Fe2+对碳钢硫酸盐还原菌腐蚀行为的影响

汪 崧， 李晓刚， 黄一中， 杜翠薇

(1. 北京科技大学 材料研究院腐蚀与防护中心，北京100083;2. 牛津大学 材料学院，英国牛津OXI3PH)

由于微生物活动造成的金属降解被称为微生物腐蚀(MIC)［1］，微生物腐蚀取决于细菌、金属与生物膜之间的交互作用［2］。硫酸盐还原菌(SRB)是参与厌氧微生物腐蚀的主要菌种，SRB 是一类能够通过硫酸盐呼吸获取能量的原核微生物功能类群，它以氢为直接电子供体，将硫酸盐还原为硫化物［3］。由SRB 引起的铁及其合金的厌氧微生物腐蚀给工业生产造成很多问题，涉及范围包括核电站［4，5］，石油工业［6］，海洋结构［7］，船舶［8］等。

SRB 腐蚀的影响因素主要包括介质的pH 值，溶解氧浓度，Cl－浓度，Fe2+浓度等。由于生物膜会阻碍反应物及产物的扩散过程，当表面有生物膜时，铁的溶解会导致金属与生物膜的界面处Fe2+浓度高于周边环境。已有研究结果显示，Fe2+会在生物膜中富集［9］，使细菌数量显著增加［10］，生物膜中的铁离子被认为具有催化剂功能［1］。随Fe2+浓度从10ml/L 增加到60ml/L，阴极电流和阳极电流急剧增加，同时极化电阻则急剧降低［3］。已有的工作主要采用电化学阻抗、极化曲线等测试界面电化学行为，采用扫描电镜、能谱等获取表面形貌及成分，对SRB 腐蚀进行过程、金属生物膜界面和生物膜内部结构的研究未见报道。

为了更好的了解SRB 的腐蚀行为，本工作跟踪观察了碳钢在没有Fe2+离子的培养基和有Fe2+离子的培养基中的SRB 腐蚀过程，对碳钢在两种介质中的腐蚀行为、腐蚀产物、金属生物膜界面及生物膜内部结构进行了对比分析。

1 实验

1.1 实验材料

试样采用Q235 钢，其主要化学成分(质量分数/%)为C 0.26，Si 0.063，Mn 0.56，P 0.009，S 0，0.031，余量为铁。将Q235 钢加工成10 mm ×10 mm×5mm 的片状试样，打磨除锈除油后焊接引出铜导线，用环氧树脂冷镶作为工作电极，工作电极的工作面积为1cm2。实验前依次用200#，400#，600#和800#SiC 纸逐级打磨，表面抛光处理，无水乙醇除油，吹干备用。实验前将工作电极和电解池放入无菌操作箱中，用75%无水乙醇水溶液消毒，吹干，在紫外灯下照射30min 杀菌。

1.2 实验介质

本实验所用介质为不含Fe2+接菌培养基(以下简称培养基I)和Fe2+含量为30mg/L 的接菌培养基(以下简称培养基II)。培养基I 配方(g/L)为K2HPO40.5，NH4Cl 0.5，Na2SO40.5，CaCl20.076，Mg2SO4·7H2O 2.0，乳酸钠3.5，酵母粉1.0，维生素C 0.1，保险粉0.1，培养基II 在培养基I 的基础上再加入FeSO4·6H2O 0.138 g/L。其中维生素C、保险粉(巯基乙酸)、硫酸亚铁(用于培养基II)依次溶于去离子水，在生物安全柜中使用紫外灯灭菌30分钟后使用过滤灭菌器过滤灭菌。其它组份依次溶于去离子水，在高压灭菌锅中121℃湿热灭菌20min，取出后置于生物安全柜中冷却至室温，然后与过滤灭菌的溶液混合，配制成灭菌培养基。在配好的灭菌培养基中按比例接种激活并培养3 天的SRB 菌液，制成实验所用的介质。

1.3 电化学实验

将准备好的工作电极浸入两种实验介质中，记录浸泡时间为1h，15h，38h 及65h 工作电极的电化学阻抗谱。电化学阻抗(EIS)的测定条件为:自腐蚀电位下扰动为5mV，扫描频率范围100kHz ～10mHz。以上实验内容使用Princeton Applied Research 出品的VMP3 完成。参比电极为饱和甘汞电极，甘汞电极通过饱和氯化钾盐桥与实验介质相接触。辅助电极为石墨电极。

1.4 形貌观察及成分分析

在浸泡过程中使用Leica 广视野金相显微镜观察Q235 钢工作电极表面形貌的变化。浸泡实验结束后取出工作电极，去离子水清洗后吹干。用FEI FIB200 聚焦离子束显微镜观察试样表面形貌，并对表面腐蚀产物进行切割，观察腐蚀产物层的内部结构及腐蚀产物与金属基体界面的形貌。使用Thermo 能谱对腐蚀产物进行成分分析。

2 结果与讨论

2.1 电化学阻抗谱

为研究Fe2+对Q235 钢SRB 腐蚀过程中电极/溶液界面电化学行为的影响，测试了Q235 钢在培养基Ⅰ和培养基Ⅱ中的电化学阻抗谱，结果如图1所示。

在培养基Ⅰ中，浸泡15h 及以后时间常数基本相同，低于但接近于浸泡1h，说明系统稳定性有所降低但变化不大。不同浸泡时间|Z| ～log Freq 曲线位置基本不变，表明系统的电容特性接近，但浸泡15h 及以后阻抗远高于浸泡1h，此时表面可能形成了一层高阻抗低电容的隔绝层。

在培养基Ⅱ中，时间常数随时间延长而降低，浸泡65h 的时间常数远低于在培养基Ⅰ中浸泡65h，这表明在培养基Ⅱ中系统稳定性持续下降，浸泡65小时后腐蚀较培养基Ⅰ严重。|Z| ～log Freq 曲线随时间延长向低频方向移动，系统的电阻特性减小，电容特性增加，此时表面可能形成了一层低电阻高电容的膜层，较培养基Ⅰ中形成的膜层保护性差。

图1 Q235 钢在两种培养基中的电化学阻抗谱(a)，(b)培养基Ⅰ;(c)，(d)培养基ⅡFig.1 EIS of Q235 steel immersed in two cultures (a)，(b)culture Ⅰ;(c)，(d)culture Ⅱ

从图1 可见，浸泡15h 及以后，阻抗及时间常数和浸泡1h 相比均有较大不同，说明此时电极表面状态发生了变化，可能是由于表面覆盖了完整的生物膜。金属表面生物膜的形成是一个积累过程，当金属浸入到水环境中便立即开始。在很短的时间内(几分钟或者几小时，取决于金属浸没的水环境)，微生物及其产物EPS 形成生物膜［11］。为进一步分析电化学阻抗谱，采用图2 中的两个等效电路对培养基Ⅰ和培养基Ⅱ中的电化学阻抗谱进行拟合。浸泡1h，试样表面生物膜覆盖少，用图2a 中的等效电路拟合;浸泡15h及以后，生物膜覆盖试样表面，用图2b 中的等效电路拟合，拟合结果见图3。

图2 用于拟合图4中电化学阻抗谱的等效电路Fig.2 Equivalent circuit used to adjust the Nyquist spectra of Fig.4（a）1h；（b）15h，38h，65h

图3 Q235钢在两种培养基中膜电阻Rf、膜电容、Cf、反应电阻Rt和反应电容Cdl随时间的变化Fig.3 Rf，Cf，Rp and Ct of Q235 immersed on two culture：（a）Rf；（b）Cf；（c）Rp；（d）Cdl

从图3(a，b)中可见，培养基Ⅰ中Q235 钢表面膜层电阻高于培养基Ⅱ，电容则低于培养基Ⅱ，表明培养基Ⅰ中形成的膜层比培养基Ⅱ中形成的膜层隔绝性好，保护性好。培养基Ⅱ的膜层电阻随时间延长而减小，电容随时间延长而快速增大，可能是因为膜层中的电活性物质增加所致，这会导致膜层保护性降低。

从图3(c，d)可见，培养基Ⅱ中试样的反应电阻比培养基Ⅰ低很多，表明在培养基Ⅱ中腐蚀反应更容易进行。培养基Ⅱ中试样的反应电容随时间延长迅速增大，浸泡65h 培养基Ⅱ中试样的反应电容远大于培养基Ⅰ，说明此时培养基Ⅱ试样的金属/膜层界面处离子含量远高于培养基Ⅰ;又由图3(a，c)可知，Q235 钢在两种培养基中的反应电阻均大于膜电阻，两种介质中电化学反应为控制步骤，因此培养基Ⅱ中试样的金属/膜层界面处离子含量高不是由于离子扩散受膜层阻碍，而是由于反应速度增加，故培养基Ⅱ中浸泡65h 的试样腐蚀应更严重。

2.2 金相显微组织及腐蚀过程跟踪

图4a 图4b 为试验用Q235 钢抛光后原始形貌及显微组织。钢中有碳化物及硫化物夹杂，显微组织为铁素体加珠光体。从图1 图2 可知，Q235 钢在两种介质中浸泡1h 的阻抗及时间常数比较接近，这与显微镜观察结果相符。在显微镜下观察两种培养基中浸泡2h 的试样，腐蚀形态均为均匀腐蚀及点蚀，腐蚀程度差异不大。浸泡36h，培养基Ⅰ中的试样腐蚀程度加重，但仍可见金属基体，培养基Ⅱ中的试样表面被黑色腐蚀产物覆盖，腐蚀情况较培养基Ⅰ中的试样严重，验证了对电化学阻抗谱的分析。

图4 Q235 钢原始组织及不同浸泡时间显微照片 (a)抛光;(b)显微组织;(c)培养基Ⅰ，2h;(d)培养基Ⅰ，36h;(e)培养基Ⅱ，2 小时;(f)培养基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 形貌与成分

图5 是在FIB 下对在两种介质中浸泡65h 后的Q235 钢试样观察结果及能谱。从图中可见，两种介质中的试样表面均形成一层生物膜。

在培养基Ⅰ中试样表面生物膜厚度小于100nm，较为致密，隔在SRB 与金属之间。试样表面附着细菌较少，这是因为金属表面形成有机物膜降低了可湿性，使细菌-金属的附着力降低［12］。金属基体与生物膜在界面处结合紧密平整，腐蚀轻微，未见点蚀等局部腐蚀形态。能谱的分析结果显示表面成分主要是铁。

在培养基Ⅱ中的试样表面生物膜厚度约为1um，大于培养基I。生物膜形态疏松多孔，覆盖了SRB 菌体，试样表面附着细菌较多。能谱的分析结果显示表面成分主要是铁和硫，由腐蚀产物的颜色和成分推断试样表面生物膜中包含腐蚀产物FeS。FeS 具有电活性，会导致生物膜电容增加电阻减小。从生物膜的截面可见金属基体与生物膜的界面处不平整，生物膜下金属出现很多点蚀孔洞，腐蚀情况较培养基Ⅱ中的试样严重。对电化学阻抗谱的推断与FIB 及成分分析结果符合。

从以上结果可见，Fe2+会促进碳钢的SRB 腐蚀。根据Von Wolzogen 等人的研究，铁的SRB 腐蚀步骤如下［3］:

在培养基Ⅰ中生物膜致密，电阻大电容小，隔绝性高，不具有电活性，阻碍了SRB 的附着和反应产物及电子的传输，抑制了阴极反应从而使腐蚀反应受到抑制。同时SRB 的代谢产物S2－的积累抑制了介质中SRB 的生长。

碳钢腐蚀速率与SRB 代谢产物积累的量有关［13］。Fe2+是阳极反应产物，S2－是阴极反应产物。在培养基Ⅱ中，Fe2+和S2－生成FeS 沉淀在试样表面，增加了金属与SRB 之间的静电吸引。SRB 附着在金属表面，代谢产物形成较厚生物膜，可以将SRB包裹在其中，膜中的化学条件物质浓度等会与外部有很大不同［14］。Fe2+和S2－生成FeS 沉淀，消耗了生物膜下的Fe2+和S2－，反应还使生物膜中的pH 值升高，形成了有利于SRB 生长的环境，促进了SRB的代谢，形成自催化过程。

图5 Q235 钢在两种不同介质中浸泡68h 后的FIB 照片及成分。(a)(b)(c)培养基Ⅰ，(d)(e)(f)培养基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 结论

在本实验条件下，Fe2+会极大的降低生物膜电阻，增加生物膜电容，使生物膜保护性劣化，使铁的溶解持续进行。

在本实验条件下，Fe2+的存在会造成生物膜成分和形态的不同，影响金属基体的腐蚀形态。Fe2+促进了细菌的附着、生物膜的形成和腐蚀反应的进行，改变了生物膜的内部环境。

电化学实验结果与形貌观察及成分分析实验结果一致，Fe2+的存在使生物膜形成不同于溶液的微观环境，降低了反应电阻，促进了铁的溶解。Fe2+对Q235 钢的SRB 腐蚀具有催化作用。

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