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[1]减少硫酸盐细菌生物膜对不锈钢AISI 316腐蚀的影响
Xiaoxia Shenga, Yen-Peng Tinga,*, Simo Olavi Pehkonenb
a 化学与生物分子工程系，新加坡国立大学4 工程驱动4, 新加坡, 117576, 新加坡
b环境科学与工程系, 新加坡国立大学,9 工程驱动 1, 新加坡, 117576, 新加坡
2005年11月29日收到； 于2006年10月13日接受 2007年1月17日在线提供
摘要：以脱硫脱硫弧菌和一种当地海洋分离物两种硫酸盐还原菌，研究不锈钢AISI316的微生物侵蚀现象（MIC）。利用用原子力显微镜（AFM）分析不锈钢AISI316 随 时 间 发 展的 表面生物 膜 和 凹 坑 形 态。用 等 效 电 路 解 释 电 化 学 阻抗 谱（E I S）结 果 以 模 拟 电 极/ 生 物 膜 溶 液 界 面 的 物 理 电 特 性。结 果 显 示 脱硫脱硫弧菌在金属表面形成一层生物膜层，而海洋隔离层形成两层：一层生物膜层和一层硫化亚铁沉积层。AFM图像证实了EIS建模的结果，该结果显示生物膜会随着时间的推移产生附着和随后分离的现象。
copy; 2006 Elsevier Ltd. All rights reserved.
关键词：A.不锈钢AISI 316； B. AFM； B. EIS； C.生物膜； C.硫酸盐还原菌
1.前言
目前许多研究集中在海洋环境下金属和合金的微生物侵蚀（MIC）。有报道称某些细菌会加速金属的腐蚀，而另一些细菌却能够以有益的方式影响腐蚀行为。
例如，脱硫脱硫弧菌（Desulfovibrio desulfuricans），假单胞菌（Pseudomonas sp），和芽孢杆菌属可加速腐蚀[1]。另一方面，已显示枯草芽孢杆菌通过分泌聚谷氨酸盐和聚天冬氨酸来抑制铝2024的腐蚀[2,3]，而假单胞菌通过形成磷酸盐膜来抑制腐蚀[4]。
MIC现象的核心是在金属表面形成生物膜。生物膜的形态对腐蚀的影响有显着的影响，无论是有害还是有益的方式。 多孔生物膜不仅捕获由细菌分泌的有害元分子，而且还可影响PH值，溶解氧并且影响氯离子的浓度。随着时间的推移，这会改变并影响金属表面的周围环境，并导致金属的局部腐蚀。与此相反，具有金属硫化物的紧凑型生物膜在某些情况下却可以作为金属表面上的保护膜[5]。
硫酸盐还原菌（SRB）存在下的金属腐蚀机制非常复杂。在无氧环境中，SRB使用硫酸盐作为电子受体并将其还原为硫化物。Von Wolzogen Kuhr和Van der Vlugt[6]提出了以下反应：
2Fe→2Fe2 4e （阳极过程）
O2 2H2O 4e→4OH- （阴极过程）
2Fe2 4OH-→2Fe(OH)2 （腐蚀过程）
4Fe(OH)2 O2 2H2O→4Fe(OH)3 （腐蚀产物）
总反应式：4Fe 6H2O 3O2→4Fe(OH)3
这整个过程被描述为阴极去极化。基于这种理论，SRB消耗由氢化酶在阴极中积累的原子氢。一些研究人员[7,8]认为是由于H2S的阴极还原作用导致腐蚀速率增加：
H2S 2e- →H2 S2-
并且通过形成硫化铁来加速阳极反应：
Fe S2-→ FeS 2e-
然而，人们普遍承认，仅考虑一种机制太简单，因为许多因素可能均与SRB腐蚀有关。所涉及的腐蚀过程或物质可能包括铁硫化物，铁结合型外聚物，挥发性磷化合物，硫化物诱导的应力腐蚀开裂和氢致裂纹或起泡[9]。
斯蒂尔等人[10]在纯铜绿假单胞菌和硫酸盐还原菌纯培养物以及这些细菌的混合培养物的存在下研究了不锈钢316上的MIC，并显示了原子力显微镜（AFM）在生物腐蚀定性评估中的优势。 比奇等人[11]也报道了使用AFM作为研究生物膜/基质相互作用的有效工具。本研究旨在进一步了解厌氧细菌对不锈钢AISI 316在海洋环境中生物腐蚀的影响。 在这项研究中，我们通过应用AFM和EIS（一种传统的电化学技术）研究了不锈钢AISI 316在人造海水中的生物腐蚀。 使用这些技术的组合，还研究了在MIC影响下不锈钢316生物膜和其他表面膜结构的动态发展。
例如，脱硫脱硫弧菌（Desulfovibrio desulfuricans），假单胞菌（Pseudomonas sp。），和芽孢杆菌属可加速腐蚀[1]。另一方面，已显示枯草芽孢杆菌通过分泌聚谷氨酸盐和聚天冬氨酸来抑制铝2024的腐蚀[2,3]，而假单胞菌通过形成磷酸盐膜来抑制腐蚀[4]。
MIC现象的核心是在金属表面形成生物膜。生物膜的形态对腐蚀的影响有显着的影响，无论是有害还是有益的方式。 多孔生物膜不仅捕获由细菌分泌的有害元分子，而且还可影响PH值，溶解氧并且影响氯离子的浓度。随着时间的推移，这会改变并影响金属表面的周围环境，并导致金属的局部腐蚀。与此相反，具有金属硫化物的紧凑型生物膜在某些情况下却可以作为金属表面上的保护膜[5]。
硫酸盐还原菌（SRB）存在下的金属腐蚀机制非常复杂。在无氧环境中，SRB使用硫酸盐作为电子受体并将其还原为硫化物。Von Wolzogen Kuhr和Van der Vlugt[6]提出了以下反应：
4Fe→4Fe2 8e- （阳极反应）
8H2O→8H 8OH- （水的解离）
8H 8e-→8H(ads) （阴极反应）
SO42- 8H→S2- 4H2O （细菌消耗）
Fe2 S2-→FeS （腐蚀产物）
4Fe SO42- 4H2O→3Fe(OH)2 FeS 2OH- （整体反应）
这整个过程被描述为阴极去极化。基于这种理论，SRB消耗由氢化酶在阴极中积累的原子氢。一些研究人员[7,8]认为是由于H2S的阴极还原作用导致腐蚀速率增加：
H2S 2e-→H2 S2-
并且通过形成硫化铁来加速阳极反应：
Fe S2-→FeS 2e-
然而，人们普遍承认，仅考虑一种机制太简单，因为许多因素可能均与SRB腐蚀有关。所涉及的腐蚀过程或物质可能包括铁硫化物，铁结合型外聚物，挥发性磷化合物，硫化物诱导的应力腐蚀开裂和氢致裂纹或起泡[9]。
斯蒂尔等人[10]在纯铜绿假单胞菌和硫酸盐还原菌纯培养物以及这些细菌的混合培养物的存在下研究了不锈钢316上的MIC，并显示了原子力显微镜（AFM）在生物腐蚀定性评估中的优势。比奇等人[11]也报道了使用AFM作为研究生物膜/基质相互作用的有效工具。本研究旨在进一步了解厌氧细菌对不锈钢AISI 316在海洋环境中生物腐蚀的影响。 在这项研究中，我们通过应用AFM和EIS（一种传统的电化学技术）研究了不锈钢AISI 316在人造海水中的生物腐蚀。使用这些技术的组合，还研究了在MIC影响下不锈钢316生物膜和其他表面膜结构的动态发展。
2.实验程序
2.1配制准备
不锈钢AISI 316试样使用用Kemet国际有限公司购买的抛光布，具体步骤为依次用6mu;m，3mu;m和0.5mu;m尺寸的金刚石抛光。随后用70％乙醇溶液清洁试样，然后在使用前一天存放在真空中 干燥器中。 不锈钢AISI 316由C（最大0.08％），Mn（最大2％），Si（最大1％），P（最大0.045％），S（最大0.03％），Ni（10-14％），Cr（16-18％）和Mo（2-3％）。
2.2微生物
本研究中使用的硫酸盐还原细菌（SRB），即脱硫脱硫弧菌ATCC 27774（脱硫脱硫弧菌脱硫菌亚种），是从美国的美国典型培养物保藏中心（ATCC）获得的。在厌氧培养箱（Don Whitley Scientific，型号MASC MG500）中，在37℃下将细菌在厌氧条件中培养，含有10％H2，10％CO2和80％N2，改性巴氏培养基（g / l）：MgSO 4 2.0； 柠檬酸钠5.0； CaSO4 1.0； NH4Cl 1.0； K 2 HPO 4 0.5； 乳酸钠3.5； 酵母提取物1.0； Fe（NH 4）2（SO 4）2 1.0。为了研究不锈钢AISI 316在海洋环境中的MIC，将SRB应变层从浸入当地海水中的不锈钢AISI 316板上分离。将SRB海洋分离物从平板表面上的一层沉积物中筛选出来。在厌氧条件下将它在Marine Postgate培养基B[12]中进行厌氧培养以富集，并且随后使用Marine Postgate培养基E在无菌琼脂平板上纯化[12,13]，通过无菌接种环拾取几个单个的黑色菌落。
首先在修改后的Baar培养基中培养脱硫脱硫弧菌，然后在37℃，N2环境下将该海洋细胞在Marine Postgate培养基B中分批培养2天。 随后以每种培养物10毫升为量转移到500毫升灭菌的富集人造海水（EASW）中（g / l）：NaCl 23.476；Na2SO4 3.917；NaHCO3 0.192；KCl 0.664；KBr 0.096； H3BO3 0.026；MgCl2·6H2O 10.610；SrCl2·6H2O 0.040；CaCl2 · 2H2O 1.469；乳酸钠3.5；酵母提取物1；柠檬酸三钠0.5；MgSO4·H2O 0.4；CaSO4 0.1；NH4Cl 0.1；K2HPO4 0.05；Fe(NH4)2 (SO4)2 0.1. 培养2天后，将抛光不锈钢AISI 316试样悬挂在Duran瓶（500ml）中含细菌的培养基中进行生物腐蚀实验。该操作在厌氧室中进行，并且厌氧室要保持在10％H2，10％CO2和80％N2的环境下。
2.3 AFM 分析
在浸没的第4,14,24,34和44天将不锈钢AISI 316试样从培养基中移出进行AFM分析。为了获得生物膜图像，将试片轻轻地用无菌蒸馏水漂洗，然后在空气中干燥。为了揭示钢铁生物腐蚀的程度，先将试样用超声波清洗5分钟，然后用HNO3溶液（1体积％的67％HNO3 3体积蒸馏水）浸泡2-5分钟来除去试样上的生物膜。最后将暴露的试样表面用蒸馏水冲洗，100％乙醇清洗，并在N2流下干燥[14]。
使用接触模式的Nanoscope III AFM（Digital Instruments，Santa Barbara，CA，USA）对生物膜成像。从Digital Instruments获得具有k = 0.06N / m的弹簧常数的纳米探针氮化硅（Si3N4）悬臂梁。 全文共13334字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
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