海水中小球藻對Q235碳鋼腐蝕行為的影響

,, ,,,

(1. 江蘇科技大學 材料科學與工程學院，鎮江 212003； 2. 中國科學院海洋研究所 海洋環境腐蝕與生物污損重點實驗室 中國科學院海洋研究所，青島 266071； 3. 國網浙江省電力公司 電力科學研究院，杭州 310006)

工程材料浸入海洋環境中會發生一系列的腐蝕失效，從而帶來巨大的經濟損失，而大部分腐蝕是由海洋生物造成的。據統計，全世界每年由于海洋生物腐蝕導致的損失就高達上千億美元[1-2]，因此越來越多的學者開始關注海洋生物腐蝕并對其進行了大量研究，提出了微生物腐蝕的機理及控制方法[3]。由微生物的活性導致的金屬破壞被稱為生物腐蝕或微生物腐蝕(MIC)，它是非生物腐蝕產物、生物及其代謝產物在金屬材料表面共同作用的結果。后者主要指有機酸或無機酸。大部分腐蝕發生在微生物群之間的區域，微生物的聚集導致電化學活性梯度，例如藻的光合作用能夠改變金屬表面的狀態(pH和溶解氧含量等)[4-5]，進而改變其腐蝕過程。微生物的聚集能夠形成一道擴散阻擋層，該部分成為陰極區;在未被微生物覆蓋的區域，海水中的氯化物和硫酸鹽仍可與材料表面接觸發生腐蝕成為陽極區，從而使電化學反應加快。

近年來,關于微生物腐蝕研究主要集中在細菌方面[6-7]，例如硫酸鹽還原菌(SRB)和鐵細菌，而關于海洋藻類對金屬腐蝕的研究較少。像大多數微生物一樣，微藻會附著在固體表面形成微生物膜，進而改變材料局部的物理化學特性[8-9]，導致材料的損壞或腐蝕等嚴重問題。LANDOULSI等[10]認為微藻通過光合作用產生的氧氣及其代謝產物等生物活動都會影響微生物腐蝕。王偉等[11]研究了微藻對碳鋼腐蝕電位的影響，結果顯示:在動態海水中由于金屬表面很難形成完整穩定的附著層,導致碳鋼的腐蝕電位隨著浸泡時間的延長而負移。同時LIU等[12]研究了小球藻對碳鋼腐蝕行為的影響。但目前關于單一海洋微藻對材料的腐蝕仍然較少。小球藻(chlorella vulgaris)是一種在海洋中分布比較廣泛，且生長迅速、適應力強的單細胞綠藻，也是微生物膜的重要組成部分[13-14]。小球藻主要由多糖，蛋白質脂肪酸等構成，同時包含官能團，例如羧酸和氨基酸，它們呈酸性，有可能和溶液中的金屬離子相結合[15-16]，對金屬的腐蝕產生影響。

Q235鋼因其性能良好、價格低廉而被廣泛應用于海洋設備及船舶制造，但在復雜的海洋環境中，Q235鋼極易發生腐蝕破壞，尤其是微生物腐蝕，這對海洋設施的正常使用造成嚴重影響。因此，本工作通過表面分析技術和電化學測試研究了海水中小

球藻對Q235碳鋼腐蝕行為的影響。

1 試驗

1.1 試樣的制備

試驗采用Q235碳鋼試片，尺寸為10 mm×10 mm×10 mm，化學成分(質量分數)為：0.1% C，0.4% Mn，0.12% Si，0.02% S，0.05% P，其余為Fe。電化學測試試樣背面用銅導線連接，環氧樹脂封嵌。表面分析試驗時，為保證小球藻與鋼片充分接觸，僅將其中的一個面用704硅膠密封，其余面均暴露在培養液中。使用1 000號的水磨砂紙對試樣進行打磨，并用乙醇超聲除油，去離子水清洗，干燥放置備用。使用前對試樣進行紫外滅菌處理。

1.2 小球藻的培養

試驗所用的小球藻來源于中科院海洋所，培養液為f/2，其成分見表1，培養液采用高溫滅菌鍋在121 ℃滅菌30 min。培養過程中，將小球藻接種在盛有100～150 mL培養液的250 mL錐形瓶中，并放置在智能光照培養箱中。培養溫度為23 ℃，光照強度為3 000 lx，按12 h∶12 h進行光暗的周期交替。

表1 f/2培養液成分Tab. 1 Composition of f/2 culture medium

1.3 小球藻生長曲線測定

由于微生物在培養液中的含量與光密度(OD值)成正比[17]，因此本工作采用紫外分光光度計測培養液的OD值研究小球藻的生長。

生長曲線的測定大概分為三個步驟：接種、培養和測定。首先,準備3個500 mL的三角瓶，每個三角瓶中倒入300 mL的f/2培養液，將處于生長期的小球藻接種到培養液中(每100 mL培養液中接種5個小球藻)，搖勻放入培養箱中。每天在特定的時間分別從3個三角瓶中取出10 mL溶液裝入15 mL的離心管中(該操作在無菌超凈臺中進行)，進行標記，立即放入冰箱中4 ℃保存，待培養結束之后一起采用紫外分光光度計進行測量。測量時將未接種小球藻的培養液倒入比色杯中，采用680 nm波長作為零點參比對照，對培養不同時間的培養液進行OD值測定。

1.4 表面分析試驗

取兩個滅菌后的三角瓶分別倒入350 mL的f/2培養液。其中一個加入35 mL處于生長期的藻液。把制備好的Q235碳鋼試樣各放入兩個三角瓶中，采用透氣膜將瓶口封住。將三角瓶放置在光照培養箱中，10 d后把試樣分別從兩個三角瓶中取出并進行處理,然后采用JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡對處理好的試樣進行觀察。

1.5 電化學試驗

電化學測試采用三電極體系。其中,Q235碳鋼為工作電極，鉑電極和飽和甘汞電極(SCE)分別為輔助電極和參比電極。測試儀器為GAMRY1000電化學工作站，測試周期為15 d。設定掃描頻率為10 mHz～100 kHz，擾動電位為10 mV。測試得到的數據用ZSimpWin軟件分析。

2 結果與討論

2.1 小球藻的生長周期

小球藻在培養液中的生長曲線如圖1所示。其生長過程大致分為4個階段：分別為調整期、對數期、穩定生長期及衰亡期。初始階段小球藻剛接種到培養液中，小球藻的密度較低且分裂緩慢，因此小球藻的生長較為緩慢；剛接種藻的培養液中含有豐富的營養物質，待小球藻在培養液中適應一段時間之后開始以二次分裂的方式進行快速繁殖，其增長方式呈指數形式；隨著小球藻的快速繁殖，培養液中的營養物質被大量消耗，代謝產物增加，使得小球藻的增長逐漸放緩，并有部分藻類出現死亡，在整個體系中小球藻的生長達到一個動態平衡的狀態；平衡階段維持一段時間后，培養液中的營養物質被耗盡，小球藻的繁殖速率小于衰亡速率，最終導致活性小球藻的數量減少。

2.2 表面分析

圖2為Q235碳鋼在不含小球藻和含小球藻培養液中浸泡10 d后的腐蝕形貌。通過比較發現，Q235碳鋼在不含小球藻的培養液中發生的是均勻腐蝕，材料表面均勻地分布著大大小小的腐蝕坑；而在含小球藻培養液中Q235碳鋼表面發生的是不均勻腐蝕，在部分表面出現了較為嚴重的腐蝕坑洞，與無藻體系相比，腐蝕坑洞較大，這說明在小球藻體系中Q235碳鋼的腐蝕較為嚴重。這是因為在含藻體系中，小球藻的光合作用會產生大量的氧氣，使得培養液中的溶解氧含量明顯升高，從而加速了陰極的氧去極化反應。同時培養液中的小球藻在Q235碳鋼表面附著形成一層生物膜對其起到保護作用。但由于Q235碳鋼極易腐蝕，表面的腐蝕產物不斷更新，小球藻很難長期在試樣表面附著，部分已形成的生物膜也會隨著腐蝕產物一起脫落，未能起到很好的保護效果。即使某些位置形成的生物膜較為致密，也會由于金屬表面的生物膜分布不均而產生不同的陰極活性區域。生物膜覆蓋的區域氧含量較低，成為陽極區，未覆蓋的區域氧含量較高,成為陰極區，從而形成氧濃差電池。含氧條件下金屬表面自然不均勻分布的生物膜會導致氧濃差電池，加速金屬材料的腐蝕[18]。

圖1 小球藻生長曲線Fig. 1 Growth curve of chlorella vulgaris

對分別浸泡在不含和含小球藻培養液中10 d后的Q235碳鋼表面進行EDS分析，結果如表2所示。與不含小球藻的培養液相比，浸泡在含小球藻培養液中的試樣表面硫元素和磷元素的質量分數分別從1.059%和0.075%增加到2.748%和1.221%。

(a) 不含小球藻，低倍(b) 不含小球藻,高倍(c) 含小球藻，低倍(d) 含小球藻,高倍 圖2 Q235碳鋼在不含小球藻(a，b)和含小球藻培養液(c，d)中浸泡10 d后的腐蝕形貌Fig. 2 Corrosion morphology of Q235 carbon steel immersed in culture medium without (a，b) and with (c，d) chlorella vulgaris for 10 days at low and high magnifications

這是由于試樣所用的f/2培養液中含有一定量的生物素(C10H15N2O3S)和維生素B12(C63H88CoN14O14P)，這些有機分子被小球藻吸收以后隨著小球藻一起附著在試樣的表面。此外浸泡在含小球藻體系中的試樣表面有硅元素和鎂元素存在，硅是小球藻生長所需要的營養成分，可促進小球藻的生長及光合作用，而鎂元素是構成葉綠素的重要元素，小球藻中富含大量的葉綠素a和葉綠素b，當附著在試樣表面的小球藻死亡后，細胞內的色素則會被釋放出來[12,19]，所以試樣表面含有鎂元素。

2.3 電化學測試結果

圖3為在不含小球藻和含有小球藻培養液中Q235碳鋼的開路電位隨時間的變化曲線。由圖3可見：在不含小球藻培養液中浸泡0～15 d時，Q235碳鋼的開路電位從-722.11 mV逐漸負移至-728.97 mV，這期間腐蝕速率較大；隨后開路電位正移至-715.02 mV，這是由于隨著反應的進行,腐蝕產物不斷積累在材料表面形成產物膜，該產物膜對基體具有保護作用，腐蝕趨勢減弱；之后開路電位基本保持在-715 mV左右。在含小球藻培養基中Q235碳鋼的開路電位隨時間的變化較為復雜，與光照有明顯的關系。經12 h光照后，Q235碳鋼的開路電位逐漸負移，其中負移最多的接近30 mV，由-718.41 mV負移至-745.64 mV，因為在12 h光照條件下，小球藻進行光合作用產生氧氣，溶液中氧含量升高，氧在濃度梯度下通過生物膜達到金屬表面發生氧去極化反應，使開路電位負移；在12h黑暗條件下,小球藻的呼吸作用消耗氧氣，使Q235碳鋼的開路電位逐漸正移，正移最多的接近24 mV，由-745.64 mV正移至-721.76 mV。總體來看，小球藻在培養液中接種前3 d時，由于小球藻生長不旺盛，數量較少，因此開路電位與光照關系不大；接種4 d后，開路電位隨時間的變化比較規律，呈現出與光照有關的周期振蕩。

圖3 不含和含有小球藻培養液中的Q235碳鋼 開路電位隨浸泡時間的變化Fig. 3 Open circuit potential vs immersion time for Q235 carbon steel immersed in culture medium with and without chlorella vulgaris

由以上結果可以看出，在有藻和無藻體系中，Q235碳鋼開路電位的變化趨勢明顯不同，但兩者都有不同程度的正移，這與王偉等[11]報道的動態海水環境中Q235碳鋼的腐蝕電位變化規律相反。因為在靜態海水中的腐蝕產物和微藻代謝產物膜構成的復合膜層能夠附著在Q235碳鋼表面，對Q235碳鋼起到保護作用。

圖4為Q235碳鋼在不含和含小球藻培養液中的電化學阻抗譜，采用Zsimpwin軟件按圖5所示的等效電路對電化學阻抗譜進行擬合，擬合得到的參數見表3和表4。其中，Rs為溶液電阻；Qf為表面層的常相位角元件；Rf為表面層電阻；Qdl為界面雙電層的常相位角元件；Rct為電荷傳遞電阻,可以用來表征金屬的腐蝕速率，Rct越小，金屬腐蝕速率越大[20]。

從表3中可以看出：Rct在整個試驗周期內的變化較小，最低為1 266 Ω·cm2，最高為1 877 Ω·cm2，基本穩定在1 500 Ω·cm2左右，說明在不含小球藻培養液中Q235鋼的電化學性能較為穩定。

從表4中可以看出：試驗初期小球藻數量較少，Rct小于1000 Ω·cm2，金屬的腐蝕速率較高；隨著浸泡時間的延長，Rct呈增大趨勢，在浸泡9 d時達到最大值，為1626 Ω·cm2，因為此時小球藻處于指數生長階段，培養液中藻的數量增多，同時培養液中營養物質豐富，小球藻新陳代謝旺盛，其代謝產物膜與腐蝕產物構成的復合膜層附著在金屬表面，對金屬具有保護效果，能夠減緩溶液中Cl-對金屬的腐蝕；試驗后期小球藻進入衰亡階段，微生物和腐蝕產物形成的復合膜逐漸疏松并脫落，對金屬的保護作用減弱，腐蝕速率逐漸增大。

(a) 不含小球藻

(b) 含小球藻 圖4 在不含小球藻和含小球藻培養液中 Q235碳鋼的電化學阻抗譜Fig. 4 EIS of Q235 carbon steel immersed in culture medium without (a) and with (b) chlorella vulgaris

(a) 不含小球藻

(b) 含小球藻 圖5 在不含小球藻和含小球藻培養液中Q235碳鋼 的電化學阻抗譜的等效電路Fig. 5 Equivalent circuits of EIS of Q235 carbon steel immersed in culture medium without (a) and with (b) chlorella vulgaris

表3 Q235碳鋼在不含小球藻培養液中電化學阻抗譜的擬合參數Tab. 3 Fitted parameters of EIS of Q235 carbon steel immersed in culture medium without chlorella vulgaris

表4 Q235碳鋼在含小球藻培養液中電化學阻抗譜的擬合參數Tab. 4 Fitted parameters of EIS of Q235 carbon steel immersed in culture medium with chlorella vulgaris

從整個試驗周期來看，Q235碳鋼在不含小球藻體系中的腐蝕速率低于在含藻體系中的。由于培養液中的小球藻發生光合作用產生氧氣，使得溶液中氧含量升高，陰極氧去極化加速金屬的腐蝕[21]，且陰極氧去極化腐蝕對金屬的影響遠遠大于生物膜對金屬的保護，所以電極過程還是以金屬的腐蝕為主。此外，由于Q235碳鋼的活性較高，腐蝕速率較快，從而使金屬表面不斷更新，導致小球藻很難在一塊穩定不變的金屬表面穩定附著，形成陰陽極區域，加速腐蝕。

3 結論

(1) 在不含小球藻培養液中Q235碳鋼發生均勻腐蝕，而在含小球藻培養液中碳鋼發生不均勻腐蝕，且與無藻體系相比，其點蝕坑較大；Q235碳鋼在含小球藻培養液中的腐蝕速率高于在不含小球藻培養液中的，且受溶液中氧含量變化的影響，在含小球藻體系中，開路電位隨浸泡時間的變化呈周期性振蕩。

(2) 小球藻在Q235碳鋼表面附著形成不完整的生物膜，產生不同陰極活性區域，形成氧濃差電池，加速金屬材料的腐蝕，同時小球藻的光合作用產生大量氧氣，引起金屬的氧去極化反應，也使腐蝕加快。

(3) 小球藻附著形成的生物膜與腐蝕產物覆蓋在試樣表面能夠抑制溶液中的離子向金屬表面擴散，對金屬基體起到保護作用，腐蝕速率降低，使浸泡后期金屬的腐蝕速率低于浸泡初期的。

參考文獻：

[1] BHADURY P,WRIGHT P C. Exploitation of marine algae:biogenic compounds for potential antifouling applications[J]. Planta,2004,219(4):561-78.

[2] FITRIDGE I,DEMPSTER T,GUENTHER J,et al. The impact and control of biofouling in marine aquaculture:a review[J]. Biofouling,2012,28(7):649-69.

[3] BEECH I B. Corrosion of technical materials in the presence of biofilms-current understanding and state-of-the art methods of study[J]. International Biodeterioration & Biodegradation,2004,53(3):177-183.

[4] STAROSVETSKY J,STAROSVETSKY D,POKROY B,et al. Electrochemical behaviour of stainless steels in media containing iron-oxidizing bacteria (IOB) by corrosion process modeling[J]. Corrosion Science,2008,50(2):540-547.

[5] WANG H,HU C,HU X,et al. Effects of disinfectant and biofilm on the corrosion of cast iron pipes in a reclaimed water distribution system[J]. Water Research,2011,46(4):1070-1078.

[6] SAN N O,NAZIR H,D?NMEZ G. Microbially influenced corrosion and inhibition of nickel-zinc and nickel-copper coatings by pseudomonas aeruginosa[J]. Corrosion Science,2014,79(2):177-183.

[7] EMERSON D,FLEMING E J,MCBETH J M. Iron-oxidizing bacteria:an environmental and genomic perspective[J]. Annual Review of Microbiology,2010,64(64):561-583.

[8] ROLF B,MEI H C,BUSSCHER H J. Physico-chemistry of initial microbial adhesive interactions-its mechanisms and methods for study[J]. Fems Microbiology Reviews,1999,23(2):179-230.

[9] JAIN A,BHOSLE N B. Biochemical composition of the marine conditioning film:implications for bacterial adhesion[J]. Biofouling,2009,25(1):13-9.

[10] LANDOULSI J,COOKSEY K E,DUPRES V. Review-Interactions between diatoms and stainless steel:focus on biofouling and biocorrosion[J]. Biofouling,2011,27(10):1109-24.

[11] 王偉,王佳,徐海波,等. 海洋環境中微生物膜吸附動力學過程對鈍態金屬開路電位變化特征的影響[J]. 中國腐蝕與防護學報,2006,26(2):65-69.

[12] LIU S,WANG Y,ZHANG D,et al. Electrochemical behavior of 316L stainless steel in f/2 culture solutions containing chlorella vulgaris[J]. International Journal of Electrochemical Science,2013,8(4):5330-5342.

[13] SEKAR R,VENUGOPALAN V P,SATPATHY K K,et al. Laboratory studies on adhesion of microalgae to hard substrates[M]. Berlin:Springer Netherlands,2004:109-116.

[14] IRVING T E,ALLEN D G. Species and material considerations in the formation and development of microalgal biofilms[J]. Applied Microbiology & Biotechnology,2011,92(2):283-94.

[15] GEESEY G G,JANG L,JOLLEY J G,et al. Binding of metal ions by extracellular polymers of biofilm bacteria[J]. Water Science & Technology,1988,20(11/12):161-165.

[16] GU J D,ROMAN M,ESSELMAN T,et al. The role of microbial biofilms in deterioration of space station candidate materials[J]. International Biodeterioration & Biodegradation,1998,41(1):25-33.

[17] DAHMS H U,DOBRETSOV S,QIAN P Y. The effect of bacterial and diatom biofilms on the settlement of the bryozoan Bugula neritina[J]. Journal of Experimental Marine Biology & Ecology,2004,313(1):191-209.

[18] ISHIHARA Y,TSUJIKAWA S. Effect of bacteria combined with diatom on ennoblement of electrode potential for stainless steels in natural sea water[J]. Corrosion Engineering,1999,48:520-527.

[19] ZHANG J,SUN C,YU Z,et al. The performance of zinc sacrificial anode in simulating marine fouling environment[J]. International Journal of Electrochemical Science,2014,9(10):5712-5721.

[20] 張杰,宋秀霞,欒鑫,等. 海藻希瓦氏菌對Zn-Al-Cd犧牲陽極的腐蝕性能影響[J]. 金屬學報,2012(12):1495-1502.

[21] ATES M. Review study of electrochemical impedance spectroscopy and equivalent electrical circuits of conducting polymers on carbon surfaces[J]. Progress in Organic Coatings,2011,71(1):1-10.