張燊，郭娜，董耀華，董麗華，劉濤

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海洋微生物胞外分泌物(EPS)對船用結(jié)構(gòu)鋼腐蝕行為的影響

張燊，郭娜，董耀華，董麗華，劉濤

（上海海事大學(xué)，上海 201306）

研究微生物活性與船用鋼DH32腐蝕行為之間的關(guān)系，并通過胞外分泌物的提取，研究分泌物濃度對材料腐蝕性能的影響。通過傅里葉紅外光譜(FT–IR)分析胞外分泌物的組成，通過電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)分析金屬離子的含量，并使用用原子力顯微鏡（AFM）觀測去除腐蝕產(chǎn)物后的表面形貌。通過電化學(xué)阻抗譜的擬合分析，短期內(nèi)，EPS通過阻礙溶解氧的擴(kuò)散抑制腐蝕速度，EPS濃度越高，效果越好，即實(shí)驗(yàn)初期試樣腐蝕的速度與EPS濃度成反比。隨著時間的延長，EPS濃度低的溶液中，其EPS絡(luò)合金屬離子的能力很快達(dá)到飽和，所以盡管其絡(luò)合行為能促進(jìn)試樣的陽極溶解，但影響作用有限，此時起到主要影響的還是EPS抑制溶解氧擴(kuò)散。對于濃度高的EPS溶液，其過量的EPS會促進(jìn)EPS的官能團(tuán)與材料表面更多的Fe2+/Fe3+離子鍵合，使得沉積的EPS保護(hù)層變得疏松失去隔離溶解氧的作用，進(jìn)而加速試樣腐蝕。海洋微生物胞外分泌物對船用鋼腐蝕行為的影響與胞外分泌物的結(jié)構(gòu)與濃度有關(guān)，隨著濃度升高，EPS從抑制腐蝕變?yōu)榧铀俑g。

胞外分泌物；微生物腐蝕；電化學(xué)阻抗；海水

海洋環(huán)境下，涉海材料腐蝕損失的20%與微生物腐蝕(microbially-influenced corrosion, MIC)直接相關(guān)，微生物腐蝕已被公認(rèn)為是海工裝備鋼鐵材料構(gòu)件諸如船舶、石油平臺、管線、碼頭等腐蝕破壞的重要形式[10-11]。海洋船用鋼作為最常見的涉海材料之一，包括高強(qiáng)鋼AH32，DH32和DH36等，其優(yōu)異特性是強(qiáng)度高，但耐微生物腐蝕性能較差。由此可見，微生物腐蝕已成為了嚴(yán)重制約重大海洋工程技術(shù)和裝備發(fā)展的技術(shù)瓶頸之一，其失效問題更是嚴(yán)重影響了海洋工程和裝備的可靠性和使用壽命，是國內(nèi)外海洋工程領(lǐng)域都亟待解決的問題。

微生物腐蝕是一個十分復(fù)雜的過程，其腐蝕除了具備一般海水腐蝕的電化學(xué)特征外，還存在一個獨(dú)特的“活性動態(tài)”界面反應(yīng)，所謂“活性”是指微生物的新陳代謝參與整個腐蝕過程，在腐蝕界面推進(jìn)中，微生物的生長與消亡是一直存在的，并加速（或抑制）腐蝕速度；而“動態(tài)”除了反應(yīng)金屬腐蝕的動力學(xué)本質(zhì)外，還指生物膜中生命活動的持續(xù)性和多變性。正是這種生命循環(huán)、能量循環(huán)和物質(zhì)循環(huán)的多因素耦合，造成了微生物附著腐蝕獨(dú)特的腐蝕機(jī)理和理論。

微生物能夠分泌產(chǎn)生大量的高分子物質(zhì)（多糖、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、核酸、腐殖質(zhì)等），這些多種多樣的化學(xué)和功能成分統(tǒng)稱為胞外分泌物(extracellular polymeric substances, EPS)[1]。EPS是生物膜基質(zhì)的主要成分，協(xié)調(diào)微生物細(xì)胞粘附到基體表面，同時也促進(jìn)微生物細(xì)胞之間的團(tuán)聚，在生物膜形成的不同階段，EPS起到了至關(guān)重要的作用。EPS的主要成分高分子物質(zhì)含有變化的親水性區(qū)域和疏水性區(qū)域，可以促進(jìn)細(xì)菌細(xì)胞粘附到多種基體表面[2]。EPS結(jié)合金屬離子的能力能夠形成具有氧化還原電位的復(fù)雜復(fù)合物，參與電子轉(zhuǎn)移，從而影響微生物腐蝕[3]。EPS在金屬基體表面能夠修改腐蝕產(chǎn)物的形態(tài)和化學(xué)結(jié)構(gòu)，從而使這些腐蝕產(chǎn)物更加具有腐蝕性[4]。

近年來多國研究者開始圍繞EPS腐蝕機(jī)理開展了相關(guān)研究。Mollica等人[7]發(fā)現(xiàn)，微生物膜的形成，可以引起幾種不同不銹鋼的腐蝕電位正移，并認(rèn)為微生物膜具有去極化作用，能使活化控制部分的極化電流密度增大，從而增加了不銹鋼的點(diǎn)蝕發(fā)生趨勢。Scotto等人[8]研究表明，不銹鋼的腐蝕電位與膜內(nèi)碳水化合物和蛋白質(zhì)的量有關(guān)，在這兩種物質(zhì)增加的初期腐蝕電位的增加速度較快，而當(dāng)達(dá)到一定量后不銹鋼腐蝕電位增長逐漸緩慢。Beech等人表征了不同類型EPS在AISI 316表面的成膜特性，他們發(fā)現(xiàn)緊密附著型微生物產(chǎn)生的胞外分泌物能夠加速腐蝕[5]。另外，EPS中的活性蛋白質(zhì)（酶）在微生物腐蝕中起到的特殊作用也得到了研究者的重視[6]。

文中探究了微生物新陳代謝產(chǎn)物EPS對船用結(jié)構(gòu)鋼腐蝕的影響及作用機(jī)制，為微生物對材料的附著腐蝕研究提供了一個新的視角和啟示。

1 試驗(yàn)

1.1 材料與試樣

實(shí)驗(yàn)材料為船用結(jié)構(gòu)鋼DH32，其主要合金成分為：Fe 96.79%，Ｃ 0.056%，Mn 1.496%，Cu 0.198%，Al 0.0375%, Ni 0.662%, Cr 0.183%, Si 0.191%和P 0.0085%。試樣尺寸為10 mm×10 mm×3 mm，將其任意10 mm×10 mm的一面選擇為工作面，非工作面焊接導(dǎo)線，并用環(huán)氧樹脂封裝，工作面逐級打磨，拋光處理，丙酮超聲除油，最后用乙醇沖洗、自然干燥待用。

1.2 平均腐蝕速率測定

本實(shí)驗(yàn)使用天然海水中碳鋼附著腐蝕的優(yōu)勢菌種——需鈉弧菌(Vibrio natriegens)為實(shí)驗(yàn)菌種。V. natriegens屬于異養(yǎng)型、好鹽性的海洋革蘭氏陰性菌，為了分析需鈉弧菌EPS 與DH32結(jié)構(gòu)鋼腐蝕之間的關(guān)系，通過失重法計算試樣在V. natriegens一個生長周期內(nèi)的平均腐蝕速率。實(shí)驗(yàn)中試樣浸泡腐蝕采用兩種處理：A組為100 mL有菌培養(yǎng)基（在100 mL無菌培養(yǎng)基培養(yǎng)中加入0.01 mL菌液（O.D.600 nm=1.0））；B組為無菌培養(yǎng)基。試樣定期取出，依照GB 5776—1986標(biāo)準(zhǔn)清除腐蝕產(chǎn)物，稱量記錄數(shù)據(jù)，每組實(shí)驗(yàn)做三個平行。平均腐蝕速率按照式（1）計算：

式中：=3.65 X 103；為試樣腐蝕質(zhì)量損失，g；為實(shí)驗(yàn)時間，d；為試樣面積，cm2；為材料密度，g/cm2。

1.3 試樣腐蝕實(shí)驗(yàn)

為研究EPS對船用鋼腐蝕行為的影響，實(shí)驗(yàn)設(shè)置5個實(shí)驗(yàn)組：對照組C—天然無菌無添加海水，T1、T2、T3和T4——無菌海水中分別添加濃度為100，200，300，400 mg/L EPS的處理組。其中EPS采用冷凍離心，陽離子交換樹脂，冷凍干燥的方法本實(shí)驗(yàn)所用的需鈉弧菌菌液中獲得。

將制備好的DH32試樣完全懸掛浸沒于上述不同處理組的海水中，分別在實(shí)驗(yàn)開始后的1，3，5，7，10 d后取出，進(jìn)行電化學(xué)分析和表面分析。

收集試樣表面腐蝕產(chǎn)物，按照Sun等人[9]方法提取EPS-金屬絡(luò)合物，并使用傅里葉紅外光譜(FT–IR)分析官能團(tuán)，用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)分析金屬離子含量，最后使用原子力顯微鏡（AFM）觀測去除腐蝕產(chǎn)物后的表面形貌。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 細(xì)菌活性對材料腐蝕速率的影響

需鈉弧菌的生長曲線和DH32試樣在兩組腐蝕介質(zhì)中的平均腐蝕速率如圖1所示。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在一個生長周期內(nèi)，有菌處理組（A組）處于需鈉弧菌生長延滯期（第1天）的平均腐蝕速率與無菌處理組（B組）相比十分接近。在細(xì)菌生長的指數(shù)期和穩(wěn)定期（第1—4天），有菌處理組（A組）的試樣開始加速腐蝕。在指數(shù)期和穩(wěn)定期兩個生長階段內(nèi)，需鈉弧菌處于快速生長繁殖期，新陳代謝活動旺盛，細(xì)胞分泌較多的代謝產(chǎn)物和胞外分泌物EPS，對試樣的腐蝕起到了顯著的促進(jìn)作用。有菌處理組（A組）在細(xì)菌衰亡期（第4—8天），不論與無菌處理組（B組）相比，還是與指數(shù)期和穩(wěn)定期相比，試樣腐蝕速率顯著增大，并沒有隨著細(xì)菌的衰亡而減緩。這可能是因?yàn)榧?xì)菌細(xì)胞在衰亡期分解代謝明顯超過合成代謝，細(xì)胞破裂釋放出很多代謝產(chǎn)物和胞內(nèi)酶，促進(jìn)了試樣的腐蝕。另外在衰亡期，細(xì)菌細(xì)胞大量死亡，細(xì)菌生長代謝需要的O2消耗不斷減少，到達(dá)試樣表面的O2不斷增多，促進(jìn)陰極反應(yīng)的發(fā)生，從而加速了試樣的腐蝕。

圖1 試樣在微生物生長周期內(nèi)的平均腐蝕速率

2.2 EPS對材料的腐蝕行為分析

從2.1節(jié)分析可知，微生物新陳代謝活動對材料的腐蝕有明顯的影響，微生物新陳代謝活力越強(qiáng)，材料腐蝕越快，而微生物在新陳代謝的過程中又會分泌的大量的EPS，而且細(xì)菌活力越旺盛，EPS分泌越多，所以EPS是微生物附著腐蝕過程中不可忽視一個重要因素。

圖2—6是浸泡于不同處理中的試樣電化學(xué)阻抗譜圖，圖2是對照組，腐蝕介質(zhì)為無菌海水，圖3—6分別為T1，T2，T3和T4處理組。從對照組的能奎斯特圖（圖2a）可以看出，容抗弧的直徑隨時間變化逐漸變小，這種趨勢與低頻段的阻抗值一致（圖2b），這說明試樣在海水中腐蝕速率逐漸加快。從容抗弧逐漸變“癟”的趨勢來看，試樣表面隨時間形成的腐蝕層在局部區(qū)域內(nèi)阻礙了電荷的轉(zhuǎn)移，造成了“彌散效應(yīng)”。同時從圖2c可以進(jìn)一步看出，試樣浸泡在海水中不同時間后的阻抗譜都應(yīng)對著1個時間常數(shù)，這一現(xiàn)象與試樣在無菌培養(yǎng)基中觀測到的現(xiàn)象一致，同時也說明試樣表面的腐蝕產(chǎn)物不參與電極反應(yīng)。

對于T1處理組而言，從能奎斯特圖（圖3a）可以看出，容抗弧的直徑在第3天小幅變大，這說明EPS的存在，改變了試樣在海水中的腐蝕行為。在接下來的7天內(nèi)，容抗弧開始逐漸變小，其變化趨勢與對照組相同。從圖3c中可以看出，試樣的阻抗譜對應(yīng)著2個時間常數(shù)，其中高頻段的時間常數(shù)與沉積在試樣表面的EPS有關(guān)，這說明沉積在試樣表面的EPS參與了電極反應(yīng)，產(chǎn)生了吸附絡(luò)合物等中間產(chǎn)物。

對于T2處理組（圖4），試樣的容抗弧（圖4a）除第三天有明顯變大外，其他不同浸泡時間特征變化不大，這說明相對于對照組和T1處理組而言，隨著EPS濃度的變大，試樣腐蝕速度逐漸穩(wěn)定。同時從圖4c中可以看出其阻抗譜也對應(yīng)著2個時間常數(shù)，高頻段的時間常數(shù)同樣也與EPS有關(guān)。

對于T3和T4處理，試樣在高濃度的EPS海水溶液中，不同浸泡時間的電化學(xué)阻抗譜特征變化十分顯著（圖5和圖6），而且從兩個處理的能奎斯特圖（圖5a和圖6a）上看，其容抗弧的直徑變化趨勢基本一致，都是在先顯著增大后大幅變小。這說明隨著EPS濃度進(jìn)一步提高，試樣在短期內(nèi)的腐蝕受到抑制，但隨著浸泡時間延長，高濃度的EPS加速了試樣在海水中的腐蝕。

根據(jù)上述分析，不同處理中的試樣，其電化學(xué)阻抗譜可以通過如圖7所示的等效電路圖來擬合。對照組的數(shù)據(jù)使用圖7a所示電路圖進(jìn)行擬合，處理組數(shù)據(jù)使用圖7b所示電路圖進(jìn)行擬合。其中，s為工作電極和參比電極之間的溶液阻抗；pf為電極表面膜阻抗；其值反應(yīng)在電場作用下離子在電極表面膜遷移時所受到阻力的大小，與表面膜的致密性關(guān)系密切，ct為工作電極的電荷轉(zhuǎn)移電阻；1為電極表面膜下雙電層的常相位元件；2為電極表面膜的常相位元件，大小與膜層的介電性質(zhì)有關(guān)。擬合的電化學(xué)參數(shù)見表1。

圖2 試樣浸泡在無菌海水暴露不同時間后的阻抗譜

圖3 試樣浸泡在EPS濃度為100 mg/L的海水介質(zhì)中暴露不同時間后的阻抗譜

圖4 試樣浸泡在EPS濃度為200 mg/L的海水介質(zhì)中暴露不同時間后的阻抗譜

圖5 試樣浸泡在EPS濃度為300 mg/L的海水介質(zhì)中暴露不同時間后的阻抗譜

圖6 試樣浸泡在EPS濃度為400 mg/L的海水介質(zhì)中暴露不同時間后的阻抗譜

圖7 等效電路

從表1中可以看出，對于對照組而言，試樣ct的值隨著浸泡天數(shù)增加逐漸減小。對于另外4個處理組而言，在實(shí)驗(yàn)初期，它們的ct和pf的值逐漸增大，并在第3天達(dá)到最大值，2均大于0.8，并且EPS濃度越高的處理，對應(yīng)的ct的值越大；然而在隨后的7天內(nèi)，4個處理組的ct、pf和2卻隨著暴露時間的延長而降低，尤其是T3和T4兩個處理，其ct下降尤為明顯，分別從969.47 Ω和1038.88 Ω降至473.9 Ω和384.95 Ω。此外，值得注意的是，在這后續(xù)的7天時間內(nèi)，盡管所有處理的ct值逐漸降低，但T2對應(yīng)的ct值從第5天開始就一直高于其他處理。在暴露10 d后，它們的ct大小順序依次為T2> T1>對照組> T3> T4。

表1 試樣在不同處理中暴露不同時間后的阻抗譜擬合參數(shù)

續(xù)表 1

以上結(jié)果表明，在試驗(yàn)的10 d內(nèi)，浸泡于不添加EPS的海水腐蝕介質(zhì)中的DH32試樣，其表面沒有形成保護(hù)膜或鈍化膜，其腐蝕速率隨時間推移逐漸增大。對于浸泡于添加EPS的海水溶液的各處理而言，其腐蝕行為分為兩個階段。第一個階段是在實(shí)驗(yàn)的前三天，試樣的腐蝕得到了抑制，腐蝕速度逐漸降低，而且EPS濃度越大的處理，抑制試樣腐蝕的效果越明顯。這可能是由于緩慢沉積的EPS在試樣表面形成了一層保護(hù)膜，阻礙了溶解氧的擴(kuò)散，抑制了陰極的吸氧還原反應(yīng)，因此導(dǎo)致這段時間內(nèi)試樣的腐蝕速度變慢。第二階段是在實(shí)驗(yàn)的后7天，這段時間里這些試樣的腐蝕速度開始加快，腐蝕速度與海水中的EPS濃度不再呈線性關(guān)系，對于EPS質(zhì)量濃度≤200 mg/L的兩個處理（T1和T2），其抑制腐蝕的效果與對照相比，仍然是與海水中EPS濃度成正比，但對于浸泡在EPS質(zhì)量濃度>300 mg/L的兩個處理（T3和T4），其抑制腐蝕的效果卻與EPS的濃度成反比。不僅如此，長期來看，過量的EPS對試樣的腐蝕有極大的促進(jìn)作用，EPS濃度越大，試樣腐蝕速度越大。這可能是由于隨著暴露時間變長，EPS的官能團(tuán)與金屬離子發(fā)生絡(luò)合，促進(jìn)陽極溶解，使得原本均質(zhì)的EPS保護(hù)層逐漸變?yōu)槭杷傻奈綄?，?dǎo)致界面腐蝕面積增大，從而加速了腐蝕速度。同時這也說明，在腐蝕的第一階段試樣以陰極吸氧反應(yīng)為主，在第二個階段以陽極溶解反應(yīng)為主。

2.3 EPS對材料的腐蝕機(jī)理分析

紅外光譜表征聚合物官能團(tuán)的有效手段之一，綜合譜帶形狀、吸收峰位置、譜帶強(qiáng)度及相關(guān)峰的存在，可以從譜圖中反映出各種官能團(tuán)的存在與否。圖8是EPS的紅外光譜，可以看出，在3436，1638，1384，1075，959 cm－1處能檢測到較強(qiáng)的吸收峰，在2924，2854，1400，1147 cm－1處能檢測到相對較弱的吸收峰。代表核酸C=O基團(tuán)的吸收峰在1250 cm－1處并沒有出現(xiàn)[21]。這說明細(xì)胞破碎率很小，EPS沒有受到細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的污染。3436 cm－1處的吸收峰是由糖類的—OH鍵或者蛋白質(zhì)中的N—H的伸縮振動引起的。2924，2854 cm－1處的吸收峰與C—H鍵伸縮振動有關(guān)。1638 cm－1處的吸收峰是蛋白質(zhì)中的C=O伸縮振動或酰胺Ⅰ帶的NH變角振動引起的[22]。1400 cm－1處的吸收峰與羧酸官能團(tuán)有關(guān)[23]，這說明EPS呈酸性。1384 cm－1處的吸收峰可能為蛋白質(zhì)中C—N伸縮振動。代表多糖的C—O—C和C—OH鍵的吸收峰分別在1147 cm－1處和1075 cm－1處出現(xiàn)。959 cm－1處的吸收峰可能是羧酸中的C—OH鍵面外彎曲振動。由此可見，EPS中含有具有還原性羥基和羰基，及其其他帶負(fù)電荷的羧基、酰胺基等基團(tuán)，這些基團(tuán)能與金屬離子相互作用從而對金屬離子具有較強(qiáng)的親和性[24]。

圖8 試樣表面生物膜FTIR圖

EPS的主要成分是蛋白和多糖，而蛋白和多糖的一個重要特征就是可以和金屬離子形成絡(luò)合物，這主要是蛋白質(zhì)和多糖等其他碳水化合物含有大量帶有負(fù)電荷的官能團(tuán)，如羧基、磷酸基、硫酸基、氨酸基等。不同種類微生物膜中的EPS對不同金屬離子的絡(luò)合是不一樣的，金屬離子和EPS絡(luò)合后其氧化還原電位會發(fā)生顯著變化。當(dāng)環(huán)境中有合適的電子受體時（如氧氣或硝酸根離子），這些絡(luò)合后的金屬離子成為傳遞電子的載體，直接將金屬的電子傳遞給氧或硝酸根離子，從而加速了金屬的腐蝕。

實(shí)驗(yàn)中為了確定EPS的官能團(tuán)對材料腐蝕的貢獻(xiàn)，將浸泡在T4處理中3 d和10 d的試樣分別取出，并提取材料表面腐蝕產(chǎn)物中的EPS-金屬絡(luò)合物做傅里葉紅外光譜分析，原始提取的EPS作為對照，結(jié)果如圖9所示。

圖9 FT-IR光譜

與原始提取的EPS(圖9a)相比，浸泡在T4處理中3天（圖9b）和10天（圖9c）的試樣表面所提取EPS-金屬絡(luò)合物的FT-IR光譜在3443 cm-1、1640 cm-1和1401 cm-1峰位上發(fā)生了明顯的偏移，1132 cm-1峰位幾乎消失。吸收峰位的偏移或消失說明相應(yīng)的官能團(tuán)確實(shí)參與了吸附過程，即其孤對電子確實(shí)與材料表面的金屬離子發(fā)生了鍵合作用，使得此處的官能團(tuán)發(fā)生了分子之間的價鍵重排或者新的化學(xué)鍵的形成等結(jié)構(gòu)上的改變。在這些吸收峰所對應(yīng)的官能團(tuán)見表2，由此可見，EPS中的C=O、—COOH、C—N、—OH和C—O—C與材料表面的金屬離子發(fā)生了絡(luò)合。

表2 EPS的FT-IR光譜吸收峰對應(yīng)的官能團(tuán)

盡管從上述分析可以判斷，EPS的諸多官能團(tuán)確實(shí)能與金屬離子絡(luò)合，但試樣長時間浸泡在高濃度的EPS海水溶液中，腐蝕加速的原因是否與EPS濃度及EPS官能團(tuán)絡(luò)合Fe3+/Fe2+離子等因素有關(guān)，還需要通過檢測EPS-金屬絡(luò)合物中Fe元素含量來進(jìn)一步探討。

表3為試樣表面EPS-金屬絡(luò)合物中Fe元素的含量。從表3中可以看出，前三天內(nèi)，盡管所有處理的Fe元素含量都有所增長，但EPS濃度越小的處理，F(xiàn)e元素含量越大。從第3天開始，EPS質(zhì)量濃度小于200 mg/L的兩個處理（T1和T2）的EPS-金屬絡(luò)合物中Fe元素含量基本穩(wěn)定，似乎已經(jīng)達(dá)到了飽和，但對于EPS質(zhì)量濃度大于300 mg/L的兩個處理（T3和T4），其提取的EPS-金屬絡(luò)合物中Fe元素的含量卻在不斷增多，并且這段時間內(nèi)，EPS濃度越大的處理，F(xiàn)e元素含量越多。

表3 EPS-金屬絡(luò)合物中Fe元素含量

結(jié)合上述EIS和FT-IR光譜分析的結(jié)論可以判斷，短期內(nèi)，試樣的腐蝕速度因EPS的存在，阻礙了溶解氧的擴(kuò)散，抑制了試樣的腐蝕速度，并且EPS濃度越高，抑制效果越好，即實(shí)驗(yàn)初期試樣腐蝕的速度與EPS濃度成反比。隨著時間延長，EPS濃度低的處理，其EPS絡(luò)合金屬離子的能力很快達(dá)到飽和，所以盡管其絡(luò)合行為能促進(jìn)試樣的陽極溶解，但影響作用有限，此時起到主要影響的還是EPS抑制溶解氧擴(kuò)散。對于濃度高的EPS處理，其過量的EPS會促進(jìn)EPS的官能團(tuán)與材料表面更多的Fe2+/Fe3+離子鍵合，使得沉積的EPS保護(hù)層變得疏松失去隔離溶解氧的作用，進(jìn)而加速試樣腐蝕。

2.4 材料表面腐蝕微觀形貌分析

圖10分別展示了浸泡3 d和10 d后試樣表面的AFM形貌，圖11是各試樣對應(yīng)的粗糙度?？梢园l(fā)現(xiàn)，第3天時，材料表面的粗糙度與海水中EPS濃度成反比，這說明吸附在試樣表面的EPS能在一定程度上抑制試樣的腐蝕，這一結(jié)果與EIS的分析結(jié)論一致。第10天時，可以觀察到所有試樣表面腐蝕嚴(yán)重，其粗糙度的大小順序與第3天時的順序相比有所變化。盡管相對于對照樣來說，浸泡在T1和T2處理中的試樣，在第10天時的粗糙度仍然低于對照樣，而且EPS濃度越大的處理（T2）粗糙度越小，但是浸泡在T3和T4處理中的試樣，其粗糙度卻在10天時高于對照樣，并且EPS濃度越大的處理（T4）粗糙度越大。這一現(xiàn)象再次說明，在一定濃度下，EPS可以抑制試樣的腐蝕，但過量的EPS長遠(yuǎn)來看，不僅削弱了其抑制效果，而且會加速試樣的腐蝕速度。因此，上述結(jié)果證實(shí)，細(xì)菌的新陳代謝產(chǎn)物EPS能影響材料在海水中腐蝕的速度，它的影響作用與時間和EPS濃度有關(guān)。

圖10 不同浸泡時間后試樣表面的AFM圖

（a, b 為對照樣， c, d為 T1，e, f為T2，g, h為T3，i, j為T4；a, c, e, g, i為3天，b, d, f, h, j為10天，）

圖11 浸泡3天和10天后試樣表面粗糙度

3 結(jié)論

文中從微生物新陳代謝的角度，通過失重法、電化學(xué)、FT-IR和AFM等方法分析了船用結(jié)構(gòu)鋼的微生物腐蝕機(jī)理，其結(jié)論如下所述。

1）需鈉弧菌的新陳代謝活性能影響材料腐蝕的速度，活性越大，材料腐蝕越快，但腐蝕速度的變化滯后于細(xì)菌活性的變化。

2）微生物新陳代謝重要產(chǎn)物EPS的分子鏈長短分布均勻，比較集中，其主要成分為蛋白質(zhì)和多糖，而且蛋白質(zhì)含量明顯多于多糖。

3）EPS能通過兩個方面影響試樣的腐蝕行為：在試樣表面形成保護(hù)層阻礙溶解氧的擴(kuò)散從而抑制材料腐蝕；通過EPS中C=O，—COOH，C—N，—OH和C—O—C等官能團(tuán)與材料表面的金屬離子發(fā)生絡(luò)合，促進(jìn)陽極溶解加速材料腐蝕。

4）在富含不同濃度的EPS的海水溶液中，試樣的腐蝕分為兩個階段，第一個階段是在實(shí)驗(yàn)的前三天，因EPS在試樣表面的沉積，一定程度上阻礙了溶解氧的擴(kuò)散，使得試樣的陰極反應(yīng)得到了抑制，腐蝕速度逐漸降低，而且EPS濃度越大的處理，抑制試樣腐蝕的效果越明顯；第二個階段是在實(shí)驗(yàn)的后7天，這段時間里，浸泡于EPS質(zhì)量濃度≤200 mg/L的試樣，由于吸附在試樣表面的EPS絡(luò)合金屬離子能力已達(dá)飽和，這在一定程度上仍舊起到了阻止溶解氧擴(kuò)散的作用，抑制了試樣腐蝕，EPS濃度越高的處理，腐蝕速度越慢。對于浸泡在EPS質(zhì)量濃度大于300 mg/L的溶液中的兩個處理，由于過量的EPS官能團(tuán)與大量的金屬離子發(fā)生絡(luò)合，從而促進(jìn)陽極溶解的速度，造成腐蝕產(chǎn)物大量聚集，使表面原本的EPS保護(hù)層變得疏松，進(jìn)而導(dǎo)致試樣加速腐蝕，并且EPS濃度越大，試樣腐蝕越嚴(yán)重。

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Influences of Marine Microorganisms Mucilage Secretion (EPS) on Corrosion Behavior of Marine Structure Steels

ZHANG ShenGUO NaDONG Yao-huaDONG Li-huaLIU Tao

(Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

To explore the relationship between bacterial activity and corrosion behavior of hull steel and research influences of concentration of extracellular polymeric substances (EPS) on corrosion.Fourier transform infrared spectroscopy (FT–IR) and ICP-OES such as inductive coupling were used to analyze composition of EPS and content of iron ion. The morphology of corrosion products was analyzed by atomic force microscope (AFM).The fitting analysis of electrochemical impendence showed that EPS inhibited corrosion by hindering scattering of dissolved oxygen, the greater the concentration, the better the effect. That is to say, the corrosion speed of specimen in the initial state was inversely proportional to the EPS concentration. Therefore, although its complexation effect could promote anodic dissolution of the specimen, its effect was limited. It was the mainly the EPS which inhibited scattering of dissolved oxygen. For EPS solution of high concentration, excessive EPS could promote more bonding between functional group of EPS and Fe2+/Fe3+on material surface, as a result, the EPS protective film might become loose and be unable to separate the dissolved oxygen and thus accelerate corrosion of specimen.Effects of EPS on corrosion of hull steel is relevant to structure and concentration of EPS. EPS changes from inhibiting corrosion to accelerating corrosion with the increase of concentration.

extracellular polymeric substances; microbially-influenced corrosion; electrochemical impendence; seawater

10.7643/ issn.1672-9242.2018.01.018

TJ04；Q939

A

1672-9242(2018)01-0086-10

2017-09-10；

2017-10-03

國家自然科學(xué)基金（51609133）；上海市自然科學(xué)基金（14ZR1419800）；上海市科學(xué)技術(shù)委員會科研計劃項目（15dz1207102）

張燊（1993—），男，上海人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楹Ｑ筮\(yùn)輸工程與防護(hù)。

郭娜（1983—），女，山東人，博士，高級工程師，主要研究方向?yàn)楹Ｑ蟛牧细g與防護(hù)。