（环境工程专业论文）再生水中硫酸盐还原菌对铜合金腐蚀的研究.pdf

北京交通人学硕士学位论文中文摘要 中文摘要 摘要：本论文使用从发电厂循环冷却塔塔底粘泥分离出的s r b ，研究了再生水 环境中s r b 的形貌特征和生长曲线。采用凝汽器常用的h s n 7 0 1 a ，h s n 7 0 1 a b ， b f e 3 0 1 1 铜合金材质为研究对象，利用电化学交流阻抗对s r b 对三种铜合金的 腐蚀电化学行为进行了测试，对三种铜合金在再生水环境中的腐蚀规律进行了深 入的研究；并且使用原子力显微镜a f m 研究了再生水环境中微生物膜在铜合金 表面的形成过程，测量了s r b 细胞表面粘附力，对比研究了铜合金腐蚀前后表 面粗糙度的变化。 研究表明，虽然再生水环境较培养基营养贫乏，但是s r b 在再生水中仍然 可以生长。从发电厂循环冷却塔塔底粘泥分离出来的s r b ，培养在再生水中， 观察其形貌为杆状，椭圆形，有鞭毛，革兰氏阴性菌，大小为2 3 岬，宽约为 l 2 1 x m 。同时s r b 在再生水中的生长存在停滞期( 2 3 d ) ，对数生长期和稳定生 长期，但是s r b 在再生水中活性较弱，平均世代时间为5 7 6 h ，明显长于s r b 在培养基中的平均世代时间2 4 7 i l 。 将h s n 7 0 1 a 、h s n 7 0 1 a b 和b f e 3 0 1 1 三种铜合金浸泡在接种s r b 的 再生水中，随着浸泡时间的增长，s r b 在三种铜合金表面的粘附力逐渐增大， 在表面的附着量逐渐增多，生物膜逐渐变密变厚。 浸泡相同时间时，b f e 3 0 1 1 挂片表面附着的s 元素的含量和c u 的含量损 失量高于h s n 7 0 1 a 和h s n 7 0 1 a b ，而且s r b 在b f e 3 0 1 1 铜合金表面的粘附 力也是最大的，因此浸泡1 4 d 时，s r b 在b f e 3 0 1 1 挂片表面的附着量为4 8 x 1 0 7 个c m 2 ，高于在h s n 7 0 一l a 和h s n 7 0 1 a b 表面的附着量3 1 7 x 1 0 7 个c i t l 2 和 4 2 2 x 1 0 7 个g i t l 2 ；去除生物膜后，由原子力显微镜观察到在相同的面积上 b f e 3 0 1 1 表面的点蚀坑较多而且大，在h s n 7 0 1 a b 表面的腐蚀坑数目最少， 而且蚀坑也是最小的。所以再生水中s r b 对b f e 3 0 1 1 腐蚀最为严重，对 h s n 7 0 1 a b 的腐蚀最轻。这可能与三种铜合金的成分有关，由于b f e 3 0 1 1 合 金中为了改变其机械性能，加入了n i 和f e 元素，但却也增强了s r b 对其腐蚀 的敏感性。 在接种s r b 的再生水中，三种铜合金的电化学腐蚀行为不同：h s n 7 0 1 a 、 h s n 7 0 1 a b 电极的n y q u i s t 图由单容抗弧转变为双容抗弧，腐蚀受到活化和扩散 作用的共同控制；而b f e 3 0 1 1 电极在腐蚀过程中活化为主要腐蚀因素，并且随 着时间的增长，极化电阻也随着减小，b f e 3 0 1 1 电极受到的腐蚀不断加重。 图2 8 幅，表1 1 个，参考文献8 5 篇 i i 北京交通人学硕士学位论文中文摘要 关键词：铜合金；硫酸盐还原菌；微生物膜；交流阻抗；原子力显微镜； 分类号： t u 5 1 2 1 ；q 9 3 3 1 4 + 5 】 北京交通人学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t a b s t r a c t ：i nt h i sp a p e r , t h et o p o g r a mc h a r a c t e ra n dg r o w t hc u r v eo fs r b s e p a r a t e df r o mc o o l i n gw a t e rw e r es t u d i e d 1 1 1 ee l e c t r o c h e m i s t r yb e h a v i o r so fs r b t o t h r e ed i f f e r e n tc o p p e rm a t e r i a l s ：h s n 7 0 1 a ，h s n 7 0 - l a b ，b f e 3 0 1 1w e r es t u d i e db y a c i m p e d e n c em e t h o d w h a t sm o r e ，t h eg r o w t hp r o c e s so fb i o f i l m so fs r b c o v e r i n go nc o p p e rs u r f a c e sw a so b s e r v e db ya t o m i cf o r c em i c r o s c o p e ( a f m ) t h e a d h e s i v ef o r c eb e t w e e nt h et i po ft h ep r o b ea n dt h es u r f a c eo fb a c t e r i aw a sm e a s u r e d w i t ht h ef o r c e d i s t a n c ec u r v eo f a f m 功cr e s u l ts h o w e dt h a tt h es r b s e p a r a t e df r o mc o o l i n gw a t e r i sr o d s h a p e d m o r p h o l o g y , o v a l ，f l a g e l l a a n ds r ba r eg r a m n e g a t i v eb a c t e r i a i nr e c y c l e w a t e r , s r ba d j u s tt h e m s e l v e st ot h ee n v i r o n m e n ti nt h ef i r s t2 3 d a y sa n di t sa v e r a g e g e n e r a t i o nt i m ei s5 7 6 h ，w h i c hi sm u c hl o n g e rt h a nt l l a ti nt h ec u l t u r e w h e ni nt h e l a gp h a s e ，s r b sc o r r o s i o nt oc o p p e rm e t a li sn o ts os e r i o u s ，h o w e v e r , a f t e rt h a t ，s i m h a sg o o da v t i v i t ya n di tw i l lc a u s es e r i o u sc o r r o s i o nt oc o p p e rm e a t l f r o mt h ea n a l y z ev a l u e so fr e s i s t a n c ei ne q u i v a l e n tf o rt h r e ec o p e rm e t a l s ，w e c a ns e et h a ta tt h eb e g i n n i n gt i m eo fi m m e r s i o n ，t h ec a p a c i t a n c eo f o x i d i z e df i l mo n h s n 7 0 1 一aa n dh s n 7 0 1 a b ss u r f a c e sd e c r e a s e da n di n c r e a s e da f t e ri m m e r s e d7 d a n dt h e ni td e c r e a s e da g a i n ，t h ec o n t r o lf a c t o rb e c a m et ob ep r o l i f e r a t i o nw h i c hc a n b ee x p l a n d e dt h a tt h eb i o f i l m so nh s n 7 0 一l aa n dh s n 7 0 一l a bs u r f a c eh a st h er o l eo f p r o t e c t i o nf o rh s n 7 0 - 1 aa n dh s n 7 0 - 1 - a bm e t a l s h o w e v e r , t h eb i o f i l mo nt h e s u r f a c eo f b f e 3 0 - 1 1h a sm u c hu n - h o m o g e n e i t ys ot h a tt h ec o r r o s i o no f b f e 3 0 - 1 一l w a sg r e a t e r t h r o u g ha f m ，w ef o u n dt h a tt h en u m b e ro fs r bo nc o p p e rs u r f a c eb e c a m em o r e w i t ht h em e t a li m m e r s e di nr e c y c l ew a t e rf o ral o n gt i m e a n db i o f i l mw h i c hi s c o m p r i s e do f m i c r o o r g a n i s m ，e p sa n dc o r r o s i o np r o d u c t sb e c a m et h i c k e ra n dd e n s e r h o w e v e r , t h eb i o f i l mo nb f e 3 0 1 - 1s u r f a c ei sm u c ht h i c k e rt h a nt h eb i o f i l mo n h s n 7 0 - 1 一aa n dh s n 7 0 - l a b 、h a t sm o r e ，w ef o u n dt h a tt h ea d h e n s i v ef o r c eo f s i 己bo nb f e 3 0 1 - ls u r f a c ei sm u c hg r e a t e rt h a nt h ef o r c eo fs r bo nh s n 7 0 1 一aa n d h s n 7 0 - 1 - a bs u r f a c e w h e nc o r r o s i o n h a p p e n e d ，t h ec o r r o s i o np i tw a sm o r ea n d l a r g e ro nb f e 3 0 - 1 - 1a n dt h er o u g h n e s so f b f e 3 0 - 1 - 1a f t e rr e m o v a lo f b i o f i l mi s b i g g e r , t h er ao f b f e 3 0 - 1 1 ss u r f a c ei s8 7 4 n m ，6 1 3 n mo nh s n 7 0 1 一a ss u r f a c e ，a n d 5 6 2 n mo nh s n 7 0 1 a b ss u r f a c e s oi tc a nb ec o n s i d e r e dt ob et h a tb f e 3 0 】s v 北京交通大学硕士学位论文a b s t r a c t c o r r o s i o ni nr e c y c l ew a t e ri sm u c hm o r es e r i o u s k e y w o r d s ：c o p p e ra l l o y ；s u l p h a t er e d u c i n gb a c t e r i a ；b i o f l i m ；e i s ；a f m c l a s s n o ： t u 5 1 2 1 ；q 9 3 3 1 4 + 5 】 北京交通大学硕士学位论文独创性声明 独创性声明 本人声明所成交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 5 4 签字日期：2 幻7 年彳月冲日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 瘢茂j 签字日期：o d d ( 7 年石月冲日 翩虢缸 签字日期：纱7 年多月节日 致谢 本论文是在我的导师李进教授的悉心指导与关怀下完成的。从论文选题、文 献资料的查阅、实验方案确定到论文的撰写，无不渗透着导师的心血和汗水。导 师李进教授严谨的治学态度和科学的工作方法、高尚的学术作风和实事求是的科 研作风、博大的处事情怀和平易近人的工作作风对我今后的生活和工作产生了深 远的影响，导师的言传身教，使我受益匪浅。导师不仅在学业和工作上给予我精 心指导，并且在细想和生活上给予我亲人般的关怀和帮助。 真心感谢北京交通大学土木建筑工程学院市政与环境工程系实验室李久义 老师和刘灵琴老师对我的实验给予的大力支持和热情帮助。 在实验阶段，焦迪、王国f f l 等同学给予了很大的帮助，在此表示深深感激之 情。 特别感谢所有关心过帮助过我的老师和同学! 感谢我的家人对我学习的理解和支持! 北京交通人学硕士学位论文1 绪论 1 1 引言 1 绪论 随着全球人口的急剧增长和工业的迅速发展，人类对水资源的需求以惊人的 速度增大。与1 9 世纪相比，在2 0 世纪，世界人口总数增加了两倍，但人类的用 水总量却增加了5 倍，淡水开采量增加了7 倍，工业用水量则增加了3 0 倍。如 果这种状况继续下去，那么2 0 年内，2 0 世纪人均淡水可支配量将下降1 3 。 城市用水中的8 0 是工业用水，工业用水中的8 0 又是水质要求不高的冷却 水。以再生水替代自来水用语工业冷却，在技术和工程上都易于实现，在规模上 又足以缓解城市供水紧张状况。火力发电厂一直是工业用水的大户，它在把热能 转化为电能的过程中需要大量的水作为汽轮机排汽的冷却介质，在火力发电厂中 冷却水用水量可达全厂用水量的7 0 8 0 。所以火力发电厂是城市污水回用最 大的用户之一【l 】【2 1 。 在美国，早在2 0 世纪3 0 年代，美国就开始将城市污水回用与工业循环冷却 水，据估计，美国每年有2 9 6 亿吨的城市污水回用中，有1 9 6 亿吨用于循环冷 却水，占回用水总量的6 6 2 t 3 1 。在英国、日本、以色列等国家，火电厂与污水 处理厂联合运营已经积累了许多经验【4 】而在我国，城市污水回用于循环冷却水的 应用还很少。 铜合金及铜镍合金由于其优良的导热性，良好塑性和必要的强度，以及易于 机械加工，价格便宜等优点，被广泛应用于热交换器和冷却系统【5 】。目前我国发 电机组中凝汽器、低压加热器和冷油器中的传热管件和水冷发电机的空心导线通 常采用的材质为h s n 7 0 1 a ，h s n 7 0 1 b ，h s n 7 0 1 a b ，b f e 3 0 1 1 等铜合金或纯 铜。凝汽器铜管的外壁接触的是高流速的蒸汽及凝结水，内壁则与冷却水相接触。 即使是天然水在其用作循环冷却水的过程中，由于冷却水通常是含有各种杂质成 分的天然淡水、苦咸水或是海水，因而可能产生多种形态的腐蚀，并且腐蚀程度 严重。当再生水回用于循环冷却水时，由于城市污水较新鲜水源而言，在使用过 程中加入了许多污染物杂质，所以特别容易引起微生物的大量生长，因此研究再 生水回用于循环冷却水系统中时由微生物引起的腐蚀具有重要的现实意义。 由于微生物的生命活动而引起或促进材料腐蚀进程的现象统称为微生物腐 蚀( m i c ) 。m i c 是1 9 1 0 年有r h g a i n e s 首次指出的，它常发生在石油、化工、 航空、机械、核能、电力等领域的工业用水和循环冷却水系统的设备腐蚀中【6 】。 1 9 3 4 年，荷兰学者v o n w k u h r 等提出硫酸盐还原菌( s r b ) 参与金属腐蚀的阴极 去极化的理论【7 】之后，人们开始对m i c 重视起来。 北京交通大学硕士学位论文l 绪论 本论文将对再生水环境中s r b 的生长规律和其对铜合金腐蚀规律、s r b 生 物膜下铜合金材料腐蚀行为进行研究。 1 2 硫酸盐还原菌生理生化特征 硫酸盐还原菌在无氧的状态下，用乳酸活丙酮酸等有机物作为电子供给体， 用硫酸盐作为术端电子接受体，将硫酸根还原为负二价硫而繁殖的一群专性厌氧 菌【8 1 硫酸盐还原菌在自然环境中多为脱硫弧菌属。2 0 世纪7 0 年代以前，确认的 硫酸盐还原菌只有脱硫弧菌( d e s u l f o v i b r i o ) ，脱硫肠状菌( d e s u l f o t m a - c u l u m ) 和脱硫单胞菌( d e s u l f o m o n a s ) 等3 个属。在此之后，经过许多学者的研究和成 功的分离，发现除了上述3 个属外，s r b 还存在其他不同的属和种。1 9 8 4 年出 版的第一版贝捷氏系统细菌学手册第一卷中，n i d d l e 和p t e n n h y 提出了s r b 的 书检索表，把所有的能还原硫酸盐或元素硫的细菌归属为8 个属。此后，又有一 些新的属和种被陆续分离和命名。据不完全统计，目前硫酸盐还原菌已有1 2 个 属，近4 0 个种【们。 硫酸盐还原菌鉴别特征：单细胞，无色，无芽抱，具弯轴( 非螺旋状) 的杆状有 机体；宽度小于2 微米；以单根鞭毛运动；革兰氏阴性；异养；广泛利用有机物的同时 把硫酸盐、亚硫酸盐、硫、硫代硫酸盐和连二亚硫酸盐还原成h 2 s 并可能把氢作 为供氢体，不沉积铁的氧化物。 硫酸盐还原菌能在p h 为6 9 5 ，温度为5 5 0 。c 范围内成长，尽管有些s r b 能在1 0 0 的高温，5 0 m p a 的高压，甚至是更高的情况下成长【1 0 1 。一般认为硫酸 盐还原菌是绝对厌氧细菌，所以氧气对s r b 的生长会产生很大的影响【9 】。油田 系统采用短时曝气法来杀灭水中的硫酸盐还原菌。然而在偶然的曝氧期间，金属 的腐蚀速率将明显高于原有的厌氧的腐蚀速率。但是一般仍将其归为严格的厌氧 微生物【1 1 1 。所以其生长环境的氧化还原电位一般应保持在4 0 0 m v 以下( 相对于 标准电极s c e ) 。根据好盐度，硫酸盐还原菌可以分为好盐性菌和非好盐性菌。 好盐性菌一般分布在海洋环境中，要求n a c l 的浓度大于o 6 ，最适宜的浓度为 1 3 。 1 3 硫酸盐还原菌的腐蚀机理 1 3 1 阴极去极化作用 荷兰人v o nw o l z o g e nk u h r 从1 9 2 2 年就开始研究细菌腐蚀机理，提出了硫酸 盐还原菌腐蚀的理论基础，至今很多工作者对他的理论有很大的兴趣。1 9 3 4 年 2 北京交通大学硕士学位论文l 绪论 k u h r 和v a nd e rv l u g t 发表了一篇名为“铸铁的石墨化是在缺氧土壤中的一种生物 电化学过程”的文章。文中作者指出，“阴极去极化作用【1 2 】 是腐蚀过程中的 一个关键性步骤。反应如下： 4 f 一4 f e 2 + + 8 e ( 阳极反应) ( 1 1 ) 8 h 2 0 _ 8 h + + 8 0 h ( 1 - 2 ) 8 h + + 8 8 h ( 阴极保护)( 1 3 ) s 0 4 2 + 8 h s 2 。+ 4 h 2 0 ( 细菌引起的阴极去极化)( 1 4 ) 4 f e 2 + + s 2 - - f e s ( 腐蚀产物) ( 1 5 ) 3 f e 2 + + 6 0 h 。- * 3 f e ( o h ) 2 ( 腐蚀产物) ( 1 6 ) 整个反应式为： 4 f e + s 0 4 2 + 4 h 2 0 叶3 f e ( o h ) 2 + f e s + 2 0 h 。( 1 - 7 ) 1 3 2 浓差电池作用 浓差电池理论1 9 1 是由s t a r k e y 提出的，他认为当污垢或腐蚀产物如铁的水化物 覆盖于金属部分表面时，会形成浓差电池。例如管道表面覆盖有锈结核后，金属 表面与溶解在水中的氧的接触被屏蔽，相当于没有被沉积物覆盖的管道内壁的金 属表面，被覆盖部分的金属表面就形成了阳极。这样，金属表面附近形成低氧区， 从而适合s r b 的生存。这样各种有机物和无机物就会阻止含氧水到达金属表面。 1 3 3 沉积物下的酸腐蚀理论 这个理论【l3 】的依据主要是绝大多数微生物腐蚀的最终产物是低碳链的脂肪 酸，其中较常见的是醋酸。当醋酸在沉积物下浓缩时，对金属有很大的侵蚀性。 在含氧环境中，紧靠沉积物下面的区域相当于周围的大阴极成为小阴极。阴极还 原反应会导致金属周围溶液的p h 值变大。金属在阳极区形成金属阳离子。如果 阳极区和阴极区是隔离的，阳极区的p h 值会下降，阴极区p h 值会上升。 1 3 4 阳极区固定理论 在金属表面形成闭塞电池的过程中，细菌的菌落下最初形成的坑蚀主要是由 细菌的生命活动引起的。大部分的微生物都固定在菌落周围，这使得阳极区固定。 此种理论用来解释约9 0 以上的微生物腐蚀以孔蚀为特征【1 4 】。 硫酸盐还原菌参与金属腐蚀的作用机理见图1 1 3 北京交通大学硕士学位论文l 绪论 耀援避二2 。竺。一一羔二一一，灞援 1 4 微生物膜 图1 1 硫酸盐还原菌腐蚀图解 f i g l ld i a g r a m m a t i cv i e wo f m i cc a u s e db ys r b 微生物在材料表面吸附形成的覆盖层成为生物膜( b i o f i l m ) 1 5 1 。热交换器、 输水及输油等系统中生物膜可严重的影响水质和输水输油效率，导致管道锈蚀 1 6 , 1 7 】。当金属表面存在微生物膜时，金属表面微生物膜界面的p h 值、溶解氧的 浓度、有机和无机物的种类及其浓度改变了腐蚀的机理和速掣1 8 】。 1 4 1 微生物膜的形成 微生物膜是环境中的微生物以非常复杂的方式相互作用附着在金属表面而 形成的，在微生物膜与金属界面形成了一个不同于本体溶液的特殊环境。从热力 学自发倾向性考虑，微生物在金属表面的附着过程是一个高度自发的过程。微生 物膜发育形成可以分为以下几个阶段【1 9 】：( 1 ) 分子吸附，聚集成较大的块体，形 成所谓的“条件膜 ；( 2 ) 浮游细菌也被吸附；( 3 ) 细菌生长，形成微生物群落 并伴随胞外聚合物( e p s ) 的产生；( 4 ) 微生物群落向蘑菇般扩展形成空间结构 异相的成熟的微生物膜。( 5 ) 除此之外，继续发展，会有单个细菌或部分的生物 膜开始脱落，然后新的微生物又开始重新附着生长繁殖，逐渐形成新的微生物 膜。不论外界的环境相对稳定与否，微生物膜的这种不稳定性也会出现，因此微 生物膜世纪上是一个不断变化更新的状态。 通常固体材料浸水后不到一个小时就可以检测到表面微生物的存在。微生物 膜在一个洁净的表面吸附需要一个诱导期，在这个阶段，水体中的一个溶解态的 4 北京交通大学硕士学位论文l 绪论 有机物和无机物被吸附到材料表面。这个过程是不可逆和大量发生的。吸附之前 材料表面的一些特征如所带电荷的电性、憎水性等在吸附发生后会发生改变。当 吸附层形成以后，微生物膜就开始以指数形式开始成长，直到它的厚度达到足以 阻碍营养物质向膜内扩散，或是水流冲刷掉的外层以又不断被修复。在没有杀菌 剂存在的情况下，冷却水系统中的微生物膜大约需要1 0 1 4 d 达到平衡。微生物 膜的形成厚度不一，膜的厚度一般也是不均匀的，有的地方还会裸露出材料表面。 1 4 2 生物膜下细菌腐蚀机理 美国的一些学者在研究厌氧菌生物膜下细菌腐蚀时发现，试片表面生成生物 膜与硫化亚铁膜的先后顺序不同，所得到的腐蚀结果也不同。先生成生物膜再生 成f e s 膜，试片仍保持原来的划痕，未发现明显的点蚀现象；若先生成f e s 膜 再生成生物膜便出现了明显的点蚀现象。在试片表面生成生物膜后，移去生物膜 和腐蚀产物，则发现点蚀电位移到活性区，此时随着菌膜的积累，点蚀就会发生。 去除表面腐蚀产物，通过e d x a 发现蚀孔中含有s r b 和f e s 晶体，推测点蚀的 发生是在合金基体的金相不均匀性引起的，其次才是s r b 的作用。因此认为生 物膜下s r b 的腐蚀被加速的机理可能有以下几个方面： ( 1 ) 腐蚀速率被加速是通过阴极去极化，但又受到通过腐蚀产物层的硫化 氢气体的扩散所控制( 浓差极化) ，与没有s r b 存在时的腐蚀一样【2 0 1 。 ( 2 ) 腐蚀速率被阴极去极化加速，但不受浓差极化限制。在这种情况下， s r b 沉积在疏松的f e s 膜中而促进腐蚀【2 1 1 。( 假设是通过减小细菌所产生的硫化 物到达金属表面的扩散距离来实现的。) ( 3 ) s r b 腐蚀产生的f e s 膜所起的作用比细菌更重要，f e s 充当阴极，但 又不是永久阴极，只有溶液中存在s r b ( 产生f e s ) 或有悬浮的f e s 时才能充当 阴极。在厌氧条件下，s r b 与腐蚀产物的混合物起着提供h 2 s 使得f e s 膜保持 阴极活性的作用【2 0 l 。 ( 4 ) 微量氧的存在可能是f e s 充当阴极去极化的前提，其原因则可能是氧 与硫化物作用生成氧化性的中间产物而促进腐蚀【2 2 1 ( 5 ) 微生物酶的生物电化学催化作用加速腐蚀。 ( 6 ) 一些学者认为细菌新陈代谢的活性是导致产生局部腐蚀的基础【2 3 ，2 4 1 。 ( 7 ) s r b 产生的胞外聚合物( e p s ) 与铁相互作用产生f e 2 + ，以及e p s 将f e 2 十 氧化成f e 3 + , 均加速腐蚀【2 5 ，2 6 1 。 在腐蚀介质中，生物膜的存在减小了腐蚀诱导期【2 7 】，若基体上有缝隙或小孔 等，生物膜的存在将增加裂纹的扩展速度【2 0 1 。细菌与腐蚀产物的混合物阻止连 续的有保护性的钝态层的形成。 5 北京交通大学硕士学位论文 1 绪论 微生物的腐蚀并不止局限有某一种形式的局部腐蚀，而是可能是多种形式的 腐蚀如点蚀、缝隙腐蚀、垢下腐蚀、电化腐蚀和冲刷腐蚀等的结合。 1 5s r b 腐蚀的电化学研究方法 微生物腐蚀作为- - f 7 交叉性很强的学科分支，涉及到微生物、环境、材料、 化学等多个学科内容。一般采用直接记数法、菌落记数法、1 4 c 同位素示踪法( 测 细菌活性) 等方法研究生物膜中细菌总量和细菌的新陈代谢。基于不同的学科和 研究目的，材料与微生物的相互作用研究显示出广泛的和不同的研究方向。m i c 研究涉及到微生物技术、腐蚀电化学技术和现代表面分析技术。 1 5 1 现代生物学技术 为了证实腐蚀是由微生物引起的，首要的就是要证明微生物的存在。从基本 的微生物取样培养到微生物的分子水平鉴定，都必须借助于专门的生物学分析技 术，否则不可能完成这样的工作。 目前已经有文献报道了很多的新技术，主要包括气相色谱技术、放射测量法、 阻抗测量法、微量量热法和生物发光法等物理化学方法以及放射免疫测定法和酶 联免疫吸附测定法等免疫学方法，同时这些技术已经与计算机相结合发展了多种 微生物自动化检测仪器和简易检测系统。 s r b 的检测技术从原理上分可以分为显微镜直接计数法、细菌构成物定量法 和代谢物的检测等【2 7 2 8 1 。其最大的特点是快速高效。但是显微镜直接计数法无 法分辨细菌的死活，a t p 钡 j 试仪会受到检测范围的限制等等。基于p c r 链反应的 荧光原位杂交( f l u o r e s c e n c ei ns i t uh y b r i d i z a t i o n ，f i s h ) 16 s r n a 探针技术已广泛 用于细菌种属的鉴定和分类【2 9 1 。 1 5 2 电化学技术 微生物附着在金属表面形成生物膜后可以发生如下作用：( 1 ) 影响电化学腐 蚀的阳极或阴极反应( 2 ) 改变可腐蚀反应类型( 3 ) 为生物新陈代谢过程产生的 侵蚀性物质改变了金属表面膜电阻( 4 ) 创造了生物膜内的腐蚀环境( 5 ) 由微生 物生长或繁殖所建立的屏障层导致了金属表面的浓差电池【3 0 3 1 3 2 1 。 一种新的测量技术交流阻抗法( e l e c t r o c h e m i c a li m p e d a n c es p e c t r o s c o p y , e i s ) 。初步研究表f l 韭j e i s 3 3 】技术队于膜内细菌数量、存活性及新陈代谢活性没有 影响，在测定过程中不会破坏微生物腐蚀过程，已有应用于微生物腐蚀的报道， 其优点在于可获得膜生长动力学数据【3 4 1 。 6 北京交通人学硕士学位论文l 绪论 1 5 3 现代表面分析技术 对于腐蚀研究来讲，从腐蚀电化学角度来研究、记录各种腐蚀参数的变化， 包括从电位( 指自然腐蚀电位、孔蚀电位、电化学噪声电位等) 、电流( 腐蚀电 流密度、稳态与亚稳态空时电流、电化学噪声电流、氢渗透电流等) 、电阻( 极 化电阻等) 等信号的变化来反映材料、环境的相互作用机制和特征，这些参数信 号可以暂将其统称为腐蚀信号学；另一方面，结合表面原位或非原位的观察来实 证表面的腐蚀形貌和腐蚀特征，也是极其重要的，并且在现在变得越来越重要。 他们具有直观性和实证性，甚至具有信息获取的唯一性，可暂将其称为腐蚀图像 学。要对所得到的电化学数据和腐蚀机制做出合理的解释，必须借助于表面分析 技术。 用于腐蚀表观形貌的分析有金相分析、扫描电镜或环境扫描电镜 ( s e m e s e m ) 、原子力显微镜( a f m ) 、透射电镜( t e m ) 等，用于腐蚀产物 和表面膜特征分析的有x 射线衍射( x r a y ) 、x 射线光电子能谱( x p s ) 、拉曼 光谱( r a m a n ) 、傅立叶转换红外光谱( f t i r ) 等，用于微生物研究的荧光显微 镜、扫描共聚焦显微镜( c s l m ) 在m i c 研究中发挥着重要的作用。 原子力显微镜( a t o m i cf o r c em i c r o s c o p y , a f m ) 作为一种新型的分析技术， 为微生物膜的研究提供了良好的手段，它可以分析表面纳米数量级结构【3 5 3 6 1 ， 具有独特的高分辨率成像能力，能观察到腐蚀表面的围观形貌及细微变化，并且 被观察样品不受样品导电性限制，可在各种环境条件下成像，在生物医学【了7 3 8 】、 纳米材料及表面科学【3 6 】等领域都具有广泛的应用。利用a f m 可以观察s r b 在金 属表面形成的微生物膜，测量细菌细胞的宽度、高度及细菌鞭毛和胞外聚合物膜 的厚度，同时还可以鉴别基底的表面粗糙度，了解腐蚀裂隙的宽度和直径等【3 9 1 。 b r e m e rp h i l i pj 等【4 0 】利用a f m 观察同表面形成的微生物膜，发现细菌与铜表面的 点蚀密切相关。通过a f m 探测力一距离曲线来分析和比较细菌在固体表面动态和 静态粘附时侧向和垂直向相互作用力，发现细菌分泌的细菌胞外聚合物和鞭毛结 构在粘附过程和微生物膜形成中均具有重要作用【4 1 1 。因此利用a f m 观察细菌吸 附到固体表面形成微生物膜的过程，并结合电化学研究能够更好的说明微生物腐 蚀的各种因素的影响。 1 6 本论文的研究内容及意义 硫酸盐还原菌( s l 鼬3 ) g l 起的腐蚀在微生物腐蚀中占有很大比例，其引起的腐 蚀占所有腐蚀总量的1 0 左右。针对微生物腐蚀及s r b 引起的腐蚀，国外已做 出了很多的研究，但是迄今为止，针对再生水环境中s r b 引起的腐蚀即使是在 7 北京交通大学硕十学位论文1 绪论 国外也很少，国内的研究几乎没有。所以，研究再生水环境中s r b 的腐蚀规律 对再生水回用于循环冷却水具有重要的指导意义。 本论文选用循环冷却水系统中常用的三种铜合金材料h s n 7 0 1 a ， h s n 7 0 一l a b ，b f e 3 0 1 1 为研究对象，研究再生水这一特殊的新环境中s r b 的生 长情况以及对三种铜合金的腐蚀情况，尝试利用电化学分析技术以及原子力显微 镜等分析再生水中s r b 对h s n 7 0 1 a ，h s n 7 0 1 a b ，b f e 3 0 一1 1 三种铜合金的腐 蚀规律，定性及定量的分析铜合金表面微生物膜的形成规律。主要研究内容为以 下几个方面： 1 、分离、提纯取自发电厂循环冷却塔塔底粘泥中的s r b ；对比研究培养基 中和再生水中s r b 的菌种特征以及生长曲线。 2 、通过扫描电镜观察和分析三种铜合金h s n 7 0 1 a h s n 7 0 1 a b ，b f e 3 0 1 1 浸泡在接种s r b 的再生水环境中的腐蚀情况。 3 、进行电化学分析试验，对比研究s r b 在再生水环境中对三种铜合金 h s n 7 0 1 a ，h s n 7 0 ：l a b ，b f e 3 0 1 1 的腐蚀规律。 4 、使用原子力显微镜a f m 测量探针与s r b 之间的吸附力，试揭示s r b 在 三种铜合金h s n 7 0 1 a ，h s n 7 0 一l a b ，b f e 3 0 1 1 上微生物膜形成的规律。 8 北京交通大学硕士学位论文2 试验材料和方法 2 1 试验菌株 2 1 1 菌种来源 2 试验材料和方法 实验菌种取白发电厂循环冷却塔塔底粘泥的上清液，取样时用灭菌后的磨口 瓶装满上清液，排尽瓶内的空气，然后塞紧瓶塞，以防止杂菌及空气的进入。菌 种取回来之后接种到液体培养基p o s t g a t eb 【2 1 培养基中进行厌氧培养( 成分见 2 2 1 ) 。p o s t g a t eb 培养基中含有f e 2 + 与硫酸盐还原菌还原硫酸根产生的s 2 。生成 黑色的f e s 沉淀，以此验证硫酸盐还原菌的存在。 2 1 2 菌种的分离和提纯 将菌种在p o s t g a t eb 培养基中培养几天后，发现有黑色沉淀产生，证明存在 硫酸盐还原菌，故对菌种进行分离纯化。本试验采用厌氧容器法中的稀释涂布一 叠皿夹层培养法【4 2 1 。 该方法是将固体培养基p o s t g a t ee 4 4 1 倒在培养皿皿盖上( p o s t g a t ee 成分见 2 2 2 ) ，待培养基冷却后，在培养基上对细菌进行涂布，再在涂布好的这一层培 养基上倒入另一层培养基，使细菌与空气隔绝，在第二层培养基未凝固时，将培 养皿皿底扣子培养皿皿盖上，皿底与皿盖之间以石蜡封好。 2 1 3 菌种的活化和计数 菌种分离纯化为纯种后，存放在冰箱中保存。使用时从冰箱中取出来进行活 化。取出冰箱中保存的s r b 菌种，置于3 7 4 c 恒温培养箱中保温2 小时，并接种 到灭菌的p o s t g a t eb 培养基中，置于3 7 。c 恒温培养箱中培养2 4 小时，如果瓶内 溶液变成黑色，及为所需要的具有相当活性的菌液。若不变黑色，则需要按照上 述步骤再接种一次。经过三次接种后菌液仍未变黑色，则需要重新更换菌种。若 第一次接种后菌液培养2 4 小时，菌液呈黑色但是不是很深，则适当延长培养时 间。 活化后进行硫酸盐还原菌的生长计数，采用m p n 法进行计数( 培养基成分 见2 2 1 ) 。 9 北京交通大学硕士学位论文2 试验材料和方法 2 2 培养基及培养条件 培养基是指利用人工方法将适合微生物繁殖或累积代谢产物的各种营养物 质混合配制而成的营养元素。培养基一般应含有微生物繁殖所需要的碳源、氮源、 能源、无机盐、生长因子和水等成分。此外，为了满足微生物生长繁殖或街垒代 谢产物的要求还必须控制培养基的p h 值。 2 2 1 液体培养基 本试验采用p o s t g a t eb 【2 】培养基中进行厌氧培养，修正的p o s t g a t cb - k h 2 p 0 4 o 5g ，n c 1 1 0g ，c a c l 2 2 h 2 0o 1g ，n a 2 s 0 4 1 0g ，m g s 0 4 7 h 2 02 0g ，乳酸钠 ( 8 0 ) 3 5m l ，酵母浸膏1 0g , f c s 0 4 7 h 2 00 5g ，抗坏血酸o 1g ，半胱酸胺盐酸 盐o 5 9 ，蒸馏水1 0 0 0m l ，用h c l 和n a o h ( 0 0 5 m o l l ) 调p h7 0 7 5 ，并在 0 1 4 m p a 灭菌锅中1 2 1 下消毒2 0 m i n 。由于培养基中含有f e 2 + ，与s r b 的代谢 产物s 2 结合生成黑色的f e s ，依此判断是否存在s r b 。 后期进行s r b 研究时，采用不加f e e + 的p o s t g a t ec 培养基。p o s t g a t ec - k h 2 p 0 4 0 5g ，n h 4 c l1 0g ，c a c l 2 2 h 2 00 0 6g ，n a 2 s 0 4 4 5g ，m g s 0 4 7 h 2 00 0 6 9 ， 乳酸钠( 8 0 ) 6 m l ，酵母浸膏1 0g ，f e s 0 4 7 h 2 00 0 0 4g ，柠檬酸钠o 3 9 ，蒸馏 水1 0 0 0m l ，用h c i 和n a o h ( 0 0 5 m o l l ) 调p h7 0 - - 一7 5 ，并在0 1 4 m p a 灭菌 锅中1 2 1 下消毒2 0 m i n 。 s r b 计数所用培养基为m p n 培养基【4 3 】：k h 2 p 0 40 5g ，n h 4 c i1 og ， c a c l 2 。2 h 2 0o 1g ，n a e s 0 4 0 5g ，m g s 0 4 7 h 2 02 0g ，乳酸钠( 8 0 ) 3 5m l ，酵母 浸膏1 0g ，f e s 0 4 7 h 2 00 5g ，抗坏血酸o 1g ，半胱酸胺盐酸盐o 5 9 ，琼脂15 9 ， 蒸馏水1 0 0 0m l ，用h c i 和n a o h ( 0 0 5 m o l l ) 调p h7 o 7 5 ，并在0 1 4 m p a 灭菌锅中1 2 1 下消毒2 0 m i n 。 2 2 2 固体培养基 含有琼脂的营养型固体培养基修正的p o s t g a t ee 【删的成分为：k h e p 0 4 0 5g ， n h 4 c 11 0g ，c a c l 2 2 h 2 0o 1g ，n a 2 s 0 4 1 0g ，m g s 0 4 7 h 2 02 0g ，乳酸钠( 8 0 ) 3 5 m 1 ，酵母浸膏1 0g ，f e s 0 4 7 h 2 00 5g ，抗坏血酸o 1g ，半胱酸胺盐酸盐0 5 9 ， 琼脂1 5 9 ，蒸馏水1 0 0 0m l ，用h c l 和n a o h ( o 0 5 m o l l ) 调p h7 o 7 5 ，并在 0 1 4 m p a 灭菌锅中1 2 1 下消毒2 0 m i n 。 1 0 北京交通大学硕士学位论文2 试验材料和方法 2 3 微生物实验方法 2 3 1 灭菌 使用l d z x 4 0i i 型立式自动电热压力蒸汽灭菌锅进行灭菌，在o 1 2 m p a 压 力下维持2 0 m i n 后，停止加热。至冷却后取出放入无菌超净工作台。无菌超净工 作台在使用之前进行紫外照射灭菌3 0 m i n 。 培养皿和移液管等放入烘箱进行干热灭菌。调节烘箱温度在1 6 0 。c 维持2 小 时。 2 3 2 十倍稀释法 用5 m l 无菌移液管吸取5 m l s r b 菌液注入到4 5 m l 空白稀释水中充分摇匀， 此时稀释度为l o ；另取一直5 m l 无菌移液管吸取5 m l 稀释度为1 0 j 的菌液，注 入到第二瓶4 5 m l 的稀释水中，充分摇匀，此时稀释度为1 0 也，依次类推，直到 需要的稀释度为止。 2 3 3 无菌稀释水的制备 ( 1 ) 生理盐水制备：称取8 5 0 9 n a c l 溶解在1 0 0 0 m l 的去离子水中，混匀； ( 2 ) 将生理盐水分装在1 0 0 m l 锥形瓶中，瓶口用棉塞塞紧，每个瓶子用牛 皮纸包扎以防污染，用蒸汽压力灭菌锅1 2 1 下消毒2 0 m i n ，冷却备用。 2 3 4 无菌液体石蜡 量取2 0 m l 液体石蜡，放入5 0 m l 锥形瓶中，瓶口用脱脂棉棉塞封口，然后用 牛皮纸将瓶口扎紧，用蒸汽压力锅1 2 1 下消毒2 0 m i n ，备用。 2 4 电化学测试