劉倩倩，盧琳,2，肖葵

（1.北京科技大學(xué) 新材料技術(shù)研究院，北京 100083；2.海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 鞍山 114000）

涂層體系的老化失效問題直接影響到材料在使用過程中的服役安全性，一直以來是腐蝕領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。近年來，為了滿足“一帶一路”建設(shè)的需要，越來越多的材料被應(yīng)用于東南亞國家典型的熱帶雨林大氣環(huán)境中，這也給材料的環(huán)境適應(yīng)性帶來了新的挑戰(zhàn)。目前，針對涂層老化機(jī)理的研究，大多圍繞光（氧）老化及其與其他常規(guī)環(huán)境因素的耦合作用展開[1-2]。老化過程中，真菌的腐蝕作用往往被忽視，這是因?yàn)榇髿庵惺褂玫姆雷o(hù)性涂層一般不含易被真菌直接食用的天然油脂成分，且大多通過了抗霉菌的測試。然而，涂層不可避免地會被其所附著的微生物菌群攻擊，從而發(fā)生老化、失效[3-6]。真菌是自然界中普遍存在的真核微生物，它們可能是溫暖潮濕環(huán)境中導(dǎo)致微生物降解或腐蝕的主要因素[7-8]。V. Wachtendorf 等[9]在涂層的暴曬實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，氣候濕潤地區(qū)的涂層板破壞程度最嚴(yán)重。B. Little[10]發(fā)現(xiàn)，在悶熱且濕度≥60%的軍用直升機(jī)艙內(nèi)環(huán)境中，真菌可以茁壯生長，并產(chǎn)生酸性副產(chǎn)物，導(dǎo)致涂覆在金屬表面的聚氨酯涂層脫粘。西雙版納熱帶雨林大氣環(huán)境所特有的高溫高濕、植被茂密等特點(diǎn)為，霉菌的新陳代謝提供了良好的生存環(huán)境和養(yǎng)分供給，使霉菌腐蝕可能成為加速涂層材料老化失效的關(guān)鍵問題。

目前，微生物腐蝕的研究大多聚焦于細(xì)菌生命活動在電化學(xué)過程中發(fā)揮的傳電作用[11-13]。與之相比，微生物中的另一大族群——真菌引起的腐蝕問題研究進(jìn)展緩慢，特別是對于大氣環(huán)境中霉菌在涂層體系失效過程中所發(fā)揮的作用機(jī)制缺乏深入研究。這是由于大氣中的紫外線、濕度、溫度變化大，貧養(yǎng)環(huán)境等因素不利于真菌的大量生長。因此，大氣環(huán)境中涂層的真菌腐蝕研究難度較大，研究成果較少。L. Lu 等[14]建立了聚酯涂層在濕熱大氣環(huán)境中可能的腐蝕機(jī)理模型，即涂層表面已有的缺陷為腐蝕建立了快速傳質(zhì)的通道，光氧老化和真菌降解是參與該通道建立的重要角色。高分子材料的微生物降解主要取決于聚合物分子的大小和結(jié)構(gòu)、微生物的種類及其生活環(huán)境[15]。研究發(fā)現(xiàn)，微生物通過細(xì)胞外水解酶降解聚合物，從而降低聚合物的摩爾質(zhì)量，將其轉(zhuǎn)化為水溶性中間體，最后轉(zhuǎn)化為可利用的碳源。聚氨酯和聚酯是過去20 年間生物降解領(lǐng)域研究較多的兩種聚合物。霉菌能夠分泌出酯酶，將聚氨酯水解為原始單體，并利用其為唯一碳源維持生命活動[16-17]。大多脂肪族聚酯都有良好的降解性能。聚酯樹脂具有與自然有機(jī)物類似的結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)，主鏈有足夠的柔性，與自然界存在的酶（如脂肪酶）的活性點(diǎn)結(jié)合，從而被這些酶非特異性水解[18-19]。真菌是聚酯降解酶的主要生產(chǎn)者，目前活性最強(qiáng)的聚酯降解酶是來自于腐質(zhì)霉（Humicola insolens）的角質(zhì)酶[20-21]。有的涂料本身不含能夠被酶水解的酯鍵（例如氟樹脂涂料、丙烯酸樹脂涂料），因此被認(rèn)為具有優(yōu)良的防霉性能和生物惰性。然而，氟樹脂涂料中通常需加入丙烯酸聚氨酯樹脂作為粘接劑，因此該類涂層也可能含有易被生物降解的官能團(tuán)[22]。丙烯酸樹脂（如甲基丙烯酸月桂酯）也被證實(shí)容易受到微生物的破壞，其生物敏感性有待進(jìn)一步研究[23]。對于破損涂層及鍍層，真菌可以引起涂層下多種金屬的微生物腐蝕，包括鎂合金、碳鋼、不銹鋼、鋁和鈦等[24-28]。

真菌的生命活動與自然大氣環(huán)境因素密切相關(guān)，但是現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中所使用的菌群和培養(yǎng)環(huán)境與服役環(huán)境存在較大差異，導(dǎo)致用室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)驗(yàn)很難有效模擬室外的服役環(huán)境與材料的失效行為，從而難以對涂層體系在服役中的行為規(guī)律進(jìn)行準(zhǔn)確的評價(jià)和預(yù)測[29-31]。筆者團(tuán)隊(duì)曾對比了同一種涂層在室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)霉菌實(shí)驗(yàn)與西雙版納大氣暴曬實(shí)驗(yàn)中的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中無霉菌附著的涂層在室外暴曬中被霉菌所降解，這種差異性正是源于室外環(huán)境霉菌的多樣性。劉劍等[32]針對西雙版納大氣環(huán)境中的優(yōu)勢菌群展開了一系列的研究，從西雙版納大氣試驗(yàn)站分離得到的776 株真菌中鑒別出尖孢枝孢菌（Cladosporium oxysporum）、變紅鐮孢菌（Fusarium incarnatum）、歧皺青霉菌（Penicillium steckii）、微曲霉菌（Aspergillus minisclerotigenes）、綠條鉤端螺旋體（Leptosphaerulina chartarum）、嶺南聚孢霉（Clonostachys epichloe）和Paraconiothyrium estuarinum等7 個(gè)優(yōu)勢種群。另外，根據(jù)霉菌對纖維、塑料、皮革、橡膠和紡織品的影響，還篩選出6 株優(yōu)勢菌種結(jié)合10 株敏感菌種作為裝備霉菌實(shí)驗(yàn)的添加菌種，以提高實(shí)驗(yàn)室模擬的準(zhǔn)確性[33]。Juzeliūnas 等[34-35]基于從海洋、鄉(xiāng)村和城市大氣環(huán)境中篩選的優(yōu)勢菌群，對黑曲霉所引起的鋅、鋁的腐蝕行為進(jìn)行了較為深入的室內(nèi)模擬研究，取得了較好的一致性結(jié)果。這也說明大氣中優(yōu)勢菌群的鑒定與培養(yǎng)，是提高室內(nèi)模擬性、深入研究涂層霉菌機(jī)理及防護(hù)性能的重要前提。

然而，由于環(huán)境優(yōu)勢菌種的篩查耗時(shí)較長，耗費(fèi)人力、物力較大，且易受到季節(jié)、環(huán)境等諸多因素的交互作用，因此目前相關(guān)研究較少，特別是針對涂鍍層材料表面優(yōu)勢菌群的研究尚未見報(bào)道，無法為該類材料在大氣環(huán)境中的大量應(yīng)用提供可靠依據(jù)。鑒于此，本文針對熱帶雨林環(huán)境的特點(diǎn)，以西雙版納腐蝕實(shí)驗(yàn)站為基礎(chǔ)，對5 種常用涂（鍍）層鋼板表面的菌群分布及變化規(guī)律進(jìn)行了研究，并深入討論了真菌對涂鍍層材料的破壞作用。希望能夠?yàn)椤耙粠б宦贰苯ㄔO(shè)中涂層的選材以及應(yīng)用提供理論參考，為進(jìn)一步推進(jìn)材料環(huán)境適應(yīng)性的全球化做出貢獻(xiàn)。

1 材料與方法

1.1 菌種來源與采集時(shí)間

為了對比真菌在不同材料上分布的差異性，本研究對暴露于西雙版納大氣試驗(yàn)站的5 種涂鍍層材料進(jìn)行菌種篩查。西雙版納位于我國云南省，屬于典型的熱帶雨林氣候環(huán)境。干、雨季分明，降水主要集中在雨季（5—10 月），干季（11 月至次年4 月）雨水較少。大氣真菌濃度為2200～4300 cfu/m3，霉菌生長旺盛，是開展霉菌實(shí)驗(yàn)以及防霉研究的理想場所[32]。

5 種涂鍍層材料的投放日期為2016 年11 月，同時(shí)根據(jù)西雙版納干雨季交替的特點(diǎn)，共選擇了4 次取樣時(shí)間段，分別為2016 年11 月—2017 年4 月（干季1）、2017 年5—10 月（雨季1）、2017 年11 月—2018 年4 月（干季2）、2018 年5—10 月（雨季2）。由于這5 種材料的暴露地點(diǎn)都位于西雙版納大氣試驗(yàn)站的同一位置，因此同一時(shí)間內(nèi)，溫度、濕度等環(huán)境因素對真菌在不同材料表面生長的影響差異性不大，這樣有利于觀察季節(jié)更替及材料種類對菌種分布的影響。

1.2 投試材料

本研究使用的5 種材料均為涂鍍層類，具體信息見表1。其中，耐指紋板是在鍍鋅板表面進(jìn)行耐指紋處理后得到的一種復(fù)合涂層板。傳統(tǒng)的方法一般是鍍鋅板經(jīng)鈍化處理后，再在鈍化膜上涂敷耐指紋膜。耐指紋處理技術(shù)最早使用的是含六價(jià)鉻的鈍化方式，目前逐漸被無鉻環(huán)保處理所取代，即在鍍鋅板上直接涂敷一層不含鉻的有機(jī)膜[36]。

表1 投試材料概況Tab.1 Introduction of test materials

1.3 真菌的分離純化與鑒定

環(huán)境樣品取樣時(shí)需無菌包裝，并且取回后要在12 h 之內(nèi)對材料表面的真菌進(jìn)行提取。菌株分離采用稀釋平板分離法。具體操作如下：將裝有9 mL 滅菌生理鹽水的試管排列好，按10–1、10–2、10–3依次編號，再準(zhǔn)備一個(gè)空試管，編號為1。用移液槍移取少量滅菌生理鹽水于環(huán)境試樣上，輕刮試樣的表面之后，將所得的菌液移于1 號試管中。再用移液槍從1號試管中移取1 mL 菌液于編號為10－1的試管中，震蕩稀釋成10–1濃度的菌液，再按此操作依次稀釋為10–2、10–3濃度。從10–1、10–2、10–3分別吸取各稀釋度懸液100 μL 于相應(yīng)的PDA（馬鈴薯3 g/L、葡萄糖20 g/L、瓊脂14 g/L）平板上（抗生素氨芐西林鈉和硫酸鏈霉素的濃度均為100 mg/mL），每個(gè)稀釋度對應(yīng)3 個(gè)平行的PDA 平板。用無菌玻璃珠（直徑為3 mm）涂布后，置于30 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。每隔12 h，在實(shí)體顯微鏡下檢查1 次。根據(jù)菌落的大小、顏色、形態(tài)、透明度及邊緣狀態(tài)等特征區(qū)分菌落類型，對不同菌落類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與編號，并挑取編號的菌落在新的PDA 平板上繼續(xù)培養(yǎng)，以獲得純培養(yǎng)。以上實(shí)驗(yàn)過程均在無菌操作臺上進(jìn)行。

采用引物序列ITS-1（5′-TCCGTAGGTGAACCTGCGG-3′）和ITS-4（5′-TCCTCCGCTTATTGATATGC-3′）[37]，擴(kuò)增核糖體內(nèi)轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)（Internal transcribed spacers and 5.8S rDNA，ITS）。PCR 擴(kuò)增產(chǎn)物由北京睿博興科生物技術(shù)有限公司進(jìn)行測序。首先用軟件Chromas 對測序所得的基因序列進(jìn)行自動序列校準(zhǔn)，使用Lasergene 軟件包SeqMan 將所得到的兩條互補(bǔ)序列進(jìn)行拼接，并去除引物。在NCBI 數(shù)據(jù)庫（http://www.ncbi.nlm.nih.gov）中，以序列覆蓋度90%和相似性97%作為參考閾值，進(jìn)行BLAST 基本序列比對。使用MAFFT[38]將ITS1-5.8S-ITS2 rDNA序列與已知的代表性序列（見表2）進(jìn)行多重序列比對，用gblocks[39]選擇序列保守區(qū)，使用軟件IQTREE[40]以最大似然法（maximum likelihood，ML）建立系統(tǒng)發(fā)育樹。根據(jù)貝葉斯信息準(zhǔn)則（Bayesian information criterion，BIC），建樹選擇的最佳堿基替代模型為TIM2e+I+G4，運(yùn)算次數(shù)為1000 次。使用生命樹交互網(wǎng)站（https://itol.embl.de/）對構(gòu)建的進(jìn)化樹進(jìn)行編輯標(biāo)示。

表2 本研究的參考菌株Tab.2 Reference strains of fungi used in this study

續(xù)表2

本研究采用相對頻率（relative frequency，RF）來比較和判斷優(yōu)勢菌群[41]。RF 是某一綱或目或?qū)俚木陻?shù)與總菌株數(shù)的比值，以百分率表示。同時(shí)，采用Shannon-wiener 指數(shù)（H'）和Simpson 指數(shù)（D）分析西雙版納試驗(yàn)站材料表面真菌的種群多樣性，用Margalef 豐富度指數(shù)（d）和Pielou 指數(shù)（E）來表征真菌物種豐富度和分布的均勻度，具體表達(dá)方式見式(1)—(4)。本研究中根據(jù)真菌的形態(tài)和分子鑒定結(jié)果，以各屬物種和菌株數(shù)為指標(biāo)，利用 Excel 文件Biodixcel.xlsx（Biodiversity Excel）[42]對這4 類指數(shù)分別進(jìn)行了計(jì)算。

式中：pi為第i種的多度比例，Pi=Ni/N；Ni為第i種的菌株數(shù)量；N為菌株數(shù)的總和；S為群落中的總物種數(shù)。

1.4 涂鍍層形貌觀察和腐蝕產(chǎn)物分析

樣品經(jīng)噴金處理后，使用JCM6000-PLUS 掃描電子顯微鏡（JEOL，Japan），在高真空模式下，對戶外暴露實(shí)驗(yàn)中涂層的表面形貌及霉菌附著形態(tài)進(jìn)行觀察，加速電壓為15 kV。涂層表面的降解或腐蝕產(chǎn)物使用EDS 分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 涂鍍層表面真菌的群落結(jié)構(gòu)

本研究中共獲得154 株真菌的ITS rDNA 序列，已全部上傳至NCBI 的GenBank 核酸序列數(shù)據(jù)庫，登錄號為MW081245-MW081398。將測得的序列與已知的參考菌株（共203 條序列）進(jìn)行聯(lián)配，并基于ITS rDNA 進(jìn)行分子系統(tǒng)發(fā)育多樣性分析，得到的最大似然樹如圖1 所示。ML 樹表明，154 株真菌與相應(yīng)目的代表性菌株形成16 個(gè)主分支，分別歸屬于子囊菌門（Ascomycota）的3 綱10 目和擔(dān)子菌門（Basidiomycota）的3 綱6 目，具體的鑒定結(jié)果見表3。其中，擔(dān)子菌門共有菌株29 株，占菌株總數(shù)的18.8%；子囊菌門共有125 個(gè)菌株，占菌株總數(shù)的81.2%。多孔菌目（Pleosporales）、炭角菌目（Xylariales）、傘菌目（Agaricales）和散囊菌目（Eurotiales）在西雙版納暴曬的涂鍍層表面分布最為普遍，分別約占總數(shù)的37.0 %、16.9 %、13.0 %和12.3 %。

圖1 基于 ITS1-5.8s-ITS2 rDNA 序列的涂層表面真菌和參考菌株的ML 樹（與目相對應(yīng)的主分支繪制成三角形，分支上的值為支持率）Fig.1 The ML tree of fungi from the surface of coatings, including representative strains of orders based on ITS1-5.8S-ITS2 rDNA sequences (The main clades are created as triangle that covers the same space as the orders. Bootstrap values are shown above branches)

進(jìn)一步對各目進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育分析，根據(jù)最大似然法分析結(jié)果和ITS rDNA 預(yù)測絲狀真菌屬鑒定的閾值（相似性得分94.3%[43]）將154 株真菌鑒定為49 個(gè)屬（見表3）。從菌屬鑒定出現(xiàn)的次數(shù)來看（RF>4.5%），優(yōu)勢屬依次為輪層炭菌屬（Daldinia）、炭角菌屬（Xylaria）、曲霉屬（Aspergillus）、籃狀菌屬（Talaromyces）和彎孢屬（Curvularia），分別約占總數(shù)的7.8%、5.8%、5.8%、5.2%和5.2%。除了這些優(yōu)勢菌屬外，附球菌屬（Epicoccum）、枝孢屬（Cladosporium）、鬼傘屬（Coprinellus）、鏈格孢屬（Alternaria）、莖點(diǎn)霉屬（Phoma）、黑團(tuán)孢屬（Periconia）、皮司霉屬（Pithomyces）、擬鬼傘屬（Coprinopsis）和小脆柄菇屬（Psathyrella）是較常出現(xiàn)的菌屬（2.6%

表3 材料表面的真菌種類組成Tab.3 Composition of fungi from the surface of materials

續(xù)表3

2.2 干雨季交替對真菌分布的影響

對比干季和雨季材料表面真菌的分布情況可以發(fā)現(xiàn)，涂鍍層表面生長的真菌數(shù)量和種類都有顯著差異，如圖2 所示。干季分離了41 個(gè)屬（105 株），其中菌株數(shù)最多的是附球菌屬和枝孢屬（7 株），其次是籃狀菌屬（6 株）；物種數(shù)最多的是鬼傘屬（4 種），其次是籃狀菌屬黑團(tuán)孢屬和擬鬼傘屬（3 種）。雨季分離了21 個(gè)屬（49 株），菌株數(shù)最多的是輪層炭菌屬（8 株）、炭角菌屬（7 株）和彎孢屬（6 株）；物種數(shù)最多的是彎孢屬（4 種）和炭角菌屬（3 種）。對比發(fā)現(xiàn)，附球菌屬、枝孢屬、莖點(diǎn)霉屬和小脆柄菇屬等4 個(gè)菌屬僅在干季出現(xiàn)，這可能與環(huán)境濕度以及養(yǎng)分變化相關(guān)。

圖 2 干雨季從材料表面分離的各菌屬菌株數(shù)(a)及物種數(shù)(b)Fig.2 Strains number (a) and species number (b) of different genera from the surface of materials in dry and rainy seasons

進(jìn)一步對比Shannon 指數(shù)及Simpson 指數(shù)可以看出（見表4），干雨季真菌的多樣性差異明顯，表現(xiàn)出真菌的季節(jié)選擇性。干季較雨季的真菌種類多，分布更均勻，且某些優(yōu)勢菌生長旺盛，豐富度和均勻度指數(shù)也可以證明該結(jié)論。由文獻(xiàn)[32]可知，西雙版納試驗(yàn)場的真菌數(shù)量與相對濕度呈顯著負(fù)相關(guān)，且降雨對大氣中的真菌粒子具有沖刷作用，降雨量的增加會造成大氣中真菌濃度的下降，從而使材料表面附著的霉菌數(shù)量減少。對于優(yōu)勢屬（輪層炭菌屬、炭角菌屬、曲霉屬、籃狀菌屬和彎孢屬）和常見屬（鬼傘屬、鏈格孢屬、黑團(tuán)孢屬、擬鬼傘屬和皮司霉屬），干雨季均能在材料表面生長，說明這些真菌能夠較好地適應(yīng)不同的環(huán)境，對于季節(jié)的依賴性不強(qiáng)。以上結(jié)果表明，盡管不同涂鍍層上真菌的群落結(jié)構(gòu)因受到季節(jié)影響而存在差異，但仍有較多的真菌受環(huán)境的影響較小，兼具數(shù)量優(yōu)勢和季節(jié)優(yōu)勢。

表4 不同季節(jié)真菌群落結(jié)構(gòu)的多樣性參數(shù)Tab. 4 Diversity parameters of fungal community structure in different seasons

2.3 不同材料表面真菌的特異性分布

真菌在材料上分布的差異性，一定程度上反映了真菌對涂鍍層材料的選擇性，即材料在老化/腐蝕過程中所形成的環(huán)境是否對真菌的生存友好。對真菌在不同材料表面的分布情況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，含鉻耐指紋板表面附著的真菌數(shù)量最多（39 株），其次是氟碳涂層（33 株）、聚酯涂層（30 株）和熱鍍鋅板（27 株），無鉻耐指紋板表面附著的菌株最少（25 株），見圖3a。該結(jié)果與暴露6～18 月材料上真菌的分布情況（見圖3b）基本一致。由表5 中的多樣性指數(shù)、豐富度指數(shù)及均勻度指數(shù)可知，含鉻耐指紋板上的真菌種類最多，且分布均勻，其次是氟碳涂層、熱鍍鋅板、聚酯涂層和無鉻耐指紋板。聚酯涂層上分布最多的是附球菌屬、彎孢屬和炭角菌屬等；含鉻耐指紋板上分布最多的是輪層炭菌屬、曲霉屬和籃狀菌屬等；無鉻耐指紋板上分布最多的是彎孢屬、炭角菌屬和附球菌屬等；氟碳涂層上分布最多的是炭角菌屬和籃狀菌屬等；熱鍍鋅板上分布最多的是小脆柄菇屬、輪層炭菌屬和曲霉屬等。

表5 不同材料上真菌群落結(jié)構(gòu)的多樣性參數(shù)Tab.5 Diversity parameters of fungal community structure on different materials

圖3 不同材料上分離的各屬菌株數(shù)及不同暴露時(shí)間分離的菌株數(shù)Fig.3 (a) Strains number of isolated genera from the surface of materials and (b) total number of strains at different exposure time

根據(jù)以上分析結(jié)果，從數(shù)量優(yōu)勢、季節(jié)優(yōu)勢和分布優(yōu)勢3 個(gè)方面，對涂鍍層表面的真菌進(jìn)行總結(jié)分析。其中，在干雨季均出現(xiàn)的菌屬視為季節(jié)優(yōu)勢屬，出現(xiàn)在2 種及以上的涂鍍層材料上的菌屬被視為分布優(yōu)勢屬。可以確定，輪層炭菌屬、炭角菌屬、曲霉屬、籃狀菌屬、彎孢屬、鬼傘屬、鏈格孢屬、黑團(tuán)孢屬、擬鬼傘屬和皮司霉屬，在數(shù)量、分布和季節(jié)上都是優(yōu)勢屬（見表6）。由圖3 可知，彎孢屬、炭角菌屬和曲霉屬同時(shí)也是各涂層上分布較多的菌屬之一，因此可以推測彎孢屬、炭角菌屬和曲霉屬的生命活動可能與涂層的降解過程相關(guān)。其中，曲霉屬已被廣泛證明對有機(jī)材料有很好的生物降解能力。黑曲霉（Aspergillus niger）可以導(dǎo)致氨基漆（含醇酸樹脂）和醇酸樹脂變質(zhì)，使涂層的防護(hù)性能下降[44-45]；塔賓曲霉能夠分泌出酯酶，使氨基甲酸酯發(fā)生水解，具有降解聚氨酯的能力[46]。聚酯涂層表面除了黑團(tuán)孢屬之外，其他菌屬均有分布。這可能是因?yàn)榫埘ネ繉蛹捌浣到猱a(chǎn)物為霉菌生命活動提供了充足的碳源和氮源，更有利于霉菌的生長。因此，研究涂層老化過程中優(yōu)勢霉菌在不同涂層表面的生長狀況，有助于了解真菌群落結(jié)構(gòu)與涂層老化過程之間的相關(guān)性。

表6 涂鍍層表面真菌的分布情況Tab.6 Dominant genera from the surface of coatings

2.4 真菌對涂鍍層材料的腐蝕行為研究

通過SEM 和EDS 對暴曬不同周期后的涂鍍層表面進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4—6 所示。由圖4a 可知，鍍鋅板鈍化膜層表面凹凸不平，表面粗糙度較高，有利于真菌的附著。暴曬初期，鍍層表面有少量菌絲生長。隨著暴曬周期的延長，菌絲的覆蓋面積不斷增加。因此，西雙版納熱帶雨林環(huán)境中的養(yǎng)分能夠支持鍍鋅板表面少量真菌的正常生長。暴曬后期，板上凹陷處出現(xiàn)了菌絲富集和腐蝕現(xiàn)象，菌絲被塊狀體包裹（見圖4d、f）。由真菌附著區(qū)域（A 點(diǎn)）的EDS 結(jié)果可知，塊狀體中包含C、O、Zn、Al、Mg、Fe 和K 等元素，說明這些塊狀體是由真菌的代謝產(chǎn)物與鍍層生成的腐蝕產(chǎn)物。相比于B 點(diǎn)的EDS 結(jié)果，A 中含有Fe 元素，可能生成了鐵的氧化產(chǎn)物。菌絲附著區(qū)域腐蝕較嚴(yán)重，這可能是因?yàn)檎婢L代謝的產(chǎn)物酸對鍍層產(chǎn)生腐蝕所致。表面鍍層對基底金屬的保護(hù)作用降低，從而加速了基底金屬的腐蝕。

圖4 熱鍍鋅板暴曬不同周期后的SEM 照片和EDS 分析Fig.4 SEM photos and EDS analysis of hot-dip galvanized sheet with different exposure time

相比于鍍鋅板，耐指紋涂層暴曬前6 個(gè)月，表面菌株數(shù)量較多（見圖5），聚氨酯涂層、丙烯酸涂層以及環(huán)境中的養(yǎng)分為表面附著的霉菌提供了充足的生命物質(zhì)來源。暴曬12 個(gè)月后，無鉻耐指紋板上的聚氨酯涂層逐漸被消耗，涂層下鍍層暴露。這是由于耐指紋板表面的涂層厚度僅為1～2 μm，且聚氨酯涂層的耐候性較差，因此易在暴曬初期被老化，在暴曬后期，表面涂層基本消失。相比之下，含鉻耐指紋板表面的丙烯酸涂層的耐候性相對較好。暴曬18 個(gè)月后，含鉻耐指紋板鍍層暴露，但菌絲仍繼續(xù)生長。兩種板的菌絲旁都有少量的代謝產(chǎn)物堆積。暴曬24 個(gè)月后，兩種耐指紋板表面都分布了大量疏松的覆蓋層，放大之后可觀察到內(nèi)部盤繞交錯(cuò)的菌絲體。對A和B 點(diǎn)進(jìn)行EDS 分析發(fā)現(xiàn)，覆蓋層中包含C、O、Al、Zn、Mg、Fe 和K 等元素，這是真菌的代謝產(chǎn)物與覆蓋層下金屬生成的腐蝕產(chǎn)物。有鐵的氧化產(chǎn)物生成，說明此處鍍層已經(jīng)失去了對基底金屬的保護(hù)作用。相比之下，A'和B'點(diǎn)的EDS 結(jié)果表明，鍍層還未失去對基底金屬的保護(hù)。綜上所述，耐指紋板表面生長的霉菌加速了耐指紋涂層的失效進(jìn)程。

圖5 不同暴曬周期涂層的SEM 照片和EDS 分析Fig.5 SEM photos and EDS analysis of coatings with different exposure time: a) Cr-containing anti-fingerprint coating; b) Cr-free anti-fingerprint coating

與氟碳涂層相比，聚酯涂層表面的霉菌明顯生長更旺盛（見圖6a）。隨著暴曬時(shí)間的延長，越來越多的菌絲聚集于缺陷處，且有大量的代謝產(chǎn)物堆積。A 點(diǎn)的EDS 結(jié)果表明，這些代謝產(chǎn)物已經(jīng)與基底金屬發(fā)生了腐蝕反應(yīng)，涂層失效。氟碳涂層表面沒有明顯的缺陷，未發(fā)現(xiàn)菌絲向缺陷處生長的情況（見圖6b）。氟碳涂層暴曬后期，菌絲旁有大塊的代謝產(chǎn)物堆積。由B 點(diǎn)EDS 結(jié)果可知，F(xiàn) 含量較少，因此霉菌未利用氟樹脂的降解產(chǎn)物作為碳源。這可能是因?yàn)榉鷺渲苛媳旧聿缓心軌虮幻杆獾孽ユI。雖然涂料中加入了可被生物降解的丙烯酸聚氨酯樹脂作為粘接劑，但因含量太少，不足以維持大量真菌的生命活動。聚酯涂層的老化過程也不同于氟碳涂層，其表面出現(xiàn)的原生缺陷為霉菌向縱深生長提供了便利條件，同時(shí)霉菌分泌的酶也加速了缺陷周圍涂層的降解，使得其不斷向內(nèi)發(fā)展。通過筆者團(tuán)隊(duì)更深入的研究發(fā)現(xiàn)，菌絲繼續(xù)生長到了涂層的基板，在涂層表面與金屬基材之間形成了腐蝕介質(zhì)快速擴(kuò)散的通道。在聚酯涂層表面附著的霉菌對涂層老化過程的影響主要包括以下2 個(gè)方面：一是可以分泌胞外解聚酶，使涂層中易水解的官能團(tuán)發(fā)生水解，同時(shí)也可以利用涂層水解或者光（氧）老化生成的低聚物（質(zhì)量＜500）作為生命物質(zhì)的來源，繼續(xù)生長代謝，形成老化和生長的自促進(jìn)作用；另一方面，菌絲還可以作為離子遷移通道，使得腐蝕性介質(zhì)能夠快速遷移，加快涂層的失效進(jìn)程。

圖6 不同暴曬周期涂層的SEM 照片和EDS 分析Fig.6 SEM photos and EDS analysis of coatings with different exposure time: a) polyester coating; b) fluorocarbon coating

3 結(jié)論

由統(tǒng)計(jì)分析可知，輪層炭菌屬、炭角菌屬、曲霉屬、籃狀菌屬、彎孢屬、鬼傘屬、鏈格孢屬、黑團(tuán)孢屬、擬鬼傘屬和皮司霉屬在涂鍍層材料上的分布較為穩(wěn)定，受季節(jié)和材料種類的影響不大。以炭角菌屬、彎孢屬和曲霉屬為代表的優(yōu)勢菌屬的生命活動，可能與涂鍍層的劣化過程具有較強(qiáng)的相關(guān)性。在無鉻/有鉻耐指紋、聚酯涂層、氟碳涂層、熱鍍鋅板這5 種材料中，真菌對聚酯涂層失效進(jìn)程的影響最大，對氟碳涂層的影響最小。在熱帶雨林大氣環(huán)境中，真菌對涂層失效進(jìn)程的影響與涂層成分和涂層表面是否有缺陷有很大的關(guān)聯(lián)。目前，真菌對涂層/金屬界面腐蝕過程的作用機(jī)理還不清楚。研究真菌在涂層上的分布情況，比較真菌對不同材料的腐蝕行為，有助于進(jìn)一步了解真菌群落結(jié)構(gòu)與涂鍍層失效之間的相關(guān)性，對探討涂層/金屬界面的微生物腐蝕機(jī)理有著重要的意義。