海水中小球藻對Q235碳鋼腐蝕行為的影響

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(1. 江蘇科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212003； 2. 中國科學(xué)院海洋研究所 海洋環(huán)境腐蝕與生物污損重點實驗室 中國科學(xué)院海洋研究所，青島 266071； 3. 國網(wǎng)浙江省電力公司 電力科學(xué)研究院，杭州 310006)

工程材料浸入海洋環(huán)境中會發(fā)生一系列的腐蝕失效，從而帶來巨大的經(jīng)濟損失，而大部分腐蝕是由海洋生物造成的。據(jù)統(tǒng)計，全世界每年由于海洋生物腐蝕導(dǎo)致的損失就高達上千億美元[1-2]，因此越來越多的學(xué)者開始關(guān)注海洋生物腐蝕并對其進行了大量研究，提出了微生物腐蝕的機理及控制方法[3]。由微生物的活性導(dǎo)致的金屬破壞被稱為生物腐蝕或微生物腐蝕(MIC)，它是非生物腐蝕產(chǎn)物、生物及其代謝產(chǎn)物在金屬材料表面共同作用的結(jié)果。后者主要指有機酸或無機酸。大部分腐蝕發(fā)生在微生物群之間的區(qū)域，微生物的聚集導(dǎo)致電化學(xué)活性梯度，例如藻的光合作用能夠改變金屬表面的狀態(tài)(pH和溶解氧含量等)[4-5]，進而改變其腐蝕過程。微生物的聚集能夠形成一道擴散阻擋層，該部分成為陰極區(qū);在未被微生物覆蓋的區(qū)域，海水中的氯化物和硫酸鹽仍可與材料表面接觸發(fā)生腐蝕成為陽極區(qū)，從而使電化學(xué)反應(yīng)加快。

近年來,關(guān)于微生物腐蝕研究主要集中在細菌方面[6-7]，例如硫酸鹽還原菌(SRB)和鐵細菌，而關(guān)于海洋藻類對金屬腐蝕的研究較少。像大多數(shù)微生物一樣，微藻會附著在固體表面形成微生物膜，進而改變材料局部的物理化學(xué)特性[8-9]，導(dǎo)致材料的損壞或腐蝕等嚴重問題。LANDOULSI等[10]認為微藻通過光合作用產(chǎn)生的氧氣及其代謝產(chǎn)物等生物活動都會影響微生物腐蝕。王偉等[11]研究了微藻對碳鋼腐蝕電位的影響，結(jié)果顯示:在動態(tài)海水中由于金屬表面很難形成完整穩(wěn)定的附著層,導(dǎo)致碳鋼的腐蝕電位隨著浸泡時間的延長而負移。同時LIU等[12]研究了小球藻對碳鋼腐蝕行為的影響。但目前關(guān)于單一海洋微藻對材料的腐蝕仍然較少。小球藻(chlorella vulgaris)是一種在海洋中分布比較廣泛，且生長迅速、適應(yīng)力強的單細胞綠藻，也是微生物膜的重要組成部分[13-14]。小球藻主要由多糖，蛋白質(zhì)脂肪酸等構(gòu)成，同時包含官能團，例如羧酸和氨基酸，它們呈酸性，有可能和溶液中的金屬離子相結(jié)合[15-16]，對金屬的腐蝕產(chǎn)生影響。

Q235鋼因其性能良好、價格低廉而被廣泛應(yīng)用于海洋設(shè)備及船舶制造，但在復(fù)雜的海洋環(huán)境中，Q235鋼極易發(fā)生腐蝕破壞，尤其是微生物腐蝕，這對海洋設(shè)施的正常使用造成嚴重影響。因此，本工作通過表面分析技術(shù)和電化學(xué)測試研究了海水中小

球藻對Q235碳鋼腐蝕行為的影響。

1 試驗

1.1 試樣的制備

試驗采用Q235碳鋼試片，尺寸為10 mm×10 mm×10 mm，化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))為：0.1% C，0.4% Mn，0.12% Si，0.02% S，0.05% P，其余為Fe。電化學(xué)測試試樣背面用銅導(dǎo)線連接，環(huán)氧樹脂封嵌。表面分析試驗時，為保證小球藻與鋼片充分接觸，僅將其中的一個面用704硅膠密封，其余面均暴露在培養(yǎng)液中。使用1 000號的水磨砂紙對試樣進行打磨，并用乙醇超聲除油，去離子水清洗，干燥放置備用。使用前對試樣進行紫外滅菌處理。

1.2 小球藻的培養(yǎng)

試驗所用的小球藻來源于中科院海洋所，培養(yǎng)液為f/2，其成分見表1，培養(yǎng)液采用高溫滅菌鍋在121 ℃滅菌30 min。培養(yǎng)過程中，將小球藻接種在盛有100～150 mL培養(yǎng)液的250 mL錐形瓶中，并放置在智能光照培養(yǎng)箱中。培養(yǎng)溫度為23 ℃，光照強度為3 000 lx，按12 h∶12 h進行光暗的周期交替。

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

1.3 小球藻生長曲線測定

由于微生物在培養(yǎng)液中的含量與光密度(OD值)成正比[17]，因此本工作采用紫外分光光度計測培養(yǎng)液的OD值研究小球藻的生長。

生長曲線的測定大概分為三個步驟：接種、培養(yǎng)和測定。首先,準備3個500 mL的三角瓶，每個三角瓶中倒入300 mL的f/2培養(yǎng)液，將處于生長期的小球藻接種到培養(yǎng)液中(每100 mL培養(yǎng)液中接種5個小球藻)，搖勻放入培養(yǎng)箱中。每天在特定的時間分別從3個三角瓶中取出10 mL溶液裝入15 mL的離心管中(該操作在無菌超凈臺中進行)，進行標記，立即放入冰箱中4 ℃保存，待培養(yǎng)結(jié)束之后一起采用紫外分光光度計進行測量。測量時將未接種小球藻的培養(yǎng)液倒入比色杯中，采用680 nm波長作為零點參比對照，對培養(yǎng)不同時間的培養(yǎng)液進行OD值測定。

1.4 表面分析試驗

取兩個滅菌后的三角瓶分別倒入350 mL的f/2培養(yǎng)液。其中一個加入35 mL處于生長期的藻液。把制備好的Q235碳鋼試樣各放入兩個三角瓶中，采用透氣膜將瓶口封住。將三角瓶放置在光照培養(yǎng)箱中，10 d后把試樣分別從兩個三角瓶中取出并進行處理,然后采用JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡對處理好的試樣進行觀察。

1.5 電化學(xué)試驗

電化學(xué)測試采用三電極體系。其中,Q235碳鋼為工作電極，鉑電極和飽和甘汞電極(SCE)分別為輔助電極和參比電極。測試儀器為GAMRY1000電化學(xué)工作站，測試周期為15 d。設(shè)定掃描頻率為10 mHz～100 kHz，擾動電位為10 mV。測試得到的數(shù)據(jù)用ZSimpWin軟件分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 小球藻的生長周期

小球藻在培養(yǎng)液中的生長曲線如圖1所示。其生長過程大致分為4個階段：分別為調(diào)整期、對數(shù)期、穩(wěn)定生長期及衰亡期。初始階段小球藻剛接種到培養(yǎng)液中，小球藻的密度較低且分裂緩慢，因此小球藻的生長較為緩慢；剛接種藻的培養(yǎng)液中含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，待小球藻在培養(yǎng)液中適應(yīng)一段時間之后開始以二次分裂的方式進行快速繁殖，其增長方式呈指數(shù)形式；隨著小球藻的快速繁殖，培養(yǎng)液中的營養(yǎng)物質(zhì)被大量消耗，代謝產(chǎn)物增加，使得小球藻的增長逐漸放緩，并有部分藻類出現(xiàn)死亡，在整個體系中小球藻的生長達到一個動態(tài)平衡的狀態(tài)；平衡階段維持一段時間后，培養(yǎng)液中的營養(yǎng)物質(zhì)被耗盡，小球藻的繁殖速率小于衰亡速率，最終導(dǎo)致活性小球藻的數(shù)量減少。

2.2 表面分析

圖2為Q235碳鋼在不含小球藻和含小球藻培養(yǎng)液中浸泡10 d后的腐蝕形貌。通過比較發(fā)現(xiàn)，Q235碳鋼在不含小球藻的培養(yǎng)液中發(fā)生的是均勻腐蝕，材料表面均勻地分布著大大小小的腐蝕坑；而在含小球藻培養(yǎng)液中Q235碳鋼表面發(fā)生的是不均勻腐蝕，在部分表面出現(xiàn)了較為嚴重的腐蝕坑洞，與無藻體系相比，腐蝕坑洞較大，這說明在小球藻體系中Q235碳鋼的腐蝕較為嚴重。這是因為在含藻體系中，小球藻的光合作用會產(chǎn)生大量的氧氣，使得培養(yǎng)液中的溶解氧含量明顯升高，從而加速了陰極的氧去極化反應(yīng)。同時培養(yǎng)液中的小球藻在Q235碳鋼表面附著形成一層生物膜對其起到保護作用。但由于Q235碳鋼極易腐蝕，表面的腐蝕產(chǎn)物不斷更新，小球藻很難長期在試樣表面附著，部分已形成的生物膜也會隨著腐蝕產(chǎn)物一起脫落，未能起到很好的保護效果。即使某些位置形成的生物膜較為致密，也會由于金屬表面的生物膜分布不均而產(chǎn)生不同的陰極活性區(qū)域。生物膜覆蓋的區(qū)域氧含量較低，成為陽極區(qū)，未覆蓋的區(qū)域氧含量較高,成為陰極區(qū)，從而形成氧濃差電池。含氧條件下金屬表面自然不均勻分布的生物膜會導(dǎo)致氧濃差電池，加速金屬材料的腐蝕[18]。

圖1 小球藻生長曲線Fig. 1 Growth curve of chlorella vulgaris

對分別浸泡在不含和含小球藻培養(yǎng)液中10 d后的Q235碳鋼表面進行EDS分析，結(jié)果如表2所示。與不含小球藻的培養(yǎng)液相比，浸泡在含小球藻培養(yǎng)液中的試樣表面硫元素和磷元素的質(zhì)量分數(shù)分別從1.059%和0.075%增加到2.748%和1.221%。

(a) 不含小球藻，低倍(b) 不含小球藻,高倍(c) 含小球藻，低倍(d) 含小球藻,高倍 圖2 Q235碳鋼在不含小球藻(a，b)和含小球藻培養(yǎng)液(c，d)中浸泡10 d后的腐蝕形貌Fig. 2 Corrosion morphology of Q235 carbon steel immersed in culture medium without (a，b) and with (c，d) chlorella vulgaris for 10 days at low and high magnifications

這是由于試樣所用的f/2培養(yǎng)液中含有一定量的生物素(C10H15N2O3S)和維生素B12(C63H88CoN14O14P)，這些有機分子被小球藻吸收以后隨著小球藻一起附著在試樣的表面。此外浸泡在含小球藻體系中的試樣表面有硅元素和鎂元素存在，硅是小球藻生長所需要的營養(yǎng)成分，可促進小球藻的生長及光合作用，而鎂元素是構(gòu)成葉綠素的重要元素，小球藻中富含大量的葉綠素a和葉綠素b，當(dāng)附著在試樣表面的小球藻死亡后，細胞內(nèi)的色素則會被釋放出來[12,19]，所以試樣表面含有鎂元素。

2.3 電化學(xué)測試結(jié)果

圖3為在不含小球藻和含有小球藻培養(yǎng)液中Q235碳鋼的開路電位隨時間的變化曲線。由圖3可見：在不含小球藻培養(yǎng)液中浸泡0～15 d時，Q235碳鋼的開路電位從-722.11 mV逐漸負移至-728.97 mV，這期間腐蝕速率較大；隨后開路電位正移至-715.02 mV，這是由于隨著反應(yīng)的進行,腐蝕產(chǎn)物不斷積累在材料表面形成產(chǎn)物膜，該產(chǎn)物膜對基體具有保護作用，腐蝕趨勢減弱；之后開路電位基本保持在-715 mV左右。在含小球藻培養(yǎng)基中Q235碳鋼的開路電位隨時間的變化較為復(fù)雜，與光照有明顯的關(guān)系。經(jīng)12 h光照后，Q235碳鋼的開路電位逐漸負移，其中負移最多的接近30 mV，由-718.41 mV負移至-745.64 mV，因為在12 h光照條件下，小球藻進行光合作用產(chǎn)生氧氣，溶液中氧含量升高，氧在濃度梯度下通過生物膜達到金屬表面發(fā)生氧去極化反應(yīng)，使開路電位負移；在12h黑暗條件下,小球藻的呼吸作用消耗氧氣，使Q235碳鋼的開路電位逐漸正移，正移最多的接近24 mV，由-745.64 mV正移至-721.76 mV?？傮w來看，小球藻在培養(yǎng)液中接種前3 d時，由于小球藻生長不旺盛，數(shù)量較少，因此開路電位與光照關(guān)系不大；接種4 d后，開路電位隨時間的變化比較規(guī)律，呈現(xiàn)出與光照有關(guān)的周期振蕩。

圖3 不含和含有小球藻培養(yǎng)液中的Q235碳鋼 開路電位隨浸泡時間的變化Fig. 3 Open circuit potential vs immersion time for Q235 carbon steel immersed in culture medium with and without chlorella vulgaris

由以上結(jié)果可以看出，在有藻和無藻體系中，Q235碳鋼開路電位的變化趨勢明顯不同，但兩者都有不同程度的正移，這與王偉等[11]報道的動態(tài)海水環(huán)境中Q235碳鋼的腐蝕電位變化規(guī)律相反。因為在靜態(tài)海水中的腐蝕產(chǎn)物和微藻代謝產(chǎn)物膜構(gòu)成的復(fù)合膜層能夠附著在Q235碳鋼表面，對Q235碳鋼起到保護作用。

圖4為Q235碳鋼在不含和含小球藻培養(yǎng)液中的電化學(xué)阻抗譜，采用Zsimpwin軟件按圖5所示的等效電路對電化學(xué)阻抗譜進行擬合，擬合得到的參數(shù)見表3和表4。其中，Rs為溶液電阻；Qf為表面層的常相位角元件；Rf為表面層電阻；Qdl為界面雙電層的常相位角元件；Rct為電荷傳遞電阻,可以用來表征金屬的腐蝕速率，Rct越小，金屬腐蝕速率越大[20]。

從表3中可以看出：Rct在整個試驗周期內(nèi)的變化較小，最低為1 266 Ω·cm2，最高為1 877 Ω·cm2，基本穩(wěn)定在1 500 Ω·cm2左右，說明在不含小球藻培養(yǎng)液中Q235鋼的電化學(xué)性能較為穩(wěn)定。

從表4中可以看出：試驗初期小球藻數(shù)量較少，Rct小于1000 Ω·cm2，金屬的腐蝕速率較高；隨著浸泡時間的延長，Rct呈增大趨勢，在浸泡9 d時達到最大值，為1626 Ω·cm2，因為此時小球藻處于指數(shù)生長階段，培養(yǎng)液中藻的數(shù)量增多，同時培養(yǎng)液中營養(yǎng)物質(zhì)豐富，小球藻新陳代謝旺盛，其代謝產(chǎn)物膜與腐蝕產(chǎn)物構(gòu)成的復(fù)合膜層附著在金屬表面，對金屬具有保護效果，能夠減緩溶液中Cl-對金屬的腐蝕；試驗后期小球藻進入衰亡階段，微生物和腐蝕產(chǎn)物形成的復(fù)合膜逐漸疏松并脫落，對金屬的保護作用減弱，腐蝕速率逐漸增大。

(a) 不含小球藻

(b) 含小球藻 圖4 在不含小球藻和含小球藻培養(yǎng)液中 Q235碳鋼的電化學(xué)阻抗譜Fig. 4 EIS of Q235 carbon steel immersed in culture medium without (a) and with (b) chlorella vulgaris

(a) 不含小球藻

(b) 含小球藻 圖5 在不含小球藻和含小球藻培養(yǎng)液中Q235碳鋼 的電化學(xué)阻抗譜的等效電路Fig. 5 Equivalent circuits of EIS of Q235 carbon steel immersed in culture medium without (a) and with (b) chlorella vulgaris

表3 Q235碳鋼在不含小球藻培養(yǎng)液中電化學(xué)阻抗譜的擬合參數(shù)Tab. 3 Fitted parameters of EIS of Q235 carbon steel immersed in culture medium without chlorella vulgaris

表4 Q235碳鋼在含小球藻培養(yǎng)液中電化學(xué)阻抗譜的擬合參數(shù)Tab. 4 Fitted parameters of EIS of Q235 carbon steel immersed in culture medium with chlorella vulgaris

從整個試驗周期來看，Q235碳鋼在不含小球藻體系中的腐蝕速率低于在含藻體系中的。由于培養(yǎng)液中的小球藻發(fā)生光合作用產(chǎn)生氧氣，使得溶液中氧含量升高，陰極氧去極化加速金屬的腐蝕[21]，且陰極氧去極化腐蝕對金屬的影響遠遠大于生物膜對金屬的保護，所以電極過程還是以金屬的腐蝕為主。此外，由于Q235碳鋼的活性較高，腐蝕速率較快，從而使金屬表面不斷更新，導(dǎo)致小球藻很難在一塊穩(wěn)定不變的金屬表面穩(wěn)定附著，形成陰陽極區(qū)域，加速腐蝕。

3 結(jié)論

(1) 在不含小球藻培養(yǎng)液中Q235碳鋼發(fā)生均勻腐蝕，而在含小球藻培養(yǎng)液中碳鋼發(fā)生不均勻腐蝕，且與無藻體系相比，其點蝕坑較大；Q235碳鋼在含小球藻培養(yǎng)液中的腐蝕速率高于在不含小球藻培養(yǎng)液中的，且受溶液中氧含量變化的影響，在含小球藻體系中，開路電位隨浸泡時間的變化呈周期性振蕩。

(2) 小球藻在Q235碳鋼表面附著形成不完整的生物膜，產(chǎn)生不同陰極活性區(qū)域，形成氧濃差電池，加速金屬材料的腐蝕，同時小球藻的光合作用產(chǎn)生大量氧氣，引起金屬的氧去極化反應(yīng)，也使腐蝕加快。

(3) 小球藻附著形成的生物膜與腐蝕產(chǎn)物覆蓋在試樣表面能夠抑制溶液中的離子向金屬表面擴散，對金屬基體起到保護作用，腐蝕速率降低，使浸泡后期金屬的腐蝕速率低于浸泡初期的。

參考文獻：

[1] BHADURY P,WRIGHT P C. Exploitation of marine algae:biogenic compounds for potential antifouling applications[J]. Planta,2004,219(4):561-78.

[2] FITRIDGE I,DEMPSTER T,GUENTHER J,et al. The impact and control of biofouling in marine aquaculture:a review[J]. Biofouling,2012,28(7):649-69.

[3] BEECH I B. Corrosion of technical materials in the presence of biofilms-current understanding and state-of-the art methods of study[J]. International Biodeterioration & Biodegradation,2004,53(3):177-183.

[4] STAROSVETSKY J,STAROSVETSKY D,POKROY B,et al. Electrochemical behaviour of stainless steels in media containing iron-oxidizing bacteria (IOB) by corrosion process modeling[J]. Corrosion Science,2008,50(2):540-547.

[5] WANG H,HU C,HU X,et al. Effects of disinfectant and biofilm on the corrosion of cast iron pipes in a reclaimed water distribution system[J]. Water Research,2011,46(4):1070-1078.

[6] SAN N O,NAZIR H,D?NMEZ G. Microbially influenced corrosion and inhibition of nickel-zinc and nickel-copper coatings by pseudomonas aeruginosa[J]. Corrosion Science,2014,79(2):177-183.

[7] EMERSON D,FLEMING E J,MCBETH J M. Iron-oxidizing bacteria:an environmental and genomic perspective[J]. Annual Review of Microbiology,2010,64(64):561-583.

[8] ROLF B,MEI H C,BUSSCHER H J. Physico-chemistry of initial microbial adhesive interactions-its mechanisms and methods for study[J]. Fems Microbiology Reviews,1999,23(2):179-230.

[9] JAIN A,BHOSLE N B. Biochemical composition of the marine conditioning film:implications for bacterial adhesion[J]. Biofouling,2009,25(1):13-9.

[10] LANDOULSI J,COOKSEY K E,DUPRES V. Review-Interactions between diatoms and stainless steel:focus on biofouling and biocorrosion[J]. Biofouling,2011,27(10):1109-24.

[11] 王偉,王佳,徐海波,等. 海洋環(huán)境中微生物膜吸附動力學(xué)過程對鈍態(tài)金屬開路電位變化特征的影響[J]. 中國腐蝕與防護學(xué)報,2006,26(2):65-69.

[12] LIU S,WANG Y,ZHANG D,et al. Electrochemical behavior of 316L stainless steel in f/2 culture solutions containing chlorella vulgaris[J]. International Journal of Electrochemical Science,2013,8(4):5330-5342.

[13] SEKAR R,VENUGOPALAN V P,SATPATHY K K,et al. Laboratory studies on adhesion of microalgae to hard substrates[M]. Berlin:Springer Netherlands,2004:109-116.

[14] IRVING T E,ALLEN D G. Species and material considerations in the formation and development of microalgal biofilms[J]. Applied Microbiology & Biotechnology,2011,92(2):283-94.

[15] GEESEY G G,JANG L,JOLLEY J G,et al. Binding of metal ions by extracellular polymers of biofilm bacteria[J]. Water Science & Technology,1988,20(11/12):161-165.

[16] GU J D,ROMAN M,ESSELMAN T,et al. The role of microbial biofilms in deterioration of space station candidate materials[J]. International Biodeterioration & Biodegradation,1998,41(1):25-33.

[17] DAHMS H U,DOBRETSOV S,QIAN P Y. The effect of bacterial and diatom biofilms on the settlement of the bryozoan Bugula neritina[J]. Journal of Experimental Marine Biology & Ecology,2004,313(1):191-209.

[18] ISHIHARA Y,TSUJIKAWA S. Effect of bacteria combined with diatom on ennoblement of electrode potential for stainless steels in natural sea water[J]. Corrosion Engineering,1999,48:520-527.

[19] ZHANG J,SUN C,YU Z,et al. The performance of zinc sacrificial anode in simulating marine fouling environment[J]. International Journal of Electrochemical Science,2014,9(10):5712-5721.

[20] 張杰,宋秀霞,欒鑫,等. 海藻希瓦氏菌對Zn-Al-Cd犧牲陽極的腐蝕性能影響[J]. 金屬學(xué)報,2012(12):1495-1502.

[21] ATES M. Review study of electrochemical impedance spectroscopy and equivalent electrical circuits of conducting polymers on carbon surfaces[J]. Progress in Organic Coatings,2011,71(1):1-10.