（应用化学专业论文）嗜热硫酸盐还原菌的分离鉴定及其生长抑制研究.pdf

中文摘要 本研究的对象是从油田中分离到的嗜热硫酸盐还原菌，并着重研究了其生长 抑制方法。本研究论文包括以下三个方面的工作： 一、嗜热硫酸盐还原菌的分离鉴定 从河南油田污水中分离到的一株嗜热硫酸盐还原荫( 命名为s r b - h t ) ，并对 分离的纯培养菌株进行了形态观察和生理特性鉴定。采用单因素实验，考察p h 、 温度、矿化度、氧化还原电位和碳源对s r b h t 生长繁殖的影响，进而确定s r b h t 的限制性生长因素。研究结果表明：s r b h t 具有较强的硫酸盐还原的能力，其 最适生长温度为6 0 ，最适p h 为中性，最适碳源为柠檬酸钠，最适矿化度为o g l ， 最适氧化还原电位为- 2 5 0 m v - 2 8 0 m v 。在最适条件下培养，2 天后培养基变黑，菌 株的生长在3 天后达到最大值，硫化氢的生成在4 天后达到最人值。 二、化学方法抑制硫酸盐还原菌的生长 研究了不同化学试剂对s r b - h t 生长的抑制作用，选用的化学试剂分别是 h c h o ， h ：0 ：和c a 0 。结果表明：2 0 m g l 的h c h o 或1 5 m l 的h z o 。即可有效抑 制s r b h t 的生长。通过正交试验优化c a o ：抑制s r b h t 生长的剂量，并初步推 测其机理。结果表明，0 1 的c a o 。即可有效抑制s r b h t 的生长，抑制时间长达 两周以上。抑制机理可以归结为三个方面：c a o 。缓慢释放氧气造成一个有氧环境， 抑制了厌氧s r b - h t 的生长；氧气使有害代谢产物h ：s 氧化；c a 0 2 使培养液p h 升 高到不适于s r b 生长的范围。 三、生物方法抑制硫酸盐还原菌的生长 通过导入不同浓度的硝酸盐，抑制s r b h t 生长和h 2 s 生成，以确定能够产生 有效抑制作用的最小硝酸盐浓度，为工业应用提供依据；此外，采用同时导入硝 酸盐还原茵( n r b h t ) 和不同浓度的硝酸盐，测定硝酸盐还原菌对嗜热s r b 菌株 生长和h 2 s 生成的影响。研究结果表明：低浓度的硝酸盐对s r b h t 生长有抑制 作用，但抑制时间较短：当有外加硝酸盐还原菌时，硝酸盐的抑制时间明显增强， 低浓度的硝酸盐( 0 o l ) 就可以抑$ 1 s r b 的生长达8 天之久。因此，同时加入硝 酸盐还原菌( n r b ) 和硝酸盐比单独使用硝酸盐能更有效抑制s r b 的生长和h 2 s 的生成，是一种更为高效的油田防治微生物腐蚀方法。 关键词：嗜热硫酸盐还原菌，生长影响因素，微生物腐蚀，硝酸盐还原菌 a b s t r a c t 1 n l i s s t u d yf o c u s e do nas t r a i n o ft h e r m o p h i l i cs u l f a t er e d u c i n gb a c t e r i a ( s r b h ni s o l a t e df r o mh e n a no i lf i e l d ，a n dd e v e l o p e ds o m ei n h i b i t i v em e t h o d s a g a i n s ts r b h t t h es t u d yc o u l db ed i v i d e di n t ot h r e ep a a s ： 1 i s o l a t i o na n dc h a r a c t e r i z a t i o no f t h e r m o p h i l i cs u l f a t er e d u c i n gb a c t e r i a as t r a i no ft h e r m o p h i l i cs u l i f a t er e d u c i n gb a c t e r i aw a si s o l a t e df r o mh e n a no i l f i e l da n dm o r p h o l o g i c a la n dp h y s i o l o g i c a lc h a r a c t e r i z a t i o n sw e r ec o n d u c t e d s i n g l e f a c t o re x p e r i m e n t sw e r ep e r f o r m e dt od e t e r m i n et h ee f f e c to fp h ，t e m p e r a t u r e ，s a l i n i t y , r e d o xp o t e n t i a l a n dc a r b o ns o u r c eo nt h eg r o w t ho fs r b - h t r e s u l t si n d i c a t e dt h a t s r b h ti sw i t hv e r ys t r o n gc a p a b i l i t yo fr e d u c i n gs u l f a t e ，t h eo p t i m a lt e m p e r a t u r e 6 0 * ( 2 ，t h eo p t i m a lp hn e u t r a l ，t h eo p t i m a lc a r b o ns o u r c es o d i u mc i t r a t e ，t h eo p t i m a l s a l i n i t y0 9 l ，a n dt h eo p t i m a lr e d u c i n ga g e n ts o d i u mh y p o s u i f i t e u n d e rt h eo p t i m a l c o n d i t i o n s ，t h ec u l t u r em e d i u mb e c o m e sb l a c ka f t e r2d a y s ，t h eg r o w t ho ft h es t r a i n r e a c h e st h eu t m o s ta f t e r3d a y s ，a n dt h em a x i m a lp r o d u c t i o no fh 2 sa p p e a r sa f t e r4 d a y so f c u l t u r e 2 c h e m i c a lm e t h o d sa g a i n s ts r b - h tg r o w t h t h r e ec h e m i c a l s ( n a m e l yh c h o ，h 2 0 2a n dc a 0 2 ) w e r ee m p l o y e dt oi n v e s t i g a t e t h e i ri n h i b i t i v ee f f e c t so ns r b h t r e s u l t si n d i c a t e dt h a t2 0 m g lh c h oo r15 m g l h 2 0 2i se n o u g hf o re f f e c t i v ei n h i b i t i o na g a i n s ts r b - h t b e s i d e s ，t h eo p t i m a ld o s a g e o fc a 0 2f o rt h ee f f e c t i v ei n h i b i t i o ni sd e t e r m i n e db yo r t h o g o n a le x p e r i m e n t s ，a n dt h e m e c h a n i s mo fi n h i b i t i o ni s p r e l i m i n a r i l yp r e d i c t e d r e s u l t si n d i c a t e dt h a tc a 0 2o f 0 1 i ss h 衢c i e n tf o re f f e c t i v ei n h i b i t i o na n dt h ei n h i b i t i o np e r i o dc o u l db ea sl o n ga s t w ow e e k s t h em e c h a n i s mc o u l db es u m m a r i z e df r o mt h r e ea s p e c t s ：f i r s t ，s l o w r e l e a s eo fo x y g e nf r o mc a 0 2c r e a t e sa na e r o b i ce n v i r o n m e n ta g a i n s tt h eg r o w t ho f s r b h t ；s e c o n d ，o x y g e no x i d i z e sh 2 sp r o d u c e db ys r b h t ；t h i r d ，s l o wd i s s o l u t i o n o fc a 0 2e l e v a t e st h eo v e r a l lp ht oal e v e ln o ts u i t a b l ef o rs r b - h tg r o w t h 3 b i o l o g i c a lm e t h o d sa g a i n s ts r b - h tg r o w t h i no r d e rt of i n do u tt h em i n i m a li n h i b i t i v ed o s a g eo fn i t r a t ea g a i n s ts r b h t ， d i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n so fn i t r a t ew e r ea d d e di n t ot h em e d i u mt oi n hi b i tt h eg r o w t ho f s r b h ta n dt h ep r o d u c t i o no fh 2 s b e s i d e s ，t h ei n h i b i t i v ee f f e c to fn i t r a t ei nt h e p r e s e n c eo fan i t r a t er e d u c i n gb a c t e r i a ( n r a h t ) w a si n v e s t i g a t e d r e s u l t si n d i c a t e d t h a tl o wc o n c e n t r a t i o no fn i t r a t ea l o n ec o u l di n h i b i tt h eg r o w t ho fs r b h t b u tt h e i n h i b i t i o np e r i o dw a ss h o r t w h e nn r b h tw a sa d d e ds i m u l t a n e o u s l y , t h ei n h i b i t i o n p e r i o dw a sp r o l o n g e do b v i o u s l y n i t r a t eo f0 01 c o u l di n h i b i tt h eg r o w t ho f s r b h ta sl o n ga s8d a y s s on i t r a t ei nc o m b i n a t i o nw i t hn r b h ts e lv e sa sav e r y e f f e c t i v em e t h o da g a i n s ts r b - h ta n dm a yp r o v i d ea ne c o n o m i c a lw a ya g a i n s t c o r r o s i o np r o b l e mc a u s e db ys r bi no i lf i e l d k e yw o r d s ：t h e r m o p h i l i cs u l f a t er e d u c i n gb a c t e r i a ，g r o w t hi m p a c tf a c t o r s ， m i c r o b i o l o g i c a l l yi n d u c e dc o r r o s i o n ，n i t r a t er e d u c i n gb a c t e r i a 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名： 互璧 日期： 垄1 2 1 ：圭：丑 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：乃艺 导师( 签名儿彳迄受日期7 。j 。、只；， i i i 1 1 硫酸盐还原菌概述 第1 章引言 硫酸盐还原菌( s u l f a t er e d u c i n gb a c t e r i a ，以下简称s r b ) 是一种兼性厌 氧型微生物( 非严格厌氧型) 。在厌氧泥浆、碳水沉积物、咸水和海水环境、 金属管道和容器、地下管道、油气井以及人类和动物的口腔和胃肠道中都广泛 存在着s r b 比3 。自从b e i j e r i n c k 在1 8 9 5 年第一次发现s r b ，至今已经有百年的 历史。1 9 2 5 年e 1 i o n 发现了一株嗜热的s r b 口1 。据不完全统计，目前己知的硫酸 盐还原菌有1 4 个属，近4 0 个种，名称及特征见表卜1 h 。引。 表卜1s r b 的1 4 个属的名称及特征( “一”表示情况不明) s r b 可以是革兰氏阴性菌或革兰氏阳性菌聃1 。其中最常见的是革兰氏阴性的 嗜温s r b 、且属于不产芽孢的类型。在淡水及其他含盐量较低的环境中，分离到 的多为革兰氏阳性、产芽孢的s r b 。此外，在自然界中还发现革兰氏阴性嗜热 真细菌以及革兰氏阴性古细菌。常见的细菌有d e s u l f o b a c t e rp o s t g a t e i 、 d e s u l f o t o m a c e t o x i d a n s 、d e s u l f o v i b r i ot h e r mo p h i l u s 等叫，分布于脱硫弧菌属 ( d e s u l f o v 西，勿) ，脱硫肠状菌属( d e s u l f o t o ma c u l u m ) 等属。 s r b 在进行异化代谢时以硫酸盐、亚硫酸盐及其他形态的硫为电子受体，代 谢产生的硫化氢可与多种重金属离子发生沉淀反应n2 。在硫元素的地球生物循 环及环境保护中，s r b 都发挥着极其重要的作用。除此之外，s r b 的应用领域还 包括燃料脱硫、生物浸矿、染料、造纸、富硫酸盐的废水处理、酸性矿山废水 的环境修复、重金属污染处理n 羽、核废料处理、原油泄漏污染处理等，因而受 到人们广泛的关注。 另一方面，s r b 能导致严重的生物腐蚀。在油田回注水系统，s r b 能将水中 的硫酸盐还原成具有毒性和腐蚀性的h ：s ，进而引起油田回注水管道和生产设备 腐蚀和破坏n 4 1 5 1 阳。 而且在油田管道系统中s r b 大量繁殖，其产生的代谢和腐 蚀产物还会导致注水管道和储层的堵塞n 7 - 蚓。在巾国，每年因金属腐蚀而造成的 经济损失高达2 8 0 0 亿元人民币，这其中油田因s r b 引起的管道设备腐蚀占较大 比重n 9 】。 1 2 研究s r b 的意义 s r b 是一种兼性厌氧型微生物，大量存在于地下管道以及油气井等缺氧环 境中。在无氧或极少氧条件下，s r b 能将附着于金属表面的有机物作为碳源，并 利用细菌生物膜内产生的氢，将硫酸盐还原成h ：s ，从氧化还原反应中获得生存 所需的能量。这种代谢过程也可以利用腐蚀微电池产生的氢，并引起腐蚀原电 池的阴极去极化，从而加速了腐蚀的进行幢引。 在油田管道中，油田污水具有还原性且在整个过程中密闭运输，使得s r b 急剧繁殖，产生酸性粘液物质，与油田污水中的c o 。p 、h c o 。一、h s 一及其它阳离子 一起加速垢的形成，使得油田集输管线和回注系统产生严重的结垢和阻塞，并 发生局部穿孔。不成垢的细菌产物随污水一起回注到储集层，或刨灌到干层， 这就使得回注压力快速上升，最终就可能导致回注井、回注罐的报废，造成巨 大的经济损失。而且，由于油田回注水的水质条件非常适合s r b 的生长，s r b 的 大量繁殖就会导致成油套管和污水管线等设备的腐蚀穿孔。另外，s r b 的腐蚀产 物会引起地层的堵塞和注水量的下降，直接影响到原油的产量。 4 油田因s r b 引起的腐蚀是微生物腐蚀及环境污染的主要因素之一。根据 i v e r s o nw p 的报告。s r b 造成了美国油井7 7 以上腐蚀。而且，由于s r b 的 作用，钢铁的腐蚀速率增加了1 5 倍。 中国石油天然气总公司1 9 9 2 年的统计结 果显示：油田总腐蚀中相当大的一部分是由s r b 引起的堙。因此，研究硫酸盐还 原菌，了解影响其生长繁殖的限制性因素，对防治腐蚀和实际工业生产有着重 要的意义。 近些年来，食品、发酵和造纸等工业的迅猛发展带来了大量的含高浓度硫 酸盐的有机废水，这些废水如果不处理就直接排放，将会造成严重的环境污染 并伤及人体健康。在此，硫酸盐还原菌( s r b ) 起着双重作用。一方面，s r b 在 厌氧环境中能将废水中的硫酸盐还原成h ：s ，使水变黑变臭，并且毒害大量水生 生物。另一方面，s r b 在厌氧消化工艺中能有效地降解硫酸盐，使之净化。因此， 研究s r b 的特性对正确认识和充分利用s r b 也有着特殊意义。 1 3s r b 的研究现状 由于s r b 的研究具有很好的应用前景，并且能带来好的经济效益，因此， 国内外针对硫酸盐还原菌的生理特性，生长限制性影响因素，腐蚀机理和防护 措施展开了一系列的研究。 s r b 代谢产物h 。s 的腐蚀性极强，能与金属基体发生化学反应，从而导致化 学腐蚀。且反应生成的铁硫化物沉积于金属表面，导致基体金属的表面性质发生 了改变。 同时，在环境中的离子( 尤其是c 1 3 的协同作用下，更严重的腐蚀就有 可能发生。因此，人们普遍认为由硫酸盐还原菌诱发的腐蚀在金属细茼腐蚀中 占主导地位。国内外针对硫酸盐还原菌的生理、生态和生化特征及其腐蚀机理 和防护措施等开展了一系列的研究，但许多问题还有待深入研究，其研究热点 主要围绕以下几个方面： ( 1 ) 硫酸盐还原菌的生理、生态和生化特性。 ( 2 ) 与硫酸盐还原菌腐蚀有关的氢化酶的研究。 ( 3 ) 铁硫化物对金属基体腐蚀的影响。 ( 4 ) 环境因素对硫酸盐还原菌诱发腐蚀的影响。 在现有的文献的报道中，主要对硫酸盐还原菌引起的腐蚀的机理和防治以 及其生长环境进行了研究。 v o nw l z o g ek i i h r 和v a nd e rv l u g l t 于1 9 3 4 年提h 的阴极去极化理论，是目 前最主要的解释s r b 腐蚀机理的理论。b o o t h ，k i n g 和c o s t e l l o 等人的研究工作 为阴极去极化理论提供了进一步的科学依据，完善和丰富了阴极去极化这一理 论。他们证实了细菌细胞中的氢化酶和硫化氢都可以通过促进去极化来加速金 属腐蚀1 。 k i n g 等人则认为由硫酸盐被还原产生的s p 与铁作用产生的f e s 会附着在铁 表面上形成阴极，与铁阳极形成局部电池，阴极去极化的析氢反应在f e s 表面 上进行，使得金属产生腐蚀乜引。1 9 6 4 年，g o l d m e n 提出了金属腐蚀是由于硫化 亚铁在金属表面形成浓差电池的缘故。吕人豪也提出在循环冷却水系统中，金属 的腐蚀过程也与形成氧的浓差电池有关晗劓。腐蚀过程中刚开始是铁细菌或一些 粘液形成菌在管壁上附着生长并形成较人菌落、结瘤或不均匀粘液层，进而产 生氧浓差电池，然后随着生物污垢扩大，形成硫酸盐还原菌繁殖的厌氧条件， 这就会加剧氧浓差电池腐蚀，同时硫酸盐还原菌去极化作用及硫化物产物腐蚀 使得腐蚀进一步的恶化，直至局部穿孔。1 9 7 7 年，佐佐木等人口剐对硫酸盐还原 菌产牛硫化氢和软钢腐蚀行为之间的关系进行了研究，表明腐蚀速率随h 2 s 浓 度的改变而改变，开始硫化氢浓度升高，电位下降，腐蚀速率随之提高。然而 当硫化氢浓度达到一定量时，造成硫化物保护膜电位上升，此时就会腐蚀受到 抑制。如果介质供氢不足，不能再提供足够的h 2 s 时，腐蚀立即就又得到促进， 这表明关键是硫化膜保护完整不被破坏心副。 一般认为硫酸盐还原菌是严格厌氧的，但是，近来的研究结果表明：一些硫 酸盐还原菌并不是严格厌氧的。材料表而生物膜内有硫酸盐还原菌存在的原因 可能在于此。附着在材料表面的微好氧性硫酸盐还原菌，在有氧时，其生理活 性会受到抑制。但当生物膜慢慢变厚时，上层和中层中的铁细菌和其它好氧菌会 消耗氧气，使底层形成有利于硫酸盐还原菌生长繁殖的厌氧环境，从而引起腐 蚀。所以，硫酸盐还原菌的生理活性与微生态中其它菌群的生理活性密切相关。 另外，俞敦义等人则发现0 1 - 1 5 0 m p a 的压力对s r b 的生长影响不大，但是若 有c a 2 + 的存在，s r b 生长繁殖就会加快瞳7 1 。 湖北大学的康群等人口鄙对来源为江汉油田的污水注水系统中三相分离后出 水中的s r b 生长规律进行了研究，并在此基础上提出了防治s r b 腐蚀的几种物 理方法。例如：周期性地改变注水的矿化度，每隔一段时间改变注水的矿化度( 如 交替地注入高低矿化度水) ，这样可使得注水中的s r b 无法适应这种不断改变 环境，从而达到抑制s r b 生长和繁殖的目的； 周期性改变注水水温，注入热 6 水( 6 5 ) 可以杀灭大部分油田中的s r b ；改变注水的p h 值，通过周期性提高 或降低注水的p h 值来抑制硫酸盐还原菌的生长和繁殖， 以此来控制由s r b 引 起的腐蚀；降低注水中亚铁离子浓度，由于亚铁离子可以促进s r b 的生长，因 此对于f e 2 + 浓度较大的水质，可通过投加化学试剂来减少亚铁离子的浓度，从 而达到抑制s r b 的生长的目的。 国家工业水处理工程技术中心的马一骏等乜叫对吉林油田红岗采油厂注水生 产系统设备腐蚀的原因进行了分析，重点考察了各主要腐蚀因素对设备的腐 蚀，通过对注水水质、油田伴生气和溶解性气体、微生物生长情况及腐蚀垢样 成分的分析，他们认为硫酸盐还原菌长期滋生造成的微生物诱导腐蚀是造成系 统腐蚀的主要原因。 中原油田设计院张筱英啼刚着重研究油田生产系统中防治硫酸盐还原菌腐蚀 的工艺，他认为综合治理才是解决s r b 的腐蚀根本方法。 大连理工大学的陈野等口玎对硫酸盐还原菌腐蚀的防治方法进行了深入研究 后，提出了通过控制环境的物理条件来达到抑制s r b 生长的物理方法，投加杀 菌剂的化学抑制法以及阴极保护法。 l e e 的研究则发现：在铁离子含量很低时，虽然生物膜中f e s 沉淀等粒子增 多，但腐蚀几乎没有发生，因此他们提出若环境中没有铁离子，s r b 就不会引 发腐蚀。另有研究发现，高浓度铁离子对s r b 的正常生长并无抑制作用，f e 2 + 、 m 9 2 + 对于s r b 的生命活动很重要，而m n 2 + 、c u 2 + 、z n 2 + 等对s r b 的生长则会产 生毒害作用口引。钙离子能促进s r b 的生长，但钙离予参与生物膜的形成，增加 了生物膜的致密性，影响了生物膜中细菌新陈代谢所需的营养物质的传输，从 而抑制了生物膜下碳钢的腐蚀过程，但同时也降低了s r b 对杀菌剂的敏感性， 给s r b 的防治带来更大困删3 3 1 。 张小里等口钔发现当环境中矿化度( 即n a c i 含量) 小于0 8 1 8 时，s r b 菌 株可正常生长，当含量在0 9 7 2 - 2 2 8 时s r b 可在沉积物中生长，但当矿化度 大于2 4 5 时s r b 的生长就会完全受到抑制。 据报道在有f e 2 + 存在时，s r b 可以利用乙酸盐和葡萄糖作为碳源，这主要是 因为f e 2 + 是s r b 细胞中很多种酶，例如细胞色素c 3 、铁还原酶、红素还原酶和 过氧化物酶等的活性基团成分，他们通过自生价态的相互转化发挥电子传递的 作用口引。另有研究表明：从油井注入水中分离得到的脱硫弧菌( d r d e s u l f u r i c a n s ) 具有一定耐氧能力，属于兼性厌氧菌，在低还原电位环境下生长更好，且能利 用污油作为碳源，可以f e ”作为电子受体，但因为其细胞内没有硝酸盐还原酶b 引， 7 也就不能以n 0 3 - 作为受体。在对数生长期时h 2 s 释放速率增大，两天之中释放 量达到总释放量的9 5 。也有研究发现：曝氧、除s 0 4 玉、除有机物和细菌共生 拮抗等都可以达到抑制s r b 的生长的效果凹。 近年来随着对硫酸盐还原菌腐蚀的防治的深入研究，又提出了一种新的方 法一微生物保护方法。微生物防治方法就是利用生物竞争淘汰的关系，通过微 生物种群的替代将有害的微生物问题变为有利因素。比方说，如果所用的替代 细菌在生活习性、生长环境等方面与硫酸盐还原菌非常相似，只是它们不产生 h 2 s ，而生成其他对油田无害的产物或者将h 2 s 转化，降低s r b 的腐蚀。这些 细菌注入地层中，就可以与s r b 争夺生活空间和营养底物，使s r b 的生长繁殖 受到抑制，即利用微生物之间的竞争关系来抑制s r b 的生长从而达到防治腐蚀 的目的。 1 3 1s r b 的基本特性 s r b 是将硫酸盐还原成硫化氢的过程中，获得能量而生产的各种细菌的总 和。自然界中硫的最高氧化态s 0 。2 可被大多数的细菌、真菌和植物还原成s 2 。而 进入氨基酸，这一过程被称为“同化硫酸盐还原过程”。 在“异化硫酸盐还原 过程”中，s o , 2 一则是作为氧化剂而使有机物降解。“异化硫酸盐还原过程”是 由硫酸盐还原菌完成的。s r b 是一种具有独特生理特性的原核生物，它具有将 s 0 。2 一作为最终电子受体的能力。它代谢最显著的特点就是有硫化氢的生成。 s r b 大部分为中温菌，最适生长温度为3 0 3 5 ，而高温菌则在5 5 6 0 条件下生长。硫酸盐还原菌生长的p h 值范围比较广泛，一般在5 5 8 5 之 间，最适宜的p h 值为在中性左右。在实验室中分离到的s r b 大多为是轻度嗜盐 菌( 适宜盐度范围为1 4 ) ，分离到中度嗜盐菌的报道不多，最适盐度一般在 1 09 6 左右 1 3 2s r b 的代谢机理 目前对硫酸盐还原菌的合成代谢并不是很了解，对其分解代谢则了解相对 较多，一般把s r b 的分解代谢分为三个过程，分别是分解过程，电子传递，氧 化3 个阶段。s r b 分解代谢三个过程示意图如下式所示： 8 碳源 s o , z + h 2 0 l 黄素蛋白 l 髦全至i 堕堕马l 消耗脚 高能电子i 一，i 1 佰“ i，i c o l + h l o - - c h 3 c o o h s 。一+ o h 一 分解代谢 电子传递氯化 图1 - 1s r b 分解代谢的三个阶段 在分解代谢的第一阶段，碳源的降解是在无氧条件下进行的，同时通过 “基质水平磷酸化”产生少量a t p ：在第二阶段中，前一阶段释放的高能电子 通过硫酸盐还原菌所特有的电子传递链( 如黄素蛋白，细胞色素c 等) 逐级传 递，产生大量的a t p ；在第三阶段中，电子被传递给高价态的硫元素，并将 其还原为负二价的硫离子， 这需要消耗a t p 。在这一过程中，有机物不仅作 为硫酸盐还原菌的碳源，也是其能量的提供者，硫酸盐( 或高价态的硫元素) 则是作为最终电子受体起作用。 硫酸盐是硫酸盐还原菌代谢过程巾的最终电子受体，将被还原成硫离子。 硫酸盐首先在细胞体外积累，然后进入细胞内。在细胞内，初始反应是s 0 。p 的活化，即s o 2 。与a t p 反应并转化为腺苷酰硫酸( a p s ) 和焦磷酸( p p i ) ，p p i 则被快速分解为无机磷酸( p i ) ，这就推动反应不断向左进行。a p s 则会进一 步分解成亚硫酸盐和磷酸酰苷( a m p ) 。亚硫酸盐脱水后又变成偏亚硫酸盐 ( s ：0 5 2 一) ，偏亚硫酸盐极不稳定，很快转化为中问产物连二亚硫酸盐( s ：仉扣) ， 连二亚硫酸盐则会很快转化为s 。0 6 2 一，s 。0 6 2 一则分解成硫代硫酸盐( s 。0 3 2 一) 和亚硫 酸盐( s 0 。2 一) ，s ：0 3 2 一又经过歧化反应，产生s 0 。p 和最终代谢产物s 2 。，s 2 。被排出 体外，进入周围环境，方程式如下图： a t p + s o 1 一垒! ! ：堕墼垡壁，a p s + p p i p p i + h z o 塞登墼曼2 p i a p s + 2 e 尘! 皇望塑屿s o l 2 + a m p g - - 峥s 2 0 s i 一一2 es 2 0 , t - 一2 e ；z 0 3 s s 0 3 z - s z 0 3 s 一各s 。一 峥s 2 0 s 卜一一 一书卜 1 s ! ：i | - 图1 - 2 硫酸盐代谢反应 9 上述s 0 3 2 一还原成s 2 一过程中，需要发生6 个电子的传递，由亚硫酸还原酶 复合物系统逐步催化进行。但又有研究者对此提出了不同的还原途径，如下图： 图1 - 3 亚硫酸盐还原途径 这两中不同还原途径都显示：亚硫酸根离子一还原为负二价硫离子的过程中 有3 种酶参与了亚硫酸盐的还原过程，即：连三亚硫酸盐形成酶，连三亚硫酸 盐还原酶或硫代硫酸盐形成酶和硫代硫酸盐还原酶。据此，可以把硫酸盐还原 过程的三个阶段表示如下图： 2 e 2 e 图卜4 硫酸盐还原过程 1 4s r b i j l 起的微生物腐蚀 微生物腐蚀( m i c r o b i o l o g i c a l l yi n d u c e dc o r r o s i o n ，m i c ) ， 指由于微生物的活 动，直接或间接地加速了金属腐蚀的电化学过程从而引起金属材料的破坏。微 生物腐蚀的显著特征是在金属表面有粘泥的沉积且腐蚀部位带有孔蚀的迹象。 金属、非金属材料如果与土壤和水环境接触，都可能会产生微生物腐蚀。微生 物腐蚀发生在石油、化工、建筑、电力、通信、造船、航空、核能等多个工业 部门，且其腐蚀损失约占总腐蚀损失1 0 左右。参与微生物腐蚀的微生物种类 有细菌、真菌、藻等，其中细菌是主要的金属腐蚀菌。按其对氧的喜好与否可 分为好氧腐蚀菌和厌氧腐蚀菌。好氧腐蚀菌有硫化菌、铁细菌、产粘液异养细 l o 菌和产酸的真菌。前两者之中多数是能够氧化硫化物或低价铁而取得能量，并 以二氧化碳作为碳源的自养茵；后两者则是以有机物为碳源和能源的异养菌。 厌氧腐蚀菌中最主要是硫酸盐还原菌。在一些国家的土壤腐蚀调查中发现代表 性厌氧腐蚀菌大多是脱硫弧菌属。据我国中科院微生物所的研究：我国不同土 壤代表性腐蚀菌为普通脱硫弧菌，并且都含能引起金属腐蚀的氢化酶。对该菌 的腐蚀行为的研究及控制还有待进一步深入研究。 微生物加速腐蚀过程主要是通过使电极电位和浓差电池发生变化而间接参 与腐蚀作用，其影响方式大体可分为以下几类： ( 1 ) 细菌代谢所形成的粘泥沉积在金属表面，从而了破坏保护膜、并构成局 部电池； ( 2 ) 细菌代谢作用会导致氧和其他化合物的消耗，形成通气差电池和浓差电 池，在电池局部发生去极化作用； ( 3 ) 细菌代谢产物所引起的变化： ( a ) 使酸碱度发生变化： ( b ) 改变氧化还原电位条件； ( c ) 使环境的化学状况发生变化( 包括氨、硝酸盐、亚硝酸盐、硫酸盐、硫化 物等在反应中起催化作用其他离子) ； ( d ) 生成或消耗氧而影响环境中氧的浓度。 在油田注水系统和工业循环冷却水系统中，s r b 是引起微生物腐蚀( m i c ) 的 主要因素之一。在厌氧条件下s r b 大量繁殖，产生粘液物质，加速垢的形成， 最终造成注水管道的堵塞。而且管道设施在s r b 菌落下发生局部腐蚀，以致出 现穿孑l ，造成巨大的经济损失。据统计，微生物腐蚀r 吁金属和建筑材料腐蚀的2 0 ， 全球由微生物腐蚀造成的直接经济损失每年约3 0 0 5 0 0 亿美元，而在美国工业生 产中每年就有1 2 亿美元花费在抑制微生物腐蚀的化学杀菌剂上。仅在天然气 工业中，与管道相关的腐蚀损失占总损失的1 5 - 3 0 ，这些腐蚀中7 7 是由s r b 造成的。中国石油天然气总公司的统计数据显示：每年由于腐蚀给油田造成的 损失就达数亿元，而且逐年都在递增，而在这其中硫酸盐还原菌引起的腐蚀就 占了很大的一部分啪3 。因此，由s r b 腐蚀造成的危害越来越受到世界各国的重 视。 国内外针对的生理、生态和生化特征及其腐蚀机理和防护措施等开展了一 系列的研究，但许多问题仍有待更深入的研究。现在针对硫酸盐还原菌的研究 现状和热点主要有以下几个方面： ( 1 ) 硫酸盐还原菌的生理、生态和生化特性。 ( 2 ) 与硫酸盐还原菌腐蚀有关的氢化酶的研究。 ( 3 ) 铁硫化物对金属基体腐蚀的影响。 ( 4 ) 环境因素对硫酸盐还原菌诱发腐蚀的影响。 投加化学杀菌剂是现在油田控制s r b 腐蚀的主要方法 引。但由于长期使用， 导致细菌产生抗药性，需要使用的剂量必须加大，成本也增高了。而且，化学杀 菌剂的毒性也造成了新的污染问题。因此，防治油田s r b 的腐蚀问题还应从微 生物生态学的角度去寻找新的方法，即利用微生物间的拮抗作用来抑制s r b 的生 长和繁殖。 一般认为s r b 是绝对厌氧的细菌，然而张小里等h 叫经过实验测定s r b 的耐 氧度后提出：s r b 可耐受一定的溶解氧，但这种耐受氧的能力是非常有限的。 h a r d y h 等人做覆盖有硫化物生物膜的碳钢暴露在空气前后腐蚀情况的对比实 验时发现，生物膜接触空气之后，碳钢发生了严重的孔蚀他认为这可能与硫化 物膜在阳极区和阴极区的差异有关。有研究表明，很多微生物在s r b 生存的环 境中能生长或者能更好的生长，具有相同的生活习性，并且对钢铁无腐蚀作用。 据此，可以引入与s r b 争夺生活空间和食物营养的细菌种类，从而抑制了s r b 的生长繁殖，达到控制s r b 引起的污染问题。这些细菌可以是异养反硝化菌、 脱氮硫杆菌等h 毛怕3 。 董惠明等人从大庆油田采出水中分离到的硫酸盐还原菌s r b - 2 和反硝化细 菌d n b l ，并着重考察两者之间的生长竞争抑制关系，以及添加营养物质的种类 和浓度对s r b 一2 数量及产硫化氢的影响。其结果表明，当体系加入的硝酸盐浓度 为0 5g l 或亚硝酸盐浓度为0 1 0 5g l 时，d n b - 1 的存在就能够有效抑制 s r b - 2 的生长和硫化氢的产生，且其抑制时间达1 0 天以上，硫化氢的产生则减 少8 5 以上； 当体系中硝酸盐浓度为0 1 - - 0 2 5g l 时，1 0 天之内d n b 一1 对 s r b - 2 生长也有较好的抑制效果，并且硫化氢的产生减少6 5 左右：亚硝酸盐对 s r b 一2 生长的抑制作用好于硝酸盐h 引。 总之，目前对硫酸盐还原菌的关注程度逐年增加，管道腐蚀及环境等各方 而都迫切要求找到抑制硫酸盐还原菌生长的经济且有效的方法。 1 4 1s r b 的腐蚀机理 在油田污水中，由于污水的高含盐量、高硬度、高矿化度，污水处理过程 1 2 的多设备、多辅助剂、多相态，使得s r b 腐蚀作用的机理较为复杂。经统计， 目前关于s r b 腐蚀机理的理论学说主要包括阴极去极化理论、浓差电池的形成 机理、代谢产物腐蚀机理和阳极区固定理论。 ( 1 ) 阴极去极化理论 在污水流速较低，或在局部结垢的垢壳下面的金属表面，s r b 生长繁殖较 快，严重的点蚀就会产生、以至于发生穿孔现象，这加速了腐蚀过程。在污水 回注系统中，流速较慢的除油罐和接收罐罐壁、基本静止的注水井环套空间， 在检查时始终发现有大量的硫化亚铁存在，污水颜色也变为黑色，表明s r b 促 进了金属腐蚀。 k u h r 在1 9 3 4 年提出了硫酸盐还原菌腐蚀的经典机理，他认为阴极去极化 作用是钢铁腐蚀过程中的关键步骤，硫酸盐还原菌的作用会除去金属表面的氢 原子，从而使得腐蚀过程继续进行下去。反应如下： 4 f e - * 4 f e 2 + + 8 e ( 阳极反应) 8 h ：0 8 0 盯+ 8 h + ( 水的电离) 8 h + + 8 e 一8 h ( 吸附于铁表面) ( 阴极反应) s o , + 8 h ( 吸附- s r b ) - - s 2 。+ 4 h ：0 ( 有菌参与的阴极反应) f e 2 + + s 2 。一f e sl ( 二次腐蚀产物) 3 f e 2 + + 6 0 盯一3 f e ( o h ) 2 ( 二次腐蚀产物) 总反应：4 f e + s o , p + 4 h 2 0 一f e sl + 3 f e ( o h ) ：+ 2 0 h - 上述反应所需h + 是由h ：p o 卜、h p 0 4 2 - 电离、s r b 代谢过程中有机酸的电离以 及水的电离所产生的。在整个腐蚀电化学过程中，硫化物，特别是h ：s 所起到 的作用既有阴极去极化作用，又有阳极去极化。在k u h r 的理论的基础上，l i n 等人鄙研究了低碳钢在s r b 存在的环境下的阴极特征。其测定结果符合k u h r 提 出的阴极去极化理论，但是他指出：当环境中含可有接受电子的可还原物质时， 阴极区的去极化速率与细菌的产氢能力相关；当环境中没有可还原的物质时， 阴极去极化的速率与细菌的产氢化能力并无关系。同时，他也认为当细菌胞质 内的还原酶向氧化酶的转换时会有分子氢产生。也就是说，当环境中有可还原物 质存在时，阴极去极化的速率是s r b 的氢化酶活性的函数；当环境中没有还原物 质存在时，阴极去极化的速率只与电极电位有关。 ( 2 ) 浓差电池的形成 浓差电池的形成理论认为：当s r b 产生的s 2 。与f e 发生反应后，生成的f e s 部分作为局部电池的负极，并附着在作为局部电池阳极的f e 表面，在含盐浓度 高的污水的环境中，这一反应得到相互增强，最终导致管材腐蚀的过程加速进 行俐。 s t a r k e y h 7 1 提出：当金属表面有部分被污垢或腐蚀产物如铁的氧化物覆盖时， 气差或者浓差电池就会形成。在大多数情况下，这种类型的腐蚀都伴随着厌氧 腐蚀的过程发生，因为厌氧环境下，s r b 的生长繁殖比较活跃。厌氧微生物的生 长繁殖会导致在金属表面形成氧气浓度较低的区域，这样就会加速腐蚀的发 生。 在添加杀菌剂前，油田污水中的硫酸盐还原菌可达到n 1 0 1 2 个m l ，而在使 用了杀菌剂后，s r b 的数量一般都会下降到n 1 0 个l t l l 以下，所以细菌腐蚀 就有一定程度的减弱。但各类污水罐体的腐蚀仍然继续发生，并产生黑色腐蚀 物，这完全符合局部电池理论的观点。r i n g a s 和r o b i n s o n 于1 9 8 8 年进行了低碳 钢在含s r b 的系统中的完全浸泡实验，经扫描电镜观察表明：在低碳钢表面有 光亮的蚀坑，这些蚀坑是由硫酸盐还原所导致的。 实际的腐蚀机理和过程是很复杂，这其中包括各种浓差电池的形成和h ：s 的 生成。此类型的腐蚀在航空器材和燃料系统的腐蚀中也经常发现。燃料本身可 以为微生物提供生长所需要的主要碳源和氮源及微量元素，微生物的代谢产物 有机酸对飞机起腐蚀作用。 ( 3 ) 代谢产物腐蚀机理 硫化物作用理论 这一理论是由h o r v a t h 等人提出，此理论认为：硫酸盐还原菌的生长代谢提 供了硫化物，而硫化物的作用则加速了钢铁的腐蚀进程。即在硫酸盐还原菌的 作用下，首先发生了下述反应： n a 2 s 0 4 + 4 h 2 _ n a 2 s + h 2 0 ( 在s r b 作用下) 硫化物和介质中的碳酸相互作用生成h 2 s ： n a 2 s + h 2 c 0 3 - - - + 2n a h c 0 3 + h 2 s 而且h 2 s 又可与f e 作用生成f e s ，即f e + h 2 s _ f e s + h 2 此外，s r b 代谢也可提供次磷酸盐，与铁发生作用，参与腐蚀的过程。因 此，硫酸盐还原菌经生长代谢活动，产生了活性硫化物、次磷酸盐等物质，这些 物质加速了集输系统管材表面的腐蚀的发生。 在研究硫酸盐还原菌产生的硫化氢引起低碳钢腐蚀行为时，日本学者发现： 低碳钢的腐蚀过程的快慢随硫化氢浓度的变化而改变，开始时硫化氢浓度不断 升高，氧化还原电位就下降，腐蚀速率