Fe2+對碳鋼硫酸鹽還原菌腐蝕行為的影響

汪 崧， 李曉剛， 黃一中， 杜翠薇

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

由于微生物活動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生產造成很多問題，涉及范圍包括核電站［4，5］，石油工業［6］，海洋結構［7］，船舶［8］等。

SRB 腐蝕的影響因素主要包括介質的pH 值，溶解氧濃度，Cl－濃度，Fe2+濃度等。由于生物膜會阻礙反應物及產物的擴散過程，當表面有生物膜時，鐵的溶解會導致金屬與生物膜的界面處Fe2+濃度高于周邊環境。已有研究結果顯示，Fe2+會在生物膜中富集［9］，使細菌數量顯著增加［10］，生物膜中的鐵離子被認為具有催化劑功能［1］。隨Fe2+濃度從10ml/L 增加到60ml/L，陰極電流和陽極電流急劇增加，同時極化電阻則急劇降低［3］。已有的工作主要采用電化學阻抗、極化曲線等測試界面電化學行為，采用掃描電鏡、能譜等獲取表面形貌及成分，對SRB 腐蝕進行過程、金屬生物膜界面和生物膜內部結構的研究未見報道。

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+離子的培養基和有Fe2+離子的培養基中的SRB 腐蝕過程，對碳鋼在兩種介質中的腐蝕行為、腐蝕產物、金屬生物膜界面及生物膜內部結構進行了對比分析。

1 實驗

1.1 實驗材料

試樣采用Q235 鋼，其主要化學成分(質量分數/%)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線，用環氧樹脂冷鑲作為工作電極，工作電極的工作面積為1cm2。實驗前依次用200#，400#，600#和800#SiC 紙逐級打磨，表面拋光處理，無水乙醇除油，吹干備用。實驗前將工作電極和電解池放入無菌操作箱中，用75%無水乙醇水溶液消毒，吹干，在紫外燈下照射30min 殺菌。

1.2 實驗介質

本實驗所用介質為不含Fe2+接菌培養基(以下簡稱培養基I)和Fe2+含量為30mg/L 的接菌培養基(以下簡稱培養基II)。培養基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，保險粉0.1，培養基II 在培養基I 的基礎上再加入FeSO4·6H2O 0.138 g/L。其中維生素C、保險粉(巰基乙酸)、硫酸亞鐵(用于培養基II)依次溶于去離子水，在生物安全柜中使用紫外燈滅菌30分鐘后使用過濾滅菌器過濾滅菌。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，然后與過濾滅菌的溶液混合，配制成滅菌培養基。在配好的滅菌培養基中按比例接種激活并培養3 天的SRB 菌液，制成實驗所用的介質。

1.3 電化學實驗

將準備好的工作電極浸入兩種實驗介質中，記錄浸泡時間為1h，15h，38h 及65h 工作電極的電化學阻抗譜。電化學阻抗(EIS)的測定條件為:自腐蝕電位下擾動為5mV，掃描頻率范圍100kHz ～10mHz。以上實驗內容使用Princeton Applied Research 出品的VMP3 完成。參比電極為飽和甘汞電極，甘汞電極通過飽和氯化鉀鹽橋與實驗介質相接觸。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。浸泡實驗結束后取出工作電極，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，并對表面腐蝕產物進行切割，觀察腐蝕產物層的內部結構及腐蝕產物與金屬基體界面的形貌。使用Thermo 能譜對腐蝕產物進行成分分析。

2 結果與討論

2.1 電化學阻抗譜

為研究Fe2+對Q235 鋼SRB 腐蝕過程中電極/溶液界面電化學行為的影響，測試了Q235 鋼在培養基Ⅰ和培養基Ⅱ中的電化學阻抗譜，結果如圖1所示。

在培養基Ⅰ中，浸泡15h 及以后時間常數基本相同，低于但接近于浸泡1h，說明系統穩定性有所降低但變化不大。不同浸泡時間|Z| ～log Freq 曲線位置基本不變，表明系統的電容特性接近，但浸泡15h 及以后阻抗遠高于浸泡1h，此時表面可能形成了一層高阻抗低電容的隔絕層。

在培養基Ⅱ中，時間常數隨時間延長而降低，浸泡65h 的時間常數遠低于在培養基Ⅰ中浸泡65h，這表明在培養基Ⅱ中系統穩定性持續下降，浸泡65小時后腐蝕較培養基Ⅰ嚴重。|Z| ～log Freq 曲線隨時間延長向低頻方向移動，系統的電阻特性減小，電容特性增加，此時表面可能形成了一層低電阻高電容的膜層，較培養基Ⅰ中形成的膜層保護性差。

圖1 Q235 鋼在兩種培養基中的電化學阻抗譜(a)，(b)培養基Ⅰ;(c)，(d)培養基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，阻抗及時間常數和浸泡1h 相比均有較大不同，說明此時電極表面狀態發生了變化，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積累過程，當金屬浸入到水環境中便立即開始。在很短的時間內(幾分鐘或者幾小時，取決于金屬浸沒的水環境)，微生物及其產物EPS 形成生物膜［11］。為進一步分析電化學阻抗譜，采用圖2 中的兩個等效電路對培養基Ⅰ和培養基Ⅱ中的電化學阻抗譜進行擬合。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，擬合結果見圖3。

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

圖3 Q235鋼在兩種培養基中膜電阻Rf、膜電容、Cf、反應電阻Rt和反應電容Cdl隨時間的變化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，培養基Ⅰ中Q235 鋼表面膜層電阻高于培養基Ⅱ，電容則低于培養基Ⅱ，表明培養基Ⅰ中形成的膜層比培養基Ⅱ中形成的膜層隔絕性好，保護性好。培養基Ⅱ的膜層電阻隨時間延長而減小，電容隨時間延長而快速增大，可能是因為膜層中的電活性物質增加所致，這會導致膜層保護性降低。

從圖3(c，d)可見，培養基Ⅱ中試樣的反應電阻比培養基Ⅰ低很多，表明在培養基Ⅱ中腐蝕反應更容易進行。培養基Ⅱ中試樣的反應電容隨時間延長迅速增大，浸泡65h 培養基Ⅱ中試樣的反應電容遠大于培養基Ⅰ，說明此時培養基Ⅱ試樣的金屬/膜層界面處離子含量遠高于培養基Ⅰ;又由圖3(a，c)可知，Q235 鋼在兩種培養基中的反應電阻均大于膜電阻，兩種介質中電化學反應為控制步驟，因此培養基Ⅱ中試樣的金屬/膜層界面處離子含量高不是由于離子擴散受膜層阻礙，而是由于反應速度增加，故培養基Ⅱ中浸泡65h 的試樣腐蝕應更嚴重。

2.2 金相顯微組織及腐蝕過程跟蹤

圖4a 圖4b 為試驗用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 鋼在兩種介質中浸泡1h 的阻抗及時間常數比較接近，這與顯微鏡觀察結果相符。在顯微鏡下觀察兩種培養基中浸泡2h 的試樣，腐蝕形態均為均勻腐蝕及點蝕，腐蝕程度差異不大。浸泡36h，培養基Ⅰ中的試樣腐蝕程度加重，但仍可見金屬基體，培養基Ⅱ中的試樣表面被黑色腐蝕產物覆蓋，腐蝕情況較培養基Ⅰ中的試樣嚴重，驗證了對電化學阻抗譜的分析。

圖4 Q235 鋼原始組織及不同浸泡時間顯微照片 (a)拋光;(b)顯微組織;(c)培養基Ⅰ，2h;(d)培養基Ⅰ，36h;(e)培養基Ⅱ，2 小時;(f)培養基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 下對在兩種介質中浸泡65h 后的Q235 鋼試樣觀察結果及能譜。從圖中可見，兩種介質中的試樣表面均形成一層生物膜。

在培養基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。試樣表面附著細菌較少，這是因為金屬表面形成有機物膜降低了可濕性，使細菌-金屬的附著力降低［12］。金屬基體與生物膜在界面處結合緊密平整，腐蝕輕微，未見點蝕等局部腐蝕形態。能譜的分析結果顯示表面成分主要是鐵。

在培養基Ⅱ中的試樣表面生物膜厚度約為1um，大于培養基I。生物膜形態疏松多孔，覆蓋了SRB 菌體，試樣表面附著細菌較多。能譜的分析結果顯示表面成分主要是鐵和硫，由腐蝕產物的顏色和成分推斷試樣表面生物膜中包含腐蝕產物FeS。FeS 具有電活性，會導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，生物膜下金屬出現很多點蝕孔洞，腐蝕情況較培養基Ⅱ中的試樣嚴重。對電化學阻抗譜的推斷與FIB 及成分分析結果符合。

從以上結果可見，Fe2+會促進碳鋼的SRB 腐蝕。根據Von Wolzogen 等人的研究，鐵的SRB 腐蝕步驟如下［3］:

在培養基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 的附著和反應產物及電子的傳輸，抑制了陰極反應從而使腐蝕反應受到抑制。同時SRB 的代謝產物S2－的積累抑制了介質中SRB 的生長。

碳鋼腐蝕速率與SRB 代謝產物積累的量有關［13］。Fe2+是陽極反應產物，S2－是陰極反應產物。在培養基Ⅱ中，Fe2+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，代謝產物形成較厚生物膜，可以將SRB包裹在其中，膜中的化學條件物質濃度等會與外部有很大不同［14］。Fe2+和S2－生成FeS 沉淀，消耗了生物膜下的Fe2+和S2－，反應還使生物膜中的pH 值升高，形成了有利于SRB 生長的環境，促進了SRB的代謝，形成自催化過程。

圖5 Q235 鋼在兩種不同介質中浸泡68h 后的FIB 照片及成分。(a)(b)(c)培養基Ⅰ，(d)(e)(f)培養基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 結論

在本實驗條件下，Fe2+會極大的降低生物膜電阻，增加生物膜電容，使生物膜保護性劣化，使鐵的溶解持續進行。

在本實驗條件下，Fe2+的存在會造成生物膜成分和形態的不同，影響金屬基體的腐蝕形態。Fe2+促進了細菌的附著、生物膜的形成和腐蝕反應的進行，改變了生物膜的內部環境。

電化學實驗結果與形貌觀察及成分分析實驗結果一致，Fe2+的存在使生物膜形成不同于溶液的微觀環境，降低了反應電阻，促進了鐵的溶解。Fe2+對Q235 鋼的SRB 腐蝕具有催化作用。

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