磁场作用下硫酸盐还原菌腐蚀抑制及生物膜破坏机理研究

微生物腐蚀是材料服役失效的主要因素，也是工业领域的共性问题。生物催化及腐蚀产物膜的离子选择透过性改变了金属基材的腐蚀机理和速率，是基体材料腐蚀破坏中的关键因子，目前尚无解决该问题的有效手段。根据生物膜中蛋白质和酶的活性中心Fe、Co、Mn及腐蚀产物FeSx等，在磁场中会产生磁化效应这一特性，本课题提出以硫酸盐还原菌(SRB)生物膜及代谢产物硫化物为研究对象，研究恒定磁场中304不锈钢、黄铜表面生物膜内SRB生长特性、膜内胞外聚合物表面能、流变特性及催化活性的变化规律，以及腐蚀产物硫化物的离子选择性特征及迁移和扩散过程；揭示磁场-电化学交互作用下腐蚀电化学反应和传质过程的动力学机理；阐明磁场对生物膜的生长和催化活性作用过程和机制；探索利用磁技术抑制微生物腐蚀的途径。为磁技术在微生物腐蚀控制中的应用奠定理论基础，从而推动腐蚀科学中无污染生物污损防治新技术的发展。

微生物腐蚀是工业领域的共性问题，属于工程领域安全风险的主要来源之一，也是材料服役失效领域的研究热点。由于生物膜内生物酶的催化促进腐蚀电化学过程，而酶通常都带有金属离子中心如Fe,Co,Ni等，在静磁场条件的作用下会发生磁化现象，从而影响微生物的生长繁殖，因此本项目研究了不同磁场强度下，碳钢、不锈钢和黄铜等微生物腐蚀规律，为微生物腐蚀抑制提供理论指导。取得的主要研究结果如下：鉴定了5家油气田的SRB菌种，南方沿海SRB是属于脱硫脱硫弧菌，北方区附近 SRB属于脱硫肠状菌属。低频磁场（小于20mT）抑制两类浮游SRB的分裂，却延缓其衰亡，经过磁化诱导变异后的SRB菌，更适合在磁场条件下生存。低强度磁场的存在直接影响SRB在基体材料表面吸附行为，直接影响了生物膜/材料表面的电子传输机制，使得腐蚀电化学过程中电子传输受阻，从而降低了腐蚀程度，高强度磁场对SRB作用不明显，且随着磁场强度增高促进腐蚀电化学过程。对于不锈钢材料，低强度磁场抑制点蚀孔的形成，减缓腐蚀，高强度磁场促进钝化膜的破裂，腐蚀加剧。对于Cu-Zn合金，SRB条件下，磁场的加入可以有效地减缓铜合金的腐蚀，静磁场条件下所形成的致密的硫化亚铜腐蚀产物层阻碍腐蚀的发生，有效地减小了铜合金的腐蚀。 通过小波变换对电化学噪声数据进行统计分析，能实现对微生物腐蚀过程进行分类，还能定量分析腐蚀的强度，从而实现对微生物腐蚀过程的跟踪研究。无磁场条件下，不锈钢在SRB菌液中先发生活性溶解，随后发生亚稳态点蚀；随后转变为稳态腐蚀，在生物膜衰亡期，304SS腐蚀受到抑制。在低强度磁场下有轻度点蚀，中高强加速了304SS的腐蚀。另一方面，与不易磁化不锈钢有所不同，易磁化碳钢在磁场中会被磁化，产生了磁场自增强效应，强化磁场对腐蚀的促进作用，磁场促进了碳钢SRB腐蚀。 高强度磁场下，生物体中的蛋白质发生定向排布，这些有序排列的EPS为腐蚀性离子的扩散提供了通道，促进了电极表面物质的迁移，加速了腐蚀。此外，静磁场的存在可以减缓结垢倾向及垢下点蚀的发生，且能够与缓蚀剂具有协同作用，提高缓蚀效果。由于产出水中存在少量的溶解氧，导致铁氧化细菌生长繁殖，铁氧化细菌的存在存进钢铁材料局部腐蚀。本项目已完成项目计划书的规定的内容，达到预期完成目标。申请发明专利5项，已经授权3项。发表英文论文10篇，其中SCI收录论文7篇。中文权威期刊论文12篇。