【正文】 膜具有保護(hù)作用。凡是同水、土壤或潤濕空氣接觸的設(shè)施，都可能遭遇微生物腐蝕。 微生物腐蝕研究的歷史及現(xiàn)狀 畢業(yè)論文 13 1910 年， Gaines 最早指出微生物參與金屬腐蝕。劍橋的 Posgtate 系統(tǒng)地研究了硫酸鹽還原菌的生理、生態(tài)和生化特征及營養(yǎng)需求，為微生物腐蝕的研究奠定了基礎(chǔ)。r、 Booth、 Lee、Iverson、佐佐木等人提出了去極化機(jī)制； Starkey 提出了濃差電池的機(jī)制；Pope 提出了陽極 區(qū)固定機(jī)制； Dinh 提出了直接電子傳遞機(jī)制等，已取得了相對(duì)成熟的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐防護(hù)能力 [17]。 總體來說，材料海洋微生物腐蝕，由于復(fù)雜多變的海生物因素，難以控制和定量描述，實(shí)驗(yàn)周期長且研究難度大，使得基礎(chǔ)研究方面相對(duì)較少，有待于進(jìn)一步深入研究。微生物腐蝕 并非其本身對(duì)金屬的侵蝕作用，而是微生物生命活動(dòng)的結(jié)果，其關(guān)畢業(yè)論文 14 鍵在于生物膜及內(nèi)部細(xì)菌與金屬基體的相互作用。微生物膜與金屬表面狀態(tài)存在如下相互作用和協(xié)同作用： ① 影響電化學(xué)腐蝕的 陽極或陰極反應(yīng)； ② 改變了腐蝕反應(yīng)的類型； ③ 微生物新陳代謝過程產(chǎn)生的侵蝕性物質(zhì)改變了金屬表面膜電阻； ④ 創(chuàng)造了生物膜內(nèi)腐蝕環(huán)境； ⑤ 由微生物生長和繁殖所建立的屏障層導(dǎo)致了金屬表面的濃差電池。 圖 2 微生物腐蝕原理示意圖 Schematic diagram of microbial corrosion 微生物膜可以阻止氧氣向陰極區(qū)擴(kuò)散和某些具有腐蝕性的陰離子如 Cl向畢業(yè)論文 15 陽極區(qū)擴(kuò)散，如果氧氣向膜內(nèi)擴(kuò)散的速率小于微生物呼吸消耗氧氣的速率，陰極 反應(yīng)的機(jī)理就要發(fā)生改變。陰極反應(yīng)可能轉(zhuǎn)變?yōu)橄乃蛭⑸锂a(chǎn)生 H2S。氧的陰極還原反應(yīng)導(dǎo)致金屬周圍溶液的 pH 值變大，金屬在陽極區(qū)形成金屬陽離子。他們認(rèn)為， 在金屬表面形成閉塞電池的過程中，細(xì)菌的菌落下最初形成的蝕坑主要是由細(xì)菌的生命活動(dòng)引起的。 畢業(yè)論文 16 （ 5）代謝產(chǎn)物腐蝕機(jī)制 等人發(fā)現(xiàn)代謝產(chǎn)物中濃度較高的 Fe2+對(duì)低碳鋼厭氧腐蝕有促進(jìn)作用。他們認(rèn)為，在厭氧條件下 SRB 產(chǎn)生具有較高活性及揮發(fā)性的磷化物，磷化物與基體鐵、 SRB 產(chǎn)生的 H2S、次磷酸鹽與鐵作用都可產(chǎn)生磷化鐵，加劇了基體鐵的腐蝕。但 H2S 濃度達(dá)到一定量時(shí)，形成硫化物保護(hù)膜后電位上升，腐蝕受到抑制。影響而微生物生長、腐蝕的環(huán)境因素相對(duì)比較復(fù)雜，主要的影響有以下幾個(gè)方面： （ 1） 溫度的影響 通常情況下，溫度偏低對(duì)鐵細(xì)菌的生長有利，嘉氏鐵柄桿菌在 6℃時(shí)繁殖最快，而其它異養(yǎng)鐵細(xì)菌室溫生長較好，最適宜溫度為 22～ 25℃。溫度過高或過低對(duì)其生長都不利 ,溫度低于 15℃或高于 100℃則其不能存活。硫酸鹽還原菌一般在中性偏堿性 (～ )條件下生長，不過，經(jīng)過馴化后，硫酸鹽還原菌也可在 pH 為 的強(qiáng)堿性環(huán)境下生長。也有研究表明，在偶然的暴氧期間，金屬的腐蝕速率將明顯高于原有的厭氧腐蝕速率。研究證明， Cl離子能增大微生物對(duì)鋼鐵的點(diǎn)蝕傾向。 而硫酸鹽還原菌受 Fe2+的影響更為明顯。 （ 1）物理 防護(hù)法 利用電離射線（包括紫外線、γ射線和 X 射線）或超聲波處理。γ和 X 射線則能使細(xì)菌細(xì)胞的 DNA 鏈中兩個(gè)相連的胸腺嘧啶發(fā)生共價(jià)連接，使其復(fù)制發(fā)生錯(cuò)誤，從而致死 [34]。氧化型殺菌劑有氯氣、次氯酸、過氧化氫、臭氧及高鐵酸鹽等；非氧化型殺菌劑有氯酚類、季胺類及有機(jī)硫等。 按保護(hù)層材料的不同可分為 非金屬防護(hù)層和金屬防護(hù)層 ， 非金屬保護(hù)層又分為襯里和涂料兩大類 。 （ 4） 陰極保護(hù) 陰極保護(hù)法用來保護(hù)裸露的金屬表面，分為犧牲陽極或外加電流法。 陰極保護(hù)的原理如圖 3 所示： (a)外加電流法 (b)犧牲陽極法 圖 3 陰極保護(hù)原理圖 Cathodic protection schematic (a)Impressed current method (b)Sacrificial anode method 陰極保護(hù)經(jīng)常與有涂層一起使用，因此，當(dāng)涂層出現(xiàn)破壞時(shí)，裸露層就受到保護(hù)而避免腐蝕。 接線盒外加電源犧牲陽極腐蝕電流管道輔助陽極腐蝕電流管道畢業(yè)論文 20 腐蝕電位 腐蝕電位的測量是電化學(xué)測試方法中最直接的一種方法 [38]。 氧化 還原電位 氧化 還原電位代表溶液的氧化、還原能力，通常以惰性電極 Pt 來測量。O2+H2O = 2OH2e 由能斯特方程得 [40]： 21202][ln2OPOHFRT ????? 25℃時(shí)， mVPdpHdE o 59)/(2 ?? mVPddE pHO 15)lg/( 2 ? 由此可知 pH 值對(duì)氧化 還原電位的影響大于氧分壓的影響。 線性極化電阻 在腐蝕電位附近比較窄的電位范圍內(nèi)（ 5～ 20mV），電 位和電流之間存在線性關(guān)系 [39]： corrcci ibbbbi ????????? ???? )( ?? 定義Pi Ri ?????????? ?0（即極化電阻）， ? ?corrcc ibb bbB ????? 則有Pcorr RBi ? 根據(jù)測得的線性極化電阻 Rp，利用 icorr=B/Rp 關(guān)系計(jì)算腐蝕電流 icorr 值，或利用 1/Rp 來表示腐蝕速率的相對(duì)變化。由極化曲線可判斷腐蝕反應(yīng)的類型：活化極化、擴(kuò)散極化、鈍化等。 電化學(xué)阻抗譜（ EIS） 近年來，電化學(xué)阻抗譜在腐蝕研究中得到了廣泛的應(yīng)用，它是對(duì)腐蝕體系施加一小幅值（一般 5mV）的電壓（或電流）正弦擾動(dòng)信號(hào)，測量體畢業(yè)論文 22 系的響應(yīng)信號(hào)（電流或電壓），通過頻響技術(shù)或鎖相技術(shù)得到阻抗（含實(shí)部、虛部）、相角（相位移）等與頻率的關(guān)系，據(jù)此來分析得到電化學(xué)腐蝕反應(yīng)的有關(guān)信息。因此，電化學(xué)阻抗譜是一種很有價(jià)值的微生物腐蝕研究方法，可用于考察微生物附著、繁殖、成膜及產(chǎn)生的后續(xù)腐蝕過程。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，每年因微生物腐蝕造成的損失，美國達(dá) 70 億美元、英國 4 億美元，日本 億美元，占金屬腐蝕損失的 10%。這種情況給我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來很大的影響，很大程度上阻礙了我國社會(huì)主義事業(yè)的發(fā)展。 本文是在實(shí)驗(yàn)室中模擬假單胞菌的生活環(huán)境，以碳鋼為研究對(duì)象，進(jìn)一步揭示假單胞菌在碳鋼表面的吸附、碳鋼在假單胞菌 海水體系中的腐蝕行為、假單胞菌的新陳代謝過程以及生物膜和腐蝕產(chǎn)物膜形成、脫落過程對(duì)腐蝕的影響，結(jié)合電化學(xué)分析技術(shù)以及數(shù)據(jù)擬合等方法對(duì)碳鋼在接種假單胞菌的海水中所發(fā)生的腐蝕行為進(jìn)行研究。 2 實(shí)驗(yàn)部分 試驗(yàn)材料和試樣制備 試驗(yàn)材料 試樣采用 45 鋼圓鋼制備， 按照 GB577686 選取材料 ， 45 鋼主要化學(xué)成分見表 1。試樣一端焊接銅導(dǎo)線，留光滑面 216。 畢業(yè)論文 25 表 2 實(shí)驗(yàn)儀器 Table 2 Experimental apparatus 儀器 產(chǎn)地 超凈工作臺(tái) 天津市醫(yī)藥凈化設(shè)備廠 ZENNIUM 電化學(xué)工作站 德國 ZAHNER 公司 LDZX4OS 型立式自控壓力蒸汽滅菌器 上海甲安醫(yī)療器械廠 851 恒溫磁力攪拌器 金壇市富華儀器有限公司 紫外滅菌燈 天津市醫(yī)藥凈化設(shè)備廠 AY220 電子天平 SHIMADZU CORPORA JAPAN 醫(yī)用脫脂棉 徐州市旭康衛(wèi)生材 料有限公司 微生物實(shí)驗(yàn)必備的玻璃器皿 電化學(xué)測試實(shí)驗(yàn)必備的玻璃器皿 實(shí)驗(yàn)試劑 實(shí)驗(yàn)所用試劑如表 3 所示。采用氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié) pH 為 ～ 。然后冷卻至 60℃時(shí)倒平板制成固體培養(yǎng)基。 腐蝕樣品掛樣 （ 1）用 500mL 的量筒量取 400mL 的陳海水，倒入三口燒瓶中，用橡皮塞子 封口。此步操作均在酒精燈附近進(jìn)行，避免雜菌對(duì)樣品的污染。具體 MPN 操作方法如下： （ 1）樣品 稀釋。 （ 2） 傾注 平皿。 待瓊脂凝固后，翻轉(zhuǎn)平板，置 于 36177。培養(yǎng)到時(shí)間后，取出平板 對(duì)其 內(nèi)菌落數(shù)目 進(jìn)行計(jì)數(shù) ，可用肉眼觀察，必要時(shí)用 放大鏡 檢查，以防遺漏 ； 記下各平板的菌落總數(shù)后乘以稀釋倍數(shù)，即得每克（每毫升）樣品所含菌落總數(shù)。 ○ 2 交流阻抗試驗(yàn)。動(dòng)電位極化曲線的掃描速度為 4mV/s，掃描電位范圍從250mV 到 1V后回掃，利用 Corrview 軟件進(jìn)行分析擬合。 3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 海水中假單胞菌生長曲線 經(jīng)分離、純化和擴(kuò)大繁殖后的假單胞菌在海水中的生長曲線如圖 5 所示。 第三階段為穩(wěn)定生長期 （ 6d～ 9d） ， 隨著培養(yǎng)時(shí) 間的延長，由于間歇培養(yǎng)假單胞菌所需的碳源、氮源等營養(yǎng)物質(zhì)逐漸消耗，環(huán)境 pH 值逐漸變化，逐步不利于假單胞菌的生長，導(dǎo)致假單胞菌生長率降低直至零（即細(xì)菌分裂的數(shù)量等于細(xì)菌死亡數(shù)量），進(jìn)入穩(wěn)定生長期，假單胞菌菌種數(shù)維持在 6 108cfu。這是因?yàn)?5 鋼電極剛浸入假單胞菌海水中，假單胞菌就會(huì)附著在電極表面形成一層微生物膜，由于假單胞菌的繁殖代謝活動(dòng)使電極表面氧濃度降低，阻礙了其表面鈍化膜的形成，同 時(shí)假單胞菌新陳代謝產(chǎn)生了氨類侵蝕性物質(zhì)，因而使自腐蝕電位快速負(fù)移。 0 2 4 6 8 10 12 14 160 .4 80 .4 60 .4 40 .4 20 .4 00 .3 80 .3 60 .3 4 Potential / V。持續(xù)生長 4d 后，電極表面由于假單胞菌生長代謝產(chǎn)生的堿性物質(zhì)，以及腐蝕過程中 Cl濃度增高，致使這一表面區(qū)域的產(chǎn)物膜不斷被破壞、減薄，自腐蝕電位又開始快速負(fù)移。試驗(yàn)表明，在海水條件下假單胞菌可以在相對(duì)長的時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定生長。 第一階段為遲緩期 （ 0d～ 1d） ， 當(dāng)假單胞菌接種到滅菌海水這個(gè)新的生長環(huán)境中時(shí)，由于暫時(shí)缺乏足夠的能量和必需的生長因子，菌種未得到充分的活化，因此，假單胞菌在一段時(shí)間里并不立即分裂，菌種的數(shù)量維持在 1 108cfu，生長處于遲緩期。 ○ 4 電化學(xué)腐蝕測試中， EIS 和 IE 以 0 天、 1 天、 3 天、 5 天、 7 天、 11天、 15 天為周期，定期取樣，作檢測分析； EC 以 0 天、 1 天、 2 天、 3 天、4 天、 5 天、 6 天、 7 天、 9 天、 11 天、 13 天、 15 天為周期，定期取樣，作檢測分析。激勵(lì)信畢業(yè)論文 28 號(hào)選擇幅值為 10mV 的交流正弦波，頻率范圍為 5mHz～ 100kHz，數(shù)據(jù)利用 Zview2 軟件進(jìn)行擬合。 ○ 1 開路電位測量。2h 。以此方法進(jìn)行 10 倍遞增稀釋液 的培養(yǎng)。 換用 一支 滅菌吸管吸取 1： 10 稀釋液 ，沿管壁徐徐注入含有 無菌水 稀釋液的試管內(nèi)，振搖試管混合均勻，制成 1： 100 的稀釋液。 注：上述第三、第四步的操作需要手帶一次性手套完成，并用滅菌液進(jìn)行滅菌 ，方可進(jìn)行操作，以避免雜菌對(duì)樣品的污染。 （ 2）將配置的海水培養(yǎng)基用牛皮紙包好瓶口，放入 121℃的高溫滅菌鍋中滅菌 20min，再用紫外燈滅菌 30min，然后放入無菌室中冷卻至室溫。 3～ 5 天后，培養(yǎng)基上會(huì)出現(xiàn)粘稠狀白色菌落，然后挑取單一菌落接種于液體培養(yǎng)基中，再次進(jìn)行富集培養(yǎng)。培養(yǎng) 1～ 3 天后，培養(yǎng)基表面出現(xiàn)一層粘稠狀白膜。 畢業(yè)論文 26 假單胞菌種的分離與提純 （ 1）使用培養(yǎng)基對(duì)假單胞菌進(jìn)行富集培養(yǎng)。 （ 3）試樣工作表面分別用 200、 400、 600、 800、 1000、 1200金相砂紙依次逐級(jí)打磨至光滑，并先后用丙酮除去試樣表面油脂，無水乙醇脫水，用吹風(fēng)機(jī)吹干后裝入密閉袋中并放在干燥器中保存?zhèn)溆茫ㄈ鐖D 4所示）。 （ 2）利用機(jī)械加工的方法，將試樣線切割加工成尺寸為 216。 （ 2）將 45 鋼浸泡在接種假單胞菌的海水中，取出浸泡不同時(shí)間（ 0d～15d）的試樣進(jìn)行分析。海南省地處低緯度熱帶地區(qū)，屬于熱帶海洋季風(fēng)氣候，常年溫度高、濕度大，近海水質(zhì)又富含有機(jī)物質(zhì)和無機(jī)鹽，所以，微生物繁殖生物非常旺盛，造成船舶等海洋金屬材料的嚴(yán)重腐蝕。而我國主要經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)都處于沿海地帶，使用鋼材的比例也是非常巨大的。 常用的電化學(xué)分析方法還有：電化學(xué)噪聲分析（ ENA）、微電極技術(shù)、電化學(xué)表面成像技術(shù)、表面分析方法等。腐蝕體系要求滿足因果性、線性和穩(wěn)定性。 然而，該技術(shù)需要嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)條件（如介質(zhì)環(huán)境條件、掃描速率、方向、試樣表面狀態(tài)等），才能得到平行數(shù)據(jù)。其缺點(diǎn)是它僅對(duì)均勻腐蝕可以測定腐蝕速率，而對(duì)局部生物腐蝕和局部腐蝕體系（如點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕等）只能提供一種趨勢。同時(shí)， 和 還原電位和 SS304的腐蝕電位，表明二者有著相反的變化方向，即氧化 還原電位下降時(shí)，腐蝕電位升高。然而，在某些微生物腐蝕體系內(nèi)，確實(shí)存在著穩(wěn)定的氧化 還原電位，它可以提供一些有關(guān)環(huán)境變化的信息。僅僅從腐蝕電位的測量，并不能確定微生物對(duì)陽極過程和陰極過程的作用，如圖 1 所示，腐蝕電位正移的情況有可能是抑制了陽極過程，也有可能加速了陰極過程；而腐蝕電位不變的情況下，也有可能是