对微生物引起腐蚀抑制美国田纳西研究

1、.：.；M-B6 美思国际 法国创新 Serving Industrial with TechnologyMexel4321yahooMEXEL 432 美国 田纳西大学 运用微生物学研讨所 报告THE UNIVERSITY OF TENNESSEE KNOXVILLE微生物影响金属锈蚀之生物活动过程Microbiologically Influenced Corrosion (MIC)：以次氯酸钠、戊二醛及M.432三种抑制剂之作用比较、研讨本文译自The University of tennessee Knoxville ReportComparative study of the eff

2、icacy of three different compounds against corrosion of 316 L stainless steel in synthetic sea water mediumStudy of the effect of MEXEL 432 on the behavior of 304 L stainless steel in the presence of bacterial monoculture (completed on 1991)PAGE 1M-B6美国 田纳西大学 运用微生物学研讨所 报告主题：在海水环境中Mexel 432 对304L不锈钢在

3、单一细菌培育作用下的效果研讨Mexel 432 在单一细菌培育中的稳定性和效率之初步研讨在合成海水环境中对抗不锈钢(316L)锈蚀作用三种不同成分抑制剂效能比较研讨绪言(Introduction)在微生物影响金属锈蚀作用microbially influence corrosion(MIC)的活动中，与海水和淡水环境里的金属外表有关连的细菌性生物附膜，扮演着极重要的角色。时常有假设干锈蚀性的机制被认定是由于维护性H2所引起细菌阴极偏离(退极化)的效应，硫磺侵袭、有机酸的产生以及不同氧电池(cells)的产生等要素，可是MIC主要归因于细菌的细胞和下层基质发生了直接结合的关系。 MIC仰赖着三种

4、要素：1).生物膜生长的要素及在大环境中活动的组成性质2).下层基质的本质3).组成生物膜的微生物假设能阻止微生物细胞接触到基质，或者它们在基质表层是处于非活性形状，或者把基质呵斥不易起化学变化，那么微生物的活动是不会影响锈蚀率的。大部份杀生物剂的效能作用，都以对浮游性生物能产生效果当作终止点。遗憾地说，这样的作用方式存在着两个明显的缺陷：运用化学及物理作用来阻止浮游性生物，是要比固着性微生物敏感很多。所以对阻止生物膜观念来说，这些作用很少被以为是一种灭生物的效能。控制MIC可以不用要求生物膜(或浮游生物)细菌先处于不同方式的休止形状。用非杀菌界面活性剂来阻止MIC，而不需求添加任何有毒物质于

5、微生物身上。从环境立场来说，这种抑制剂才是最能吸引人的。在本研讨中，我们将二种很普遍用于处置生物性污塞和生物性腐蚀的，次氯酸钠以及戊二醛和获得专利权的界面活性剂MEXEL 432做比较。本实验的目的是要验证，M.432锈蚀抑制剂究竟会不会影响以一个仿真污塞管路内316L不锈钢(SS)基质暴露在海水生物下之电化学和固着细菌总数的构成程度。系统设计的是仿真最恶劣的情况，以静止的形状让细菌和海水环境去接触所测试的不锈钢基质。这个仿真环境设计有U形弯角，构成只能缓慢流动的循环系统，停滞水区、分配系统中支流管的死角区，以及循回系统停顿任务滞怠期等情况。实验用系统(Experimental System)

6、试片预备：所用试片是巩固的316不锈钢圆筒(金属样品Munford，A1)，尺寸：6cm(直径)1.6cm(长度)。试片的一端运用磨轮、600细目砂、以手工磨成600细目亮度。试片夹具：以一个3.8cm直径的聚乙烯螺丝钻孔来接合1.6cm的试片。在钻孔内凿有两个中心点凹槽，各贴塞了O环，以确定良好的密封效果。在试片边缘周围甚至也涂了硅胶，使外表层尽能够平顺。在聚乙烯螺丝内另有钻孔0.64cm系上带子便于取下资料。并且安装一条电线经过不锈钢栓延伸到激活电极。个别仿真保送管路设计：实验用管路系统包括一系列5.1122cm，编号40的聚乙烯管子。 每支管子末端用盖子盖住，盖子本身是一种带头螺栓，可以

7、衔接纳子。在底部边缘挖了八个均等间隔3.8cm的小孔，且塞入了接引栓。接引栓可使试料夹具很平安地扭紧到管路上。在其中的三支接引栓对面钻了2个小孔来安装参考电极和钛对照电极。电极：试片本身就当作电极。在聚乙烯螺丝的正面有一不锈钢螺丝作为试片和电线之间的导体。另有圆状5.13.8cm断面，0.015cm厚度钛箔片当作计算电极用。将5.1cm长度钛线焊接在箔片上，然后插入管路中。钛线穿过一个AAA橡皮塞，塞进对面结合器小孔中的钛箔片适当的紧穿过管路的内径中。参考电极运用Ag/AgCl在KCl饱合溶液中。聚乙烯螺丝钻上一个0.4cm直径的孔并安顿一个Vycor箍，当做盐桥。饱和的KCl当作导体。更留意

8、的是，虽然本系统可以摘录延续性的电子化学阻抗丈量，但这些分析并非是为了此间所表达的任务。测试系统：总计安装八套个别的管路系统，每一套系统都安装一部1.5马力电磁离心泵、流量计、10L聚乙烯盛瓶、流水阀以及足够衔接用的硅质和聚乙烯管子。直流电路电位(OCP)和电化学杂音骚动(ECN)追踪系统：OCP是运用Keithley 706扫描仪和Hewlett Packard 3458A多频仪。丈量作业每间隔30分钟记录一次，共继续17天的测试期。每30分钟丈量大约2000个OCP。所记录的噪声资料是用Fourier转换型式从时间领域转换成周率领域。ECN数据可推断管路中基质外表腐蚀运作动态和再钝化的周率

9、。测试化学物：MEXEL 432 (Societe MEXEL,法国) 戊二醛 (Sigma 25% 级) 次氯酸钠 (Clorox, 5.25%)海中媒体物：ASTM D.1141 海水媒体的合成物(每个系统运用了八升的海水) ，在g.1 去离子水中的显示值列表如下： NaCl 24.53 MgCl2 * 6H2O 11.09 Na2SO4 0.09*CaCl2 * 2H2O 1.54 KCl 0.695 KBr 1.101 *NaHCO3 0.201 SrCl2 *6H2O 0.042 H3BO3 0.027 NaF 0.003 Yeast Extract 0.10*KH2PO4 0.05

10、 NH4Cl 0.05 Na Lactate 0.93*Glucose 1.00 pH 7.88.0 (*表示：在压力锅添加处置后)测试过程(Test Procedures) 实验过程是按照以下步骤来作业的，媒体物和仿真管路维持在室温20以下。八条管路中的每一条，都注入了无菌的ASTM海水媒体(D.1141)。进展OCP丈量，直到获得稳定的根底线为止。向其中四条管路植入Deleya marina 菌种 ATCC25374。(5ml/7108细胞ml-1菌种)每个容器和海水媒体，以体积流量计测定2 lmin-1比率，回转2分钟。整个实验过程中，每30分钟进展OCP监测记录。在植入菌种之前，以及在

11、17天实验终止时，进展ECN的丈量。植入菌种后24小时，将测试化学物添加到以下容器：容器1. D.marina菌10 ppm MEXEL 432容器2. D.marina菌10 ppm glutraldehyde(戊二醛)容器3. D.marina菌 3 ppm HClO3(剩余量)容器4. D.marina菌，不添加测试化学物容器5. 无菌的10 ppm MEXEL 432容器6. 无菌的10 ppm glutraldehyde(戊二醛)容器7. 无菌的 3 ppm HClO3(剩余量)容器8. 无菌的，不添加测试化学物在每次添加测试化学物后，以2 1 min-1速率，回转二分钟。前四天以一

12、样的方式，添加三种杀菌剂。每天都用Societe MEXEL测试套具和Hach(Loveland CO.) DPD余氯分析仪，分别测试M.432和HClO3的含量；同时也添加了一些剂量以维持原始的浓度。对戊二醛并未进展监测，在第四天以后就停顿添加戊二醛。测试容器是每天以2 1 min-1速率回转一次，约二分钟。每隔一天从测试物中采取1ml aliguots，测试可培育数。aliguots置于75% 2216海水培育基(Difco, Detroit, M1)，于25下培育72小时。实验完成后，将试片在无菌条件下，由管子里移出，定量抽取样品进展培育细胞计数以及Acridine orange直接计数

13、法(AODC)，结果是以每cm2为根底的细胞附着量来做报告的。另外一组候补试片，先混合于2.5%的(V/V)EM级戊二醛，然后脱水和在临界点干化，再以电子扫描显微镜(SEM)察看。实验总计进展17天的过程。结果和讨论(Results And Discussions)HClO3的剩余量无法维持在0.2ppm以上。氯的需求量比较高，大约在510ppm之间动摇着。然而，在整个实验过程当中，所监测的剩余氯量平均大约在0.1ppm。经过17天的实验，在有培育基的容器中，(图1.)整体测试样品细菌总数(可培育总菌数)发现其下降了，这个减少的程度在含MEXEL 432的容器更加明显，十天之后在含有M.432

14、的测试样品中，就检测出无细菌的存在。而从四个无植入菌瓶及无接种菌物的管子系统，亦无复原细菌可培育出。培育系统的AODC值是按照107细胞/cm2(图2.)的顺序。三种测试化学物和控制组的AODC值下降顺序是：MEXEL 432戊二醛次氯酸钠控制处置与未处置的管路之可培育总菌数是104细胞cm-2或者更低。在处置与未处置的管路之间的可培育总菌数看不出来有明显的不同。含培育菌管路的OCP结果显示于(图36.)。资料显示，测试化学物的添加在整体实验过程中，并没有明显的影响到OCP值。一切的电位都是在+20mV/SCE-80 mV/SCE的陈列间。在四个无菌系统中，ECN资料(没有示图)并未显示出任何

15、孔蚀再钝化的活动。(图710.)显示四个培育基容器OCP的结果。OCP的减少只需在含有戊二醛、次氯酸钠和只含细菌的管路才发现。因此从两种暴露在含有次氯酸钠或戊二醛培育基媒体的试片可以很明显看出其降低程度是超越300 mV/SCE。这样的OCP减少情形也可以在无任何化学物的培育基系统察看出来。这种减少景象可说是建议有能够曾经开场在外表发生部分的锈蚀作用。在17天的测试期过后，在含M.432培育基管路系统内试片的OCP并未遭到明显影响。至于那些没有培育基的管路，ECN资料(没有示图)并未显示四个培育基系统中的任何一个有任何腐蚀景象的真实证据。据了解，凡是剩余氯高于0.1ppm，就会促使不锈钢起锈蚀

16、作用，并导致金属样品的OCP接近孔蚀值。根据在无菌海水媒体察看到无添加的现实，证明它和相当低剩余氯浓度有关。在一块大生物覆膜中，经过105小时察看后，得到OCP减少的现实，阐明那是生物膜破裂景象，因此引起外表能够开场产生部分的锈蚀作用。在第七天，这些电位到达-300 mV/SCE之后，直到实验终了，最后的电位那么到达了-150 mV/SCE。从七个管路系统中有代表性部位，所摄取的SEM显微照相图标展如今(图1 7.)(放大2000倍)。暴露于含细菌而无添加测试化学物的试片上可以察看出很明显的生物膜。用HClO3处置过的试片外表可以察看出典型的D.marina细胞，但同时却看不到有广泛生物膜的构

17、成。很令人诧异的是，在无细菌情况下，那些暴露在M.432的试片上却看不出生物膜的存在。而与下层基质有关联的机械痕迹就可以清楚证明没有成形的生物膜存在。暴露于M.432和戊二醛的试片上的生物膜有明显D.marina细胞体的存在。这二个情况中，细菌呈现堕入一层厚的有机膜中。而在次氯酸盐离子中就察看不出在任何试片上有明显的生物膜存在。结论(Conclusions)在无菌培育基情况下，测试化学物的添加量并不会很明显的影响OCP。在测试系统中可以察看到ECN的量，因此不能证明没有腐蚀活动发生。不锈钢试片上的D.marina生物膜导致OCP的减少。金属外表氧气的减少以及特定的物理及化学条件与细菌的新陈代谢

18、是可以用来解释这种减少的缘由。例如，不同氧细胞产生的生物膜本身就会引起裂痕型的锈蚀景象。MEXEL 432并不抑制D.marine构成菌落在不锈钢基质上，而维持OCP于一个稳定的程度，并且防止样品上产生任何部分的锈蚀作用。坚持生物膜与基质界面间氧气和pH的稳定。以次氯酸钠和戊二醛所进展的实验导致OCP动摇的景象，阐明在不锈钢的外表曾有脱钝化/再钝化循环过程的能够。 MEXEL 432对304L不锈钢 在单一细菌培育作用的效果研讨绪言(Introduction)先前的实验曾经实践证明了在天然的海水中，MEXEL 432经由一种有机膜在外表的构成作用是可以当作海水锈蚀作用的抑制剂。另外，这些实验曾

19、经显示，附着在外表的细菌生物量有显著的减少。其机械能如何作业不很清楚，但是一种与新外表情况有关联的低pH值是可以解释所察看的结果。另外，进展了一组新的实验，其目的是为了可以对这些机械能有较深化的了解，同时也要研讨MEXEL 432对处于合成海水媒体和在作细菌单一培育环境下对304L不锈钢变化的影响效果。 资料与方法(Materials And Method)一切实验电极用不锈钢片埋入一种环氧树酯。电极以磨光处置降低细目从120至1000、去油脂并以丙酮和酒精清洗。电极边缘用绝缘性环氧树酯涂层护盖着，暴露4cm2于外界情况。组合方式，试片先以环氧乙烷气体杀菌，然后注入1.2 1的合成海水媒体(D

20、.1141)，并以每小时5%的流量经由容器继续不断的流动。以10ppm初始浓度的M.432抑制剂在一小时内添加到二个容器里。这里添加时间性的选择，是要让外表构成同质的薄膜。接着改以0.1ppm低剩余浓度，继续保管在二个容器中，另外的二个容器那么不添加M.432。整个实验过程中进展OCP的测定。每天都用MEXEL测试套具检测M.432的浓度。结果与讨论(Results And Discussions)OCP和时间的关系标绘于(图1.)作了区分。在未含M.432情况下，过了一天就可以察看出来两个试片的电位曾经明显的降低。在实验阶段的最后几天中，察看到OCP的变化景象，这些变化阐明外表曾经开场产生部

21、分性的锈蚀作用，这种景象是以一种钝化再钝化循环表述。在未处置的媒体方面，A、C阻抗图解显示出减少充电移转Rt.电阻的减少(资料未列出)。虽然如此，对MEXEL来说，这种减少景象很明显的是比较低。经过48小时后，可察看出来，含M.432方面的OCP会有缓慢减少情形。实验终了，这些电位在含与未含MEXEL的情况下，数据是-250 mV/SCE到-420 mV/SCE。当七天的实验终了，停顿二个容器M.432的添加和搅动作业，设计此动作的意图是要使外表上构成一种厚的生物膜，以便未来能让厌气性细菌在生物膜里生长。未经处置的媒体OCP动摇性很大。而含有M.432方面，这些电位那么是维持在稳定形状。虽然如

22、此AC抗图表在短期间内无法显示两种情况之间有任何明显的不同。 在整个实验过程中，执行pH测定阐明处置过和未处置容器的个别pH值为4.8和4.5。在实验终了所执行挥发性脂肪酸分析结果显示，在二个容器中都有大量的醋酸和酪酸，这是一种细菌新陈代谢的结果。Vibrio natriegens是一消费细菌的粘质物，曾被证明会制造大量的挥发性脂肪酸。pH的减少会影响M.432的效率。在此合成物内所含二氨群和质子浓度的添加产生互动影响，就是由于减少pH所呵斥的结果。 Cl- R NH3H3O+ R NH4+Cl-H2O当低分子量的胺在水中的溶解性很好时，高分子量的胺就会限制其水中溶解性。虽然如此，假设能有一种

23、氯化铵盐的构成，那么这种不溶解于水的胺就能很快的分解了。如此，可以建议，在一个综合性海水媒体是有由细菌的新陈代谢和氯离子(20000ppm)所产生的酸性条件来导致可溶于水的胺盐的构成。可溶解性的添加也许就可以解释出先前所察看试片OCP的一致降低景象是和M.432从外表上逐渐分别和分解有关联。但是，也许有另外一种能够性是M.432可以成为浮游性和固着性细菌的有机物来源。在这个合成物里，有很明显的酒精(醇)浓度是可以用来当作细菌培育基的碳源。有需求做进一步的实验来支持这样的假设。因此,假设在两种容器中都有明显的细菌活动,是由于两者在大环境上(范围大到108细胞cm-2)的pH和细菌密度降低的结果,

24、那么就可以建议说在无处置容器内24小时后所察看到的OCP降低景象就会和媒体内大量挥发性脂肪酸的产生有关了。以AODC的方法来确定总菌数是可以确认在两种媒体中都有大量细菌数存在。所发现两种情况的差别并不怎样明显。独一的例外是在处置过媒体和未处置过媒体两者所减少的细菌活动关系。在M.432处置过的容器里所察看的减少活动率是有十倍之多。一旦将M.432添加和搅动作业停顿下来后，所察看到的OCP动摇景象就表示在外表上已产生了孔蚀作用的钝态去钝态过程的特性。从另外一方面来说，暴露在处置过媒体的外表上一切的残留有机物膜,就足以防止外表锈蚀作用的发生。结论(Conclusions)在自然的条件中显示M.43

25、2可以提供应软铁和不锈钢锈蚀维护。锈蚀作用的抑制效果确实是从接触外表细菌生物量的减少来获得。另外,也察看到活动的减少情况。 为能了解这种效能的机械能以及合成物是如何影响外表上生物膜的构成，就另外进展一组不锈钢外表的实验，即将不锈钢外表浸入以消费细菌的粘质物Vibrio natriegens，培育在一种综合性ASTM海水媒体里。从OCP的测定结果显示出经处置和未处置两者媒体之间是有很明显的不同。PH减少是细菌新陈代谢的结果，而有机酸的制造那么是生物膜缓慢且渐进脱离外表的结果。在无MEXEL情况下，经过24小时后就察看到OCP快速减少的景象，这也阐明外表所发生的孔蚀景象就像在实验终了所察看到一些试

26、片所发生的一样。酸性条件会很严重的影响到锈蚀抑制剂的效能。这种酸性环境是可以在由海水环境所构成的生物膜里面发现。低于5的PH值曾经在自然条件所构成的生物膜中发现到。但是，海水的缓冲能量会像M.432一样可以抵消PH的减少。 但是，这些资料也指出了三个主要现实：.在实验室里做实验，对天然条件的插补法，务必要很小心的控制好。.这种腐蚀抑制剂很一定的影响了不锈钢的电化学作用，且在实验过程中主要的是防止了OCP的明显减少。甚至在大量细菌生物量与在滞留情况下，外表上的残留有机膜和低于0.1ppm的M.432的残留浓度，两者都能防止不锈钢样品开场发生任何的锈蚀作用。 MEXEL 432在单一细菌培育中的稳

27、定性和效率之初步研讨绪言(Introduction)将MEXEL 432作为置放以通气3% NaCl溶液内的碳钢的腐蚀抑制剂，曾经显示几分的内容抑制性本质存在是会添加碳钢的碱性效能。这些本质是可以以臆测这种合成物有稳定氢气化物外表膜和吸附在金属暴露面，并参与两种情况外表熬合成形的才干来解释。不可质疑的，物理、化学和水动力学的条件是会严重影响到细菌对外表的附着性以及浮游的细菌生物量。当有化学性连结在金属外表时，两物体的接触面流动力学条件是会影响到抑制剂的效率的。众所周知，高速率对于细菌的附着性以及对添加到媒体的抑制剂效率是有负面影响的。遗憾的很，腐蚀抑制剂通常是在生物膜曾经在外表构成之后才添加的

28、。先前的实验也证明了细菌活动是可以很明显的影响包含在抑制剂内某些氨基的效率的。本研讨的目的是要调查细菌生物量对事先就已有腐蚀抑制剂涂膜的外表效能。这些实验是用两种类型的钢铁，即低碳钢和316L不锈钢为对象来进展的。资料与方法(Materials And Methods)切断碳钢和不锈钢条材作为电极，并浸入在环氧树脂中覆膜。以砂纸磨光电极，从120细目减少到1000细目，然后用酒精和丙酮去脂、清洗。电极边缘用绝缘的环氧树脂层覆盖，并使4cm2范围暴露在不同条件下。这个组装系统以氧化乙烯气体灭菌，然后参与1.2L的合成海水媒体，并以每小时5%的流动率，不断地透过容器流动。将M.432抑制剂添加到含

29、有碳钢和不锈钢材的四支容器，以10ppm浓度做为系统出口的残留浓度，当做开场的步骤。另外两个容器不添加抑制剂。一旦试片外表(二天)构成了同质的有机膜就将繁衍粘质物和酸的Vibrio natiegens单一细菌培育基添加到全部的容器里，包括未处置的容器。在两个处置的容器里，维持着M.432的低残留浓度，而另外两个那么停顿添加。在实验过程中都用Keithley 706扫描仪和Hewlett Pachard 3458A多波仪来进展OCP的监测。犹如先前实验作业所做的，在本实验过程中也同样进展了ECN和A.C.阻抗图表作业。结果(Results)在含M.432方面，碳钢和不锈钢两者的OCP显示二天过后

30、各自的电位稳定性大约是-650m V/SCE和-100m V/SCE。在不含抑制剂方面，两者的电位是很明显的较低。察看在缺乏继续添加抑制剂，一旦在外表构成了有机抑制剂膜，SS试片上OCP缓慢的减少(图1.)。但是，在继续添加抑制剂的情况下，其OCP的稳定性就可维持到整个实验终了。就碳钢来说，在不继续注入M.432情况下(图2.)，其电位也是较低。再者，实验当中所做的PH测定，显示在两种条件下的原始PH值减少了。两种容器的PH值是在4.5左右。偏极曲线绘制于(图3.)。没有抑制剂，其动力学是完全仰赖着分散作用，而腐蚀作用的流量密度可视为相当于溶氧化剂(例如:200 MA/cm2)所分散的限制性流量。有抑制剂，其动力依赖活化作用。而其半对数描画的曲线绘制阐明是属超越300mv(25MA /cm2)电位系列的Tafel线。在实验过程中所做的A.C.阻抗图表阐明在腐蚀过程也有一样的倾向。在无抑制剂情形下,察看到了是与低电荷移转电组有关联的。高流量密度因时间而降低的景象。在具备调整膜几天后就察看出此减少景象，就阐明了不是因有机膜起了化学变化，就是有部份的膜脱离的缘故。对资料进展显微镜检查可以很清楚的