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脫硫弧菌和溶藻弧菌對船體結構材料907鋼海水腐蝕行為的影響研究

2019-05-23 15:28:39 作者：陳菊娜,吳佳佳,王鵬,張盾來源：中國科學院海洋研究所,中國科學院大學,海軍航空大學分享至：

船舶的微生物腐蝕起初并不被人們所重視。近20年來，許多異常快速的腐蝕問題引起了人們的注意，發現微生物腐蝕在船舶上大量存在。Wade等[1]在 2007 年報道澳大利亞皇家海軍軍艦的 10 mm 船體板在不到 1 a 的時間內腐蝕穿孔，腐蝕速率達到10 mm/a，這一過程被認為可能是由微生物腐蝕導致的。中、美、加、澳等國海軍艦船均在油箱、壓載艙、燃氣渦輪發動機等部位檢測到微生物腐蝕。微生物腐蝕增加船舶航行阻力，增大油耗，縮短船舶使用壽命，增加維護保養費用，嚴重威脅船舶的安全。

硫酸鹽還原菌（SRB）作為一類厭氧微生物，在微生物腐蝕中扮有重要角色，大約一半左右的微生物腐蝕都與 SRB 有關。脫硫弧菌（Desulfovibriosp.）作為硫酸鹽還原菌的典型代表，廣泛存在于各種環境中。溶藻弧菌（Vibrio alginolyticus）是一種高耐鹽性的好氧菌，廣泛存在于海洋、湖泊等環境中。從不同海域（青島和三亞），不同浸泡時間（3和6個月）的907鋼實海掛片腐蝕產物中，使用不同培養基均可分離得到脫硫弧菌與溶藻弧菌。目前國內外對微生物腐蝕的作用及腐蝕機理已有一定的研究，提出了氫化酶和FeS的陰極去極化理論，生成含磷化合物理論，鐵原子直接傳遞電子理論，生物催化的陰極硫酸鹽還原理論等。其中有大部分集中在實驗室培養基介質中單菌株的腐蝕研究，但是 SRB 通常與其它微生物共存，在自然界形成聯盟。不同組分和配比的培養基對腐蝕起到了或促進或抑制的作用，且對腐蝕機理和過程有一定的影響，與自然海水中的微生物腐蝕情況有所差異。而單種細菌的電化學腐蝕研究也很難說明多種細菌的協同作用結果。

907鋼是90系列艦艇結構專用低合金高強度鋼的一種，具有良好的綜合力學性能和加工工藝性，以及較低的腐蝕速率和較高的耐壓性。目前，關于這一系列材料的腐蝕研究包括微生物腐蝕研究相對較少。研究907鋼海洋環境中的微生物腐蝕，對于評定該系列材料耐蝕性，預測使用壽命以及選擇防護措施，有重要的理論和現實意義。

本文以船體結構材料 907 鋼為研究對象，以滅菌天然海水為實驗介質，研究脫硫弧菌和溶藻弧菌對907鋼腐蝕行為的影響，探討單一及混合菌種對907鋼腐蝕行為作用機理。

1 實驗方法

1.1 實驗材料與試劑

本實驗所用材料為 907 船體結構鋼，其化學成分（質量分數，%）為：C 0.120, Si 0.790，Mn 1.010, S0.007，Cu 0.42，Ti 0.05，Cr 0.64，Ni 0.67，P 0.016，Fe余量。907鋼線切割制成直徑5 mm，厚度5mm的圓柱。試樣一面與Cu導線焊接，用以制作電化學實驗所需工作電極。采用環氧樹脂密封電極，預留一面作為工作面（工作面積為19.625 mm2）。907鋼線切割制成10 mm×10 mm×5 mm的方塊試樣，用以觀察微觀腐蝕形貌。907鋼加工成直徑為10 mm的圓柱，用環氧樹脂密封，預留一面，用以測試平均腐蝕速率。每次實驗前，所有金屬試樣首先依次用 240~1200#的砂紙打磨，再經蒸餾水沖洗，無水乙醇超聲清洗，純N2干燥，最后置于紫外燈下滅菌30 min，備用。

實驗中所用試劑均為國藥集團化學試劑有限公司生產，分析純試劑。所用高純N2 （＞99.999%），來自中國青島海利氣體有限公司。

1.2 實驗溶液

實驗中所用的脫硫弧菌和溶藻弧菌均通過對907鋼三亞海域全浸區浸泡90 d實海掛樣的腐蝕產物分離得到。實驗中海水來自中國青島匯泉灣的凈化海水，在立式壓力蒸汽滅菌鍋（LDZM-40KCS）中121 ℃下滅菌20 min。

培養脫硫弧菌所用的培養基是修飾的 Postgate's C 培養基，成分為：每 1 L 過濾海水中，0.5 gK2HPO4，1 g NH4Cl，0.1 g CaCl2，2 g MgSO4，0.5 gNa2SO4，4 mL 乳酸鈉和 1 g 酵母粉。采用 1 mol/LNaOH調節培養基pH值到（7.0±0.2）。接種前，通入高純N2除氧1 h。培養基使用前在立式壓力蒸汽滅菌鍋中 121 ℃下滅菌 20 min。將培養了 4 d 的脫硫弧菌在室溫下接種，密封并在30 ℃下培養。

培養溶藻弧菌所用的培養基為 2216E，其成分為：每1 L過濾海水中，蛋白胨5 g，酵母粉1 g，高磷酸鐵0.01 g。培養基使用前在立式壓力蒸汽滅菌鍋中 121 ℃下滅菌 20 min。將培養了 1 d 的溶藻弧菌在室溫下接種，報紙包封瓶口并在30 ℃搖床培養。

分別取出在對數生長期的脫硫弧菌和溶藻弧菌母液，離心、清洗、濃縮。測量這些菌液的吸光度（OD600），并根據標準曲線算出細菌濃度并調整至2.0×107 cfu/mL。在裝有396 mL無菌海水的500 mL廣口瓶中分別加入 4 mL 無菌海水，2 mL 脫硫弧菌菌液+2 mL無菌海水，2 mL溶藻弧菌菌液+2 mL無菌海水，2 mL 脫硫弧菌菌液+2 mL 溶藻弧菌菌液，得到無菌對照、脫硫弧菌、溶藻弧菌和混合菌4組實驗體系。

1.3 平均腐蝕速率測定

907鋼腐蝕速率測試試樣在各實驗體系中浸泡8 d后，使用Clark's溶液（ASTM G1-03）清洗除去腐蝕產物，然后用蒸餾水、無水乙醇沖洗，N2干燥，稱重。腐蝕速率按暴露在溶液中試樣單位面積的失重進行計算。

1.4 腐蝕形貌觀察

采用掃描電子顯微鏡（SEM, Hitachi S-3400N）進行形貌觀察。觀察前，首先用體積分數為2.5%的戊二醛溶液浸泡樣品2 h以固定表面產物和附著膜；然后依次用體積分數為30%、50%、70%、90%、100%的無水乙醇浸泡15 min，脫水；最后采用超臨界干燥，噴金。為進一步觀察907鋼腐蝕后的基體形貌，觀察前，采用Clark's溶液去除表面生物膜與腐蝕產物。

1.5 電化學實驗

將滅菌的電極、橡膠塞和盛有 4 種實驗溶液的廣口瓶（作為電解池）在超凈臺中進行組裝。將體系進行密封，在30 ℃培養以供電化學測試。

在 8 d 內，采用 GAMRY3000 電化學工作站測量907鋼在4種實驗介質中的開路電位（OCP）和電化學阻抗譜（EIS）。在三電極體系中，907鋼電極為工作電極，石墨為對電極，Ag/AgCl 電極（3 mol/LKCl）為參比電極。在OCP下進行EIS測試，施加的擾動電位是±5 mV，測量頻率范圍 105~10-2 Hz。所有的電化學測試均在（25±2） ℃下進行。測試3組平行體系以保證EIS結果的重現性。

2 結果與討論

2.1 腐蝕過程體系狀態

圖1為907鋼在各實驗體系中浸泡8 d后的數碼相片。在無菌對照及脫硫弧菌體系中，體系狀態較為類似。整個實驗周期內，溶液較為澄清，體系各構件包括電極導線等沒有明顯顏色變化，紅棕色腐蝕產物在基體表面不斷生成積累（圖1a和b）。

在溶藻弧菌體系中，實驗開始4 h后至第3 d溶液逐漸變成乳白色且濁度不斷增加，從第4 d開始溶液濁度下降，白色物質逐漸沉降到瓶底，原本光亮的基體表面因為腐蝕產物的附著逐漸變得黯淡，過程中伴隨黃白色代謝產物形成（圖1c）。這說明在無菌海水中，溶藻弧菌快速適應環境，很快進入對數生長期，但生長周期較短，加之體系中缺乏營養物質供能，細菌難以長久存活。

在混合菌體系中，實驗前3 d溶液呈乳白色，從第4 d開始導線呈現黑色，并且顏色不斷加深，黑色腐蝕產物在基體表面附著，厚實致密的黃白色生物膜積聚形成（圖1d）。導線顏色變黑，且不斷加深，說明實驗后期脫硫弧菌在混合菌體系中存活并不斷繁殖，生成標志性代謝產物 H2S。這可能是由于實驗初期溶藻弧菌在生長代謝過程中，消耗了海水中的O2，為厭氧微生物脫硫弧菌的存活繁殖提供了合適的環境條件。

2.2 平均腐蝕速率

圖2為907鋼試樣在不同介質體系中浸泡8 d的失重數據。在無菌對照和脫硫弧菌體系中，腐蝕速率接近且均超過 0.2 mg·cm-2·d-1，較溶藻弧菌和混合菌體系中要高。907鋼試樣在混合菌體系中浸泡8 d，失重低于0.1 mg·cm-·2 d-1，腐蝕速率最低。

圖3為907鋼試樣在溶藻弧菌和混合菌體系中浸泡 4 h，1 d，3 d，5 d，8 d 后的平均失重數據。在兩種體系中浸泡 4 h 時，腐蝕速率均最大，皆超過3.0 mg·cm-2·d-1。浸泡 1 d 時，腐蝕速率有顯著的大幅度下降，均低于 0.4 mg·cm-2。其后，隨浸泡時間增加，兩種體系中的腐蝕速率均不斷微弱減小。在混合菌體系中，浸泡 4 h~3 d，腐蝕速率從3.68 mg·cm-·2 d-1降低至0.23 mg·cm-·2 d-1，均較同時間溶藻弧菌體系中腐蝕速率大（3.2和0.18 mg·cm-·2 d-1）；浸泡4~8 d時，腐蝕速率從0.1 mg·cm-2·d-1微弱降低至0.09 mg·cm-2·d-1，較同時間溶藻弧菌體系中腐蝕速率小（0.14 和0.13 mg·cm-·2 d-1）。

2.3 腐蝕形貌

圖4為907鋼試樣浸泡在不同體系中8 d后表面腐蝕產物的微觀形貌。由SEM像可以看出，在無菌對照和脫硫弧菌體系中（圖 4a 和 b），腐蝕產物形貌類似，白色片狀物質交聯重疊，形成菜花樣結構，在整個試樣表面呈簇狀分布。脫硫弧菌體系中，在試樣表面未觀察到細菌的附著以及代謝產物形成的生物膜，說明脫硫弧菌在無菌海水中沒有存活繁殖，這可能是由于海水中存在一定濃度的O2，抑制了厭氧菌脫硫弧菌的生長，使得脫硫弧菌體系發生與無菌對照體系類似的吸氧腐蝕過程，并呈現相似的腐蝕產物形貌。實驗過程中，脫硫弧菌體系中電極導線顏色未發生明顯變化，即沒有能使導線變黑的脫硫弧菌標志性代謝產物H2S的產生，證明脫硫弧菌在無菌海水中未能存活繁殖，因而對907鋼的海水腐蝕沒有產生影響。

在溶藻弧菌體系中（圖4c），基體表面附著一層疏松、多孔、不均勻的生物膜。通常，生物膜中細菌和代謝產物會相互粘連共同存在形成生物膜，但在溶藻弧菌體系中未觀察到細菌的存在，這可能是由于溶藻弧菌生長周期短，且體系中缺乏營養物質持續供能，實驗進行到第 8 d 時，細菌早已衰亡殆盡。

在混合菌體系中（圖4d），試樣表面附著較溶藻弧菌體系中更加厚實緊密的生物膜，這可能是由于實驗中后期，脫硫弧菌存活，高效獨特的代謝增殖活動使形成的生物膜具有更好的穩定性。在混合菌體系中，也未觀察到細菌的存在，這可能是因為細菌嵌入了厚實致密的代謝產物膜中。

圖5為907鋼試樣在4種實驗介質中浸泡8 d除去表面腐蝕產物后基體的微觀形貌。在無菌對照與脫硫弧菌體系中（圖 5a 和 b），基體的腐蝕類型相同，腐蝕程度相近，粗糙度大，腐蝕程度較為嚴重。

在溶藻弧菌和混合菌體系中（圖 5c 和 d），基體的腐蝕類型相似，粗糙度小，可以觀察到來自于電極處理的劃痕，腐蝕程度均弱于無菌對照和脫硫弧菌體系中的。

2.4 開路電位

圖6是907鋼在4種實驗體系中的OCP隨時間變化的曲線。可以看出，在無菌對照和脫硫弧菌體系中，907鋼的電位數值接近，變化趨勢相同。從實驗開始到第1 d快速顯著負移；在第2~8 d，電位逐漸微弱正移；在實驗中后期基本保持穩定，且實驗結束時電位值要負于初始值。在上述兩種體系中電位數值接近，變化類似，說明脫硫弧菌在無菌海水中對腐蝕沒有影響。在溶藻弧菌和混合菌體系中，907 鋼的電位變化趨勢類似。從實驗開始到第1 d，電位快速顯著負移；在第2~8 d，電位不斷正移；至實驗結束時電位值正于初始值。

2.5 電化學阻抗譜

圖7所示為907鋼浸泡在不同實驗介質中不同時間（1~8 d）后的Nyquist圖。在無菌對照和脫硫弧菌體系中（圖 7a 和 b），容抗弧形狀相近且阻抗模值變化趨勢類似。浸泡 4 h~1 d，阻抗模值明顯減小，這是溶液腐蝕的結果。浸泡1 d之后，阻抗模值逐漸增大，這可能是腐蝕產物覆蓋試樣表面對基體有一定的腐蝕減緩作用。到第8 d時，阻抗模值仍小于浸泡4 h的初始值，且在整個實驗過程中，阻抗模值數值較小且變化幅度不大。阻抗模值一般與金屬耐蝕性呈正比，表明在無菌對照和脫硫弧菌體系中，907鋼的腐蝕隨時間增加逐漸加重。在兩種體系中Nyquist圖基本相似，表明Desulfovibrio sp.單獨存在于滅菌天然海水中對907鋼的腐蝕沒有影響。這一結論與兩種體系中腐蝕產物及基體SEM像分析結果一致。雖然曾有文獻報道，脫硫弧菌可利用各種防御機制，耐受氧氣而存活，但在本研究體系中并未發生。

在溶藻弧菌和混合菌體系中，容抗弧呈現相近的形狀（圖7c和d），阻抗模值變化趨勢類似且與無菌對照和脫硫弧菌體系中的相反（圖7c1和d1）。在整個實驗過程中，阻抗模值數值及變化幅度都較大。浸泡4 h~1 d，阻抗模值顯著增大。浸泡1 d之后，阻抗模值逐漸減小；到第8 d時，阻抗模值仍大于浸泡4 h的初始值。以上變化表明，907鋼在溶藻弧菌和混合菌體系中，隨時間增加腐蝕逐漸被抑制。而在混合菌體系中，浸泡8 d的阻抗模值較4 h的增加更多，說明該體系中腐蝕抑制作用更明顯。文獻[20]曾報道，溶藻弧菌可通過去除金屬鈍化膜，促使腐蝕性S2-攻擊基體表面，以此加速 SRB 導致的金屬腐蝕。

溶藻弧菌對 907 鋼的腐蝕抑制作用與其結論不一致，這可能是由于菌株種類、金屬材料、電解液、實驗培養方式、觀察時間等差異造成的。為了便于比較，將 4 個體系浸泡相同時間的阻抗模值放在同一張圖中進行比較（圖8）。據文獻報道，在被接種到新環境體系中后，細菌在最初的一段時間里，主要進行環境適應、代謝積累等活動，對腐蝕影響不大。由圖8a可知，907鋼在各體系浸泡4 h時，4條Nyquist曲線阻抗模值都較小，根據容抗弧形狀和阻抗模值，可分為各自相近的兩組。溶藻弧菌和混合菌體系中阻抗模值較無菌對照和脫硫弧菌體系中的稍大，說明溶藻弧菌已快速適應環境，并開始生長增殖活動。浸泡1 d后，各體系阻抗模值發生了最大幅度的變化，無菌對照和脫硫弧菌體系中的阻抗模值顯著減小；溶藻弧菌和混合菌體系中的阻抗模值顯著增加（圖8b）。此后，各體系阻抗模值逐漸開始反向變化。4 h~3 d時，阻抗模值大小順序為：無菌對照≈脫硫弧菌＜混合菌＜溶藻弧菌。無菌對照和脫硫弧菌體系發生有氧腐蝕，隨時間增加，腐蝕程度不斷增加。在溶藻弧菌體系中，由于細菌的生長消耗 O2，抑制了體系中有氧腐蝕的進行，且在實驗前 3 d，細菌的耗氧代謝及生長增殖最為旺盛，故腐蝕速率最小。混合菌體系中，脫硫弧菌對907鋼腐蝕的影響是基于溶藻弧菌的協同作用。實驗前3 d，溶藻弧菌耗氧代謝為厭氧微生物脫硫弧菌的存活生長提供了適宜的條件，但是脫硫弧菌的腐蝕促進作用在該體系中并沒有占據主導地位，只能部分抵消溶藻弧菌的腐蝕抑制影響。4~8 d時，阻抗模值大小順序為：無菌對照≈脫硫弧菌＜溶藻弧菌＜混合菌。在浸泡中后期，溶藻弧菌體系中的阻抗模值顯著減小，這可能是因為溶藻弧菌生長周期短，加之營養供能物質的匱乏，細菌早已衰亡殆盡，腐蝕抑制作用減弱。混合菌體系中的腐蝕速率最小，則可能是由于脫硫弧菌形成的生物膜致密穩定，阻礙了腐蝕性物質的傳遞，減弱了907鋼在該體系中的腐蝕程度。這與失重數據和SEM觀察結果相一致。

采用圖9中等效電路圖，用ZSimpWin軟件對各體系的EIS結果進行擬合。其中，Rs為溶液電阻，Qdl為雙電層電容，ndl表示雙電層電容指數，Rct為電荷轉移電阻，Qf為膜電容，nf表示膜的電容指數，Rf為膜電阻。擬合結果見表1。

從表1的數據結果結合圖10可知，在無菌對照和脫硫弧菌體系中，Rct變化趨勢類似且數值接近，隨浸泡時間的延長呈現先下降后增加的趨勢，但始終小于初始值。表明在兩種體系中，腐蝕均被促進且速率相近。Rct在實驗初期的顯著減小表明907鋼在溶液體系中發生腐蝕，Rct在實驗后期緩慢增大是由于腐蝕產物覆蓋試樣表面從而對基體產生保護作用。在溶藻弧菌和混合菌體系中，Rct的變化情況也基本相同，并與無菌對照和脫硫弧菌體系中趨勢相反，隨浸泡時間的延長先增加后減小，終了值大于初始值。說明在這兩種體系中腐蝕被抑制，腐蝕速率先減小后增加。Rct在試樣浸泡 1 d 之前顯著增加，表明細菌在進入新環境體系后，在基體表面附著并進行代謝積累。Rct在 1~3 d 期間急劇減小，表明細菌在對數生長期大量消耗體系中的O2，顯著降低腐蝕速率。在實驗前 3 d，溶藻弧菌體系中 Rct始終大于混合菌體系中的，說明脫硫弧菌在溶藻弧菌提供的無氧環境中存活且在一定程度上加速腐蝕。在 3 d之后，溶藻弧菌和混合菌體系中Rct均緩慢減小，終了值大于初始值，且混合菌體系中數值較溶藻弧菌中的大，說明混合菌的腐蝕抑制作用較溶藻弧菌的更明顯。