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(xué) 材料研究院腐蝕與防護中心，北京100083;2. 牛津大學(xué) 材料學(xué)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(yè)生產(chǎn)造成很多問題，涉及范圍包括核電站［4，5］，石油工業(yè)［6］，海洋結(jié)構(gòu)［7］，船舶［8］等。

SRB 腐蝕的影響因素主要包括介質(zhì)的pH 值，溶解氧濃度，Cl－濃度，F(xiàn)e2+濃度等。由于生物膜會阻礙反應(yīng)物及產(chǎn)物的擴散過程，當(dāng)表面有生物膜時，鐵的溶解會導(dǎo)致金屬與生物膜的界面處Fe2+濃度高于周邊環(huán)境。已有研究結(jié)果顯示，F(xiàn)e2+會在生物膜中富集［9］，使細菌數(shù)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(xué)阻抗、極化曲線等測試界面電化學(xué)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(nèi)部結(jié)構(gòu)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(yǎng)基和有Fe2+離子的培養(yǎng)基中的SRB 腐蝕過程，對碳鋼在兩種介質(zhì)中的腐蝕行為、腐蝕產(chǎn)物、金屬生物膜界面及生物膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)/%)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(dǎo)線，用環(huán)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(zhì)

本實驗所用介質(zhì)為不含F(xiàn)e2+接菌培養(yǎng)基(以下簡稱培養(yǎng)基I)和Fe2+含量為30mg/L 的接菌培養(yǎng)基(以下簡稱培養(yǎng)基II)。培養(yǎng)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(yǎng)基II 在培養(yǎng)基I 的基礎(chǔ)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(yǎng)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(yǎng)基。在配好的滅菌培養(yǎng)基中按比例接種激活并培養(yǎng)3 天的SRB 菌液，制成實驗所用的介質(zhì)。

1.3 電化學(xué)實驗

將準備好的工作電極浸入兩種實驗介質(zhì)中，記錄浸泡時間為1h，15h，38h 及65h 工作電極的電化學(xué)阻抗譜。電化學(xué)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(nèi)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(zhì)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(jié)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(chǎn)物進行切割，觀察腐蝕產(chǎn)物層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及腐蝕產(chǎn)物與金屬基體界面的形貌。使用Thermo 能譜對腐蝕產(chǎn)物進行成分分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 電化學(xué)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(xué)行為的影響，測試了Q235 鋼在培養(yǎng)基Ⅰ和培養(yǎng)基Ⅱ中的電化學(xué)阻抗譜，結(jié)果如圖1所示。

在培養(yǎng)基Ⅰ中，浸泡15h 及以后時間常數(shù)基本相同，低于但接近于浸泡1h，說明系統(tǒng)穩(wěn)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(tǒng)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(yǎng)基Ⅱ中，時間常數(shù)隨時間延長而降低，浸泡65h 的時間常數(shù)遠低于在培養(yǎng)基Ⅰ中浸泡65h，這表明在培養(yǎng)基Ⅱ中系統(tǒng)穩(wěn)定性持續(xù)下降，浸泡65小時后腐蝕較培養(yǎng)基Ⅰ嚴重。|Z| ～log Freq 曲線隨時間延長向低頻方向移動，系統(tǒng)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(yǎng)基Ⅰ中形成的膜層保護性差。

圖1 Q235 鋼在兩種培養(yǎng)基中的電化學(xué)阻抗譜(a)，(b)培養(yǎng)基Ⅰ;(c)，(d)培養(yǎng)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(shù)和浸泡1h 相比均有較大不同，說明此時電極表面狀態(tài)發(fā)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(dāng)金屬浸入到水環(huán)境中便立即開始。在很短的時間內(nèi)(幾分鐘或者幾小時，取決于金屬浸沒的水環(huán)境)，微生物及其產(chǎn)物EPS 形成生物膜［11］。為進一步分析電化學(xué)阻抗譜，采用圖2 中的兩個等效電路對培養(yǎng)基Ⅰ和培養(yǎng)基Ⅱ中的電化學(xué)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(jié)果見圖3。

圖2 用于擬合圖4中電化學(xué)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(yǎng)基中膜電阻Rf、膜電容、Cf、反應(yīng)電阻Rt和反應(yīng)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(yǎng)基Ⅰ中Q235 鋼表面膜層電阻高于培養(yǎng)基Ⅱ，電容則低于培養(yǎng)基Ⅱ，表明培養(yǎng)基Ⅰ中形成的膜層比培養(yǎng)基Ⅱ中形成的膜層隔絕性好，保護性好。培養(yǎng)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(zhì)增加所致，這會導(dǎo)致膜層保護性降低。

從圖3(c，d)可見，培養(yǎng)基Ⅱ中試樣的反應(yīng)電阻比培養(yǎng)基Ⅰ低很多，表明在培養(yǎng)基Ⅱ中腐蝕反應(yīng)更容易進行。培養(yǎng)基Ⅱ中試樣的反應(yīng)電容隨時間延長迅速增大，浸泡65h 培養(yǎng)基Ⅱ中試樣的反應(yīng)電容遠大于培養(yǎng)基Ⅰ，說明此時培養(yǎng)基Ⅱ試樣的金屬/膜層界面處離子含量遠高于培養(yǎng)基Ⅰ;又由圖3(a，c)可知，Q235 鋼在兩種培養(yǎng)基中的反應(yīng)電阻均大于膜電阻，兩種介質(zhì)中電化學(xué)反應(yīng)為控制步驟，因此培養(yǎng)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(yīng)速度增加，故培養(yǎng)基Ⅱ中浸泡65h 的試樣腐蝕應(yīng)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(zhì)中浸泡1h 的阻抗及時間常數(shù)比較接近，這與顯微鏡觀察結(jié)果相符。在顯微鏡下觀察兩種培養(yǎng)基中浸泡2h 的試樣，腐蝕形態(tài)均為均勻腐蝕及點蝕，腐蝕程度差異不大。浸泡36h，培養(yǎng)基Ⅰ中的試樣腐蝕程度加重，但仍可見金屬基體，培養(yǎng)基Ⅱ中的試樣表面被黑色腐蝕產(chǎn)物覆蓋，腐蝕情況較培養(yǎng)基Ⅰ中的試樣嚴重，驗證了對電化學(xué)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(yǎng)基Ⅰ，2h;(d)培養(yǎng)基Ⅰ，36h;(e)培養(yǎng)基Ⅱ，2 小時;(f)培養(yǎng)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(zhì)中浸泡65h 后的Q235 鋼試樣觀察結(jié)果及能譜。從圖中可見，兩種介質(zhì)中的試樣表面均形成一層生物膜。

在培養(yǎng)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(jié)合緊密平整，腐蝕輕微，未見點蝕等局部腐蝕形態(tài)。能譜的分析結(jié)果顯示表面成分主要是鐵。

在培養(yǎng)基Ⅱ中的試樣表面生物膜厚度約為1um，大于培養(yǎng)基I。生物膜形態(tài)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(jié)果顯示表面成分主要是鐵和硫，由腐蝕產(chǎn)物的顏色和成分推斷試樣表面生物膜中包含腐蝕產(chǎn)物FeS。FeS 具有電活性，會導(dǎo)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(xiàn)很多點蝕孔洞，腐蝕情況較培養(yǎng)基Ⅱ中的試樣嚴重。對電化學(xué)阻抗譜的推斷與FIB 及成分分析結(jié)果符合。

從以上結(jié)果可見，F(xiàn)e2+會促進碳鋼的SRB 腐蝕。根據(jù)Von Wolzogen 等人的研究，鐵的SRB 腐蝕步驟如下［3］:

在培養(yǎng)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(yīng)產(chǎn)物及電子的傳輸，抑制了陰極反應(yīng)從而使腐蝕反應(yīng)受到抑制。同時SRB 的代謝產(chǎn)物S2－的積累抑制了介質(zhì)中SRB 的生長。

碳鋼腐蝕速率與SRB 代謝產(chǎn)物積累的量有關(guān)［13］。Fe2+是陽極反應(yīng)產(chǎn)物，S2－是陰極反應(yīng)產(chǎn)物。在培養(yǎng)基Ⅱ中，F(xiàn)e2+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(chǎn)物形成較厚生物膜，可以將SRB包裹在其中，膜中的化學(xué)條件物質(zhì)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(yīng)還使生物膜中的pH 值升高，形成了有利于SRB 生長的環(huán)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(zhì)中浸泡68h 后的FIB 照片及成分。(a)(b)(c)培養(yǎng)基Ⅰ，(d)(e)(f)培養(yǎng)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(jié)論

在本實驗條件下，F(xiàn)e2+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(xù)進行。

在本實驗條件下，F(xiàn)e2+的存在會造成生物膜成分和形態(tài)的不同，影響金屬基體的腐蝕形態(tài)。Fe2+促進了細菌的附著、生物膜的形成和腐蝕反應(yīng)的進行，改變了生物膜的內(nèi)部環(huán)境。

電化學(xué)實驗結(jié)果與形貌觀察及成分分析實驗結(jié)果一致，F(xiàn)e2+的存在使生物膜形成不同于溶液的微觀環(huán)境，降低了反應(yīng)電阻，促進了鐵的溶解。Fe2+對Q235 鋼的SRB 腐蝕具有催化作用。

［1］BEECH Iwona B，SUNNER Jan. Biocorrosion:towards understanding interactions between biofilms and metals［J］.Current Opinion in Biotechnology，2004，15(3):181 －186.

［2］BEECH I B，CHEUNG C W S. Interactions of exopolymers produced by sulphate-reducing bacteria with metal ions［J］. International Biodeterioration ＆ Biodegradation，1995，35(1 －3):59 －72.

［3］任南琪. 廢水厭氧處理硫酸鹽還原菌生態(tài)學(xué)［M］. 北京:科學(xué)出版社，2009.

［4］RAO T S，SAIRAM T N，VISWANATHAN B，et al. Carbon steel corrosion by iron oxidising and sulphate reducing bacteria in a freshwater cooling system［J］. Corrosion Science，2000，42(8):1417 －1431.

［5］ZUO R，ORNEK D，SYRETT B C，et al. Inhibiting mild steel corrosion from sulfate-reducing bacteria using antimicrobial-producing biofilms in Three-Mile-Island process water［J］. Appl Microbiol Biotechnol，2004，64:275 －283.

［6］NERIA-GONZ＇LEZ Isabel，WANG En tao，RAM＇REZ Florina，et al.，Characterization of bacterial community associated to biofilms of corroded oil pipelines from the southeast of Mexico［J］. Anaerobe，2006，12(3):122 －133.

［7］BEECH Iwona B，CAMBELL Sheelagh A，Accelerated low water corrosion of carbon steel in the presence of a biofilm harbouring sulphate-reducing and sulphur-oxidising bacteria recovered from a marine sediment［J］. Electrochimica Acta，2008，54(1):14 －21.

［8］CLELAND J H，Corrosion risks in ships＇ballast tanks and the IMO pathogen guidelines［J］. Engineering Failure Analysis，1995，2(1):79 －84.

［9］JOHANSSON Leena-Sisko，SAASTAMOINEN Tuomas，Investigating early stages of biocorrosion with XPS:AISI 304 stainless steel exposed to Burkholderia species［J］. Applied Surface Science，1999，144 －145:244 －248.

［10］MARCHAL Re’my，CHAUSSEPIED Bernard，WARZYWODA Michel，Effect of ferrous ion availability on growth of a corroding sulfate-reducing bacterium［J］. International Biodeterioration ＆ Biodegradation，2001，47(3):125－131.

［11］VIDELA，Héctor A，HERRERA，et al. Microbiologically influenced corrosion-looking to the future［J］. International Journal of Hydrogen Energy，2005，8:169 －180.

［12］SHENG Xiao-xia，TING Yen-peng，PEHKONEN Simo olavi. The influence of ionic strength，nutrients and pH on bacterial adhesion to metals［J］. Journal of Colloid and Interface Science，2008，321(2):256 －264.

［13］KUANG Fei，WANG Jia，YAN Li，et al，Effects of sulfate-reducing bacteria on the corrosion behavior of carbon steel［J］. Electrochimica Acta，2007，52(20):6084 －6088.

［14］LEE A K，NEWMAN D K. Microbial iron respiration:impacts on corrosion processes［J］. Appl Microbiol Biotechnol，2003，62:134 －139.