3.5.1　微生物腐蚀机理

微生物在自然界中无处不在，包括物体表面，但是物体附着表面的微生物明显不同于其他浮游态微生物。在适宜的条件下，如微生物的自身性质（种类、培养条件、浓度、活性等）、载体表面性质（表面亲水性、表面负荷、表面化学组成、表面粗糙度等）及环境条件（pH、离子强度、水流剪切力、温度等），大量微生物附着在材料表面形成一层菌膜，并进一步形成微型生物黏膜，即微生物膜，这种生物膜污染不仅影响材料腐蚀过程，同时也在很大程度上影响设备的使用性能。

对于高分子材料而言，生物膜污染过程一般可分为两个阶段。第一阶段是微生物（包括各种细菌和真菌）通过向膜面传递（可以通过扩散、重力沉陷、主体对流）而能动地积累在膜面上形成生物膜。当生物膜积累到一定程度引起膜通量的明显下降时便是第二阶段——生物污染。几乎所有的天然和合成高分子材料都易于被细菌吸附并在上面生长繁殖。即使是表面自由能很低的憎水性材料也会被大量细菌所吸附。形成生物膜的细菌由于自身代谢和聚合作用会产生大量细胞外聚物，它们将强附在膜面上，形成强度很高的水合凝胶层，进一步增强了污垢与膜的结合力。

高分子材料的微生物腐蚀或降解主要取决于聚合物分子的大小和结构、微生物的种类及微生物的生活环境条件。对于高分子材料而言，一般可微生物腐蚀的化学结构顺序为：脂肪族酯键、肽键>氨基甲酸酯>脂肪族醚键>亚甲基。另外，相对分子质量大、分子结构排列有规则、疏水性大的聚合物，不利于微生物的生长和繁殖。

高分子材料微生物腐蚀的优势菌群和降解途径通常由环境温度和湿度等条件决定，腐蚀性微生物一般可分为好氧型和厌氧型。在有氧条件下，好氧微生物是破坏复杂材料的主要因素，最终产物为微生物生物量、CO2、H2O等；相反，在缺氧条件下，厌氧共生菌对高分子物质的腐蚀起了关键作用，无氧呼吸的最终电子受体不是氧，其最终产物为微生物生物量、CO2、CH4、H2O（在有甲烷生成条件下）或H2S、CO2和H2O（在硫酸还原条件下）。相比厌氧过程，有氧过程能产生大量能量，可以供微生物生长，并且好氧条件在自然环境中很常见，在实验室中也易模拟。目前已知有两类细胞酶参加了高分子材料的腐蚀/降解：胞外和胞内解聚酶。在腐蚀/降解过程中，微生物胞外酶破坏高分子，产生小短链或更小的分子（如单体、二聚体和低聚物）以至于能通过细菌的半透膜，被细菌作为碳源和能源加以利用，称之为解聚作用，若分解产物为无机物质（如CO2、H2O或CH4）则称为矿化作用。高分子材料的结构越接近天然分子，就越容易被降解和矿化，如纤维素、几丁质和聚β-羟基丁酸酯（PHB），可以完全迅速地被异养微生物在自然条件下降解。对于化学合成高分子材料，虽然降解速率极低，但是在特定环境或特殊用途中，由于对微生物敏感性增加从而加速了高分子材料的微生物腐蚀。