載人航天器下行細(xì)菌對LY12鋁合金腐蝕行為的影響

陳景威，隨 欣，張乃夫，高龍成，吳志強，秦利鋒，謝 瓊，劉長庭，楊 宇，楊 軍?

（1.仿生智能界面科學(xué)與技術(shù)教育部重點實驗室，北京航空航天大學(xué)化學(xué)學(xué)院，北京100191；2.中國航天員科研訓(xùn)練中心人因工程國家重點實驗室，北京100094；3.中國人民解放軍總醫(yī)院南樓呼吸科，北京100853）

載人航天器下行細(xì)菌對LY12鋁合金腐蝕行為的影響

陳景威1，隨 欣1，張乃夫1，高龍成1，吳志強2，秦利鋒2，謝 瓊2，劉長庭3，楊 宇1，楊 軍1?

（1.仿生智能界面科學(xué)與技術(shù)教育部重點實驗室，北京航空航天大學(xué)化學(xué)學(xué)院，北京100191；2.中國航天員科研訓(xùn)練中心人因工程國家重點實驗室，北京100094；3.中國人民解放軍總醫(yī)院南樓呼吸科，北京100853）

針對載人航天器艙中材料的微生物腐蝕問題，采用腐蝕失重法、溶解性元素濃度分析、形貌觀察和電化學(xué)測試等，評估了載人航天器神舟九號和神舟十號艙內(nèi)的三株下行細(xì)菌對LY12鋁合金腐蝕行為的影響。與無菌對照比，LY12鋁合金在接種菌H1、H3和菌S10?1體系中的腐蝕速率分別增加了9.09%、2.26%和22.71%，溶解性鋁濃度分別增加了44.74%、31.58%和30.53%。掃描電鏡顯示LY12鋁合金表面形成了一層生物膜和腐蝕產(chǎn)物，清洗后表面腐蝕程度更加明顯。電化學(xué)分析表明：細(xì)菌能改變鋁合金表面的電化學(xué)性質(zhì)進(jìn)而加速腐蝕過程。

微生物腐蝕；載人航天器；細(xì)菌；LY12鋁合金；腐蝕行為

1 引言

將由于微生物生命活動引起或促進(jìn)的材料腐蝕現(xiàn)象統(tǒng)稱為微生物腐蝕（MIC，Microbiologically Influenced Corrosion）［1］。地面研究發(fā)現(xiàn)，單一或混合菌能粘附在材料表面形成微生物膜，可使不銹鋼、碳鋼、銅、鋁及其合金、混凝土、高分子材料等遭受嚴(yán)重的腐蝕［1］。

在載人航天器艙室中，盡管航天服、裝船產(chǎn)品等在進(jìn)艙前都要經(jīng)過嚴(yán)格地消毒，微生物仍會隨航天員的身體、人體分泌物或航天部件等進(jìn)入［2?5］。載人航天器密閉環(huán)境不僅能為微生物的大量生長提供適宜的條件，而且空間環(huán)境還具有一些特殊環(huán)境因素，如微重力、高真空、極度溫差、弱磁場和粒子輻射等，這些特殊環(huán)境因素可能導(dǎo)致微生物產(chǎn)生變異，降低它們對生存環(huán)境的要求，進(jìn)而使其更加容易生長和繁殖［6］。美國和俄羅斯等已對和平號空間站和國際空間站開展了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)微生物污染非常嚴(yán)重［2?5］。采樣過程中，發(fā)現(xiàn)微生物對密閉艙中的管道、儀表盒、循環(huán)水儀、熱控器、空調(diào)、氧氣電解器、電絕緣套、開關(guān)連接器和取景窗等產(chǎn)生了明顯可見的腐蝕現(xiàn)象［2?5］。微生物對材料的腐蝕會引起設(shè)備故障，嚴(yán)重影響載人航天器的安全和壽命［7］。

針對載人航天器艙室中材料的微生物腐蝕問題，美國國家航空航天局（NASA）和俄羅斯宇航局采用從和平號空間站和國際空間站分離獲得的微生物菌株開展了近二十年的航天材料微生物腐蝕機(jī)理與評價的研究，并建立起較為完善的微生物腐蝕評價方法［8?13］。同時規(guī)定在飛行任務(wù)中使用的材料應(yīng)評估其微生物腐蝕安全性后才能被采用［8?13］。當(dāng)前，我國在該領(lǐng)域的研究尚處于初級階段，只是利用飛船搭載的微生物對幾種常見的航天器材開展了初步的霉腐實驗［14］，尚沒有采用從載人航天器艙內(nèi)直接分離的微生物開展航天材料微生物腐蝕機(jī)理與評價的研究。

本研究采用從神舟九號及神舟十號中分離得到的三株細(xì)菌H1、H3和S10?1，對常用航天材料LY12鋁合金進(jìn)行腐蝕實驗。通過比較LY12鋁合金在接種菌株與無菌對照體系下的腐蝕速率、表面腐蝕形貌和電化學(xué)性質(zhì)的變化，研究三株分離細(xì)菌對LY12鋁合金腐蝕行為的影響，旨在為預(yù)防評估和控制航天材料的微生物腐蝕提供理論依據(jù)。

2 材料與方法

2.1試驗材料

試驗材料為LY12鋁合金（鋁合金是目前載人航天器服役的主導(dǎo)材料，其中LY12鋁合金常作為硬密封材料使用［15］），其具體成分為：Si（≤0.5%），F(xiàn)e（≤ 0.5%），Cu（3.8%～4.9%），Mn（0.3%～0.9%），Mg（1.2% ～1.8%），Cr（≤0.1%），Zn（≤ 0.3%），Ti（≤ 0.15%），Ni（≤0.15%），雜質(zhì)（≤0.1%），余量為鋁。將其加工成Φ10 mm×4 mm的圓柱形試樣。所有試片表面分別用400＃、800＃、1200＃和2000＃金相砂紙依次打磨，再依次放入丙酮、無水乙醇中除油，之后加入到75%乙醇／水溶液中滅菌15 min，放入無菌一次性培養(yǎng)皿中，在無菌操作臺中風(fēng)干，紫外滅菌30 min，備用。

用于電化學(xué)測試的LY12鋁合金工作電極的有效圓形工作面直徑為10 mm，將非工作面用環(huán)氧樹脂封裝。同上進(jìn)行除油、滅菌處理。

2.2菌株與培養(yǎng)方法

三株實驗細(xì)菌：分離自神舟十號艙內(nèi)冷凝水中的少動鞘氨醇單胞菌（Sphingomonas paucimobil?is H1）、不動桿菌屬（Acinetobacter schindleriH3）和分離自神舟九號艙內(nèi)壁表面的鞘氨醇單胞菌（Sphingomonas melonisS10?1）。

菌株活化培養(yǎng)基：采用腦心浸液培養(yǎng)基（Brain Heart Infusion，Oxoid）。

腐蝕試驗采用液體培養(yǎng)基，配方如表1所示，pH 7.0～7.2。

表1 液體培養(yǎng)基配方表Table 1 Formula of liquid culture medium

菌懸液制備：將菌株接種至腦心浸液培養(yǎng)基中，放入恒溫振蕩培養(yǎng)箱培養(yǎng)。大約24 h后將細(xì)菌離心分離，并用濃度為0.9%的生理鹽水清洗兩遍，最后配成OD600值為0.8的菌懸液備用。

腐蝕試驗：分為鋁合金圓柱形試樣和鋁合金電極試樣兩組。其中圓柱形試樣組在錐形瓶中加入50 mL液體培養(yǎng)基，而電極試樣組則加入70 mL液體培養(yǎng)基，兩組均加入1 mL上述菌懸液，透氣膜封口，放入32℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。對照組中，只在錐形瓶中加入液體培養(yǎng)基，但不加菌懸液，在與實驗組相同的條件下培養(yǎng)。

2.3腐蝕速率測定和培養(yǎng)液中鋁濃度分析

腐蝕速率測定：將所有Φ10 mm×4 mm圓柱形試樣用刻刀在其中一面編號并稱重，用于腐蝕失重分析。試驗分為無菌對照組、菌H1、H3和菌S10?1共四組，分別在3 d、7 d、14 d和21 d取樣，每個試驗組在每個時間點設(shè)置3個平行樣。

腐蝕失重：依據(jù)標(biāo)準(zhǔn) ASTMG1?03進(jìn)行分析［16］。樣品取出后加入到純酒精中，超聲處理15 min，然后加入10%（V／V）的稀硫酸中處理1 min，去離子水沖洗至中性，烘至恒重。利用公式（1）計算腐蝕速率v（μm·y－1）：

式中，v為腐蝕速率（μm·y－1）；mi為腐蝕試驗前樣品的質(zhì)量（mg）；mf為試驗后去掉表面腐蝕產(chǎn)物后樣品的質(zhì)量（mg）；ρ為金屬材料的密度（2.78 g／cm3）；t為金屬腐蝕的時間（d）；S為金屬試樣的總表面積（cm2）。

鋁濃度分析：利用電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP?MS，Inductively Coupled Plasma Mass Spec?trometry，ELAN DRC?e，Perkin?Elmer，USA）測定，采用在線內(nèi)標(biāo)工作曲線法。測試前采用微波消解儀（EHHOS TC?40，Milestone，Italy）對含培養(yǎng)基的樣品進(jìn)行消解處理。消解方法為：準(zhǔn)確移取2 mL樣品到消解罐內(nèi)，加入6 mL HNO3和1 mL H2O2，溫度梯度增加至190℃，恒溫20 min，冷卻后定容到20 mL。

2.4鋁合金表面腐蝕產(chǎn)物和清洗腐蝕產(chǎn)物后的形貌電鏡觀察

為觀察腐蝕產(chǎn)物，首先采用生物膜固定液（0.1 mol／L，pH＝7.0的磷酸鹽緩沖液配制的2.5%戊二醛）固定4 h。其中0.1 mol／L，pH＝7.0的磷酸鹽緩沖液的配制方法是往990 mL的去離子水中分別加入 2.5 g K2HPO4、1.0 g KH2PO4、1.6 g KCl、1.4 g NaCl、0.075 g CaCl2、1.0 g MgCl2和10 mL 1 mol／L的NaHCO3。固定后需對樣品進(jìn)行脫水處理，蒸餾水清洗樣品膜3次，每次15 min，依次用30%、50%、70%、85%和95%的乙醇溶液脫水，每次15～20 min，用100%的乙醇溶液脫水2次，每次15～20 min，最后倒入5 mL六甲基二硅胺烷浸沒3 min，通風(fēng)處干燥即可。樣品噴金后做掃描電鏡（SEM，Scanning Elec?tronic Microscope，JSM7500，JEOL，Japan）觀察。清洗腐蝕產(chǎn)物后表面形貌觀察利用腐蝕失重分析后的樣品，噴金后做SEM觀察。

2.5電化學(xué)測試

培養(yǎng)方法：將所有電極試樣放入液體培養(yǎng)基中培養(yǎng)，用于電化學(xué)測試。試驗分為無菌對照組、菌H1、H3和菌S10?1共四組，分別在3 d、7 d、14 d和21 d取樣。

電化學(xué)測試：采用帶有魯金毛細(xì)管的三電極體系，工作電極為在細(xì)菌培養(yǎng)液中浸泡3 d、7 d、14 d和21 d后的LY12鋁合金試樣，參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為大面積鉑電極。電化學(xué)交流阻抗（EIS，Electrochemical Impedance Spec?troscopy）在開路電位下測試，激勵信號為5 mV正弦波，測試頻率范圍為0.01 Hz～100 kHz。所有電化學(xué)測試均在電化學(xué)工作站（CHI604E，上海辰華儀器有限公司）上進(jìn)行。

3 結(jié)果與討論

3.1腐蝕速率分析

圖1所示LY12鋁合金的腐蝕速率情況。圖1（a）所示為 LY12鋁合金在接種不同菌株（菌H1、H3和S10?1）和無菌對照培養(yǎng)體系中浸泡21 d后的實物圖。可看出接種菌的體系中培養(yǎng)基變渾濁，是細(xì)菌的生長所致，而無菌對照組中相對透明。

圖1（b）所示為LY12鋁合金在接種不同菌株和無菌對照培養(yǎng)體系中浸泡21 d后的腐蝕速率及培養(yǎng)液中鋁濃度。鋁合金在無菌對照、接種菌H1、H3組和菌S10?1體系中的腐蝕速率分別為48.65 μm·y－1、53.07 μm·y－1、49.75 μm·y－1和59.70 μm·y－1。接種菌H1、H3和菌S10?1的腐蝕速率明顯提高，提高的百分比分別為9.09%、2.26%和22.71%。在無菌對照、接種菌H1、H3組和菌S10?1體系中的溶解性鋁元素濃度分別為1.90 mg·L－1、2.75 mg·L－1、2.50 mg·L－1和2.48 mg·L－1。接種菌H1、H3和菌S10?1體系中溶解性鋁的濃度提高明顯，分別提高44.74%、31.58%和30.53%。

3.2鋁合金表面腐蝕產(chǎn)物和清洗腐蝕產(chǎn)物后形貌觀測

圖2所示為LY12鋁合金在接種不同菌株和無菌對照培養(yǎng)體系中浸泡3 d、14 d和21 d后表面腐蝕產(chǎn)物形貌SEM圖。相較于無菌對照組，浸泡在接種（菌H1、H3和菌S10?1）培養(yǎng)體系中的鋁合金表面被一層較為致密的腐蝕產(chǎn)物膜所覆蓋，出現(xiàn)明顯的細(xì)菌生物膜，表明這三株菌株都能夠在鋁合金表面生長。

圖3所示為LY12鋁合金在接種不同菌株和無菌對照培養(yǎng)體系中浸泡3 d、14 d和21 d時，清洗腐蝕產(chǎn)物后表面腐蝕形貌SEM圖。無菌對照組樣品表面較為光滑和平整，而接種不同菌株的試驗組都出現(xiàn)了不同程度的裂紋及蝕坑。隨著腐蝕時間的增加，接種菌H1、H3和菌S10?1的培養(yǎng)體系對LY12鋁合金表面的腐蝕程度都明顯增加。在接種菌H1體系中浸泡21 d后的LY12鋁合金試樣表面出現(xiàn)較小且較密集的蝕坑（小于1 μm）；在接種菌H3體系中浸泡21 d后的LY12鋁合金試樣表面出現(xiàn)分層式的裂紋；菌株S10?1體系中試樣表面有許多圓形的大蝕坑出現(xiàn)（3～5 μm）。

腐蝕速率分析和SEM的觀察結(jié)果表明，在腐蝕試驗過程中，細(xì)菌會附著在LY12鋁合金表面，形成生物膜。膜下鋁合金在生物膜的作用下形成溶解性腐蝕產(chǎn)物和非溶解性產(chǎn)物，非溶解腐蝕產(chǎn)物與生物膜混合在一起，最終形成沉淀，覆蓋于鋁合金表面。將腐蝕產(chǎn)物清洗后，便出現(xiàn)了明顯的蝕坑。上述結(jié)果表明，載人航天器中分離的三株下行細(xì)菌均能明顯加速 LY12鋁合金的腐蝕進(jìn)程。

3.3電化學(xué)分析

3.3.1 開路電位

圖4所示為LY12鋁合金浸泡在接種不同菌株和無菌對照培養(yǎng)體系中開路電位隨浸泡時間的變化曲線。無菌對照組中，在0～7 d內(nèi)LY12鋁合金（工作電極）向正方向移動，在7～21 d內(nèi)向負(fù)方向移動。

接種菌株體系中電極的開路電位值總體低于無菌體系，說明菌H1、H3和菌S10?1可能加速LY12鋁合金的腐蝕。在接種菌H1體系中，在0～3 d內(nèi)，開路電位明顯向負(fù)方向移動，在3～7 d內(nèi)正移，7～21 d內(nèi)略微向負(fù)方向移動；在接種菌H3的體系中，在0～7 d內(nèi)開路電位總體向正方向移動，7～14 d內(nèi)向負(fù)方向移動，14～21 d內(nèi)向正方向移動；在接種菌S10?1的體系中，在0～7 d內(nèi)開路電位總體向負(fù)方向移動，7～21 d內(nèi)向正方向移動。

3.3.2 電化學(xué)交流阻抗

圖5～圖8所示為通過交流阻抗測試得到的LY12鋁合金分別浸泡在不同體系中不同天數(shù)的Nyqusit圖。無菌對照組的 Nyqusit圖中，如圖5所示，0～7 d的容抗弧直徑增大，說明0～7 d內(nèi)LY12鋁合金電極在無菌培養(yǎng)基中的腐蝕傾向減??；7～21 d的容抗弧直徑減小，說明在7～21 d內(nèi)腐蝕傾向增大。

在接種菌H1體系中（圖6），3～7 d內(nèi)的容抗弧直徑增大，說明3～7 d內(nèi)LY12鋁合金電極的腐蝕傾向減??；7～21d內(nèi)容抗弧直徑減小，說明7～21 d內(nèi)腐蝕傾向增大。其變化趨勢與開路電壓變化趨勢基本一致。其原因可能是［17］：在接種菌H1體系中，在0～3 d時，菌H1尚未在鋁合金表面形成生物膜，金屬直接接觸培養(yǎng)基溶液，腐蝕傾向增大；3～7 d時形成了完整的生物膜，對溶液的腐蝕起到了一定的阻礙作用；7～21 d時由于生物膜內(nèi)細(xì)菌群落的呼吸作用，導(dǎo)致膜內(nèi)氧氣濃度降低，形成從內(nèi)至外的氧濃度梯度，即氧濃差電池，使得腐蝕過程再次加劇，因此7～21 d腐蝕傾向略微增大［18］。

在接種菌H3的體系中，如圖7所示，3～7 d內(nèi)的容抗弧直徑增大，說明LY12鋁合金電極的腐蝕傾向減?。?～14 d內(nèi)的容抗弧直徑減小，說明腐蝕傾向增大；14～21 d內(nèi)的容抗弧直徑增大，說明腐蝕傾向減小。其變化趨勢與開路電壓變化趨勢基本一致。這種變化趨勢的原因與接種菌H1體系較相似。

在接種菌S10?1體系中，如圖8所示，在3～7 d內(nèi)的容抗弧直徑減小，說明腐蝕傾向增大；7～21 d內(nèi)的容抗弧直徑增大，說明腐蝕傾向減小。其變化趨勢與開路電壓變化趨勢基本一致。這樣變化的原因可能是：在0～7 d內(nèi)，試樣表面尚未形成完整的生物膜，金屬直接接觸培養(yǎng)基溶液，腐蝕傾向增大；7～21 d內(nèi)，試樣表面逐漸形成完整的生物膜，對溶液的腐蝕起到了一定的阻礙作用。

從圖5～圖8中還可知，所有試樣的Nyqusit圖在容抗弧后均出現(xiàn)一個Warburg阻抗，但是浸泡在接種菌株體系中的樣品的Warburg阻抗比無菌對照組的更明顯。這可能是因為浸泡入含有細(xì)菌的溶液中后，細(xì)菌細(xì)胞會吸附在試樣表面，并通過新陳代謝產(chǎn)生較為完整的生物膜，對腐蝕介質(zhì)起到了一定的阻擋作用，形成了擴(kuò)散控制過程［19］。

4 結(jié)論

1）浸泡21 d后的腐蝕速率及鋁元素濃度分析表明：與無菌對照組相比，接種實驗組（菌H1、菌H3和菌S10?1）中LY12鋁合金腐蝕速率與培養(yǎng)液中鋁元素的濃度均明顯增加，三株細(xì)菌都能明顯加速LY12鋁合金的腐蝕。

2）腐蝕產(chǎn)物及清洗腐蝕產(chǎn)物后的表面形貌觀測結(jié)果表明：浸泡在接種菌的體系中的LY12鋁合金表面有一層生物膜存在，隨著腐蝕時間的增加，接種菌 H1、菌 H3和菌 S10?1明顯增加LY12鋁合金表面的腐蝕程度。

3）電化學(xué)分析結(jié)果表明：在接種菌H1和菌H3體系中，初期LY12鋁合金電極表面尚未形成生物膜，開路電位負(fù)移，阻抗值減小，腐蝕傾向增大；中期形成較為完整的生物膜，對腐蝕介質(zhì)起到一定阻擋作用，開路電位正移，阻抗值增大，腐蝕傾向減??；后期由于生物膜內(nèi)細(xì)菌群落的呼吸作用，形成氧濃差電池，開路電位負(fù)移，阻抗值減小，腐蝕傾向再次增大。在接種菌S10?1體系中，初期電極表面尚未形成生物膜，開路電位負(fù)移，阻抗值減小，腐蝕加?。缓笃谛纬奢^為完整的生物膜，開路電位正移，阻抗值增大，腐蝕傾向減小。

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（責(zé)任編輯：龐迎春）

Corrosion Behavior of LY12 Aluminum Alloy Influenced by Bacteria Isolated from Manned Spacecraft

CHEN Jingwei1，SUI Xin1，ZHANG Naifu1，GAO Longcheng1，WU Zhiqiang2，QIN Lifeng2，XIE Qiong2，LIU Changting3，YANG Yu1，YANG Jun1?

（1.Key Laboratory of Bio?inspired Smart interfacial Science and Technology of Ministry of Education，School of Chemistry，Beihang University，Beijing 100191，China；2.National Key Laboratory of Human Factors Engineering，China Astronaut Research and Training Center，Beijing 100094，China；3.Nanlou Respiratory Disease Department，The 301 Hospital of PLA，Beijing 100853，China）

Based on the findings of microbiologically influenced corrosion of materials in the manned spacecraft，the effect of three bacteria（strains H1，H3 and S10?1）isolated from Shenzhou 9 and Shenzhou 10 manned spacecraft on the corrosion behavior of LY12 aluminum alloy was investigate by the weight loss measurement，the soluble Al concentration analysis，the surface topography observa?tion and the electrochemical test and so on.In comparison with that in the sterile culture，corrosion rates of LY12 in the medium inoculated with strains H1，H3 and S10?1 increased by 9.09%，2.26%and 22.71%，while the soluble Al concentrations increased by 44.74%，31.58%and 30.53%，respectively.SEM showed that the inoculated strains could produce corrosion products and grow as biofilms on the surfaces of aluminum alloys.Significant corrosion topographies were ob?served on the inoculated samples rather than the sterile ones.The electrochemical tests indicate that the inoculated bacteria promoted the corrosion process of LY12 aluminum alloy by changing the sur?face electrochemical properties.

microbiologically influenced corrosion；manned spacecraft；bacteria strains；LY12 alu?minum alloy；corrosion behavior

V45

：A

：1674?5825（2017）02?0252?06

2015?12?07；

2017?02?22

載人航天預(yù)先研究項目（040203）

陳景威，女，碩士研究生，研究方向為材料微生物腐蝕。E?mail：chenjw＠buaa.edu.cn

?通訊作者：楊軍，男，博士，教授，研究方向為材料環(huán)境生物技術(shù)。E?mail：yangjun＠buaa.edu.cn