全球海洋面積約為3.6×108 km2,蘊(yùn)含著豐富的礦產(chǎn)資源，包括石油、天然氣、可燃冰和金屬礦石等資源。海洋能源日益成為我國能源增量的主要來源，具有巨大的開采潛力[1]。開展深海資源開發(fā)與科技研究是實施海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的重要舉措，隨著對深海的不斷探索，冷泉系統(tǒng)得到了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注[2],可燃冰作為深海中的重要資源，其開采和利用是海洋能源領(lǐng)域的熱點之一，開采可燃冰的設(shè)備要面臨高壓海水、濕硫化氫、深海海洋生物等惡劣挑戰(zhàn)，海水腐蝕和濕硫化氫腐蝕等問題不僅對海洋工程裝備造成損傷，縮短其使用壽命；嚴(yán)重時，海洋工程裝備的損害可能還會對海洋生態(tài)環(huán)境造成影響。針對鋼結(jié)構(gòu)材料在海洋環(huán)境中的各種腐蝕問題，國內(nèi)外在鋼結(jié)構(gòu)材料的相關(guān)防治工作方面開展了大量的研究，主要基于合理選材[3]、結(jié)構(gòu)優(yōu)化[4]、添加緩蝕劑[5]和表面改性[6]4個方面，其中表面改性技術(shù)，即通過特定的表面技術(shù)在材料表面施加保護(hù)層，從而實現(xiàn)保護(hù)材料、防止腐蝕的目的，是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛、有效的防腐措施之一。海洋生物種類豐富，含有大量的魚類、貝類、藻類和微生物，它們作為主要的生產(chǎn)者和分解者，對海洋生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)發(fā)揮著重要作用。隨著全球經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人類經(jīng)濟(jì)活動所帶來的諸如重金屬、VOC(Volatile Organic Compounds, 揮發(fā)性有機(jī)化合物)污染等系列環(huán)境問題日益突出，嚴(yán)重威脅海洋生態(tài)平衡，應(yīng)用于海洋環(huán)境的材料的環(huán)境友好性問題日益受到重視[7]。

本文就海洋工程鋼結(jié)構(gòu)耐海水腐蝕涂層和耐硫化氫腐蝕涂層的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了歸納總結(jié)，同時就常見金屬毒性效應(yīng)及常見金屬元素和海洋高分子污染物生物友好性評價方法進(jìn)行闡述，希望對深海油氣開采等裝備的長效防腐涂層設(shè)計以及應(yīng)用環(huán)境風(fēng)險評估提供理論支持和技術(shù)參考。

一、鋼結(jié)構(gòu)濕硫化氫和海水腐蝕的特點及機(jī)理

1.1 鋼結(jié)構(gòu)腐蝕特點及機(jī)理

硫化氫在低溫干燥條件下與鋼結(jié)構(gòu)接觸不會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，只有在硫化氫溶于水成為電解質(zhì)時才具有腐蝕性。濕硫化氫腐蝕主要包括電化學(xué)腐蝕和氫損傷。鋼結(jié)構(gòu)濕硫化氫腐蝕機(jī)理可以概述為：硫化氫溶于水后發(fā)生電離反應(yīng)產(chǎn)生氫離子和硫離子，氫離子在鋼工件表面奪取電子后被還原成氫原子：

2H++2e→2H (1)

鐵失去電子形成亞鐵離子，亞鐵離子與硫離子反應(yīng)生成硫化鐵：

Fe→Fe2++2e (2)

Fe2++S2-→FeS (3)

由于腐蝕環(huán)境的差異，還可能生成一些結(jié)構(gòu)疏松的硫鐵化合物附著在鋼結(jié)構(gòu)表面，作為陰極部位與鋼結(jié)構(gòu)其他表面產(chǎn)生電位差，加速鋼鐵的電化學(xué)腐蝕[8]。另外，反應(yīng)產(chǎn)生的氫原子有部分不能形成氫氣排出，會通過氫吸附、溶解、擴(kuò)散等方式滲入金屬晶格內(nèi)部，在金屬內(nèi)部的晶界、縫隙、氣孔等薄弱點聚集，產(chǎn)生氫損傷，其主要表現(xiàn)為氫鼓泡(HB)、氫致開裂(HIC)和硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂(SSCC)和應(yīng)力導(dǎo)向氫致開裂(SOHIC)[9]。

1.2 海水腐蝕機(jī)理及深海海水腐蝕特點

海水是一種弱堿性強(qiáng)電解質(zhì)溶液，其鹽度為3.4%左右，含有大量的氯離子和鈉離子。氯離子半徑小、穿透力強(qiáng)，容易破壞海洋鋼結(jié)構(gòu)表面的鈍化膜，使得鋼結(jié)構(gòu)表面發(fā)生腐蝕。鋼在海水中的腐蝕一般以電化學(xué)腐蝕和生物腐蝕為主[10]。鋼是由鐵和碳等元素組成的多相材料，多相電極電位不同，因此可以構(gòu)成原電池，當(dāng)處在海水這個電解質(zhì)溶液中時，碳鋼與海水的接觸表面可以構(gòu)成多個腐蝕微電池，發(fā)生鐵失去電子的電化學(xué)反應(yīng)。海洋微生物可以在鋼鐵表面附著繁殖，形成生物膜，它們的生命活動會改變生物膜與鋼鐵表面的物理化學(xué)環(huán)境，產(chǎn)生腐蝕。深海環(huán)境的溶氧量、壓強(qiáng)、溫度、海水流速等和淺?；虼箨懠芟啾榷加休^大差別，其溫度更低，靜水壓力更大，溶氧量更小，這些因素的變化都會對材料的腐蝕產(chǎn)生影響[11]。在假定其他條件不變的情況下，溫度降低，材料的化學(xué)反應(yīng)活性變低，腐蝕速率下降；靜水壓力增大，海水中氯離子的活性增加，金屬材料表面對氯離子的吸附也增加，更容易侵入材料表面的鈍化膜，加速腐蝕[12];溶氧量隨海水深度增加呈現(xiàn)出先減小的趨勢，因植物光合作用的減少，海浪的流動效果減小等達(dá)到最小值，后隨深度增加緩慢增大[13]。有研究表明，鐵基合金在深海環(huán)境中的均勻腐蝕主要受溶氧量影響，溶氧量減小，腐蝕速率降低[14]。各腐蝕速率影響因素具有協(xié)同作用，有學(xué)者通過灰色關(guān)聯(lián)分析方法計算各影響因素對304不銹鋼腐蝕速率的關(guān)聯(lián)程度，由關(guān)聯(lián)程度的大小判斷各影響因素對腐蝕速率的影響程度，得到的結(jié)果為靜水壓力>溶氧量>pH值[15]。

1.3 硫化氫和海水的協(xié)同腐蝕

在開采海底資源礦產(chǎn)時會同時受到海水和硫化氫的腐蝕作用，硫化氫腐蝕產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物FeS1-x具有半導(dǎo)體性質(zhì)，Cl-會使其禁帶寬度變窄，導(dǎo)電性增強(qiáng)，阻止了致密的FeS和Fe1-xS的生成，加快腐蝕[16]。Cl-還可以弱化金屬與腐蝕產(chǎn)物間的作用力，同時阻止具有一定附著力的硫化物產(chǎn)生，加快腐蝕；但當(dāng)氯離子濃度過大時，由于氯離子有較大的吸附性，其吸附在材料表面取代吸附在表面的H2S、HS-時會減緩腐蝕速率[17]。

二、耐濕硫化氫、耐海水腐蝕涂層

針對耐腐蝕涂層材料在單一濕硫化氫環(huán)境或單一海水環(huán)境中的防腐研究較多，而針對耐腐蝕涂層材料在二者協(xié)同環(huán)境中的研究較少。故本文僅概述耐硫化氫腐蝕涂層和耐海水腐蝕涂層的研究現(xiàn)狀。希望找到涂層材料在2種環(huán)境中的共性規(guī)律，為濕硫化氫/海水耦合環(huán)境中的防腐涂層設(shè)計提供思路。目前，按照涂層材料的不同可將鋼結(jié)構(gòu)表面耐濕硫化氫腐蝕涂層大致分為有機(jī)涂料涂層、金屬涂層和無機(jī)陶瓷涂層；按照涂層材料的不同也可將耐海水腐蝕涂層分為有機(jī)涂料涂層、無機(jī)涂料涂層、金屬涂層和無機(jī)陶瓷涂層4類。涂料種類眾多，易于在基體表面成型，通過顏填料優(yōu)化，以及樹脂改性可以優(yōu)化涂料性能，但在高壓海水環(huán)境中顏填料的添加會增大涂層的吸水率，顏填料吸水后容易溶脹，從而加速涂層的腐蝕過程[18]。金屬可以作為犧牲陽極，此外，某些金屬元素還具有較好的耐腐蝕性，使得金屬可以作為用于保護(hù)基體的耐腐蝕涂層，但在長期服役時金屬涂層也會受到破壞，可以優(yōu)化涂層制備工藝以及外加保護(hù)層延長使用壽命。無機(jī)陶瓷涂層的屏蔽保護(hù)作用非常好，但是在制備涂層時容易形成孔隙，腐蝕液可以通過孔隙侵入基體，可以對金屬陶瓷涂層進(jìn)行封孔處理增強(qiáng)保護(hù)作用。金屬涂層和陶瓷涂層的制備方法多樣，可以選擇合適方法在基體材料表面成型，但等離子噴涂等制備方法需要先在鋼結(jié)構(gòu)材料表面噴涂粘結(jié)層，以改善工作涂層的綜合性能和應(yīng)力分布狀況。

2.1 耐硫化氫腐蝕有機(jī)涂料

耐硫化氫腐蝕有機(jī)涂料包括環(huán)氧樹脂涂料、聚氨酯涂料、玻璃鱗片涂料和聚苯胺(PANI)樹脂涂料等。涂刷以環(huán)氧體系和聚氨酯體系為代表的雙組分無溶劑涂料是油田管線外防腐層的重要保護(hù)措施[19]。目前研究較多的為環(huán)氧樹脂類和改性環(huán)氧樹脂類涂料，這類涂料固化后含有穩(wěn)定的苯環(huán)，具有良好的耐酸性質(zhì)。通過優(yōu)化顏填料以及改性涂料，可以進(jìn)一步提升涂料的耐腐蝕性能。粟鷹等[20]利用改性氨類固化劑、鈦白粉等制備出耐酸涂料。石墨烯改性是涂料改性的一個重要方向，王磊等[21]在涂料中添加耐酸性填料、填充型導(dǎo)熱填料和石墨烯分散體，發(fā)現(xiàn)制備的涂料具有良好的耐酸性；低維新材料科技(蘇州)有限公司[22]研制出一種添加少層石墨烯的重防腐涂料，將少層石墨烯作為組分的添加材料，發(fā)現(xiàn)制備的涂料具有優(yōu)異的耐硫化氫腐蝕性能，可用于多種基材的防腐。整體而言，可以通過改性賦予有機(jī)涂料良好的耐酸腐蝕性，然而其與基體的結(jié)合力有限，在高壓環(huán)境中尤其明顯。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)高壓會使涂層中的顏填料變得溶脹，易形成腐蝕通道，導(dǎo)致涂層失效和基體腐蝕[23]?？梢酝ㄟ^改性來改善有機(jī)涂料的性能，但由于致密性和附著力等原因，在高壓環(huán)境中有機(jī)涂料難以長時間服役，提高涂層的致密性及其與基體的附著力是有機(jī)涂料能夠在高壓環(huán)境中良好應(yīng)用的重要條件。

2.2 耐硫化氫腐蝕金屬涂層

常見耐硫化氫腐蝕的金屬涂層包括：Zn基合金涂層、Al基合金涂層和Ni基合金涂層。其中，Zn、Al及其合金因為成本較低，是目前研究和應(yīng)用得較為廣泛的一類耐腐蝕涂層，其常見的制備方法包括熱浸鍍法和電弧噴涂法。Morinaga等[24]和Khoma等[25]均針對熱浸鋅涂層，分別對比了熱浸鋅鋁涂層、電弧噴涂Zn涂層、電弧噴涂Al涂層在含硫環(huán)境中的耐腐蝕性能。發(fā)現(xiàn)在含硫環(huán)境中，添加Al有助于提高Zn涂層的耐腐蝕性能，同時電弧噴涂法所制備的Zn-Al合金涂層的耐腐蝕性能比熱浸鍍Zn涂層更好。潘從錦等[26]采用電弧噴涂法制備鋅鋁合金涂層，并將其用作丙烷罐的防腐涂層，發(fā)現(xiàn)隨著使用時間的延長，涂層緩慢失效，為提高涂層的防護(hù)能力，從減少涂層的孔隙和缺陷角度考慮，提出在金屬涂層表面再施加保護(hù)層的想法。Bruce[27]歸納總結(jié)了13Cr、316不銹鋼、22Cr、C276等合金在硫化氫、二氧化碳腐蝕環(huán)境中的耐腐蝕性能，發(fā)現(xiàn)C276的耐腐蝕性最好。李金武等[28]采用圓柱體磁控濺射技術(shù)將C276合金沉積到碳鋼管材內(nèi)壁，發(fā)現(xiàn)在硫化氫環(huán)境中C276涂層對碳鋼金屬基體的氫滲透有抑制作用。鎳基合金作為一種性能優(yōu)異的耐腐蝕合金，其種類眾多，包括鎳銅合金、鎳鉻合金、鎳鉻鉬合金等。向Ni基合金涂層中添加合金元素或者第二相有助于提高涂層的耐腐蝕性能。王亞楠等[29]采用等離子轉(zhuǎn)移弧堆焊技術(shù)制備了不同球形碳化鎢(WC)含量的鎳基涂層，研究其在飽和硫化氫溶液中的耐腐蝕性能，發(fā)現(xiàn)WC的含量對涂層的耐腐蝕性能影響較大。汪亞軍等[30]研究了Mo、Nb、W 3種元素對鎳基涂層耐氯化氫腐蝕性能的影響，發(fā)現(xiàn)添加了上述元素的涂層均有很好的耐腐蝕性，且涂層性能好壞與元素含量有密切關(guān)系。油田開采設(shè)備需要承受硫化氫腐蝕，馬宏原等[31]在塔河油田九區(qū)采用鎳基合金油管進(jìn)行作業(yè)，解決了腐蝕問題。作為借鑒，若將鎳基合金作為涂層使用，可以形成有效保護(hù)層。為提高金屬涂層的耐硫化氫腐蝕性能，可以向涂層材料中添加合金元素或者第二相，或在金屬涂層表面再添加保護(hù)層，形成復(fù)合耐腐蝕結(jié)構(gòu)。

2.3 耐硫化氫腐蝕無機(jī)陶瓷涂層

相對于有機(jī)涂層和金屬涂層而言，以碳化物、氮化物、硼化物、金屬氧化物為代表的陶瓷材料對H2S、Cl-和CO2等的腐蝕具有更強(qiáng)的阻礙作用，而且不易被腐蝕介質(zhì)腐蝕。李慧等[32]采用陶瓷覆膜技術(shù)制備出以Ti、Cr、Al的氮化物、碳化物構(gòu)成的金屬陶瓷類復(fù)合涂層，涂層表現(xiàn)出良好的耐硫化氫腐蝕性能。Eugene[33]采用基于CVD的熱擴(kuò)散工藝制備鐵的硼化物涂層，涂層表現(xiàn)出良好的耐硫化氫腐蝕性能。Huang等[34]采用低溫滲鋁和微弧氧化(MAO)相結(jié)合的方法制備的Fe-Al/Al2O3雙層涂層在試驗中表現(xiàn)出良好的耐硫化氫腐蝕的性能。陶瓷涂層也被用于油田硫化氫防腐，黃本生等[35]采用化學(xué)氣相沉積(CVD)技術(shù)在油氣田井下常用的35CrMo鋼表面制備出Ti、Cr、Al的氮化物、硼化物構(gòu)成的金屬陶瓷覆膜，試驗證明其有很好的抗硫化氫腐蝕性能。盛長松等[36]在金屬粘結(jié)劑中添加了金屬陶瓷材料，并將其涂覆在基體表面再進(jìn)行熱處理，可以得到既有陶瓷的耐酸性、又有金屬韌性的金屬陶瓷涂層，但該金屬陶瓷涂層在油氣田防腐方面還幾乎沒有應(yīng)用。陶瓷涂層種類較多，制備涂層的方法也很多樣。對涂層制備工藝進(jìn)行改進(jìn)，將涂層材料匹配合適的制備方法，均可提高涂層的性能。涂層在實驗室條件下表現(xiàn)出良好性能的同時，應(yīng)加強(qiáng)其在真實環(huán)境的試驗，從而更好地對涂層的性能進(jìn)行評價與改進(jìn)。

2.4 耐海水腐蝕有機(jī)(無機(jī))涂料

環(huán)氧樹脂類、玻璃鱗片類等涂料不僅對硫化氫有較好的耐腐蝕效果，而且對于海水的腐蝕也有很好的防護(hù)效果，除此之外，在海洋工程鋼結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較多的重防腐涂料還有：聚氨酯類防腐涂料、橡膠防腐涂料、有機(jī)(無機(jī))硅類樹脂涂料和有機(jī)(無機(jī))富鋅涂料等[37]。其中，環(huán)氧樹脂涂料具有高附著力、高強(qiáng)度、較好的耐化學(xué)品和耐磨性等特性，也是目前海洋重防腐領(lǐng)域應(yīng)用最早、范圍最廣的涂料之一[38]。和耐硫化氫腐蝕涂料一樣，對涂料進(jìn)行改性是提高涂料耐海水腐蝕性能的重要方向。Ghaffari等[39]將一種雙官能團(tuán)硅烷作為表面改性劑和偶聯(lián)劑，發(fā)現(xiàn)將其加入涂層中可以提高涂層的防護(hù)性能。Viorel等[40]研究了含有一定量ZnO納米顆粒的環(huán)氧樹脂涂料在海軍鋼材表面的耐腐蝕性能，當(dāng)ZnO納米顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時，涂層的耐腐蝕效果最佳。黃繼偉等[41]通過合成超低酸價純丙烯酸樹脂對氯化橡膠樹脂進(jìn)行改性，并采用低重金屬防銹顏料，成功制備出耐海水腐蝕性能優(yōu)異的涂料。根據(jù)不同區(qū)域的腐蝕特點，開發(fā)不同種類的防腐涂料以及合理利用改性方法是研究海洋防腐涂料的有效思路，除此之外，綠色環(huán)保型海洋防腐涂料的研發(fā)也是未來研究發(fā)展的重要方向。

2.5 耐海水腐蝕金屬涂層

研究耐海水腐蝕金屬涂層的性能時，常采用浸泡試驗和電化學(xué)試驗來判斷涂層的腐蝕傾向，進(jìn)而分析其腐蝕機(jī)理。鋅鋁合金是常用的耐海水腐蝕涂層材料之一，Zn的電化學(xué)活性高，可以作為犧牲陽極；Al的化學(xué)穩(wěn)定性好，Al涂層可以經(jīng)受海水的腐蝕。但單純的Zn涂層在氯離子的作用下，易形成氯鹽化合物，使涂層的耐腐蝕性降低；而當(dāng)單純的Al涂層表面的氧化膜被破壞時，基體材料會受到腐蝕。鋅鋁合金涂層兼有鋅涂層電化學(xué)活性高和鋁涂層化學(xué)穩(wěn)定性好的優(yōu)勢，能夠有效保護(hù)鋼材，梁國等[42]采用超音速電弧噴涂技術(shù)制備鋅鋁涂層并研究其在海水中的耐腐蝕性能，結(jié)果表明涂層可以很好地保護(hù)基體不被腐蝕。郭麗娟[43]制備了鋅鋁涂層，發(fā)現(xiàn)其在低溫海洋環(huán)境中具有較好的耐腐蝕性能。熱噴涂使用的鋅鋁合金主要是含Al量5%～25%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的鋅鋁二元合金[44]。研究發(fā)現(xiàn)在鋅鋁合金中摻雜Si、Mg和稀土元素RE可以提高鋅鋁合金涂層的耐腐蝕性能。宋嘉良等[45]研究了添加Mg和RE元素對鋅鋁合金涂層耐腐蝕性能的影響，圖1為Zn-Al和Zn-Al-Mg-RE涂層在鹽霧試驗不同時間時的表面SEM形貌。由圖1可知，添加了Mg和RE元素的涂層的腐蝕產(chǎn)物堆積在涂層表面，形成了致密的腐蝕產(chǎn)物層，腐蝕時間越長，腐蝕層越致密，耐腐蝕性能變強(qiáng)。Su等[46]研究了冷軋鋼表面熱浸渡鋅法制備的Al-Zn-Si, Al-Zn-Si-RE和Al-Zn-Si-RE-Mg涂層的腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)RE和Mg元素的加入可以減少涂層表面的缺陷并產(chǎn)生更精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)，使涂層的耐腐蝕性能更好。鎳基合金對海水也有非常好的耐腐蝕性，合金中的Cu、Cr、Mo等合金元素，能有效抵抗點蝕、縫隙腐蝕。張麗敏[47]在電化學(xué)-磨損聯(lián)用的腐蝕磨損試驗機(jī)上研究了鎳基合金在人工海水中的腐蝕磨損行為，發(fā)現(xiàn)合金在人工海水中有良好的耐腐蝕性能。Kong等[48]采用電弧熱噴涂工藝在Q235基體鋼上制備了哈氏合金C276涂層，發(fā)現(xiàn)該涂層表現(xiàn)出良好的耐氯離子腐蝕性能。Kuroda等[49]通過超音速噴涂技術(shù)制備了哈氏合金C涂層和316L不銹鋼涂層，發(fā)現(xiàn)哈氏合金C涂層比不銹鋼涂層更具有優(yōu)異的耐腐蝕性，涂層的密度更高，與基體的結(jié)合力更強(qiáng)。

除了Zn-Al合金和Ni基合金涂層外，鐵基合金涂層和銅基合金涂層等其他合金涂層也表現(xiàn)出比較優(yōu)異的耐海水腐蝕性能。劉基凱等[50]研究了電弧噴涂銅合金的耐腐蝕性能，發(fā)現(xiàn)銅合金涂層結(jié)構(gòu)致密， 涂層的耐蝕性能較好。Zeng等[51]在低碳鋼上噴涂奧氏體不銹鋼涂層，在涂層孔隙觀察到基體的腐蝕行為，對涂層進(jìn)行封孔處理后，保護(hù)效果變好；對涂層施加封孔層是有效的二次保護(hù)方法。對于單純的合金涂層，在耐腐蝕性能達(dá)不到要求時，可選擇加入一些合適的能抵抗腐蝕的元素，來提高涂層的耐腐蝕性。

圖1 Zn-Al和Zn-Al-Mg-RE涂層在鹽霧試驗不同時間時的表面SEM形貌[45]

2.6 耐海水腐蝕無機(jī)陶瓷涂層

三、 金屬毒性效應(yīng)及海洋生物友好性評價方法

3.1 毒性效應(yīng)

涂層材料含有多種金屬元素，這些元素會對海洋生物產(chǎn)生影響。金屬元素在海洋中一般以離子形式存在，可以直接或間接參與微生物的生長、代謝等方面。金屬元素在生物體內(nèi)都有一定的限量，含量不足會抑制生物的生殖、生長，甚至導(dǎo)致死亡；但稍微過量則會導(dǎo)致生物產(chǎn)生毒性效應(yīng)。一般可將金屬分為生物必要元素(如Ca、Zn、Fe、Mn、Cr、Co)和生物非必要元素(如Hg、Cd、Pb、As),這些金屬的含量和生物量的關(guān)系如圖2[56]。其中鎘(Cd)是海洋生物體非必須的重金屬元素，其性質(zhì)穩(wěn)定、不易降解，易在生物體內(nèi)蓄積，會對生物各方面造成不同程度的損傷，Cd的所有化學(xué)價態(tài)都有毒，其中離子狀態(tài)危害最大[57,58]。砷(As)為類金屬，是生物體非必須的微量元素，在自然界中廣泛存在，存在形態(tài)分為有機(jī)和無機(jī)2種，均有劇毒[59]。汞(Hg),尤其是其有機(jī)形式[即甲基汞(MeHg)]是一種持續(xù)性的環(huán)境污染物，可沿著生物鏈放大，對生物產(chǎn)生致畸、神經(jīng)毒性和生殖毒性，最終對生物的生長和行為造成傷害[60]。鉻(Cr)是生物必須微量元素，長期暴露在Cr環(huán)境會導(dǎo)致氧化應(yīng)激反應(yīng)危害，以及免疫、生殖及遺傳毒性[61]。銅(Cu)、鐵(Fe)、鋅(Zn)等也是所有生物都需要的微量元素，這些元素對生物生長的抑制效應(yīng)是其濃度的兩步函數(shù)。濃度過低或過高都會影響生物生長，過高甚至?xí)?dǎo)致生物產(chǎn)生毒性效應(yīng)和死亡[56]。

圖2 生物必要和不必要元素的的含量和生物量的關(guān)系[56]

3.2 海洋生物的友好性評價方法

海洋生物作為海洋中重要的組成部分，研究其對污染物的響應(yīng)對評價污染物環(huán)境風(fēng)險具有重要意義。主要通過建立環(huán)境樣品中微生物遺傳信息與污染物之間的關(guān)聯(lián)來表征微生物對污染物的響應(yīng)。其基本思路是首先通過高通量測序技術(shù)測定環(huán)境樣品中微生物組成、多樣性和相對豐度等，然后通過化學(xué)分析測定環(huán)境樣品中的污染物組成與濃度，最后利用冗余分析和Spearman 相關(guān)性分析2種信息之間的關(guān)聯(lián)[62]。Gutierrez等[63]對海洋藻類細(xì)菌Halomonas sp產(chǎn)生的外多糖(EPS)進(jìn)行金屬分析，發(fā)現(xiàn)其含有高水平的K、Ca、Mg和Zn、Cu、Fe、Si等幾種生物必須的微量元素，還發(fā)現(xiàn) EPS對Ca、Si、Fe、Mn、Al有特定的結(jié)合能力，說明海洋細(xì)菌EPS在微量金屬生物地球化學(xué)循環(huán)中的潛在重要性。衣俊[64]對長江口近岸潮灘和崇明東灘的沉積物內(nèi)重金屬污染物進(jìn)行環(huán)境風(fēng)險評估研究，發(fā)現(xiàn)Zn是影響微生物菌群中優(yōu)勢門、綱、目、科組成及豐度的顯著因子，長江口潮灘沉積物內(nèi)重金屬Zn和Cu的濃度與菌群調(diào)控的含硫化合物的呼吸作用的貢獻(xiàn)率呈負(fù)相關(guān)性。對海洋大生物的污染效應(yīng)研究多采用毒暴試驗，探究污染物對其生長的影響。沈芾[65]采用極性毒性試驗研究了錦鯉、斑馬、劍尾魚、虎皮魚、孔雀魚等觀賞性魚類對常見重金屬離子Cu2+、Hg2+、Cd2+、Cr6+、Zn2+的污染響應(yīng)，其中，在純水中重金屬對幾種小型魚類的毒性強(qiáng)弱順序為Cu2+> Hg2+> Cd2+> Cr6+。柳學(xué)周等[66]采用急性毒性試驗研究了Cu、Hg、Zn、Cd、Pb對半滑舌鰨胚胎發(fā)育的毒性效應(yīng)，除了Cd2+會促進(jìn)胚胎發(fā)育率外，其他4種金屬離子均會減慢胚胎孵化率，另外，所有重金屬離子都有致畸現(xiàn)象，5種金屬對胚胎的毒性大小依次為Cu>Hg>Cd>Zn>Pb。

除了金屬和陶瓷涂層中的離子外，海洋防腐有機(jī)涂料以及塑化劑、防污劑等高分子材料也會對海洋生物造成危害。有機(jī)污染物對水生生物的毒性作用模式可分為麻醉型和反應(yīng)型2種類型，麻醉型化合物通過干擾生物細(xì)胞膜的正常功能發(fā)揮其毒性效應(yīng)，反應(yīng)型化合物與生物分子發(fā)生生物化學(xué)反應(yīng)，其毒性顯著高于麻醉型化合物[67]。研究有機(jī)污染物對不同水生生物毒性的種間關(guān)系有助于探討有機(jī)污染物對水生生物的毒性作用模式。馮曉娜等[68]選擇了1 470 種有機(jī)化合物對發(fā)光菌的毒性數(shù)據(jù)和949種有機(jī)化合物對魚的毒性數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)有機(jī)化合物對發(fā)光菌和魚的毒性呈正相關(guān)，但種間相關(guān)性較差，其中種間相關(guān)性結(jié)論與于洋等[69]研究的有機(jī)污染物對7種水生生物的毒性結(jié)論一致，此外，有機(jī)污染物對水生生物的毒性作用模式不僅取決于有機(jī)化合物的分子結(jié)構(gòu)，而且取決于有機(jī)生物體的生理構(gòu)造。為評價鉆井液特征污染物的毒性，劉衛(wèi)麗等[70]研究了鉆井廢液特征污染物(苯酚、七水硫酸鋅、氯化汞)以及參比毒物十二烷基硫酸鈉(Sodium Dodecyl Sulfate, SDS)的急性毒性效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)金屬離子對海洋生物的毒性最高，但是苯酚和SDS對海洋生物也表現(xiàn)出中、高毒性。

四、展望與結(jié)語

隨著海洋能源開采向深海、遠(yuǎn)海邁進(jìn)，鋼結(jié)構(gòu)的日常維護(hù)和修理面臨挑戰(zhàn)，系統(tǒng)長壽命服役設(shè)計需求成為基本準(zhǔn)則。表面涂層技術(shù)是提高鋼結(jié)構(gòu)材料表面耐蝕性能的經(jīng)濟(jì)且有效的手段，其涂層材料內(nèi)容豐富，各具特色。有機(jī)涂層具有良好的耐蝕性，但其與基體間的結(jié)合力有限，難以滿足長期高溫、高壓和高含硫腐蝕要求。相比于有機(jī)涂層，金屬涂層和陶瓷涂層更能承受深海長期高壓環(huán)境，但需要根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)材料的服役環(huán)境和壽命對材料成分、制備方法和涂層結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。就涂層材料應(yīng)用研究現(xiàn)狀而言，展望如下：

(1)目前的有機(jī)涂層、金屬涂層和陶瓷涂層的研究大多針對單一的海水環(huán)境或含硫環(huán)境，而在海水、硫化氫和其它因素耦合環(huán)境中的腐蝕規(guī)律研究較少，相關(guān)腐蝕性能和機(jī)理有待進(jìn)一步揭示。

(2)金屬涂層容易產(chǎn)生溶解性金屬離子，會對海洋生物的生長產(chǎn)生影響。陶瓷涂層的化學(xué)惰性高，生物友好性好，但其力學(xué)性能較差，脆性高。如何結(jié)合涂層制備技術(shù)和成分優(yōu)化提高其力學(xué)性能是關(guān)鍵。

(3)通過有機(jī)封孔處理，一方面可降低諸如熱噴涂金屬或陶瓷涂層的孔隙率以提升耐腐蝕性能；另一方面可減少涂層或基體的可溶性離子的析出。通過有機(jī)、金屬和陶瓷3種材料復(fù)合的涂層技術(shù)將為解決鋼結(jié)構(gòu)深海長效防腐提供新的思路。

(4)綠色環(huán)保型涂層是未來發(fā)展趨勢，材料生物友好性評價是未來耐腐蝕涂層設(shè)計研究中的重要一環(huán)。因此，在特定工況環(huán)境中服役的涂層材料對生物生長的影響及金屬毒性效應(yīng)需進(jìn)一步進(jìn)行具體研究。

五、夢能服務(wù)與支持

1、免費(fèi)樣品

如果您對我公司的工業(yè)重防腐油漆產(chǎn)品有需要或者申請樣品試用，請與我們的客服人員取得聯(lián)系。400-878-0506

油漆樣品適用范圍：

用于新建項目：驗證油漆配套的可行性、檢驗附著力、效果圖與實際顏色的色差。

用于維修項目：驗證與舊涂層的兼容性。

用于日常修補(bǔ)：提供少量樣品用于修補(bǔ)破損處。

申請用量：在1KG以內(nèi)免費(fèi)送貨上門。

2、免費(fèi)打樣

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3、服務(wù)團(tuán)隊

夢能對技術(shù)服務(wù)團(tuán)隊始終進(jìn)行一系列的標(biāo)準(zhǔn)化管理，從專業(yè)培訓(xùn)到日常報告的管理都有一整套完善的體系。夢能公司每年都會對技術(shù)服務(wù)人員進(jìn)行定期的技術(shù)培訓(xùn)和能力審計，以使每一位技術(shù)服務(wù)人員保持高水準(zhǔn)的專業(yè)素質(zhì)，每一位技術(shù)服務(wù)人員都配備先進(jìn)的涂裝檢驗儀器，儀器設(shè)備均按規(guī)定的時間期限進(jìn)行定期校驗，以保證每套儀器設(shè)備工作狀況良好。

4、購買通道

零售：購買50kg以內(nèi)，線上購買，抖店直接下單購買。

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