溶液中氧化亞鐵硫桿菌對球墨鑄鐵的腐蝕行為影響研究

劉 鋒，林 莉，，范金龍，，楊光明，孟俊臣，龔 敏

（1.四川輕化工大學材料科學與工程學院，四川 自貢643000；2.材料腐蝕與防護四川省重點實驗室，四川 自貢643000）

引言

腐蝕是導致材料失效的重要因素。據統計，我國由腐蝕造成的經濟損失占國內生產總值的3.34%，其中約20%的腐蝕都與微生物活動有關［1-2］。金屬材料在實際工作環境中其表面易成為微生物的附著場所，部分微生物附著一定時間后會形成一層有利于自身生長的生物膜，膜內微生物的生命活動會破壞膜內外環境的一致性，進而影響到材料表面原本的腐蝕進程［3］，最終促進或抑制金屬材料的腐蝕。通常情況下把微生物促進材料腐蝕的現象或過程稱為微生物腐蝕（MIC），實際環境中對金屬材料腐蝕起促進作用的常見微生物有硫酸鹽還原菌、鐵細菌、硫氧化菌、硝酸鹽還原菌等［4-6］。氧化亞鐵硫桿菌Thiobacillus ferrooxidans（T.f）是鐵細菌的一種，其好氧嗜酸，依靠氧化環境中的二價鐵和硫等無機成分來獲取能量維持生長。由于該菌本身的氧化還原特性，在過去幾十年間，T.f被廣泛用于生物浸礦、煤炭脫硫、處理廢水和污泥中的重金屬元素等［7］。現已經有研究人員開展了T.f對各種金屬腐蝕作用的影響進行研究［8-10］，但關于其對球墨鑄鐵的腐蝕影響研究還尚未見報道。

通過腐蝕失重、電化學方法、表面分析及產物分析研究T.f對球墨鑄鐵腐蝕行為的影響，測定T.f在一個生長周期內對球墨鑄鐵的失重腐蝕速率、溶液pH、電化學阻抗譜、腐蝕形貌和腐蝕產物物相組成，提出T.f影響鑄鐵腐蝕過程的可能機理。該研究工作有利于更好地理解T.f對球墨鑄鐵腐蝕行為的影響，為實際環境中球墨鑄鐵的腐蝕評估以及金屬受微生物腐蝕的防護提供新的參考。

1 材料與實驗方法

1.1 實驗材料

本文中采用的實驗材料為球墨鑄鐵，其主要化學成分見表1。

表1 球墨鑄鐵的主要化學成分

將球墨鑄鐵加工成兩種尺寸的掛片試樣，其中尺寸為50.0 mm×25.0 mm×3.0 mm的掛片用于測試失重腐蝕率；15.0 mm×10.0 mm×3.0 mm掛片用于腐蝕形貌的分析。另外，將鑄鐵加工成Φ12.0 mm×20.0 mm的圓柱體，底面焊接后引出導線，采用環氧樹脂密封后制成電化學測試所需的工作電極，用于測試鑄鐵在腐蝕環境中電化學阻抗隨浸泡時長的變化。掛片和電化學試樣均采用80#砂紙逐級打磨至1000#，經丙酮擦拭除油后用超純水清洗，再用75%的乙醇消毒，冷風吹干后置于超凈工作臺中待用。試樣在每次使用前需經紫外照射20 min以保證試樣表面沒有雜菌污染。

1.2 實驗方法

從川南某礦區酸性廢水中分離純化得到實驗所用T.f，培養T.f所用培養基為9K培養基，培養基分A液和B液，A液成分見表2。

表2 9K培養基A液成分

A液在121℃，1×105Pa下經滅菌器（上海申安，LDZX-50KBS）滅菌20 min后，將pH調節至2.0。B液為44.2 g/L的FeSO4·7H2O水溶液。B液在抽濾滅菌后，其pH采用20%的H2SO4溶液調節至2.0。將調節pH后的A液和B液按3∶2的體積比混合，得到9K培養基。

將分離純化后處于活性最佳時期的T.f置于冰箱中，在4℃下保存。需要接種時將冷藏的種菌取出，經二次活化后接種至新鮮培養基內，于恒溫搖床中在30℃下進行培養，搖床轉速為40 r/min。每隔一定時間定量取出菌液，用紫外分光光度計（上海美譜達P4PC型）在600 nm波長下測定不同時間菌液的吸光度。T.f數量與吸光度成正比，因此最后所得的T.f菌液吸光度隨時間變化曲線即為T.f的生長曲線。

首先向第一組廣口瓶中加入5 mL T.f和495 mL 9K培養基作為有菌腐蝕溶液；向第二組廣口瓶中加入500 mL 9K培養基作為無菌腐蝕溶液（對照組）。兩種溶液均用透氣膜密封以隔絕外界污染，得到T.f體系和空白對照實驗體系。在T.f體系和空白對照實驗體系中浸泡掛片試樣和工作電極，根據測得的T.f生長曲線確定合適的取樣或電化學測試時間點，并用數顯酸度計（上海佑科PHS-3E）分別測定兩種體系的pH變化情況。為了更好地分析掛片的存在對溶液pH變化的影響，同時記錄僅接種T.f的純菌液的pH變化情況。經特定浸泡時長后，將兩種體系中用于失重分析和腐蝕形貌分析的試樣取出，清除腐蝕產物后，根據浸泡前后試樣的質量損失情況測得鑄鐵在兩體系中的腐蝕速率。失重腐蝕速率由下式得到：

式中，V-為失重腐蝕速率，g·m-2·h-1；Δm為鑄鐵腐蝕前后減少質量，g；S為鑄鐵表面積，m2；t為腐蝕時間，h。

采用英國Solartron1287＋1260A電化學工作站測試浸泡過程中球墨鑄鐵電極的電化學阻抗譜，參比電極為飽和甘汞電極（SCE），輔助電極為鉑電極，擾動電壓為10 mV的正弦信號，測試頻率范圍為10 mHz～10 kHz。得到的阻抗曲線采用ZsimpWin軟件進行擬合。本實驗所有操作均在生物潔凈臺（蘇凈安泰BCM-1600A）中完成。采用掃描電子顯微鏡（TESCAN Vega-3SBU）對去除腐蝕產物后的試樣進行腐蝕形貌分析。將腐蝕產物收集，采用X射線衍射儀（丹東方圓DX-2600）分析腐蝕產物物相組成。

2 結果與討論

2.1 生長曲線

測得的T.f生長曲線如圖1所示，T.f菌株生長周期約為10天。圖2（a）為0～47 h培養基外觀，圖2（b）與圖2（c）為47 h～159 h培養基外觀，圖2（d）與圖2（e）為159 h～202 h培養基外觀，f為202 h后培養基外觀。結合圖1、圖2可知，0～47 h內T.f的生長曲線較為平緩，培養基顏色為透明，說明該階段T.f還未適應新的環境，處于生長停滯期，在為自身生長繁殖儲能，T.f濃度低且活性較弱。47 h～159 h內T.f生長曲線較為陡峭，為指數生長期，培養基顏色由淺綠色逐漸變為黃色，該階段T.f代謝旺盛，生長速率達到最大，T.f不斷將溶液中Fe2＋和各種無機物氧化以進行代謝與繁殖［11］。159 h～202 h內T.f生長曲線較為平坦，為穩定生長期，此時T.f活菌數達到最大，氧化能力較強，增殖速率有所下降，菌體死亡數目開始增加，但細菌的增殖速率和死亡速率趨于平衡，培養基顏色由紅色變為深紅色。202 h后生長曲線開始下滑，T.f進入衰亡期，培養基顏色為紅褐色，此階段培養基內T.f生長所需營養成分逐漸被消耗殆盡，T.f菌生長代謝已經趨于停滯，菌體死亡速率遠大于增長速率。

圖1 T.f的生長曲線

圖2 T.f在一個生長周期內引起的溶液顏色變化情況

2.2 失重腐蝕速率和溶液p H變化

由測得的生長曲線選取30 h、60 h、120 h、170 h、190 h、220 h為測試時間節點以觀察T.f在一個生長周期內不同生長階段對鑄鐵的腐蝕行為的影響。

T.f在一個生長周期內，鑄鐵在兩種體系中腐蝕速率隨時間的變化情況見表3。腐蝕速率的變化趨勢可直觀地從圖3看出。結合表3和圖3可知，鑄鐵在無菌體系中，30 h～60 h腐蝕速率減小，60 h～120 h增大，120 h～170 h減小，170 h～190 h增大，190 h～220 h減小。這是因為30 h～60 h內無菌體系中試樣表面已經出現了成塊的腐蝕產物膜層，這種產物的堆積減緩了腐蝕進程。60 h～120 h內產物膜層部分區域開始脫落，使得腐蝕速率有一定程度的上升。120 h～170 h內試樣表面積累的腐蝕產物膜層已經有了一定厚度，這極大地阻礙了試樣表面和溶液界面的物質傳遞，腐蝕速率明顯下降。170 h～190 h腐蝕速率出現少量回升，這可能是腐蝕產物膜層的完整性和致密度發生了變化。190 h～220 h 9K培養基提供的Fe2＋和無機鹽離子等已經消耗殆盡，因此腐蝕速率降到最低。從總體上看，鑄鐵在無菌體系的腐蝕速率趨于減小，一方面是溶液中的H＋隨著時間的延長不斷被消耗，濃度逐漸降低，反應減緩；另一方面，由于腐蝕產物膜生成，阻礙了鑄鐵基體與溶液中的H＋反應，使腐蝕速率進一步降低。

表3 鑄鐵在T.f體系和無菌體系中不同時間點的腐蝕速率

鑄鐵在T.f體系中的腐蝕速率表現出與無菌體系中不一樣的變化規律。鑄鐵在T.f體系中，30 h～60 h腐蝕速率下降，60 h～190 h增大，190 h～220 h減小。T.f體系30 h～60 h腐蝕速率下降原因與無菌體系相同，此階段溶液中T.f菌量較少同時活性不高，試樣表面發生較為劇烈的析氫反應并堆積了大量的腐蝕產物，阻礙了離子的傳遞，腐蝕速率下降。60 h～170 h內溶液中活菌數量不斷上升，同時活性也保持在一個較高水平，如式（1）所示，T.f不斷把Fe2＋氧化成Fe3＋：

Fe3＋進而發生一系列水解反應生成水合鐵氧化物［12］。這些氧化物為T.f附著生長提供了良好環境，T.f又依附在這些鐵氧化物周圍，不斷向鑄鐵內部擴散成團生長，同時對鑄鐵的腐蝕過程發揮促進作用。170 h～190 h內腐蝕速率達到最大，此階段體系內T.f數量達到最大值，T.f對鑄鐵的作用最為強烈。190 h～220 h T.f體系內適合T.f生命活動的適宜條件已逐漸惡化，同時試樣表面積累了一定厚度的腐蝕產物膜層，使腐蝕速率下降。

對比T.f和無菌體系中的腐蝕速率可知：0～30 h鑄鐵在T.f菌體系和無菌體系中的腐蝕失重速率無明顯差異，30 h～220 h內T.f體系內的腐蝕速率均高于無菌體系。這是因為0～30 h內T.f體系中的T.f還處于適應新環境的階段，數量和活性都不高，兩體系中鑄鐵表面都發生強度差不多的析氫腐蝕。30 h～220 h內T.f體系中T.f主動從氧化Fe2＋和各種還原態無機物過程中獲取能量維持生長，且T.f吸附在試樣表面鐵氧化物形成的結核上，為自身生長創造有利條件，從而削弱了產物膜層對鑄鐵的保護作用。

圖3 鑄鐵在T.f體系和無菌體系中不同時間點腐蝕速率

表4和圖4是T.f在一個生長周期內培養基的pH隨時間的變化情況，主要包括上文中T.f體系（有菌腐蝕溶液）與空白對照實驗體系（無菌腐蝕溶液），以及一種不含鑄鐵試樣的有菌培養基。結合圖4和表4可以看出，鑄鐵在T.f的一個生長周期內，三組培養基的pH都隨時間延長而逐漸上升，接種T.f并浸泡鑄鐵掛片的溶液pH高于無菌并浸泡鑄鐵掛片的溶液pH，接種T.f但未懸掛鑄鐵掛片的溶液pH最小。結合實驗現象，導致含鑄鐵的兩種體系pH較高的原因在于發生了析氫反應：

表4 不同時間點浸泡掛片和未浸泡掛片體系中溶液的pH

隨著氫氣的產生，溶液中氫離子不斷被消耗，pH值逐漸升高。不論溶液中是否有鑄鐵的存在，三種溶液中都有發生將Fe2＋氧化為Fe3＋和消耗H＋的反應［13］。

含鑄鐵掛片體系中除了溶液本身的Fe2＋外還有鑄鐵不斷溶解提供Fe2＋，這加劇了陰極析氫反應的進行，而T.f依賴氧化Fe2＋獲取能量，因此析氫反應進行得更為劇烈。

圖4不同時間點浸泡掛片和未浸泡掛片體系中溶液pH變化

2.3 電化學阻抗譜

圖5 所示為鑄鐵在T.f體系和無菌體系中不同時間點的EIS圖譜。由圖5可看出，無菌體系和T.f體系容抗弧半徑均隨時間延長而逐漸增大，但相同時間點無菌體系阻抗譜半徑大于T.f體系阻抗譜半徑，可初步判斷T.f促進了鑄鐵腐蝕。根據兩體系本身特性以及阻抗譜變化，在不同時間點選用圖6中兩種等效電路，對兩體系阻抗圖譜進行擬合。其中，Rs代表參比電極到工作電極間的溶液電阻，Cdl為工作電極與培養基溶液間的雙電層電容，Rct為電荷轉移電阻，該值的變化情況反映了體系腐蝕反應進行難易程度的變化［14］。220 h后T.f體系內T.f代謝活動減弱，其對電極表面覆蓋層的影響力也隨之下降，此前電極表面T.f活動累積形成的生物膜層已經得到固定，其中Cb代表T.f體系中的生物膜電容，Rb代表T.f體系的生物膜電阻。

圖5 鑄鐵在T.f體系和無菌體系中的EIS圖譜

表5 鑄鐵在T.f體系中不同時間點EIS圖譜參數值

鑄鐵在兩體系中不同時間點EIS擬合參數值見表5和表6。由表5、表6可知，無菌體系Rs隨時間延長而增大，T.f體系Rs在30 h～190 h不斷增大，190 h～220 h減小，兩體系中Rs大小受工作電極與參比電極間離子濃度以及離子在電極表面分布情況的影響。190 h～220 h T.f體系中T.f活性和數量都有所下降，因此溶液中Fe3＋水解后產生懸浮高價鐵氧化物的速率有所下降。T.f體系Cdl值隨時間延長而出現較大的波動，這是由于隨時間的延長，T.f體系電極表面抱團生長的菌群在不斷更新，隨T.f緊密附著的部分產物層的狀態也因此不斷發生變化［15］。無菌體系Cdl值在190 h前逐漸增大，190 h后逐漸減小則是無菌體系電極表面附著的產物層累積和自然脫落的結果。30 h～190 h T.f體系Rct小于無菌體系Rct，190 h～220 h T.f體系Rct大于無菌體系Rct，可以認為T.f在其新陳代謝旺盛的時間段內促進了鑄鐵的腐蝕。

表6 鑄鐵在無菌體系中不同時間點EIS圖譜參數

圖6 鑄鐵在T.f和無菌體系中的EIS等效電路

2.4 腐蝕形貌分析

圖7所示為鑄鐵分別在T.f和無菌體系中腐蝕不同時間后的表面微觀形貌圖。由圖7可知：無論有無細菌的存在，鑄鐵的腐蝕初期均表現出典型的局部腐蝕特征。腐蝕的產生從形成蝕坑（孔）開始，蝕坑不斷發展變大，越來越密集，直至連接成片，徹底破壞鑄鐵的表面結構。造成這種形態的原因可能是因為鑄鐵中存在大量的含碳相，在腐蝕反應進行的過程中，這些含碳相在微觀尺度上扮演著陰極的角色。含碳相周圍的鐵作為陽極，首先發生腐蝕。

圖7 鑄鐵在T.f和無菌體系中的腐蝕微觀形貌

無菌體系中的試樣經30 h浸泡后，試樣表面較為平整，僅有輕微的腐蝕痕跡。浸泡60 h后，鑄鐵表面出現少量小的腐蝕坑，從前文分析中得知，此時腐蝕產物膜層的部分區域發生脫落。從浸泡120 h～170 h后的腐蝕形貌可以看出，隨著腐蝕時間的延長，鑄鐵表面腐蝕坑開口有所增大且孔洞分布更加密集。190 h～220 h后腐蝕坑變得密集，呈蜂窩狀。

在含T.f的體系中，鑄鐵在經相同時間的浸泡后，表面的腐蝕破壞程度明顯比無菌體系中的要嚴重。經30 h浸泡后，試樣表面已經出現大面積的腐蝕坑。60 h后，腐蝕坑面積更大、更深，鑄鐵表面呈蜂窩狀。腐蝕嚴重程度相當于無菌體系中220 h后的鑄鐵表面。這說明T.f的存在確實極大加速了鑄鐵的腐蝕過程。120 h后，鑄鐵的原生表面被完全腐蝕，開始出現直徑100μm以上的宏觀缺陷。有菌體系中，鑄鐵腐蝕程度更嚴重的原因可能是在T.f腐蝕過程中會產生大量的腐蝕產物，其聚集在腐蝕產物膜層上，不斷依靠氧化鑄鐵、Fe2＋和硫化物維持生長，生長過程中產生的Fe3＋易在鑄鐵表面形成水合鐵氧化物，這些水合鐵氧化物又為T.f附著生長提供了有利的生長環境［16］。靠近鑄鐵的細菌參與了鐵離子的擴散和消耗過程，加速了其腐蝕進程。

2.5 腐蝕產物物相分析

兩體系中所收集腐蝕產物的XRD測試結果如圖8所示。由圖8可知，T.f組和無菌組培養基中鑄鐵試樣表面產物均為黃鉀鐵礬（KFe3（SO4）2（OH）6），這說明T.f并未改變鑄鐵在9K培養基中原本的腐蝕結果。在9K培養基體系中，Fe2＋被氧化成Fe3＋，Fe3＋被水解，溶液中發生一系列的水解反應，形成多核羥基絡離子［17］，最終形成了黃鉀鐵礬，兩體系中試樣表面具體反應式如下：

此外，在反應式（3）中，T.f體系內T.f細菌周質間隙中的銅藍蛋白和一系列細胞色素起到電子的傳遞作用，與細胞質內的氧結合并產生氧負離子，與H＋作用生成水。同時在電子傳遞過程中F0F3酶推動ATP合成，為細菌的生長提供能量。因此相較于無菌組，T.f體系中的Fe2＋的氧化反應更為劇烈，T.f促進了黃鉀鐵礬沉淀的生成［18］。因此T.f和無菌體系對比試驗表明，T.f的存在僅僅加速鑄鐵腐蝕反應的歷程，但并未改變腐蝕反應路徑。

圖8 鑄鐵在T.f和無菌體系中腐蝕后產物的XRD譜

3 結論

（1）T.f在培養基條件下0～47 h處于生長停滯期，47 h～159 h為指數生長期，159 h～202 h為穩定生長期，202 h后進入衰亡期，隨時間延長，T.f不斷將培養基內Fe2＋氧化為Fe3＋，同時培養基由Fe2＋的淺綠色逐漸轉變為Fe3＋的紅棕色。

（2）T.f體系和無菌體系的腐蝕速率在0～30 h無明顯差異，30 h～220 h T.f體系腐蝕速率遠高于無菌體系。同一時間內，浸泡鑄鐵掛片的有菌體系pH值最高，浸泡鑄鐵掛片的無菌體系pH值略低，細菌培養基的pH值最低。

（3）在T.f數量較多和活性較高的生長階段，T.f促進了鑄鐵腐蝕。且相較于無菌體系，含菌體系中鑄鐵表面腐蝕更為嚴重，腐蝕坑更多、更大。

（4）在T.f和無菌體系中，鑄鐵的腐蝕產物均為黃鉀鐵礬，說明T.f僅加速鑄鐵腐蝕反應的進程，但并未改變腐蝕反應路徑。