D0I:10.13374/j.issn1001-053x.2013.03.003 第35卷第3期 北京科技大学学。报 Vol.35 No.3 2013年3月 Journal of University of Science and Technology Beijing Mar.2013 Q235钢在青霉菌作用下的腐蚀行为和电化学特性 李松梅凹，王力锋，杜娟，刘建华，于美 北京航空航天人学材料科学与T程学院空天材料与服役教育部重点实验宰，北京100191 通信作若，E-mail::Songmei_Li@buaa.edu,cn 摘要采用表面分析技术、失重法及电化学测试方法研究沉了Q235钢在青需菌(Penicillium)作用下的搁蚀行为和电 化学特性.青得菌在Q235钢表面形成致密的生物膜和腐蚀产物沉积膜层.青得菌促进Q235钢的腐蚀，腐蚀类型为点 蚀坑。青霉菌体系中试样表血膜经历山游离态变为着态，山单层逐渐变为多层的过程：生物膜作用'细菌活性有关， 当活性降低时微生物腐蚀促进作用也大幅降低。 关键词碳钢：钢搁蚀：微生物腐蚀：青霉菌：电化学性能：表面分析：北化学交流阻抗游 分类号TG172.7 Corrosion behavior and electrochemical character of Q235 carbon steel in the presence of Penicillium LI Song-Mei,WANG Li-Feng,DU Juan,LIU Jian-Hua,YU Mei Key Laboratory of Aerospace Materials and Performance (Ministry of Education),School of Materials Science and Engineering, Beihang University,Beijing 100191,China Corresponding author,E-mail:Songmei_Li@buaa.edu.cn ABSTRACT The influenced corrosion behavior of Q235 carbon steel was investigated in the presence of Penicillium by using the surface analysis method,mass loss method,and electrochemical method.It is demonstrated that dense biofilms and depositing films of corrosion products form on the surface of Q235 carbon steel in the presence of Penicillium. Corrosion of Q235 carbon steel is evidently promoted and the corrosion morphology of Q235 carbon steel is pitting in Penicillium systems.The films on the surface of Q235 carbon steel changes through a complex process,from free state to solid state and single-layer to multilayer.The effect of the biofilm depends on bacterial activity,and the corrosion promotion of the biofilm decreases as the bacterial activity weakens. KEY WORDS carbon steel;steel corrosion;microbiologically influenced corrosion;Penicillium;electrochemical prop- erties;surface analysis;electrochemical impedance spectroscopy 微生物腐蚀(microbiologically influenced corro-了条件2，进而在生物膜内形成一个不问于木体溶 sion,简称MIC)是指由微生物新陈代谢的产物及南 液的特殊腐蚀环境，在这种特殊环境中生物膜内各 落附着等结果，间接地对金属腐蚀的儿化学过程产 物质'与金属基体发生复杂的化学反应，从而导致不 生影响，并非是微生物对金属木身进行腐蚀.其同的腐蚀作用) 关键在」生物膜内微生物代谢产物富集，从而影响 微生物腐蚀在白然界中)泛存在，各种材料都 腐蚀反应的阴极过程或阳极过程，使得电子传递过 可能遭受微生物的侵蚀.据统计，微生物腐蚀在金 程受到影响，最终造成金属腐蚀迷率和类型发生改属和建筑材料的腐蚀破坏中：20%4，由微生物腐 变四.微生物附着」金属基体表面上，通过'腐蚀 蚀直接造成的损火每年约300亿~500亿美心).在 产物交互作用面形成复杂膜层结构，改变了表面膜 中国，微生物腐蚀在近些年米得到人侧越米越多的 层电阳：其致密、均屏障层结构为浓差电池创造 重视，对」上微生物的腐蚀机理、控制'防护等方面 收稿日期：201201-12 基金项目：航宁基企资助项H(20110251003)
第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 钢在青霉菌作用下的腐蚀行为和 电化学特 ’’ 李松梅 囚王力锋杜 娟刘建华于 美 北京航空航天大学材料科学 与丁程学院空天材料 与服役教育部乖点实验室北京 困 通信作 名 旧 ￡ 摘 要 采用表面分析技术、失重法及电化学测试方法研究 厂 钢在青需菌 尸 二 作用下的腐蚀行为和 ’匕 化学特性 青霉菌在 钢表面形成致密的生物膜和腐蚀产物沉积膜层 青露菌促进 钢的腐蚀 腐蚀类型为点 蚀坑 青需菌体系中试样表 面膜经 由游离态变为 着态由单层逐渐变为多层的过程 生物膜作用 ’细菌活性有关 当活性降低时微生物腐蚀促进作用也大幅降低 关键词 碳钢 钢腐蚀 微生物腐蚀 青霖菌 电化学性能 表面分析 电化学交流阻抗谱 分类号 几葱 葱 葱廿饥 石了 即 一沁 乞困 恻 万‘ 石乞一凡 几夕刀 九 石了‘ 五 一执 油 乞 叭 困 一 ￡ 乞乞乞。。 。几乞乞 牡 盯 乞乞二。 一 乞乞 乞七仇 屯 微生物腐蚀 简称 是指由微生物新陈代谢的产物及菌 落 附着等结果 间接地对金属腐蚀 的 电化学过程产 生影 响 并非是微生物对金属木身进 行腐蚀 其 关键在 几生物膜 内微生物代谢产物富集从 影响 腐蚀反应 的阴极过程或 阳极过程 使得 电子传递过 程受到影响 最终造成金属腐蚀速率和类型发生改 变 微生物 附着 屯金属基体表面上 通过 ’腐蚀 产物 交互作用 形成复杂膜层结构 改变 了表面膜 层 电阻 其致密 、均匀屏障层结构 为浓差 电池创造 了条件 进 在生物膜 内形成一个不同 木体溶 液 的特殊腐蚀环境 在这种特殊环境 中生物膜 内各 物质 金属基体 发生复杂的化学反应 从 导致不 同的腐蚀作用 微生物腐蚀在 自然界中 ’‘泛存在 各种材料都 可能遭 受微生物 的侵蚀 据统计 微生物腐蚀在金 属和建筑材料的腐蚀破坏 中 ’‘ ’由微生物腐 蚀 直接造成的损 失每年约 亿 亿美 儿 在 中国微生物腐蚀 在近些年米得到人们越 来越 多的 重 视 对 几微生物 的腐蚀机理 、控制 防护 等方面 收稿 日期 一 一 基金项 目 航空基金资助项 目 一 DOI :10．13374／j．issn1001－053x．2013．03．003
·340 北京科技大学学报 第35卷 也做了大的研究.木研究室先行研究发现，除传 致，保证不问时间段活菌数平在问一个数承级，排 统硫酸盐还原菌(SRB)对金属材料存在腐蚀促进 除培养方式差异引起的实验十扰.采用稀释平板计 作用外，链霉菌和氧化硫硫杆闲也能加速碳钢腐蚀 数法测得溶液中的活闲数量进而绘制出细菌的生长 逃率1,61，而芽孢杆菌存在使Q235钢的腐蚀减弱 曲线，平板培养选用固体马铃薯琼脂培养基.培养 青高菌(Penicillium)属于丛梗孢科，是一种异 过程中体系不密封Ⅱ术通氮气. 养需氧型真菌，在满足生长需求的环境下能大量繁1.3生物膜分析 殖，它泛的存在手石油管道、航空燃油储油罐及 将Q235钢方形试样处理打磨、抛光后，内酮去 飞机油箱中⑧)，日前国内外对青霉菌研究主要针对 油，用紫外灯灭菌后浸泡在含有青霉菌的腐蚀体系 其医约价值方面的研究，涉及金属腐蚀方面鲜有 中，7d后取出，戊.醛固定，十燥用JSM-5800 报道.近年米，笔者在储油罐的底部分离得到青霉 型扫描电镜观察生物膜表面形貌，村时用360FT- 菌.木文采用表面分析技术、失重法及儿化学测试 IR ESP型傅里叶变换红外光谱对生：物膜成分进行 方法研究了Q235钢在含有青荐菌介质中的腐蚀行 分析. 为和电化学特性 1.4腐蚀形貌分析及腐蚀失重实验 1实验 将已灭菌的带孔长方形Q235钢片浸在刚刚接 种微生物的培养基中，每组三个平行试样，21d后 1.1材料和试样 将其从腐蚀介质中取出，用打描心子显微镜观察 实验材料为Q235钢，其化学成分如表1所示 腐蚀产物的形貌和去除腐蚀产物后试样片的表面形 试样被加：为二种样式：①10mm×10mm×2mm 貌.经超声清洗及化学清洗，再根据GB16545《金 方形带孔试片，打磨至2000#后用0.5m粒径的研 属和合金的腐蚀一腐蚀试样上腐蚀产物的清除》 磨膏抛光，用J生物膜测试：②20mm×30mm×2 去除碳钢腐蚀产物，将试样置∫200gL-1的柠檬 mm长方形带孔试片，打磨至1200#，用挂片腐 酸铵溶液中，在80℃的水浴中加热20mim,彻底 蚀实验及腐蚀形貌观察：③φ10mm×10mm封制 去除试样表面腐蚀产物，称重，计算腐蚀火重 成圆柱形儿极试样，1.作面打磨至1200#，用心 1.5电化学测试 化学测试. 电化学测试采用美国PAR2273电化学作站. 表1Q235钢化学成分（质吊分数） 1作电极为环氧树脂封制Q235钢圆柱电枚，将所 Table 1 Chemical composition of Q235 steel 要测吊的电极以对应菌液为介质，连接成标准三电 Si Mn S P Fe 极体系，参比心极为饱和什汞极，轴助心极为大 ≤0.300≤0.010≤0.420≤0.029≤0.019余 面积铂电极.得体系稳定后，测平作：心极在无菌 所行试样均用尤菌去离子水冲洗，75%乙醇溶 体系和青菌体系中浸泡0、2、5、7、10、14和20 液消毒后置尤菌十燥箱中保存、备川.在实验前 d的心化学交流阻抗谱(EIS) 再用紫外灯灭菌30min,确保实验中尤杂菌污染. 心化学交流阻抗谱测承在白腐蚀电位下进行， 1.2菌种来源与培养 激励信号为5mV的止弦波，测试频率范闱为10 木实验菌种青莓菌(Penicillium)是从成品油的 mHz~l00kHz.采用Zsimpwin软件对青霉闲体系 储油罐底部分离并提纯得到的.为了模拟实际的复 中所得阻抗谱进行数据拟合，分析在：青霉菌作川下 杂腐蚀环境，培养基选用复合培养基，采用Starkey Q235试样表面膜层结构的变化，理解其阻抗特性. 培养基(feS040.01gL-1,CaC20.25gL-1,Mgs04 2 结果与讨论 0.5gL-1,(NH4)2S040.3gL-1,KH2P043.5gL-1, S10gL-)'与马铃薯培养基以2：1的体积比混合 2.1微生物生长曲线及菌落形貌 构成混合培养基，用H2SO4及NaOH调节pH至 图1是青霉菌在马铃薯琼脂培养基中菌济宏观 4.0±0.1. 形貌及混合培养基接种青霉南后的生K曲线.从图 实验中所行试剂均为分析纯，按尤菌操作方法 l(a)可以看出青霉菌菌落表面较为光滑，不透明， 将处休眠状态的青莓陶次活化后，以10%的比 乳白色：朵圆形向外延伸，边缘有分枝南丝，闲落 例接种」新鲜的混合培养基中，置J于(30士0.5)℃恒 颜色逐渐转暗.菌落与培养基链接紧，不易被接 温震荡培养箱(GNP-9270型，上：海精宏实验设备冇 种针挑起 限公司)中连续培养.所有微生物培养实验体系一 从图1(b)曲线知，青莓南任接入混合液体培
· · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 也做 了大 最的研究 木研究室先行研究发现 除传 统硫酸盐还原菌 对金属材料存在腐蚀促进 作用外链霉 菌和氧化硫硫杆菌也能加速碳钢腐蚀 速率 芽抱杆菌存在使 钢 的腐蚀减弱日 青霉菌 尸 兔。 属 几丛梗抱科是一种异 养需执型真 菌在满足生长需求的环境下能大 最繁 殖它 ’‘泛的存在一飞石油管道 、航空燃油储油罐及 飞机油箱 中 日前国内外对青 霉菌研究主要针对 其医药价值方面的研究 涉及金属腐蚀方面鲜有 报道 近年米 笔者在储油罐的底部分离得到青霉 菌 木文采用表面分析技术 、失重法 及电化学测试 方法研究 了 钢在含有青霉 菌介质中的腐蚀行 为和电化学特性 实验 材料和试样 实验 材 料为 钢 其化学成 分如表 所示 试样被加 为二种样式 ① 方形带孔试片打磨至 后用 协 粒径的研 磨膏抛 光 用 」几生物膜测试 ② 长方 形带孔 试片 打磨至 用 飞挂 片腐 蚀实验及腐蚀形貌观察 ③ 中 封制 成圆柱形 电极试样 一作面打磨至 用 于电 化学测 试 表 钢化学成分 质量分数 巨 毛 召 簇 余军 所 有 试样均用无 菌去离子水冲洗 乙醇溶 液消毒 后置 于无 菌十燥箱 中保存 、备川 在实验前 再用紫外灯灭 菌 确保实验中 无杂菌污染 菌种来源与培养 木实验菌种青霉菌 尸 二 是从成品油的 储油罐底部分离并提纯得到的 为了模拟实 沐的复 杂腐蚀环境 培 养基选 川复合培养基 采用 培养基 ·一’ ·一‘ ·一’ ·一’ ·一‘ ’ 一’ 。马铃薯培养基 以 的体积 比混合 构成混合培养基用 及 调 节 至 士 实验 中所有试剂均 为分析纯 按无 菌操作方法 将处 几体眠状态的青霉 菌 乙次活化后以 的比 例接种 ’新鲜的混合培养基中置 」飞 士 ℃恒 温震荡培养箱 一 型一几海精宏实验设备有 限公司 中连续培养 所有微生物培养实验体系一 致保证不 同时间段活菌数 呈在同一个数 鼠级 排 除培养方式差异引起的实验十扰 采用稀释平板计 数法测得溶液中的活菌数 星进 绘制出细 菌的生 长 曲线 平板培养选用固体马铃 薯琼脂培养基 士高养 过程 中体系不密封且未通氮气 生物膜分析 将 钢方形试样处理打磨 、抛光后内酮 去 油用紫外灯灭菌后浸泡在含有青毒 菌的腐蚀体系 中 后取出戊 一醛 固定 十燥 后用 一 型扫描 电镜观察生物膜表 面形貌 司时用 型傅里叶变换红外光谱对生物膜成 分进 行 分析 腐蚀形貌分析及腐蚀失重实验 将 已灭菌的带孔 长方形 钢 片浸在刚刚接 种微生物 的培养基中每组二 个平行试样 后 将其 从腐蚀介质 中取 出用扫描 电 子显微镜观察 腐蚀产物的形貌和 去除腐蚀产物后 试丰’ 的表面形 貌 经超 声清洗及化学清洗 再根据 《金 属和合金的腐蚀 － 腐蚀试样上腐蚀产物的清除 》 去除碳钢腐蚀产物 将 试样置 几 ’ 一‘的柠檬 酸铰溶液 中在 ℃的水浴 中加热 彻底 去除试样表面腐蚀产物 称重 计算腐蚀失重 电化学测试 电化学测试采用美 国 电化学 作站 一作 电极为环气树脂封制 钢圆丰一电极将所 要测 呈的电极以对应 菌液为介质 连接成标准三电 极体 系参 比电极为饱和甘汞 电极 辅助 电极为大 面积铂 电极 待体系稳定后测 呈 作 电极 在无菌 体 系和 青霉 菌体 系中浸泡 、 、 、 、 、 不 的电化学交流阻抗 潜 电化学交流阻抗 普测 最在 自腐蚀 匕位 卜进 行 激励信号为 的止弦波 测试频率范 围为 、 采用 软件 对青霖 体系 中所得阻抗谱进 行数据拟合 分析 在 片毒菌作 下 试样表面膜层结构 的变 化 理解 几阻抗特性 结果与讨论 微生物生长曲线及菌落形貌 图 是青霉 菌在一马铃薯琼脂培养丛中菌落宏观 形貌及混合培养基接种青霉 菌后的厂 长曲线 从图 可以看 出青霉 菌菌落表 较 为 光滑 不透 明 乳 自色 呈圆形 向外延伸 边缘 有分枝 菌丝 菌落 颜色逐渐转暗 菌落 。培 养 基链接 紧密 不易被接 种针挑起 从图 曲线 可知青毒菌在按 入混合液体培
第3期 李松梅等：Q235钢在青需菌作用下的腐蚀行为和电化学特性 .341. 养基初期(2d内)的1mL的数量(n)微量增加，与 于试样表面，并分泌胞外聚合物，将微生物牢牢地 混合培养基复杂无机成分有关，孕育期相对较长： 固定在材料表面，完成微生物从可逆吸附向不可逆 从第3天开始，青霉菌进入对数增长期，数量大幅 吸附的转变⑨.从图2(a)中看出，青霉菌生长良好， 增长，第6天达到最大值：6d后转入为期10d的 局部菌落边缘以菌丝向外延伸：从图2(b)扫描电镜 稳定期，青霉菌的数量处于动态平衡阶段，生长曲 照片中可以看到，青霉菌在Q235钢表面形成多层 线较为平稳；16d后，青霉菌活菌数量开始下降， 状生物膜，膜层表层仍有少量菌丝缠绕、吸附，这 说明因营养物质消耗、生存空间不足，青霉菌从生 与青霉菌进入对数增长期所需时间较长有关，生物 长阶段逐渐进入衰心期 膜形成不完整.试样表面存在少量Q235钢腐蚀产 2.2生物膜及成分分析 物，产物间堆叠的程度低，膜层的均匀度和致密度 图2是Q235钢在青霉菌体系中浸泡7d后的 都较差，大量孔洞的存在为浓差电池的形成奠定了 生物膜形貌及傅里叶红外光谐图.微生物逐渐吸附 基础，促使材料腐蚀的进一步发生 (a) (b) 5 mm 81216 20 时间/d 图1青菌菌落形貌(a)及液体混合培养基中的生长曲线(b) Fig.1 Colony of Penicillium (a)and growth curves of Penicillium culturing in the mixed medium (b) (c) 80 20 280T 3000 2000 1000 波数/cml 图2Q235钢在青霉菌菌液中浸泡7d后表面显微形貌(a)、扫描电镜形貌(b)及傅里叶红外光谱图（©） Fig.2 Microscopic images(a),SEM images(b)and Fourier transform infrared spectrum(c)of biofilms on the surface of Q235 steel culturing in the Penicillium solution for 7 d
第 期 李松梅等 钢在青霉菌作用下的腐蚀行为和电化学特性 养基初期 内 的 的数星 司 微 呈增加’。 混合培养 基复杂无机成分有关孕育期相对较 长 从第 天开始青霉 菌进入对数增 长期数 呈大幅 增 长第 天达到最大值 后转入为期 的 稳定期青霉 菌的数量处 几动态平衡阶段 生 长曲 线较 为平稳 后 青毒菌活 菌数 呈开始下降 说明因营养物质消耗、生存空间不足 青毒 菌从生 长阶段 逐渐进 入衰 亡期 生物膜 及成分分析 图 是 钢在青霉菌体系中浸泡 后的 生物膜形貌及傅里叶红外光谱图 微生物逐渐吸附 几试样表面并分泌胞外聚合物 将微生物牢牢地 固定在材料表 闭完成微生物从 可逆 吸 附 向不 可逆 吸附的转变侧 从图 中看出青霉 菌生 长良好 局部菌落边缘 以菌丝向外延伸 从图 扫描 电镜 照片中 可以看到 青霉 菌在 钢表面 形成 多层 状生物膜膜层表层仍有少 最菌丝缠绕 、吸 附这 。青霉 菌进 入对数增 长期所需时间较 长有 关生物 膜形成不完整 试样表面存在 少 军 钢腐 蚀产 物 产物 间堆叠的程度低 膜层 的均匀度 和致密度 都较 差 大 甲孔洞的存在 为浓差 电池 的形成 奠定 了 基础 促使材料腐蚀 的进 一步发生 之 妙 厂一口一。一。一。一口一卜。、 匕 一一一 ‘ 一 」·士飞口 图 青毒菌菌落形貌 及液体混合培养 基中的‘长 曲线 。‘ 。‘ 二。 飞 一 羹… 一… 入一 二 鑫 扮 图 钢在青毒 菌菌液中浸泡 后 表面 显微形貌 、于描 电镜 么貌 及搏里叶红外 光谱图 川 几 往吼 一
.342. 北京科技大学学报 第35卷 利用傅里叶红外光谱分析生物膜成分，图谱如 匀腐蚀为主，表面起伏较小，较少点蚀现象：由图 图2(c)所示，波峰数值及对应基团如表2所示. 4(b)可以看到试样在青霉菌作用下，表面点蚀坑较 通过数据分析表明，体系中存在OH、C=C、 多，说明在青霉菌体系中Q235试样表面点蚀更为 -CH(CHg)2、-CO和=CH等多种官能团，这些 突出. 基团多是构成细胞壁的聚酯糖类、脂蛋白质、细菌 表2Q235锅作青霉菌体系中生物膜的傅里叶红外光谱 表面蛋白以及细抱外高聚物(EPS)的基本单位.胞 特征峰及其对应基团 外聚合物通过不同官能团间的相互作用，使得微生 Table 2 TIR peaks and the corresponding groups of biofilms 物与基体腐蚀产物由物理吸附变为官能团间的化学 on the surface of Q235 steel in the Penicillium system 吸附，最终在试样表面形成稳定、均匀的生物膜层， 波数/cm-1 振动形式 基团 生物膜从游离态逐渐转变为固肴态 3418.20 伸缩振动 -O-H 1639.66 伸缩振动 C=C 2.3腐蚀形貌及失重 1386.37 弯曲振动 CH3 将Q235喇浸泡在青霉菌液及对照空白组中21 1033.95 弯曲振动 C-0 d后取出观察腐蚀产物形貌，两个体系中Q235表 802.84 弯曲振动 RIR2C=CHR3 面都沉积大量腐蚀产物：空白体系朵现出棕黄色， 图5为Q235钢在空白体系及青霉菌体系中 而青霉菌则朵现出墨绿色.通过扫描电镜观测表面 浸泡不同时间的平均腐蚀失重变化曲线.分别选 腐蚀产物形貌，如图3所示，两种体系表面腐蚀产 取浸泡2、7、14和21d为参考时间，利用火 物朵现不同的微观形貌.图3(a)空白体系中，试 重法计算试样各时间段平均腐蚀速率.从曲线变化 样表面腐蚀产物早疏松堆积，膜层较多孔洞，裂 可以看出：空白体系在浸泡初期，培养体系存任 纹较大：图3(b)青霉菌体系中，表面形成腐蚀产 大量C1、SO好腐蚀性离子，试样受到介质侵 物一生物膜复合膜层，膜层致密，无明显孔洞， 蚀，腐蚀速率不断增大，2~7d达到最大值0.226 裂纹较小. gm2.h-1:14~21d时试样表面产物堆积过多Ⅱ膜 图4是Q235钢试样清除腐蚀产物后的微观腐层附着力差，内环境震荡造成大部分腐蚀产物脱落， 蚀形貌.由图4(a)可以看到试样表面以片状、均 再次加速腐蚀，腐蚀速率为0.198gm-2h-1. 图3Q235钢浸泡在空白培养基(a)和青霉菌液(b)屮21d后腐蚀产物形貌 Fig.3 SEM images of corrosion products on Q235 steel exposed in the sterile solution (a)and the Penicillium solution (b) for 21 d 10 um 图4空白培养基(a)和青霉菌液(b)中浸泡21d后Q235钢表面腐蚀形貌 Fig.4 SEM images of Q235 steel exposed in the sterile solution (a)and the Penicillium solution (b)for 21 d
第3期 李松梅等：Q235钢在青霉菌作用下的腐蚀行为和电化学特性 343· 对比青醬菌体系曲线，07d时，细菌在试样 腐蚀(MIC)作用成为主导，促使试样局部腐蚀倾向 表面吸附并产生大量代谢产物，但由于青霉菌在新 增大，并保持稳定：14d后青霉菌逐渐失去活性， 的培养环境中需要较长的迟缓期（图1(b),这个 微生物腐蚀作用减小，而大量代谢产物存在，腐蚀 阶段的生物膜还未完整和均匀化，无法有效阻隔溶 倾向仍然较高.这与腐蚀尖重所得结果基木一致. 液中活泼离子的侵蚀，表面各微区存在氧浓差、离 -0.65 子浓差等，故金属试样腐蚀速率较大，约为0.260 -0.66 gm-2.h-1:7~14d,随着青霉菌菌落数目增长，代 空白 谢活动的累积，生物膜发展为溶液与基体间冇效的 -0.67 屏障，腐蚀速率稍有降低，但是对比空白体系可 以发现青霉菌体系中的试样腐蚀失重更高，这可能 -0.68 是由于细菌分泌的胞外聚合物对腐蚀进程有促进作 ◇ -0.69 0 用：14~21d,青霉菌缺乏营养物质进入衰心期，生 物膜逐渐失去活性，但此时试样表面已形成了较为 -0.70/ 青霉菌 致密的产物膜，将细菌及其代谢产物都包裹在膜层 -0.710 0 5 10 15 20 内，这些聚合物又再次促进了腐蚀进程，腐蚀速率 时间/d 增长为0.168gm-2h-1. 图6Q235钢浸泡在不问体系中开路电位随时间的变化 -0-空白 -0-青霉菌 Fig.6 Evolution of the open circuit potential of Q235 steel 0.10F exposed in different cultures with immersion time 倒 2.4.2交流阻抗谱测试 0.05 图7是Q235钢电极试样浸泡各体系中 0、2、5、7、10、14和20d的交流阻抗谱图.由 图7(al)可以看到，空白体系中试样阻抗值R先 D.09 增大后减小，朵现出上下波动的趋势，在10d时达 0 5 10 15 20 到最大，后逐渐变小.前期阻抗值的增加可能是因 时间/d 为Q235试样表面腐蚀膜层的逐渐累积，一定程度 图5Q235钢在不同体系腐蚀失重随时间的变化曲线 上阻隔了培养基中活泼离子C1和SO子对基体的 Fig.5 Corrosion mass loss curves of Q235 steel exposed in 侵蚀：而随着浸泡时间的增加，腐蚀产物沉积过多 different cultures with immersion time 导致膜层脱落，基体暴露于腐蚀介质中，膜层不均 匀，存在大量裂纹也为O2的进入形成通道，最终 综上所述，青霉菌产生大量腐蚀性代谢产物促 造成阻抗值降低. 进Q235钢的腐蚀：当试样表面形成完整、均匀生 由图7(b1)可以看到，青霉菌体系中试样阻抗 物膜时，介质腐蚀作用受到抑制，微生物腐蚀作用 值前期先增大后减小，在5~14d基本保持稳定，14 起主导作用，加速试样局部腐蚀 d后逐渐增大，并在20d达到最大.随着青霉菌 2.4电化学测试 在试样表面大量吸附，逐渐产生较完整的固着生物 2.4.1开路电位 膜，此时微生物腐蚀作用起决定性作用，阻抗值相 图6是Q235钢在不同体系中开路电位随时间 对稳定：生物膜中蛋白质和聚多糖等其他碳水化合 的变化曲线，探讨试样在不同体系中的腐蚀倾向， 物含有带有负电荷的官能团，如羧基、磷酸根、硫 选取0、2、5、7、10、14和20d为参考对象作图. 酸根和氨基酸10-1山刂与金属离子络合后使得材料电 由图6可知，空白体系中开路电位随时间上 子转移过程发生显著变化.值得注意的是，在5和 下波动，可能是因为空白培养基中试样受到介质腐l0d的Nyquist图中出现了Warburg阻抗，低频区 蚀，引起Q235钢腐蚀倾向不断的变化.青霉菌体系 角度大致为22°，且容抗弧不完整并发生一定程度 中，浸泡初期，青霉菌不断吸附于试样表面，形成 的压扁，发生弥散效应(dispersion effect)l2),说明 生物膜，在一定程度上对介质起到机械阻隔作用， 在电极表面形成了多孔膜层，其粗糙界面导致扩散 电位正移：浸泡5~14d,生物膜逐渐稳定，微生物 过程在一定程度上体现为球形电极扩散，其间7d
第 期 李松梅等 钢在青霉菌作用下的腐蚀行为和电化学特性 对 比青霉菌体系 曲线 、 时细菌在试样 表 面吸附并产生大量代谢产物 但由于青霉菌在新 的培养环境 中需要较长的迟缓期 图 这个 阶段 的生物膜还未完整和均匀化 无法有效阻隔溶 液中活泼离子的侵蚀 表面各微区存在氧浓差 、离 子浓差等 故金属试样腐蚀速率较大 约 为 ’ 一 ·一‘ 、 随着青霉菌菌落数 目增 长代 谢活动的累积 生物膜发展为溶液 与基体间有效的 屏障 腐蚀速率稍 有 降低 但是对 比空 自体系 可 以发现青霉 菌体系中的试样腐蚀失重更高这 可能 是由 立细菌分泌的胞外聚合物对腐蚀进程有促进作 用 青霉菌缺乏营养物质进入衰 亡期 生 物膜逐渐 失去活性 但此时试样表面 已形成 了较为 致密的产物膜 将细菌及其代谢产物都包裹在膜层 内这些 聚合物又再次促进 了腐蚀进程 腐蚀速率 增 长为 一 ·一 腐蚀 作用成为主导促使试样局部腐蚀倾向 增大并保持稳定 后青霉菌逐渐失去活性 微生物腐蚀作用减小 大量代谢产物存在 腐蚀 倾 向仍然较 高 这与腐蚀失重所得结果基木一致 一 一 一 一 蜜划比子净 一 一 一 一 一。 口一 一 空 青霉 白 菌 广 。 口 一 时间 图 钢浸泡在小同体 系中开路 电位随时间的变化 口 交流阻抗谱测试 户 口了 梦卜 ︸ 勺﹄ 趣曰侧水彭除切 时间 图 钢在不同体系腐蚀失重随时间的变化 曲线 。 综上所述 青霉菌产生大量腐蚀性代谢产物促 进 钢 的腐 蚀 当试样表面形成完整 、均匀生 物膜时介质腐蚀作用受到抑制微生物腐蚀作用 起主导作用 加速试样局部腐蚀 电化学测试 开路 电位 图 是 钢在不 同体系中开路 电位 随时间 的变化 曲线 探 讨试样在不 同体系中的腐蚀倾 向 选取 。、 、 、 、 、 和 为参考对象作 图 由图 可知 空 自体系 中开路 电位 随时 间上 下波动 可能是因为空 白培养基 中试样受到介质腐 蚀 引起 钢腐蚀倾 向不断的变化 青霉 菌体系 中浸 泡初期 青霉 菌不断吸 附于试样表面 形成 生物膜 在一定程度上对介质起到机械阻隔作用 电位正移 浸泡 生物膜逐渐稳定 微生物 图 是 钢 电极试 样 浸 泡 各 体 系 中 、 、 、 、 、 和 的交流 阻抗谱 图 由 图 可以看到空 白体系中试样阻抗值 。先 增大后减小 呈现 出上下波动的趋势在 时达 到最大后逐渐变小 前期阻抗值 的增加 可能是因 为 试样表面腐蚀膜层的逐渐 累积 一定程度 上阻隔了培养基中活泼离子 一和 军一对基体的 侵蚀 而随着浸泡时间的增加腐蚀产物沉积过多 导致膜层脱落 基体暴露于腐蚀介质中膜层不均 匀 存在大量裂纹也为 的进入形成通道 最终 造成 阻抗值 降低 由图 可以看到青霉菌体系中试样阻抗 值前期先增大后减 小 在 、 基本保持稳 定 后逐渐增大 并在 达到最大 随着青霉菌 在试样表面大量吸附逐渐产生较完整 的固着生物 膜 此 时微生物腐蚀作用起 决定性作用 阻抗值相 对稳定 生物膜 中蛋 白质和聚多糖等其他碳水化合 物含有带有负电荷 的官能团如梭基 、磷酸根 、硫 酸根和氨基酸 ‘。一‘’与金属离子络合后使得材料 电 子转移过程发生显著变化 值得注意 的是在 和 的 图中出现 了 叭瓜 阻抗 低频区 角度大致为 且容抗弧不完整并发生一定程度 的压扁发生弥散效应 ‘〕说 明 在 电极表面形成 了多孔膜层 其粗糙界面导致扩散 过程在 一定程度上体现 为球 形 电极扩 散 其 间
,344 北京科技大学学报 第35卷 未出现Warburg阻抗，可能因为生物膜处于不断变 隙所造成. 化的动态过程，所分泌的细胞外高聚物成分堵塞孔 -o-0d (al) -o-0d (b1) 3000 3000 -59 10d 10 14 2000 -20d 2000 20d 目1000 且 1000 0 2000 4000 6000 2000 4000 6000 Re Z/(n-cm2) Re Z/(9-cm2) (a2) (b2) 20d 40 -40 40 0.01 1 100 10000 0.010.1.110100100010000 频率/Hz 频率/Hz 10000. (a3) o-0d 10000 (b3) 10d 1000 2 1000 100 西 100 10E 0.01 100 10000 吗0 100 10000 频率/Hz 频率/Hz 图7Q235钢浸泡在空白体系(a)和青霉菌体系(b)中不同时间的电化学阻抗谱 Fig.7 EIS spectra of Q235 steel after different days of exposure in the sterile solution (a)and Penicillium solution (b) 由图7(b3)可知：伯德图曲线变化中，浸泡2d 在腐蚀产物沉积层较少，少量微生物吸附，模拟浸 时有两个时间常数，膜层主要以腐蚀产物沉积层为 泡2d膜层结构：图8(b)表示同时存在生物膜和腐 主：当浸泡5、7和10d时，青霉菌逐渐吸附形成 蚀产物膜，模拟浸泡7和14d膜层结构：图8(c)表 独立生物膜，图中也反映出三个时间常数：浸泡14 示存在Warburg阻抗的生物膜，模拟浸泡5和l0 和20d时，图中为两个时间常数，可能由于微生物 d膜层结构：图8(d)表示存在由生物膜和腐蚀产物 进入衰亡期，微生物失去活性，逐渐与腐蚀产物结 交互作用而形成的复杂膜层，模拟浸泡20d膜层结 合并形成独立膜层结构. 构.图中的符号分别为：Rs,溶液电阻：Q1,双电 采用Zsimpwin软件拟合阻抗测试数据，进一 层电容：Rct,电荷转移电阻：Q,生物膜电容：R, 步探讨青霉菌生物膜对Q235钢的腐蚀影响.电极生物膜电阻：Qc,腐蚀产物膜电容：R,腐蚀产物 浸泡青霉菌液中微观表面粗糙而引起扩散作用3)，膜电阻：。-c,生物膜腐蚀产物杂合而成的复合膜 因此膜层电容用Q来拟合.青霉菌体系中膜层变化 层电阻：Qb-©，生物膜-腐蚀产物杂合而成的复合膜 复杂，所选用等效电路如图8所示.图8(a)表示存 层电容：W,Warburg阻抗.表3给出了每个体系
北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 未 出现 阻抗 可能因为生物膜处于不断变 化的动态过程 所分泌的细胞外高聚物成分堵塞孔 隙所造成 飞 土△一旦段 、二了壳 、一了 一心一冈一弋阅一 一护“一犷、 协 ‘讥 一、 过 ’ 。厂卜 璐嚣爹丁 阅 成 水 ︷ 闰 一 勺声一 州卜气 。声芦 乡派兔匆二部户喊。心 ︵︶胜工日 ︵弓︶工日已 、又了专士 几· ︸重︷ 。 … ‘” 戴 援划罕︵。︶ ‘ 。履丫汽‘了 一令一 ‘ 夕 书一 雾援︵。︶ 薪飞… 伪八叭 纂 一刀 匕 砂 频率 一匕 频率 、 吸 了。 、 撇渊 洲习叹东 、叫 一 一览刃 尹 频率 频率 侧‘ 一 既以 ︵兰军飞匆甲姗 军国︶︵、以日︸ 图 钢浸泡在空白体系 和青霉菌体系 中不同时间的电化学阻抗谱 盯 却 二‘￡。 由图 一可知 伯德图曲线变化中浸泡 时有两个时间常数 膜层主要 以腐蚀产物沉积层为 主 当浸泡 、 和 时 青霉菌逐渐吸附形成 独立生物膜 图中也反映出三个时间常数 浸泡 和 时图中为两个时间常数 可能 由于微生物 进入衰亡期 微生物 失去活性 逐渐 与腐蚀产物结 合并形成独立膜层结构 采用 软件拟合阻抗测试数据 进一 步探讨青霉菌生物膜对 钢 的腐蚀影响 电极 浸泡青霉菌液中微观表面粗糙而引起扩散作用 因此膜层 电容用 来拟合 青霉菌体系中膜层变化 复杂所选用等效电路如图 所示 图 表示存 在腐蚀产物沉积层较少 少量微生物吸附模拟浸 泡 膜层结构 图 表示同时存在生物膜和腐 蚀产物膜模拟浸泡 和 膜层结构 图 表 示存在 么 阻抗 的生物膜 模拟浸泡 和 膜层结构 图 表示存在 由生物膜和腐蚀产物 交互作用而形成的复杂膜层 模拟浸泡 膜层结 构 图中的符号分别为 溶液 电阻 双 电 层 电容 电荷转移 电阻 生物膜 电容 生物膜 电阻 腐蚀产物膜 电容 腐蚀产物 膜 电阻 卜。生物膜一腐蚀产物杂合而成的复合膜 层 电阻 卜 生物膜一腐蚀产物杂合而成的复合膜 层 电容 从瓜 阻抗 表 给 出了每个体系
第3期 李松梅等：Q235钢在青霉菌作用下的腐蚀行为和电化学特性 ,345· 等效电路元件参数 Warburg阻抗逐渐减小，l0d膜层Qb-c、R-c都 比较不同时间的模拟元件参数，拟合电路的 一定幅度增大，说明生物膜层孔隙逐渐修复.所有 Q。数值先减小后增大，试样表面随着青莓菌的吸 浸泡体系中0~l4d的电荷转移电阻(Rct值)先减 附，生物膜由游离态逐渐形成固着态，吸附平衡偏 小后基木保持不变，说明随着生物膜的形成，介质 向吸附：从，的变化也可看出膜层阻值增大，形 直接腐蚀作用逐渐减弱，微生物腐蚀成为主要腐蚀 成均匀致密膜层抑制介质腐蚀基体，起到一定保护 因素，导致腐蚀速率的上升.这与前文分析结果也 作用.对比5和10d两种体系，因扩散作用形成的 基木一致. (a) (b) 生物膜红中三衣城 ind isleeng …生物膜 腐蚀产物 0235 0235解 ⊙ (d) 生物膜 生物膜-产物膜 腐蚀产物 Q235别 孔洞 图8不同时间下青霉菌体系的等效电路：(a2d;(b)7d,14d;(c)5d,10d;(d)20d Fig.8 Equivalent circuit models for electrodes in Penicillium culture for different immersion time:(a)2 d;(b)7 d,14 d;(c)5 d, 10d;(d)20d 表3Pen2 cillium体系等效电路各兀件参数 Table 3 Parameter values of each elements in the equivalent circuit model 时间/d Ra/ Qb/ Ro/ Qe/ Re/ Qb-c/Rb-c/ Qa1/ Ret/ W/ (0cm2) (uFcm-2)(.cm2)(uF.cm-2)(0.cm2)(uF.cm-2) (-cm2)(uFcm-2)(0-cm2) (n.cm2) 2 61.54 14.220 9.394 7.599 5879 5 99.89 2.419 295.500 209.300 2908 0.012720 1 46.06 6.336 60.020 30.77 95.54 10.680 2465 10 79.54 3.449 394.800 34.430 2496 0.001321 14 62.20 33.710 512.300 311.00 782.00 36.760 2304 20 90.80 8.895 3.029 4.693 9957 3 结论 关，当生物膜活性降低，微生物腐蚀促进作用也大 (1)青霉菌培养2d后进入对数生长期，并大 幅降低：试样表面形成致密、完整的生物膜任一定 量吸附在Q235钢表面形成生物膜：培养6d进入 程度上减缓介质腐蚀 为期10d的稳定期后，生物膜逐渐增长形成均匀、 (3)通过电化学测试结果发现，浸泡在空白体 致密膜层：其成分包含代谢产物及细胞外高聚物等 系中Q235试样表面腐蚀产物膜层不断经历沉积、 大分子物质. 破损、冉沉积过程；青霉菌体系中Q235试样表面 (2)含菌体系中，青霉菌生物膜促进Q235钢的 内生物膜逐渐由游离态变化为固着态，膜层由单层 腐蚀，腐蚀类型为点蚀，其促进作用与细菌活性有 逐渐变为多层
第 期 李松梅等 钢在青霉菌作用下的腐蚀行为和 电化学特性 等效 电路元件参数 比较不 同时 间的模拟元件参数 拟合 电路 的 数值先减小后增大试样表面随着青霉 菌的吸 附一生物膜 由游离态逐渐形成 固着态吸附平衡偏 向吸附 从 的变化也 可看 出膜层 阻值增大 形 成均匀致密膜层抑制介质腐蚀基体 起到一定保护 作用 对 比 和 两种体系因扩散作用形成的 、矶〕 阻抗逐渐减小 膜层 一、 卜。都 一定幅度增大说明生物膜层孔隙逐渐修复 所有 浸泡体系中 、 的电荷转移电阻 值 先减 小后基木保持不变 说明随着生物膜的形成 介质 直接腐蚀作用逐渐减弱 微生物腐蚀成为主要腐蚀 因素 导致腐蚀速率的上升 这 ‘前文分析结果也 基木一致 图 不同时 司下青霉菌体系的等效电路 、 表 尸 二 休系等效电路各儿件参数 几 一 一付 。心 卜 心 一 几吃 卜 心 一 一 卜 心 一“ 几· 凡 、 卜 、 一 几· 几吧 召 滩 一 ︸卫 结 论 青霉菌培养 后进入对数生 长期 并大 量吸 附在 钢表面 形成生物膜 培养 进 入 为期 的稳定期后 生物膜逐渐增长 形成均匀 、 致密膜层 其成分包含代谢产物 及细胞外 高聚物等 大分子物质 含菌体系中青霉菌生物膜促进 钢的 腐蚀 腐蚀类型为点蚀 其促进作用 与细菌活性有 关 当生物膜 活性 降低 微生物腐蚀促进 作用也大 幅 降低 试样表面形成致密 、完整 的生物膜在一定 程度上减缓介质腐蚀 通过 电化学测试结果发现 浸泡在空 白体 系中 试样表面腐蚀产物膜层不断经历沉积 、 破损 、再沉积过程 青霉 菌体系 中 试样表面 因生物膜逐渐 由游 离态变化 为固着态 膜层 由单层 逐渐变 为 多层
,346 北京科技大学学报 第35卷 参考文献 A3 influenced by Thiobacillus Thiooridans.Acta Phys Chim Sin,2009,25(11):2191 [1]LiS M,Zhang YY,Bai R B,et al.Corrosion behavior of (李松梅，杜娟，刘建华，等.A3钢在氧化硫硫杆菌作用下 steel A3 under the combined effect of Stremptomyces and 的腐蚀行为.物理化学学报，2009,25(11)：2192) Nocardia sp.Acta Phys Chim Sin,2009,25(5):921 [8 Breed R E.Bergey's Manual of Determinative Bacteriol- (李松梅，张媛媛，白如冰，等，A3钢在链霉菌和诺卡氏菌 ogy.8th Ed.Beijing:Science Press,1984:631 共同作用下的腐蚀行为.物理化学学报，2009,25(5)：921) (布莱德.伯杰细苗鉴定手册.8版.北京：科学出版社， 2]Liao QQ.Microbial corrosion mechanism and test- 1984:631) methods.East China Electr Power,2003,31(9):40 [9]Wang W,Wang J,Xu H B,et al.Microbial methods (廖强强.微生物腐蚀机制及检测方法.华东电力，2003， used in study of microbial influenced corrosion.Corros 31(9):40) Sci Prot Technol,2007,19(1):38 [3]Xing XX,Liu J H.Research progress of microbial corro- (任伟，王佳，徐海波，等。微生物腐蚀研究中微生物学 sion.Chem Ind Eng,2005,26(2):31 方法和微生物膜的化学分析.腐蚀科学与防护技术，2007， (邢晓夏，刘均洪。生物腐蚀的研究进展、化学工业与工程 19(1):38) 技术，2005,26(2：31) [10]Mittlemann M W,Geesey GG.Copper-binding charac- [4]Flemming HC.Economical and technical overview//Mi- teristics of exopolymers from a freshwater-sediment bac- crobiologically Influenced Corrosion of Materials.Berlin: terium.Appl Environ Microbial,1985,49:846 Spinger Verlag,1996:65 [11]Geesey GG,Jang L,Jolley J G,et al.Binding of metal [5]Walsh D,Pope D,Danford M,et al.Effect of microstruc- ions by extracellular polymers of biofilm bacteria.Water ture on microbiologically influenced corrosion.JOM,1993, Sci Technot,1988,20(11/12):161 45(9):22 [12 Breslin C B,Chen C,Mansfeld F.The electrochemical be- 6]Du J,Li S M,Liu J H,et al.Corrosion behavior of steel haviour of stainless steels following surface modification A3 influenced by Bacillus.Acta Phys Chim Sin,2010 in cerium-containing solutions.Corros Sci,1997,39(6): 26(6):1527 1061 (杜娟，李松梅，刘建华，等.A3钢在芽孢杆菌作用下的腐 [13]Sheng XX,Ting Y P,Pehkone S O.The influence of 蚀行为.物理化学学报，2010,26(6：1527) sulphate-reducing bacteria biofilm on the corrosion of [7 Li S M,Du J,Liu J H,et al.Corrosion behavior of steel stainless steel AISI 316.Corros Sci,2007,49(5):2159
· · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 参 考 文 献 【 【〕 」 详 尸 夕 记 · 亡 么二 ￡二 李松梅张媛媛白如冰等 钢在链霉菌和诺卡氏菌 共同作用下的腐蚀行为 物理化学学报 · 亡 。 叨 廖强强 微生物腐蚀机制及检测方法 华东电力 · 矶 叼 邢晓夏刘均洪 生物腐蚀的研究进展 化学工业 与工程 技术 涵 乞 夕介讲二 乞 沉 眼 叭 主 乞 璐 乞 几 杜娟李松梅刘建华等 钢在芽抱杆菌作用下的腐 蚀行为 物理化学学报 【」 」 【」 【』 日 场 乞 乞二 乞 众 几 夕 乞。 李松梅杜娟刘建华等 钢在氧化硫硫杆菌作用下 的腐蚀行为 物理化学学报 印 夕怡材 “、 乞、亡乞。 夕 布莱德 伯杰细菌鉴定手册 版 北京 科学出版社 卿 ‘ 阳云 王伟王佳徐海波等 微生物腐蚀研究中微生物学 方法和微生物膜的化学分析 腐蚀科学 与防护技术 一 盼 一 几 阳 几 对 乞伪 乙乞 不尸 、 于 一 · 乞 一 · 二 乞