郭軍科，黃美慧，馬有良

（1.天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津300022；2.東北電力大學(xué)，吉林市300384；3.中油吉化企業(yè)調(diào)整管理中心，吉林市300384）

硫酸鹽還原菌和異養(yǎng)硝化菌對(duì)304不銹鋼腐蝕研究

郭軍科1，黃美慧2，馬有良3

（1.天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津300022；2.東北電力大學(xué)，吉林市300384；3.中油吉化企業(yè)調(diào)整管理中心，吉林市300384）

研究了熱電廠冷卻塔黏泥中的硫酸鹽還原菌和硝化菌的代謝特性。采用表面分析技術(shù)、腐蝕失重法、電化學(xué)技術(shù)分析304不銹鋼在硫酸鹽還原菌和硝化菌共同作用下的腐蝕行為。結(jié)果表明，混菌作用下304不銹鋼表面形成均勻的生物膜，腐蝕速度小于單菌體系。

微生物腐蝕；硫酸鹽還原菌；異養(yǎng)硝化菌

微生物腐蝕（MIC）是指由微生物生長(zhǎng)繁殖誘發(fā)的腐蝕或受微生物影響所引起的腐蝕。MIC涉及廣泛，包括循環(huán)冷卻系統(tǒng)、污水處理管道、輸油管道等多個(gè)領(lǐng)域〔1〕。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示，微生物引起的金屬材料的腐蝕占金屬腐蝕破壞的20%〔2〕。

不銹鋼基質(zhì)中添加了Ni、Mo和V等元素，具有良好的耐蝕性能和力學(xué)性能〔3〕。然而Ni元素卻能影響細(xì)菌在金屬表面的吸附、繁殖及生物膜的進(jìn)一步形成〔4〕。生物膜中主要為細(xì)菌代謝分泌的胞外聚合物和黏著的無(wú)機(jī)雜質(zhì)。目前國(guó)內(nèi)外報(bào)道的微生物與金屬的相互作用主要以微生物加速腐蝕為主〔5〕。生物膜的不均勻黏附會(huì)在金屬表面發(fā)生氧濃差腐蝕。然而另一些微生物卻能起到減緩腐蝕的作用。A. Rajasekar等〔6〕發(fā)現(xiàn)在無(wú)機(jī)介質(zhì)下，巨大芽孢桿菌和假單胞菌共同作用促使形成有鈍化作用的生物膜，起到減緩304不銹鋼腐蝕的作用，但在有機(jī)介質(zhì)作用下304不銹鋼表面出現(xiàn)明顯點(diǎn)蝕現(xiàn)象。

硫酸鹽還原菌（SRB）作為一種厭氧性細(xì)菌可將SO42-還原成S2-，產(chǎn)生的S2-對(duì)不銹鋼鈍化膜有較強(qiáng)的破壞作用，可降低鈍化膜的保護(hù)性能，促使不銹鋼腐蝕〔7〕。此外，異養(yǎng)硝化菌代謝過(guò)程產(chǎn)生的酸對(duì)金屬管道的酸蝕也是相當(dāng)嚴(yán)重的。關(guān)于這2種菌混合作用對(duì)不銹鋼腐蝕的研究國(guó)內(nèi)外鮮有報(bào)道。筆者選取熱電廠冷卻塔黏泥中分離的硫酸鹽還原菌和異養(yǎng)硝化菌制成混合菌體系，研究?jī)删餐饔脤?duì)304不銹鋼的腐蝕行為。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料采用304不銹鋼，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 304不銹鋼的化學(xué)成分

將材料加工成3種，分別為20 mm×30 mm× 2 mm的長(zhǎng)方形帶孔試片、10 mm×10 mm×2 mm的正方形試片和D 10 mm×10 mm圓柱形電極，其中帶孔試片用于腐蝕失重實(shí)驗(yàn)，正方形試片用于掃描電鏡分析，圓柱形電極用于電化學(xué)實(shí)驗(yàn)。

1.2 菌種來(lái)源及培養(yǎng)

異養(yǎng)硝化菌和硫酸鹽還原菌取自吉林市某熱電廠冷卻塔底黏泥，經(jīng)分離純化得到，分別命名為H1和SRB。SRB菌種活化和實(shí)驗(yàn)用培養(yǎng)基采用Posgate C培養(yǎng)基，其成分為：K2HPO40.5 g/L、NH4Cl 1.0 g/L、Na2SO40.5 g/L、FeSO4·7H2O 0.3 g/L、CaCl20.1 g/L、MgSO42.0g/L、酵母浸粉0.25 g/L、乳酸鈉3.5 g/L。Vc溶液：在培養(yǎng)基使用當(dāng)天將0.2 g經(jīng)紫外滅菌30 min的Vc溶解于20 mL無(wú)菌水中，混勻。硝化細(xì)菌培養(yǎng)基成分：（NH4）2SO40.35 g/L、MgSO4·7H2O 1.0 g/L、KH2PO41.0g/L、C4H4Na2O42.4 g/L。

混合培養(yǎng)液是將兩菌培養(yǎng)基等體積混合。分別將單一培養(yǎng)液中培養(yǎng)至24 h的H1和SRB取相同體積，離心分離得菌懸液，并以體積比1∶200接入滅菌處理（121℃，0.14 MPa）的混合培養(yǎng)液，置于32℃的恒溫培養(yǎng)箱中連續(xù)密閉培養(yǎng)。H1與SRB計(jì)數(shù)采用稀釋平板計(jì)數(shù)法，測(cè)得培養(yǎng)液中的活菌數(shù)量，進(jìn)而繪制出細(xì)菌生長(zhǎng)曲線。

1.3 生物膜形貌分析

將304不銹鋼試片打磨至2 000#，用0.5 μm的研磨膏拋光，丙酮去油〔2〕。使用前在潔凈工作臺(tái)的紫外線燈下滅菌30 min。將304不銹鋼試片分別浸泡于H1、H1-SRB和SRB體系中，12d后取出。進(jìn)行如下處理：用1%的硝酸溶液浸泡60 min，再在15%檸檬酸銨溶液中浸泡70 min。用毛刷刷洗不銹鋼試片，洗凈后放入無(wú)水酒精中浸泡，再轉(zhuǎn)移至干燥器中干燥，冷卻至室溫后用掃描電鏡觀察其表面形貌。

1.4 失重分析

將標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)方形帶孔試片用丙酮去油，干燥處理并稱重。每組3個(gè)平行試樣，懸掛浸泡于H1、H1-SRB和SRB體系中，各組試片懸掛高度保持一致。分別于3、9、12 d取出試片，刷洗去除腐蝕產(chǎn)物，再用蒸餾水沖洗，濾紙擦拭并吸干水分，置于干燥箱中4 h以上，稱重，計(jì)算平均腐蝕速度。

1.5 電化學(xué)測(cè)試

電化學(xué)測(cè)試采用CHI600C電化學(xué)工作站。工作電極為304不銹鋼電極，參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑電極，使用前在潔凈工作臺(tái)的紫外線燈下滅菌30 min。將三電極體系接入電化學(xué)工作站中，分別取出在恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)1、3、9、12 d的H1、H1-SRB和SRB培養(yǎng)液，用三電極體系測(cè)定不同培養(yǎng)時(shí)間下304不銹鋼電極的塔菲爾曲線。初始電位和終止電位分別設(shè)置成開(kāi)路電位±0.5 V。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 細(xì)菌的生長(zhǎng)

為研究SRB和H1在混合培養(yǎng)基中的生長(zhǎng)情況，利用平板菌落計(jì)數(shù)法，繪制兩菌的生長(zhǎng)曲線，見(jiàn)圖1。

圖1 H1和SRB在混合培養(yǎng)基中的生長(zhǎng)曲線

初始階段，由于H1接入新的環(huán)境需要適應(yīng)新的pH、氧濃度、溫度等條件，在接種1 d后菌體數(shù)量沒(méi)有太大變化。此后H1增殖速率加快，并在第5天菌密度達(dá)到最大值，這期間H1代謝活性高而穩(wěn)定，生命力強(qiáng)。此后由于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被大量消耗，以及代謝產(chǎn)物的積累和體系pH等環(huán)境變化，逐步不適宜H1的生長(zhǎng)，致使H1菌體數(shù)量逐漸減少，進(jìn)入衰亡期，此階段細(xì)菌代謝活性較弱，細(xì)菌衰老并出現(xiàn)自溶。

SRB與H1不同，初始階段在培養(yǎng)基中代謝較緩慢。第5天后菌密度增長(zhǎng)速度加快，而此階段H1進(jìn)入菌體衰亡期，即H1活性的降低使得SRB代謝加快。SRB在第9天進(jìn)入菌體衰亡期，菌體數(shù)量開(kāi)始減少。

2.2 生物膜形貌

取304不銹鋼試片在H1、H1-SRB和SRB三體系中浸泡12 d，用SEM觀察其生物膜形貌。H1體系的304不銹鋼試片表面形成的生物膜疏松，不均勻覆蓋。SRB作用下試片表面的生物膜呈樹(shù)枝狀，不均勻覆蓋，這都使得金屬基質(zhì)表面與環(huán)境介質(zhì)形成氧濃度差異，加速金屬電化學(xué)腐蝕。而H1-SRB體系中試片表面形成的生物膜覆蓋率較SRB體系、H1體系要好，其膜層較強(qiáng)的吸附特性使得304不銹鋼的金屬基質(zhì)免受介質(zhì)中離子的作用，一定程度上充當(dāng)了保護(hù)膜的作用。

2.3 腐蝕失重

用失重法計(jì)算304不銹鋼分別浸泡在H1、H1-SRB、SRB體系中3、9、12d的平均腐蝕速度，結(jié)果見(jiàn)表2。

浸泡初期（0~3 d），H1體系304不銹鋼的腐蝕速率較大，為0.021 83 g/（m2·a）。因?yàn)槌跏茧A段介質(zhì)中的營(yíng)養(yǎng)環(huán)境適宜H1的生長(zhǎng)，菌體代謝加速了金屬的腐蝕。浸泡9 d后304不銹鋼腐蝕速率有減緩趨勢(shì)。原因可能是金屬表面溶解氧的消耗，減緩了金屬表面氧濃差引起的腐蝕，或金屬表面逐漸形成的生物膜阻擋了腐蝕介質(zhì)對(duì)金屬材料的作用，從而起到一定保護(hù)作用。SRB體系中浸泡0~12 d的304不銹鋼腐蝕速率逐漸增大。這是因?yàn)镾RB代謝產(chǎn)物及培養(yǎng)基中的大量活潑離子對(duì)304不銹鋼的侵蝕作用使腐蝕速率增大。H1-SRB體系中浸泡3~12 d的304不銹鋼的腐蝕速率變化不大，浸泡12 d后304不銹鋼的腐蝕速率在3個(gè)體系中最小，為0.009 98 g/（m2·a）。分析認(rèn)為，兩菌代謝作用在304不銹鋼表面形成致密的生物膜，使金屬的溶解速率大大降低。

2.4 開(kāi)路電位及塔菲爾曲線

分別測(cè)定304不銹鋼電極在H1、H1-SRB和SRB 3個(gè)體系中浸泡不同天數(shù)的開(kāi)路電位及塔菲爾曲線，結(jié)果如圖2所示。將H1體系、H1-SRB體系和SRB體系的塔菲爾曲線進(jìn)行擬合，結(jié)果見(jiàn)表3。

圖2 304不銹鋼電極在各體系的開(kāi)路電位及塔菲爾曲線

表3 三體系不銹鋼電極在不同時(shí)間內(nèi)的塔菲爾曲線擬合值

由圖2、表3可知，H1體系中304不銹鋼開(kāi)路電位先正移后負(fù)移，腐蝕電流與開(kāi)路電位的變化趨勢(shì)相一致。初始階段介質(zhì)中營(yíng)養(yǎng)豐富且溶氧充足，為H1的生長(zhǎng)提供了適宜條件，H1生長(zhǎng)代謝消耗介質(zhì)中溶氧，降低了陰極的去極化率，及不銹鋼表面形成的鈍化膜使腐蝕速度減小。隨著浸泡時(shí)間延長(zhǎng)，介質(zhì)中代謝產(chǎn)物的積累又加劇304不銹鋼的局部腐蝕。

SRB體系中浸泡1～3 d開(kāi)路電位負(fù)移，第3天的腐蝕電流達(dá)到最大，為7.235 μA。由于SRB由潛伏期進(jìn)入快速生長(zhǎng)期，在不銹鋼電極表面形成多孔生物膜，不僅可捕獲細(xì)菌分泌的代謝產(chǎn)物，還可使不銹鋼電極表面的溶液組分濃度、pH和氧濃度在局部發(fā)生較大改變，形成濃度梯度，增加了溶液的腐蝕性，使電極電位負(fù)移到低位。3~9 d開(kāi)路電位正移，腐蝕電流逐漸減小，這是由于隨著浸泡時(shí)間延長(zhǎng)，不銹鋼表面生物膜趨于致密，腐蝕速度減緩；浸泡至9 d的304不銹鋼開(kāi)路電位達(dá)到峰值之后，又呈現(xiàn)負(fù)移變化，腐蝕電流逐漸增大。這是由于隨著浸泡時(shí)間延長(zhǎng)，電極表面膜層脫落，不均勻性導(dǎo)致腐蝕傾向增大。這與Xiaoxia Sheng等〔8〕的研究結(jié)果一致。

H1-SRB體系中304不銹鋼電極浸泡1~3 d腐蝕電位正移，在3 d時(shí)腐蝕電流增至98.84 μA，在3個(gè)體系中腐蝕電流最大。初始階段隨著兩菌進(jìn)入生長(zhǎng)旺盛期，H1代謝酸性物質(zhì)的產(chǎn)生及SRB的代謝作用可將SO42-還原成S2-，產(chǎn)生的S2-對(duì)304不銹鋼鈍化膜具有較強(qiáng)的破壞作用，降低鈍化膜的保護(hù)性能，且兩菌相互影響下不易形成穩(wěn)定的生物膜，使304不銹鋼的腐蝕加劇。浸泡12 d后H1-SRB體系的304不銹鋼的腐蝕電位為-0.723 V，腐蝕電流為2.020 μA，均小于單菌體系，這與腐蝕失重結(jié)果一致。H1與SRB的共同作用影響了電極表面產(chǎn)物膜的堆積，使得產(chǎn)物膜更緊密，從而使304不銹鋼電極在混菌作用下的腐蝕速率小于單菌體系。

3 結(jié)論

（1）H1、H1-SRB和SRB 3個(gè)體系中浸泡12 d的304不銹鋼掛片掃描電鏡結(jié)果表明，SRB和H1共同作用下的生物膜較單菌體系的均勻致密。（2）腐蝕失重結(jié)果表明，在H1-SRB體系中浸泡12 d的304不銹鋼的腐蝕速率為0.009 98 g/（m2·a），小于H1和SRB單菌體系，即混菌減緩了金屬的均勻腐蝕。（3）極化曲線結(jié)果表明，H1-SRB體系中浸泡12 d的304不銹鋼電極的腐蝕電位為-0.723 V，腐蝕電流為2.020 μA，均小于H1和SRB單菌體系，說(shuō)明兩菌間的相互作用減緩了304不銹鋼的電化學(xué)腐蝕。

［1］Xu Congmin，Zhang Yaoheng，Cheng Guangxu，et al.Localized corrosion behavior of 316L stainless steel in the presence of sulfate-reducing and iron-oxidizing bacteria［J］.Materials Science and Engineering：A，2007，443（1/2）：235-241.

［2］顧彩香，于陽(yáng)，吉桂軍，等.304不銹鋼在混合菌種共同作用下的腐蝕行為［J］.船舶工程，2011，33（4）：100-103.

［3］閆林娜，尹衍升，常雪婷，等.304不銹鋼在微生物介質(zhì)中的腐蝕行為［J］.中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào)，2008，28（1）：34-37.

［4］Lopes F A，Morin P，Oliveira R，et al.The influence of nickel on the adhesion ability of desulfovibrio desulfuricans［J］.Colloids&Surfaces B：Biointerfaces，2005，46（2）：127-133.

［5］Little B，Ray R.A perspective on corrosion inhibition by biofilms［J］. Corrosion，2002，58（5）：424-428.

［6］Rajasekar A，Ting Y P.Role of inorganic and organic medium in the corrosion behavior of Bacillus megaterium and Pseudomonas sp.in stainless steel SS 304［J］.Industrial&Engineering Chemistry Research，2011，50（22）：12534-12541.

［7］李家俊，劉玉民，張香文，等.油田回注水中硫酸鹽還原菌對(duì)金屬腐蝕的機(jī)理及其防治方法［J］.工業(yè)水處理，2007，27（11）：4-7.

［8］Sheng Xiaoxia，Ting Y P，Pehkonen S O.The influence of sulphatereducing bacteria biofilm on the corrosion of stainless steel AISI 316［J］.Corrosion Science，2007，49（5）：2159-2176.

Research on the action of sulfate reducing bacteria and heterotrophic nitrification bacteria on the corrosion of 304 stainless steel

Guo Junke1，Huang Meihui2，Ma Youliang3
（1.Electric Power Science Research Institute of Tianjin Electric Power Co.，Tianjin 300022，China；2.Northeast Dianli University，Jilin 300384，China；3.Enterprise Adjustment&Management Center，Jilin Chemical Industrial Co.，Ltd.，China Petroleum，Jilin 300384，China）

The metabolic characteristics of sulfate reducing bacteria and heterotrophic nitrification bacteria in the cooling tower sludge of a thermal power plant have been studied.The corrosion behavior of 304 stainless steel under the combined action of sulfate reducing bacteria and nitrification bacteria is analyzed by surface analysis technique，corrosion weightlessness method and electrochemical technique.The results show that biofilm under the action of mixed bacteria is formed evenly on the surface of 304 stainless steel.Its corrosion rate is less than that under the action of single bacteria.

microbiologically influenced corrosion；sulfate reducing bacteria；heterotrophic nitrification bacteria

TG142

A

1005-829X（2016）12-0070-03

郭軍科（1971—），高級(jí)工程師。電話：15165767620，E-mail：huangmeihui1990@163.com。

2016-11-21（修改稿）