liang)，并造成(cheng)了(le)金(jin)(jin)屬的(de)腐(fu)(fu)蝕(shi)。Gu等[80,81]將(jiang)胞外(wai)電(dian)子(zi)(zi)傳遞(di) （EET） 的(de)概念引入(ru)了(le)涉及SRB和NRB的(de)微(wei)(wei)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)腐(fu)(fu)蝕(shi)研究(jiu)，以(yi)解釋腐(fu)(fu)蝕(shi)過(guo)程如何發生(sheng)(sheng)，微(wei)(wei)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)從(cong)金(jin)(jin)屬直(zhi)接(jie)(jie)獲(huo)得(de)電(dian)子(zi)(zi)，并通(tong)過(guo)胞外(wai)電(dian)子(zi)(zi)傳遞(di)將(jiang)電(dian)子(zi)(zi)跨膜傳遞(di)進入(ru)微(wei)(wei)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)體內，隨后在酶的(de)作(zuo)用(yong)下發生(sheng)(sheng)一系列生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)電(dian)化(hua)學反應(ying)，從(cong)而(er)導致了(le)金(jin)(jin)屬的(de)微(wei)(wei)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)腐(fu)(fu)蝕(shi)。EET包括微(wei)(wei)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)與金(jin)(jin)屬直(zhi)接(jie)(jie)接(jie)(jie)觸(chu)，依靠(kao)氧化(hua)還(huan)(huan)原(yuan)活性蛋(dan)白作(zuo)為(wei)(wei)電(dian)子(zi)(zi)穿梭通(tong)道；形成(cheng)導電(dian)納米線作(zuo)為(wei)(wei)電(dian)子(zi)(zi)傳遞(di)的(de)橋梁(liang)；微(wei)(wei)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)分泌(mi)電(dian)子(zi)(zi)載體實現電(dian)子(zi)(zi)傳遞(di)[82,83]。前兩(liang)種(zhong)方(fang)法(fa)被稱(cheng)為(wei)(wei)直(zhi)接(jie)(jie)電(dian)子(zi)(zi)轉(zhuan)移(yi)（DET），第三種(zhong)方(fang)法(fa)被稱(cheng)為(wei)(wei)間接(jie)(jie)電(dian)子(zi)(zi)電(dian)子(zi)(zi)轉(zhuan)移(yi)（MET），如圖1所(suo)示。在DET中(zhong)，微(wei)(wei)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)Fe表(biao)面之間需(xu)要(yao)直(zhi)接(jie)(jie)接(jie)(jie)觸(chu)，而(er)MET涉及可(ke)溶(rong)性氧化(hua)還(huan)(huan)原(yuan)介質，由微(wei)(wei)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)分泌(mi)或預先存在于溶(rong)液中(zhong)[84,85]。
圖1 SRB在MIC中DET和MET的示(shi)意圖[2]
細胞(bao)色素，如cyt c、導(dao)(dao)電(dian)pili （納米線） 和鐵硫蛋白，在細胞(bao)膜上或細胞(bao)膜內(nei)，會(hui)影(ying)響DET中(zhong)的電(dian)子(zi)轉(zhuan)移[86]。研(yan)究[87]表(biao)明(ming)，在沒(mei)有有機碳源的培養基中(zhong)，SRB細胞(bao)形(xing)成導(dao)(dao)電(dian)納米線附著在鐵表(biao)面以獲取電(dian)子(zi)。如果SRB在培養基中(zhong)與有機碳一起生長，這些菌毛就不存(cun)在了。Xu等[68]認為SRB細胞(bao)利用這些導(dao)(dao)電(dian)納米線從碳鋼(gang)表(biao)面轉(zhuan)移電(dian)子(zi)，進行硫酸鹽還原，在碳源匱(kui)乏的環境中(zhong)得以生存(cun)。
IOB也被(bei)認為是(shi)導致微(wei)生(sheng)物腐蝕的一類主要細菌，反應(ying) （1）~（7） 給出了(le)IOB造成鐵基金屬材料腐蝕的電(dian)化(hua)學反應(ying)。
陽極(ji)反應：
Fe→Fe2++2e-（1）
Fe2+→Fe3++e-（2）
陰極反應：
1/2O2+H2O+2e-→2OH-（3）
Fe2++2OH-→Fe(OH)2（4）
2Fe(OH)2+1/2O2→2FeOOH+H2O（5）
3Fe(OH)2+1/2O2→Fe3O4+3H2O（6）
2FeOOH→Fe2O3+H2O（7）
在(zai)IOB腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)的(de)(de)(de)過(guo)(guo)程中，金屬(shu)表面(mian)既(ji)作為(wei)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)反應(ying)的(de)(de)(de)陽(yang)極(ji)也作為(wei)陰極(ji)，因為(wei)Fe的(de)(de)(de)氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)化常伴隨金屬(shu)表面(mian)發(fa)生(sheng)的(de)(de)(de)還(huan)原反應(ying)。碳鋼(gang)的(de)(de)(de)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)產物(wu)(wu)主(zhu)要(yao)為(wei)鐵(tie)氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)化物(wu)(wu)，腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)產物(wu)(wu)下的(de)(de)(de)碳鋼(gang)基底會(hui)(hui)形成(cheng)(cheng)很(hen)多(duo)小的(de)(de)(de)陽(yang)極(ji)活(huo)性位(wei)(wei)點，Fe失(shi)去電(dian)子并將(jiang)電(dian)子傳遞給氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)氣(qi)，氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)的(de)(de)(de)去極(ji)化過(guo)(guo)程會(hui)(hui)生(sheng)產OH-，進而(er)會(hui)(hui)產生(sheng)鐵(tie)氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)化合(he)物(wu)(wu)，鐵(tie)氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)化合(he)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)形成(cheng)(cheng)又進一步促進陽(yang)極(ji)的(de)(de)(de)溶解(jie)，從而(er)會(hui)(hui)加速(su)點蝕(shi)(shi)的(de)(de)(de)形成(cheng)(cheng)[62]。氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)濃(nong)(nong)差(cha)電(dian)池腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)機理(li)(li)也可(ke)以(yi)用來解(jie)釋(shi)IOB對(dui)(dui)金屬(shu)的(de)(de)(de)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)。濃(nong)(nong)差(cha)電(dian)池腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)機理(li)(li)認為(wei)，在(zai)有(you)氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)條件(jian)下，金屬(shu)材料表面(mian)形成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)產物(wu)(wu)層會(hui)(hui)阻礙氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)氣(qi)的(de)(de)(de)擴(kuo)散，形成(cheng)(cheng)貧(pin)氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)區。此外(wai)，好(hao)氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)細菌通過(guo)(guo)呼吸將(jiang)生(sheng)物(wu)(wu)膜下的(de)(de)(de)氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)氣(qi)排除(chu)在(zai)外(wai)，從而(er)形成(cheng)(cheng)低(di)氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)氣(qi)濃(nong)(nong)度(du)的(de)(de)(de)場(chang)所。因此，這些(xie)區域成(cheng)(cheng)為(wei)陽(yang)極(ji)位(wei)(wei)置(zhi)(zhi) （相對(dui)(dui)于(yu)含氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)量更(geng)多(duo)的(de)(de)(de)位(wei)(wei)置(zhi)(zhi)），這導致局(ju)部氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)。具有(you)較低(di)密度(du)生(sheng)物(wu)(wu)膜或(huo)不(bu)具有(you)生(sheng)物(wu)(wu)膜覆蓋的(de)(de)(de)位(wei)(wei)置(zhi)(zhi)具有(you)較高的(de)(de)(de)氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)濃(nong)(nong)度(du)，用作電(dian)子消(xiao)耗的(de)(de)(de)氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)氣(qi)還(huan)原的(de)(de)(de)陰極(ji)位(wei)(wei)置(zhi)(zhi)。這種腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)過(guo)(guo)程，即差(cha)分曝(pu)氣(qi)的(de)(de)(de)結(jie)果，被稱為(wei)氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)濃(nong)(nong)度(du)池理(li)(li)論(lun)或(huo)差(cha)分曝(pu)氣(qi)理(li)(li)論(lun)。它可(ke)以(yi)用來解(jie)釋(shi)好(hao)氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)細菌加速(su)金屬(shu)和合(he)金腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)的(de)(de)(de)速(su)度(du)[88]。然而(er)，這一理(li)(li)論(lun)并不(bu)適用于(yu)大多(duo)數(shu)完全(quan)無氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)環境。
產酸(suan)(suan)(suan)菌(jun)(jun) （APB） 也是(shi)微生(sheng)物腐(fu)蝕(shi)中不容忽視的(de)(de)(de)一類(lei)細菌(jun)(jun)，主要(yao)通過(guo)代(dai)謝產生(sheng)腐(fu)蝕(shi)性的(de)(de)(de)產物，造(zao)成(cheng)金屬(shu)(shu)材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)腐(fu)蝕(shi)。例如(ru)化(hua)(hua)(hua)學營(ying)(ying)養(yang)型硫桿菌(jun)(jun)屬(shu)(shu)的(de)(de)(de)新陳代(dai)謝的(de)(de)(de)一部分是(shi)通過(guo)各種無機(ji)硫化(hua)(hua)(hua)合(he)物 （如(ru)硫代(dai)硫酸(suan)(suan)(suan)鹽S2O32-） 的(de)(de)(de)氧化(hua)(hua)(hua)而生(sheng)成(cheng)的(de)(de)(de)無機(ji)酸(suan)(suan)(suan)，如(ru)硫酸(suan)(suan)(suan)H2SO4 （它們最多可耐受12%的(de)(de)(de)硫酸(suan)(suan)(suan)）[89]。這些酸(suan)(suan)(suan)在MIC中起重要(yao)作用(yong)，會(hui)引起Fe和(he)低碳(tan)鋼(gang)的(de)(de)(de)酸(suan)(suan)(suan)腐(fu)蝕(shi)，第二步，該酸(suan)(suan)(suan)可通過(guo)氧化(hua)(hua)(hua)反應代(dai)謝[90]，形成(cheng)硫酸(suan)(suan)(suan)鹽SO42-，作為硫酸(suan)(suan)(suan)鹽還(huan)原(yuan)菌(jun)(jun)的(de)(de)(de)營(ying)(ying)養(yang)源，從而與SRB協同作用(yong)造(zao)成(cheng)金屬(shu)(shu)的(de)(de)(de)腐(fu)蝕(shi)。
3 建筑行業微(wei)生(sheng)物腐蝕的(de)防治
目前建筑(zhu)行業材(cai)料的(de)(de)微生物腐(fu)蝕的(de)(de)防治(zhi)方法包括(kuo)針對混凝(ning)(ning)土(tu)(tu)材(cai)料本身的(de)(de)混凝(ning)(ning)土(tu)(tu)的(de)(de)改性(xing)(xing)，通過改變(bian)凝(ning)(ning)膠材(cai)料的(de)(de)組成(cheng)和(he)結構來提高混凝(ning)(ning)土(tu)(tu)的(de)(de)抗(kang)侵蝕性(xing)(xing)和(he)抗(kang)滲透性(xing)(xing)；在混凝(ning)(ning)土(tu)(tu)材(cai)料和(he)金屬材(cai)料表面制備保(bao)護涂(tu)層，形成(cheng)物理屏障(zhang)，防止腐(fu)蝕性(xing)(xing)物質滲透到(dao)基(ji)體；針對腐(fu)蝕微生物添加(jia)殺菌劑，阻止微生物的(de)(de)繁殖的(de)(de)代(dai)謝從(cong)而從(cong)源頭上減輕微生物腐(fu)蝕。
3.1 混凝(ning)土改性
為了提(ti)高(gao)混凝(ning)土(tu)材(cai)(cai)料的(de)(de)(de)(de)抗侵蝕性(xing)和(he)(he)抗滲(shen)透性(xing)，可改變凝(ning)膠(jiao)(jiao)材(cai)(cai)料的(de)(de)(de)(de)組成和(he)(he)結構，從而(er)(er)阻止酸的(de)(de)(de)(de)侵入，達(da)到提(ti)高(gao)抗中性(xing)化(hua)的(de)(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)(de)。提(ti)高(gao)混凝(ning)土(tu)性(xing)能的(de)(de)(de)(de)主要方(fang)法包括：改變凝(ning)膠(jiao)(jiao)材(cai)(cai)料、添(tian)加(jia)礦(kuang)物(wu)摻合料和(he)(he)聚合物(wu)改性(xing)。當選用不(bu)同的(de)(de)(de)(de)凝(ning)膠(jiao)(jiao)材(cai)(cai)料時(shi)，混凝(ning)土(tu)的(de)(de)(de)(de)耐蝕性(xing)是不(bu)一樣(yang)的(de)(de)(de)(de)。粉(fen)煤灰石(shi)灰作為凝(ning)膠(jiao)(jiao)材(cai)(cai)料相對于堿性(xing)礦(kuang)渣有更好的(de)(de)(de)(de)抗酸性(xing)能，而(er)(er)高(gao)鋁酸鹽加(jia)石(shi)膏(gao)作為凝(ning)膠(jiao)(jiao)材(cai)(cai)料時(shi)耐酸性(xing)能較差，甚至(zhi)不(bu)如(ru)普通的(de)(de)(de)(de)硅酸鹽水泥。添(tian)加(jia)礦(kuang)物(wu)摻合料可以使鈣硅比(bi)降(jiang)低，從而(er)(er)使氫氧化(hua)鈣和(he)(he)粉(fen)煤灰礦(kuang)粉(fen)等反應(ying)被消耗，生(sheng)成的(de)(de)(de)(de)石(shi)膏(gao)量減少，從而(er)(er)減輕生(sheng)成鈣釩(fan)石(shi)所帶來的(de)(de)(de)(de)膨脹(zhang)性(xing)破壞。
在混(hun)凝(ning)土(tu)(tu)(tu)(tu)(tu)(tu)(tu)中添加(jia)聚合物(wu)可以形成三(san)維網絡結構，改變骨料(liao)界面(mian)過渡區的(de)(de)(de)(de)(de)性能(neng)(neng)，從而提(ti)高混(hun)凝(ning)土(tu)(tu)(tu)(tu)(tu)(tu)(tu)材料(liao)內(nei)部的(de)(de)(de)(de)(de)抗(kang)(kang)滲性和(he)(he)(he)密實度(du)。Vincke等[91]研究了(le)不(bu)同聚合物(wu)類型和(he)(he)(he)硅(gui)灰摻量(liang)對(dui)混(hun)凝(ning)土(tu)(tu)(tu)(tu)(tu)(tu)(tu)生(sheng)物(wu)硫(liu)酸侵(qin)蝕的(de)(de)(de)(de)(de)影響，苯乙烯-丙(bing)烯酸酯(zhi)聚合物(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)加(jia)入增加(jia)了(le)混(hun)凝(ning)土(tu)(tu)(tu)(tu)(tu)(tu)(tu)的(de)(de)(de)(de)(de)酸抵抗(kang)(kang)力，而丙(bing)烯酸聚合物(wu)或硅(gui)灰的(de)(de)(de)(de)(de)加(jia)入則降(jiang)低了(le)混(hun)凝(ning)土(tu)(tu)(tu)(tu)(tu)(tu)(tu)的(de)(de)(de)(de)(de)酸抵抗(kang)(kang)力。對(dui)于(yu)乙烯基共聚物(wu)和(he)(he)(he)丁苯聚合物(wu)，未觀察(cha)到對(dui)混(hun)凝(ning)土(tu)(tu)(tu)(tu)(tu)(tu)(tu)樣(yang)品抗(kang)(kang)生(sheng)物(wu)酸的(de)(de)(de)(de)(de)顯著影響。Beeldens等[92]研究了(le)聚合物(wu)改性砂(sha)漿和(he)(he)(he)混(hun)凝(ning)土(tu)(tu)(tu)(tu)(tu)(tu)(tu) （PMM和(he)(he)(he)PMC） 在提(ti)高混(hun)凝(ning)土(tu)(tu)(tu)(tu)(tu)(tu)(tu)污水(shui)管耐久(jiu)性方面(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)應用(yong)，由于(yu)水(shui)泥水(shui)合物(wu)與聚合物(wu)顆粒(li)或薄膜的(de)(de)(de)(de)(de)相互(hu)作用(yong)，形成了(le)集料(liao)嵌入的(de)(de)(de)(de)(de)互(hu)穿網絡。Yang等[93]比較(jiao)了(le)用(yong)硫(liu)鋁(lv)酸鹽水(shui)泥、海砂(sha)和(he)(he)(he)海水(shui)配制的(de)(de)(de)(de)(de)普通硅(gui)酸鹽水(shui)泥混(hun)凝(ning)土(tu)(tu)(tu)(tu)(tu)(tu)(tu) （OPCC） 和(he)(he)(he)新型人工礁(jiao)混(hun)凝(ning)土(tu)(tu)(tu)(tu)(tu)(tu)(tu) （NAR） 的(de)(de)(de)(de)(de)性能(neng)(neng)。通過對(dui)兩種混(hun)凝(ning)土(tu)(tu)(tu)(tu)(tu)(tu)(tu)試件的(de)(de)(de)(de)(de)表面(mian)形貌、局部形貌、質量(liang)損失和(he)(he)(he)抗(kang)(kang)壓強(qiang)度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)分析，研究了(le)其(qi)抗(kang)(kang)生(sheng)物(wu)硫(liu)酸腐蝕性能(neng)(neng)，結果表明(ming)，在暴露于(yu)生(sheng)物(wu)硫(liu)酸后，OPCC的(de)(de)(de)(de)(de)表觀腐蝕程(cheng)度(du)、質量(liang)損失率高于(yu)NAR。
3.2 保(bao)護(hu)涂層
涂(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)是(shi)抑制混(hun)凝土(tu)腐蝕(shi)最簡單有效的(de)方(fang)法(fa)之一[94]。表面(mian)涂(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)形成(cheng)一個連續的(de)膜(mo)，作為物(wu)(wu)(wu)理屏障(zhang)，防(fang)止腐蝕(shi)性(xing)物(wu)(wu)(wu)質滲透到水泥(ni)基(ji)(ji)底[95,96]。表面(mian)涂(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)有幾種類型，包(bao)括(kuo)傳統聚(ju)(ju)(ju)合(he)物(wu)(wu)(wu)涂(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)、聚(ju)(ju)(ju)合(he)物(wu)(wu)(wu)/粘土(tu)納(na)米復合(he)涂(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)和水泥(ni)基(ji)(ji)涂(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)。傳統的(de)聚(ju)(ju)(ju)合(he)物(wu)(wu)(wu)涂(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)和聚(ju)(ju)(ju)合(he)物(wu)(wu)(wu)/粘土(tu)納(na)米復合(he)涂(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)在混(hun)凝土(tu)表面(mian)形成(cheng)厚(hou)度約為0.1~1 mm的(de)致密聚(ju)(ju)(ju)合(he)物(wu)(wu)(wu)膜(mo)，而水泥(ni)基(ji)(ji)涂(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)則(ze)通過形成(cheng)厚(hou)度約為2~10 mm的(de)低滲透層(ceng)(ceng)(ceng)來(lai)發揮作用。
環(huan)氧樹(shu)(shu)脂、丙烯(xi)酸和聚氨酯是(shi)傳統的(de)(de)建筑保(bao)護涂料，已在(zai)建筑行(xing)業應用多年(nian)。丙烯(xi)酸具有(you)良好的(de)(de)耐堿性(xing)、抗氧化性(xing)和耐候(hou)性(xing)，但與(yu)環(huan)氧樹(shu)(shu)脂相比，其結合強度和延展性(xing)相對較差[97]。聚氨酯涂料具有(you)較好的(de)(de)保(bao)護混(hun)凝土(tu)不收(shou)縮(suo)性(xing)能(neng)，耐酸蝕性(xing)高(gao)。然而，在(zai)高(gao)堿性(xing)環(huan)境中，它(ta)并不穩定(ding)。此外(wai)，異(yi)氰酸酯是(shi)聚氨酯的(de)(de)主要原料，對人體健康有(you)害。
近年來，聚合(he)(he)(he)(he)物(wu)(wu)(wu)納(na)(na)(na)米(mi)(mi)復(fu)合(he)(he)(he)(he)涂(tu)料(liao)因其優(you)異的(de)(de)性(xing)(xing)能而引起了學術界和工程界的(de)(de)廣泛關注(zhu)。聚合(he)(he)(he)(he)物(wu)(wu)(wu)納(na)(na)(na)米(mi)(mi)復(fu)合(he)(he)(he)(he)涂(tu)層(ceng)(ceng)通常具有較高的(de)(de)強度、拉伸模(mo)量、耐磨(mo)性(xing)(xing)、耐熱(re)性(xing)(xing)和熱(re)穩定性(xing)(xing)。無(wu)機納(na)(na)(na)米(mi)(mi)復(fu)合(he)(he)(he)(he)材(cai)料(liao)的(de)(de)加(jia)入(ru)可以通過增(zeng)加(jia)擴散路徑(jing)來改善聚合(he)(he)(he)(he)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)阻隔(ge)性(xing)(xing)能和減緩聚合(he)(he)(he)(he)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)降解(jie)[98]。即使(shi)使(shi)用小劑(ji)量的(de)(de)納(na)(na)(na)米(mi)(mi)復(fu)合(he)(he)(he)(he)材(cai)料(liao)，聚合(he)(he)(he)(he)物(wu)(wu)(wu)納(na)(na)(na)米(mi)(mi)復(fu)合(he)(he)(he)(he)涂(tu)層(ceng)(ceng)的(de)(de)透氣性(xing)(xing)也(ye)可以比原(yuan)始聚合(he)(he)(he)(he)物(wu)(wu)(wu)降低50~500倍[99]。然而，聚合(he)(he)(he)(he)物(wu)(wu)(wu)納(na)(na)(na)米(mi)(mi)復(fu)合(he)(he)(he)(he)涂(tu)層(ceng)(ceng)在(zai)(zai)混凝土結構中(zhong)的(de)(de)應(ying)用研究非常有限(xian)[100,101]。只有少(shao)數研究人員研究了聚合(he)(he)(he)(he)物(wu)(wu)(wu)/粘土納(na)(na)(na)米(mi)(mi)復(fu)合(he)(he)(he)(he)涂(tu)層(ceng)(ceng)在(zai)(zai)水泥基材(cai)料(liao)上的(de)(de)性(xing)(xing)能[102-104]。雖然聚合(he)(he)(he)(he)物(wu)(wu)(wu)/SiO2和聚合(he)(he)(he)(he)物(wu)(wu)(wu)/Al2O3在(zai)(zai)提(ti)供阻隔(ge)效應(ying)方(fang)面也(ye)顯示出潛(qian)在(zai)(zai)的(de)(de)優(you)勢，但其性(xing)(xing)能尚(shang)未得到評估。
聚(ju)(ju)合(he)物(wu)改(gai)(gai)性(xing)(xing)(xing)(xing)水(shui)(shui)(shui)泥(ni)基(ji)涂(tu)料(liao)(liao)(liao)是混凝(ning)土(tu)保(bao)護最常用(yong)的(de)(de)(de)(de)水(shui)(shui)(shui)泥(ni)基(ji)涂(tu)料(liao)(liao)(liao)。聚(ju)(ju)合(he)物(wu)改(gai)(gai)性(xing)(xing)(xing)(xing)水(shui)(shui)(shui)泥(ni)基(ji)涂(tu)料(liao)(liao)(liao)是由聚(ju)(ju)合(he)物(wu) （主(zhu)(zhu)要是丙(bing)烯酸酯、聚(ju)(ju)氨酯或(huo)環氧樹脂） 以(yi)及水(shui)(shui)(shui)泥(ni)和集(ji)料(liao)(liao)(liao) （通常是非常細的(de)(de)(de)(de)集(ji)料(liao)(liao)(liao)） 制(zhi)成的(de)(de)(de)(de)。聚(ju)(ju)合(he)物(wu)的(de)(de)(de)(de)加入大(da)大(da)提(ti)高了(le)水(shui)(shui)(shui)泥(ni)漿(jiang)體(ti)(ti)的(de)(de)(de)(de)強度、回彈性(xing)(xing)(xing)(xing)、粘結(jie)性(xing)(xing)(xing)(xing)、耐化(hua)學性(xing)(xing)(xing)(xing)和抗滲性(xing)(xing)(xing)(xing)。聚(ju)(ju)合(he)物(wu)改(gai)(gai)性(xing)(xing)(xing)(xing)水(shui)(shui)(shui)泥(ni)基(ji)涂(tu)料(liao)(liao)(liao)能夠為(wei)混凝(ning)土(tu)提(ti)供額外保(bao)護的(de)(de)(de)(de)主(zhu)(zhu)要有(you)3個原因[105]。首先，聚(ju)(ju)合(he)物(wu)在硬化(hua)水(shui)(shui)(shui)泥(ni)漿(jiang)體(ti)(ti)中(zhong)形成網狀(zhuang)結(jie)構，提(ti)高了(le)水(shui)(shui)(shui)泥(ni)漿(jiang)體(ti)(ti)的(de)(de)(de)(de)韌性(xing)(xing)(xing)(xing)，從(cong)而(er)減少(shao)了(le)表(biao)面微裂紋。此外，聚(ju)(ju)合(he)物(wu)水(shui)(shui)(shui)泥(ni)基(ji)涂(tu)料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)孔(kong)隙結(jie)構不同(tong)于普通水(shui)(shui)(shui)泥(ni)砂漿(jiang)。研(yan)究(jiu)[96]表(biao)明，在聚(ju)(ju)合(he)物(wu)改(gai)(gai)性(xing)(xing)(xing)(xing)砂漿(jiang)中(zhong)，大(da)于100 nm的(de)(de)(de)(de)孔(kong)隙減少(shao)，小(xiao)于100 nm的(de)(de)(de)(de)孔(kong)隙增加。第三，采(cai)用(yong)聚(ju)(ju)合(he)物(wu)改(gai)(gai)性(xing)(xing)(xing)(xing)水(shui)(shui)(shui)泥(ni)基(ji)涂(tu)料(liao)(liao)(liao)可以(yi)減少(shao)收縮。改(gai)(gai)性(xing)(xing)(xing)(xing)水(shui)(shui)(shui)泥(ni)基(ji)涂(tu)料(liao)(liao)(liao)由于彈性(xing)(xing)(xing)(xing)模(mo)量低(di)，具有(you)良好的(de)(de)(de)(de)“透氣(qi)性(xing)(xing)(xing)(xing)”和相當(dang)大(da)的(de)(de)(de)(de)“裂縫橋接”能力。
3.3 添加殺(sha)菌劑
混(hun)(hun)(hun)凝(ning)(ning)土(tu)改性(xing)(xing)(xing)(xing)的(de)(de)(de)目(mu)的(de)(de)(de)是(shi)提高混(hun)(hun)(hun)凝(ning)(ning)土(tu)的(de)(de)(de)耐酸性(xing)(xing)(xing)(xing)、抗滲(shen)性(xing)(xing)(xing)(xing)和抗裂性(xing)(xing)(xing)(xing)。但簡單的(de)(de)(de)改性(xing)(xing)(xing)(xing)并不能顯著降低混(hun)(hun)(hun)凝(ning)(ning)土(tu)的(de)(de)(de)腐蝕(shi)(shi)。惰性(xing)(xing)(xing)(xing)涂層雖(sui)然可(ke)以隔離混(hun)(hun)(hun)凝(ning)(ning)土(tu)與侵蝕(shi)(shi)性(xing)(xing)(xing)(xing)介質的(de)(de)(de)接觸，但也存在開裂、剝(bo)落、磨損等缺陷，這(zhe)兩種措(cuo)施只能在一(yi)定程(cheng)度上延緩混(hun)(hun)(hun)凝(ning)(ning)土(tu)的(de)(de)(de)腐蝕(shi)(shi)，基(ji)于微(wei)生(sheng)物腐蝕(shi)(shi)機(ji)理的(de)(de)(de)殺菌(jun)劑的(de)(de)(de)應用是(shi)一(yi)項主動措(cuo)施[106]。通過防止污水中微(wei)生(sheng)物的(de)(de)(de)繁殖和代謝，從而抑(yi)制或減少生(sheng)物酸的(de)(de)(de)形成(cheng)，從而有(you)效地控制微(wei)生(sheng)物對混(hun)(hun)(hun)凝(ning)(ning)土(tu)的(de)(de)(de)腐蝕(shi)(shi)。目(mu)前(qian)，國外(wai)已有(you)專(zhuan)利(li)報道(dao)的(de)(de)(de)適合(he)混(hun)(hun)(hun)凝(ning)(ning)土(tu)的(de)(de)(de)殺菌(jun)劑有(you)鹵代化(hua)(hua)合(he)物、季銨化(hua)(hua)合(he)物、雜環(huan)胺、碘丙(bing)炔化(hua)(hua)合(he)物、金(jin)屬氧化(hua)(hua)物 （Cu、Zn、Pb、Mn的(de)(de)(de)氧化(hua)(hua)物）、鎢(wu)粉或鎢(wu)化(hua)(hua)合(he)物、Ag、有(you)機(ji)錫等。
近年來(lai)，包裝(zhuang)和(he)涂(tu)層行業(ye)的(de)(de)(de)(de)(de)研究人員重新(xin)開始關注新(xin)型安全、經濟有(you)(you)(you)效的(de)(de)(de)(de)(de)抗(kang)(kang)菌(jun)(jun)材(cai)料，如(ru)功能(neng)化分(fen)子(zi)(zi)(zi)篩和(he)金(jin)(jin)屬(shu)(shu)氧(yang)化物(wu)(wu)[107-110]。Hewayde等[110]研究了銅和(he)銀氧(yang)化物(wu)(wu)對(dui)SRB的(de)(de)(de)(de)(de)毒性(xing)(xing)(xing)及其在控制(zhi)城市污(wu)水中H2S生成中的(de)(de)(de)(de)(de)作(zuo)用(yong)(yong)。他們證明，涂(tu)有(you)(you)(you)氧(yang)化銅和(he)氧(yang)化銀的(de)(de)(de)(de)(de)混(hun)(hun)凝土污(wu)水管對(dui)從實驗室規模的(de)(de)(de)(de)(de)厭氧(yang)消(xiao)化器中分(fen)離出來(lai)的(de)(de)(de)(de)(de)脫硫弧菌(jun)(jun)脫硫劑(ji)(ji)具(ju)有(you)(you)(you)抗(kang)(kang)菌(jun)(jun)特性(xing)(xing)(xing)。銅和(he)銀氧(yang)化物(wu)(wu)對(dui)細(xi)菌(jun)(jun)均有(you)(you)(you)99%的(de)(de)(de)(de)(de)抑制(zhi)作(zuo)用(yong)(yong)，而金(jin)(jin)屬(shu)(shu)氧(yang)化物(wu)(wu)對(dui)混(hun)(hun)凝土管道的(de)(de)(de)(de)(de)粘附(fu)性(xing)(xing)(xing)較差，銀氧(yang)化物(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)浸出率高于銅氧(yang)化物(wu)(wu)[111]。分(fen)子(zi)(zi)(zi)篩含(han)有(you)(you)(you)金(jin)(jin)屬(shu)(shu)離子(zi)(zi)(zi)，如(ru)Ca和(he)Na，可被Ag、Cu和(he)Zn等金(jin)(jin)屬(shu)(shu)交(jiao)換，用(yong)(yong)作(zuo)抗(kang)(kang)菌(jun)(jun)劑(ji)(ji)[112-114]。生物(wu)(wu)毒性(xing)(xing)(xing)金(jin)(jin)屬(shu)(shu)功能(neng)化分(fen)子(zi)(zi)(zi)篩作(zuo)為(wei)抗(kang)(kang)菌(jun)(jun)劑(ji)(ji)在液體介質中的(de)(de)(de)(de)(de)應用(yong)(yong)已被廣(guang)泛研究[115,116]。Mcdonnell等[117]證明了與Ag交(jiao)換的(de)(de)(de)(de)(de)沸石對(dui)大腸(chang)桿菌(jun)(jun)具(ju)有(you)(you)(you)高度的(de)(de)(de)(de)(de)親(qin)水性(xing)(xing)(xing)和(he)毒性(xing)(xing)(xing)，并(bing)報告了厚度僅為(wei)4~6 mm的(de)(de)(de)(de)(de)沸石涂(tu)層對(dui)載(zai)人航天器應用(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)不銹鋼和(he)鋁合金(jin)(jin)具(ju)有(you)(you)(you)良好的(de)(de)(de)(de)(de)粘附(fu)性(xing)(xing)(xing)。此(ci)外，發現涂(tu)層在強酸和(he)強堿溶液中具(ju)有(you)(you)(you)極強的(de)(de)(de)(de)(de)耐(nai)腐蝕性(xing)(xing)(xing)。
氧(yang)化(hua)(hua)性殺(sha)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)劑 （如氯） 可(ke)釋放自由(you)基(ji)攻擊(ji)細胞(bao)成分[118]，它(ta)們(men)反應(ying)迅(xun)速，因(yin)(yin)此適用于長期的微生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)控(kong)制。它(ta)們(men)通(tong)常(chang)用于水(shui)公用設施和(he)廢(fei)水(shui)處理[119]。四羥(qian)甲(jia)基(ji)硫酸膦 （THPS） 和(he)戊(wu)二醛(quan)是(shi)油(you)(you)氣作業(ye)中(zhong)常(chang)用的兩(liang)種非氧(yang)化(hua)(hua)性殺(sha)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)劑，其具有廣譜、生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)降(jiang)解(jie)性、安全性和(he)成本效(xiao)益優勢[120]。THPS可(ke)以變成易于生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)降(jiang)解(jie)的三羥(qian)甲(jia)基(ji)氧(yang)化(hua)(hua)膦[121]，THPS也是(shi)酸性油(you)(you)藏中(zhong)的硫化(hua)(hua)物(wu)(wu)清除劑。因(yin)(yin)此，這種THPS消耗可(ke)以將其殘留(liu)濃度降(jiang)低到次臨界水(shui)平。戊(wu)二醛(quan)在細胞(bao)壁上交聯氨基(ji)從(cong)而(er)使微生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)失活[122]。除THPS和(he)戊(wu)二醛(quan)外，石油(you)(you)和(he)天然氣行業(ye)還使用了其他(ta)非氧(yang)化(hua)(hua)性殺(sha)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)劑，如季銨鹽(yan)、異噻唑酮、有機溴、惡唑烷和(he)三嗪(qin)等(deng)[123,124]。季銨/胺化(hua)(hua)合物(wu)(wu)和(he)烷基(ji)二甲(jia)基(ji)芐基(ji)氯化(hua)(hua)銨等(deng)溶解(jie)性殺(sha)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)劑經常(chang)用于破壞細胞(bao)膜[125]。
4 展望(wang)
盡管關(guan)(guan)于(yu)微(wei)生(sheng)物(wu)(wu)(wu)腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)已(yi)經有(you)大量的(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)究成果，目前(qian)仍(reng)然存在以下問題。迄(qi)今(jin)為止，沒有(you)一種市售混(hun)凝(ning)土能夠在其預計的(de)(de)(de)(de)(de)使(shi)用(yong)壽命(ming)內，滿足微(wei)生(sheng)物(wu)(wu)(wu)作(zuo)用(yong)下的(de)(de)(de)(de)(de)侵蝕(shi)(shi)性(xing)條件。只要(yao)混(hun)凝(ning)土表面允許微(wei)生(sheng)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)定(ding)植和(he)生(sheng)長，微(wei)生(sheng)物(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)產酸作(zuo)用(yong)就開始(shi)，而人們對(dui)于(yu)導致建(jian)筑材(cai)(cai)料在廢水環(huan)境中微(wei)生(sheng)物(wu)(wu)(wu)定(ding)植的(de)(de)(de)(de)(de)初(chu)始(shi)過程不充(chong)分(fen)了(le)解。具體混(hun)凝(ning)土的(de)(de)(de)(de)(de)物(wu)(wu)(wu)理和(he)化(hua)學(xue)特性(xing)對(dui)微(wei)生(sheng)物(wu)(wu)(wu)生(sheng)長、隨后的(de)(de)(de)(de)(de)腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)開始(shi)和(he)發展的(de)(de)(de)(de)(de)作(zuo)用(yong)仍(reng)需(xu)進一步研(yan)究。關(guan)(guan)于(yu)金屬(shu)材(cai)(cai)料的(de)(de)(de)(de)(de)微(wei)生(sheng)物(wu)(wu)(wu)腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)，雖然已(yi)經提出了(le)很(hen)多(duo)腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)機制，但很(hen)多(duo)理論仍(reng)缺乏直接(jie)的(de)(de)(de)(de)(de)證據(ju)，胞外電(dian)子轉移理論也需(xu)要(yao)進一步的(de)(de)(de)(de)(de)實驗驗證。基因突變、蛋白質組分(fen)析和(he)代謝組學(xue)研(yan)究等分(fen)子工(gong)具可以在電(dian)子轉移途徑關(guan)(guan)鍵成分(fen)的(de)(de)(de)(de)(de)鑒定(ding)方面發揮越來(lai)越大的(de)(de)(de)(de)(de)作(zuo)用(yong)。若要(yao)深入(ru)理解微(wei)生(sheng)物(wu)(wu)(wu)腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)機制，需(xu)要(yao)微(wei)生(sheng)物(wu)(wu)(wu)學(xue)、腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)、電(dian)化(hua)學(xue)和(he)材(cai)(cai)料學(xue)的(de)(de)(de)(de)(de)專(zhuan)家通力合作(zuo)。