硫酸鹽還原菌和異養(yǎng)硝化菌對304不銹鋼腐蝕研究

郭軍科，黃美慧，馬有良

（1.天津市電力公司電力科學研究院，天津300022；2.東北電力大學，吉林市300384；3.中油吉化企業(yè)調整管理中心，吉林市300384）

硫酸鹽還原菌和異養(yǎng)硝化菌對304不銹鋼腐蝕研究

郭軍科1，黃美慧2，馬有良3

（1.天津市電力公司電力科學研究院，天津300022；2.東北電力大學，吉林市300384；3.中油吉化企業(yè)調整管理中心，吉林市300384）

研究了熱電廠冷卻塔黏泥中的硫酸鹽還原菌和硝化菌的代謝特性。采用表面分析技術、腐蝕失重法、電化學技術分析304不銹鋼在硫酸鹽還原菌和硝化菌共同作用下的腐蝕行為。結果表明，混菌作用下304不銹鋼表面形成均勻的生物膜，腐蝕速度小于單菌體系。

微生物腐蝕；硫酸鹽還原菌；異養(yǎng)硝化菌

微生物腐蝕（MIC）是指由微生物生長繁殖誘發(fā)的腐蝕或受微生物影響所引起的腐蝕。MIC涉及廣泛，包括循環(huán)冷卻系統、污水處理管道、輸油管道等多個領域〔1〕。據統計資料顯示，微生物引起的金屬材料的腐蝕占金屬腐蝕破壞的20%〔2〕。

不銹鋼基質中添加了Ni、Mo和V等元素，具有良好的耐蝕性能和力學性能〔3〕。然而Ni元素卻能影響細菌在金屬表面的吸附、繁殖及生物膜的進一步形成〔4〕。生物膜中主要為細菌代謝分泌的胞外聚合物和黏著的無機雜質。目前國內外報道的微生物與金屬的相互作用主要以微生物加速腐蝕為主〔5〕。生物膜的不均勻黏附會在金屬表面發(fā)生氧濃差腐蝕。然而另一些微生物卻能起到減緩腐蝕的作用。A. Rajasekar等〔6〕發(fā)現在無機介質下，巨大芽孢桿菌和假單胞菌共同作用促使形成有鈍化作用的生物膜，起到減緩304不銹鋼腐蝕的作用，但在有機介質作用下304不銹鋼表面出現明顯點蝕現象。

硫酸鹽還原菌（SRB）作為一種厭氧性細菌可將SO42-還原成S2-，產生的S2-對不銹鋼鈍化膜有較強的破壞作用，可降低鈍化膜的保護性能，促使不銹鋼腐蝕〔7〕。此外，異養(yǎng)硝化菌代謝過程產生的酸對金屬管道的酸蝕也是相當嚴重的。關于這2種菌混合作用對不銹鋼腐蝕的研究國內外鮮有報道。筆者選取熱電廠冷卻塔黏泥中分離的硫酸鹽還原菌和異養(yǎng)硝化菌制成混合菌體系，研究兩菌共同作用對304不銹鋼的腐蝕行為。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

實驗材料采用304不銹鋼，其化學成分見表1。

表1 304不銹鋼的化學成分

將材料加工成3種，分別為20 mm×30 mm× 2 mm的長方形帶孔試片、10 mm×10 mm×2 mm的正方形試片和D 10 mm×10 mm圓柱形電極，其中帶孔試片用于腐蝕失重實驗，正方形試片用于掃描電鏡分析，圓柱形電極用于電化學實驗。

1.2 菌種來源及培養(yǎng)

異養(yǎng)硝化菌和硫酸鹽還原菌取自吉林市某熱電廠冷卻塔底黏泥，經分離純化得到，分別命名為H1和SRB。SRB菌種活化和實驗用培養(yǎng)基采用Posgate C培養(yǎng)基，其成分為：K2HPO40.5 g/L、NH4Cl 1.0 g/L、Na2SO40.5 g/L、FeSO4·7H2O 0.3 g/L、CaCl20.1 g/L、MgSO42.0g/L、酵母浸粉0.25 g/L、乳酸鈉3.5 g/L。Vc溶液：在培養(yǎng)基使用當天將0.2 g經紫外滅菌30 min的Vc溶解于20 mL無菌水中，混勻。硝化細菌培養(yǎng)基成分：（NH4）2SO40.35 g/L、MgSO4·7H2O 1.0 g/L、KH2PO41.0g/L、C4H4Na2O42.4 g/L。

混合培養(yǎng)液是將兩菌培養(yǎng)基等體積混合。分別將單一培養(yǎng)液中培養(yǎng)至24 h的H1和SRB取相同體積，離心分離得菌懸液，并以體積比1∶200接入滅菌處理（121℃，0.14 MPa）的混合培養(yǎng)液，置于32℃的恒溫培養(yǎng)箱中連續(xù)密閉培養(yǎng)。H1與SRB計數采用稀釋平板計數法，測得培養(yǎng)液中的活菌數量，進而繪制出細菌生長曲線。

1.3 生物膜形貌分析

將304不銹鋼試片打磨至2 000#，用0.5 μm的研磨膏拋光，丙酮去油〔2〕。使用前在潔凈工作臺的紫外線燈下滅菌30 min。將304不銹鋼試片分別浸泡于H1、H1-SRB和SRB體系中，12d后取出。進行如下處理：用1%的硝酸溶液浸泡60 min，再在15%檸檬酸銨溶液中浸泡70 min。用毛刷刷洗不銹鋼試片，洗凈后放入無水酒精中浸泡，再轉移至干燥器中干燥，冷卻至室溫后用掃描電鏡觀察其表面形貌。

1.4 失重分析

將標準長方形帶孔試片用丙酮去油，干燥處理并稱重。每組3個平行試樣，懸掛浸泡于H1、H1-SRB和SRB體系中，各組試片懸掛高度保持一致。分別于3、9、12 d取出試片，刷洗去除腐蝕產物，再用蒸餾水沖洗，濾紙擦拭并吸干水分，置于干燥箱中4 h以上，稱重，計算平均腐蝕速度。

1.5 電化學測試

電化學測試采用CHI600C電化學工作站。工作電極為304不銹鋼電極，參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑電極，使用前在潔凈工作臺的紫外線燈下滅菌30 min。將三電極體系接入電化學工作站中，分別取出在恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)1、3、9、12 d的H1、H1-SRB和SRB培養(yǎng)液，用三電極體系測定不同培養(yǎng)時間下304不銹鋼電極的塔菲爾曲線。初始電位和終止電位分別設置成開路電位±0.5 V。

2 實驗結果與討論

2.1 細菌的生長

為研究SRB和H1在混合培養(yǎng)基中的生長情況，利用平板菌落計數法，繪制兩菌的生長曲線，見圖1。

圖1 H1和SRB在混合培養(yǎng)基中的生長曲線

初始階段，由于H1接入新的環(huán)境需要適應新的pH、氧濃度、溫度等條件，在接種1 d后菌體數量沒有太大變化。此后H1增殖速率加快，并在第5天菌密度達到最大值，這期間H1代謝活性高而穩(wěn)定，生命力強。此后由于營養(yǎng)物質被大量消耗，以及代謝產物的積累和體系pH等環(huán)境變化，逐步不適宜H1的生長，致使H1菌體數量逐漸減少，進入衰亡期，此階段細菌代謝活性較弱，細菌衰老并出現自溶。

SRB與H1不同，初始階段在培養(yǎng)基中代謝較緩慢。第5天后菌密度增長速度加快，而此階段H1進入菌體衰亡期，即H1活性的降低使得SRB代謝加快。SRB在第9天進入菌體衰亡期，菌體數量開始減少。

2.2 生物膜形貌

取304不銹鋼試片在H1、H1-SRB和SRB三體系中浸泡12 d，用SEM觀察其生物膜形貌。H1體系的304不銹鋼試片表面形成的生物膜疏松，不均勻覆蓋。SRB作用下試片表面的生物膜呈樹枝狀，不均勻覆蓋，這都使得金屬基質表面與環(huán)境介質形成氧濃度差異，加速金屬電化學腐蝕。而H1-SRB體系中試片表面形成的生物膜覆蓋率較SRB體系、H1體系要好，其膜層較強的吸附特性使得304不銹鋼的金屬基質免受介質中離子的作用，一定程度上充當了保護膜的作用。

2.3 腐蝕失重

用失重法計算304不銹鋼分別浸泡在H1、H1-SRB、SRB體系中3、9、12d的平均腐蝕速度，結果見表2。

浸泡初期（0~3 d），H1體系304不銹鋼的腐蝕速率較大，為0.021 83 g/（m2·a）。因為初始階段介質中的營養(yǎng)環(huán)境適宜H1的生長，菌體代謝加速了金屬的腐蝕。浸泡9 d后304不銹鋼腐蝕速率有減緩趨勢。原因可能是金屬表面溶解氧的消耗，減緩了金屬表面氧濃差引起的腐蝕，或金屬表面逐漸形成的生物膜阻擋了腐蝕介質對金屬材料的作用，從而起到一定保護作用。SRB體系中浸泡0~12 d的304不銹鋼腐蝕速率逐漸增大。這是因為SRB代謝產物及培養(yǎng)基中的大量活潑離子對304不銹鋼的侵蝕作用使腐蝕速率增大。H1-SRB體系中浸泡3~12 d的304不銹鋼的腐蝕速率變化不大，浸泡12 d后304不銹鋼的腐蝕速率在3個體系中最小，為0.009 98 g/（m2·a）。分析認為，兩菌代謝作用在304不銹鋼表面形成致密的生物膜，使金屬的溶解速率大大降低。

2.4 開路電位及塔菲爾曲線

分別測定304不銹鋼電極在H1、H1-SRB和SRB 3個體系中浸泡不同天數的開路電位及塔菲爾曲線，結果如圖2所示。將H1體系、H1-SRB體系和SRB體系的塔菲爾曲線進行擬合，結果見表3。

圖2 304不銹鋼電極在各體系的開路電位及塔菲爾曲線

表3 三體系不銹鋼電極在不同時間內的塔菲爾曲線擬合值

由圖2、表3可知，H1體系中304不銹鋼開路電位先正移后負移，腐蝕電流與開路電位的變化趨勢相一致。初始階段介質中營養(yǎng)豐富且溶氧充足，為H1的生長提供了適宜條件，H1生長代謝消耗介質中溶氧，降低了陰極的去極化率，及不銹鋼表面形成的鈍化膜使腐蝕速度減小。隨著浸泡時間延長，介質中代謝產物的積累又加劇304不銹鋼的局部腐蝕。

SRB體系中浸泡1～3 d開路電位負移，第3天的腐蝕電流達到最大，為7.235 μA。由于SRB由潛伏期進入快速生長期，在不銹鋼電極表面形成多孔生物膜，不僅可捕獲細菌分泌的代謝產物，還可使不銹鋼電極表面的溶液組分濃度、pH和氧濃度在局部發(fā)生較大改變，形成濃度梯度，增加了溶液的腐蝕性，使電極電位負移到低位。3~9 d開路電位正移，腐蝕電流逐漸減小，這是由于隨著浸泡時間延長，不銹鋼表面生物膜趨于致密，腐蝕速度減緩；浸泡至9 d的304不銹鋼開路電位達到峰值之后，又呈現負移變化，腐蝕電流逐漸增大。這是由于隨著浸泡時間延長，電極表面膜層脫落，不均勻性導致腐蝕傾向增大。這與Xiaoxia Sheng等〔8〕的研究結果一致。

H1-SRB體系中304不銹鋼電極浸泡1~3 d腐蝕電位正移，在3 d時腐蝕電流增至98.84 μA，在3個體系中腐蝕電流最大。初始階段隨著兩菌進入生長旺盛期，H1代謝酸性物質的產生及SRB的代謝作用可將SO42-還原成S2-，產生的S2-對304不銹鋼鈍化膜具有較強的破壞作用，降低鈍化膜的保護性能，且兩菌相互影響下不易形成穩(wěn)定的生物膜，使304不銹鋼的腐蝕加劇。浸泡12 d后H1-SRB體系的304不銹鋼的腐蝕電位為-0.723 V，腐蝕電流為2.020 μA，均小于單菌體系，這與腐蝕失重結果一致。H1與SRB的共同作用影響了電極表面產物膜的堆積，使得產物膜更緊密，從而使304不銹鋼電極在混菌作用下的腐蝕速率小于單菌體系。

3 結論

（1）H1、H1-SRB和SRB 3個體系中浸泡12 d的304不銹鋼掛片掃描電鏡結果表明，SRB和H1共同作用下的生物膜較單菌體系的均勻致密。（2）腐蝕失重結果表明，在H1-SRB體系中浸泡12 d的304不銹鋼的腐蝕速率為0.009 98 g/（m2·a），小于H1和SRB單菌體系，即混菌減緩了金屬的均勻腐蝕。（3）極化曲線結果表明，H1-SRB體系中浸泡12 d的304不銹鋼電極的腐蝕電位為-0.723 V，腐蝕電流為2.020 μA，均小于H1和SRB單菌體系，說明兩菌間的相互作用減緩了304不銹鋼的電化學腐蝕。

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Research on the action of sulfate reducing bacteria and heterotrophic nitrification bacteria on the corrosion of 304 stainless steel

Guo Junke1，Huang Meihui2，Ma Youliang3
（1.Electric Power Science Research Institute of Tianjin Electric Power Co.，Tianjin 300022，China；2.Northeast Dianli University，Jilin 300384，China；3.Enterprise Adjustment&Management Center，Jilin Chemical Industrial Co.，Ltd.，China Petroleum，Jilin 300384，China）

The metabolic characteristics of sulfate reducing bacteria and heterotrophic nitrification bacteria in the cooling tower sludge of a thermal power plant have been studied.The corrosion behavior of 304 stainless steel under the combined action of sulfate reducing bacteria and nitrification bacteria is analyzed by surface analysis technique，corrosion weightlessness method and electrochemical technique.The results show that biofilm under the action of mixed bacteria is formed evenly on the surface of 304 stainless steel.Its corrosion rate is less than that under the action of single bacteria.

microbiologically influenced corrosion；sulfate reducing bacteria；heterotrophic nitrification bacteria

TG142

A

1005-829X（2016）12-0070-03

郭軍科（1971—），高級工程師。電話：15165767620，E-mail：huangmeihui1990@163.com。

2016-11-21（修改稿）