（材料科学与工程专业论文）硫酸盐还原菌的腐蚀规律及其腐蚀电化学行为研究.pdf

华中科技大学博士学位论文 摘要 硫酸捕还原菌( s r b ) 带来的腐蚀和环境问题近年来已经引起人们f 内史 多的注意。i 硫酸盐还原菌( s r b ) 作为微生物腐蚀中最主要的微，l 物之j 0 牛长代谢活动促进材料的局部腐蚀，已有众多学者作过较深入研究。i m 刈j _ 洲i j 种群变异及其腐蚀行为的影响，以及s r 8 的还原动力学行为研究则较少 对j ：材料表面的腐蚀电化学特征及腐蚀规律需进一步研究。t 本论史首次研究了s r b 的变异行为及其相关腐蚀问题。通过对- i ，原汕 采汕j 。小剐矿j rs r b 的生长曲线，s r b 对矿化度、酸碱性和温度的适应。n 譬 的系统_ i j 究，发现s r b 对环境变化有较强的适应性。透射电镜观察发现，纤 f i f l _ fp h 条件卜多次驯化，所获得的耐酸菌，菌体变小，且以前落形jl 存： l 州碱蒲彤体变k ，以杆菌形式存在。酸碱变异菌的稳定生长期比圬i 始黼减 小，酸铖变异菌乍长旺盛，代谢能力强，因此酸碱变异菌的活性均比坞i 始 蒲强。研究发现酸忡变异菌和碱性变异菌及未经驯化的原始菌刈碳俐n 勺腐 蚀n 能小川，酸性变异蔺腐蚀陀最强碱r 变异菌次之，原始哺墩小， 种s l l j 均促进碳制腐蚀厂+ 系统地研究了纯铁，7 r 8 钢和4 5 # 钢等材料的s r b 微观腐蚀行为。 i j | 究 发观，纯铁经微牛物腐蚀后，发现s r b 对会属腐蚀是沿晶界进行，其农n 少翳的铁素体品粒闪品界腐蚀f ”重而发生脱落现象。t 8 钢经微乍物腐蚀，球 、匕体t ir 的铁索体相发牛了明显的腐蚀，有的珠光体晶粒因其r 1 的铁索休腐蚀较 艰，使咳处成为t i 蚀溃斑。而4 5 # 钢经微牛物腐蚀后，因铁索体绀纵发乍鸠 蚀m i ；| 1 1 ：同寸珠光体组织【 l 铁素休相发生了腐蚀，渗碳体柏l j 月艟i n l l 。此， 7 f 1 8 钢和4 5 # 钢阒铁素体的电位比渗碳体低在，圭物膜下构成原f n 池，发牛j l u 化学腐蚀 利用电位跟踪，极化曲线，电化学交流阻抗，电子探针， j 批f 乜，l 微镜，x 射线衍射等方法，对s r b 的生长规律，腐蚀产物的组成， i 物腆f | j 绵构对 ： 钢、l cr l8 n i9 t r i 刁i 锈钢和黄铜材糊腐蚀的影响以及腐蚀f u 化。 为等进 j ：了深入研究。( 结果表明，这! 种材料，t 物膜f 的腐蚀均以t l 蚀为1 j 们钢的生物膜厚而松散，其基体表面 n 现大而深的腐蚀坑。坷i 锈钢的小物腆 薄而均匀，其基体表l f j i 出现细而深蚀点。对丁：黄铜，过去一般认为铜俐微牛物 腐蚀，们，二辄b 的生物膜的形成，生物膜下局部溶液酸化，加速了黄钏的l ： 华中科技大学博士学位论文 状脱锌腐蚀，黄铜其基体表面出现不均匀且较浅的腐蚀坑，其生物膜中腐蚀产 物经x 射线衍射分析蕾要为c u 。s 晶体。， 论丈中，采用屯化学稳态测试技术来研究多孔渗水薄层生物膜的扩散行 为和测定膜厚度等特征参数。佣铁氰化钾作示踪物质，利用旋转圆盘电极，n f ；同转速f 测定极限扩散电流密度来确定卜物膜厚度js r b 对会属的腐蚀j j 乍长代谢过程有关，研究s r b 的生长代谢的还原动力学行为，建办：丁s r b 还原动力学方程jv = t ( 1 p c ：7 7 c ，6 9 c ，并探讨了s r b 生长代谢动力学行为 u 、 与余属腐蚀之间的关系。 论文首次研究了外加电场对s r b 生物膜结构的影响以及外加电场o 杀茼 剂的协同作用，提出了杀菌剂增效的有效方法。一根据加药前后s r b 细菌鞋随时 川的变化关系，确定加药周期，并用于s r b 的防治。一7 l 关键词：硫酸盐还原菌，微生物腐蚀，生物膜，细菌变异，电化学，还原动 力学，卜物电效应 i i 华中科技大学博士学位论文 a b s t r a c t t h er o i eo fs l i l f a t e r e d u c i n gb a c t e “a ( s r b ) i nt h ec o r r o s i o no fm e t a l sa n d a l l o v si nt h ei n d u s t r va n dt h ee n v i r o n m e n th a sr e c e i v e dm u c ha t t e n t i o ni nr e c e n t y e a r snh a sb e e nk n o w nt h a ts r ba r et h em o s ti m p o r t a n tm i c r o o r g a n i s m si n a n a e r o b i cm i c r o b i o l o g j c a l j yi n n u e n c e dc o r r o s i o nf m i c ) ，a n dt h ea c t i v i t yo fs r b 笆r o w t ha n dm e t a b o l i s ma c c e l e r a t e dt h el o c a i i z e dc o r r o s i o no fm a t e r i a l st h e r e s e a r c ha b o u tt h ev a r i a t i o no fs r bs d e c i e sa n di t sc o r r o s i o nb e h a v i o rh a s1 1 ( 1 t b e e nn l u n da th o m ea n da b o a r d t h ei n v e s t i g a t i o na b o u tt h ek i n e t i c so fm i c r o b i a l s u i f h t er e d u c t i o nb vs r bh a sl e s sb e e ns e e n i ti sn e c e s s a r yt h a ti h e e l e c t r o c h e m i c a lc h a r a c t e “s “c so ft h ei n t e r f a c eb e t w e e nm a t e “a l sa n db i o n l m sa d c h e o “e so fs r bc o r r o s i o no nm a t e r i a i sh a v em o r ei n v e s t i 业a t e d j nt h i st h e s i s t h ev a “a t i o no fs u l f h t e r e d u c i n gb a c t e “aa n di l sc o r r o s i o l l h e h a v i o ro nc a r b o ns t e e lh a sb e e nn r s t i yi n v e s f i g a t e d ，w h i c hi sf b u n df r o n lt h e s u c c e s s 凡ls t u d i e so nt h es r bg r o w t hc u r v e s ，c o n 行g u r a t i o na n de n v i r o n m e n t a l a d a p t a b i l i t yo fs r bi s o l a t e df r o mz h o n g y u a no i l f i e l d t h e1 r a n s m i s s i o ne l e c t r o n m i c r o s c o p y ( t e m ) a n ds c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) a r et r i u m p h a n t l y a p p l e d t o s t u d yt 1 1 e s e t a m e ds r b t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea c i d r e s i s t a n c e b a c t e r i ai i v ei n g r o u p sa n dt h eb o d yo fs r bp r e s e n t sr o u n d n e s sw i t hn a 窟e l l u n l a l k a l i - r e s i s t a n c ei sh a c i l l ia n di ti si a r g e ra n dl o n g e rt h a nt h eo r i g i n a ls r b 1 j | 1 e a c t j v i t yo fa c i d - r e s i s t a n c eb a c t e r i aa n da l k a j i r e s i s t a n c eb a c t e r i aa r eh i g l l e r1 1 1 a 1 1 t h a to fo r i g i n a ls r b t h ea v e r a g ec o r r o s i o nr a t eo fa l k a l i r e s i s t a n c eb a c t e r i ai st 1 1 e l a r g e s ta n dt h a to f o r i n a is r bi st h em o s ti i t t l ei nt h e s et h r e es r b t 1 1 em i c r o c o s m j cc o r r o s j o nb e h a v i o ro fi r o n t 8s t e e la n d4 5 s t e e lw c r e s y s t e m a l a c i a j l y s t u d i e d t h er e s u l t s p r e s e n tt h a t t h ei r o nw a se r o d e d a l o l l 业 i n t e 卜g r a n u l a ra n ds o m eg r a n u i a rc o m eo f fi nc o r r o s i o n ，t h ec o r r o s i o no ft 8a 1 1 d 4 5 拌s t e e lu n d e rt h es r bb j o n l m ss h o w e di nf 色r “t ep h a s e ，a n dt h ef e r r i t ep h a s ci n s o m eg r a n u l a ro f p e a r l i i ew e r eb a d l ye r o d e da n db e c a m ep i t t i n gc o r r o s i o ns p o t s s ot h em o r p h o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h em i c r o b i a lc o r r o s i o no fc a r b o ns t e e l s h o w e dt h ee l e c t r o c h e m i c a lc o r r o s i o no ft h ef e r “t ed h a s ew e r ee a s i e rt h a n o f c e m e n t i t ep h a s e s o m er e s e a r c h m e t h o d s ，s u c ha st r a c k i n gt h eo p e n c i r c u i tp o t e n t i a lo f e l e c t r o d e ，t h e c y c l i c p o t e n t i o d y n a m i cp 0 1 a r i z a t i o ne x p e r i m e n t s ， t h ee l e c t r o c h e m j c a l i m p e d a n c es p e c t r o m e t r y( e i s ) ，p r o b i n g t h ec o r r o s i o n p r o d u c t sh y e l e c t r o n p r o b em i c r o a n a l y s i s( e p m a ) a n d x r a y d i f f r a c t i o n ( x r d ) ， t h e m i c r o g r a p h so fm a t e r i a l sb ys c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) ，e t c ，a r ed o l l e 一一一一一 i l i 华中科技大学博士学位论文 t os t u d yt h eg r o w t hr u l e so fs r b ，t h ec o m p o s eo fc o r r o s i o np r o d u c t s ，t h ee f f e c to f t h ec o 竹o s i o no f a 3s t e e l 1 c r l 8 n i 9 t is t a i n l e s ss t e e l ，a n d b r a s s i n t h ec o u r s eo 、t 1 1 c h i o n i m 。g r o w i n 皿， t h ee i e c t r o c h e m i c a lb e h a v i o ro nt h ei n t e r f a c eb e t w e e nt 1 1 c n l a t e r i a l sa n db i o n l m s t h er e s u l t ss h o wt h ec o t r o s i o no ft h r e ek i n d so fm a t e r i a l s i m d e rb i o 刚m sa l | p r e s e n tp i t t j n gc o r r o s i o n t h eb i o 行l mo na 3s t e e li st 1 1 l c ka n d i n c o m p a c t ，a n dt h e r ea r es o m el a r 叠ea n dd e e pc o r r o s i o np i t so nt h es u r f h c eo fa 3 - s t e e l b u to ns t a i n l e s ss t e e l ，t h eb i o n l mt h i na n du n i f o r m ，f i n ea n ds m a l lp i l i l l 譬 c o r r o s i o nh o l e s a tp a s t ，b r a s sw a sr e g a r d e da sa n t i m i c r oc o r r o s i o nm a t e r i a l s 1 1 0 w e v e r ，w h e nt h e r ee x i s t st h eb i o n i mo ni t ss u r f a c e ，b r a s sp r e s e n t st h ec o r r o s i o n o fd e z i n c i n c a “o no ft h ea u o y a n di t sc o r r o s i o np r o d u c t sw a sm o s t l vc l l p “儿l s s l l l n d et e s t i n e db va n a l v s i so fe p m aa n dx r d i nt h ist h e s i s ej e c t r o c h e m i c a lm e t h o d sa r eu s e dt od e t e c tb j o n l l n sa 1 1 i d e t e r m i n et h et h i c k n e s so fb i o 行l m s t h et h i c k n e s so fb i o n l mi sd e t e r m i n e db y c o n s i d e “n gt h el i m i “n gd i f 扎s i o nc u r r e n tm e a s u r e do nad i s ke l e c t r o d e f b r d i f f e r e n tr o t a t i o ns p e e d sa n dt h es a m et h i c k n e s si so b t a i n e dw h e n 【f e ( c n ) 6 r i s u s e da se i e c t r o c h e m i c a lt r a c e l t h e r ea r es o m eo fr e l a t i o nb e t w e e nt h ec o r r o s i o no fm a t e r i a l sa n dt h ed r o c e s s o “h e 盯o w t hm e t a b o l i s mo fm i c r o - o r g a n i s m t h ek i n e “c so fs r b r e d u c “o ni nt h e c u l t u r em e d i aa r ei n v e s t i g a t e d ，a n dt h eg r o w t hp a t t e r no fs r bi sf o u n db yv a r y i n g l h ec o n c e n t r a t i o no fn u t r i e n t sa n db i o m a s s a n da l s od i s c u s s e dt h a tt h er e l a t i o no i 、 t 1 1 ek i n e t i cb e h a v i o ro fs r b 卫r o w t hm e t a b o l i s ma n dt h ec o r r o s i o no fm e t a l s 1 nt h i ss t u d va ne l e c t t i cn e l dw i t ha1 0 wc u r r e n td e n s i t vh a ss o m ee l i e c to n l h es t r u c t u r eo fs r bb i o n i m s ，a n dt h es y n e r 2 i s t i ce f 传c to fe l e c t r i cn e l da n d b a c t e r i c i d ea g a i n s ts u l f a t e r e d u c i n gb a c t e “ab i o f i i m s i nt h e “g h to ft h ef a c tor l l l c n l l n l b e r so fs r bc h a n g eb e f o r ea n da f t e ra d d i n gb a c t e r i c j d e si nc u l t u r em e d i a t h c p e r i o do fa d d i n gb a c t e r i c i d ea n dt h ea p p r o p r i a t em o d eo fa d d i n gb a c t e r i c i d ec o u l d b ef o u n d e dw i t ht h eg r o w t hc u r v ea n dt h em e t h o do f a d d i n gb a c t e r i c i d e k c y w o r d s ：s u l f a t e r e d u c i n gb a c t e “a ，m i c r o b i o l o g i c a l l y i n f l u e n c e dc o r r o s i o l l b i o n l m s ，v a r i a t i o no fb a c t e “a ，c o r r o s i o n ，e l e c t r o c h e m i s t r y k i n e t i c so fs r b r e d u c t i o n b i o e l e c tr i ce f f e c t 一一一 i v 华中科技大学博士学位论文 1 1 引言 l 绪论 在油田注水系统和工业循环冷却水系统中，硫酸盐还原菌的存n ： ( s u l f a t e 。r e d u c i n gb a c t e r i a ，s r b ) 是引起微生物腐蚀( m i c r o b i o l o 百c a i l v i n f l u e n c e dc o r r o s i o n ，m i c ) 的主要因素之一。s r b 是一种以有机物为养利的 扶氧性细蔚，。泛存在于士壤、海水、河水、地下管道、油气井等处。自i8 9 f ， ：g a r r e t t 从埋减在地f 的钢材的腐蚀产物中第一次分离出s r b 以来，s r b ，j i 起的腐蚀越来越受到人们的重视1 2 4 l 。研究发现s r b 在厌氧条件下人窜乍k 年i l 熬殖，产生糕液物质，加速垢的形成，造成注水管道的堵塞。r 管道设施化 s r b 菌溶f 发q i 局部腐蚀”j ，以致出现局部腐蚀穿孔，造成很大的经济损火。 抛统汁，微，卜物腐蚀往：余属和建筑材料的腐蚀破坏中占2 0 1 6 j ，在美幽州k 牛 ，”巾，微生物腐蚀直接造成的损失估计每年约3 0 0 5 0 0 亿美元1 7j ，而仪仡人 然气 ：q k 中，与管道相关的腐蚀损失占1 5 3 0 f 8 】，每年花费1 2 亿美兀投加化 学杀菌刺束抑制微化物腐蚀，这些腐蚀主要与s r b 引起的腐蚀有关。近f 年来，s r b 腐蚀造成的危害越来越受到世界各国的重视。我国1 ：q p 和r j 然环 境巾( 潇如海洋、孑i 油、1 ：壤及工业循环冷却水系统等) 微生物腐蚀破坏棚“1 砸，斟，原汕统汁鼹示：每年用s r b 杀菌剂方面的费用高达6f ，j 几， i m i - 仡逐年f ：丌。 i 前对细菌引起的局部腐蚀研究尚不够深入，闪此研究此 种细菌引起的微，卜物局部腐蚀机理、局部腐蚀的电化学行为以及对微牛物鹏蚀 进行甲期防治具有蓖火的现实意义。 本论史= 将对s r b 的适应性、s r b 的变异、变异s r b 的，l 二k 规律和腐蚀枷 件、s r b 乍物膜卜小同会属材料腐蚀行为进行研究，电场对牛物膜的影1 1 i 0 利 u 场o 杀菌剂的洮作婀，微生物f t 长代i 舅 的动力学行为，微，_ t 物存和：f 金腻 ，溶液界面电化学参数和微生物与余属腐蚀之间的规律性，找出与微乍物腐蚀 棚关的特征电化学参数，可为进一步揭示微生物局部腐蚀机理，以及根据特征 参数的变化对微生物腐蚀与防治提供理论依据和实验方法。 1 2 硫酸盐还原菌及其生长代谢规律 1 2 1 硫酸盐还原菌的生理学研究 硫酸特还原菌( s r b ) 将s 0 4 2 还原成h 2 s ，s r b 是脱硫弧菌属中的- 个特 华中科技大学博士学位论文 殊的菌种之一，它能在p h 为6 9 5 ，温度为5 5 0 范围内生长，尽管有些s r i j 能祚：10 0 的高温f 9 】，高压5 0 m p a 】，甚至更高的情况下生长。s r b 成为n ：多 研究人员感兴趣的原闪是因为s r b 是工业生产中微生物腐蚀的最大麻烦制造 矗之 ，虽然些研究人员怀疑s r b 的研究价值，并把s r b 在微，l 二物腐蚀 一l 唯一秉要性称为“m y t h so fm i c ”【”l 。无论怎样s r b 仍作为最重要年最感 兴趣的微乍物。 硫酸特还原菌，存：无氧状念下，用乳酸或丙酮酸等有机物作为电子供给体， 】硫酸盐作为术端电f 接受体，将硫酸根还原为两价硫而繁殖的群号p ：j 犬氧 闲【2 ；】。 硫酸盐还原菌呼吸总反应为1 ： 2 c 1 1 。c h 0 i c 0 0 h + s 0 ，”+ 4 h + 2 c h ，c o o h + 2 c 0 ：+ s2 + 2 m ( ) 。 或1 1 。+ s ( ) 2 s2 + 1 1 2 0 硫酸盐还原菌在自然界硫的生物循环中起着重要的作用，对金属的腐蚀作 n 与此过程有关”。 最普遍描述的硫酸盐还原菌是脱硫弧菌属( d e s u l f o v i b r i o ) 和脱硫肠状蔚 属( d es l j l f ( ) t o m a c u lu m ) 。脱硫弧菌属的成员是运动的、无芽孢的、革j ? 氏l i j j 弧菌( 韵+ 时晕s 形或螺旋形，偶尔呈直线形或球状) 许多菌具有一种独特的色 素，叩脱硫绿胶霉素( d c s u lr o v ir id i n ) ，用碱处理细胞后，这类物质化紫外光 ( 弘5 n m ) 卜j 具9 1 色荧光。脱硫肠状菌属的成员是生芽孢的，运动的、| f - 、? 氏 。r ：赶线形至弧形杆茼。这两个属仅以氨或少数简单的有机物如乳酸或内刚酸 为f 乜f 供给体还原硫酸盐。但后续研究发现硫酸盐还原菌中的螳种，j t e 化 翕碳化合物的范圈是从乙酸盐到在长链脂肪酸。 f 1 然环境巾遇到的s r b 大多属于脱硫弧菌属。脱硫弧菌届人部分( ) j 1 ( ) um 稍稍弯n 的侧筒状，属格、? 氏阴性杆菌，有鞭毛能形成孢f 。j if | 细 抛色豢h 。 根据硫酸盐还原菌最适宜q 三长的环境温度可以将其分为常温菌、嗜热黼及 嗜冷荫。常温菌最适宜的生长温度为2 5 3 7 ，嗜热菌最适宜的繁殖温度为 5 5 ，共罕在6 5 7 0 也能生长，嗜冷菌则甚至可以在冰点左右生长、”。 硫酸能还原菌最适宜的p 值为7 2 左右，但是生长的p h 范围较宽，、p | i 为 5 5 9 之问也能牛长良好。硫酸盐还原菌旺盛的繁殖所需要的还原条什比仪 仪简午地通过排氧所需要的条件严格，若要使细菌旺盛生长，培养皋的氰化还 原电化必须为一j 0 0 m v 危右( 相对于标准电极s h e ) 。然而在没有f 扰吲素仃扎 的i j d 提卜，叫使微舅= 的7 l i 丈也将产生足够的h ，s 来降低氧化还原电位，使之达 f 0 更适合的数值，以伞 【，【长丌始就趋向丁：加速生长“。硫酸盐还原闲亿 微晕：氧的存在下也能够存活。s r b 的生长还需要合适的盐含量，般划刚i 乍 华中科技大学博士学位论文 长合适的氯化钠的含量为2 6 。石油产区高矿化度( 2 0 0 2 7 0 9 1 ) 的油层 水会抑制其生长1 。 1 2 2 细菌生长繁殖规律的研究 细菌的牛长繁殖在理想条件下，呈几何级数增加“”，对于二：次分裂，儿 级数可以表示为2 ”一2 1 2 2 2 一一2 ”。 如果接种的细胞数是通过几次分裂后，细胞的数目n 为n = n 业取 对数l o g n = l o g n ，+ n l 0 9 2 。 在接种培养时，由于环境的变化，细菌需要一定的时间适应，所以育滞刚 适应期，因为营养有限，细菌增长到一定数量后，因营养物质中的某种成分消 耗殆尽，牛长停i j ：。实际环境条件下的生长繁殖，受许多因素的限制j 影响。 唑腐蚀i ：作者”+ ，对s r b 在培养基中的生长规律进行了火最实聆，衔刊 r 干应的乍长曲线，细菌在分批培养( 即在接种时加入培养基，以后小f f f 肌入 仃何营养物质) 时的，l 长曲线见图i 1 ，定性地说明微生物的小k 分成叫个阶 段【“。驯延滞期fi 、对数生长期 i i 、稳定生长期 i i i 、衰：期fj v 。 菌 量 ii i i i i l 爪 i ! 培养时间 图1 1s r b 的生长曲线 1 2 3 硫酸盐还原菌的检测、计数及活性测定 在实验室培养硫酸盐还原菌的培养基，一般以乳酸盐或氢为电供休川 以还原硫酸盐。p o s t g a t e “”叙述几种用于硫酸盐还原菌的、以乳酸盐和丙酬 酸盐为能源的培养摹。1v e r s o n ”和p a n k h u r s t “”叙述了在琼脂平扳表培养 硫酸盐还原菌的方法。此外用陈化了的海水制成胰蛋白酶大豆琼脂培养j ，化 钒气氛，f ，硫酸盐还原菌生长良好。在野外p o s t g a t e 液体培养基i j 无钒装m 清瓶 。”，用注射器接种，用最大可能菌量( m p n ) 法进行计数效果叱很女，”“。 华中科技大学博士学位论文 iv e r n ”及其合作者首先在地表下测定了硫酸盐还原菌的活性。他们把 少鼠的“s ( ) ，? j | 1 到地卜水样t 口1r 1 1 ，数灭后，：f 】i j 醋酸镉，将h 。s 定c 矿s 。将样 。i 酸化乍成i i ，“s 蒸馏节捕集溶液l 1 ，用液闪计数器测定。 i ( ) r g ( m s e n ”叙述了用微升数量级的高活性3 5 s o 。2 定量测定海相_ i ) c 积一 r 的 f 的还原速度。 1 2 4s 舳的生物化学研究 l ，c c k 和1 ) ( ) s t a g e ”研究了s r b 的代谢过程后，认为在此过程中细胞必 须利用a 1 p 柬激活具有较高能量的硫酸盐，从而启动硫酸能的还原反应，硫酸 特在这过程【 i ，取代有氧条件下的氧，而起氧化剂的作用，即硫酸朴作为最 终f 【! lr 受体，被还原成s2 。这过程可表示如f “”： 硫酸腺肝酰转移酶 1 ) s 【) 。+ a t i + a p s + p p 硫酸腺还原酶 2 ) a p s + 细胞色素c 。( 还原态) + 2 h + + a m p + s 0 。? + 2 吣 + 细胞色素c 。( 氧化态) 哑硫酸还原酶 3 ) s ( ) ；! + 6 | i + s 。+ 3 m o s ( ) ，2 还原机理仍不能确定。k o b a y a s h 1 观察到普通脱硫弧菌的、i f 硫酸还 原酶的f “物是连= t 硫酸、硫代硫酸和硫。他们认为形成了一种不稳定的一l n 1 j ，“物，其j 哑硫酸反应而乍成了上述化合物，并且这种中问产物可能是次f i ； i 酸 ( s u l f ( ) x y 】hl e ，s ( ) 。! ) 。lv e r s o n 报道另一种中间产物可能足氰化硫 ( s 。( ) ) ，他提从s ( 形成s ( ) ，是两个电f 的还原作用。s ( ) 成比例地转化为 s ，( j 和s ( ) 。”： 1 ) 3 s ( )。卜 s ：o + s 0 ： 2 ) s 1 0 + h 。o 一- h 。s ：o 。 3 ) | 1 2 s ? 0 2 + 1 2 0 一- -h 2 s + h 2 s 0 3 4 ) m s ? 0 2 + 2 i 2 s 0 1 一 h 2 s 4 0 h + 2 h z o 5 ) 弋，( ) 2 + s ( 】，2卜s i o 。2 + s ，0 1 2 c h a m h e r s 和+ r r u d jn g e r 。基j 二使用“s 实验结果声称，连：硫酸、硫代硫 华中科技大学博士学位论文 酸在s ( ) 。还原过程中不是f 常的中问产物，而是s 0 。”的直接还原，连：i 硫酸、 硫代硫酸仅为副产物。 汴：a t i ) 一一j 磷酸腺酐( 能量源) a 陌一一腺酐酰硫酸 a m p 一一单磷酸腺酐 p p 一一焦磷酸 硫酸盐经各种酸作用与能量交换，最终还原成s ”。人们利用s r b 牛长规 i 扣和生化结果，结合电化学方法对s r b 的腐蚀提出了不同腐蚀机理。 1 2 6 菌种的分离与提纯 在自然界中各种微生物几乎都是杂居在一起的，为了从混杂的样- 1 6 小l l j ( 得 所需的纯种，或把受杂菌污染的菌种重新分离出来，都离不开分离纯化方法。 纯种分离方法很多归纳起来有两大类：单细胞分离：单菌落分离。列r 后荷通过形成单菌落获得纯种的方法很多，对于好氧菌及兼性厌氧蔺，l 丁采川、r 板划线泄i 、甲板表丽涂加法或浇注平板法。分离专性厌氧菌可采用滚管澎：、深 j 0 琼脂f 1 ：法以及将划线的甲板或试管放在厌氧罐或厌氧操作箱吖i 培养锋力、 以利j ：从氧荫的乍 乏。 1 3 关于微生物动力学行为的研究 彳1 吖 然界r | ，硫酸捕的火最存在，特别是当水中含丰富的营养源 寸，硫 酸盐还原菌( s r b ) 可以大量生长繁殖，s r b 是利用s o a 作为电子受体，将 s 0 4 。还原为最终产物s2 或硫化氢。这些s2 或硫化氢在s r b 在生长代嘞过柑 t t 加速金属的局部腐蚀。研究发现s r b 代谢产生的腐蚀性的s2 。或硫化钒 将商接或间接导致会属的腐蚀。因此，s r b 的生长代谢的动力学行为很人群 度影响会属的腐蚀速度。 微乍物学家认为微，j ：物和酶在对单一底物或营养物产生的作川厅| j 址炎 似的，其类似p f ：l ：要表现在，群体增长率与营养物质的浓度增加呈双线父系， 阿兜将m o n o d 公式转化为m i c h a e l s m e n t e n 类型方程i m ) ，该模型用如卜乃w 捕述细l 弛乍物髓的增长率：dx ，d i = v x = v 。，( s ( k ，+ s ) ) x ( v 表示营养物质为s 时的，卜k ；缸，v 、为饱和营养物质浓度条件下的最大生长率，k 、为半饱年i 懈 数 ( 等丁v 。、= 0 5 时底物浓度) ，x 为细胞群体密度) 。近年来，双底物划微乍 物乍k 动j 学行为有螳研究，如b a ew 。”1 等人研究了双底物列微小物乍 k 的膨响，j 建妒_ r 叔底物微q i 物q i 长的饱和动力学模型。而列j 二多反j 越腻物 华中科技大学博士学位论文 和反应产物体系中，微生物生长动力学行为其数学推导解析起来很复杂。 s r b 和其它微牛物样，在生长代谢过程中，受到营养物质，温度，p i i 等夭i 素的影响，同时研究发现当s r b 生长代谢产物h 2 s 和h s 分别高j ： 5 0 7 5 p p m 和15 0 2 5 0 p p m 时，这些产物将抑制s r b 的活性【3 9 4 0 1 。冈此，s r b n 勺乍k 还常受到反心i “物抑制作用的影l 响，从而使生长受到抑制。g h i 2 l i a 7 z ar 1 4 】等人| | l j f 究了s r b 处理富硫酸豁一、世污水的动力学行为，得；了作为碳源 的丙酮酸和硫酸根离r 的最佳比例关系，并讨论了代谢产物h 2 s 列s r bi 。l 。什 的影m i 。 1 4s 髓腐蚀机理研究 p o s t 2 a t e i ”l 在1 9 3 4 年就对s r b 的生理学、生态学、营养需求等进行r 系 统的研究。目的s r b 按是否产生芽孢分为两大类十个种，其中d e j “，加v 油r i c ， ( 脱硫弧菌属) 中的d p 5 ”帕r f c d ”s ( 脱硫杆菌菌属) 被认为对会属腐蚀能力碾 烈1 4 2 l 。剥于厌氧菌s r b 引起的微生物腐蚀，国内外提出了不少腐蚀机弹，j e 巾l i 要有j 种：1 ) 以v o nw o l z g e nk u h r l 4 3 】为首的阴极去极化理论，即s r b 通过其氯化酶消耗阴极氯来加速腐蚀。吕人豪等1 4 l 对s r b 的氢化酶进j j 研究 表叫其氧吸收系数十“1 商，j 能加速碳钢腐蚀。2 ) 以r a k i n g | 4 4j 为阿的j 1 洲 腐蚀机州，即微小物n ：会属表面所形成的，+ 物膜覆盖层是不完整的而足以 萍形式现，微小物的牛命活动成为诱导点蚀的驱动力，事实j ：m i c 引起的 腐蚀9 0 以 ：具有局；! 1 5 腐蚀特征【4 5 l 。3 ) 代谢产物作用机理，即细荫代谢产乍 的硫化物促进了腐蚀。唐和清也提出了挥发性磷化物是腐蚀的主要i n 素| 4 “l 。 小研究j = ；i 的前期研究i ：作表明s r b 代谢产生的有机酸是造成生物膜卜细闭腐 蚀n 0 】i 要原天，而生物膜的存在促进了有机酸的富集，引起了微生境状况的l 嵌 变，进m 形成局部腐蚀电池，促进碳钢表面点蚀的形成和发展1 4 7 4 “。最近wl e e 和w ( ic h a r a c k i i s 刈厌氧菌膜fs r b 加速腐蚀机理作了初步研究i ”j 。i i j z 1 1 a 1 1 2 和s cd e x t e r 等人则探讨了缝隙腐蚀与s r b 的关系i5 0 1 。这壮研究1 作犬叫川 衡在微小物腐蚀过程r 1 壬 要以促进腐蚀过程阴极反应为主，而本实验宅仞步研 究发现，i i 物膜牛长早期细菌的存在可促进碳钢的阳极溶解，生物膜的形成造 成金属j 溶液界两f 乜化学特性的变化，这些都与碳钢局部腐蚀密切棚天。j 数乍物k 期存低浓度药剂的作用f 或酸性、碱性环境下生长代谢，引起微牛物 的变片现象。 腐蚀i f 以定义为山某种化学和电化学机理所弓i 起的对余属的破坏性侵蚀 【j l ig ( 1 9 7 1 ) ”。现已充分确定，腐蚀在水环境中是一种电化学过程。n ：水系 小人块会属趋向”r 离f 化而剩余电子( e 一) m m ”+ 2 e 一起这种反应的盒属k 域 华中科技大学博士学位论文 称为刖极。通过f 硎机理之可使离了化作用增强。 l2 | f + 2 ( 1 2 | i 1 1 1 2 i ，( ) 1 2 ( ) j + 2 e 一2 ( o h ) 发牛这些反应的金属表面称为阴极表面，现在研究表明s r b 往厌氧条件r 列钢铁有强烈的腐蚀作用。 微牛物参勺金属腐蚀卜要为以f _ 三利- 方j ”“： ( 1 ) 赦乍物的，卜k 和新陈代谢作用产乍一些能够腐蚀盒槭的代蹦，“： 物，如酸、碱、硫化物以及其它有害离- ，使本无害的环境具有了腐蚀一m ， ( 2 ) 微生物的活动直接影响电极反应动力学过程，从而诱导或加速，止 满彳1 ：的f u 极反应，这利t 情况：扛要是在缺氧条件 fs r b 的作用 ( ： ) j ：微乍物的活动在金属一一电解质界面上引起状态的变化从m 导致r 腐蚀的发小。例如，建莎了氧的浓差电池。 | 荫天j ：i 的腐蚀机理说法不，t 要有以下三种“6 ”1 ： 1 ) v ( w ( ) lz g o ，k l l h r 和v a nd o rv lu g l t 提出的阴极去极化删沦： 2 ) n ) 郝r f l 池f 1 二j 年j l j 哩： ： ) 代谢产物腐蚀机理。 1 4 1 阴极去极化理论 1 吣4 印v ( ) nw ( ) 1z ( ) g e nk u h r 和v a nd e rv 1u g ll ”提出的阴极上极化川j 沦： 这是j u 最t 要的年i 腐蚀机理。其反应机理为： 4 l ：c 一4 f e ”十8 e( 阳极反应) 8 ) 一8 h + 8 ( ) l i 8 l l + + 8 e 一8 h( 阴极保护) k ( ) ，+ h 一s7 + 川。( ) ( 细菌引起的阴极去极化) f ? e ”_ g f ? c s( 腐蚀产物) ： i ? c 。+ 6 0 h 一3 f e ( 0 h ) ：( 腐蚀产物) 整个反应式为：4 f e + s 0 。2 + 4 h 。0 3 f e ( o h ) ：+ f e s + 2 0 h 其实质是s r b 从f e 表面( 阴极) 上除去氢后，有利于铁转变成：价铁离 f ，转入溶液中，然后二价铁离予分别与二价硫离子和氢氧根离子反应，i 成。 次腐蚀，“物r e s 和r e ( 0 h ) 。一次腐蚀产物可在铁表面形成松软的腐蚀瘤，致使 j l ：卜i ，j j 形成浓筹电池，从而加速腐蚀。 s 腐蚀过张图解”见图1 2 b ( ) ( ) 1h 、k in g 、m j lle r 、c o sl e l l o “等人的研究工作为阴极太极化理沦 提供了依据证实了细菌细胞中的氢化酶、硫化亚铁和硫化氢都可以促进上檄 化作j 1 j ，促进金属的腐蚀”7 。“1 。但自6 0 年