自然环境中硫酸盐还原菌的影响参数和有氧海水对Q235钢的腐蚀行为.docx
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自然环境中硫酸盐还原菌的影响参数和有氧海水对Q235钢的腐蚀行为
化学学报
自然环境中硫酸盐还原菌的影响参数和有氧海水对Q235钢的腐蚀行为
文章信息
文章历史：
2009年7月23日收到，2009年10月4日修订，09年10月5日接受，
2009年10月13日在线应用
关键词：
硫酸盐还原菌，有氧条件，海洋腐蚀，Q235钢，环境参数
摘要
硫酸盐还原菌或脱硫弧菌的循环增长，自然环境中硫酸盐还原菌的影响和在有氧环境（空气和饱和的氧气培育的溶液）和厌氧环境（饱和的氮气培育的溶液）中对Q235钢研究其腐蚀行为。
溶解的氧气在培育的溶液中逐渐减少，并且硫酸盐还原菌的腐蚀加剧。
硫酸盐还原菌在有氧和厌氧的环境中的成长过程影响硫的阴离子的浓度（Cs2−）、和导电性（k）.。
硫离子的浓度值（Cs2−）,和导电性（k）在有氧环境下要比厌氧环境低，PH值随着有氧到厌氧溶液增加。
在硫酸盐还原菌的静止的相增加后，有氧环境诱发开路电势（EOC）转换到正极。
在相的指数增加期间，电荷转移电阻（Rct）迅速增加，在静止相期间时几乎维持稳定。
静止相过后在三种条件下都会减少，而且阻抗大小随着有氧到厌氧培育溶液减少。
在有氧和厌氧环境中硫酸盐还原菌的生物膜可以通过电子显微镜观察到，能源分散的光谱呈现无生命，而包含硫酸盐还原菌的系统区别于腐蚀产物。
原因要对环境参数下硫酸盐还原菌的影响和钢的腐蚀行为商讨。
1.介绍
硫酸盐还原菌普遍存在于海水环境中，它们使用硫酸盐作为电子接收终端，食取有机体的腐物，结果产生硫化物的产物。
硫酸盐还原菌相关的活动引诱有棱的岩石的新陈代谢产物，硫化物，它腐蚀性很强，有剧毒，很快能够反应。
与此一致，硫酸盐还原菌引起钢腐蚀，会导致一系列的环境问题和巨大的财产损失。
硫酸盐还原菌被公认为是微生物，但最近报道，它通过使用防护策略可以忍受达到1.5mM氧环境中，硫酸盐还原菌拥有各种各样的保护自己的酶，在氧的暴露周期期间帮助自己幸存。
一些硫酸盐还原菌以有毒的腐肉为食产生超氧化物歧化酶和过氧化氢酶来减少氧化物类的过氧氢化物和超氧化物。
窗体顶端另一个是硫酸盐还原菌在好氧系统生存的重要的一点是，细胞色素氧化酶促进氧化和细胞色素氧化酶是终端膜法富氧还原酶消耗氧气的能力。
此外，一些硫酸盐还原菌SRB的物种在海洋环境与有氧原生微生物群落共存。
20世纪60年代以来，已作出相当大的努力来研究机制硫酸盐还原菌SRB微生物腐蚀（MIC）机制。
一些金属材料的微生物腐蚀机制在厌氧的条件下被广泛认可可发生，如阴极去极化理论，地域性的腐蚀机理和代谢产物的腐蚀行为。
此外，我们在以前的研究中，我们报道了在碳钢腐蚀行为的无氧条件下硫酸盐还原菌SRB的生长过程中的受影响。
目前，在人工海水条件下碳钢的微生物腐蚀MIC生物膜的影响力已经得到研究人员越来越多的关注。
电化学反应在硫酸盐还原菌SRB生物膜腐蚀存在时金属发生腐蚀过程中发生，如下：
阳极反应：
Fe→Fe2++2e−
（1）
阴极反应：
2H2O+2e−→2Had+2OH−
（2）
SO42−+8Had→S2−+4H2O（3）
反应的腐蚀产物
Fe2++S2−→FeS（4）
3Fe2++6OH−→3Fe（OH）2（5）
硫酸盐还原菌SRB消耗的氢原子在阴极累计，并利用硫酸盐作为电子受体，减少它形成硫化物。
最后，硫酸盐还原菌SRB代谢的硫化物和从阳极溶出的亚铁离子形成腐蚀产物FeS和Fe（OH）2。
探讨硫酸盐还原菌SRB的增长，影响硫酸盐还原菌SRB环境参数和碳钢在生长周期的有氧条件下钢腐蚀行为，我们测量了硫化物负离子浓度（Cs2−）,pH值，研究体系的电导率。
我们还利用扫描电子显微镜（SEM），能量色散谱（EDS），开路电位和电化学阻抗谱（EIS）来探讨碳钢中硫酸盐还原菌SRB的作用。
2.实验
2.1材料和试剂
Q235钢（美国ASTMA284D级），其0.18碳，0.22硅，0.60锰，0.02硫，和0.016P元素质量分数切成圆柱体（直径5毫米和5毫米高）作为工作电极使用。
圆柱试样包埋在一个不导电环氧树脂模具。
电气连接是通过样品的尖端和铜导线焊接的。
一系列的化学品，包括硫酸镁（上海美星化工有限公司），氯化铵（上海云岭化工厂），硫酸钠（国药集团化学试剂有限公司），氯化钙（天津巴斯夫应用化工有限公司有限公司），磷酸氢二钾（天津广成化学试剂有限公司），氢氧化钠（天津Rgent化工有限公司），乳酸钠（天津琛化学试剂厂），酵母提取物（北京Aoboxing生物技术有限公司），分别用于制备改性波斯特盖特的培养基。
超高纯度氮气和氧气（“99.999％，青岛合力煤气有限公司，中国）被分别用于对氧和饱和氮气培养液的制备。
2.2硫酸盐还原菌SRB的培养液
从中国渤海收集到的海洋污泥分离出细菌种子。
使用采自中国湾青岛汇泉纯化后的海水在此工作中。
修改后的波斯特盖特的培养液中含有2.0克硫酸镁，磷酸氢二钾0.5克，1.0克氯化铵，硫酸钠0.5克，0.1克氯化钙，1.0g酵母提取物，在平均1升海水中含2.0毫升乳酸钠。
121◦C的高压灭菌20分钟前，pH值调整到7.0并使用适量的氢氧化钠溶液。
冷却后，硫酸盐还原菌SRB的培养是在无菌的细菌培养器中充入氮气，空气和氧气气体以30◦C的温度保温1小时。
2.3扫瞄式电子显微镜SEM和能谱仪EDS分析
SEM和EDS分析进行在碳钢的表面经过11天的暴露并补充人工海水营养，同时根据生物和非生物条件。
对于碳钢在含有SRB的培养液中浸泡，有硫酸盐还原菌SRB涂层的碳钢，必须在5％戊二醛固定为3小时，然后用PBS和米利-Q水冲洗。
然后将样品沉浸在渐变系列的乙醇溶液（50％，75％和99％）进行脱水。
这些实验是应用日本电子的JSM5900LV扫描电子显微镜（日本东京）在25加速度千伏时执行的。
2.4测量的硫酸盐还原菌SRB的数量和环境参数
实验的进行说明了硫酸盐还原菌SRB的生长曲线，并确定环境参数（如硫离子浓度值，pH值，电导率的值），在氮N2，空气和饱和的氧气O2SRB培养液中的生长过程发生的变化。
将一个5毫升的硫酸盐还原菌SRB的样本种子首先转移到含有200毫升的培养液的250毫升的无菌瓶中。
随后的培养液每天1小时充入氮气，空气或氧气，，以确保溶液系统保持饱和。
经过曝气，瓶子用烯烃立即密封并且在恒温培养箱以30℃温育。
与此同时，在氮气N2，空中和饱和的氧气O2培养液中硫酸盐还原菌SRB的活动的数量是根据美国材料试验学会（ASTM）标准D4412-84用最可能数（MPN法）方法估计的。
根据美国ASTM标准D4658-03，硫离子浓度CS2-值进行检测是使用硫化物选择性电极（上海康艺仪器有限公司）。
三个系统的pH和电导率值是在用自ThermoFisher公司购买的猎户座五星级测量。
2.5电化学实验
含有氮N2，空气和饱和的氧气O2培养液在硫酸盐还原菌SRB中的生长过程中，开路电势和电化学阻抗谱（EIS）用CHI760C（CH仪器公司）控制系统在三个电极的一个细胞中进行实验。
电极用如下：
一个Q235钢（直径5mm）的工作电极，一个铂丝电极，以及一个银/氯化银（Ag/AgCl,3MKCl）的参比电极（CH仪器公司）。
电化学阻抗谱（EIS）的结果用Zsimpwin软件拟合数据进行分析。
实验前，将Q235钢电极用3000号，5000号的碳化硅纸和1微米或0.05微米氧化铝粉末抛光。
然后该电极在米利-Q水超声清洗10分钟。
所有电化学实验均在25±2℃温度进行。
3.结果与讨论
3.1硫酸盐还原菌的生长曲线
图1显示了在含有氮N2，空气和饱和的氧气O2培养液中硫酸盐还原菌SRB的生长曲线。
在三种条件下，硫酸盐还原菌的生长曲线显示出一个典型的三阶段增长周期，具有指数增长阶段，稳定阶段，死亡阶段。
相对于厌氧条件（氮气饱和，曲线a），在有氧条件硫酸盐还原菌SRB（曲线b和c）表现出缓慢的增长速度和一个生长周期内快速衰减率。
实验结果与在饱和氧的硫酸盐还原菌SRB的状况统计Krekeler等人的报告一致。
这些结果说明了有氧硫酸盐还原菌SRB的毒性。
氧气的作用通常是氧硫酸盐还原菌SRB中几种蛋白质发挥作用，如氢化酶，醛脱氢酶，灵敏度，和NAD依赖乙醇脱氢酶。
硫酸盐还原菌SRB使用多种策略来处理与接触氧气，这些策略根据Cypionka的报告可分为行为策略和分子机制。
前者包括团聚体形成和趋氧性，在全氧暴露中通过形成共培液或聚合体硫酸盐还原菌SRB有能力保护自己。
后者包括的机制如氧气减少和解毒活性氧，允许硫酸盐还原菌SRB清除氧分子和防止遇到不利影响自己的机制。
图1在饱和N2（a），饱和空气（b），和饱和O2-（c）培养液SRB的生长周期
3.2扫瞄式电子显微镜SEM和能谱仪EDS分析
图2显示的是Q235钢上硫酸盐还原菌SRB的生物膜沉浸在氮气，空中和饱和的氧气O2培养液中硫酸盐还原菌SRB的一个生长周期中的显微照片。
生物膜在饱和的氮气培养液中形成紧凑且相对多孔结构，具有网状结构（图2A）。
与此相反，生物膜好氧条件下表现出均匀，形成了一个松散的结构（图2B和C），因为硫酸盐还原菌SRB的增殖和代谢活动在好氧条件下受到抑制，导致在生物膜的厚度和密度产生变化。
图2在一个生长周期培养液获得SRB生物膜的扫描电镜
图像分别饱和氮气中（A），饱和空气（B）和饱和氧（C）
图3A和B显示了该层在去除硫酸盐还原菌SRB（非生物）维持在饱和的空气12天培养液中碳钢形成的结果扫描电镜和能谱分析。
扫描电镜分析显示依附在碳钢上异构分布的一些絮状物（氧化铁）的存在。
硫的化合物的存在是在非生物系统中是微不足道的（图3b）。
扫描电镜和能谱分析也说明碳钢上形成的层的形态和化学成分上暴露于含有SRB饱和的空气培养液中12天。
在SEM图像（图3C）的，高浓度的细胞可见，初步形成的多糖具有清晰的结构和光滑的表面，并与微生物相互作用。
此外，可见球形颗粒的腐蚀产物（硫化铁）层生成。
EDS分析（图3D）进一步指出，该区域是一个高量的磷酸盐和碳水化合物，和来自于细菌细胞硫化物基化合物以及多糖（铁硫化物）腐蚀产品组成。
这些结果提供了一个先验信息用来建立一个三个时间常数的电化学模型。
3.3变化的环境参数
图4说明了硫离子浓度（CS2-）与在N2，空气和饱和的O2的硫酸盐还原菌SRB培养液中生长变异。
在培养液中的一个生长周期饱和的氮气培养液中的离子浓度（CS2-）值均高于饱和的氧气和空气。
此外，硫离子浓度（CS2-）曲线的变异形状类似于SRB的生长曲线的形状。
这些结果表明，硫离子浓度（CS2-）值是由硫酸盐还原菌SRB通过SRB代谢产物的变化活动影响的。
图5显示了在饱和的氮气，空中和氧气硫酸盐还原菌SRB的生长过程中培养液pH值发生变化。
细菌的生长饱和的氮气培养液中,pH值突然下降，，然后维持在6.1不变。
虽然在其他条件pH值的变化也表现出类似的模式，在饱和的空气和氧气培养液的pH值分别保持在6.3和6.5，比在饱和的氮气更高。
在厌氧和好氧条件下pH值
差异可能是由于在3种不同条件下硫酸盐还原菌SRB不同数量活动致有机酸积累不同的关系。
图3。
碳钢在非生物（A）和在含有饱和的空气硫酸盐还原菌SRB（C）SEM图像。
根据相应的非生物（B）和含硫酸盐还原菌SRB（D）系统扫描电镜的区域能量色散谱（EDS）分析。
图4。
在饱和的氮气发（a），饱和的空气（b）和饱和的氧气（c）的培养
液中硫酸盐还原菌的生长硫化物中负离子浓度（CS2-）的发生的变化
图5在饱和氮气（a），饱和空气（b）和饱和氧气（c）
的培养液中硫酸盐还原菌的生长pH值的发生变化
图6为在3种培养条件下硫酸盐还原菌SRB的增长周期的电导率值。
在所有三种情况下，在指数生长阶段，电导率值随着在硫酸盐还原菌SRB的浓度的增加而增加，硫酸盐还原菌SRB的死亡阶段的下降，硫酸盐还原菌SRB稳定值超过了原始硫酸盐还原菌SRB的成长的稳定值．这种模式的发生是因为在生长周期中的硫酸盐还原菌SRB大量消耗酵母和月桂酸钠，产生丰富的无机离子。
图6在饱和氮气（ａ），饱和空气（b）和饱和氧（c）培
养液中硫酸盐还原菌SRB的生长，电导率的发生变化
3.4Q235钢的腐蚀行为
3.4.1开路电位（EOC）
图7显示了获得Q235钢的开路电势（EOC）在一个增长周期具有和不具有硫酸盐还原菌SRB或饱和的氮气，空气和氧气O2培养液中浸泡时间。
在非生物环境，开路电位（EOC）值表现出轻微的负移，并在三个培养液条件下迅速达到了静止状态。
与此相反，在所有三种硫酸盐还原菌SRB培养液条件下，开路电势（EOC）值从第一至第六天在负极迅速转移。
在此之后，在饱和的氮气培养液中开路电势（EOC）保持恒定值-0.65V。
在饱和的空气溶液中，从第六到第十天开路电势（EOC）维持在约-0.64V最低值，然后从第10天至14天回升到-0.60V。
在以前报告碳钢硫酸盐还原菌SRB的溶液开路电势（EOC）暴露6天后转向一个更负电位，三个充气培养液是类似的变化趋势。
在最初的下降可能是由于在pH值下降（图4），这是由硫酸盐还原菌SRB活动产生的有机酸生成引起的。
第六天后，在不同的三个条件下，开路电势（EOC）变化值的模式不同（即固定SRB的生长阶段）。
在饱和的氮气培养液，对硫酸盐还原菌对Q235钢表面生物膜微提供了一个稳定的环境，即不受外部环境因素的影响；从而记录开路电势（EOC）的稳定值。
然而，在两个氧化条件下，开路电势（EOC）朝着正极方向转变0.04V（饱和空气）和以0.05V（饱和氧气）。
类似的结果是由Washizu等人报道的。
他们还指出，在31℃开路电势（EOC）值在朝着正极的方向移动了0.05V，他们报告说，对于海水中的碳钢，在硫酸盐还原菌SRB中过氧化氢的富集是产生生物膜的重要因素。
此外，由阴极反应动力学，硫酸盐还原菌SRB酶的催化影响也可能诱导开路电势（EOC）重要。
图7在有（a0，b0，c0）和无（a0，b0，c0）的硫酸盐还原菌SRB的饱和氮气（a0，a1和），饱和空气（b0，b1）和饱和氧气（c0，c1）的培养液为期12天Q235钢获得开路电势（EOC）值
3.4.2电化学阻抗谱
图8A显示了Q235钢在没有得到硫酸盐还原菌SRB的空饱和的气培养液Nyquist图，这说明，随着时间阻抗的幅度下降。
比较获得的阻抗大小，在饱和空气中含有硫酸盐还原菌SRB（图8B项）的培养液比不含有硫酸盐还原菌SRB的培养液低得多。
这一结果表明，铁的氧化物充当强阴极，加快铁氧化。
图8B显示饱和空气SRB培养液在生长周期中一个碳钢Nyquist图。
随着SRB的生长过程，阻抗的大小不尽相同。
显然，阻抗在指数生长期表现出半径增加，稳定相中，几乎维持稳定，平稳阶段后降低。
指数增长阶段期间，由于生物膜和腐蚀产物层厚度增加阻抗增加（如从硫酸盐还原菌SRB产生的硫化铁和有氧条件下产生的氧化铁，在很短的时间，产生一个更高的电荷转移电阻，抑制了Q235钢的腐蚀）。
在固定相，对钢的表面或微表面稳定阻抗可能已经引起硫酸盐还原菌SRB的生物膜。
固定相后，阻抗下降引发生物膜、微环境，和硫酸盐还原菌SRB的腐烂或者硫酸盐还原菌SRB新陈代谢导致Q235钢的腐蚀的变化。
此外，在生长周期中，相比阻抗变化腐蚀电流的大小呈反向趋势。
发生这种情况，因为在指数相中成熟的生物膜和腐蚀产物层阻碍了电荷转移过程；也就是说，它降低了腐蚀电流，增加了阻抗的大小。
在无菌硫酸盐还原菌SRB天然海水培养液中，与美国钢铁学会AISI304获得不锈钢阻抗谱的变化如图所示8B非常相似。
图8Q235钢在饱和空气培养液有（A）和无SRB（B）中获得的Nyquist图
3.4.3等效电路和电荷转移电阻
对于免硫酸盐还原菌SRB的培养基，图9A显示了一个包含两个时间常数模型和一个被动的双层膜，以适应非生物环境中的电化学阻抗谱的数据，电化学阻抗谱EIS的数据可以解释含有硫酸盐还原菌SRB的培养液的三个时间常数模型等效电路方面如图所示9B，因为该系统包含了腐蚀产物膜，生物膜和一个双层膜（图3）。
由硫酸盐还原菌SRB的影响碳钢或不锈钢腐蚀的三个时间常数模型曾由佩雷斯和盛等人提出。
一旦碳钢浸泡在培养液，生物膜会迅速形成。
随着浸泡时间的持续，在电极上腐蚀产物膜将变成熟。
最后，双层形成相对离子从海水培养液扩散到生物膜表面。
在等效电路中，由于在电化学阻抗谱EIS谱生物膜电容不能理想地活动，QBF作为一个常量阶段元素（CPE）采用。
在CPE的外观可以被表面粗糙或生物膜畸形引起的分散效应解释。
此外，据报道，有一些不解的问题，例如碳酸钙和碳酸镁等，也影响了生物膜电容的介电性能。
电荷转移电阻，Rct，是用来描述腐蚀速率参数：
Rct=Rct
（1）−Rct
（2）（6）
其中Rct是电荷转移电阻，Rct
（1）是含硫酸盐还原菌SRB培养液的电荷转移电阻，Rct
（2）是无硫酸盐还原菌SRB的电荷转移电阻。
图10显示了从Nyquist图计算的时间变化图。
变化值与图1所示NSRB在所有这三个条件的变化值一致。
Rct的值在厌氧条件下比有氧条件下的高，因为在有氧条件下硫酸盐还原菌SRB紧凑和完整，生物膜无法形成，这是因为在有氧条件下，由于硫酸盐还原菌活动抑制了微生物的生长，高浓度氧气不能完全清理，此外，腐蚀产物层，铁的硫化物，也保护碳钢表面，不受腐蚀和Rct值的增加。
然而，在有氧条件下抑制铁硫化物的形成，硫酸盐还原菌SRB的代谢活动受到抑制。
图9等效电路模型提出的阻抗图在有无硫酸盐还原菌的饱和氮气，空中和氧气（A）
和（B）培养液。
Rs：
电阻溶液；Cdl：
双电层电容；Rct
（1）：
不含硫酸盐还
原菌的电荷转移电阻；Rct
（2）：
含有硫酸盐还原菌SRB的电荷转移电阻；Qcp：
腐
蚀产物层电容；Rcp：
腐蚀产物层的电阻；Qbf：
生物膜的电容；Rbf：
生物膜的抵抗
图10在氮饱和气（a），饱和空气（b）和饱和氧气
（c）培养液中硫酸盐还原菌的生长，Rct的值变化
4.结论
目前的结果表明，硫酸盐还原菌具有能力接受一些暴露的氧气。
在饱和氮气，空中和氧气培养液中，硫酸盐还原菌生长曲线显示出典型的增长周期，包含三个阶段（指数增长，固定相，死亡阶段）。
培养液的溶氧诱导SRB缓慢增长或迅速衰变。
硫酸盐还原菌在厌氧和好氧条件下的代谢活动影响环境参数硫离子浓度值，pH值和电导率。
硫离子浓度和电导率值在好氧条件下比在厌氧条件下均低，在饱和氧气，空气和氮气的溶液，pH值增加。
在所有三种培养条件下，Eoc的值在指数阶段负极方向迅速转移，在固定相阶段稳定。
固定相阶段后，在有氧条件下的Eoc的值向正极移动。
在所有三个培养液条件下，指数增长阶段阻抗增加了，在固定相阻抗几乎保持稳定，固定相阶段后在降低。
在饱和的氧气、空气和氮气的培养液阻抗幅度下降。
致谢
这项工作得到了中国国家自然科学基金（批准号：
40876041），中国国家重点技术研发的发展计划（批准号2007BAB27B01），青岛市科学技术基础研究发展计划（批准号：
09-1-3-16-jch）和中国科学院（批准号：
KZCXZ-YW-210）的支持。
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