SRB对AZ91镁合金在两种培养基中腐蚀行为的影响

方世杰，刘耀辉，乔 健，张 伟

（1洛阳理工学院 机电工程系，河南 洛阳471023；2吉林大学 材料科学与工程学院 汽车材料教育部重点实验室，长春130022；3中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，长春130033）

SRB对AZ91镁合金在两种培养基中腐蚀行为的影响

方世杰1，2，刘耀辉2，乔 健3，张 伟1

（1洛阳理工学院 机电工程系，河南 洛阳471023；2吉林大学 材料科学与工程学院 汽车材料教育部重点实验室，长春130022；3中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，长春130033）

AZ91镁合金是目前工业中应用最为广泛的镁合金材料，占镁合金件总用量的90%左右［1］。与其他金属材料相比，AZ91的耐腐蚀性能较差，需要经过表面耐腐蚀处理后才能够正常使用。即使这样，零件表面的保护层也往往容易受到磕、碰、划等机械损伤，使基体直接曝露于腐蚀环境中；同时在镁合金件的实际使用过程中也发现，腐蚀主要发生在基体上，因此对于AZ91镁合金基体的腐蚀研究具有重要意义。长期以来，金属的微生物腐蚀主要集中于核能、发电、石油及海洋工业等领域，微生物腐蚀研究也仅限于碳钢、不锈钢、铜、镍等金属或合金上［2－4］。但随着镁合金在航空航天、汽车工业中的大量应用，微生物对镁合金的腐蚀影响已经开始引起人们的关注［5］。在诸多微生物当中，硫酸盐还原菌（Sulfate－Reducing Bacteria，SRB）是目前被公认的对金属腐蚀危害最大，也是研究最为广泛的微生物物种之一［6］。已有文献研究表明，硫酸盐还原菌能够引起ZM－5铸造镁合金的腐蚀［5］。

本实验以AZ91镁合金为研究材料，以SRB单一菌种为实验微生物，在两种培养基溶液中，使用挂片浸泡法，并通过扫描电镜、能谱分析及腐蚀失重等综合手段研究了SRB对AZ91腐蚀行为的影响，并对其腐蚀机理进行了探讨。

1 实验

1.1 菌种来源

实验菌种为SRB，取自中科院金属研究所。菌种经多次分离、纯化，并选择生物活性较高的SRB纯培养作为实验菌种。

1.2 实验材料

实验材料为AZ91镁合金。挂片尺寸20mm×15mm×2mm，使用200，400，600，800＃SiC水砂纸逐级打磨到800＃，实验前将挂片放入洁净工作台中用紫外线灭菌20min。

1.3 培养基准备、培养条件和实验方法

实验采用两种成分的培养基溶液，溶液I：API培养基＋0.3g/L硫酸亚铁铵＋0.1g/L维生素 C；溶液II：API培养基。API培养基为美国石油协会（A－merican Petroleum Institute，API）推荐的标准培养基［7］，具 体 成 分 如 下：0.5g/L Na2SO4，1.0g/L NH4C1，0.1g/L CaCl2，0.5g/L K2HPO4·3H2O，2.0g/L MgSO4·7H2O，3.5g/L C3H5NaO3，1.0g/L酵母浸粉。溶液pH值均调节为7.20，（121±1）℃下蒸汽灭菌20min。含菌溶液的初始菌量浓度为6.50×103个/mL，将试样放入溶液中，在（30±1）℃下连续浸泡14d。对比实验使用无菌溶液，放入试样，密封后与含菌溶液一起培养。为了表述方便，在溶液号后加“－0”表示无菌溶液，加“－1”表示含菌溶液，具体的溶液编号及成分如表1所示，表中的“＋”表示含有，“—”表示不含有。

表1 实验溶液的成分Table 1 Composition of experimental solution

1.4 菌量和腐蚀速率测量

溶液菌量计数使用XB－K－25型血球计数板测量。腐蚀挂片总数为12片，分为4组，每组3片，腐蚀速率取3个挂片的平均值。腐蚀失重使用0.0001g电子天平，在1%AgNO3＋15%CrO3溶液中沸煮15min以去除腐蚀产物，清洗、干燥后，用失重法计算平均腐蚀速率，计算公式如下：

式中：v表示试样平均腐蚀速率，mm/a；w为试样起始质量，g；w0为去除腐蚀产物后试样质量，g；t为实验时间，h；A为试样面积，m2；ρ为金属密度，g/cm3。

2 结果与讨论

溶液I中的硫酸亚铁铵和维生素C是API培养基中普遍采用的添加成分。前者提供的Fe2＋能与SRB的代谢物S2－反应生成黑色的FeS，作为判断细菌活性和 H2S生成的重要依据［8］。同时Fe2＋也是SRB细胞中多种酶的活性基成分，与维生素C一样，均能够刺激SRB的生长和繁殖。

2.1 平均腐蚀速率

AZ91在4种溶液中连续浸泡14d的平均腐蚀速率见表2。AZ91在溶液I中的腐蚀速率均高于溶液II，前者的腐蚀速率是后者的15～18倍；在含菌溶液中的腐蚀速率均低于相应的无菌溶液；将腐蚀速率按从大到小排列：vI－0＞vI－1＞vII－0＞vII－1。这表明，AZ91在含菌溶液中的腐蚀敏感性均低于相应的无菌溶液。由于维生素C促进细菌生长，但不会直接腐蚀金属；而硫酸亚铁铵中少量的SO42－和NH4＋能为细菌生长提供少量营养，但不具有大幅提高合金腐蚀速率的作用，因此硫酸亚铁铵中的Fe2＋是造成AZ91腐蚀速率大幅提高的原因。

表2 AZ91分别在4种溶液中连续浸泡14d后的平均腐蚀速率Table 2 Average corrosion rates of AZ91immersed in the four solutions for 14d，respectively

2.2 腐蚀形貌特征

浸泡14d后，4种挂片去除腐蚀产物后的表面形貌见图1。试样I－0表面形成大面积、网络状连续分布的溃疡状腐蚀；试样I－1表面也形成较大面积的溃疡状腐蚀，但腐蚀区分布不连续；试样II－0和II－1表面仅在局部区域出现点蚀坑，点蚀坑数量较少。

图1 浸泡14d后，试样I－0（a），I－1（b），II－0（c）和II－1（d）去除腐蚀产物后的表面形貌Fig.1 Surface morphologies of sample I－0（a），I－1（b），II－0（c）and II－1（d）viaremoval of corrosion products after 14dimmersion

2.3 腐蚀形貌特征

浸泡14d后，试样I－1表面及溶液中均覆盖黑色沉淀物；试样II－1表面及溶液中只形成乳黄色沉积物，两种含菌溶液均有刺鼻的H2S产生。无菌试样I－0和II－0表面无黑色沉淀，溶液也无H2S气体产生。

图2 浸泡14d后，试样I－0（a），I－1（b），II－0（c）和II－1（d）的表面腐蚀产物形貌Fig.2 Surface morphologies of corrosion products of sample I－0（a），I－1（b），II－0（c）and II－1（d）after 14dimmersion

图2和图3分别给出了4种试样表面的腐蚀产物形貌及XRD分析。由XRD分析可知，无菌试样I－0和II－0表面的腐蚀产物成分相同，由NH4MgPO4·6H2O，Al2O3，Al（OH）3，Al4Ca和 AlPO4构成。从衍射峰强度判断，NH4MgPO4·6H2O为主要腐蚀产物。其他腐蚀产物皆为含Al化合物，Al来自于金属阳极的溶解，由于AZ91中的Al含量较低，且Al相对于Mg较耐腐蚀，因此所形成的含Al化合物的含量较低。挂片I－1和II－1只能检测到微弱的NH4MgPO4·6H2O峰，表明腐蚀产物含量较少，其他腐蚀产物从XRD图谱已不能识别，需要结合EDS进行进一步分析。4种试样表面均形成NH4MgPO4·6H2O腐蚀产物膜，但是腐蚀产物的形态和分布具有明显差异。试样I－0表面腐蚀产物为粗大的竹叶状晶体，长度约为2～3mm，膜结构疏松；试样I－1的腐蚀产物为细小的针状晶，长度约为0.5～1mm，数量较少；试样II－0的腐蚀产物为短粗的柱状晶，长度约为1mm，膜结构疏松；试样II－1表面腐蚀产物为细密的短针状晶体，长度约为0.5mm，膜结构致密。

图3 浸泡14d后，试样I－0（a），I－1（b），II－0（c）和II－1（d）的表面腐蚀产物XRD分析Fig.3 XRD analyses of corrosion products on sample I－0（a），I－1（b），II－0（c）and II－1（d）surface after 14dimmersion

2.4 腐蚀表面SEM形貌及EDS能谱分析

图4和图5分别给出了腐蚀14d后，4种试样表面的微观形貌和能谱分析。挂片I－0表面含有元素C，O，Mg，Al，P，Ca，Fe和Zn，与 XRD分析结果对比，EDS进一步检测到了Fe和Zn。试样I－1表面除了检测到上述元素外，还检测到S。试样II－0表面含有元素C，O，Mg，Al，P，Ca，Cl和 K；试样II－1表面没有检测到Cl，其他成分与试样II－0相同。

Iverson［9］认为，EDS同时检测到Fe和S时，应有FeS生成。目前关于SRB影响下的低碳钢腐蚀理论之一，就是FeS作为大阴极与钢构成电偶腐蚀，促进碳钢的溶解［8］。从合金在海水中的电偶序可知，镁合金的非平衡电位约为－1.20V，碳钢约为－0.40V，前者远远小于后者，表明镁合金的电偶腐蚀倾向大于碳钢。因此挂片I－1上的FeS沉积物会与镁合金构成电偶腐蚀，FeS作为阴极促进了阳极的溶解。

挂片I－0表面检测到Fe和Zn，但是目前Fe和Zn在无菌溶液中以何种形式存在，如何对基体腐蚀产生作用尚不清楚，还有待于进一步的研究。

图4 浸泡14d后，试样I－0（a），I－1（b），II－0（c）和II－1（d）表面的SEM 形貌Fig.4 SEM micrographs of sample I－0（a），I－1（b），II－0（c）and II－1（d）after 14dimmersion

试样II－0表面检测到Cl，表明有Cl－的吸附和聚集。Cl－半径极小，有强穿透性和高的活性，是强侵蚀性离子。Cl－对镁合金的腐蚀作用有两个方面：一是Cl－在保护膜的缺陷中聚集，使膜溶解从而引起基体的点蚀；另一方面Cl－可以直接参与阳极的溶解过程，它在参与阳极溶解的过程中有如下规律［10］：

图5 浸泡14d后，试样I－0（a），I－1（b），II－0（c）和II－1（d）表面的 EDS能谱分析Fig.5 EDS analyses of sample I－0（a），I－1（b），II－0（c）and II－1（d）after 14dimmersion

式中：ia为阳极电流密度；k为波尔兹曼常数；［Cl－］为氯离子浓度；β为阳极反应的传递系数；n为反应电子数；F为法拉第常数；R为摩尔气体常数；T为绝对温度；ηa为阳极的超电势。Cl－对阳极溶解具有活化作用，随Cl－浓度增加，阳极溶解电流密度增加。但是Mitrovic－Scepanovic［11］的研究表明，当 Cl－浓度达到0.002～0.02mol/L时才能使镁合金活化，引发点蚀。本实验的Cl－离子的浓度约为0.0121mol/L，在此临界浓度范围中，因此Cl－能够诱发挂片II－0的点蚀。

试样II－1表面没有检测到Cl－，由于SRB会吸收部分Cl－来调节细胞中水的渗透压，以维持细菌正常的代谢，因此降低了Cl－的浓度，影响了Cl－向金属表面的富集。但是溶液中含有H2S，Garner等人［12］认为SRB产生的H2S是点蚀活化剂，促进金属点蚀。密闭容器中，SRB产生的 H2S有1/3以氢硫酸，2/3以HS－形式存在，溶液中的H2S在空气/水界面处保持动态平衡［13］。Salvareza等人［14］的研究表明硫化物加入到含Cl－溶液中，碳钢的耐蚀性下降，硫化物对金属的活化由HS－引起。从耐腐蚀性上讲，AZ91远低于碳钢，因此试样II－1的点蚀是由HS－的活化作用或由HS－与Cl－的共同作用引起的。

由SEM形貌可知，试样I－1和II－1表面出现典型的杆状SRB细胞，表明SRB可以在AZ91表面附着并形成生物膜，生物膜由SRB细胞、胞外高聚物和腐蚀产物组成。试样I－1生物膜中的细菌数量较多，分布较密；试样II－1膜中细菌数量明显较少，分布稀疏。这种差异来自于溶液成分的不同，由于溶液I－1中含有硫酸亚铁铵和维生素C，两者刺激了SRB的生长和繁殖。而溶液II－1中由于缺少这两种成分，细菌生长、代谢相对迟缓，因此生物膜中细菌数量较少。结合腐蚀速率测量可知，生物膜的存在延缓了金属的腐蚀。这是因为生物膜具有吸收或阻挡溶液中侵蚀性离子（Fe2＋和Cl－）向合金表面的扩散和吸附，因此延缓了基体的腐蚀。

2.5 菌量和溶液pH

表3给出了浸泡14d后，生物膜和溶液菌量、腐蚀前后溶液的pH值。试样II－1生物膜及溶液菌量均大于试样I－1的相应菌量，然而SEM观察却显示试样II－1生物膜中的SRB细胞数量明显高于试样I－1。这是因为溶液I－1中含有的硫酸亚铁铵和维生素C促进了细菌的生长和繁殖，SRB在对数生长期大量繁殖，菌量的剧增大量消耗了溶液中的营养物质，同时产生大量细菌代谢产物H2S；进入生长衰退期后，有毒物质H2S的不断积累抑制了细菌的生长，同时由于营养匮乏使得生物膜中活菌数量大幅减少。而在溶液II－1中不含硫酸亚铁铵和维生素C，细菌生长相对迟缓，处于生长对数期时细菌增长量也相对较小，所以营养消耗和H2S产量也较少，从而使得生物膜中活菌数量反而较多。由于SRB的大量繁殖加剧了溶液I－1中的N和P消耗，从而显著抑制NH4MgPO4·6H2O的生成；而在溶液II－1中，由于N和P的供应充足，同时生物膜中的细菌不断消耗金属表面的营养，使得NH4MgPO4·6H2O晶粒不容易长大，形成较为细小致密的腐蚀产物。

表3 浸泡14d后试样表面生物膜和溶液中的菌量以及溶液的pH值Table 3 SRB cells number in biofilm and SRB medium，and pH values of solutions after 14dimmersion

pH值测量显示，浸泡14d后4种溶液的pH值差别不大，在7.85～9.06之间，呈弱碱性。这表明金属腐蚀程度的差异并不是由于溶液pH值的变化引起的。但不同介质pH值改变的机理却不同。无菌溶液pH值的升高来自于阴极区的析氢反应，析氢反应要消耗溶液中的H＋，从而使pH值增加。同为无菌溶液，溶液I－0的pH值要高于溶液II－0，尽管目前尚不知道无菌溶液中加入Fe2＋是如何加剧试样I－0腐蚀的，但是这种阳极溶解速率的增加，会导致阴极析氢反应速率增加，阴极反应消耗的H＋更多，所以溶液的pH更大。含菌溶液的情况相对复杂，由于细菌的存在会产生复杂的化学反应，这些化学反应都有可能影响溶液的pH值。根据实验现象和实验结果可以推测含菌介质pH升高的原因可能分为以下两个过程：（1）在浸泡初期，细菌数量较少，金属表面的阴极反应仍以析氢反应为主。（2）随着SRB数量和活性的增加，细菌将SO42－还原成S2－，随后S2－同溶液中的H＋结合生成H2S气体释放。H2S气体的释放使得溶液的pH值进一步升高。将含菌溶液的pH值与相应的无菌溶液相比较可知，前者的pH值均大于相应的后者的pH值，原因很可能是H2S的释放引起pH值的进一步增大。溶液I－1的pH值大于溶液II－1，这是由于金属表面产生了FeS沉淀，成为电偶腐蚀的阴极，促进了镁阳极的溶解并且加剧阴极的析氢反应，使得溶液的pH值增大；同时Fe2＋能够提高SRB细胞活性，使得细胞代谢物H2S产量增加，溶液中的H＋浓度进一步下降，最终导致溶液I－1的pH值大于溶液II－1。

综上所述，培养基中的Fe2＋，Cl－和 HS－等侵蚀性离子，是引起镁合金腐蚀敏感性增加的主要原因。生物膜的形成会对基体产生双重作用：一方面是SRB产生的HS－对基体的腐蚀作用；另一方面是生物膜对侵蚀性离子的吸收和阻挡作用，即对基体的保护作用。由于溶液的腐蚀性大于生物膜的腐蚀性，使得生物膜对基体的腐蚀作用被掩盖，而对基体的保护作用显现出来。在这些侵蚀性离子中，Fe2＋的侵蚀作用最强，SRB的存在对溶液中的Fe2＋产生如下影响：（1）部分Fe2＋作为营养源被SRB细胞吸收利用；（2）Fe2＋与H2S反应生成FeS沉淀沉积到瓶底；（3）生物膜胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substance，EPS）中的阴极官能团能和Fe2＋结合生成络合物，阻挡了Fe2＋向金属表面的吸附，因此SRB的存在抑制了AZ91的腐蚀。

3 结论

（1）SRB可以在AZ91表面附着、生长并形成生物膜，生物膜的存在抑制了AZ91的腐蚀。

（2）AZ91在含硫酸亚铁铵和抗坏血酸的API培养基中所形成的生物膜，SRB数量较多，分布均匀，腐蚀产物较少，膜结构疏松，对基体的保护作用较弱；在API培养基中形成的生物膜，其SRB数量较少，细胞分布不均匀，但腐蚀产物较多且膜结构致密，对基体具有较好的保护作用。

（3）溶液中硫酸亚铁铵中的Fe2＋明显促进了SRB的新陈代谢，但是会在镁合金表面形成FeS沉淀，显著促进AZ91的腐蚀。

［1］SONG G，ATRENS A，WU X，et al.Corrosion behaviour of AZ21，AZ501and AZ91in sodium chloride［J］.Corrosion Science，1998，40（10）：1769－1791.

［2］CHONGDAR S，GUNASEKARAN G，KUMAR P.Corrosion inhibition of mild steel by aerobic biofilm［J］.Electrochimica Acta，2005，50（24）：4655－4665.

［3］RAO T S，KNAIR K V.Microbiologically influenced stress corrosion cracking failure of admiralty brass condenser tube in a nuclear power plant cooled by freshwater［J］.Corrosion Science，1998，40（11）：1821－1836.

［4］WAGNER P，LITTLE B.Impact of alloying on microbiologically influenced corrosion－a review［J］.Materials Performance，1993，32（9）：65－68.

［5］朱绒霞，李亚会.航空发动机滑油系统镁合金微生物腐蚀与防护［J］.轻金属，2004，（12）：35－36.

［6］MIRANDA E，BETHENCOURT M，BOTANA F J，et al.Biocorrosion of carbon steel alloys by an hydrogenotrophic sulfate－reducing bacterium Desulfovibrio capillatus isolated from a Mexican oil field separator［J］.Corrosion Science，2005，48（9）：2417－2431.

［7］BOOTH G H，EFORD L，WAKERLY D S.Microbiological battery induced by sulfate－reducing bateria［J］.British Corrosion Journal，1988，23（3）：242－245.

［8］ANGELL P，URBANIC K.Sulphate－reducing bacterial activity as a parameter to predict localized corrosion of stainless alloys［J］.Corrosion Science，2000，42（5）：897－912.

［9］IVERSON W P.Research on the mechanisms of anaerobic corrosion［J］.International Biodeterioration ＆ Biodegradation，2001，47（2）：63－70.

［10］查全性.电极过程动力学导论［M］.北京：科学出版社，1978.

［11］MITROVIC－SCEPANOVIC V，BRIGHAM R J.Localized corrosion initiation on magnesium alloy［J］.Corrosion，1992，48（9）：780－784.

［12］GARNER A，NEWMAN R C.Thiosulfate pitting of stainless steels［A］.Corrosion 91［R］.Houston，TX：NACE International，1991.186.

［13］GIBSON G R.Physiology and ecology of the sulphate－reducing bacteria［J］.Journal of Applied Bacteriology，1990，69（6）：769－797.

［14］SALVAREZZA R C，VIDELLA H A.Passivity breakdown of mild steel in sea water in the presence of sulfate reducing bacteria［J］.Corrosion，1980，36（10）：550－554.

Influence of SRB on Corrosion Behaviour of AZ91Magnesium Alloy in Two Kinds of Culture Media

FANG Shi－jie1，2，LIU Yao－hui2，QIAO Jian3，ZHANG Wei1
（1Department of Mechanical and Electrical Engineering，Luoyang Institute of Science and Technology，Luoyang 471023，Henan，China；2Key Laboratory of Automobile Materials of Ministry of Education，College of Materials Science and Engineering，Jilin University，Changchun 130022，China；3Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China）

采用浸泡法、扫描电镜（SEM）和X射线能谱仪（EDS）研究了硫酸盐还原菌（SRB）在两种培养基中，对AZ91镁合金腐蚀行为的影响及其腐蚀机理。结果表明：在培养温度为（30±1）℃的条件下，SRB可以在AZ91表面附着、生长并形成生物膜，生物膜的存在抑制了AZ91的腐蚀。AZ91在含硫酸亚铁铵和维生素C的培养基中所形成的生物膜，其结构疏松，对基体的保护作用较弱。同时硫酸亚铁铵中的Fe2＋明显促进了SRB的新陈代谢，但是会在镁合金表面形成FeS沉淀，显著加速AZ91的腐蚀。

AZ91镁合金；硫酸盐还原菌；生物膜；腐蚀；培养基

Soaking method，SEM and EDS analyses were applied to evaluate the influence and mechanism of sulfate－reducing bacteria（SRB）for the corrosion of AZ91magnesium alloy in two kinds of culture media.The results show that，SRB can adhere and grow on the surface of AZ91，and then form a biofilm.The biofilm inhibits the corrosion of AZ91at（30±1）℃.The biofilm formed in the culture medium with（NH4）2Fe（SO4）·6H2O and C6H8O6is loose，and plays a weak protective role for the matrix.Furthermore，Fe2＋ions in（NH4）2Fe（SO4）·6H2O improve the metabolism of SRB significantly，however，they can form the deposition of FeS，which accelerates the corrosion of AZ91.

AZ91magnesium alloy；SRB；biofilm；corrosion；culture medium

TB172.5

A

1001－4381（2011）09－0056－06

吉林省科技发展重点项目（20040315）；河南省教育厅自然科学研究计划项目（2010B430019）

2010－01－20；

2011－07－08

方世杰（1973－），男，工学博士，副教授，主要从事金属的腐蚀与防护研究，联系地址：河南省洛阳市洛阳理工学院王城校区机电工程系（471023），E－mail：fangshijie8827@163.com