海水中舟形藻對Q235碳鋼腐蝕行為的影響

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(1. 中國科學院海洋研究所 中國科學院海洋環境腐蝕與生物污損重點實驗室，青島 266071； 2. 上海海洋大學 海洋生態與環境學院，上海 201306； 3. 青島海洋科學與技術國家實驗室 海洋腐蝕與防護開放工作室，青島 266237)

微生物腐蝕是金屬表面、非生物腐蝕產物(FeS，Fe(OH)3，Fe2O3等)與細菌細胞及其代謝物之間相互作用的結果[1-3]。在許多環境中，微生物傾向于黏附在固體表面上形成生物膜保護層[4]，減少暴露于外部環境的固體表面。然而，這也可能導致局部腐蝕和基質材料如金屬、聚合物和混凝土的劣化[5-7]。金屬表面存在的微生物通常會導致電解質組分含量，pH和氧濃度發生局部變化[8]。CONGMIN等[9]研究發現不銹鋼表面硫酸鹽還原菌(SRB)及其代謝產物的相互作用不但加重了生物膜的腐蝕損傷程度,還加速了點蝕。

在海洋環境中，構筑物表面易附著大量底棲硅藻，此外，船體表面也會附著大量硅藻，并且它們在船舶行駛過程中不易去除，可能會影響船舶的正常行駛[10]。目前，關于微藻對金屬材料污損附著影響的研究較少，因此有必要研究單一微藻在材料表面的附著及其對材料的污損影響。孫彩霞[11]通過改變陽極表面電阻來研究雙眉藻和舟形藻對鋅和鋅鋁鎘合金2種犧牲陽極的影響，發現Zn陽極試樣在含微藻培養液中的腐蝕速率大于在滅菌培養液中的；汪江偉等[12]研究了鈣質層對Q235碳鋼在含雙眉藻的f/2培養基中腐蝕行為的影響。雙眉藻及其胞外聚合物(EPS)易在碳鋼表面附著形成生物膜阻礙了外界傳質過程，但對O2擴散的阻礙效果不明顯。LIU等[13]研究了Q235碳鋼在小球藻存在條件下的腐蝕行為，結果表明試樣在含小球藻環境中的平均腐蝕速率約為在不含小球藻環境中的4倍，且在含小球藻環境中，試樣白天的腐蝕速率高于夜間的。

微藻的光合作用會發生電子轉移，這些電子能夠通過細胞外物質轉移給與之接觸的材料，從而影響材料的電化學性質[14-15]。在有光照的情況下，微藻是浸入水體中工程材料表面生物膜的主要貢獻者。

舟形藻(Navicula)是一種底棲硅藻，在生長過程中能分泌具有多種生物活性的硫酸化多糖，是一種較有代表性的微藻[16-17]。本工作研究了舟形藻對Q235碳鋼在海水環境中腐蝕行為的影響，探尋污損生物附著對基體腐蝕的作用機制，以期了解海洋生物污損機制，為對其進行有效治理提供借鑒。

1 試驗

1.1 試樣

試驗材料為Q235碳鋼,尺寸為10 mm×10 mm×10 mm，化學成分(質量分數/%)為：C 0.1，Mn 0.4，Si 0.12，S 0.02，P 0.05，余量為Fe。

電化學試驗用試樣的工作面積為1 cm2，將試樣一端用銅導線焊接后，非工作面用環氧樹脂封裝在PVC管中，制作成工作電極。浸泡試驗用試樣的處理過程如下：用銅導線纏繞碳鋼試樣(用于懸掛)，采用704硅膠密封裸露的導線部分，試樣表面用砂紙(120～1 000號)逐級打磨至光滑，并用乙醇超聲清洗，再用蒸餾水清洗干燥后放入干燥器中待用。所有需要暴露在培養基中的試樣在使用前都需要放在紫外燈下滅菌30 min。

1.2 舟形藻的培養

舟形藻來源于中國科學院海洋研究所藻種庫。舟形藻在生長初期(1～4 d)，分裂遲緩，增長緩慢。約5 d后舟形藻在培養液中吸收充足養分并適應環境，不斷進行二次分裂，增長迅速，呈現對數增長。隨著培養液中的營養物質經過新陳代謝消耗殆盡，活性舟形藻在達到穩定生長后逐漸減少[18]。

將處在對數生長期的舟形藻溶液接種到含有培養基的250 mL三角燒瓶中，培養基為f/2培養基，(成分見表1)，將舟形藻置于GXZ-280D型智能光照培養箱(寧波江南儀器廠)中培養，溫度為23 ℃，光照強度為3000 lx,光照與黑暗時間之比為1∶1。

表1 f/2培養液的成分Tab. 1 Composition of f/2 culture medium

f/2培養液母液需要在滅菌鍋內121 ℃滅菌30 min,微量元素和維生素用孔徑為0.22 μm的濾膜過濾除去其他微生物。整個試驗均在無菌的超凈工作臺上完成。

1.3 浸泡試驗

取兩個已滅菌的廣口瓶分別倒入400 mL f/2培養液，其中一個加入40 mL處于生長期的藻液。把制備好的碳鋼試樣浸泡于培養基中，采用透氣膜將瓶口封住。將兩個廣口瓶放置在光照培養箱中培養，15 d后把兩個廣口瓶中的試樣分別從廣口瓶中取出，用除銹劑對試樣進行表面處理，干燥后，采用JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡進行觀察，加速電壓為25 kV，并采用X射線能譜儀進行元素分析。

1.4 電化學試驗

電化學試驗在Gamry1000電化學工作站上完成，采用三電極體系，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，鉑電極為輔助電極，試樣為工作電極。電化學阻抗譜的測試頻率是100 mHz～10 kHz，擾動信號幅值為10 mV，測試周期為15 d。使用ZSimpWin電化學分析軟件對測試結果進行分析擬合。

2 結果與討論

2.1 腐蝕形貌

由圖1可見：在不含舟形藻的培養基中浸泡15 d后的試樣(以下簡稱空白試樣)表面發生的是均勻腐蝕；而在含有舟形藻培養液中浸泡15d后的試樣(以下簡稱含藻試樣)表面發生不均勻腐蝕，在局部出現了較嚴重的腐蝕坑。舟形藻參與形成生物膜后，會對Q235碳鋼表面所處的局部環境產生影響，從而改變Q235碳鋼的腐蝕過程[19-20]，在f/2培養液中，舟形藻起初會在碳鋼表面形成一層微生物膜，具有一定的保護作用，但由于Q235碳鋼易腐蝕，腐蝕產物不斷更新使得舟形藻附著困難，導致部分微生物膜脫落而未能起到保護作用。疏松多孔的生物膜有利于腐蝕性離子的侵入，從而加速Q235碳鋼的腐蝕[13]。同時，舟形藻代謝產氧，由于溶液中O2含量的增加，氧去極化作用使生物膜抑制腐蝕的效果減弱[21]。由此，舟形藻的存在增強了材料表面的腐蝕。

(a) 不含舟形藻 (b) 含舟形藻 圖1 Q235碳鋼在不含和含舟形藻的f/2培養液中浸泡15 d后的腐蝕形貌Fig. 1 Corrosion morphology of Q235 carbon steel after soaking in f/2 medium without (a) and with (b) navicula for 15 days

2.2 腐蝕產物成分

由圖2和表2可見：含藻試樣表面的鎂含量增加，鎂是葉綠素(包括葉綠素a、葉綠素b和葉綠素c)吡咯環的中心原子[22]，鎂含量的增加說明附著在Q235碳鋼表面的舟形藻衰亡釋放出了細胞內的葉綠素；同時含藻試樣表面還發現了鉀(K)、鈣(Ca)等元素，這可能是無機離子礦化和胞外聚合物絡合作用的結果。舟形藻附著在材料表面可分泌胞外聚合物[13]，EPS對金屬陽離子有很強的絡合能力，促進Q235碳鋼的溶解和腐蝕[23-24]，見式(1)

含藻試樣表面的硅元素和磷元素減少，硅和磷是舟形藻生長所需的營養成分，能促進舟形藻的生長，舟形藻在生長過程中不斷消耗硅和磷，材料表面的磷酸鹽可產生磷酸鐵等沉淀[25]，見式(2)～(4)。

4H2O(2)

2H2O(3)

4Fe(OH)3(4)

(a) 不含舟形藻

(b) 含舟形藻圖2 試樣在不含舟形藻和含舟形藻培養液中浸泡15 d后的EDS圖Fig. 2 EDS patterns of samples after soaking in f/2 medium without (a) and with (b) navicula for 15 days

2.3 電化學試驗

圖3～5為試樣在不含和含舟形藻培養液中浸泡不同時間后的電化學阻抗譜，采用圖6所示等效電路圖進行擬合，相關電化學擬合參數見表3和表4。其中，Rsol為溶液電阻，Qdl為界面雙電層電容，Rct為電荷傳遞電阻，Rct(電荷傳遞電阻)可以用來表征金屬腐蝕速率，電荷傳遞電阻越大，金屬腐蝕速率越小。從表中的擬合值可看出，在整個試驗周期內，Rct最高為2 552 Ω·cm2，最低為1 496 Ω·cm2，試樣的腐蝕速率維持在相對穩定的狀態，整個體系相對穩定，由于在無藻培養液中存在磷酸鹽，可以通過形成保護膜來抑制碳鋼的腐蝕[24-26]，隨著浸泡時間的延長，腐蝕產物的形成和積累可形成致密且具有一定厚度的生物膜，對基體起到保護作用，故阻抗隨浸泡時間的延長不斷增大，試樣的耐蝕性增加。

(a) 不含舟形藻

(b) 含舟形藻圖3 試樣在不含和含舟形藻的培養液中浸泡不同時間后的Nyquist圖Fig. 3 Nyquist polts of samples after soaking in culture medium without (a) and with (b) navicula for different times

(a) |Z|-lgf

(b) φ-f圖4 試樣在不含的培養液中浸泡不同時間后的Bode圖Fig. 4 Bode polts of samples after soaking in culture medium without navicula for different times

(a) |Z|-lgf

(b) φ-f圖5 試樣在含舟形藻的培養液中浸泡不同時間后的Bode圖Fig. 5 Bode polts of samples after soaking in culture medium with navicula for different times

(a) 不含舟形藻

(b) 含舟形藻圖6 電化學阻抗譜的等效電路圖Fig. 6 Equivalent circuit diagram of EIS:(a) without navicula; (b) with navicula

浸泡時間/dRsol/(Ω·cm2)QdlYdl/(10-6 Ω-1·cm-2·sn)ndlRct/(Ω·cm2)15.367390.80.800 01 78036.69718 9600.679 71 4965214.91 9010.740 31 9327108.62 0970.714 32 114917.042 1050.718 92 0061118.642 1100.745 31 868138.1052 2500.740 22 1411510.301 7980.795 72 552

圖6(b)中，Qf為生物膜表面層電容，Rf為表面層電阻。由表4可見：Rct整體呈現上升趨勢。浸泡初期Rct減小，為838.7～1 388 Ω·cm2，這是由于舟形藻的光合作用產生氧氣，增加體系中溶解氧濃度，氧的去極化加速金屬腐蝕；隨著浸泡時間的延長，Rct增加，此時舟形藻處于對數生長期，培養基中舟形藻的密度增大，舟形藻的代謝產物膜與Q235碳鋼的腐蝕產物累積對基體產生保護作用，阻礙了傳質過程，金屬基體腐蝕被抑制；試驗后期，Rct減小，這是由于舟形藻光合作用使生物膜下產生局部高濃度溶解氧，增強氧還原陰極電流，使局部發生氧去極化反應從而促進局部腐蝕，見式(5)。

表4 Q235試樣在含舟形藻培養液中的EIS等效電路擬合值Tab. 4 Values of electrochemical parameter for Q235 canbon steel in f/2 culture medium with navicula

O2還原反應產生OH-可促進生成氫氧化鐵，見式(6)。

在陽極位置，Fe可以連續被氧化，生成Fe2+，并形成沉淀，最終導致Q235碳鋼表面形成凹坑。Fe(OH)2可首先氧化為FeOOH，FeOOH是不穩定的，會進一步分解為Fe2O3[13]。

Cl-的侵入也能促進局部腐蝕，從而引起嚴重的局部腐蝕。

由圖7可見：在含舟形藻的試驗溶液中，試樣的腐蝕電流密度(Jcorr)更高，這表明舟形藻的存在促進碳鋼的腐蝕。

圖7 試樣在不含和含舟形藻的培養液中浸泡15 d后的極化曲線Fig. 7 Potentiodynamic polarization curves of samples after soaking in culture medium without and with navicula for 15 d

3 結論

(1) Q235碳鋼在不含舟形藻的培養液中發生均勻腐蝕，在含有舟形藻的培養液中發生嚴重的局部腐蝕。

(2) 碳鋼在含舟形藻的培養基中的腐蝕過程與舟形藻生長周期呈現一定的規律性：在舟形藻生長初期，Q235碳鋼腐蝕加速；隨著浸泡時間的延長，舟形藻進入對數生長期，生成的生物產物膜對碳鋼有一定的保護作用，使碳鋼的腐蝕速率降低；隨著浸泡時間繼續延長，生物膜開始脫落，同時舟形藻不斷產氧，氧去極化作用使碳鋼表面腐蝕增加。

(3) 舟形藻參與形成生物膜后，在碳鋼表面分泌的EPS對Fe2+有很強的絡合能力，能促進Q235碳鋼的腐蝕。附著在Q235碳鋼表面的舟形藻衰亡釋放出細胞內的葉綠素導致鎂含量增加。