大肠埃希氏菌和荧光假单胞菌对碳钢的协同腐蚀机制研究

论文摘要

微生物腐蚀往往是多种微生物相互作用的结果。微生物之间的相互作用会导致微生物种类的优势更替和生物膜特性的改变,进而对金属腐蚀的影响与单种微生物不同。本研究以再生水为补充水的工业循环冷却水系统的微生物腐蚀为研究背景,选择研究环境中常见的两种微生物—大肠埃希氏菌（Escherichia coli,E.coli）和荧光假单胞菌（Pseudomonas fluorescens,P.fluorescens）作为研究对象。采用试验测试和理论研究的方法,分析了两种微生物共同存在时碳钢表面生物膜的形成和组成成分变化,腐蚀电化学差异和铁释放后的转化影响,提出了两种微生物共同存在对碳钢腐蚀的影响机制。7d时E.coli-P.fluorescens生物膜在碳钢表面初步形成,厚度在35μm左右。14d时增厚达到55μm。E.coli-P.fluorescens生物膜中P.fluorescens的数量3d后占据优势,5d后两种细菌附着的数量稳定,14d时E.coli-P.fluorescens生物膜中多糖含量多达165.09μg/cm2,使细菌利于附着。E.coli-P.fluorescens生物膜具备P.fluorescens生物膜较厚且粘性较大和E.coli生物膜致密性较差且物质易传递的双重特性,使得两种细菌协同生成的生物膜在一定深度下微生物数量和胞外聚合物含量相对均衡并保持均匀稳定。E.coli和P.fluorescens在最初（24h）接触时,开路电位变化小且未形成稳定的腐蚀层。在腐蚀初期（14d）时,开路电位正移并稳定,3d后形成稳定的生物膜层,碳钢阴极反应明显被抑制,11d后E.coli-P.fluorescens工况的阴极斜率最大,更有效地抑制了碳钢阴极反应发生。E.coli-P.fluorescens工况的膜电阻明显高于单种细菌工况,两种细菌协同形成的生物膜抑制腐蚀效果更好,其中P.fluorescens有助于膜电阻增加,E.coli相反。细菌先后投加与同时投加相比平均膜电阻分别降低了181.1Ω·cm2,161.66Ω·cm2,先后投加细菌使其协同作用明显被削弱。3d时E.coli-P.fluorescens工况的平均腐蚀速率高于空白工况,促进腐蚀,3d后抑制碳钢腐蚀。P.fluorescens工况出现的Fe2O3、Fe3O4峰个数多且14d时拟合占比分别为44.67%、32.90%,E.coli工况的Fe2O3、Fe3O4峰较少且14d时FeOOH的拟合占比为36.79%。与空白工况相比,E.coli可促进α-FeOOH、γ-FeOOH等初期腐蚀产物生成,P.fluorescens促进初期腐蚀产物向Fe2O3、Fe3O4等稳定腐蚀产物转化。E.coli和P.fluorescens对碳钢的协同腐蚀机制:1-3d中两种细菌开始附着,微生物数量增加并促进腐蚀发生;3-7d中两种细菌的生物膜初步形成且多糖的含量也基本稳定,E.coli生物膜存在较薄在局部阻隔营养物质较差,使较厚和粘性较大的P.fluorescens生物膜更稳定的附着在碳钢表面,碳钢腐蚀被抑制;7-14d中E.coli-P.fluorescens生物膜稳定增厚达到55μm。E.coli促进多孔的α-FeOOH、γ-FeOOH等初期腐蚀产物生成,P.fluorescens促进致密的Fe2O3、Fe3O4生成,两种细菌协同使其腐蚀产物层更稳定并与生物膜黏连使碳钢腐蚀被抑制。

论文目录

摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究进展

1.2.1 金属材料的微生物腐蚀

1.2.2 混合微生物体系腐蚀研究

1.2.3 E.coli和 P.fluorescens及其腐蚀特性研究

1.3 课题来源及意义

1.3.1 课题来源

1.3.2 课题意义

1.4 研究内容

1.4.1 主要研究内容

1.4.2 研究路线

第2章试验材料与方法

2.1 试验菌种和碳钢试片

2.1.1 菌种及培养

2.1.2 碳钢试样

2.1.3 试验配水

2.2 试验方案

2.2.1 试片浸泡试验（生物膜测试）

2.2.2 电化学测试

2.2.3 试片浸泡试验（铁释放试验）

2.3 试验测试方法

2.3.1 生物膜的微观形貌观察

2.3.2 生物膜三维层扫测试

2.3.3 微生物数量测定

2.3.4 EPS含量测定

2.3.5 红外光谱测试

2.3.6 电化学测试方法

2.3.7 平均腐蚀速率计算

2.3.8 XRD测试

2.3.9 XPS测试

2.3.10 水中铁离子测定

2.3.11 水中氧化还原电位和pH值的测试

第3章 E.coli-P.fluorescens生物膜在碳钢表面的发育观察及组成成分转化研究

3.1 E.coli-P.fluorescens及单菌种生物膜形貌观察

3.2 E.coli-P.fluorescens及单菌种生物膜三维结构观察及分析

3.3 E.coli-P.fluorescens及单菌种生物膜中微生物量变化规律

3.3.1 水中细菌数量变化规律

3.3.2 生物膜中细菌数量变化规律

3.4 E.coli-P.fluorescens及单菌种生物膜EPS组成成分的变化规律

3.4.1 生物膜中多糖的变化规律

3.4.2 生物膜中蛋白质的变化规律

3.4.3 多糖/蛋白质比值的变化规律

3.5 E.coli-P.fluorescens生物膜中含有基团分析

3.6 E.coli-P.fluorescens生物膜在碳钢表面的形成过程

3.7 本章小结

第4章 E.coli-P.fluorescens共同存在下碳钢的电化学腐蚀特征研究

4.1 碳钢电极24h的电化学腐蚀行为

4.1.1 开路电位

4.1.2 极化曲线

4.1.3 交流阻抗

4.2 碳钢电极14d的电化学腐蚀行为

4.2.1 开路电位

4.2.2 极化曲线

4.2.3 交流阻抗

4.3 细菌先后投加24h的电化学腐蚀行为

4.3.1 开路电位

4.3.2 极化曲线

4.3.3 交流阻抗

4.4 细菌先后投加12d的电化学腐蚀行为

4.4.1 开路电位

4.4.2 极化曲线

4.4.3 交流阻抗

4.5 E.coli-P.fluorescens共同存在下腐蚀电化学过程研究

4.6 本章小结

第5章 E.coli-P.fluorescens共同存在下碳钢的腐蚀产物转化研究

5.1 碳钢14d表面腐蚀形貌及成分分析

5.1.1 碳钢表面14d腐蚀宏观形貌观察

5.1.2 碳钢表面14d腐蚀微观形貌观察及元素分析

5.2 碳钢14d腐蚀速率分析

5.3 腐蚀产物的组成和成分转化研究

5.3.1 不同工况下腐蚀产物XRD分析研究

5.3.2 不同工况下腐蚀产物XPS分析研究

5.4 水中铁释放的变化规律研究

5.5 Fe-H2O体系电位-pH图在腐蚀控制中的应用

5.6 E.coli-P.fluorescens对碳钢的协同腐蚀机制研究

5.7 本章小结

第6章结论与展望

6.1 主要结论

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的主要学术成果

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 任恒阳

导师: 许萍

关键词: 大肠埃希氏菌,荧光假单胞菌,碳钢,协同,生物膜,微生物腐蚀

来源: 北京建筑大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 生物学,环境科学与资源利用,环境科学与资源利用

单位: 北京建筑大学

基金: 国家自然科学基金项目“循环冷却水管网微生物协同腐蚀机制及控制方法研究”,批准号为 51578035

分类号: X703;X172

总页数: 98

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大肠埃希氏菌和荧光假单胞菌对碳钢的协同腐蚀机制研究

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