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脱硫弧菌和假交替单胞菌对Q235碳钢在天然海水中的腐蚀性能的影响
1介绍
微生物在水环境往往会形成黏液在水下基质表面的生物膜，以保护它们从外部压力和延长他们的寿命。的存在金属表面的生物膜往往与促进作用有关在腐蚀速率方面，这被称为微生物影响腐蚀(MIC)。在MIC中发现了多种具有不同代谢特性的微生物，其中长期以来，硫酸盐还原菌(SRB)一直被认为是一种重要的微生物缺氧环境中主要的腐蚀性微生物。对其腐蚀行为进行了广泛的研究受SRB的影响，已经提出了几种机制，例如，氢化酶和硫化铁的阴极去极化，生产含磷化合物，直接电子反式由Fe 0还原为Fe，生物催化阴极硫酸盐还原为等等。这些研究大多集中于单个孤立SRB但SRB总是与其他微生物共存形成特性上的合作。增长、活动和分布天然生物膜的非均匀性可能受到其他微生物的影响，导致SRB的腐蚀行为和机理发生变化。因此，研究SRB与其他微生物混合培养条件下的腐蚀情况是十分必要的。
SRB与其他微生物共存时的腐蚀问题鲜有报道，而SRB体系中不同菌株的引入对腐蚀的影响也不尽相同。当体液溶解氧(DO)浓度较低时，绿脓杆菌和肺炎杆菌可通过耗氧量促进SRB生长，加快腐蚀速率，当溶解氧在散装液体浓度低(1.5毫克Lminus;1)或由假单胞菌通过点蚀形成从铁氧化和硫酸的协同作用增加从初始浓度的4.2毫克的Lminus;1的油田生产水。杰克等人比较了芽孢杆菌、蜂窝哈夫尼亚菌和脱硫弧菌 (SRB)在一、二、三培养物对好氧条件下碳钢腐蚀的影响，在连续流动的淡水反应中，其腐蚀速率为蜂窝哈夫尼亚菌 脱硫弧菌gt; 芽孢杆菌 脱硫弧菌asymp;蜂窝哈夫尼亚菌 芽孢杆菌 脱硫弧菌gt;脱硫弧菌的顺序，但对于混合培养的中更严重的腐蚀现象没有详细的解释。在露天环境中引入铁还原剂希瓦氏菌mr-1可以观察到缓蚀作用，这是由于mr-1在SRB中占主导地位。可以看出，其他细菌对SRB下腐蚀的影响是复杂的，取决于种类，我们希望进一步的研究能够更全面地理解这一主题。
本研究选用假交替单胞菌与脱硫弧菌结合，在脱硫弧菌和假交替单胞菌的单培养和双培养条件下研究了Q235碳钢的腐蚀，从浸泡在自然海水中的Q235碳钢的锈层中分离出两种菌株，并对其进行了筛选。在不同的海域（青岛、三亚），不同的浸泡时间（3、6、9、12、24个月）形成的锈迹层中，培养出的不同细菌具有普遍分布的特点（在另一份手稿中显示数据）。假性交替单胞菌是革兰氏阴性海洋细菌的一个属，具有好氧代谢和化学异养代谢特征，其产生细胞外活性化合物的能力引起了人们的高度关注。迄今为止，只有一篇关于假交替单胞菌腐蚀作用的报道，其中2205双相不锈钢在局部钝化作用的降低是由于假交替单胞的酶活性形成多孔生物膜和氯离子积累所致，没有证据表明假交替单胞是否影响SRB下的腐蚀。
此外，本研究还利用未经任何修改的灭菌天然海水作为腐蚀特性的介质，以匹配现场环境，与大多数在富营养介质中进行试验的报告不同。
2. 实验
2.1. 样品制备
从元素组成（wt%）为0.180 C、0.220 Si、0.600 Mn、0.020 S、0.016 P和平衡铁的Q235碳钢薄板上切下圆柱体。使用直径为5.0 mm、高度为5.0 mm的试样进行电化学、腐蚀形态和生物膜测量，并将其嵌入环氧树脂中，使一端表面（19.6平方毫米）暴露在铜线焊接后的腐蚀性电解质。对于重量损失测量，使用直径10.0 mm且顶面未涂层的试样。表面依次用粒度为400、600和800的一系列碳化硅纸研磨，在超声波浴中用乙醇清洗，然后用氮气干燥。然后将样品用铝箔完全包裹（必须注意铝箔应紧贴碳钢表面，以避免灭菌过程中蒸汽的渗透），并在121℃的高压釜中灭菌20分钟。
2.2. 微生物培养与接种
从浸泡在自然海水中的Q235碳钢锈层中分离出脱硫弧菌和假交替单胞菌，并将16S rDNA序列与基因银行数据库中的参考菌株进行比较鉴定。修改Postgate培养的培养基用于脱硫弧菌天然海水的组成每升:KH2PO4 0.50 g, NH4Cl 1.00 g,氯化钙0.10 g, MgSO4 2.00 g, Na2SO4 0.50 g,酵母提取物1.00克,和乳酸钠4毫升。假交替单胞菌培养基是由5.00 g蛋白胨、1.00 g酵母提取物和0.01 g FePO4成1 L天然海水。采用自然海水消毒法，对指数期的脱硫弧菌和假交替单胞菌种子进行收集、离心、浓缩和洗涤，并用消毒的天然海水进行清洗。根据校准曲线，测定了600 nm下的光密度，得到细菌浓度，并将浓度调整为2.0times;107 cfu mL minus;1。将4个装有396ml无菌海水的玻璃罐（未经任何处理）分别接种4ml海水、2ml 脱硫弧菌种子培养 2ml海水、2ml 假交替单胞菌种子培养 2ml海水和2ml 脱硫弧菌种子培养 2ml 假交替单胞菌种子培养。然后用橡皮塞盖住电极，用硅橡胶密封。所有容器均在30℃恒温培养箱中静置，整个实验期间无通气现象。
2.3. 电化学测量
电化学阻抗谱（EIS）和动电位极化曲线在一个具有三电极系统的CH604D站（美国德克萨斯州CH仪器公司）上进行，其中Ag/AgCl（KCL-SAT）和石墨板分别用作参比电极和反电极。使用频率范围为10 minus;2 to 10 minus;5 Hz的10 mV振幅正弦信号在开路电位（OCP）下进行EIS研究，并使用zsimpwin软件分析数据。从电位minus;200 mV与开路电位扫描电位动力学极化曲线，扫描速率为1 mV sminus;1。
2.4. 腐蚀形态与生物膜特征
用扫描电子显微镜观察了Q235碳钢在非生物和含细菌介质中暴露8天后的表面形貌。将试片从培养基中取出，用经消毒的天然海水冲洗后，将其浸泡在含有2.5%戊二醛的磷酸盐缓冲溶液中2小时，以固定生物膜。然后以乙醇梯度（每15分钟）依次脱水，分别为30%、50%、70%、90%和100%。脱水后，在乙醇/乙酸异戊酯溶液（体积比3:1）中浸泡10分钟，再在纯乙酸异戊酯中浸泡30分钟，以乙酸异戊酯取代乙醇。随后，将样品转移到临界点烘干机中，并在干燥室中填充液态二氧化碳。在将温度升高到31.8℃之前，将试样在20℃下暴露于二氧化碳1.5 小时，在此温度下，液体二氧化碳蒸发，没有表面张力效应。对干燥后的样品进行金溅射，并进行扫描电镜分析。
为了观察腐蚀产物和生物膜下的腐蚀形态，在扫描电镜表征前，用克拉克溶液（ASTM G1-03）清洗试样。
图1. OCP在不同介质中的时间依赖性
在用吖啶橙染色后，用荧光显微镜进一步表征了脱硫弧菌和假交替单胞菌的粘附性。将试样浸泡在不同时间的介质中后，用10 mg mlminus;1 吖啶橙转移到磷酸盐缓冲溶液中，保存30分钟，然后用消毒海水略微清洗。随后，将样品安装在载玻片上并用盖玻片覆盖。在样品和盖玻片之间的间隙中加入一滴甘油/磷酸盐缓冲溶液（体积为1:1），以保持样品湿润。然后用490nm激励滤波器和530 nm势垒滤波器在FM上观察这些样品。
2.5. 重量损失测量
在不同介质中浸泡8天后，取下试样并用克拉克溶液（ASTM G1-03）清洗。然后用蒸馏水冲洗，用无水乙醇清洗，用氮气干燥，称重。通过重量损失除以接触电解质的表面积来评估腐蚀速率。
2.6. 环境参数和细菌数的测定
溶解氧（DO）和酸碱度是MIC的两个重要环境参数，分别用溶解氧测定仪（和酸碱度测定仪监测其在不同介质中随时间的变化。根据ASTM D4412-84，采用最可能（MPN）法估算了培养基中的活性脱硫弧菌数量。在不同的时间段内，用不同的培养基彻底摇晃几个罐子，以消除溶解氧、酸碱度和细菌数的可能梯度。在橡胶塞拆除后，立即将溶解氧和酸度计引入培养基中间，并测定其含量。接受这些测量的罐子被丢弃，不能再用于下面的实验。
3. 结果和讨论
3.1. 电化学阻抗谱分析
在OCP记录了EIS图，图1显示了4种介质中OCP随时间的变化。可以看出，在任何浸泡时间，不同介质中OCP的差异不超过45mV。暴露在不同介质中的时变奈奎斯特图如图2a-d所示，相应的伯德图如图2arsquo;-d所示。与无菌海水和含脱硫弧菌的培养基不同，奈奎斯特曲线的直径随暴露时间变化不大（图2a和b），接种假交替单胞菌和脱硫弧菌 假交替单胞菌的培养基的直径从3h大幅度增加到1d，直径从第二天开始减小（图2c和d）将Q235碳钢浸泡在单独含有假交替单胞菌的介质中8天，得到的奈奎斯特曲线的直径仍然比3 h时记录的曲线的直径大得多（图2c），这表明假交替单胞菌的存在抑制了腐蚀，而在暴露于脱硫弧菌和假交替单胞菌共存的介质中8天后，假交替单胞菌的存在抑制了腐蚀。从3h的情况来看，奈奎斯特图直径的增加并不是很大（图2d），并且腐蚀抑制作用减弱。
图2. 奈奎斯特图（A-D）和伯德图（A-Drsquo;）记录在暴露于非生物（A和Arsquo;）、脱硫弧菌（B和Brsquo;）、假交替单胞菌（C和Crsquo;）和脱硫弧菌 假交替单胞菌的数据图上，其中包含不同时间的（D和Drsquo;）介质。不同介质中3 h（e）、1 d（f）、3 d（g）和8 d（h）时奈奎斯特图的比较
为了方便起见，图2e-h显示了3 h、1 d、3 d和8 d时不同介质中记录的奈奎斯特图的比较。在开始时（图2e），这4个图的直径很接近，并且两个应变对腐蚀的影响很小，这与一个耗时的环境适应过程密切相关。当细菌被转移到新的环境中时，分解物会积累。观察到，在1d时获得的奈奎斯特图的直径按无生物asymp;脱硫弧菌lt;脱硫弧菌 假交替单胞菌lt; 假交替单胞菌的顺序增加，该顺序一直保持到实验结束（图2f-h）。验证了假交替单胞菌在缓蚀作用中的作用，通过与假交替单胞菌的配合，可以达到脱硫弧菌的缓蚀作用，灭菌后的腐蚀行为与脱硫弧菌接种后的腐蚀行为相似，说明脱硫弧菌单独对Q235腐蚀没有影响。电化学实验以外的更多表征有望揭示潜在的机理。
EIS测量重复多次，接种假交替单胞菌和脱硫弧菌 假交替单胞菌的培养基中奈奎斯特曲线的直径总是比其他两种培养基中的直径大得多。图3显示了记录在不同容器中的尼奎斯特曲线图，这些容器在3d时含有假交替单胞菌和脱硫弧菌 假交替单胞菌，以证明其重现性。接种假交替单胞菌的培养基中的极性粒径总是大于接种脱硫弧菌 假交替单胞菌的培养基中的极性粒径，中值图如图2所示。
在非生物、脱硫弧菌和脱硫弧菌 假交替单胞菌中，在浸泡初期的波德相角图上定义了两个最大值，表明存在两个时间常数。随着时间的延长，在这些介质中出现了一个宽峰，这可能是由于腐蚀过程的这两个步骤具有相似的弛豫时间。虽然在含假交替单胞菌介质的波德相角图上只观察到一个宽峰，但在3 h时，奈奎斯特图可以确定两个阶段，因此，利用图4所示的具有两个时间常数的等效电路模型来拟合实验数据。拟合质量由卡方判定，卡方值小于1.2times;10-3，拟合结果合格。
图3. 在3d的浸泡时间，在不同的介质中记录不同电极上的重复奈奎斯特图
图4. 用于拟合EIS数据的等效电路
图5. 不同介质中r f（a）、r ct（b）和r p（c）的时间依赖性
在电模拟电路中，基于非均匀表面的色散效应，采用恒相元件（Q）代替电容。R s、R f和R ct分别对应于电解质溶液的电阻、由腐蚀产物和生物膜组成的表面膜以及电荷转移。q f和q dl表示表面膜和双层膜的电容。R f和R ct的拟合值如图5a和图b所示。对于在无菌和脱硫弧菌接种培养基中3 h记录的曲线图，R f值非常接近于零，并且增加到大约0.5 KΩ cm 2，与初期少量腐蚀产物及产物随时间累积形成表面膜有关。与这两种培养基相比，含假交替单胞菌和脱硫弧菌 假交替单胞菌的培养基的r f值从0.6 KΩ cm 2以下增加至3h时的14.0或10.0 KΩ cm 2 左右，在过去三天内波动约为14.0或9.0KΩ cm 2。R f值更高表明假交替单胞菌和脱硫弧菌存在时形成的膜的腐蚀保护减弱了与假交替单胞菌合作时的保护作用。在含有假交替单胞菌的介质中，预计致密表面膜可起到缓蚀作用，如下所示。
非生物培养基和含脱硫弧菌培养基的r-ct值相似，在初始阶段（从3h到1d）略有下降后，r-ct值略有变化。含假交替单胞菌和脱硫弧菌 假交替单胞菌的培养基的r-ct从3h急剧增加到1d，峰值约为65.0或40. KΩ cm 2，这是近6.5或4.0倍于其他两种介质。快速增加后，第二天的r-ct下降，后期数值略有变化。与r f的情况不同，假交替单胞菌和脱硫弧菌 假交替单胞菌中的值在浸泡8天后至少比其他两种介质中的值高15倍，r ct的差异并不很大，尽管假交替单胞菌存在时，r ct的值仍然较高。包含假交替单胞菌和d.的介质中，r ct随时间的变化。脱硫弧菌 假交替单胞菌可能与表面膜状态和环境参数的变化有关，这将在以下章节中讨论。
极化电阻是评价腐蚀速率的一个重要参数，较高的极化电阻值对应较低的腐蚀速率。在目前的两个时间常数模型中，r p等于r f和r ct之和，其时间依赖图如图5c所示。r p随时间的变化趋势与r ct在无菌和脱硫弧菌接种培养基中的变化趋势相似，因为r ct的值比r f高10倍以上。含假交替单胞菌和脱硫弧菌 假交替单胞菌的介质在1d时的r p峰值为74.0或43.0 KΩ cm 2。假交替单胞菌、脱硫弧菌 假交替单胞菌、脱硫弧菌接种的介质和非生物介质的r p峰值分别从第四天开始下降30.0、17.0、6.5和5.5 KΩ cm 2，因此，Q235碳钢的腐蚀速率按假交替单胞菌lt;脱硫弧菌 假交替单胞菌lt;脱硫弧菌asymp;无生物的顺序增加。
图6. 在不同介质中浸泡8天后，将电位极化曲线记录在试样上
3.2. 动电位极化曲线分析
图6显示了在不同介质中暴露8天后的试件的动电位极化曲线。与EIS曲线图相似，无菌接种和脱硫弧菌接种培养基中记录的极化曲线非常接近。与这两条曲线相比，含假
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