微生物抑制5754铝合金的海水腐蚀行为

　　摘要采用失重法分析5754铝合金在含海洋常见微生物枯草芽孢杆菌(B.subtilis)的海水中的腐蚀行为，利用SEM和白光干涉仪分别观察了表面腐蚀产物形貌及腐蚀轮廓，并用EDS和XRD分析了表面腐蚀产物成分，最后利用EIS研究该铝合金的腐蚀机理。结果表明，浸泡在含有微生物B.subtilis的海水环境中，铝合金腐蚀速率为12.5mg/(dm2·d)，仅为浸泡在不含有微生物海水环境中铝合金腐蚀速率的1/6。浸泡在含有B.subtilis的海水环境中，铝合金表面逐渐形成一层以CaMg(CO3)2为主要成分的矿化物质膜，微生物B.subtilis的存在促进了生物矿化膜的形成，阻碍了海水对铝合金的侵蚀，从而抑制了铝合金在海水环境中的点蚀。

　　关键词5754铝合金，微生物，抑制海水腐蚀，生物矿化膜

　　21世纪，国家大力发展海洋科技，但是向海洋领域进军需要性能优异的海洋装备，这无疑对先进材料提出更高要求。铝合金凭借其高强度、高耐蚀性等优点在船舶和海洋工程装备领域得到了广泛应用[1~4]。5754铝合金为Al-Mg系的典型合金，具有突出的比强度、良好的耐蚀性和焊接性，广泛应用于船舶结构和海上设施等方面。然而，海水及海洋大气环境中存在着Cl-，会造成铝合金表面的钝化膜失稳，从而引发点蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀以及剥蚀等局部腐蚀[5,6]，严重制约了其应用范围，局部腐蚀造成的破坏给国家造成巨大的经济损失，因此研究海洋环境中铝合金的防腐技术具有重大的现实和应用意义。

　　微生物论文投稿期刊：《微生物学通报》1974年创刊，是中国微生物学会和中国科学院微生物研究所主办， 国内外公开发行，以微生物学应用基础研究及高新技术创新、应用为主的综合性学术期刊。

　　海水环境中微生物种类繁多，而且微生物容易在金属材料表面附着并形成生物膜[7~9]。生物膜具有两面性[10~14]，一方面可以促进金属材料的腐蚀，Moradi等[15]研究了假交替单胞菌(Pseudoalteromon‐assp.)对2205双相不锈钢腐蚀行为的影响，发现不锈钢表面形成多孔的生物膜，导致金属表面侵蚀离子的积累，从而发生局部腐蚀;另一方面又可以抑制金属的腐蚀，Mansfeld等[16]的研究表明，微生物膜作为腐蚀性介质的屏障，抑制了2024铝合金的点蚀。Jayaraman等[17]发现，微生物假单胞菌(PseudomonasfragiK)和短杆菌(Bacillusbrevis)在Cu和Al表面形成生物膜，并且会通过消耗生物膜下的O2而抑制材料的腐蚀。以往的研究[18]表明，生物膜可以抑制腐蚀，但生物膜不稳定，对材料的保护能力较差。

　　因此，研究更加均匀致密的生物膜来完全隔离金属材料和腐蚀介质，从而达到抑制材料腐蚀的目的成为一个新的研究领域。生物矿化是受生物有机物质控制或影响而发生矿化的过程，在此过程中，溶液中的离子转化为无机矿物质。与普通矿化相比，生物矿化最大的区别在于有生物大分子细胞和有机基质的参与。研究[19~22]表明，许多微生物可以引发碳酸盐在材料表面的沉积。

　　通常，微生物是带负电的吸附剂颗粒，能够吸附溶液中的金属离子，然后金属离子与微生物分泌的细胞外聚合物(EPS)进行络合，形成碳酸盐沉淀的成核位点[23,24]。随着微生物新陈代谢加速，逐渐生成一层均匀致密的生物矿化膜，可以防止溶液中的腐蚀成分到达金属表面，从而减少甚至避免材料的腐蚀[25]，是一种绿色环保的抑制金属材料海洋腐蚀的方法。枯草芽孢杆菌(B.subtilis)是海洋环境中一种重要且常见的微生物。

　　本工作以5754铝合金(GB/T3191-1998)为研究对象，研究B.subtilis对5754铝合金在海水中的腐蚀行为影响。采用扫描电镜(SEM)和表面轮廓仪观察铝合金表面的腐蚀产物膜形貌及去除膜层后的腐蚀形貌，采用能谱仪(EDS)及X射线衍射仪(XRD)分析腐蚀产物膜的组成，最后利用电化学阻抗谱(EIS)进一步分析了腐蚀产物膜对合金表面的保护作用。以期进一步了解海水环境中B.subtilis对5754铝合金的腐蚀影响机制，并为利用微生物抑制金属材料的海水腐蚀提供理论参考。

　　1实验方法

　　1.1材料与试样

　　实验用5754铝合金化学成分(质量分数，%)为：Cr0.3，Mn0.5，Zn0.2，Ti0.15，Mg3.1，Cu0.1，Si0.4，Al余量。实验前，将5754铝合金切割为10mm×10mm×2mm的试样，用SiC砂纸在有水情况下逐级 打磨到800号，用无水乙醇超声清洗10min，之后用吹风机吹干，放在干燥皿中备用。一部分切割好的试样背面用焊锡与Cu导线连接，然后用环氧树脂将焊接面和试样的其余面均封装起来，仅露出10mm×10mm的工作面。

　　工作面用耐水砂纸逐级打磨到800号，然后用无水乙醇和去离子水清洗，干燥后作为电化学试样备用。另外一部分试样用于腐蚀失重分析及腐蚀形貌观测，浸泡前用AUW220D电子天平进行称重，精确到0.01mg。所有试样在实验前，均置于紫外灯下处理20min，保证不引入其它微生物。

　　1.2实验溶液

　　采用2216E培养基培养B.subtilis，培养基的组分为：5g/L蛋白胨，1g/L酵母浸粉，0.1g/L柠檬酸铁，19.45g/LNaCl，5.98g/LMgCl2，3.24g/LNa2SO4，1.8g/LCaCl2，0.55g/LKCl，0.16g/LNa2CO3，0.008g/LNa2HPO4，0.0016g/LNH4NO3，用去离子水配置。2216E培养基为海洋微生物培养基，可作为人工海水来模拟海洋环境。实验前，先将装有培养基的锥形瓶放入高温高压灭菌锅中灭菌，温度为121℃，时间为15min。冷却到室温后，向一部分培养基接种B.subtilis，其余不接种，作为对照溶液。将打磨好的试样浸泡在上述2种溶液中，然后放在37℃的KYC-1112B恒温摇床上培养。

　　1.3腐蚀速率

　　浸泡不同时间后，取出样品，用蒸馏水清洗，并根据ASTMG1-03将铝合金试样表面的腐蚀产物及生物膜去除。然后用无水乙醇冲洗并干燥。最后再次对试样进行称重，估算腐蚀速率。

　　2实验结果及讨论

　　2.1腐蚀速率

　　采用失重法得到的5754铝合金在含有微生物B.subtilis的人工海水中和灭菌海水中浸泡15d后的腐蚀速率分别为12.02和75.70mg/(dm2·d)。可见，在海水环境中，微生物B.subtilis的存在大大降低了铝合金的腐蚀速率，对抑制铝合金腐蚀起到重要 作用。

　　2.2表面形貌及组成

　　5754铝合金在不同溶液中浸泡前后的形貌及表面膜层的成分分析结果。浸泡前的铝合金表面划痕清晰，此时的铝合金并无明显点蚀和缝隙腐蚀等局部腐蚀现象。在灭菌海水中浸泡15d后，铝合金基体表面零星分散着颗粒物质，而且基体表面的划痕清晰可见。而在含B.subtilis的海水中浸泡15d后，铝合金表面覆盖着一层均匀致密的膜层，观察不到基体表面的划痕，对膜层进行局部放大后发现该膜层由细小均匀的针状物质组成，膜层表面能观察到零星分散着的微生物。

　　3结论

　　(1)5754铝合金在灭菌的海水环境中腐蚀较快，腐蚀速率为75.70mg/(dm2·d)。而在接种微生物B.subtilis的海水中，腐蚀速率明显降低，仅为12.02mg/(dm2·d)，微生物的存在降低了铝合金在海水中的腐蚀速率。

　　(2)浸泡在含微生物B.subtilis的海水中，铝合金试样表面逐渐形成由细小均匀的针状物质组成的膜层，该膜层的主要成分为CaMg(CO3)2。

　　(3)随着浸泡时间的延长，微生物B.subtilis的新陈代谢逐渐旺盛，分泌的代谢产物逐渐与海水中的Ca2+和Mg2+络合，形成均匀致密的有机-无机混合膜层，该膜层阻碍了Cl对铝合金的侵蚀，抑制了铝合金在海水中的点蚀现象。

　　参考文献

　　[1]EzuberH,El-HoudA,El-ShaweshF.Astudyonthecorrosionbe‐haviorofaluminumalloysinseawater[J].Mater.Des.,2008,29:801

　　[2]GuanF,ZhaiXF,DuanJZ,etal.Influenceofsulfate-reducingbacteriaonthecorrosionbehaviorof5052aluminumalloy[J].Surf.Coat.Technol.,2017,316:171

　　[3]ReboulMC,BarouxB.Metallurgicalaspectsofcorrosionresis‐tanceofaluminiumalloys[J].Mater.Corros.,2011,62:215

　　[4]VillanuevaME,SalinasA,CopelloGJ,etal.PointofzerochargeasafactortocontrolbiofilmformationofPseudomonasaerugino‐sainsol-gelderivatizedaluminumalloyplates[J].Surf.Coat.Technol.,2014,254:145

　　[5]LiangMX,MelchersR,ChavesI.Corrosionandpittingof6060seriesaluminiumafter2yearsexposureinseawatersplash,tidalandimmersionzones[J].Corros.Sci.,2018,140:286

　　[6]DonatusU,ThompsonGE,OmotoyinboJA,etal.Corrosionpath‐waysinaluminiumalloys[J].Trans.NonferrousMet.Soc.,2017,27:55

　　作者：申媛媛董耀华董丽华尹衍升

转载请注明来自发表学术论文网：http://www.fbxslw.com/nylw/25115.html