溶液中氧化亚铁硫杆菌对球墨铸铁的腐蚀行为影响研究

2021-06-15范金龙杨光明孟俊臣

四川轻化工大学学报(自然科学版) 2021年2期

刘锋，林莉，，范金龙，，杨光明，孟俊臣，龚敏

（1.四川轻化工大学材料科学与工程学院，四川自贡643000；2.材料腐蚀与防护四川省重点实验室，四川自贡643000）

引言

腐蚀是导致材料失效的重要因素。据统计，我国由腐蚀造成的经济损失占国内生产总值的3.34%，其中约20%的腐蚀都与微生物活动有关［1-2］。金属材料在实际工作环境中其表面易成为微生物的附着场所，部分微生物附着一定时间后会形成一层有利于自身生长的生物膜，膜内微生物的生命活动会破坏膜内外环境的一致性，进而影响到材料表面原本的腐蚀进程［3］，最终促进或抑制金属材料的腐蚀。通常情况下把微生物促进材料腐蚀的现象或过程称为微生物腐蚀（MIC），实际环境中对金属材料腐蚀起促进作用的常见微生物有硫酸盐还原菌、铁细菌、硫氧化菌、硝酸盐还原菌等［4-6］。氧化亚铁硫杆菌Thiobacillus ferrooxidans（T.f）是铁细菌的一种，其好氧嗜酸，依靠氧化环境中的二价铁和硫等无机成分来获取能量维持生长。由于该菌本身的氧化还原特性，在过去几十年间，T.f被广泛用于生物浸矿、煤炭脱硫、处理废水和污泥中的重金属元素等［7］。现已经有研究人员开展了T.f对各种金属腐蚀作用的影响进行研究［8-10］，但关于其对球墨铸铁的腐蚀影响研究还尚未见报道。

通过腐蚀失重、电化学方法、表面分析及产物分析研究T.f对球墨铸铁腐蚀行为的影响，测定T.f在一个生长周期内对球墨铸铁的失重腐蚀速率、溶液pH、电化学阻抗谱、腐蚀形貌和腐蚀产物物相组成，提出T.f影响铸铁腐蚀过程的可能机理。该研究工作有利于更好地理解T.f对球墨铸铁腐蚀行为的影响，为实际环境中球墨铸铁的腐蚀评估以及金属受微生物腐蚀的防护提供新的参考。

1 材料与实验方法

1.1 实验材料

本文中采用的实验材料为球墨铸铁，其主要化学成分见表1。

表1 球墨铸铁的主要化学成分

将球墨铸铁加工成两种尺寸的挂片试样，其中尺寸为50.0 mm×25.0 mm×3.0 mm的挂片用于测试失重腐蚀率；15.0 mm×10.0 mm×3.0 mm挂片用于腐蚀形貌的分析。另外，将铸铁加工成Φ12.0 mm×20.0 mm的圆柱体，底面焊接后引出导线，采用环氧树脂密封后制成电化学测试所需的工作电极，用于测试铸铁在腐蚀环境中电化学阻抗随浸泡时长的变化。挂片和电化学试样均采用80#砂纸逐级打磨至1000#，经丙酮擦拭除油后用超纯水清洗，再用75%的乙醇消毒，冷风吹干后置于超净工作台中待用。试样在每次使用前需经紫外照射20 min以保证试样表面没有杂菌污染。

1.2 实验方法

从川南某矿区酸性废水中分离纯化得到实验所用T.f，培养T.f所用培养基为9K培养基，培养基分A液和B液，A液成分见表2。

表2 9K培养基A液成分

A液在121℃，1×105Pa下经灭菌器（上海申安，LDZX-50KBS）灭菌20 min后，将pH调节至2.0。B液为44.2 g/L的FeSO4·7H2O水溶液。B液在抽滤灭菌后，其pH采用20%的H2SO4溶液调节至2.0。将调节pH后的A液和B液按3∶2的体积比混合，得到9K培养基。

将分离纯化后处于活性最佳时期的T.f置于冰箱中，在4℃下保存。需要接种时将冷藏的种菌取出，经二次活化后接种至新鲜培养基内，于恒温摇床中在30℃下进行培养，摇床转速为40 r/min。每隔一定时间定量取出菌液，用紫外分光光度计（上海美谱达P4PC型）在600 nm波长下测定不同时间菌液的吸光度。T.f数量与吸光度成正比，因此最后所得的T.f菌液吸光度随时间变化曲线即为T.f的生长曲线。

首先向第一组广口瓶中加入5 mL T.f和495 mL 9K培养基作为有菌腐蚀溶液；向第二组广口瓶中加入500 mL 9K培养基作为无菌腐蚀溶液（对照组）。两种溶液均用透气膜密封以隔绝外界污染，得到T.f体系和空白对照实验体系。在T.f体系和空白对照实验体系中浸泡挂片试样和工作电极，根据测得的T.f生长曲线确定合适的取样或电化学测试时间点，并用数显酸度计（上海佑科PHS-3E）分别测定两种体系的pH变化情况。为了更好地分析挂片的存在对溶液pH变化的影响，同时记录仅接种T.f的纯菌液的pH变化情况。经特定浸泡时长后，将两种体系中用于失重分析和腐蚀形貌分析的试样取出，清除腐蚀产物后，根据浸泡前后试样的质量损失情况测得铸铁在两体系中的腐蚀速率。失重腐蚀速率由下式得到：

式中，V-为失重腐蚀速率，g·m-2·h-1；Δm为铸铁腐蚀前后减少质量，g；S为铸铁表面积，m2；t为腐蚀时间，h。

采用英国Solartron1287＋1260A电化学工作站测试浸泡过程中球墨铸铁电极的电化学阻抗谱，参比电极为饱和甘汞电极（SCE），辅助电极为铂电极，扰动电压为10 mV的正弦信号，测试频率范围为10 mHz～10 kHz。得到的阻抗曲线采用ZsimpWin软件进行拟合。本实验所有操作均在生物洁净台（苏净安泰BCM-1600A）中完成。采用扫描电子显微镜（TESCAN Vega-3SBU）对去除腐蚀产物后的试样进行腐蚀形貌分析。将腐蚀产物收集，采用X射线衍射仪（丹东方圆DX-2600）分析腐蚀产物物相组成。

2 结果与讨论

2.1 生长曲线

测得的T.f生长曲线如图1所示，T.f菌株生长周期约为10天。图2（a）为0～47 h培养基外观，图2（b）与图2（c）为47 h～159 h培养基外观，图2（d）与图2（e）为159 h～202 h培养基外观，f为202 h后培养基外观。结合图1、图2可知，0～47 h内T.f的生长曲线较为平缓，培养基颜色为透明，说明该阶段T.f还未适应新的环境，处于生长停滞期，在为自身生长繁殖储能，T.f浓度低且活性较弱。47 h～159 h内T.f生长曲线较为陡峭，为指数生长期，培养基颜色由浅绿色逐渐变为黄色，该阶段T.f代谢旺盛，生长速率达到最大，T.f不断将溶液中Fe2＋和各种无机物氧化以进行代谢与繁殖［11］。159 h～202 h内T.f生长曲线较为平坦，为稳定生长期，此时T.f活菌数达到最大，氧化能力较强，增殖速率有所下降，菌体死亡数目开始增加，但细菌的增殖速率和死亡速率趋于平衡，培养基颜色由红色变为深红色。202 h后生长曲线开始下滑，T.f进入衰亡期，培养基颜色为红褐色，此阶段培养基内T.f生长所需营养成分逐渐被消耗殆尽，T.f菌生长代谢已经趋于停滞，菌体死亡速率远大于增长速率。

图1 T.f的生长曲线

图2 T.f在一个生长周期内引起的溶液颜色变化情况

2.2 失重腐蚀速率和溶液p H变化

由测得的生长曲线选取30 h、60 h、120 h、170 h、190 h、220 h为测试时间节点以观察T.f在一个生长周期内不同生长阶段对铸铁的腐蚀行为的影响。

T.f在一个生长周期内，铸铁在两种体系中腐蚀速率随时间的变化情况见表3。腐蚀速率的变化趋势可直观地从图3看出。结合表3和图3可知，铸铁在无菌体系中，30 h～60 h腐蚀速率减小，60 h～120 h增大，120 h～170 h减小，170 h～190 h增大，190 h～220 h减小。这是因为30 h～60 h内无菌体系中试样表面已经出现了成块的腐蚀产物膜层，这种产物的堆积减缓了腐蚀进程。60 h～120 h内产物膜层部分区域开始脱落，使得腐蚀速率有一定程度的上升。120 h～170 h内试样表面积累的腐蚀产物膜层已经有了一定厚度，这极大地阻碍了试样表面和溶液界面的物质传递，腐蚀速率明显下降。170 h～190 h腐蚀速率出现少量回升，这可能是腐蚀产物膜层的完整性和致密度发生了变化。190 h～220 h 9K培养基提供的Fe2＋和无机盐离子等已经消耗殆尽，因此腐蚀速率降到最低。从总体上看，铸铁在无菌体系的腐蚀速率趋于减小，一方面是溶液中的H＋随着时间的延长不断被消耗，浓度逐渐降低，反应减缓；另一方面，由于腐蚀产物膜生成，阻碍了铸铁基体与溶液中的H＋反应，使腐蚀速率进一步降低。

表3 铸铁在T.f体系和无菌体系中不同时间点的腐蚀速率

铸铁在T.f体系中的腐蚀速率表现出与无菌体系中不一样的变化规律。铸铁在T.f体系中，30 h～60 h腐蚀速率下降，60 h～190 h增大，190 h～220 h减小。T.f体系30 h～60 h腐蚀速率下降原因与无菌体系相同，此阶段溶液中T.f菌量较少同时活性不高，试样表面发生较为剧烈的析氢反应并堆积了大量的腐蚀产物，阻碍了离子的传递，腐蚀速率下降。60 h～170 h内溶液中活菌数量不断上升，同时活性也保持在一个较高水平，如式（1）所示，T.f不断把Fe2＋氧化成Fe3＋：

Fe3＋进而发生一系列水解反应生成水合铁氧化物［12］。这些氧化物为T.f附着生长提供了良好环境，T.f又依附在这些铁氧化物周围，不断向铸铁内部扩散成团生长，同时对铸铁的腐蚀过程发挥促进作用。170 h～190 h内腐蚀速率达到最大，此阶段体系内T.f数量达到最大值，T.f对铸铁的作用最为强烈。190 h～220 h T.f体系内适合T.f生命活动的适宜条件已逐渐恶化，同时试样表面积累了一定厚度的腐蚀产物膜层，使腐蚀速率下降。

对比T.f和无菌体系中的腐蚀速率可知：0～30 h铸铁在T.f菌体系和无菌体系中的腐蚀失重速率无明显差异，30 h～220 h内T.f体系内的腐蚀速率均高于无菌体系。这是因为0～30 h内T.f体系中的T.f还处于适应新环境的阶段，数量和活性都不高，两体系中铸铁表面都发生强度差不多的析氢腐蚀。30 h～220 h内T.f体系中T.f主动从氧化Fe2＋和各种还原态无机物过程中获取能量维持生长，且T.f吸附在试样表面铁氧化物形成的结核上，为自身生长创造有利条件，从而削弱了产物膜层对铸铁的保护作用。

图3 铸铁在T.f体系和无菌体系中不同时间点腐蚀速率

表4和图4是T.f在一个生长周期内培养基的pH随时间的变化情况，主要包括上文中T.f体系（有菌腐蚀溶液）与空白对照实验体系（无菌腐蚀溶液），以及一种不含铸铁试样的有菌培养基。结合图4和表4可以看出，铸铁在T.f的一个生长周期内，三组培养基的pH都随时间延长而逐渐上升，接种T.f并浸泡铸铁挂片的溶液pH高于无菌并浸泡铸铁挂片的溶液pH，接种T.f但未悬挂铸铁挂片的溶液pH最小。结合实验现象，导致含铸铁的两种体系pH较高的原因在于发生了析氢反应：

表4 不同时间点浸泡挂片和未浸泡挂片体系中溶液的pH

随着氢气的产生，溶液中氢离子不断被消耗，pH值逐渐升高。不论溶液中是否有铸铁的存在，三种溶液中都有发生将Fe2＋氧化为Fe3＋和消耗H＋的反应［13］。

含铸铁挂片体系中除了溶液本身的Fe2＋外还有铸铁不断溶解提供Fe2＋，这加剧了阴极析氢反应的进行，而T.f依赖氧化Fe2＋获取能量，因此析氢反应进行得更为剧烈。

图4不同时间点浸泡挂片和未浸泡挂片体系中溶液pH变化

2.3 电化学阻抗谱

图5 所示为铸铁在T.f体系和无菌体系中不同时间点的EIS图谱。由图5可看出，无菌体系和T.f体系容抗弧半径均随时间延长而逐渐增大，但相同时间点无菌体系阻抗谱半径大于T.f体系阻抗谱半径，可初步判断T.f促进了铸铁腐蚀。根据两体系本身特性以及阻抗谱变化，在不同时间点选用图6中两种等效电路，对两体系阻抗图谱进行拟合。其中，Rs代表参比电极到工作电极间的溶液电阻，Cdl为工作电极与培养基溶液间的双电层电容，Rct为电荷转移电阻，该值的变化情况反映了体系腐蚀反应进行难易程度的变化［14］。220 h后T.f体系内T.f代谢活动减弱，其对电极表面覆盖层的影响力也随之下降，此前电极表面T.f活动累积形成的生物膜层已经得到固定，其中Cb代表T.f体系中的生物膜电容，Rb代表T.f体系的生物膜电阻。

图5 铸铁在T.f体系和无菌体系中的EIS图谱

表5 铸铁在T.f体系中不同时间点EIS图谱参数值

铸铁在两体系中不同时间点EIS拟合参数值见表5和表6。由表5、表6可知，无菌体系Rs随时间延长而增大，T.f体系Rs在30 h～190 h不断增大，190 h～220 h减小，两体系中Rs大小受工作电极与参比电极间离子浓度以及离子在电极表面分布情况的影响。190 h～220 h T.f体系中T.f活性和数量都有所下降，因此溶液中Fe3＋水解后产生悬浮高价铁氧化物的速率有所下降。T.f体系Cdl值随时间延长而出现较大的波动，这是由于随时间的延长，T.f体系电极表面抱团生长的菌群在不断更新，随T.f紧密附着的部分产物层的状态也因此不断发生变化［15］。无菌体系Cdl值在190 h前逐渐增大，190 h后逐渐减小则是无菌体系电极表面附着的产物层累积和自然脱落的结果。30 h～190 h T.f体系Rct小于无菌体系Rct，190 h～220 h T.f体系Rct大于无菌体系Rct，可以认为T.f在其新陈代谢旺盛的时间段内促进了铸铁的腐蚀。

表6 铸铁在无菌体系中不同时间点EIS图谱参数

图6 铸铁在T.f和无菌体系中的EIS等效电路

2.4 腐蚀形貌分析

图7所示为铸铁分别在T.f和无菌体系中腐蚀不同时间后的表面微观形貌图。由图7可知：无论有无细菌的存在，铸铁的腐蚀初期均表现出典型的局部腐蚀特征。腐蚀的产生从形成蚀坑（孔）开始，蚀坑不断发展变大，越来越密集，直至连接成片，彻底破坏铸铁的表面结构。造成这种形态的原因可能是因为铸铁中存在大量的含碳相，在腐蚀反应进行的过程中，这些含碳相在微观尺度上扮演着阴极的角色。含碳相周围的铁作为阳极，首先发生腐蚀。

图7 铸铁在T.f和无菌体系中的腐蚀微观形貌

无菌体系中的试样经30 h浸泡后，试样表面较为平整，仅有轻微的腐蚀痕迹。浸泡60 h后，铸铁表面出现少量小的腐蚀坑，从前文分析中得知，此时腐蚀产物膜层的部分区域发生脱落。从浸泡120 h～170 h后的腐蚀形貌可以看出，随着腐蚀时间的延长，铸铁表面腐蚀坑开口有所增大且孔洞分布更加密集。190 h～220 h后腐蚀坑变得密集，呈蜂窝状。

在含T.f的体系中，铸铁在经相同时间的浸泡后，表面的腐蚀破坏程度明显比无菌体系中的要严重。经30 h浸泡后，试样表面已经出现大面积的腐蚀坑。60 h后，腐蚀坑面积更大、更深，铸铁表面呈蜂窝状。腐蚀严重程度相当于无菌体系中220 h后的铸铁表面。这说明T.f的存在确实极大加速了铸铁的腐蚀过程。120 h后，铸铁的原生表面被完全腐蚀，开始出现直径100μm以上的宏观缺陷。有菌体系中，铸铁腐蚀程度更严重的原因可能是在T.f腐蚀过程中会产生大量的腐蚀产物，其聚集在腐蚀产物膜层上，不断依靠氧化铸铁、Fe2＋和硫化物维持生长，生长过程中产生的Fe3＋易在铸铁表面形成水合铁氧化物，这些水合铁氧化物又为T.f附着生长提供了有利的生长环境［16］。靠近铸铁的细菌参与了铁离子的扩散和消耗过程，加速了其腐蚀进程。

2.5 腐蚀产物物相分析

两体系中所收集腐蚀产物的XRD测试结果如图8所示。由图8可知，T.f组和无菌组培养基中铸铁试样表面产物均为黄钾铁矾（KFe3（SO4）2（OH）6），这说明T.f并未改变铸铁在9K培养基中原本的腐蚀结果。在9K培养基体系中，Fe2＋被氧化成Fe3＋，Fe3＋被水解，溶液中发生一系列的水解反应，形成多核羟基络离子［17］，最终形成了黄钾铁矾，两体系中试样表面具体反应式如下：

此外，在反应式（3）中，T.f体系内T.f细菌周质间隙中的铜蓝蛋白和一系列细胞色素起到电子的传递作用，与细胞质内的氧结合并产生氧负离子，与H＋作用生成水。同时在电子传递过程中F0F3酶推动ATP合成，为细菌的生长提供能量。因此相较于无菌组，T.f体系中的Fe2＋的氧化反应更为剧烈，T.f促进了黄钾铁矾沉淀的生成［18］。因此T.f和无菌体系对比试验表明，T.f的存在仅仅加速铸铁腐蚀反应的历程，但并未改变腐蚀反应路径。