[发明专利]用于检测生物膜的方法和装置

说明书

相关申请交叉引用

本申请要求2011年4月27提交的美国临时专利申请序列号61/479,635的优先权和任何其它权益，其内容通过引用结合到本文中。

技术领域

本公开涉及生物膜检测领域，更具体地讲，涉及检测产电性生物膜（并因此为腐蚀性生物膜）的方法和装置。本公开还涉及对于生物膜可对金属(例如，碳钢和不锈钢)有多大腐蚀性的检测。

背景

微生物影响的腐蚀(MIC)，也称为生物腐蚀，导致不同工业每年数十亿美元的损失，包括食品加工、制造、化学加工、水公用设施，特别是油气工业，在这里仅举数例。MIC通常是数月至数年的长期过程。减轻MIC是昂贵的，不仅在化学处理的成本方面，而且在于由于维修停工的生产损失。也已知MIC不利地影响老化基础结构，包括码头、桥、工厂、船坞、水塔、热交换器、流体输送管和水处理设施。根据一些资料，MIC占所有金属和建筑材料腐蚀的约20%。在2006年Prudhoe Bay，Alaska的管道泄漏(1/4小孔)中，MIC是主要嫌疑。由于基础结构老化并且比以往更频繁的强化油回收，MIC正变得更成问题。

由于耗减的储量和高油气价格，通过利用强化油回收，也称为驱油（flooding），使先前低产的或非成本有效的油藏保持生产。驱油过程包括用水或二氧化碳(CO₂)提高井压力，并从油藏推出残油。在驱油过程中最常使用海水，其将细菌和营养物引入系统。海水包含用于微生物生长的营养物和细菌(例如，硫酸盐还原菌(SRB))。另外，在油藏中可能已存在来自地质时代的细菌。由于硫酸根还原成H₂S气体，油藏中的微生物活性经常导致酸化。由于微生物、水和营养物全部存在，石油管线易于MIC。另外，因为由于冷凝，痕量水分不可避免，所以气体管线也不免受MIC损害。

与一般腐蚀相比，MIC倾向于很局部化。生物膜，MIC的主因，一般由微生物细胞及其胞外产物(胞外聚合物)组成，这赋予它们非常多孔的结构，与包含的水量(>95%重量/重量)一致。生物膜中微生物的分布不均匀。在多物种生物膜聚生体中已发现高度复杂的结构，所述高度复杂的结构包含空隙、这些空隙之间的连接通道和微生物簇或层。在基体上形成生物膜时，可产生结节，并且可在结节下形成坑。结节可具有包含消耗氧的需氧菌的外部和经历减低的氧水平（这允许厌氧菌繁殖）的内部。一旦建立，MIC就极难消除，并且可发展成许多年内的长期维护和操作问题。从管道系统的裂缝和最远分支和盲管段完全去除MIC的失败一般导致在生物杀伤剂和/或清理处理后短时间内相同微生物的再侵染。

在很多情况下，由于厌氧生物膜生活在需氧生物膜下，与有氧腐蚀相反，与MIC相关的主要问题是无氧腐蚀。无氧腐蚀是由于铁由以下铁氧化反应溶解：

Fe → Fe²⁺ + 2e^-　　　　　　　　(铁氧化反应)　　(1)

其中Fe²⁺溶解于本体流体。Fe²⁺也可与其它化学物类反应并沉淀。当存在硫酸根和SRB时，SRB产生硫化物，硫化物可生成硫化铁(FeS)，硫化铁在水中具有有限的溶解度。在达到过饱和后，FeS将沉淀，产生黑墨色。一般来说，FeS沉淀伴有H₂S的像腐坏鸡蛋的气味表明存在SRB活性。

为了驱使反应1进行，必须去除由铁氧化反应释放的电子。含铁基体(例如，碳钢表面)上生物膜中的微生物可利用电子用于还原反应，例如，通过SRB还原硫酸根，以及通过硝酸盐还原菌(NRB)还原硝酸根，如下所示：

SO₄^2- + 9H⁺ + 8e^- → HS^- + 4H₂O　　　(硫酸根还原)　　(2)

2NO₃^- + 10e^- + 12H⁺ → N₂ + 6H₂O　　　(硝酸根还原)　　(3)

没有生物膜的生物催化，反应2和3不进行。微生物，例如SRB，一般需要有机碳用于生长。有机碳氧化提供电子和碳结构单元用于有机合成。电子用于还原反应，如反应2和3中所见。氧化还原反应产生用于细胞代谢和维持的能量，形成无氧呼吸的基础。