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

微生物腐蝕是金屬表面、非生物腐蝕產(chǎn)物(FeS，F(xiàn)e(OH)3，F(xiàn)e2O3等)與細(xì)菌細(xì)胞及其代謝物之間相互作用的結(jié)果[1-3]。在許多環(huán)境中，微生物傾向于黏附在固體表面上形成生物膜保護(hù)層[4]，減少暴露于外部環(huán)境的固體表面。然而，這也可能導(dǎo)致局部腐蝕和基質(zhì)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(dǎo)致電解質(zhì)組分含量，pH和氧濃度發(fā)生局部變化[8]。CONGMIN等[9]研究發(fā)現(xiàn)不銹鋼表面硫酸鹽還原菌(SRB)及其代謝產(chǎn)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(huán)境中，構(gòu)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(guān)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(fā)現(xiàn)Zn陽極試樣在含微藻培養(yǎng)液中的腐蝕速率大于在滅菌培養(yǎng)液中的；汪江偉等[12]研究了鈣質(zhì)層對Q235碳鋼在含雙眉藻的f/2培養(yǎng)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(zhì)過程，但對O2擴(kuò)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(jié)果表明試樣在含小球藻環(huán)境中的平均腐蝕速率約為在不含小球藻環(huán)境中的4倍，且在含小球藻環(huán)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(fā)生電子轉(zhuǎn)移，這些電子能夠通過細(xì)胞外物質(zhì)轉(zhuǎn)移給與之接觸的材料，從而影響材料的電化學(xué)性質(zhì)[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(xiàn)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(huán)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(jī)制，以期了解海洋生物污損機(jī)制，為對其進(jìn)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(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為：C 0.1，Mn 0.4，Si 0.12，S 0.02，P 0.05，余量為Fe。

電化學(xué)試驗用試樣的工作面積為1 cm2，將試樣一端用銅導(dǎo)線焊接后，非工作面用環(huán)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(dǎo)線纏繞碳鋼試樣(用于懸掛)，采用704硅膠密封裸露的導(dǎo)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(yǎng)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(yǎng)

舟形藻來源于中國科學(xué)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(yǎng)液中吸收充足養(yǎng)分并適應(yīng)環(huán)境，不斷進(jìn)行二次分裂，增長迅速，呈現(xiàn)對數(shù)增長。隨著培養(yǎng)液中的營養(yǎng)物質(zhì)經(jīng)過新陳代謝消耗殆盡，活性舟形藻在達(dá)到穩(wěn)定生長后逐漸減少[18]。

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

表1 f/2培養(yǎng)液的成分Tab. 1 Composition of f/2 culture medium

f/2培養(yǎng)液母液需要在滅菌鍋內(nèi)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(yǎng)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(yǎng)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(yǎng)箱中培養(yǎng)，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(jìn)行表面處理，干燥后，采用JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察，加速電壓為25 kV，并采用X射線能譜儀進(jìn)行元素分析。

1.4 電化學(xué)試驗

電化學(xué)試驗在Gamry1000電化學(xué)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(xué)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(xué)分析軟件對測試結(jié)果進(jìn)行分析擬合。

2 結(jié)果與討論

2.1 腐蝕形貌

由圖1可見：在不含舟形藻的培養(yǎng)基中浸泡15 d后的試樣(以下簡稱空白試樣)表面發(fā)生的是均勻腐蝕；而在含有舟形藻培養(yǎng)液中浸泡15d后的試樣(以下簡稱含藻試樣)表面發(fā)生不均勻腐蝕，在局部出現(xiàn)了較嚴(yán)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(huán)境產(chǎn)生影響，從而改變Q235碳鋼的腐蝕過程[19-20]，在f/2培養(yǎng)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(hù)作用，但由于Q235碳鋼易腐蝕，腐蝕產(chǎn)物不斷更新使得舟形藻附著困難，導(dǎo)致部分微生物膜脫落而未能起到保護(hù)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Q(mào)235碳鋼的腐蝕[13]。同時，舟形藻代謝產(chǎn)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(qiáng)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(yǎng)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(chǎn)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(huán)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(xì)胞內(nèi)的葉綠素；同時含藻試樣表面還發(fā)現(xiàn)了鉀(K)、鈣(Ca)等元素，這可能是無機(jī)離子礦化和胞外聚合物絡(luò)合作用的結(jié)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(qiáng)的絡(luò)合能力，促進(jìn)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(yǎng)成分，能促進(jìn)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(chǎn)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(yǎng)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(xué)試驗

圖3～5為試樣在不含和含舟形藻培養(yǎng)液中浸泡不同時間后的電化學(xué)阻抗譜，采用圖6所示等效電路圖進(jìn)行擬合，相關(guān)電化學(xué)擬合參數(shù)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(nèi)，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(wěn)定的狀態(tài)，整個體系相對穩(wěn)定，由于在無藻培養(yǎng)液中存在磷酸鹽，可以通過形成保護(hù)膜來抑制碳鋼的腐蝕[24-26]，隨著浸泡時間的延長，腐蝕產(chǎn)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(hù)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(yǎng)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(yǎng)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(yǎng)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(xué)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(xiàn)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(chǎn)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(shù)生長期，培養(yǎng)基中舟形藻的密度增大，舟形藻的代謝產(chǎn)物膜與Q235碳鋼的腐蝕產(chǎn)物累積對基體產(chǎn)生保護(hù)作用，阻礙了傳質(zhì)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(chǎn)生局部高濃度溶解氧，增強(qiáng)氧還原陰極電流，使局部發(fā)生氧去極化反應(yīng)從而促進(jìn)局部腐蝕，見式(5)。

表4 Q235試樣在含舟形藻培養(yǎng)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(yīng)產(chǎn)生OH-可促進(jìn)生成氫氧化鐵，見式(6)。

在陽極位置，F(xiàn)e可以連續(xù)被氧化，生成Fe2+，并形成沉淀，最終導(dǎo)致Q235碳鋼表面形成凹坑。Fe(OH)2可首先氧化為FeOOH，F(xiàn)eOOH是不穩(wěn)定的，會進(jìn)一步分解為Fe2O3[13]。

Cl-的侵入也能促進(jìn)局部腐蝕，從而引起嚴(yán)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(jìn)碳鋼的腐蝕。

圖7 試樣在不含和含舟形藻的培養(yǎng)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(jié)論

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

(2) 碳鋼在含舟形藻的培養(yǎng)基中的腐蝕過程與舟形藻生長周期呈現(xiàn)一定的規(guī)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(jìn)入對數(shù)生長期，生成的生物產(chǎn)物膜對碳鋼有一定的保護(hù)作用，使碳鋼的腐蝕速率降低；隨著浸泡時間繼續(xù)延長，生物膜開始脫落，同時舟形藻不斷產(chǎn)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(qiáng)的絡(luò)合能力，能促進(jìn)Q235碳鋼的腐蝕。附著在Q235碳鋼表面的舟形藻衰亡釋放出細(xì)胞內(nèi)的葉綠素導(dǎo)致鎂含量增加。