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《中国科学院大学(中国科学院海洋研究所)》 2019年
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船体结构材料907钢在海水中微生物腐蚀行为及机理研究

陈菊娜  
【摘要】:军舰民船等在实海中执行防护任务开展运输作业,海水环境中种类繁多的微生物附着在其表面代谢增殖形成生物膜。多种微生物协同作用影响船体结构材料的腐蚀过程,导致材料腐蚀的加剧或抑制。研究多种微生物协同作用下船体结构材料的腐蚀过程,对于揭示腐蚀机理、提供腐蚀防护指导都有十分重要的理论和实际意义。本论文以船体结构材料907钢为研究对象,先后进行了实海挂片实验、实验室模拟实海实验、单种微生物以及好氧与厌氧微生物协同作用下的腐蚀实验。采用涂布分离培养法和宏基因组高通量测序技术分离、提纯、培养并鉴定腐蚀微生物,研究其微生物群落丰富度、多样性和组成结构信息。采用丝束电极技术和电化学阻抗方法研究腐蚀电化学行为,采用扫描电子显微镜、X-射线光电子能谱、X-射线衍射观察腐蚀形貌、分析腐蚀产物组成,采用激光共聚焦显微镜和荧光显微镜观察生物膜形成和分布,监测体系DO和pH等环境参数的变化。综合以上结果归纳腐蚀特点、解析腐蚀机制,主要的研究内容如下:(1)探讨了海域、腐蚀区带、暴露时间等因素对907钢的腐蚀影响。结果表明,同一海域相同腐蚀区带浸泡6个月试样腐蚀速率高于浸泡3个月试样;同一海域相同浸泡时间潮差区腐蚀速率大于全浸区;相同腐蚀区带相同浸泡时间三亚海域腐蚀速率大于青岛海域。907钢实海挂片腐蚀产物组成变化不大主要为Fe_3O_4、?-FeOOH、?-FeOOH等,另外CaCO_3混杂附着在腐蚀产物中并可不断积累。多种微生物实海共存,三亚海域分离得到可培养微生物种类高于青岛海域,SRB普遍存在于不同海域全浸区各实验时长907钢腐蚀产物中,受时空条件影响,微生物分离结果不同且分布随条件改变发生变化。(2)探讨了实海环境下907钢腐蚀产物层中微生物群落结构的多样性。结果发现,在青岛海域全浸区挂片3个月907钢的腐蚀速率约为0.23 mm/a,腐蚀产物主要为α-FeOOH、γ-FeOOH、γ-Fe_2O_3和Fe_3O_4,腐蚀形式为均匀腐蚀。腐蚀产物内层微生物群落的丰富度和多样性均高于外层样品。内外层腐蚀产物OTU数分别为1763和1691,共有OTU数为941。内外层SRB的OTU数目分别为908和798,其中共有OTU数目为438。内外层样品在属水平的共有群落主要为贪铜菌、鞘氨醇单胞菌、乳杆菌和苍白杆菌。内外层共有SRB在属水平菌群主要为脱硫弧菌、脱硫杆菌、色菌。(3)构建实海模拟体系,研究了微生物对907钢腐蚀行为的影响。微生物使得907钢的腐蚀速率略有降低,由约0.0727 mm·a~(-1)降低到约0.0615 mm·a~(-1)。微生物改变了腐蚀形貌与腐蚀产物组成,无菌体系针片状腐蚀产物尺寸逐渐增大并堆叠成簇覆盖样品表面,腐蚀产物为Fe_3O_4、FeCO_3和FeOOH;有菌体系微生物与代谢产物不均匀分散于样品表面形成生物膜,腐蚀产物为FeS和Fe_3O_4。微生物代谢类型、生物膜形成发展以及代谢产物性质综合影响腐蚀过程。微生物的好氧代谢抑制氧在阴极的去极化反应、降低反应速率。生物膜在实验初期形成阻碍电荷传递转移、实验后期破损导致腐蚀抑制作用弱化。微生物生命活动积累的有机酸使溶液pH降低,对腐蚀有促进作用。实验后期SRB的生长代谢亦能促进腐蚀。各因素综合影响,腐蚀抑制作用强于腐蚀促进作用。(4)揭示了脱硫弧菌对907钢腐蚀过程的影响与作用机制。研究发现,在无氧海水培养基条件下907钢的腐蚀速率与脱硫弧菌生长曲线变化趋势一致。脱硫弧菌代谢形成不均匀生物膜,去除腐蚀产物后局部出现孔蚀,FeS为主要的腐蚀产物。脱硫弧菌对907钢腐蚀机制的影响可能源于代谢产物H_2S阴极去极化作用对局部微观电化学性质的改变。无菌介质中,i_(max)数值持续减小腐蚀没有深入发展。活性阳极位点位置不固定导致大面积阳极区形成并发生均匀腐蚀。脱硫弧菌介质中,电化学活性位点生成后保持稳定最终形成大阴极小阳极的特征电流分布促进阴极去极化作用促进局部孔蚀的形成和发展。(5)构建脱硫弧菌和溶藻弧菌共同作用下的实验体系,研究两种微生物对907钢的腐蚀行为及腐蚀机理的共同影响。研究发现,海水条件脱硫弧菌和溶藻弧菌共同作用改变907钢的腐蚀速率、腐蚀类型、产物成分和腐蚀程度。无菌体系腐蚀速率约为0.2 mg·cm~(-2)·d~(-1),发生均匀腐蚀且程度较深,腐蚀产物主要为FeOOH、Fe_3O_4和FeCO_3。混合菌体系腐蚀速率约为0.07 mg·cm~(-2)·d~(-1),发生程度较轻的局部腐蚀且腐蚀产物中出现FeS。溶藻弧菌消耗海水中溶解氧代谢生成生物膜抑制腐蚀的深入发生并且创造脱硫弧菌生存所需的无氧微环境。脱硫弧菌的生命活动改变了生物膜的结构和形态,但其对腐蚀的促进作用未占主导地位。
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院海洋研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TG172.7

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