硫酸盐还原菌对喷气燃料银片腐蚀机理研究

苏 鹏，李彦琦，李泽振，张永虎，熊 云

(1.陆军勤务学院，重庆 401311；2.联勤保障部队军需能源质量监督总站北京质量监督站;3.联勤保障部队军需能源质量监督总站)

硫酸盐还原菌(Sulfate reducing bacteria，SRB)是一类功能型微生物的统称，其可以通过硫酸盐还原反应，以硫酸根作为电子受体，同时参与有机物的分解代谢，并可释放H2S气体。SRB广泛存在于自然界，是最早被发现的腐蚀金属的微生物[1-3]。喷气燃料SRB污染对于飞行安全是一个重大威胁，历史上国外曾有轰炸机就因为SRB引起的燃油泵故障而坠毁；此外，SRB经常被发现存在于燃料储罐底层水中，严重威胁燃料储存安全[2]。国内喷气燃料曾多次出现银片腐蚀不合格等质量问题，怀疑与喷气燃料出现SRB污染有关。

自然界中的SRB种类众多，报道的就有多达13个属，40余种，其中分布最广且对喷气燃料威胁最大的菌种是脱硫弧菌属(Desulfovibrio)及更为耐氧的脱硫肠状菌属(Desufotomaculum)[4-5]。目前，国内对喷气燃料SRB污染的研究主要集中在其对喷气燃料性质的影响方面，银片腐蚀试验是喷气燃料的腐蚀性检测指标，而关于SRB造成银片腐蚀的机理研究较少[6-8]。

本课题选用上述两种SRB，将银片置入含有SRB的喷气燃料试验体系中一段时间后取出，通过扫描电子显微镜(SEM)观察银片表面变化及X射线光电子能谱(XPS)分析银片表面官能团情况来研究SRB影响喷气燃料银片腐蚀性能的机理。

1 实 验

1.1 试验油

3号喷气燃料，中国石化镇海炼油化工股份有限公司提供，其主要理化性质如表1所示。

表1 试验用喷气燃料主要理化性质

1.2 试验菌株

两种SRB均由中国普通微生物菌种保藏中心提供，分别为食果糖脱硫弧菌(Desulfotomaculumruminis)(CGMCC 1.3468)和瘤胃脱硫肠状菌(Desulfovi-briofructosivorans)(CGMCC 1.3470)。

1.3 试验培养基

将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 乳酸钠、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蒸馏水中，调节pH至7.2±0.1，然后在121 ℃灭菌20 min制得硫酸盐培养基。以上试验试剂均购于上海阿拉丁生化科技公司。

1.4 试验仪器

单功能光吸收酶标仪VersaMax，美国Molecular Devices Corporation(MDC)公司产品；银片，2号银，纯度(w)大于99.9%，长17～19 mm，宽12.5～12.7 mm，厚2.5～3.0 mm，符合SH/T 0023标准银片腐蚀试验方法要求；AG300厌氧培养箱，美国GeneScience公司产品；日本TOMY SX快速自动高压灭菌器；ESCO OptiMair垂直流超净工作台；日本三菱AnaeroPack厌氧产气袋及厌氧指示剂。

1.5 试验方法

1.5.1SRB的培养及保存

配制硫酸盐培养基，将各成分溶于蒸馏水中，利用磁子搅拌促进溶解，121 ℃灭菌20 min后将培养基置于超净台冷却至室温，加入0.001 g刃天青作为氧含量指示剂，此时培养基应呈淡红色(表明含氧)；将培养基于厌氧培养箱中静置12 h，待其变为无色(说明培养基此时处于无氧状态)，接种SRB。SRB是厌氧菌，需在厌氧培养箱中活化培养。将接种后的培养基置于厌氧培养箱中，在37 ℃培养观察，待培养基中有臭鸡蛋气味及出现黑色沉淀，则表明硫酸盐被还原并与亚铁离子结合生成FeS沉淀，即说明SRB生长繁殖。

配制最终质量分数为30%的甘油保种液。在厌氧操作箱中分装1 mL培养至出现黑色沉淀的SRB菌液至厌氧管中，再加入等量甘油保种液。将厌氧管置于厌氧袋中封存，并置于-80 ℃冰箱中冻存。

1.5.2SRB数量对腐蚀的影响

参照银片腐蚀试验标准方法，将银片打磨清洗备用。取硫酸盐培养基10 mL，接种10%(1 mL)厌氧培养4 d后的处于生长稳定期的脱硫弧菌，然后加入90 mL经孔径0.22 μm滤膜过滤除菌后的喷气燃料，定容至100 mL，将其作为试验体系。将清洗好的银片悬挂于试验体系中同时接触油水两相，并置于厌氧箱中室温避光培养。改变硫酸盐培养基体积至15，20，25 mL，进行梯度试验。4组试验体系的银片按培养基体积由小至大分别编号为：1.1～1.4。25 mL无菌硫酸盐培养基体系为空白，不加培养基的喷气燃料作为空白对照。

将上述试验中的脱硫弧菌替换为脱硫肠状菌，重复上述试验，以对比两种SRB的腐蚀情况，其4组银片分别编号为：2.1～2.4。

1.5.3腐蚀产物形貌及组成分析

腐蚀试验结束后取出银片，在石油醚中超声清洗3 min。用扫描电子显微镜及能谱仪(SEM/EDS，S-3700N型，HITACHI公司产品)观察银片形貌并分析其表面元素组成；用X射线光电子能谱仪(ESCALAB250型，Thermo公司产品)对银片表面元素化学状态进行分析，以Al Kα为激发源，贯穿能20 eV，以C 1s(284.8 eV)校准。

2 结果与讨论

2.1 SRB生长曲线测定

对接种后的两株SRB进行观察，发现培养基接种脱硫弧菌和脱硫肠状菌4 d后均变为黑色且产生臭鸡蛋气味，这是SRB的生长迹象，如图1所示。

图1 接种脱硫弧菌及脱硫肠状菌4 d后的培养基

用分光光度计测量SRB细菌量随时间的变化，结果如图2所示。由图2可见，脱硫弧菌和脱硫肠状菌的生长趋势基本一致，接种后2 d内处于生长迟缓阶段，然后进入对数生长期，在4～6 d达到菌密度最大值，稳定一段时间后因H2S毒害作用开始进入衰亡期。

图2 SRB生长曲线

2.2 SRB数量及硫酸盐对银片腐蚀的影响

不同数量的SRB及相应的硫酸盐培养基银片腐蚀试验体系在厌氧培养箱中静置10 d后取出，银片对比如图3所示。

图3 SRB在试验体系中的银片腐蚀结果

由图3可知，硫酸盐无菌培养基和纯油样的2组空白对照银片均无变化，即试验结果有效。通过观察脱硫弧菌1.1～1.4银片和脱硫肠状菌2.1～2.4银片在硫酸盐培养基中的腐蚀情况，同时参照SH/T 0023银片腐蚀标准方法对腐蚀的银片进行评级，结果如表2所示。

表2 银片的腐蚀级别

由表2可知，所有数量梯度的脱硫弧菌和脱硫肠状菌均造成了银片腐蚀，且培养基体积越大，即SRB数量越多，银片的腐蚀情况越严重。此外，由表2还可以看出，银片在油水两相中的腐蚀程度也存在差异，处于油层的银片上部的腐蚀比处于水层的银片下部更严重。

2.3 腐蚀产物形貌及组成分析

选取有腐蚀现象且油水两相腐蚀区别明显的1.2及2.2银片，其油相部分及水相部分的SEM照片如图4所示。

由图4可见：水相部分的银片表面形成了大小不一、疏松多孔的微观结构，推测是细菌被胞外聚合物包裹，与腐蚀产物一起形成了生物膜；而油相中的银片表面形成了一层致密均匀的膜，放大后为形状规则、大小均一的晶体颗粒，没有明显的腐蚀坑。可能是SRB集中于水相，附着于银片表面发生腐蚀过程；而油相中无SRB，生成的H2S由水相扩散至油相腐蚀银片，故油相中的银片表面呈现无生物膜的微观结构。

对图4的SEM照片所示区域进行EDS能谱分析，结果列于表3。由表3可知，处于油相中的银片表面的银、硫元素含量较水相中的银片高，而铁、氧元素含量较水相部分银片低。这是因为体系中的铁元素来源是培养基中的Fe2+，主要存在于水相中。此外，水相中银片氧含量较油相银片氧含量高出两倍以上，可能是因为除细菌腐蚀之外还存在电化学腐蚀[9]。

图4 银片的油相和水相部分SEM照片

表3 银片腐蚀区域元素含量 w，%

为了进一步研究腐蚀产物的组成与银片在两相中腐蚀的区别，选取油水两相腐蚀区别明显的1.2、1.4及2.2、2.4号银片及空白组银片，将银片按照油水两相界限切割后利用XPS分别检测，对S 2p进行分析，结果如图5～图7所示。

图5 脱硫弧菌银片腐蚀产物的XPS S 2p光谱

图6 硫脱肠状菌银片腐蚀产物的XPS S 2p光谱

图7 空白组银片腐蚀产物的XPS S 2p光谱

由图5～图7可见，空白组银片没有出现硫化物的特征峰，说明在该环境下仅有痕量硫化物存在于腐蚀产物中。用XPSPEAK对其余有腐蚀现象的银片S 2p谱图进行高斯分峰拟合，均得到结合能为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。表明银片表面腐蚀产物主要由Ag2S，FeS，FeS2组成。

对比油相及水相中银片的XPS S 2p谱，可见油相银片的S 2p峰面积明显大于水相银片，说明银片在油相的腐蚀程度更深，与通过SEM观察得到的银片在油相中腐蚀更严重的结论相符。本课题组前期研究结果表明，SRB以水相中的无机硫酸盐为营养源，不能以油相中有机硫化物为营养源[8]。因此，水相中产生的H2S，由于在水中的溶解有限(包括形成FeS沉淀)，因而会通过油水界面均匀扩散至油相中，从而造成油相中银片的均匀性腐蚀[9]。

对比银片在15 mL和25 mL培养基体系的XPS S 2p谱，可见25 mL体系中银片的S 2p峰面积明显大于15 mL培养基体系中的银片，说明银片在25 mL体系中腐蚀程度更深。

对比在2种SRB体系中银片的XPS S 2p谱，可见2种SRB体系中银片的XPS S 2p峰面积相近，说明2种SRB腐蚀能力相近，与通过SEM观察得到的2种SRB生长代谢速率相近的结论相符。

对各组银片XPS S 2p谱图中的Ag2S，FeS，FeS2特征峰作定量分析，结果如表4所示。由表4可见，银片在油相中的腐蚀产物以Ag2S相对较多，在水相中的腐蚀产物以FeS2及FeS相对较多，这是因为试验体系中的Fe元素来自培养基中加入的FeSO4，被还原的S元素更易与溶液中的Fe2+结合，生成FeS2及FeS附着在银片表面上。

表4 银片XPS S 2p谱图各峰面积占比 %

3 结 论

(1)脱硫弧菌和脱硫肠状菌2种SRB均能导致喷气燃料出现银片腐蚀，且腐蚀性能相当；SRB数量越多，银片的腐蚀情况越严重；试验体系下，银片在油、水两相中的腐蚀程度存在差异，处于油层的银片上部的腐蚀程度比处于水层的银片下部更深。

(2)试验体系下，水相部分的银片表面形成了大小不一、疏松多孔的微观结构；油相中的银片表面形成了一层致密均匀的膜，未有明显的腐蚀坑。推测为SRB集中于水相附着于银片表面发生腐蚀过程，而油相中无SRB，H2S由水相扩散至油相腐蚀银片。

(3)2种SRB对银片的腐蚀产物以Ag2S，FeS，FeS2为主，银片在油相中的腐蚀产物以Ag2S相对较多，在水相中的腐蚀产物以FeS2及FeS相对较多。