海洋具有丰富的自然资源和经济价值，并具有巨大的国防战略意义，国家正不断推进 海洋资源的开发利用。X65 钢由于具有耐腐蚀性好、强度高、抗断裂韧性优良、价格实惠等 优点，被广泛应用在石油、天然气运输中[1]。但海洋环境复杂恶劣，海洋构筑物面临着严重 的腐蚀问题，微生物腐蚀是其中最普遍、最复杂的类型。据统计，微生物腐蚀约占金属腐蚀 的 20%[2]，且极易造成金属材料穿孔，因此带来巨大的安全风险。

在众多腐蚀微生物中，铁氧化菌（IOB）是腐蚀最严重的微生物之一。在海洋环境中，它 们会迅速附着在材料表面[3,4]，短时间内会抑制其他微生物的附着。同时，IOB  形成的生物 膜会促进厌氧环境的形成，从而促进其他厌氧菌的生长[5-7]。它们可以从亚铁离子氧化成铁 离子的过程中获得能量来维持生命活动[8]，氧化速率远高于非生物氧化[9,10]。这会导致氢氧 化铁的沉积，不均匀的覆盖在材料表面，形成氧浓差电池，促进点蚀[11-14]。目前，研究表明， IOB 的存在可以加速金属溶解和局部腐蚀[15-18]。

阴极保护是海洋构筑物广泛采用的腐蚀控制措施，它不仅可以抑制腐蚀的发生，对微生 物本身也具有一定的抑制作用。但对于微生物存在下的阴极保护电位选择仍存在争议[19]。在实际工况条件下，由于外界环境的不断变化，阴极保护电位也往往会发生偏移，难以保持 稳定。在之前的研究中我们发现[23]，较负的极化电位具有更好的保护作用。那么，在较正 的电位下发生 IOB 腐蚀后，较负的电位能否起到修复作用；在较负的电位下保护良好的状 况下，在较正的电位下还能否保持一定的抗腐蚀能力？这些问题对研究阴极保护的抑菌机 理、制定适合的阴极保护规范具有重要的理论价值和应用价值。

1.  实验方法

本文所用试样为 X65 管线钢，化学成分 （质量分数，%）为：C 0.03, Si 0.17, Mn 1.51, P 0.02, Ni 0.17, Cu 0.04, Mo 0.16, Nb 0.06, Al 0.02, Ti 0.01, Fe 余量。将 10 mm×10 mm×3 mm 尺寸的 试样用铜导线焊接，再用环氧树脂密封，只保留 10 mm×10 mm 工作面。依次用 400 #、800#、1000 #、2000 #的 SiC 砂纸对试样的每个工作面进行打磨，再用无水乙醇清洗，干燥。使 用前在紫外灯下照射试样 30 min 灭菌。

所用培 养基 用青岛 小麦 岛附近 天然 陈化海 水配 置，成 分（ g/L ）为：K2HPO4  0.5, MgSO4·7H2O 0.5, NaNO3 0.5, （NH4）2SO4 0.5, CaCl2 0.2,柠檬酸铁铵 10。全培养基用于 IOB 培 养与计数，细菌计数采用最大可能数法（MPN）。

为减小培养基成分对腐蚀的影响，用陈化海水将培养基稀释 20 倍，得到实验用腐蚀介质。培养基与腐蚀介质均用 2  mol/L 的 NaOH 调节 pH 至 8.1±0.1，并用高压蒸汽灭菌锅高 温 121 ℃下灭菌 20 min。实验前，向灭菌后的培养基中接种铁氧化菌，在恒温培养箱（30 ℃） 中培养 5 d，按 1:100 体积比接种到腐蚀体系中进行实验，实验温度用恒温水浴锅控制在 25 ±1 ℃。

在海洋环境中，碳钢的阴极保护电位一般在-800~-1050  mV vs.  Ag/AgCl/海水电极范围内[24]（即-806~-1056  mVvs. SCE），当有微生物存在时，保护电位往往需要适当负移。但保护电位负于-1050 mV 时会大大增加析氢的风险，所以本文选择较正的-850 mV vs. SCE 与阴极保护极限电 位-1050 mV 组合。最终选用 X65 钢在有菌体系的开路电位（由于腐蚀产物层的形成，开路电 位正移，稳定后约-710 mV vs. SCE 下同）、-850 mV 转-1050 mV、-1050 mV 转-850 mV，在第 3 d，IOB 生长阶段进入稳定期[15]时进行转换。

电化学测试采用经典的三电极体系，工作电极为 X65 钢，辅助电极为钛基底贵金属氧 化物电极，参比电极为饱和甘汞电极（SCE）。采用 Gamry Reference 600 工作站进行相关电化 学测试。在测试前 1 h 断开极化电位，等待体系开路电位（OCP）稳定后进行测试。电化学阻 抗谱（EIS）测试参数：在开路电位下施加电压扰动信号幅值 10 mV，扫描频率范围为 105 -10-2Hz。

浸泡 7 d 后，从腐蚀体系中取出试样，用 5 mL 注射器吸取灭菌冷却后的磷酸盐 pH 缓 冲溶液，轻轻冲洗表面 3 次以除去剩余的培养基和浮游细菌，放入 5 %戊二醛固定液中固定2 h，依次用 10 %、30 %、50 %、70 %、90 %、95 %无水乙醇脱水 10 min，再放入 100 %无 水乙醇中脱水 20 min，用于扫描电子显微镜（SEM, ZEISS-Gemini 300）观察。

用蒸馏水清洗干净待测试样表面，用无水乙醇浸泡 3 分钟以出去表面残余的水，干燥后 用于表面拉曼测试（Thermo Fisher Scientific- DXR Microscope）。

用蒸馏水冲洗掉表面残留溶液，然后用除锈液（20 g 六次甲基四胺溶于 1 L 1:1（V/V）的盐 酸中）浸泡 3 min，取出后再用蒸馏水冲洗干净，放入无水乙醇中浸泡 5 min 后干燥，用于激 光共聚焦显微镜（Keyence- VK-X200）观察。

2.  结果与讨论

2.1 IOB 生长情况

IOB 在 pH 为 8.1 的海水中生长曲线如图 1 所示。看出，1-2  d 时 IOB 迅速生长，为对 数生长期，之后进入稳定期，数量较为稳定。6 d 后由于营养物质消耗，数量有所减少。

图 1  铁氧化菌的生长曲线

图 2 为 3 d 时不同电位条件下溶液中 IOB 数量。可以看到，随着初始电位的负移，IOB数量有所减少。-850 转-1050 mV 极化下 IOB 数量相差不大，说明-850 mV 极化对 IOB 的抑 制效果较弱，IOB 仍能在电极表面附着并形成生物膜。而-1050 mV 转-850 mV 极化明显抑制了 IOB 的数量。

图 2  不同阴极电位下 3 d 时溶液中 IOB 数量

2.2  表面形貌与成分分析

图 3 为开路电位和-850 mV 转-1050 mV、-1050 mV 转-850 mV 两种组合极化电位下， X65 钢浸泡 7 d 时的表面形貌图。可以看到，3 种条件下腐蚀产物都未完全覆盖试样表面。在开路电位条件下，试样表面十分杂乱，附着有细菌和大量疏松的腐蚀产物。-850 mV 转-1050 mV 条件下，腐蚀产物虽然有所减少，但仍能观察到较明显的点蚀痕迹。-1050 mV 转-850 mV 条件下，试样表面附着的腐蚀产物较少且致密，没有发现明显的杆状细菌。这可能是由于-850 mV 极化对 IOB 的抑制较小，前 3d 时 IOB 在试样表面附着并形成生物膜。后 4d 施加的-1050 mV 极化不能完全去除已形成的生物膜，同时，大量的腐蚀产物造成电极表面电位分布不均， 更减弱了阴极极化的抑菌效果。先施加-1050 mV 极化时，不仅抑制了 IOB 的附着，还大量杀死了处于对数生长期的细菌，抑制了体系中 IOB 数量的增长，大大减轻了 IOB 造成的腐蚀；再施加-850 mV 极化，由于体系中 IOB 数量较少，对腐蚀的促进不明显。

图 3  不同组合电位下浸泡 7 d 后 X65 钢表面形貌图

去除腐蚀产物后，利用激光共聚焦显微镜观察试样基底，如图 4 所示。可以看到，3 种 条件下，试样表面都出现了明显的蚀坑。阴极极化的施加使蚀坑深度明显减少。-1050 mV 转-850 mV 条件下，试样基底表面较为光滑，还能看到打磨的痕迹，坑深也显著低于-850 mV 转-1050 mV。说明两组组合电位极化对 IOB 腐蚀都有一定抑制作用，而-1050 mV 转-850 mV 极化保护效果优于-850 mV 转-1050 mV，与 SEM 观察结果相符。

图 4  不同阴极电位下极化 7 d 后去除试样表面腐蚀产物后基底形貌

利用激光共聚焦显微镜对图 4 中试样表面进行测量，随机选取 4 个区域测量后计算平均 值，数据列于表 1 中。Npit 为每平方毫米蚀坑个数，davg 为蚀坑平均深度，dmax 为蚀坑最大深 度，Davg 为蚀坑等效平均直径。可以看到，两种极化条件下，试样表面蚀坑数量、平均深度、 最大深度、等效直径均小于开路电位条件下的。而在两种组合极化条件下，虽然平均蚀坑深 度相近，但-850 mV 转-1050 mV 极化组合电位条件下的蚀坑数、最大坑深、平均蚀坑直径 都要高于-1050 转 -850 mV 极化组合电位条件下的。

表 1 X65 钢在不同阴极电位下极化 7 d 后去除腐蚀产物的激光共聚焦显微镜测量数据

对 X65 钢在不同条件下浸泡 7 d 后的腐蚀产物进行拉曼测试，结果如图 5。从分析结果可以看出，3 种条件下腐蚀产物种类基本相同，主要由 FeOOH、Fe2O3、Fe3O4 组成，只是 含量有差别。Refait 等[26]研究了阴极保护下碳钢在海水中的腐蚀产物，也发现极化条件下的 腐蚀产物与开路电位条件下的腐蚀产物种类基本相同。相比开路电位，极化条件下的电极表面 pH 上升导致 CaCO3 和 Mg（OH）2 形成较快，在约 1100 和 420 cm-1 出现一个较弱的峰。

图 5  不同阴极电位下极化 7 d 后 X65 钢表面拉曼谱图

2.3  电化学特征

图 6 不同阴极电位下极化不同后 X65 钢的电化学阻抗图

在测试前 1 h 断开极化，待体系开路电位稳定后对试样进行交流阻抗测试，连续测试 7 d， 测试结果绘于图 5 中。从图 6a 中可以看出，1-2 d 时容抗弧半径逐渐增大，3 d 之后保持相 对稳定并不断波动。从图 6b 可以看到，-850 转-1050 mV 组合电位极化下，1-3 d 时 X65 钢 容抗弧随浸泡时间延长而增大，第 4 d 时突然下降后保持稳定；而-1050  转-850 mV 组合电 位极化下，容抗弧在 1-3 d 逐渐减小，4-6 d 逐渐上升，第 7 d 时又再次下降。

由于 IOB 的存在，试样表面有生物膜、腐蚀产物膜形成，本文选用图 7 的等效电路对 阻抗数据进行拟合，Rf 与 Cf 随时间变化绘与图 8 中。其中，Rs 为溶液电阻，Qdl 为双电层电容，Rct 为电荷转移电阻，Qf 为常相位角元件，Cf 为膜电容，n 为弥散系 数，Rf 为膜电阻。

图 7  电化学阻抗谱拟合等效电路图

图 8  电化学阻抗谱拟合参数随时间变化曲线

如图 8a 所示，OCP 条件下，IOB 可以在电极表面附着形成具有保护作用的生物膜[15]， Rf 不断增大。-850 转-1050 mV 组合电位极化下，因为-850 mV 极化抑制效果较弱，IOB 仍 能在电极表面附着，Rf 迅速上升；3 d 后，-1050 mV 极化的施加破坏了电极表面部分已形成 的生物膜，Rf 显著下降；之后由于极化导致的 pH 上升，逐渐形成钙镁沉积层，Rf 缓慢上升。而在-1050 mV 转-850 组合电位极化下，由于 IOB 附着被抑制，Rf 较小且变化不大；4 d 时 由于极化电位变正，IOB 迅速附着生长，Rf 逐渐增大；7 d 时由于生物膜局部脱落，Rf 减小。

在图 8b 和 c 中，开路电位下，由于 IOB 在电极表面附着，生物膜面积不断增大，n 和 Cf 不断增大。在-850 转-1050 mV 极化下，3 d 后由于电位变负，电极表面生物膜被部分破坏， 膜层变薄且不完整，Cf 迅速增大，n 减小。而在-1050 转-850 mV 极化下，3-5 d 时由于电位 变正，IOB 受到的抑制减弱，生物膜逐渐变厚，Cf 逐渐减小。但电化学测试结果不能表征试 样的点蚀。

结合试样表面形貌和成分分析结果，在开路电位下，试样表面有细菌附着，腐蚀严重且 有明显的坑蚀，产物成分主要为 FeOOH、Fe2O3、Fe3O4，为粘附腐蚀产物的生物膜，生物 膜的存在使 Rf 较大，但保护作用较弱。在极化条件下，特别是-1050 转-850 mV 极化下，试 样表面细菌数量明显减少，产物膜中 α-FeOOH 明显含量下降，并有少量 CaCO3 和 Mg（OH）2生成，说明生物膜的生长受到抑制，钙镁沉积层逐渐形成，由于钙镁沉积层未完全覆盖表面 导致 Rf 小于开路电位条件下，但保护效果较好，抑制了点蚀的发生。

不同阴极电位下电极表面状态如图 9 所示。在开路电位下，IOB 迅速在电极表面附着成膜，诱发点蚀[28]。在-850 mV 转-1050 mV 极化下，如图 9b，-850 mV 极化对 IOB 抑制效果 较弱，生成的少量钙质沉积层也不能起到良好的保护作用，电极表面有点蚀发生。当电位负 移后，-1050 mV 部分破坏了已形成的生物膜，但并未完全去除，仍附着的 IOB 继续促进点 蚀的发生[29],[30]。而在图 9c 中，先施加的-1050 mV 极化较好的抑制了 IOB 的生长与附着， 电极表面只有少量 IOB 附着，生成的钙镁沉积层有具有一定的保护作用。当电位正移后， 溶液中的 IOB 数量较少，同时，已形成的钙镁沉积层阻碍了 IOB 与试样直接接触，所以试样腐蚀较轻。

图 9 不同阴极电位下 X65 钢表面状态图

3.  结论

（1）  两种组合电位阴极极化都对 IOB 腐蚀有抑制作用，X65 钢表面仍有点蚀发生。

（2）  极化与开路电位条件下 X65 钢试样表面腐蚀产物种类基本相同，但极化条件下试 样表面有 CaCO3 和 Mg（OH）2 生成。

（3）  -1050 mV 转-850 mV 极化组合电位的保护效果要优于-850 mV 转-1050 mV 极化， 这可能是由于前期施加-1050  mV 极化可以有效抑制 IOB 的附着与生长，从而抑制了IOB 腐蚀的发生。但后期施加的-1050 mV 极化不能完全去除已形成的生物膜，不均匀 的生物膜导致电极界面电位分布不均，IOB 仍能在电极表面电位较正处生长，从而促 进腐蚀。

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