汪 崧， 李曉剛， 黃一中， 杜翠薇

(1. 北京科技大學(xué) 材料研究院腐蝕與防護(hù)中心，北京100083;2. 牛津大學(xué) 材料學(xué)院，英國(guó)牛津OXI3PH)

由于微生物活動(dòng)造成的金屬降解被稱為微生物腐蝕(MIC)［1］，微生物腐蝕取決于細(xì)菌、金屬與生物膜之間的交互作用［2］。硫酸鹽還原菌(SRB)是參與厭氧微生物腐蝕的主要菌種，SRB 是一類能夠通過(guò)硫酸鹽呼吸獲取能量的原核微生物功能類群，它以氫為直接電子供體，將硫酸鹽還原為硫化物［3］。由SRB 引起的鐵及其合金的厭氧微生物腐蝕給工業(yè)生產(chǎn)造成很多問(wèn)題，涉及范圍包括核電站［4，5］，石油工業(yè)［6］，海洋結(jié)構(gòu)［7］，船舶［8］等。

SRB 腐蝕的影響因素主要包括介質(zhì)的pH 值，溶解氧濃度，Cl－濃度，F(xiàn)e2+濃度等。由于生物膜會(huì)阻礙反應(yīng)物及產(chǎn)物的擴(kuò)散過(guò)程，當(dāng)表面有生物膜時(shí)，鐵的溶解會(huì)導(dǎo)致金屬與生物膜的界面處Fe2+濃度高于周邊環(huán)境。已有研究結(jié)果顯示，F(xiàn)e2+會(huì)在生物膜中富集［9］，使細(xì)菌數(shù)量顯著增加［10］，生物膜中的鐵離子被認(rèn)為具有催化劑功能［1］。隨Fe2+濃度從10ml/L 增加到60ml/L，陰極電流和陽(yáng)極電流急劇增加，同時(shí)極化電阻則急劇降低［3］。已有的工作主要采用電化學(xué)阻抗、極化曲線等測(cè)試界面電化學(xué)行為，采用掃描電鏡、能譜等獲取表面形貌及成分，對(duì)SRB 腐蝕進(jìn)行過(guò)程、金屬生物膜界面和生物膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究未見報(bào)道。

為了更好的了解SRB 的腐蝕行為，本工作跟蹤觀察了碳鋼在沒有Fe2+離子的培養(yǎng)基和有Fe2+離子的培養(yǎng)基中的SRB 腐蝕過(guò)程，對(duì)碳鋼在兩種介質(zhì)中的腐蝕行為、腐蝕產(chǎn)物、金屬生物膜界面及生物膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

試樣采用Q235 鋼，其主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為C 0.26，Si 0.063，Mn 0.56，P 0.009，S 0，0.031，余量為鐵。將Q235 鋼加工成10 mm ×10 mm×5mm 的片狀試樣，打磨除銹除油后焊接引出銅導(dǎo)線，用環(huán)氧樹脂冷鑲作為工作電極，工作電極的工作面積為1cm2。實(shí)驗(yàn)前依次用200#，400#，600#和800#SiC 紙逐級(jí)打磨，表面拋光處理，無(wú)水乙醇除油，吹干備用。實(shí)驗(yàn)前將工作電極和電解池放入無(wú)菌操作箱中，用75%無(wú)水乙醇水溶液消毒，吹干，在紫外燈下照射30min 殺菌。

1.2 實(shí)驗(yàn)介質(zhì)

本實(shí)驗(yàn)所用介質(zhì)為不含F(xiàn)e2+接菌培養(yǎng)基(以下簡(jiǎn)稱培養(yǎng)基I)和Fe2+含量為30mg/L 的接菌培養(yǎng)基(以下簡(jiǎn)稱培養(yǎng)基II)。培養(yǎng)基I 配方(g/L)為K2HPO40.5，NH4Cl 0.5，Na2SO40.5，CaCl20.076，Mg2SO4·7H2O 2.0，乳酸鈉3.5，酵母粉1.0，維生素C 0.1，保險(xiǎn)粉0.1，培養(yǎng)基II 在培養(yǎng)基I 的基礎(chǔ)上再加入FeSO4·6H2O 0.138 g/L。其中維生素C、保險(xiǎn)粉(巰基乙酸)、硫酸亞鐵(用于培養(yǎng)基II)依次溶于去離子水，在生物安全柜中使用紫外燈滅菌30分鐘后使用過(guò)濾滅菌器過(guò)濾滅菌。其它組份依次溶于去離子水，在高壓滅菌鍋中121℃濕熱滅菌20min，取出后置于生物安全柜中冷卻至室溫，然后與過(guò)濾滅菌的溶液混合，配制成滅菌培養(yǎng)基。在配好的滅菌培養(yǎng)基中按比例接種激活并培養(yǎng)3 天的SRB 菌液，制成實(shí)驗(yàn)所用的介質(zhì)。

1.3 電化學(xué)實(shí)驗(yàn)

將準(zhǔn)備好的工作電極浸入兩種實(shí)驗(yàn)介質(zhì)中，記錄浸泡時(shí)間為1h，15h，38h 及65h 工作電極的電化學(xué)阻抗譜。電化學(xué)阻抗(EIS)的測(cè)定條件為:自腐蝕電位下擾動(dòng)為5mV，掃描頻率范圍100kHz ～10mHz。以上實(shí)驗(yàn)內(nèi)容使用Princeton Applied Research 出品的VMP3 完成。參比電極為飽和甘汞電極，甘汞電極通過(guò)飽和氯化鉀鹽橋與實(shí)驗(yàn)介質(zhì)相接觸。輔助電極為石墨電極。

1.4 形貌觀察及成分分析

在浸泡過(guò)程中使用Leica 廣視野金相顯微鏡觀察Q235 鋼工作電極表面形貌的變化。浸泡實(shí)驗(yàn)結(jié)束后取出工作電極，去離子水清洗后吹干。用FEI FIB200 聚焦離子束顯微鏡觀察試樣表面形貌，并對(duì)表面腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行切割，觀察腐蝕產(chǎn)物層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及腐蝕產(chǎn)物與金屬基體界面的形貌。使用Thermo 能譜對(duì)腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行成分分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 電化學(xué)阻抗譜

為研究Fe2+對(duì)Q235 鋼SRB 腐蝕過(guò)程中電極/溶液界面電化學(xué)行為的影響，測(cè)試了Q235 鋼在培養(yǎng)基Ⅰ和培養(yǎng)基Ⅱ中的電化學(xué)阻抗譜，結(jié)果如圖1所示。

在培養(yǎng)基Ⅰ中，浸泡15h 及以后時(shí)間常數(shù)基本相同，低于但接近于浸泡1h，說(shuō)明系統(tǒng)穩(wěn)定性有所降低但變化不大。不同浸泡時(shí)間|Z| ～log Freq 曲線位置基本不變，表明系統(tǒng)的電容特性接近，但浸泡15h 及以后阻抗遠(yuǎn)高于浸泡1h，此時(shí)表面可能形成了一層高阻抗低電容的隔絕層。

在培養(yǎng)基Ⅱ中，時(shí)間常數(shù)隨時(shí)間延長(zhǎng)而降低，浸泡65h 的時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)低于在培養(yǎng)基Ⅰ中浸泡65h，這表明在培養(yǎng)基Ⅱ中系統(tǒng)穩(wěn)定性持續(xù)下降，浸泡65小時(shí)后腐蝕較培養(yǎng)基Ⅰ嚴(yán)重。|Z| ～log Freq 曲線隨時(shí)間延長(zhǎng)向低頻方向移動(dòng)，系統(tǒng)的電阻特性減小，電容特性增加，此時(shí)表面可能形成了一層低電阻高電容的膜層，較培養(yǎng)基Ⅰ中形成的膜層保護(hù)性差。

圖1 Q235 鋼在兩種培養(yǎng)基中的電化學(xué)阻抗譜(a)，(b)培養(yǎng)基Ⅰ;(c)，(d)培養(yǎng)基ⅡFig.1 EIS of Q235 steel immersed in two cultures (a)，(b)culture Ⅰ;(c)，(d)culture Ⅱ

從圖1 可見，浸泡15h 及以后，阻抗及時(shí)間常數(shù)和浸泡1h 相比均有較大不同，說(shuō)明此時(shí)電極表面狀態(tài)發(fā)生了變化，可能是由于表面覆蓋了完整的生物膜。金屬表面生物膜的形成是一個(gè)積累過(guò)程，當(dāng)金屬浸入到水環(huán)境中便立即開始。在很短的時(shí)間內(nèi)(幾分鐘或者幾小時(shí)，取決于金屬浸沒的水環(huán)境)，微生物及其產(chǎn)物EPS 形成生物膜［11］。為進(jìn)一步分析電化學(xué)阻抗譜，采用圖2 中的兩個(gè)等效電路對(duì)培養(yǎng)基Ⅰ和培養(yǎng)基Ⅱ中的電化學(xué)阻抗譜進(jìn)行擬合。浸泡1h，試樣表面生物膜覆蓋少，用圖2a 中的等效電路擬合;浸泡15h及以后，生物膜覆蓋試樣表面，用圖2b 中的等效電路擬合，擬合結(jié)果見圖3。

圖2 用于擬合圖4中電化學(xué)阻抗譜的等效電路Fig.2 Equivalent circuit used to adjust the Nyquist spectra of Fig.4（a）1h；（b）15h，38h，65h

圖3 Q235鋼在兩種培養(yǎng)基中膜電阻Rf、膜電容、Cf、反應(yīng)電阻Rt和反應(yīng)電容Cdl隨時(shí)間的變化Fig.3 Rf，Cf，Rp and Ct of Q235 immersed on two culture：（a）Rf；（b）Cf；（c）Rp；（d）Cdl

從圖3(a，b)中可見，培養(yǎng)基Ⅰ中Q235 鋼表面膜層電阻高于培養(yǎng)基Ⅱ，電容則低于培養(yǎng)基Ⅱ，表明培養(yǎng)基Ⅰ中形成的膜層比培養(yǎng)基Ⅱ中形成的膜層隔絕性好，保護(hù)性好。培養(yǎng)基Ⅱ的膜層電阻隨時(shí)間延長(zhǎng)而減小，電容隨時(shí)間延長(zhǎng)而快速增大，可能是因?yàn)槟又械碾娀钚晕镔|(zhì)增加所致，這會(huì)導(dǎo)致膜層保護(hù)性降低。

從圖3(c，d)可見，培養(yǎng)基Ⅱ中試樣的反應(yīng)電阻比培養(yǎng)基Ⅰ低很多，表明在培養(yǎng)基Ⅱ中腐蝕反應(yīng)更容易進(jìn)行。培養(yǎng)基Ⅱ中試樣的反應(yīng)電容隨時(shí)間延長(zhǎng)迅速增大，浸泡65h 培養(yǎng)基Ⅱ中試樣的反應(yīng)電容遠(yuǎn)大于培養(yǎng)基Ⅰ，說(shuō)明此時(shí)培養(yǎng)基Ⅱ試樣的金屬/膜層界面處離子含量遠(yuǎn)高于培養(yǎng)基Ⅰ;又由圖3(a，c)可知，Q235 鋼在兩種培養(yǎng)基中的反應(yīng)電阻均大于膜電阻，兩種介質(zhì)中電化學(xué)反應(yīng)為控制步驟，因此培養(yǎng)基Ⅱ中試樣的金屬/膜層界面處離子含量高不是由于離子擴(kuò)散受膜層阻礙，而是由于反應(yīng)速度增加，故培養(yǎng)基Ⅱ中浸泡65h 的試樣腐蝕應(yīng)更嚴(yán)重。

2.2 金相顯微組織及腐蝕過(guò)程跟蹤

圖4a 圖4b 為試驗(yàn)用Q235 鋼拋光后原始形貌及顯微組織。鋼中有碳化物及硫化物夾雜，顯微組織為鐵素體加珠光體。從圖1 圖2 可知，Q235 鋼在兩種介質(zhì)中浸泡1h 的阻抗及時(shí)間常數(shù)比較接近，這與顯微鏡觀察結(jié)果相符。在顯微鏡下觀察兩種培養(yǎng)基中浸泡2h 的試樣，腐蝕形態(tài)均為均勻腐蝕及點(diǎn)蝕，腐蝕程度差異不大。浸泡36h，培養(yǎng)基Ⅰ中的試樣腐蝕程度加重，但仍可見金屬基體，培養(yǎng)基Ⅱ中的試樣表面被黑色腐蝕產(chǎn)物覆蓋，腐蝕情況較培養(yǎng)基Ⅰ中的試樣嚴(yán)重，驗(yàn)證了對(duì)電化學(xué)阻抗譜的分析。

圖4 Q235 鋼原始組織及不同浸泡時(shí)間顯微照片 (a)拋光;(b)顯微組織;(c)培養(yǎng)基Ⅰ，2h;(d)培養(yǎng)基Ⅰ，36h;(e)培養(yǎng)基Ⅱ，2 小時(shí);(f)培養(yǎng)基Ⅱ，36hFig.4 Optical microscopy of Q235 steel with original and different immersing time:a，polished;b，microstructure;c，culture Ⅰ，2h;d，culture Ⅰ，36h;e，culture Ⅱ，2h;f，culture Ⅱ，36h

2.3 FIB 形貌與成分

圖5 是在FIB 下對(duì)在兩種介質(zhì)中浸泡65h 后的Q235 鋼試樣觀察結(jié)果及能譜。從圖中可見，兩種介質(zhì)中的試樣表面均形成一層生物膜。

在培養(yǎng)基Ⅰ中試樣表面生物膜厚度小于100nm，較為致密，隔在SRB 與金屬之間。試樣表面附著細(xì)菌較少，這是因?yàn)榻饘俦砻嫘纬捎袡C(jī)物膜降低了可濕性，使細(xì)菌-金屬的附著力降低［12］。金屬基體與生物膜在界面處結(jié)合緊密平整，腐蝕輕微，未見點(diǎn)蝕等局部腐蝕形態(tài)。能譜的分析結(jié)果顯示表面成分主要是鐵。

在培養(yǎng)基Ⅱ中的試樣表面生物膜厚度約為1um，大于培養(yǎng)基I。生物膜形態(tài)疏松多孔，覆蓋了SRB 菌體，試樣表面附著細(xì)菌較多。能譜的分析結(jié)果顯示表面成分主要是鐵和硫，由腐蝕產(chǎn)物的顏色和成分推斷試樣表面生物膜中包含腐蝕產(chǎn)物FeS。FeS 具有電活性，會(huì)導(dǎo)致生物膜電容增加電阻減小。從生物膜的截面可見金屬基體與生物膜的界面處不平整，生物膜下金屬出現(xiàn)很多點(diǎn)蝕孔洞，腐蝕情況較培養(yǎng)基Ⅱ中的試樣嚴(yán)重。對(duì)電化學(xué)阻抗譜的推斷與FIB 及成分分析結(jié)果符合。

從以上結(jié)果可見，F(xiàn)e2+會(huì)促進(jìn)碳鋼的SRB 腐蝕。根據(jù)Von Wolzogen 等人的研究，鐵的SRB 腐蝕步驟如下［3］:

在培養(yǎng)基Ⅰ中生物膜致密，電阻大電容小，隔絕性高，不具有電活性，阻礙了SRB 的附著和反應(yīng)產(chǎn)物及電子的傳輸，抑制了陰極反應(yīng)從而使腐蝕反應(yīng)受到抑制。同時(shí)SRB 的代謝產(chǎn)物S2－的積累抑制了介質(zhì)中SRB 的生長(zhǎng)。

碳鋼腐蝕速率與SRB 代謝產(chǎn)物積累的量有關(guān)［13］。Fe2+是陽(yáng)極反應(yīng)產(chǎn)物，S2－是陰極反應(yīng)產(chǎn)物。在培養(yǎng)基Ⅱ中，F(xiàn)e2+和S2－生成FeS 沉淀在試樣表面，增加了金屬與SRB 之間的靜電吸引。SRB 附著在金屬表面，代謝產(chǎn)物形成較厚生物膜，可以將SRB包裹在其中，膜中的化學(xué)條件物質(zhì)濃度等會(huì)與外部有很大不同［14］。Fe2+和S2－生成FeS 沉淀，消耗了生物膜下的Fe2+和S2－，反應(yīng)還使生物膜中的pH 值升高，形成了有利于SRB 生長(zhǎng)的環(huán)境，促進(jìn)了SRB的代謝，形成自催化過(guò)程。

圖5 Q235 鋼在兩種不同介質(zhì)中浸泡68h 后的FIB 照片及成分。(a)(b)(c)培養(yǎng)基Ⅰ，(d)(e)(f)培養(yǎng)基ⅡFig.5 FIB and EDS of Q235 steel immersed in different mediums:(a)(b)(c)，culture Ⅰ，68h;(d)(e)(f)culture Ⅱ，68h

3 結(jié)論

在本實(shí)驗(yàn)條件下，F(xiàn)e2+會(huì)極大的降低生物膜電阻，增加生物膜電容，使生物膜保護(hù)性劣化，使鐵的溶解持續(xù)進(jìn)行。

在本實(shí)驗(yàn)條件下，F(xiàn)e2+的存在會(huì)造成生物膜成分和形態(tài)的不同，影響金屬基體的腐蝕形態(tài)。Fe2+促進(jìn)了細(xì)菌的附著、生物膜的形成和腐蝕反應(yīng)的進(jìn)行，改變了生物膜的內(nèi)部環(huán)境。

電化學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與形貌觀察及成分分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，F(xiàn)e2+的存在使生物膜形成不同于溶液的微觀環(huán)境，降低了反應(yīng)電阻，促進(jìn)了鐵的溶解。Fe2+對(duì)Q235 鋼的SRB 腐蝕具有催化作用。

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