CN101226136A

CN101226136A - 基于固体培养基的镁合金微生物腐蚀方法

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Publication number: CN101226136A
Application number: CNA2008100503467A
Authority: CN
Inventors: 刘耀辉; 王强; 宋雨来
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2008-01-30
Filing date: 2008-01-30
Publication date: 2008-07-23
Anticipated expiration: 2028-01-30
Also published as: CN101226136B

Abstract

本发明涉及对镁合金的硫酸盐还原菌微生物腐蚀方法。其目的主要是针对镁合金的微生物腐蚀问题，通过将固体培养基的微生物培养技术与微生物腐蚀技术相结合而提供一种新的基于固体培养基的镁合金微生物腐蚀方法。具体工艺步骤是：(1)试样的加工及灭菌；(2)固体培养基的配置及灭菌；(3)细菌的培养及活化；(4)贴片腐蚀。经过电解质成分的优化，本方法可以突显细菌在镁合金腐蚀过程中的行为。通过有菌与无菌腐蚀情况下电极表面腐蚀形貌的信息的对比，为镁合金微生物腐蚀的机理的探讨提供相关证据。因此，本研究方法完全适合镁合金微生物腐蚀的研究。

Description

基于固体培养基的镁合金微生物腐蚀方法

技术领域：

本发明涉及对镁合金的硫酸盐还原菌微生物腐蚀方法，特别是涉及一种基于固体培养基的镁合金微生物腐蚀方法。该方法采用贴片腐蚀法，主要是作为硫酸盐还原菌可能存在的潮湿环境以及存在有机物质的环境中镁合金构件的微生物腐蚀的方法。

背景技术：

由微生物的生命活动而引起的或促进材料腐蚀的现象统称为微生物腐蚀(MIC)。凡是同水、土壤或润湿空气接触的设施，都可能遭遇微生物腐蚀。发电厂冷却水循环系统、热交换系统、石油开采、储存和输运系统、污水处理管道、饮用水管道、飞机燃油储存罐、造纸厂设备、金属切削液中都有不同程度的微生物浸染及其造成的腐蚀。引起金属微生物腐蚀的最常见的菌种为硫酸盐还原菌。过去人们一直认为硫酸盐还原菌为厌氧菌，但近年来科研人员发现由于存在硫酸盐还原菌的变异，因此其也存在兼性厌氧的菌种。

由于以上原因，由硫酸盐还原菌引起的微生物腐蚀范围有扩大的趋势。但是以钢铁为首的金属材料，其产生腐蚀原因有很多种，因此在工况下发生严重腐蚀的时候，就需要提出一种有效的防护手段，因此，掌握发生腐蚀的机理是首要的任务。

当前针对镁合金开展的微生物腐蚀的研究较少。由于镁合金自腐蚀电位较低，阻抗较小，因此耐蚀性较差。在钢铁材料及铝合金材料的微生物腐蚀的研究中，通常采用液态培养基作为腐蚀的介质。然而，在液态培养基中研究镁合金微生物腐蚀时，由于在液态培养基中离子的扩散速度较快，导致很难完成微生物腐蚀的原位观察。而采用固体培养基作为镁合金的微生物腐蚀的研究介质，这种研究方法，有利于监测微生物的代谢、分裂及死亡对镁合金腐蚀行为的影响。

发明内容：

本发明的目的主要是针对镁合金的微生物腐蚀问题，通过将固体培养基的微生物培养技术与微生物腐蚀技术相结合而提供一种新的基于固体培养基的镁合金微生物腐蚀方法。该方法主要针对的是镁合金的微生物腐蚀问题，经过固体培养基组成成分的浓度的优化，一方面能够保证细菌的正常生长所需要的养分；另一方面成分优化的培养基的离子浓度已经减少，能够更好的突出细菌在镁合金腐蚀过程中的作用。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种基于固体培养基的镁合金微生物腐蚀方法，利用固体培养基作为镁合金的腐蚀媒介，通过细菌在镁合金表面的原位生长来观察细菌在镁合金腐蚀过程中的行为，具体工艺步骤是：

(1)试样的加工及灭菌：将镁合金切成长方体试样，其用于测试及形貌观察的平面经打磨(要求打打磨至1200#)、抛光、清洗、干燥后灭菌；

(2)固体培养基的配置及灭菌：培养基的配置：固体培养基的组成成分的最佳浓度为API(美国石油协会)推荐标准培养基的浓度的一半，固体培养基中琼脂含量为培养基质量的1％，利用1N的NaOH和HCl进行PH的调节，将PH值调节至7.20±0.2，培养基灭菌后待温度冷却到55-60℃之间加入抗坏血酸，在加入抗坏血酸之前，需对抗坏血酸灭菌，时间为15至20min；

(3)细菌的培养及活化：腐蚀前需要将细菌进行培养，在洁净工作台内，先将培养器皿及培养基在紫外灯下灭菌15-30min，然后，将活性较高的菌种接种至固体培养基的表面，涂布要尽量均匀，完成接种后，用已灭菌的报纸将培养器皿封闭，然后放入恒温培养基中，培养温度为20-40℃之间，培养时间为6-18h为宜。此操作为保证在进行腐蚀试验时细菌已达到最大的活性。培养到指定的时间后，开始腐蚀试验，腐蚀试验中将固体培养基从恒温培养箱中取出并放入洁净工作台内。

(4)贴片腐蚀过程：

a、将镁合金试片一端倾斜30-60°的角度，然后渐渐用力直至另一端完全紧贴培养基表面，试样与培养基相贴处无气泡存在；

b、在洁净工作台内完成，选取最适宜的温度区间为20-40℃；

c、无菌培养器皿在恒温腐蚀前需要用已经过灭菌(时间为10-20min)的报纸包封闭，其目的为防止培养器皿染菌，然后再置入恒温培养箱恒温腐蚀；

d、贴片腐蚀法最适宜的腐蚀时间为6-48小时，在此时间内可以清晰的观察细菌的生长形态及其对电极腐蚀过程的影响。

所说的方体试样的具体尺寸以12mm×12mm×5mm为宜，将试样用于测试及形貌观察的平面用碳化硅砂纸逐级打磨至1200#，然后用0.5μm抛光膏将测试表面抛光，抛光后，利用乙醇清洗表面后，在洁净工作台内利用冷风吹干，打开紫外灯灭菌15至30分钟。

所说的培养基的组成成分和浓度为：无水硫酸钠0.25-0.5g/L；氯化铵0.5-1.0g/L；无水氯化钙0.05-0.1g/L；磷酸氢二钾0.25-0.5g/L；硫酸镁1.0-2.0g/L；乳酸钠1.75-3.5g/L；酵母粉0.5-1.0g/L.琼脂含量为质量分数1％。

将配置的培养基，调节pH值至7.20±0.2，并按质量分数1％加入琼脂粉后将培养基分装入500mL的三角瓶中，利用高压灭菌锅在120℃的温度下将培养基灭菌20分钟，将盛装培养基的三角瓶取出并放入洁净工作台内，待培养基冷却至55-60℃时按0.1g/L的比例加入抗坏血酸，抗坏血酸在加入前需要紫外灯下灭菌20分钟，将固体培养基溶液分装至直径为90mm的培养皿中，并冷却至室温。

为了对比观察，将所说的培养皿取两组，对其中一组接种硫酸盐还原菌，并将接种过硫酸盐还原菌的培养皿放入恒温培养箱中37℃培养12小时，保证细菌处于最高的活性状态，然后将两组培养皿分别放入洁净工作台中，取已灭菌的镁合金试样，先将其一端贴于培养基上，保证镁合金试样的待腐蚀表面与培养基平面之间存在大约30-60°的角度，然后将另一端压下，力度以保证试样与培养基之间无气泡存在为宜，再次用食指轻轻压紧，然后盖好培养器皿的器皿盖，防止已灭菌的培养皿中的培养基染菌。

将已加入试样的培养皿放入恒温培养箱中在指定温度下腐蚀，一般为20-40℃为宜，按实验的设计要求取样，然后采用扫描电镜观察腐蚀形貌，采用XRD和XPS进行腐蚀产物的测定，取下的试样也可以做成电极，完成电化学测试。

本发明的技术效果是：与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

1、针对镁合金耐蚀性差的特点，为研究镁合金的微生物腐蚀行为而设计的腐蚀方法。

2、该方法是通过细菌的原位生长来完成其对镁合金的腐蚀，腐蚀的结果直观，可信。

3、腐蚀完成取样后，细菌会粘附到被腐蚀试样的表面，从而达到原位观察的效果。而现有的浸泡腐蚀法很难达到。

4、该腐蚀方法可以在培养基较少的情况下完成，节省节约实验药品，与现有的浸泡腐蚀法相比更经济。

5、在利用该方法进行腐蚀实验时，对试样的处理要求较低，只要将被腐蚀表面处理到指定的技术指标即可，其它表面不需要采用其它手段进封闭处理，并且其它表面对实验精度没有影响。这一点当前的浸泡腐蚀法是不具有的。

附图说明：

图1基于固体培养基的新的镁合金的微生物腐蚀的研究方法的实验装置示意图

图2利用贴片腐蚀法获得的24h的AZ91镁合金在无微生物的情况下的腐蚀形貌(扫描电镜照片)。

图3利用贴片腐蚀法获得的24h的AZ91镁合金在有微生物的情况下的腐蚀形貌(扫描电镜照片)。

图4利用贴片腐蚀法腐蚀24h以后的镁合金试样制成的电极的极化曲线，图中SCM代表无菌试样的极化曲线，SRB代表硫酸盐还原菌腐蚀试样。

图5利用贴片腐蚀法获得的24h的AZ31镁合金在硫酸盐还原菌存在的情况下的腐蚀形貌(扫描电镜照片)。

图6利用贴片腐蚀法获得的24h的AZ51镁合金在有硫酸盐还原菌存在的情况下的腐蚀形貌(扫描电镜照片)。

图7利用贴片腐蚀法获得的24h的AZ71镁合金在硫酸盐还原菌存在的情况下的腐蚀形貌(扫描电镜照片)。

图8利用贴片腐蚀法腐蚀24h以后的AZ31、AZ51和AZ71电极的极化曲线。

图9利用贴片腐蚀法获得的Ce改性AZ91镁合金在无硫酸盐还原菌存在的情况下的腐蚀形貌(扫描电镜照片)。

图10利用贴片腐蚀法获得的Ce改性AZ91镁合金在硫酸盐还原菌存在的情况下的腐蚀形貌(扫描电镜照片)。

图中：A.培养器皿B.镁合金试样C.固体培养基D.菌落

具体实施方式：

下面结合实例进一步说明本发明的具体内容：

本发明采用的培养基的组成成分的浓度经优化后详见附表一。

附表一固体培养基组成成分及其浓度

成分	分子式	纯度	含量
成分	分子式	纯度	含量	无水硫酸钠氯化铵无水氯化钙磷酸氢二钾硫酸镁乳酸钠酵母汁	Na₂SO₄NH₄ClCaCl₂K₂HPO₄·3H₂OMgSO₄	分析纯分析纯分析纯分析纯分析纯化学纯化学纯	0.25g/L0.5g/L0.05g/L0.25g/L1.0g/L1.75g/L0.5g/L

注：固体培养基中琼脂质量分数为1％。利用1N的NaOH和HCl进行PH的调节，将PH调节为PH＝7.20±0.2为宜。

腐蚀过程如下：

1、将镁合金切成长方体试样，试样的具体尺寸以12mm×12mm×5mm为宜。将试样用于测试及形貌观察的平面用碳化硅砂纸逐级打磨至1200#。然后用0.5μm抛光膏将测试表面抛光。抛光后，利用乙醇清洗表面后，在洁净工作台内利用冷风吹干，打开紫外灯灭菌30分钟。

2、按附表一中的浓度数据配置培养基，调节pH值至7.20±0.2，并按质量分数1％加入琼脂粉后将培养基分装入500mL的三角瓶中。利用高压灭菌锅在120℃的温度下将培养基灭菌20分钟。将盛装培养基的三角瓶取出并放入洁净工作台内。待培养基冷却至55-60℃时按0.1g/L的比例加入抗坏血酸(抗坏血酸在加入前需要紫外灯下灭菌20分钟)。将固体培养基溶液分装至直径为90mm的培养皿中，并冷却至室温。

3、为了对比观察，取两组培养皿，对其中一组接种硫酸盐还原菌，并将接种过硫酸盐还原菌的培养皿放入恒温培养箱中37℃培养12小时，保证细菌处于最高的活性状态。然后将两组培养皿分别放入洁净工作台中。取已灭菌的镁合金试样，先将其一端贴于培养基上，保证镁合金试样的待腐蚀表面与培养基平面之间存在大约30-60°的角度，然后将另一端压下，力度以保证试样与培养基之间无气泡存在为宜，再次用食指轻轻压紧。然后盖好培养皿的皿盖，防止已灭菌的培养皿中的培养基染菌。

4、将已加入试样的培养皿放入恒温培养箱中在指定温度下腐蚀，一般为20-40℃为宜(此温度最有利于细菌的生长和代谢)。按实验的设计要求取样，然后采用扫描电镜观察腐蚀形貌，采用XRD和XPS进行腐蚀产物的测定。取下的试样也可以做成电极，完成电化学测试。

贴片腐蚀法主要适用于镁合金的微生物腐蚀研究，其主要原因为当前镁合金件一般很少用于液体环境中。而镁合金受到潮湿环境以及微生物腐蚀的威胁是存在的。因此，利用此种腐蚀研究方法可以很好的模拟潮湿、存在有机物质以及温度适宜细菌生长的环境中镁合金的微生物原位腐蚀。

实例一：

利用此种方法进行的AZ91镁合金的微生腐蚀研究发现，AZ91镁合金的微生物腐蚀主要特征为点蚀参阅附图3。通过对无菌及有菌(图2和图3)情况下的24h的腐蚀形貌的对比。证明细菌的确能够引起AZ91镁合金的点蚀。点蚀的形貌状与细菌菌落的形状相似。通过图3可以看出，细菌的菌落的代谢对镁合金的腐蚀尤为严重。在扫描电镜下，可以清晰的观察到利用贴片腐蚀法获得的腐蚀形貌中细菌的菌落所在的位置与蚀坑的位置的关系。从而可以推断出细菌菌落的代谢对蚀坑有重要的影响。图4为腐蚀24h的镁合金试样制作成电极后测得的极化曲线。图中SCM代表无菌腐蚀试样的极化曲线，SRB代表硫酸盐原菌腐蚀试样的极化曲线。极化曲线的测试结果表明，细菌腐蚀后的镁合金试样的腐蚀电位明显低于无菌镁合金腐蚀试样的电极电位。这说明细菌通过加速镁合金试样的点蚀，从而引发电极腐蚀电位的负移。极化曲线的结果同时还表明，有菌情况下的镁合金试样的腐蚀电流要明显大于无菌情况下的腐蚀电流。这主要是由硫酸还原菌的代谢引发了镁合金试样表面点蚀增加了试样表面的实际面积。另一方面，细菌的存在利用了镁合金腐蚀过程中所产生的氢作为能量来源。在体内氢化酶的催化作用下将氢原子转化为氢离子。细菌的这种阴极去极化作用加速了镁合金的阴极反应。从而加速了镁合金的腐蚀。由此，镁合金的微生物腐蚀试样比无菌试的腐蚀电流大就不难理解了。通过对AZ91镁合金微生物腐蚀的研究。我们可以得出这样的结论：贴片腐蚀法用于镁合金微生物腐蚀的研究，有利于细菌在镁合金表面的代谢及其它生命活动。一方面固体培养基能够为细菌的生长提供充足的营养，另一方面，有利于细菌在镁合金表面的原位生长，适宜进行微生物腐蚀的观察研究。因此说，贴片腐蚀法是一种实用的可行的镁合金的微生物腐蚀的研究方法。

实例二：

利用贴片腐蚀法，通过AZ31、AZ51、AZ71镁合金微生物腐蚀来研究β相的含量对Mg-Al-Zn系合金微生物腐蚀的影响。其中图5为AZ31镁合金在硫酸盐还原菌存在的情况下的24h的腐蚀形貌。从图5中可以看出，AZ31镁合金电极的表面已经受到严重的腐蚀，尤其是α相，腐蚀产物膜层已经开裂并形成较大的板块。从形貌可以得出，电极的表面已经形成了较厚的腐蚀产物膜层。同时在α相的表面还附着白色的物质，在白色的物质中可以清晰的看到细菌细胞的存在。白色的膜层即为细菌的代谢产物与镁合金电极的反应产物。图6为AZ51镁合金电极在硫酸盐还原菌存在的情况下的腐蚀形貌。从图6可以得出，AZ51镁合金电极也受到了较为严重的腐蚀，但腐蚀膜层所形成的板块的尺寸与AZ71相比要小得多，腐蚀产物膜层的表面为细菌的代谢产物所覆盖。在细菌的代谢产物中依然可以见到清晰的细菌细胞。但从AZ31与AZ51镁合金电极的对比来看，AZ31镁合金电极要远远比AZ51镁合金电极受到的腐蚀更为严重。图7为AZ71镁合金电极在硫酸盐还原菌存在的情况下的腐蚀形貌。从AZ71镁合金电极的腐蚀形貌来看，只有局部区域的α相受到的腐蚀较为严重。形成了板块状的腐蚀产物膜层。

通过图5、图6和图7的对比，总体来看，随着β相含量的增加，镁合金所受到的微生物腐蚀越来越轻。腐蚀产物膜层的厚度也有所下降。图8给出了，腐蚀24h以后AZ31、AZ51和AZ71镁合金电极的极化曲线。通过极化曲线的结果分析，随着β相的含量的增加，电极正移，腐蚀电流密度也不断下降。这与腐蚀形貌所反映的情况基本一致。

实例三：

图9及图10给出的是Ce改性的AZ91镁合金的微生物腐蚀的形貌显微图片。图为无菌时的Ce改性AZ91镁合金的24h的腐蚀形貌。图10为24h的Ce改性AZ91镁合金的微生物腐蚀形貌。从图10可以看出，细菌的分布及其分裂方式。通过图9及图10的对比，可以获得硫酸盐还原菌的存在及其代谢对的Ce改性AZ91镁合金的腐蚀过程的影响。

因此，通过以上实例可以看出，贴片腐蚀法对研究镁合金的微生物腐蚀而言，是一种行之有效的研究方法。

Claims

1.一种基于固体培养基的镁合金微生物腐蚀方法，其特征在于利用固体培养基作为镁合金的腐蚀媒介，通过细菌在镁合金表面的原位生长来观察细菌在镁合金腐蚀过程中的行为，具体工艺步骤是：

(2)固体培养基的配置及灭菌：培养基的配置：固体培养基的组成成分的最佳浓度为API推荐标准培养基的浓度的一半，固体培养基中琼脂含量为培养基质量的1％，利用1N的NaOH和HCl进行PH的调节，将PH值调节至7.20±0.2，培养基灭菌后待温度冷却到55-60℃之间加入抗坏血酸，在加入抗坏血酸之前，需对抗坏血酸灭菌，时间为15至20min；

(4)贴片腐蚀过程：

b、在洁净工作台内完成，选取最适宜的温度区间为20-40℃；

c、无菌培养器皿在恒温腐蚀前需要用已经过灭菌时间为10-20min的报纸包封闭，其目的为防止培养器皿染菌，然后再置入恒温培养箱恒温腐蚀；

2.根据权利要求1所述的基于固体培养基的镁合金微生物腐蚀方法，其特征在于所说的方体试样的具体尺寸以12mm×12mm×5mm为宜，将试样用于测试及形貌观察的平面用碳化硅砂纸逐级打磨至1200#，然后用0.5μm抛光膏将测试表面抛光，抛光后，利用乙醇清洗表面后，在洁净工作台内利用冷风吹干，打开紫外灯灭菌15至30分钟。

3.根据权利要求1所述的基于固体培养基的镁合金微生物腐蚀方法，其特征在于所说的培养基的组成成分和浓度为：无水硫酸钠0.25-0.5g/L；氯化铵0.5-1.0g/L；无水氯化钙0.05-0.1g/L；磷酸氢二钾0.25-0.5g/L；硫酸镁1.0-2.0g/L；乳酸钠1.75-3.5g/L；酵母粉0.5-1.0g/L.琼脂含量为质量分数1％。

4.根据权利要求3所述的基于固体培养基的镁合金微生物腐蚀方法，其特征在于将配置的培养基，调节pH值至7.20±0.2，并按质量分数1％加入琼脂粉后将培养基分装入500mL的三角瓶中，利用高压灭菌锅在120℃的温度下将培养基灭菌20分钟，将盛装培养基的三角瓶取出并放入洁净工作台内，待培养基冷却至55-60℃时按0.1g/L的比例加入抗坏血酸，抗坏血酸在加入前需要紫外灯下灭菌20分钟，将固体培养基溶液分装至直径为90mm的培养皿中，并冷却至室温。

5.根据权利要求4所述的基于固体培养基的镁合金微生物腐蚀方法，其特征在于以为了对比观察，将所说的培养皿取两组，对其中一组接种硫酸盐还原菌，并将接种过硫酸盐还原菌的培养皿放入恒温培养箱中37℃培养12小时，保证细菌处于最高的活性状态，然后将两组培养皿分别放入洁净工作台中，取已灭菌的镁合金试样，先将其一端贴于培养基上，保证镁合金试样的待腐蚀表面与培养基平面之间存在大约30-60°的角度，然后将另一端压下，力度以保证试样与培养基之间无气泡存在为宜，再次用食指轻轻压紧，然后盖好培养器皿的器皿盖，防止已灭菌的培养皿中的培养基染菌。

6.根据权利要求5所述的基于固体培养基的镁合金微生物腐蚀方法，其特征在于将已加入试样的培养皿放入恒温培养箱中在指定温度下腐蚀，一般为20-40℃为宜，按实验的设计要求取样，然后采用扫描电镜观察腐蚀形貌，采用XRD和XPS进行腐蚀产物的测定，取下的试样也可以做成电极，完成电化学测试。