微生物胞外聚合物(EPS)對金屬耐蝕性的影響

許 萍,司 帥,張雅君,翟羽佳,魏智剛

(北京建筑大學 城市雨水系統與水環境省部共建教育部重點實驗室，北京 100044)

?

試驗研究

微生物胞外聚合物(EPS)對金屬耐蝕性的影響

許 萍,司 帥,張雅君,翟羽佳,魏智剛

(北京建筑大學 城市雨水系統與水環境省部共建教育部重點實驗室，北京 100044)

微生物胞外聚合物(EPS)對金屬腐蝕具有抑制作用，研究了EPS中的主要成分蛋白質和多糖對碳鋼、鑄鐵、黃銅和304不銹鋼腐蝕速率的影響，并以此為基礎，開展了蛋白質、多糖抑制碳鋼腐蝕的單因素試驗以及正交試驗。結果表明：單因素作用下，蛋白質或多糖的質量濃度為1.0 mg/mL時，碳鋼的腐蝕速率最低；多因素作用下，多糖加入量為0.7 mg/mL、蛋白質加入量為0.7mg/mL、浸涂時間為36 h時，碳鋼的腐蝕抑制效果最佳。研究結果可以為金屬防護領域研發新型防腐蝕涂料提供技術支持。

胞外聚合物(EPS);蛋白質;多糖;碳鋼;腐蝕抑制

據統計，全世界每年因腐蝕造成的經濟損失約為7 000～10 000億美元，是地震、水災、臺風等自然災害造成經濟損失總和的6倍[1-2]；我國每年因腐蝕造成的經濟損失亦高達5 000億元人民幣，約占國民生產總值(GDP)的5%[3]。因此，防腐蝕研究受到了世界各國的普遍重視。傳統防腐蝕涂料含有毒性揮發物質，從生產、儲存至使用環節，均會對人體造成傷害，研發綠色環保型涂料已成為腐蝕防護領域的研究熱點之一。

胞外聚合物(EPS)是微生物在一定條件下分泌于體外的高分子聚合物，主要成分為蛋白質、多糖和核酸等[4]，其中蛋白質和多糖的含量高達70%～80%(質量分數)[5-7]。研究發現，某些微生物分泌的EPS對金屬腐蝕具有抑制作用[8-11]，如腸膜明串珠菌分泌的EPS可以抑制低碳鋼腐蝕[12]、嗜熱硫酸鹽還原菌產生的EPS可以抑制碳鋼腐蝕等[13]。目前關于微生物EPS防腐蝕的研究剛剛起步，本工作通過試驗研究了EPS中的主要成分蛋白質和多糖對金屬腐蝕行為的影響，并提出了抑制金屬腐蝕的最佳配比，以期為研發新型防腐蝕涂料提供技術支持。

1　試驗

1.1試樣及溶液

試驗采用國家Ⅰ型金屬試片，尺寸為50 mm×25 mm×2 mm，其主要化學成分見表1。將試片逐級打磨呈光亮后，用去離子水沖洗、酒精除油、吹風干燥后，稱量待用。

模擬EPS組成參考具有腐蝕抑制作用的羅伊氏乳桿菌EPS中蛋白質和多糖含量來確定，具體EPS組分為：蛋白質1.3 mg/mL，多糖2.0 mg/mL。其中蛋白質為相對分子質量67 000的牛白蛋白，多糖為右旋糖酐40。

表1　試驗用材料的化學成分(質量分數)Tab. 1　Chemical composition of the testing materials (mass)　%

試驗溶液中各組份的質量分數為：NaCl 58.5 mg/L、Na2SO4213 mg/L、NaHCO34.2 mg/L;pH為8.3，拉森指數為2.0。

1.2試驗方法

1.2.1 掛片試驗

采用掛片試驗研究模擬EPS對碳鋼、鑄鐵、黃銅和304不銹鋼4種金屬材料耐蝕性的影響。試驗裝置為自制的環形反應器，見圖1。

圖1　試驗裝置示意圖Fig. 1　The schematic diagram of testing apparatus

將試片置于試驗裝置中，加入4 L試驗溶液，試驗溫度為30 ℃、轉速為155 r/min，試驗時間為16 d。試驗結束后，按照GB/T 16545-1996清除掛片表面腐蝕產物，稱量并計算腐蝕速率。模擬EPS的浸涂過程如下：將處理后的掛片浸入模擬EPS溶液中，24 h后取出；自然風干6 h；置干燥器中，24 h后稱量待用。

腐蝕速率按式(1)計算:

(1)

式中：vcorr為腐蝕速率(g·m-2·h-1)；Δm為腐蝕前后試片的質量差(g)；S為金屬的表面積(m2)；t為腐蝕的時間(h)。

1.2.2 單因素試驗

根據掛片試驗結果，選取碳鋼為研究對象，分別進行蛋白質和多糖抑制腐蝕單因素試驗研究，試驗條件見表2。試驗裝置與試驗方法見1.1節。

表2　蛋白質、多糖抑制碳鋼腐蝕的單因素試驗條件Tab. 2　The single-factor test condition of protein or polysaccharide inhibition corrosion inhibition of carbon steel

1.2.3 多因素試驗

按照正交試驗設計要求[14]，進行抑制碳鋼腐蝕的蛋白質、多糖、浸涂時間的正交試驗；根據1.2節研究結果，確定3因素3水平的正交試驗方案見表3。試驗裝置與試驗方法同1.1節。

表3　正交試驗方案Tab. 3　The scheme of orthogonal experiment

2　結果與討論

2.1掛片試驗

由圖2可見，與未浸涂試樣相比，浸涂模擬EPS后，碳鋼和鑄鐵的腐蝕速率分別有所下降；但黃銅和304不銹鋼的腐蝕速率卻有所上升。說明浸涂模擬EPS抑制了碳鋼和鑄鐵的腐蝕，卻促進了黃銅和304不銹鋼的腐蝕。相關研究也證實，微生物EPS對金屬腐蝕有抑制或加速作用，這與金屬類型密切相關[15]。R.Stadler等[16]發現，D.vulgaris EPS和D.indonesiensis EPS可以抑制碳鋼腐蝕，但對純鐵腐蝕的抑制作用卻不明顯。Juzeliunas等[15]研究了蕈狀芽孢桿菌生物膜對不同金屬的腐蝕影響，發現其減緩了鋁的腐蝕，卻加速了鋅的腐蝕。

圖2　浸涂與未浸涂EPS的碳鋼、鑄鐵、黃銅、304不銹鋼的掛片試驗結果Fig. 2　Coupon testing results of carbon steel，cast iron，brass and 304 stainless steel with and without dip-coating EPS

EPS中蛋白質和多糖含有羥基、羧基、磷酸基、氨基等多種功能基團，可通過絡合、螯合、離子交換等物理-化學作用與金屬離子發生反應；金屬離子不同，作用機制也存在較大差異[15]。有研究發現，微生物EPS與銅離子絡合后，減少了界面的銅離子含量，因起到陽極去極化作用而加速了陽極的離子化過程，從而促進了黃銅腐蝕[17]。該結論與本研究結果一致。304不銹鋼雖然與碳鋼、鑄鐵同為含鐵金屬，但添加抗腐蝕成分鉻和鎳后，也導致其界面反應機制更為復雜；模擬EPS中氨基、羥基對鉻、鎳具有較強的螯合作用，這可能是導致304不銹鋼腐蝕加劇的主要原因[18]。

綜上所述，與鑄鐵、黃銅、304不銹鋼相比，模擬EPS能有效抑制碳鋼腐蝕。

2.2單因素試驗結果

由圖3可見，不同含量蛋白質或多糖均可抑制碳鋼的腐蝕，且隨著蛋白質或多糖含量的增加，碳鋼腐蝕速率變化呈現三個階段：(1) 當蛋白質或多糖質量濃度≤1 mg/mL時，碳鋼的腐蝕速率隨蛋白質或多糖含量的增加而顯著降低，并在其質量濃度為1.0 mg/mL時降至最低；(2) 當蛋白質或多糖質量濃度為1～4 mg/mL時，隨著含量的升高，碳鋼腐蝕速率快速上升，并在蛋白質或多糖質量濃度為4.0 mg/L時達到最大；(3) 當蛋白質或多糖質量濃度>4.0 mg/mL后，碳鋼腐蝕速率基本穩定，約為0.243 3～0.250 5 g/(m2·h)，說明此時蛋白質或多糖含量對碳鋼腐蝕速率的影響較小。

圖3　浸涂不同含量蛋白質或多糖的碳鋼的腐蝕速率Fig. 3　Corrosion rates of carbon steel coated with different concentrations of protein or polysaccharide

多糖是一種由若干葡萄糖脫水形成的高分子聚合物，化學結構主要是由葡萄糖的α-1,6-鍵首尾脫水縮合而成的線形長鏈分子，同時含有不同比例的α-l,2、α-l,3及α-l,4-糖苷鍵的支鏈。研究發現，多糖中含有羧基基團，其C-O,C=O鍵可以與鐵離子結合形成致密的保護層，起到抑制碳鋼腐蝕的作用[19]。J.Scheerder等[20]發現，胞外多糖EPS180及其改性EPS186、EPS188均可抑制鋼板的腐蝕。S.Roux等[21]也發現，水泥中添加EPS180后鋼筋的抗腐蝕能力增強。

蛋白質主要由氨基酸殘基組成，同時含有少量的色氨酸、苯丙氨酸和異亮氨酸和大量的半胱氨酸、亮氨酸、谷氨酸和賴氨酸。蛋白質含有自由氨基NH4+和羧基COO-，可吸附或螯合鐵離子，在碳鋼表面形成保護層，在隔絕碳鋼與氧氣接觸的同時，也阻礙了腐蝕性離子的運輸，從而抑制腐蝕。

在本試驗條件下，蛋白質或多糖抑制碳鋼腐蝕的最佳質量濃度均為1.0 mg/mL。Jin等[8]的研究發現,EPS存在最佳的腐蝕抑制濃度，EPS高于該濃度時，鑄鐵的腐蝕速率不降反增；Jin等分析認為，EPS含量較高時將結合更多的鐵離子，這會導致其在金屬表面出現不均勻覆蓋，因此造成了腐蝕速率的上升。EPS含量高時碳鋼腐蝕速率的上升，也有可能與其界面電位的變化有關。王佳等[22]研究發現，緩蝕劑吸附在金屬表面的過程中存在脫附電位，當金屬陽極達到脫附電位后，金屬粒子會對吸附層產生沖擊脫附，當沖擊脫附速率大于緩蝕劑吸附修補速率時，將導致緩蝕作用減弱。具體原因還有待進一步的試驗。

2.3正交試驗結果

由表3可見，碳鋼在不同工況下的腐蝕速率從低到高依次為：工況2<工況1<工況5<工況4<工況3<工況6<工況7<工況8<工況9。試驗條件下，工況9下碳鋼腐蝕速率的最高值為0.248 8 g/(m2·h),約是工況2時的兩倍。根據表3還可見，各因素中，對碳鋼腐蝕抑制作用最為顯著的是多糖，其次為蛋白質，浸泡時間的影響最小。試驗條件下，最佳組合工況為多糖0.7 mg/mL，蛋白質0.7 mg/mL，浸涂時間36 h。

表3　蛋白質、多糖及浸涂時間抑制碳鋼腐蝕的 正交試驗結果Tab. 3　Results of the orthogonal test of the effects of protein, polysaccharide and dip-coating time on carbon steel corrosion inhibition

3　結論

(1) 浸涂模擬EPS對碳鋼和鑄鐵腐蝕具有抑制作用，但卻加速了黃銅和304不銹鋼的腐蝕。試驗條件下，模擬EPS對碳鋼腐蝕的抑制作用最為顯著；與未浸涂相比，碳鋼腐蝕速率下降了54.81%。

(2) 浸涂蛋白質或多糖均可抑制碳鋼的腐蝕，其中多糖的抑制效果略優；但二者對碳鋼腐蝕的抑制規律類似。試驗條件下，當蛋白質或多糖的質量濃度為1.0 mg/mL時，碳鋼的腐蝕速率最低。

(3) 正交試驗結果表明，與蛋白質和浸涂時間相比，多糖對碳鋼腐蝕抑制的影響更為顯著；試驗條件下，抑制碳鋼腐蝕的最佳組合工況為：多糖0.7 mg/mL，蛋白質0.7mg/mL，浸涂時間36 h。

[1]耿耀宗. 現代水性涂料[M]. 北京:中國石化出版社,2003:1-2.

[2]周立新. 環氧樹脂的相反轉乳化與水性環氧樹脂防腐涂料的研究[D]. 廣州:華南理工大學,2004.

[3]柯偉. 中國工業與自然環境腐蝕調查的進展[J]. 腐蝕與防護,2004,25(1):1-8.

[4]FLEMMING H C,WINGENDER J. The biofilm matrix[J]. Nature Reviews Microbiology,2010,8(9):623-633.

[5]URBAIN V,BLOCK J C,MANEM J. Bioflocculation in activated sludge:an analytic approach[J]. Water Research,1993,27(93):829-838.

[6]KEIDING K,NIELSEN P H. Desorption of organic macromolecules from activated sludge:effect of ionic composition[J]. Water Research,1997,31(7):1665-1672.

[7]LIU H,FANG H H P. Extraction of extracellular polymeric substances (EPS) of sludges[J]. Journal of Biotechnology,2002,95(3):249-256.

[8]JIN J,WU G,ZHANG Z,et al. Effect of extracellular polymeric substances on corrosion of cast iron in the reclaimed waste water[J]. Bioresource Technology,2014,165(8):162-165.

[9] SYRETT B C,ARPS P J,EARTHMAN J C,et al. 2001.Corrosion control using regenerative biofilms (CCURB):an update[J]. Metallurgia Italiana,2001,93(7/8):39-44.

[10]SAND W,HARNEIT K,GROOTERS M,et al. Novel steel corrosion protection by microbial extracellular polymeric substances (EPS)-Biofilm-Induced corrosion inhibition[J]. Advanced Materials Research,2007(20/21):375-378.

[11]STADLER R,WEI L,FüRBETH W,et al. Influence of bacterial exopolymers on cell adhesion of desulfovibrio vulgaris on high alloyed steel:corrosion inhibition by extracellular polymeric substances (EPS)[J]. Materials & Corrosion,2010,61(12):1008-1016.

[12]FINKENSTADT V L,COOTé G L,WILLETT J L. Corrosion protection of low-carbon steel using exopolysaccharide coatings from leuconostoc mesenteroides[J]. Biotechnology Letters,2011,33(6):1093-1100.

[13]DONG Z H,LIU T,LIU H F. Influence of EPS isolated from thermophilic sulphate-reducing bacteria on carbon steel corrosion[J]. Biofouling the Journal of Bioadhesion & Biofilm Research,2011,27(5):487-495.

[14]李云雁. 試驗設計與數據處理[M]. 2版.北京:化學工業出版社,2008.

[15]JUZELIUNAS E，RAMANAUSKAS R． Influence of wild strain bacillus mycoides on metals：from corrosion acceleration to environmentally friendly protection[J]． Electrochimi Acta，2006(51)：6085-6090.

[16]STADLER R,FUERBETH W,HARNEI T. First evaluation of the applicability of microbial extracellular polymeric substances for corrosion protection of metal substrates[J]. Electrochim Acta,2008(54):91-99.

[17]張靜. 再生水中弗氏檸檬酸桿菌對銅合金的腐蝕機理研究[D]. 北京:北京交通大學,2011.

[18]陳忻,袁毅樺,陳曉剛,等. 殼聚糖對痕量重金屬離子鉛、鉻、鎳的吸附研究[J]. 廣東化工,2007(5):32-34.

[19]GHAFARI M D,BAHRAMI A,RASOOLI I,et al. Bacterial exopolymeric inhibition of carbon steel corrosion[J]. International Biodeterioration & Biodegradation,2013,80(5):29-33.

[20]SCHEERDER J,BREUR R,SLAGHEK T,et al. Exopolysaccharides (EPS) as anti-corrosive additives for coatings[J]. Progress in Organic Coatings,2012,75(3):224-230.

[21]ROUX S,BUR N,FERRARI G,et al. Influence of a biopolymer admixture on corrosion behaviour of steel rebars in concrete[J]. Materials & Corrosion,2010,61(12):1026-1033.

[22]王佳,曹楚南. 緩蝕劑陽極脫附的研究Ⅱ. 緩蝕劑陽極脫附對電極阻抗的影響[J]. 中國腐蝕與防護學報,1995,15(4):247-253.

Effect of Extracellular Polymeric Substances (EPS) on Anti-corrosion Behavior of Metals

XU Ping, SI Shuai, ZHANG Ya-jun, ZHAI Yu-jia, WEI Zhi-gang

(Key Laboratory of Urban Stormwater System and Water Environment, Ministry of Education, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044, China)

EPS can inhibit the corrosion of metals. The effects of protein and polysaccharide, the main components of EPS, on corrosion rates of carbon steel, cast iron, brass and 304 stainless steel were investigated. Single factor test and orthogonal test were used to investigate the corrosion resistance behavior of protein and polysaccharide. The results showed that under the condition of single factor, carbon steel had the lowest corrosion rate when the concentration of protein or polysaccharide was 1.0 mg/mL. And under orthogoral conditions, the best inhibition effect was obtained when polysaccharide was 0.7 mg/mL, protein was 0.7 mg/mL and dip-coating time was 36 h. The results could provide technical support for new anticorrosive coating investigating.

extracellular polymeric substances (EPS); protein; polysaccharide; carbon steel; corrosion inhibition

10.11973/fsyfh-201605008

2015-07-23

國家自然科學基金(51278026, 51578035); 北京建筑大學基金項目(00331615008); 城市雨水系統與水環境省部共建教育重點實驗室項目(PXM2014014210000057)

張雅君(1965-),教授,博士,從事再生水管網腐蝕及控制研究,010-68322131,zhangyajun@bucea.edu.cn

TG174.4

A

1005-748X(2016)05-0384-04