硫酸鹽還原菌對噴氣燃料銀片腐蝕機(jī)理研究

蘇 鵬，李彥琦，李澤振，張永虎，熊 云

(1.陸軍勤務(wù)學(xué)院，重慶 401311；2.聯(lián)勤保障部隊軍需能源質(zhì)量監(jiān)督總站北京質(zhì)量監(jiān)督站;3.聯(lián)勤保障部隊軍需能源質(zhì)量監(jiān)督總站)

硫酸鹽還原菌(Sulfate reducing bacteria，SRB)是一類功能型微生物的統(tǒng)稱，其可以通過硫酸鹽還原反應(yīng)，以硫酸根作為電子受體，同時參與有機(jī)物的分解代謝，并可釋放H2S氣體。SRB廣泛存在于自然界，是最早被發(fā)現(xiàn)的腐蝕金屬的微生物[1-3]。噴氣燃料SRB污染對于飛行安全是一個重大威脅，歷史上國外曾有轟炸機(jī)就因為SRB引起的燃油泵故障而墜毀；此外，SRB經(jīng)常被發(fā)現(xiàn)存在于燃料儲罐底層水中，嚴(yán)重威脅燃料儲存安全[2]。國內(nèi)噴氣燃料曾多次出現(xiàn)銀片腐蝕不合格等質(zhì)量問題，懷疑與噴氣燃料出現(xiàn)SRB污染有關(guān)。

自然界中的SRB種類眾多，報道的就有多達(dá)13個屬，40余種，其中分布最廣且對噴氣燃料威脅最大的菌種是脫硫弧菌屬(Desulfovibrio)及更為耐氧的脫硫腸狀菌屬(Desufotomaculum)[4-5]。目前，國內(nèi)對噴氣燃料SRB污染的研究主要集中在其對噴氣燃料性質(zhì)的影響方面，銀片腐蝕試驗是噴氣燃料的腐蝕性檢測指標(biāo)，而關(guān)于SRB造成銀片腐蝕的機(jī)理研究較少[6-8]。

本課題選用上述兩種SRB，將銀片置入含有SRB的噴氣燃料試驗體系中一段時間后取出，通過掃描電子顯微鏡(SEM)觀察銀片表面變化及X射線光電子能譜(XPS)分析銀片表面官能團(tuán)情況來研究SRB影響噴氣燃料銀片腐蝕性能的機(jī)理。

1 實 驗

1.1 試驗油

3號噴氣燃料，中國石化鎮(zhèn)海煉油化工股份有限公司提供，其主要理化性質(zhì)如表1所示。

表1 試驗用噴氣燃料主要理化性質(zhì)

1.2 試驗菌株

兩種SRB均由中國普通微生物菌種保藏中心提供，分別為食果糖脫硫弧菌(Desulfotomaculumruminis)(CGMCC 1.3468)和瘤胃脫硫腸狀菌(Desulfovi-briofructosivorans)(CGMCC 1.3470)。

1.3 試驗培養(yǎng)基

將0.5 g KH2PO4、1.0 g NH4Cl、1.0 g Na2SO4、0.06 g CaCl2·6 H2O、2.0 g MgSO4·7 H2O、6 mL 乳酸鈉、0.003 g FeSO4·7 H2O、1.0 g酵母提取物和0.001 g刃天青溶于1 000 mL蒸餾水中，調(diào)節(jié)pH至7.2±0.1，然后在121 ℃滅菌20 min制得硫酸鹽培養(yǎng)基。以上試驗試劑均購于上海阿拉丁生化科技公司。

1.4 試驗儀器

單功能光吸收酶標(biāo)儀VersaMax，美國Molecular Devices Corporation(MDC)公司產(chǎn)品；銀片，2號銀，純度(w)大于99.9%，長17～19 mm，寬12.5～12.7 mm，厚2.5～3.0 mm，符合SH/T 0023標(biāo)準(zhǔn)銀片腐蝕試驗方法要求；AG300厭氧培養(yǎng)箱，美國GeneScience公司產(chǎn)品；日本TOMY SX快速自動高壓滅菌器；ESCO OptiMair垂直流超凈工作臺；日本三菱AnaeroPack厭氧產(chǎn)氣袋及厭氧指示劑。

1.5 試驗方法

1.5.1SRB的培養(yǎng)及保存

配制硫酸鹽培養(yǎng)基，將各成分溶于蒸餾水中，利用磁子攪拌促進(jìn)溶解，121 ℃滅菌20 min后將培養(yǎng)基置于超凈臺冷卻至室溫，加入0.001 g刃天青作為氧含量指示劑，此時培養(yǎng)基應(yīng)呈淡紅色(表明含氧)；將培養(yǎng)基于厭氧培養(yǎng)箱中靜置12 h，待其變?yōu)闊o色(說明培養(yǎng)基此時處于無氧狀態(tài))，接種SRB。SRB是厭氧菌，需在厭氧培養(yǎng)箱中活化培養(yǎng)。將接種后的培養(yǎng)基置于厭氧培養(yǎng)箱中，在37 ℃培養(yǎng)觀察，待培養(yǎng)基中有臭雞蛋氣味及出現(xiàn)黑色沉淀，則表明硫酸鹽被還原并與亞鐵離子結(jié)合生成FeS沉淀，即說明SRB生長繁殖。

配制最終質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的甘油保種液。在厭氧操作箱中分裝1 mL培養(yǎng)至出現(xiàn)黑色沉淀的SRB菌液至厭氧管中，再加入等量甘油保種液。將厭氧管置于厭氧袋中封存，并置于-80 ℃冰箱中凍存。

1.5.2SRB數(shù)量對腐蝕的影響

參照銀片腐蝕試驗標(biāo)準(zhǔn)方法，將銀片打磨清洗備用。取硫酸鹽培養(yǎng)基10 mL，接種10%(1 mL)厭氧培養(yǎng)4 d后的處于生長穩(wěn)定期的脫硫弧菌，然后加入90 mL經(jīng)孔徑0.22 μm濾膜過濾除菌后的噴氣燃料，定容至100 mL，將其作為試驗體系。將清洗好的銀片懸掛于試驗體系中同時接觸油水兩相，并置于厭氧箱中室溫避光培養(yǎng)。改變硫酸鹽培養(yǎng)基體積至15，20，25 mL，進(jìn)行梯度試驗。4組試驗體系的銀片按培養(yǎng)基體積由小至大分別編號為：1.1～1.4。25 mL無菌硫酸鹽培養(yǎng)基體系為空白，不加培養(yǎng)基的噴氣燃料作為空白對照。

將上述試驗中的脫硫弧菌替換為脫硫腸狀菌，重復(fù)上述試驗，以對比兩種SRB的腐蝕情況，其4組銀片分別編號為：2.1～2.4。

1.5.3腐蝕產(chǎn)物形貌及組成分析

腐蝕試驗結(jié)束后取出銀片，在石油醚中超聲清洗3 min。用掃描電子顯微鏡及能譜儀(SEM/EDS，S-3700N型，HITACHI公司產(chǎn)品)觀察銀片形貌并分析其表面元素組成；用X射線光電子能譜儀(ESCALAB250型，Thermo公司產(chǎn)品)對銀片表面元素化學(xué)狀態(tài)進(jìn)行分析，以Al Kα為激發(fā)源，貫穿能20 eV，以C 1s(284.8 eV)校準(zhǔn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 SRB生長曲線測定

對接種后的兩株SRB進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)基接種脫硫弧菌和脫硫腸狀菌4 d后均變?yōu)楹谏耶a(chǎn)生臭雞蛋氣味，這是SRB的生長跡象，如圖1所示。

圖1 接種脫硫弧菌及脫硫腸狀菌4 d后的培養(yǎng)基

用分光光度計測量SRB細(xì)菌量隨時間的變化，結(jié)果如圖2所示。由圖2可見，脫硫弧菌和脫硫腸狀菌的生長趨勢基本一致，接種后2 d內(nèi)處于生長遲緩階段，然后進(jìn)入對數(shù)生長期，在4～6 d達(dá)到菌密度最大值，穩(wěn)定一段時間后因H2S毒害作用開始進(jìn)入衰亡期。

圖2 SRB生長曲線

2.2 SRB數(shù)量及硫酸鹽對銀片腐蝕的影響

不同數(shù)量的SRB及相應(yīng)的硫酸鹽培養(yǎng)基銀片腐蝕試驗體系在厭氧培養(yǎng)箱中靜置10 d后取出，銀片對比如圖3所示。

圖3 SRB在試驗體系中的銀片腐蝕結(jié)果

由圖3可知，硫酸鹽無菌培養(yǎng)基和純油樣的2組空白對照銀片均無變化，即試驗結(jié)果有效。通過觀察脫硫弧菌1.1～1.4銀片和脫硫腸狀菌2.1～2.4銀片在硫酸鹽培養(yǎng)基中的腐蝕情況，同時參照SH/T 0023銀片腐蝕標(biāo)準(zhǔn)方法對腐蝕的銀片進(jìn)行評級，結(jié)果如表2所示。

表2 銀片的腐蝕級別

由表2可知，所有數(shù)量梯度的脫硫弧菌和脫硫腸狀菌均造成了銀片腐蝕，且培養(yǎng)基體積越大，即SRB數(shù)量越多，銀片的腐蝕情況越嚴(yán)重。此外，由表2還可以看出，銀片在油水兩相中的腐蝕程度也存在差異，處于油層的銀片上部的腐蝕比處于水層的銀片下部更嚴(yán)重。

2.3 腐蝕產(chǎn)物形貌及組成分析

選取有腐蝕現(xiàn)象且油水兩相腐蝕區(qū)別明顯的1.2及2.2銀片，其油相部分及水相部分的SEM照片如圖4所示。

由圖4可見：水相部分的銀片表面形成了大小不一、疏松多孔的微觀結(jié)構(gòu)，推測是細(xì)菌被胞外聚合物包裹，與腐蝕產(chǎn)物一起形成了生物膜；而油相中的銀片表面形成了一層致密均勻的膜，放大后為形狀規(guī)則、大小均一的晶體顆粒，沒有明顯的腐蝕坑?？赡苁荢RB集中于水相，附著于銀片表面發(fā)生腐蝕過程；而油相中無SRB，生成的H2S由水相擴(kuò)散至油相腐蝕銀片，故油相中的銀片表面呈現(xiàn)無生物膜的微觀結(jié)構(gòu)。

對圖4的SEM照片所示區(qū)域進(jìn)行EDS能譜分析，結(jié)果列于表3。由表3可知，處于油相中的銀片表面的銀、硫元素含量較水相中的銀片高，而鐵、氧元素含量較水相部分銀片低。這是因為體系中的鐵元素來源是培養(yǎng)基中的Fe2+，主要存在于水相中。此外，水相中銀片氧含量較油相銀片氧含量高出兩倍以上，可能是因為除細(xì)菌腐蝕之外還存在電化學(xué)腐蝕[9]。

圖4 銀片的油相和水相部分SEM照片

表3 銀片腐蝕區(qū)域元素含量 w，%

為了進(jìn)一步研究腐蝕產(chǎn)物的組成與銀片在兩相中腐蝕的區(qū)別，選取油水兩相腐蝕區(qū)別明顯的1.2、1.4及2.2、2.4號銀片及空白組銀片，將銀片按照油水兩相界限切割后利用XPS分別檢測，對S 2p進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5～圖7所示。

圖5 脫硫弧菌銀片腐蝕產(chǎn)物的XPS S 2p光譜

圖6 硫脫腸狀菌銀片腐蝕產(chǎn)物的XPS S 2p光譜

圖7 空白組銀片腐蝕產(chǎn)物的XPS S 2p光譜

由圖5～圖7可見，空白組銀片沒有出現(xiàn)硫化物的特征峰，說明在該環(huán)境下僅有痕量硫化物存在于腐蝕產(chǎn)物中。用XPSPEAK對其余有腐蝕現(xiàn)象的銀片S 2p譜圖進(jìn)行高斯分峰擬合，均得到結(jié)合能為160.8 eV附近的Ag2S特征峰，161.2 eV附近的FeS特征峰，以及162.1 eV附近的FeS2特征峰。表明銀片表面腐蝕產(chǎn)物主要由Ag2S，F(xiàn)eS，F(xiàn)eS2組成。

對比油相及水相中銀片的XPS S 2p譜，可見油相銀片的S 2p峰面積明顯大于水相銀片，說明銀片在油相的腐蝕程度更深，與通過SEM觀察得到的銀片在油相中腐蝕更嚴(yán)重的結(jié)論相符。本課題組前期研究結(jié)果表明，SRB以水相中的無機(jī)硫酸鹽為營養(yǎng)源，不能以油相中有機(jī)硫化物為營養(yǎng)源[8]。因此，水相中產(chǎn)生的H2S，由于在水中的溶解有限(包括形成FeS沉淀)，因而會通過油水界面均勻擴(kuò)散至油相中，從而造成油相中銀片的均勻性腐蝕[9]。

對比銀片在15 mL和25 mL培養(yǎng)基體系的XPS S 2p譜，可見25 mL體系中銀片的S 2p峰面積明顯大于15 mL培養(yǎng)基體系中的銀片，說明銀片在25 mL體系中腐蝕程度更深。

對比在2種SRB體系中銀片的XPS S 2p譜，可見2種SRB體系中銀片的XPS S 2p峰面積相近，說明2種SRB腐蝕能力相近，與通過SEM觀察得到的2種SRB生長代謝速率相近的結(jié)論相符。

對各組銀片XPS S 2p譜圖中的Ag2S，F(xiàn)eS，F(xiàn)eS2特征峰作定量分析，結(jié)果如表4所示。由表4可見，銀片在油相中的腐蝕產(chǎn)物以Ag2S相對較多，在水相中的腐蝕產(chǎn)物以FeS2及FeS相對較多，這是因為試驗體系中的Fe元素來自培養(yǎng)基中加入的FeSO4，被還原的S元素更易與溶液中的Fe2+結(jié)合，生成FeS2及FeS附著在銀片表面上。

表4 銀片XPS S 2p譜圖各峰面積占比 %

3 結(jié) 論

(1)脫硫弧菌和脫硫腸狀菌2種SRB均能導(dǎo)致噴氣燃料出現(xiàn)銀片腐蝕，且腐蝕性能相當(dāng)；SRB數(shù)量越多，銀片的腐蝕情況越嚴(yán)重；試驗體系下，銀片在油、水兩相中的腐蝕程度存在差異，處于油層的銀片上部的腐蝕程度比處于水層的銀片下部更深。

(2)試驗體系下，水相部分的銀片表面形成了大小不一、疏松多孔的微觀結(jié)構(gòu)；油相中的銀片表面形成了一層致密均勻的膜，未有明顯的腐蝕坑。推測為SRB集中于水相附著于銀片表面發(fā)生腐蝕過程，而油相中無SRB，H2S由水相擴(kuò)散至油相腐蝕銀片。

(3)2種SRB對銀片的腐蝕產(chǎn)物以Ag2S，F(xiàn)eS，F(xiàn)eS2為主，銀片在油相中的腐蝕產(chǎn)物以Ag2S相對較多，在水相中的腐蝕產(chǎn)物以FeS2及FeS相對較多。