硫酸盐还原菌生物膜电活性及腐蚀机理研究

论文摘要

硫酸盐还原菌（SRB）是造成海洋环境中金属构筑物的微生物腐蚀的重要细菌,随着人们对海洋的开发和利用,SRB的腐蚀机理研究正引起人们的重视。本文采用电化学手段研究了厌氧环境中SRB的电活性,探讨了SRB在不同电位下与石墨电极间的电子传递过程,在此基础上进一步研究了碳钢对SRB代谢行为的影响。研究了碳钢与电活性SRB生物膜间的电子传递过程及其对碳钢厌氧腐蚀行为的影响。本论文首先研究了SRB生物膜在石墨电极表面的电化学活性。扫描电镜观察发现,在接种SRB的培养基中,SRB在石墨电极表面附着并形成了生物膜。生物膜的形成改变了石墨电极的开路电位及电化学阻抗谱（EIS）特征。通过循环伏安法研究发现,SRB生物膜在石墨电极表面能够催化H+还原和H2的氧化。并降低了该反应所需要的活化能。采用计时电流法研究发现,在不同的电位下SRB能够与石墨电极间进行电子传递,并且该电子传递过程与SRB催化H+还原和H2氧化的能力有关。SRB生物膜能够与石墨电极进行直接的电子传递。上述SRB生物膜电活性的研究发现,SRB生物膜能够从外加电位较负的石墨电极中获得电子,由于该外加电位值与碳钢在海水环境中的自腐蚀电位类似,我们进一步研究了碳钢对SRB代谢行为的影响。研究发现：碳钢的存在能够维持更多的SRB细菌生长,加速SRB代谢有机碳源和硫酸盐的速度,且在有机电子供体相同的环境中还原硫酸盐的量大。因此碳钢可以作为电子供体维持SRB的生长。通过电化学手段研究SRB生物膜对碳钢的腐蚀行为发现：在SRB的对数生长期,碳钢的自腐蚀电位快速正移且腐蚀加速。SRB的代谢产物加入初期能够导致碳钢的自腐蚀电位迅速负移且加速腐蚀,但随着腐蚀电位的正移腐蚀速度降低。SRB生物膜在加速碳钢的腐蚀速度方面起主要作用。计时电流法研究发现,SRB生物膜能够从碳钢中直接获得电子催化氢气生成。SRB能够直接从碳钢中获得电子导致碳钢自腐蚀电位的正移和腐蚀加速。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 微生物腐蚀定义、研究意义及方法
• 1.1.1 微生物腐蚀定义
• 1.1.2 微生物腐蚀研究意义
• 1.1.3 微生物腐蚀研究方法
• 1.2 微生物腐蚀研究进展
• 1.2.1 好氧微生物腐蚀
• 1.2.2 SRB引起的厌氧腐蚀
• 1.3 电活性微生物膜
• 1.3.1 电活性微生物膜定义
• 1.3.2 电活性微生物膜的电子传递机理
• 1.4 论文研究背景和主要内容
• 1.4.1 研究背景
• 1.4.2 主要研究内容
• 第二章 石墨电极表面硫酸盐还原菌电活性研究
• 2.1 引言
• 2.2 材料与方法
• 2.2.1 菌种及培养
• 2.2.2 电极材料
• 2.2.3 SEM及荧光显微镜观察
• 2.2.4 电化学测量
• 2.3 实验结果与讨论
• 2.3.1 SRB生物膜的形成与发展
• 2.3.2 石墨电极/SRB生物膜界面的伏安特征研究
• 2.3.3 石墨电极/SRB生物膜界面的交流阻抗特征研究
• 2.3.4 SRB生物膜对PGE开路电位的影响研究
• 2.4 本章小结
• 第三章 低碳钢对SRB代谢行为影响研究
• 3.1 引言
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 菌种及培养基
• 3.2.2 试验材料
• 3.2.3 环境因子测量
• 3.2.4 SRB电活性检测
• 3.3 实验结果与讨论
• 3.3.1 碳钢对SRB生长曲线的影响
• 3.3.2 碳钢对SRB代谢速度的影响
• 3.3.3 碳钢影响SRB生长和代谢的可能机理
• 3.3.4 有铁无铁情况下SRB电活性变化
• 3.4 本章小结
• 第四章 电活性SRB生物膜对低碳钢腐蚀行为影响研究
• 4.1 引言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 试验材料
• 4.2.2 菌种和培养基
• 4.2.3 表面分析
• 4.2.4 电化学实验
• 4.3 实验结果与讨论
• 4.3.1 SRB生物膜对Q235碳钢腐蚀电位的影响
• 4.3.2 SRB生物膜对Q235碳钢EIS影响
• 4.3.3 SRB代谢产物对Q235碳钢腐蚀电位的影响
• 4.3.4 SRB代谢产物对Q235碳钢EIS的影响
• 4.3.5 SRB生物膜与碳钢间电子传递过程研究
• 4.3.6 腐蚀形貌和腐蚀产物分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 总结论
• 5.1 主要结论
• 5.2 本论文创新点
• 5.3 有待进一步开展的工作
• 参考文献
• 博士期间发表文章
• 致谢