1 前言

微生物腐蚀造成的金属材料的损失大约占所有金属材料损失的20%,其中硫酸盐还原菌 (SRB) 是引起微生物腐蚀的主要因素。研究^[1-6]表明,微生物腐蚀有一半是由SRB引起的。由于生物膜可以改变金属/生物膜表面的物理化学特性,导致低或高的pH值和低溶氧 (DO)^[7,8]。因此,生物膜内的电化学反应完全不同于本体溶液^[9,10]。

众所周知,金属表面生物膜中的SRB可以加重金属的腐蚀^[11,12]。化学杀菌剂是使用最多、最重要和最普遍的方法,用于抑制生物膜的形成和生长,从而减轻微生物腐蚀的发生^[13,14]。目前,抗菌高分子广泛用于金属防腐。然而,抗菌材料的使用过程复杂,并且过多使用容易使细菌产生耐药性。

静态磁场不仅能够影响微生物新陈代谢,而且也影响腐蚀过程^[15]。磁场对金属腐蚀的影响可以用磁流体理论 (MHD)^[16,17]、钝化膜理论^[18]、洛仑兹力^[19]以及碳钢表面pH值的变化^[20]来解释。近年来,人们大量研究了静态磁场对微生物的影响。单一微生物长期暴露于强磁场下,细菌的数量和生存能力将大大减弱^[21-24]。静态磁场可以减少化学需氧量 (COD),并且促进污泥中生物量的增长^[25-27]。静态磁场作用受系统结构以及循环流动的影响^[28]。

目前,关于磁场对细菌活动的影响的研究较多,但关于磁场对生物膜的影响的研究较少。Di Campli等^[29]研究了极低频率电磁场 (ELF-EMF) 下幽门杆菌生物膜的形成和发展过程。ELF-EMF能够显著降低细胞生存能力和球类菌生物膜的形成。Chua等^[30]提出表面的生物磁体,通过垂直极化磁体可以影响细菌的吸附和蛋白质的合成。

本文主要研究静态磁场对SRB生物膜在304不锈钢 (304SS) 表面吸附性能的影响,并探索静态磁场对SRB生物膜生长和成熟的影响。使用电化学和表面分析方法研究磁场对SRB生物膜的形成、发展过程和腐蚀产物的影响。

2 实验方法

2.1 实验材料

实验材料为304SS,其化学成分 (质量分数,%) 为：Ni 8.0~11.0,Cr 17.0~19.0,Mn≤2.0,Si≤1.0,S≤0.03,P≤0.035,C≤0.07,Fe余量。取直径D=15 mm,厚度为2 mm的小圆片用于表面分析。电化学实验用圆柱形电极 (工作面积：0.785 cm²),并用环氧树脂密封非工作面。用粗糙度为180#,400#,600#,800#,1000#和1200#金相砂纸对工作面进行逐级打磨,并用去离子水、乙醇和丙酮清洗后放入干燥器中保存备用。实验前用紫外灯灭菌30 min。

2.2 微生物的培养与接种

实验所用的SRB是从胜利油田分离纯化而得。SRB培养基的配方 (g/L) 为：K₂HPO₄ 0.01,MgSO₄7H₂O 0.2,(NH)₂Fe(SO₄)₂ 0.2,NaCl 10,酵母浸汁液1.0,维生素C 0.1,乳酸钠4.0 mL/L (pH值为7.2)。将配好的培养基用手提式压力蒸汽消毒锅消毒灭菌15 min,接种细菌后放在37 ℃培养箱中培养。在150 mT静态磁场条件下,浮游SRB和固着SRB的生长曲线的测试方法见文献^[15]。

2.3 静态磁场对SRB的影响

2.3.1 静态磁场对生物膜生长期的影响 将打磨好的304SS电极和试片浸泡在SRB溶液中,其细菌量为10⁷ cell/mL。并将其放置于0,4和150 mT的静态磁场中37 ℃下培养1 d。

2.3.2 静态磁场对成熟生物膜的影响 将打磨好的304SS电极和试片浸泡在SRB溶液中,其细菌量为10⁷ cell/mL。将其放入37 ℃培养箱中培养2 d,让细菌在不锈钢表面形成成熟的生物膜。取出表面覆盖成熟生物膜的304SS不锈钢放入消毒后的生理盐水中,分别在0,4和150 mT的静态磁场下37 ℃下培养0.5 和1.5 h。

2.4 电化学测试

电化学测试采用标准的三电极体系：工作电极为304SS,参比电极为饱和甘汞电极 (SCE),辅助电极为Pt电极。使用CHI 660C电化学工作站进行测试。EIS测试在自腐蚀电位下进行,激励信号为5 mV的正弦波,测试频率范围为10⁵~10^-2 Hz;动电位扫描速率为0.5 mV/s,电位扫描范围是相对自腐蚀电位±200 mV。电化学测试环境温度30 ℃。用Zview和Cview软件进行数据的拟合和处理。每组实验重复3次。

2.5 表面分析

用2%甲醛固化不锈钢表面的生物膜,并用50%,70%,80%,90%,95%和100%乙醇溶液逐级脱水。用3D超景深显微镜 (VHX-1000E) 和场发射扫描电子显微镜 (SEM, Sirion200) 观察304SS表面生物膜。用X射线光电子能谱 (XPS,Multilab 2000) 分析腐蚀产物成分。

3 结果与讨论

3.1 SRB的生长曲线

图1是在150 mT的静态磁场条件下,浮游SRB和生物膜内固着SRB的生长曲线。与文献^[15]中没有磁场情况下SRB生长曲线进行比较,可以看出150 mT的静态磁场对浮游的SRB生长无明显影响,但是可以延缓SRB在不锈钢表面的固着。并且150 mT的静态磁场还可以延缓固着SRB的衰亡,从而促进不锈钢的腐蚀。

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图1   浮游SRB和固着SRB的生长曲线

Fig.1   Growth curves of planktonic SRB and sessile SRBunder 150 mT static magnetic field

3.2 静态磁场对Fe溶解的作用

用极化曲线研究静态磁场条件下SRB生物膜对304SS的腐蚀。图2是分别在0,4和150 mT磁场条件下304SS的极化曲线。表1是其极化曲线的拟合数据。由腐蚀电流密度可以看出,4 mT磁场条件下可以有效抑制304SS的腐蚀;而150 mT 的静态磁场稍微促进304SS腐蚀。另外,静态磁场可以明显提高阴极和阳极电阻。因此,低磁场可以有效控制微生物腐蚀。

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图2   304SS在0, 4和150 mT磁场下的极化曲线

Fig.2   Polarization curves of 304SS under static magneticfields of 0, 4, 150 mT

3.3 静态磁场对SRB生物膜形成的影响

图3是不同磁场强度下,浸泡在SRB溶液中培养1 d后304SS的EIS图。图4是其等效电路图,其中,R_s为溶液电阻,R_f为生物膜电阻,CPE是常相位角元件。在无静态磁场下,SRB生物膜阻抗的拟合值为6.25×10⁵ Ωcm²;静态磁场强度为4 mT时, SRB生物膜电阻仅有2.15×10⁴ Ωcm²;静态磁场强度为150 mT时,SRB生物膜电阻为3.59×10⁵ Ωcm²。R_f的变化可能与不锈钢表面生物膜厚度差异有关^[5]。

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图3   在不同静态磁场强度下304SS的EIS

Fig.3   EIS plots of 304SS after immersed in SRB solutionunder different static magnetic fields for 1 d

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图4   等效电路图

Fig.4   Equivalent circuit for EIS

图5是不同静态磁场强度下,304SS浸泡于SRB溶液1 d后的SEM像。静态磁场强度为4 mT条件下,304SS表面无明显生物膜。而静态磁场强度为0和150 mT时,304SS不锈钢表面覆盖很薄的生物膜。结合图3中电化学阻抗数据可见,静态磁场可以抑制生物膜的形成。4 mT强度的磁场比150 mT的更能抑制不锈钢表面微生物的形成。

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图5   在不同磁场强度条件下,304SS浸泡于SRB菌液1 d后的表面SEM像

Fig.5   SEM images of 304SS after immersion in SRB solution under 0 mT (a), 4 mT (b) and 150 mT (c) static magnetic fields for 1 d

3.4 静态磁场对成熟生物膜的影响

图6为形成成熟生物膜的304SS在不同磁场强度中暴露0.5和1.5 h后的电化学阻抗值变化曲线。用图4中的等效电路图进行拟合,拟合数据见表2。可见,无磁场条件下R_f最大;当磁场强度为4 mT时,R_f减小一个数量级;当磁场强度为150 mT时,R_f也明显减小,并且随着暴露时间的延长而进一步减小。

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图6   不同磁场强度条件下暴露0.5和1.5 h后表面覆盖SRB生物膜的304SS的EIS曲线

Fig.6   EIS of 304SS with SRB biofilm formed after exposure under 0, 4, 150 mT static magnetic fields for 0.5 h (a) and 1.5 h (b)

图7为形成成熟生物膜的304SS在不同静态磁场条件下暴露0.5 h后的表面SEM像。静态磁场可以使304SS表面的SRB生物膜部分脱落,尤其磁场强度为4 mT时脱落最严重,与图6结果相一致。

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图7   吸附成熟生物膜的304SS在不同静态磁场下暴露0.5 h后的表面SEM像

Fig.7   SEM images of 304SS with mature SRB biofilm after exposure for 0.5 h under static magnetic fields of 0 mT (a), 4 mT (b) and 150 mT (c)

3.5 静态磁场对腐蚀产物的影响

用XPS对不同静态磁场下的腐蚀产物进行分析,结果见图8。对腐蚀产物中的S和Fe进行分析,其S和Fe化合物种类见表3。在169 eV处峰强度增加证明化合物中的S含量增加。一般情况下,SRB腐蚀产物主要是FeS和FeS₂。在静态磁场强度为4 mT时,腐蚀产物中存在Fe₃O₄。然而,在静态磁场强度为150 mT时,腐蚀产物主要成分是Fe₂O₃。结果表明,短时间静态磁场作用下可以改变不锈钢SRB腐蚀产物的成分。

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图8   不同磁场强度暴露0.5 h后,304SS腐蚀产物的XPS分析

Fig.8   S2p (a~c) and Fe2p3/2 (d~f) XPS spectra of corrosion products on 304SS with mature SRB biofilm after exposure for 0.5 h under static magnetic fields of 0 mT (a, d), 4 mT (b, e) and 150 mT (c, f)

4 结论

(1) 150 mT的磁场强度对浮游SRB没有明显影响,但可以延缓SRB在304不锈钢表面的固着。4 mT的磁场强度可以有效的抑制304不锈钢腐蚀,而150 mT的磁场强度可以轻微促进腐蚀的发生。

(2) 4 mT磁场可以抑制SRB生物膜形成和减弱SRB生物膜附着力。

(3) 静态磁场影响304不锈钢腐蚀产物的成分。无磁场时,腐蚀产物主要是FeS。磁场强度为4 mT时,腐蚀产物中含有Fe₃O₄,磁场强度为150 mT时,腐蚀产物中含有Fe₂O₃。

The authors have declared that no competing interests exist.