硫酸盐还原菌和异养硝化菌对304不锈钢腐蚀研究

郭军科，黄美慧，马有良

（1.天津市电力公司电力科学研究院，天津300022；2.东北电力大学，吉林市300384；3.中油吉化企业调整管理中心，吉林市300384）

硫酸盐还原菌和异养硝化菌对304不锈钢腐蚀研究

郭军科1，黄美慧2，马有良3

（1.天津市电力公司电力科学研究院，天津300022；2.东北电力大学，吉林市300384；3.中油吉化企业调整管理中心，吉林市300384）

研究了热电厂冷却塔黏泥中的硫酸盐还原菌和硝化菌的代谢特性。采用表面分析技术、腐蚀失重法、电化学技术分析304不锈钢在硫酸盐还原菌和硝化菌共同作用下的腐蚀行为。结果表明，混菌作用下304不锈钢表面形成均匀的生物膜，腐蚀速度小于单菌体系。

微生物腐蚀；硫酸盐还原菌；异养硝化菌

微生物腐蚀（MIC）是指由微生物生长繁殖诱发的腐蚀或受微生物影响所引起的腐蚀。MIC涉及广泛，包括循环冷却系统、污水处理管道、输油管道等多个领域〔1〕。据统计资料显示，微生物引起的金属材料的腐蚀占金属腐蚀破坏的20%〔2〕。

不锈钢基质中添加了Ni、Mo和V等元素，具有良好的耐蚀性能和力学性能〔3〕。然而Ni元素却能影响细菌在金属表面的吸附、繁殖及生物膜的进一步形成〔4〕。生物膜中主要为细菌代谢分泌的胞外聚合物和黏着的无机杂质。目前国内外报道的微生物与金属的相互作用主要以微生物加速腐蚀为主〔5〕。生物膜的不均匀黏附会在金属表面发生氧浓差腐蚀。然而另一些微生物却能起到减缓腐蚀的作用。A. Rajasekar等〔6〕发现在无机介质下，巨大芽孢杆菌和假单胞菌共同作用促使形成有钝化作用的生物膜，起到减缓304不锈钢腐蚀的作用，但在有机介质作用下304不锈钢表面出现明显点蚀现象。

硫酸盐还原菌（SRB）作为一种厌氧性细菌可将SO42-还原成S2-，产生的S2-对不锈钢钝化膜有较强的破坏作用，可降低钝化膜的保护性能，促使不锈钢腐蚀〔7〕。此外，异养硝化菌代谢过程产生的酸对金属管道的酸蚀也是相当严重的。关于这2种菌混合作用对不锈钢腐蚀的研究国内外鲜有报道。笔者选取热电厂冷却塔黏泥中分离的硫酸盐还原菌和异养硝化菌制成混合菌体系，研究两菌共同作用对304不锈钢的腐蚀行为。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

实验材料采用304不锈钢，其化学成分见表1。

表1 304不锈钢的化学成分

将材料加工成3种，分别为20 mm×30 mm× 2 mm的长方形带孔试片、10 mm×10 mm×2 mm的正方形试片和D 10 mm×10 mm圆柱形电极，其中带孔试片用于腐蚀失重实验，正方形试片用于扫描电镜分析，圆柱形电极用于电化学实验。

1.2 菌种来源及培养

异养硝化菌和硫酸盐还原菌取自吉林市某热电厂冷却塔底黏泥，经分离纯化得到，分别命名为H1和SRB。SRB菌种活化和实验用培养基采用Posgate C培养基，其成分为：K2HPO40.5 g/L、NH4Cl 1.0 g/L、Na2SO40.5 g/L、FeSO4·7H2O 0.3 g/L、CaCl20.1 g/L、MgSO42.0g/L、酵母浸粉0.25 g/L、乳酸钠3.5 g/L。Vc溶液：在培养基使用当天将0.2 g经紫外灭菌30 min的Vc溶解于20 mL无菌水中，混匀。硝化细菌培养基成分：（NH4）2SO40.35 g/L、MgSO4·7H2O 1.0 g/L、KH2PO41.0g/L、C4H4Na2O42.4 g/L。

混合培养液是将两菌培养基等体积混合。分别将单一培养液中培养至24 h的H1和SRB取相同体积，离心分离得菌悬液，并以体积比1∶200接入灭菌处理（121℃，0.14 MPa）的混合培养液，置于32℃的恒温培养箱中连续密闭培养。H1与SRB计数采用稀释平板计数法，测得培养液中的活菌数量，进而绘制出细菌生长曲线。

1.3 生物膜形貌分析

将304不锈钢试片打磨至2 000#，用0.5 μm的研磨膏抛光，丙酮去油〔2〕。使用前在洁净工作台的紫外线灯下灭菌30 min。将304不锈钢试片分别浸泡于H1、H1-SRB和SRB体系中，12d后取出。进行如下处理：用1%的硝酸溶液浸泡60 min，再在15%柠檬酸铵溶液中浸泡70 min。用毛刷刷洗不锈钢试片，洗净后放入无水酒精中浸泡，再转移至干燥器中干燥，冷却至室温后用扫描电镜观察其表面形貌。

1.4 失重分析

将标准长方形带孔试片用丙酮去油，干燥处理并称重。每组3个平行试样，悬挂浸泡于H1、H1-SRB和SRB体系中，各组试片悬挂高度保持一致。分别于3、9、12 d取出试片，刷洗去除腐蚀产物，再用蒸馏水冲洗，滤纸擦拭并吸干水分，置于干燥箱中4 h以上，称重，计算平均腐蚀速度。

1.5 电化学测试

电化学测试采用CHI600C电化学工作站。工作电极为304不锈钢电极，参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为铂电极，使用前在洁净工作台的紫外线灯下灭菌30 min。将三电极体系接入电化学工作站中，分别取出在恒温培养箱中培养1、3、9、12 d的H1、H1-SRB和SRB培养液，用三电极体系测定不同培养时间下304不锈钢电极的塔菲尔曲线。初始电位和终止电位分别设置成开路电位±0.5 V。

2 实验结果与讨论

2.1 细菌的生长

为研究SRB和H1在混合培养基中的生长情况，利用平板菌落计数法，绘制两菌的生长曲线，见图1。

图1 H1和SRB在混合培养基中的生长曲线

初始阶段，由于H1接入新的环境需要适应新的pH、氧浓度、温度等条件，在接种1 d后菌体数量没有太大变化。此后H1增殖速率加快，并在第5天菌密度达到最大值，这期间H1代谢活性高而稳定，生命力强。此后由于营养物质被大量消耗，以及代谢产物的积累和体系pH等环境变化，逐步不适宜H1的生长，致使H1菌体数量逐渐减少，进入衰亡期，此阶段细菌代谢活性较弱，细菌衰老并出现自溶。

SRB与H1不同，初始阶段在培养基中代谢较缓慢。第5天后菌密度增长速度加快，而此阶段H1进入菌体衰亡期，即H1活性的降低使得SRB代谢加快。SRB在第9天进入菌体衰亡期，菌体数量开始减少。

2.2 生物膜形貌

取304不锈钢试片在H1、H1-SRB和SRB三体系中浸泡12 d，用SEM观察其生物膜形貌。H1体系的304不锈钢试片表面形成的生物膜疏松，不均匀覆盖。SRB作用下试片表面的生物膜呈树枝状，不均匀覆盖，这都使得金属基质表面与环境介质形成氧浓度差异，加速金属电化学腐蚀。而H1-SRB体系中试片表面形成的生物膜覆盖率较SRB体系、H1体系要好，其膜层较强的吸附特性使得304不锈钢的金属基质免受介质中离子的作用，一定程度上充当了保护膜的作用。

2.3 腐蚀失重

用失重法计算304不锈钢分别浸泡在H1、H1-SRB、SRB体系中3、9、12d的平均腐蚀速度，结果见表2。

浸泡初期（0~3 d），H1体系304不锈钢的腐蚀速率较大，为0.021 83 g/（m2·a）。因为初始阶段介质中的营养环境适宜H1的生长，菌体代谢加速了金属的腐蚀。浸泡9 d后304不锈钢腐蚀速率有减缓趋势。原因可能是金属表面溶解氧的消耗，减缓了金属表面氧浓差引起的腐蚀，或金属表面逐渐形成的生物膜阻挡了腐蚀介质对金属材料的作用，从而起到一定保护作用。SRB体系中浸泡0~12 d的304不锈钢腐蚀速率逐渐增大。这是因为SRB代谢产物及培养基中的大量活泼离子对304不锈钢的侵蚀作用使腐蚀速率增大。H1-SRB体系中浸泡3~12 d的304不锈钢的腐蚀速率变化不大，浸泡12 d后304不锈钢的腐蚀速率在3个体系中最小，为0.009 98 g/（m2·a）。分析认为，两菌代谢作用在304不锈钢表面形成致密的生物膜，使金属的溶解速率大大降低。

2.4 开路电位及塔菲尔曲线

分别测定304不锈钢电极在H1、H1-SRB和SRB 3个体系中浸泡不同天数的开路电位及塔菲尔曲线，结果如图2所示。将H1体系、H1-SRB体系和SRB体系的塔菲尔曲线进行拟合，结果见表3。

图2 304不锈钢电极在各体系的开路电位及塔菲尔曲线

表3 三体系不锈钢电极在不同时间内的塔菲尔曲线拟合值

由图2、表3可知，H1体系中304不锈钢开路电位先正移后负移，腐蚀电流与开路电位的变化趋势相一致。初始阶段介质中营养丰富且溶氧充足，为H1的生长提供了适宜条件，H1生长代谢消耗介质中溶氧，降低了阴极的去极化率，及不锈钢表面形成的钝化膜使腐蚀速度减小。随着浸泡时间延长，介质中代谢产物的积累又加剧304不锈钢的局部腐蚀。

SRB体系中浸泡1～3 d开路电位负移，第3天的腐蚀电流达到最大，为7.235 μA。由于SRB由潜伏期进入快速生长期，在不锈钢电极表面形成多孔生物膜，不仅可捕获细菌分泌的代谢产物，还可使不锈钢电极表面的溶液组分浓度、pH和氧浓度在局部发生较大改变，形成浓度梯度，增加了溶液的腐蚀性，使电极电位负移到低位。3~9 d开路电位正移，腐蚀电流逐渐减小，这是由于随着浸泡时间延长，不锈钢表面生物膜趋于致密，腐蚀速度减缓；浸泡至9 d的304不锈钢开路电位达到峰值之后，又呈现负移变化，腐蚀电流逐渐增大。这是由于随着浸泡时间延长，电极表面膜层脱落，不均匀性导致腐蚀倾向增大。这与Xiaoxia Sheng等〔8〕的研究结果一致。

H1-SRB体系中304不锈钢电极浸泡1~3 d腐蚀电位正移，在3 d时腐蚀电流增至98.84 μA，在3个体系中腐蚀电流最大。初始阶段随着两菌进入生长旺盛期，H1代谢酸性物质的产生及SRB的代谢作用可将SO42-还原成S2-，产生的S2-对304不锈钢钝化膜具有较强的破坏作用，降低钝化膜的保护性能，且两菌相互影响下不易形成稳定的生物膜，使304不锈钢的腐蚀加剧。浸泡12 d后H1-SRB体系的304不锈钢的腐蚀电位为-0.723 V，腐蚀电流为2.020 μA，均小于单菌体系，这与腐蚀失重结果一致。H1与SRB的共同作用影响了电极表面产物膜的堆积，使得产物膜更紧密，从而使304不锈钢电极在混菌作用下的腐蚀速率小于单菌体系。

3 结论

（1）H1、H1-SRB和SRB 3个体系中浸泡12 d的304不锈钢挂片扫描电镜结果表明，SRB和H1共同作用下的生物膜较单菌体系的均匀致密。（2）腐蚀失重结果表明，在H1-SRB体系中浸泡12 d的304不锈钢的腐蚀速率为0.009 98 g/（m2·a），小于H1和SRB单菌体系，即混菌减缓了金属的均匀腐蚀。（3）极化曲线结果表明，H1-SRB体系中浸泡12 d的304不锈钢电极的腐蚀电位为-0.723 V，腐蚀电流为2.020 μA，均小于H1和SRB单菌体系，说明两菌间的相互作用减缓了304不锈钢的电化学腐蚀。

［1］Xu Congmin，Zhang Yaoheng，Cheng Guangxu，et al.Localized corrosion behavior of 316L stainless steel in the presence of sulfate-reducing and iron-oxidizing bacteria［J］.Materials Science and Engineering：A，2007，443（1/2）：235-241.

［2］顾彩香，于阳，吉桂军，等.304不锈钢在混合菌种共同作用下的腐蚀行为［J］.船舶工程，2011，33（4）：100-103.

［3］闫林娜，尹衍升，常雪婷，等.304不锈钢在微生物介质中的腐蚀行为［J］.中国腐蚀与防护学报，2008，28（1）：34-37.

［4］Lopes F A，Morin P，Oliveira R，et al.The influence of nickel on the adhesion ability of desulfovibrio desulfuricans［J］.Colloids&Surfaces B：Biointerfaces，2005，46（2）：127-133.

［5］Little B，Ray R.A perspective on corrosion inhibition by biofilms［J］. Corrosion，2002，58（5）：424-428.

［6］Rajasekar A，Ting Y P.Role of inorganic and organic medium in the corrosion behavior of Bacillus megaterium and Pseudomonas sp.in stainless steel SS 304［J］.Industrial&Engineering Chemistry Research，2011，50（22）：12534-12541.

［7］李家俊，刘玉民，张香文，等.油田回注水中硫酸盐还原菌对金属腐蚀的机理及其防治方法［J］.工业水处理，2007，27（11）：4-7.

［8］Sheng Xiaoxia，Ting Y P，Pehkonen S O.The influence of sulphatereducing bacteria biofilm on the corrosion of stainless steel AISI 316［J］.Corrosion Science，2007，49（5）：2159-2176.

Research on the action of sulfate reducing bacteria and heterotrophic nitrification bacteria on the corrosion of 304 stainless steel

Guo Junke1，Huang Meihui2，Ma Youliang3
（1.Electric Power Science Research Institute of Tianjin Electric Power Co.，Tianjin 300022，China；2.Northeast Dianli University，Jilin 300384，China；3.Enterprise Adjustment&Management Center，Jilin Chemical Industrial Co.，Ltd.，China Petroleum，Jilin 300384，China）

The metabolic characteristics of sulfate reducing bacteria and heterotrophic nitrification bacteria in the cooling tower sludge of a thermal power plant have been studied.The corrosion behavior of 304 stainless steel under the combined action of sulfate reducing bacteria and nitrification bacteria is analyzed by surface analysis technique，corrosion weightlessness method and electrochemical technique.The results show that biofilm under the action of mixed bacteria is formed evenly on the surface of 304 stainless steel.Its corrosion rate is less than that under the action of single bacteria.

microbiologically influenced corrosion；sulfate reducing bacteria；heterotrophic nitrification bacteria

TG142

A

1005-829X（2016）12-0070-03

郭军科（1971—），高级工程师。电话：15165767620，E-mail：huangmeihui1990@163.com。

2016-11-21（修改稿）