（细胞生物学专业论文）油田硫酸盐还原菌的生物控制技术研究.pdf

摘要 石油二次采油注水系统中，硫酸盐还原菌( s r b ) 的大量繁殖导致地面及地 下设施腐蚀以及硫化物污染，给油田造成了巨大的经济损失。目前油田防治s r b 的主要手段是投加大量的杀菌剂，不仅不能从根本上解决问题，而且费用高， 并严重污染环境。大庆油田s r b 危害尤为严重，对其优势种群的鉴定和生物控 制技术的研究，对消除油田s r b 危害具有重要意义。 本文采用传统微生物学方法与现代分子生物学研究手段相结合，系统评价 了大庆萨南油田注水系统中细菌、特别是s r b 群落结构的动态变化，并从采出 水中筛选和鉴定了优势s r b 及高效反硝化菌。通过构建s r b 和反硝化菌竞争抑 制体系，对s r b 的生物控制开展了初步研究。得到以下主要研究结果： ( 1 ) s r b 大量繁殖主要发生在地面水处理过程中，细菌及s r b 群落结构 都发生了一定程度的变化。( 2 ) 分离的s r b 2 菌株，为可培养的数量上占优势 的s r b ，革兰氏阳性，产芽孢，1 6 sr d n a 鉴定分析显示与g a r c i e l l an i t r a t i r e d u c e n s g e n n o v 有9 9 的相似性，该菌具有很强的硫酸盐还原能力。( 3 ) 通过对厌氧反 硝化菌建立的2 个筛选模型，分别得到了一株异养反硝化菌d n b 一1 ，和自养反 硝化菌的分离培养物，d n b 1 经1 6 s r d n a 鉴定为恶臭假单胞菌( p s e u d o m o n a s p u t i d a ) ，该菌有较强的反硝化能力。( 4 ) 竞争抑制实验i 、1 i 表明：体系中硝 酸盐浓度为0 5 鲫卜1 0g l 或亚硝酸盐浓度为0 1g l 1 0g l 时，d n b 一1 可以 有效降低s r b 2 活性，抑制h 2 s 的产生，抑制时间达1 0 d 以上，减少h 2 s 产生 8 5 以上；硝酸盐浓度为0 1g l 旬2 5g l 时，在1 0d 内d n b 1 对s r b 2 生长 和产h 2 s 活性也有较好的抑制效果，h 2 s 产生减少6 5 左右；亚硝酸盐对s r b 2 生长的抑制作用好于硝酸盐，钼酸盐浓度为0 5g l 时对s r b 一2 生长也具有定 的抑制作用。( 5 ) 竞争抑制实验i 表明：在采出水中添加浓度为0 1g l 的硝酸 盐或亚硝酸盐，同时投加1 的d n b 1 ，可较好的抑制h 2 s 生成；只添加硝酸盐 或亚硝酸盐，也具有抑制h 2 s 的作用，但抑制时间比较短。 研究结果表明：通过添加硝酸盐和亚硝酸盐等营养元素，并投加高效反硝 化细菌，注水系统中s r b 的数量和活性可以得到有效控制。 关键词：油田注水系统；采出水；生物竞争控$ 1 h 硫酸盐还原菌；反硝化细菌 c o r r o s i o na n ds u l f i d ep o l l u t i o nd e r i v e df r o mt h ec o l o n i z a t i o no fs u l f a t er e d u 咖g b a c t e r i a ( s r b ) i nt h ew a t e ri n j e c t i n gs y s t e m ，i t 啪c a l l s i g n i f i c a n tp r o d u c t i o n p r o b l e m sa n ds a f e t yh a z a r d si nt h eo i li n d u s t r y h y d r o g e ns u l f i d eg a si ne v e nr e l a t i v e l ys m a l lc o n c e n t r a t i o n s 啪b ed e a d l yw h e n e n c o u n t e r e du n e x p e c t e d l yi nt h ef i e l d i tc a na l s oc a u s er a p i dc o r r o s i o no fd o w nh o l e a n ds u r f a c ee q u i p m e n t i r o ns u l f i d es c a l eo f t e nc a u s e s c u r r e n t l y , c h e m i c a la n t i s e p t i c sh a v eb e i n gw i d e l yu s e dt oc o n t r o ls r b h o w e v e r , s u c ha c t i o n sc o s tm u c ha n db r i 唱s e r i o u se n v i r o n m e n t a lp r o b l e m s t h eh a r mc a u s e d b ys r b i sm u c hm m es e r i o u si nd a q i n go i l f i e l d s o , i ti sv e r yi m p o r t a n tt os t u d yt h e d o m i n a n ts r b p o p u l a t i o na n db i o - c o n t r o lt e c h n i q u e f o re l i m i n a t i o no fs r b i nt h i ss t u d y , t h em i c r o b i a ld i v e r s i t y , e s p e c i a l l yt h es r b p o p u l a t i o nd y n a m i c si n t h ew a t e ri n j e a i n gs y s t e mf r o ms an a n d a q i n go i l f i e l d , w a sc v 叫u a t c db yu s i n g c l a s s i cm i c r o b i a lc u l t u r i n gm e t h o d sc o m b i n i n gw i t hm o d e mm o l e c u l a rt e c h n i q u e s d o m i n a n ts r ba n dd e n i t r i f y i n gb a c t e r i a 0 ) n b ) w e r ei s o l a t e d a n di d e n t i f i e d m o r e o v e r , b i o - c o n t r o lo fs r bb yu s i n gn i t r a t e n i 仃i t ea n dd n bw e r es t u d i e d p r i m a r i l yw i t h c o n s t r u c t e dc o m p e t i t i v ei n h i b i t i o ns y s t e m m a i nr e s u l t sa a sf o l l o w ： ( 1 ) t h eg r o w t ho fs r bm a i n l yo c c u r r e di nt h es u r f a c ep r o d u m gw a t e rt r e a t m e n t s y s t e m b a c t e r i ac o m m u n i t ys t r u c t u r ea sw e l l 鸹s r bp o p u l a t i o n sc h a n g e dd u r i n gt h e s u r f a c et r e a t m e n tp r o c e s s e s ( 2 ) ag r a m - p o s i t i v e ，s p o r e - f o r m i n gs r bs t r a i ns r b - 2 w a si s o l a t e df l o mp r o d u c i n gw a t e r , w h i c hw a sd o m i n a n tc u l t o r a b l es r b t h ec l o s e s t p h y l o g e n e t i cr e l a t i v eo fs t r a i ns r b - 2w a sg a r c i e l l an i t r a t i r e d u c e n sg e n i o v w i t h 9 9 o f1 6 sr d n as e q u e n c es i m i l a r i t y b u ts r b - 2h a st h ea b l i l i t yt or e d u c es u l f a t e w h i c hi sp h y s i o l o g i c a l l yd i f f e r e n tf i e mi t sc l o s e s tr e l a t i v e s ( 3 ) ah e t e r o t r o p h i c d e n i t r i f y i n gb a c t e r i ad n b - 1w a si s o l a t e da n di d e n t i f i e da sp s e u d o m o n a sp u t i d ab y 1 6 sr r n ag e n es e q u e n c ea n a l y s i s c o - c u l t u r eo fa u t o t r o p h i cd e n i t r i f y i n gb a c t e r i a w a sa l s oo b t a i n e d ( 4 ) h 2 sp r o d u c t i o nw a sd c c f e a s e de f f e c t i v e l yw i t hn i t r a t e n i t r i t e a m e n d m e n t ( o 5g i 一1 0 鲫a n d0 1g l - 1 0 l ) ，i n d i c a t i n gt h a td n b - 1 啪 c o m p e t i t i v e l yi n h i b i ts r b - 2a c t i v i t y t h ei n h i b i t i o ne f f e c tw n sr e t a i n e df o rm o r et h a n 1 0d a y s , a n d8 5 h 2 sp r o d u c t i o nw a sd e c r e a s e d ；d n b - 1c a ni n h i b i ts r b - 2a c t i v i t y a n dh 2 sp r o d u c t i o nw i t h i n1 0d a y sw i t h0 1g ，l ，0 2 5g ln i t r a t ea m e n d m e n ta n d 6 5 h 2 sp r o d u c t i o nw a sd e c r e a s e d t h ei n h i b i t i o ne f f e c t so fn i t r i t ew e r eb e t t e rt h a n t h a to fn i t r a t e m o l y b d a t ec o n c e n t r a t i o no f0 5g lc a na l s oi n h i b i tt h eg r o w t ho f s r b - 2 ( 5 ) t h ea d d i t i o no f0 1 班o fm t m t eo rn i t r i t et o g e t h e rw i t hd n b - 1 i n t ot h e p r o d u c e dw a t e rc o u l dd e c r e a s eh 2 sp r o d u c t i o ne f f e c t i v e l y ；i tc a na l s oi n h i b i ts r b a c t i v i t yi ns h o r t e rt i m ew i t h o u ta d d i n gd n b - i t ot h es y s t e m a l lt h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h es u p p l e m e n t a t i o no fn i t r a t eo rn i t r i t ec o m b i n i n g w i t hd o n i t r i f y i n gb a c t e r i aa d d i t i o nc o u l de f f e c t i v e l yi n h i b i tt h en u m b e ra n da c t i v i t yo f s r b p r e s e n ti nt h e 蛔e c t i n gw a t e rs y s t e m k e yw o r d s ：o f l f i e l dw a t e r 坷e c t i o ns y s t e m ；p r o d u c e dw a t e r ；, b i o - c o m p e t i t i o n i n h i b i t i o n ；s r b ；d n b 油田硫酸盐还原菌的生物控制技术研究 论文独创性声明 本人承诺：所呈交的学位论文是本人在导师指导下所取得的研究成果。论文 中除特别加以标注和致谢的地方外，不包含他人和其他机构已经撰写或发表过 的研究成果，其他同志的研究成果对本人的启示和所提供的帮助，均已在论文 中做了明确的声明并表示谢意。 学位论文作者签名：巷蕴阿铽 同 期：立叼，岁。刁 学位论文版权的使用授权书 本学位论文作者完全了解辽宁师范大学有关保留、使用学位论文的规定， 及学校有权保留并向国家有关部门或机构送交复印件或磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本文授权辽宁师范大学，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库并进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。保密的学位论文在解密后使用本授权书。 学位论文作者签名：老蓼帽 指导教师签名：衫f 孚氏 日 期：叼，习 油田硫酸盐还原菌的生物控制技术研究 第一章前言 第一节油田注水系统硫酸盐还原菌腐蚀现状 1 1 油田注水系统硫酸盐还原菌腐蚀概况 由微生物的生命活动引起或导致材料腐蚀进程的现象统称为微生物腐蚀 ( m i c ) i l j 。m i c 是1 9 1 0 年由r h g a i a n e s 首次提出来的，这类细菌在油田污 水系统中全程存在。在油田注水系统和工业循环冷却水中，硫酸盐还原菌 ( s u l f a t e r e d u c i n gb a c t e r i a ，简称s r b ) 1 2 1 是引起微生物腐蚀及环境污染的主要 因素之一，它在微生物腐蚀中的独特重要性被称为“m y t h s o f m i c 叫引。 自1 8 9 1 年g a r r c t t 从埋藏在地下的钢材的腐蚀产物中第一次分离出s r b 以来， s r b 引起的腐蚀越来越受到人们的重视附i s , t l 。s r b 是将油田污水中的s 0 4 2 中的 s ”还原成s 厶，进而生成副产物h 2 s ，获得能量而生存的各种细菌的统称删。s r b 是一类形态各异、营养类型多样、能利用硫酸盐或者其它氧化态硫化物作为电 子受体来异化有机物质的严格厌氧菌。目前，我国多数油田已处于二次采油后 期，注水量大，每年产生约7 亿m 3 的污水，绝大部分需要处理后回注【们。大量实 验证据表明，在油田注水系统中，s r b 成群悬浮在水体中或成群附着在管壁上， 对金属表面的去极化作用使管道和设备的腐蚀速率增加1 5 倍1 1 0 j ，其特征为点蚀。 l u e k o r i u s 指出，一个壁厚约4 0 0 a n 的钢管在细菌腐蚀下，6 0d b p 穿孔，腐蚀速率 为2 4m m a 儿】，深度有时可达1 0m m 以上1 1 2 1 。腐蚀产物主要为硫化亚铁和氢氧化 亚铁，菌体本身和腐蚀产物被油污包裹造成管线和地层堵塞l n l ，造成注水量下 降，直接影响原油产量，造成巨大经济损失。s r b 在设备、管线中大量繁殖而产 生的腐蚀产物，悬浮在油水界面，在油田联合站脱水系统中形成黑色过渡层， 主要成分为胶态硫化物( 包括硫化亚铁颗粒) 0 4 1 ，随着黑色过渡层厚度积累， 导致电脱水器运行不稳、跳闸或直接造成电脱水器极板击穿的事故，已对油田 安全生产构成威胁。s r b 还可以降解聚丙烯酰胺等聚合物，导致驱油效率大大下 降i 堋。硫化物的存在还导致油品加工性能变坏，降低了油气产品的价值。产生 的硫化氢不仅污染环境，还对现场工人造成身体伤害【1 6 1 。石油工业中的微生物 腐蚀及硫化物污染问题已经引起高度重视。 微生物腐蚀在金属和建筑材料的腐蚀破坏中占2 0 左右旧。我国每年因金属 腐蚀而造成的经济损失高达2 8 0 0 亿人民币，约占国民生产总值的4 ，其中油田 油田硫酸盐还原菌的生物控制技术研究 油气设备管道的腐蚀是相当严重的【埘】。据中国石油天然气总公司1 9 9 2 年的统计 数据显示，每年由于钢铁腐蚀给油田造成的损失约为2 亿元，其中约5 0 是由s r b 引起的。美国每年因微生物腐蚀直接造成的损失达4 0 0 一6 0 0 亿美元【1 9 1 ，其生产油 井中发生的腐蚀7 7 以上是由s r b 造成的刚；英国有9 5 的地下腐蚀主要由s r b 引起的【2 。 因此，研究s r b 腐蚀的防治方法，对实际工业生产有着重要的意义。目前， 国外主要侧重于对s r b 腐蚀的机理及常规的防护措施的研究，提出了各种不同的 观点和防护方法，但迄今为止，尚未从根本上解决这一问题。国内对油田环境 下微生物对金属的腐蚀尚未进行系统的研究，各油田仅采取了投加杀菌剂等方 法试图控制s r b 的腐蚀，但杀菌剂不能永久消除由于s r b 引起的硫化物产生l 碉。 同时，杀菌剂的使用也带来非常严重环境问题l 卸。因此，减缓s r b 引起的腐蚀 及其它危害，一直是困扰石油工业健康发展的一个难题。 1 2 大庆油田基本情况和硫酸盐还原菌腐蚀现状 大庆油田是我国目前最大的油田，也是是世界上累计产油超过l o 亿吨的1 1 个特大油田之一。油田位于黑龙江省西部，松嫩平原北部，由萨尔图、杏树岗、 喇嘛甸、朝阳沟等4 8 个规模不等的油气田组成，面积约6 0 0 0 平方公里。勘探 范围主要包括东北和西北两大探区，共计1 4 个盆地4 8 个区块，勘探面积2 3 万 平方公里。大庆油田自1 9 6 0 年投入开发建设以来，截止2 0 0 4 年底，生产原油 1 7 7 4 亿吨，天然气8 4 7 3 1 亿m 3 ，占全国同期陆上石油总产量的4 0 以上。曾 连续2 7 年保持年产原油5 0 0 0 万吨以上，累计向国家和地方上缴各种资金4 0 6 1 亿元，同时承担原由价差4 1 9 0 亿元，累计出口原油3 5 2 亿吨，创汇4 9 5 亿美元， 有力地支撑了国民经济的发展i 驯。 过去，大庆油田普遍被认为是低含硫的油田。2 0 世纪8 0 年代以前，伴生气 中基本不含h 2 s 。9 0 年代中期以后，发现大庆长垣老油区的伴生气中含有h 2 s ， 并且含量略显上升趋势。到2 0 0 2 年，油田天然气总外输h 2 s 含量已达2 3 9m g m 1 。 在h 2 s 含量增加的同时，油田伴生气中的o d 2 ，含量也在近2 0a 间增加约1 0 倍p j 。 目前，大庆油田注水系统中s r b 含量很高，有时高达1 0 5 个m l ，油田各注水站水 质的s r b 达标率仅为3 8 ，大多数水质不合格，各主力采油场普遍存在s r b 超标 问题。大量的s r b 给油田的注水系统带来了严重危害，2 0 0 4 年7 月采油四厂杏二 联由于硫化物问题导致关闭生产井，目前油田受s r b 和硫化物干扰的处理站多达 2 油田硫酸盐还原菌的生物控制技术研究 3 8 座闭。有数据表明，每年管线穿孔次数均在千次以上，呈上升趋判朋，油田 某些电泵井套仅7a 即发生渗漏，而同期水井管套腐蚀的平均年限为2 8 年【翟l ，如 果按目前的管道更新速度预测，到2 0 1 0 年大庆将会累计4 2 0 0 4 6 0 0 k m 的待更换 管道，届时埋地管道的腐蚀形势将更加严峻【2 9 1 。同时据统计表明，近年来油田 外输原油中总硫含量呈明显上升趋势，天然气中h 2 s 含量也在上升。目前，对油 田伴生气出现h 2 s 的原因尚未完全搞清楚。由于松辽盆地沉积岩层中不存在硫酸 盐地层，部分学者认为是油田注水开发后期微生物还原作用形成的l 冽。 第二节硫酸盐还原菌的生理生化特性和腐蚀机理 2 1 硫酸盐还原菌的分类和特点 硫酸盐还原菌( s u l f a t e - r e d u c i n gb a c t e r i a ) ，通常是指通过异化作用进行硫 酸盐还原的一类细菌，一般来说，它们是一类严格的厌氧细菌，1 8 9 5 年由 b e i j i e r i n c k l 3 0 1 ，发现，迄今已经有百年的历史。在相当长的一段时期内，人们对 s r b 的研究进展缓慢。2 0 世纪7 0 年代以前，确认的s r b 只有脱硫弧菌 ( d e s u l f o v i b r i o ) ，脱硫肠状菌( d e s u l f o t r a a c u l u m ) 和脱硫单胞菌( d e s u l f o m o n a s ) 等3 个属p 1 1 。在此之后，经过许多学者的研究和成功的分离，发现除了上述3 个 属外，s r b 还存在着其他不同的属和种。1 9 8 4 年出版的第一版贝捷氏系统细菌学 手册第一卷中，n i d d e l 和p f e n n h y 提出了s r b 的属检索表，把所有的能还原硫酸盐蟹 或元素硫的细菌归属为8 个属。此后，又有一些新的属和种被陆续分离和命名 据不完全统计，目前s r b 己有1 2 个属，近4 0 + 种。 根据能否形成饱子而把s r b 分为脱硫弧菌属和脱硫杆菌属两大类。在自然 环境中遇到的s r b 几乎都是脱硫弧菌属。脱硫弧菌属大部分0 5 1 0 x 2 5 芦m ， 稍稍弯曲的圆筒状，属革兰氏阴性菌，有鞭毛能运动，可形成抱子，具有细胞 色素b 1 3 2 1 。根据s r b 最适宜生长的环境温度可以将其分为常温菌，嗜热菌及嗜 冷菌。常温菌最适宜的生长温度为2 5 3 7 ，嗜热菌最适宜的繁殖温度为5 5 ， 甚至在6 5 。7 0 c 也能生长：嗜冷菌则甚至可以在冰点左右生长i 叫。在工程应用 中，国内外学者依据s r b 对底物利用的不同将其分为三类p 卅，即氧化氢的硫酸 盐还原菌h s r b ，氧化乙酸的硫酸盐还原菌a s r b ，以及氧化高级脂肪酸的硫酸 盐还原菌f a s r b ，其生长最适宜的p h 值为7 2 左右，但是生长的p h 范围较宽， 当p h 为5 5 棚之间也能生长良好。s r b 旺盛的繁殖所需要的还原条件比仅仅简 3 油田硫酸盐还原菌的生物控制技术研究 单地通过排氧所需的条件严格，若要使细菌旺盛生长，培养基的氧化还原电位 必须为1 0 0m v 左右( 相对于标准电极s h e ) 。然而在没有干扰因素存在的前提下， 即使微量的生长也将产生足够的h 2 s 来减低氧化还原电位，使之达到更合适的 数值，以至一旦生长开始就趋于加速生长i 叫。s r b 在微量氧的存在下也能够存 活。s r b 的生长还需要合适的盐含量，一般生长合适的氯化钠含量为2 - 6 1 3 5 1 。 s r b 普遍生长于土壤、河水、海水、油田中，近期又发现在地下7 1m 的粘 土及水深3 0 0 0m 的海底也有这种细菌的存在。 在无氧状态下，s r b 利用乳酸或丙酮酸等有机物作为电子供给体，用硫酸 盐作为末端电子接受体，将s 0 4 2 - 还原为妒而繁殖的一群专性厌氧菌。s r b 呼 吸总反应为【3 7 】： 2 c h 3 c h o c o o h + s 0 4 2 4 - 4 h r + 2 c h 3 c o o h + 2 c 0 2 + s 2 + 2 h 2 0 s r b 在自然界硫的生物循环中起着重要的作用，对金属的腐蚀作用与此过 程有判3 8 l 。 近年来科研人员通过对某些油田水的鉴定认为挥发性脂肪酸( a ) 在油 田微生物学方面至关重要，它为微生物在油田中的繁殖提供了天然碳源，它作 为s r b 在油层中生长的主要碳源对油田起着诸多的有害作用 s r b 硫酸盐十v f a + 细胞十c 0 2 十h 2 s v f a 在油层中十分普遍，它是s r b 驱动这一过程的良好基质。在油层中 v f a 主要为醋酸盐和丙酸盐( 其比例为2 5 ：1 ) 1 3 9 1 ，s r b 利用油层中的v f a 生 长繁殖，产生大量的t 1 2 s 气体，从而导致油田变酸，原油质量降低，加速了油 田管材的腐蚀。 培养s r b 通常需要含有硫酸盐的特殊培养基，并在培养基中加入亚铁盐。 判断s r b 是否存在的传统方法是以产生全黑的菌落或液体培养基全部变成黑色 为依据。这是因为s r b 繁殖过程中产生特征气体h 2 s ，h 2 s 与培养基中亚铁盐 反应产生黑色的铁的硫化物l 帅】。 2 2 硫酸盐还原菌腐蚀作用机理 在厌氧条件下，s r b 诱发的腐蚀在钢铁材料微生物腐蚀中占主导地位，人 们己对s r b 的腐蚀机理、环境因素等方面做了大量的研究。在腐蚀机理方面，主 要有以下几种理论：阴极去极化理论，浓差电池理论，沉积物下酸腐蚀理论等。 4 油田硫酸盐还原菌的生物控制技术研究 2 2 1 阴极去极化理论 1 9 3 4 年，k u h r 率先提出t s r b 对金属腐蚀的阴极去极化理论1 4 ，这是目前 最经典的s r b 腐蚀机理，他认为阴极去极化作用是钢铁腐蚀过程中的关键步骤， s r b 的作用是将氢原子从金属表面除去从而使腐蚀过程继续下去。反应如下： 阳极反应：4 f c 4 f e 2 + + 8 e 阴极反应：8 w + 8 e 斗8 h s l m 引起的阴极去极化作用： s 0 4 2 _ + 8 h _ s 2 “h 2 0 水分解： 4h 2 0 。8 w + 8 0 h 腐蚀产物：r 尹+ s k f e s 3 f e 二+ 6 0 l - i + 3 f e ( o r 0 2 整个腐蚀反应是： 4 f e + s 0 4 + + 4 - 1 2 0 _ f e s + 3 f e ( c i f i ) 2 + 2 0 f r 因此，造成了金属构件的局部损坏，并生成黑色的硫化物。s 砌 的代谢产物 与金属机体相互作用，加速了金属的腐蚀作用。 s r b 参与钢铁腐蚀的作用机理示于图1 1 根据k u h r 的理论，b o o t h 等阳l 测定了低碳钢在s r b 存在的介质中的阴极特 征，结果支持k u h r 提出的阴极去极化理论。但是，b o o t h 等人同时指出，当系统 中含有作为电子受体的可还原物质时，阴极区的去极化率与细菌的产氢能力有 关；反之，当系统中不存在可还原物质时，阴极的去极化率与产氢能力无关， 他们认为，细菌细胞质内的还原酶向氧化酶的转化产生了分子氢。因此，在可 还原物质存在时，阴极去极化率是细菌的氢化酶活性的函数，而可还原物质不 存在时，阴极去极化率只与电极电位有关 2 2 2 浓差电池理论 1 9 5 8 年，i 扫s t a r k e y 提出的，他认为当部分金属表面有污垢或腐蚀产物如铁 的水化物覆盖时，会形成浓差电池或气差【州。在很多情况下，这种类型的腐蚀 伴随着厌氧腐蚀，因为此类条件下，在金属表面附近形成了低氧区，形成了适 合s r b 生存的环境，从而加速了原先已经存在的腐蚀。这样，各种有机物和无机 物就会阻止含氧水到达金属表面。1 9 6 4 年，g o l d m e n 认为，金属腐蚀是由于硫化 亚铁在金属表面形成浓差电池而产生的【4 3 l 。吕人豪也提出金属的腐蚀过程与形 5 油田硫酸盐还原苗的生物控制技术研究 成氧的浓差电极有关川。 图1 - 1 厌氧环境中油i 田微生物导致的钢铁生物腐蚀过程 _ 蟹1 1 t h e b i o e l e c t m h e m i c a l i n 晒”纽t k m o f t h e b i o c o r r o s i o n p r o c e s s o f c a r b o n s t e e l i n a n o x i ce n v i r o n m e n t s 4 2 1 2 2 3 局部电池理论 1 9 r 7 1 年，r a n g 等【4 5 】提出：s r b 产生的s 厶与f e 作用产生的f e s 附着在f c 表 面上作为阴极，与f c 阳极形成局部电池，使金属发生腐蚀。 2 2 4 代谢产物理论 r a k i n g 等人发现代谢产物中浓度较高的f c “对低碳钢厌氧腐蚀有促进作 用【拍i 。佐佐木等人发现软钢腐蚀速率随s r b 产生的h 2 s 浓度而改变p t 。l v e r s o n 等 人认为，s r b 的厌氧腐蚀也是由于其代谢产生了具有较高活性及挥发性的磷化物 的结果，磷化物与基体铁、s r b 产生的h 2 s 、次磷酸盐与铁作用都可产生磷化铁， 加剧了基体铁的腐蚀1 4 7 1 。因此，有人【4 8 l 提出，s r b 代谢产物形成的腐蚀产物膜 ( 如f e 2 + ，h 2 s ，磷化物等) 会加速金属的局部腐蚀。 2 2 5 沉积物下的酸腐蚀理论 酸腐蚀理论【叫的依据主要是绝大多数m l c 的最终产物是低碳琏的脂肪酸， 其中较常见的是醋酸。当醋酸在微生物腐蚀沉积物下浓缩时，对碳钢有很大的 侵蚀性。在含氧环境中，紧靠沉积物下面的区域相对于周围的大阴极成为小阳 极。氧的阴极还原反应导致金属周围溶液的p h 值变大，金属在阳极区形成金属 阳离子。如果金属氢氧化物在溶液中是热力学稳定相，金属离子会被水解成： 6 油田硫酸盐还原菌的生物控制技术研究 如果阳极区和阴极区是隔离的，阳极区的p h 值会下降，阴极区的p h 值上升l 廿j 。 2 2 6 阳极区固定理论 由于约9 0 以上的m i c 以孔蚀为主，p o p e 等人刚提出了阳极区固定机理。他 们认为，在金属表面微环境内形成闭塞电池的过程中，由于细菌一般以菌落形 式生长，大部分细菌都固定在由细菌引起的蚀坑周围，这使得阳极区固定。他 们还提出一个m i c 形成发展模型，并预测，若m i c 进人较高阶段，已不能用简单 的化学处理方法杀死微生物，必须用机械清除、化学清洗、化学处理或者三者 的结合才能除去。 在上述所有有关s r b 致腐蚀作用的机理中，阴极去极化理论是目前最主要的 s r b 腐蚀机理，但其它机理也都有其合理性，也可以解释部分m i c 的情况。 第三节硫酸盐还原菌腐蚀的防护 3 1 抑制硫酸盐还原菌腐蚀的常用防护措施 3 1 1 物理方法 3 1 1 1 紫外线照射和超声波处理 紫外线具有杀菌作用，利用紫外线处理油田注水可以杀灭水中的$ r b 。一般 紫外线灯在2 6 0b i l l 波长附近有很强的辐射，而这个波长恰好可以为核酸所吸收 川。因而，紫外线照射一段时间可以杀死s r b 。同时，外加超声波来抑制s r b 的一 生长也在逐渐被重视起来。当声波频率在9 0 - 2 0k h z s 以上的超声波时，即可以 使细菌内容物受到强烈振荡而使s r b 被破坏【2 ”，以达到防止s r b 腐蚀的目的。 3 1 1 2 改变硫酸盐还原菌生长介质 s r b 只有在合适的环境条件下才能生长繁殖，因此可以通过控制环境的物理 条件来控制s i m 的腐蚀。 ( 1 ) 温度 根据s r b 生长对温度的要求，可将其分为两种：中温菌最适温度一般在3 0 3 5 左右，高温菌最适温度一般为5 5 棚，而在油田中最适宜s r b 生长的温度 为2 0 - - 4 0 。因此，在一定条件下，周期性注入热水( 6 0 ) 可以杀死油田中的 s r b l ”。 ( 2 ) p h l l $ r b 生长的p h 值范围比较广泛，一般在5 5 8 5 之问，最适宜的p h 值为7 肌7 5 7 油田硫酸盐还原菌的生物控制技术研究 在厌氧条件下，当p h 值低于5 5 或高于8 5 时，s r b 即不能生存i 矧。所以，可以通 过提高环境的p h 值来抑制s r b 的生长和繁殖，以此来控制s r b 的腐蚀。 ( 3 ) 矿化度 盐对s r b 的影响是通过水中渗透压的变化影响细菌物质运输的过程。盐浓度 过高会引起细胞的脱水死亡【5 3 1 。当环境中n a c i 含量小于0 8 1 8 时，s r b 可以正常 生长，n a c i 含量在0 9 7 2 2 2 8 0 时，可以在沉积相中生长，n a c i 含量大于2 5 4 0 时， s r b 的生长完全受到抑制1 6 1 。所以在条件允许时，向环境中注人高矿化度水或者 n a a 溶液可以抑制s r b 的生长 ( 4 ) 溶解氧 一般认为s r b 是绝对厌氧菌，所以氧气对s r b 的生长会产生很大的影响。油 田系统中采用短时曝气法来杀灭水中的s r b 。然而，在利用游离氧杀灭厌氧细菌 的同时，也给本来严格厌氧的体系提供了曝气的机会在曝气期间，金属的腐 蚀速率将会明显地高于原有的厌氧腐蚀速率，其点蚀更为严重1 5 4 1 。张小里1 5 2 1 等 通过实验测定了s r b 的耐氧度，指出短时曝气法难以杀灭水中的s r b ，其可以耐 受4 5m g i 的溶解氧。因此对此类短时曝气法需要重新进行评价。 3 1 2 化学方法 化学方法是最简单而又行之有效的控制s r b 腐蚀的方法。目前在油田和冷却 水系统中被广泛使用，其主要途径是通过投加杀菌剂杀死s r b ，或投加抑制剂来 抑制s r b 的生长繁殖。目前，在我国常用的杀菌剂为季胺盐、醛类、杂环类以及 它们的复配物，如十二烷基二甲基苄基氯化铵( 1 2 2 7 ) 和甲硝唑等。但是由于 杀菌剂在环境中分布不均匀，使局部位置的s r b 长期处于低浓度的抗菌物环境中 而不能被杀死，其中的少数个体最终形成了对杀菌剂的抗药性【5 5 1 ，使杀菌剂的 浓度逐渐提高，大大增加了处理的成本。同时，研制一种高效、环保的新型杀 菌剂正成为实验室研究的热点，并己经有所突破 5 6 , 5 7 。但实验室内的试验结果不 一定能直接推广到现场条件下使用，仍需补做现场试验。 3 1 3 阴极保护法 在污水处理系统相对集中的局域，可采用阴极保护的措施，建设阳极井， 减轻以阴极去极化机理进行腐蚀的微生物的生长，从而达到防腐的目的。在实 践中，阴极保护和防护层结合使用更经济合理，是一种减缓和防止管道腐蚀的 有效措施。 3 1 4 选择合适耐m i c 腐蚀材料 8 油田硫酸盐还原苗的生物控制技术研究 s r b 对材料的腐蚀几乎存在于所有常用的金属工程材料和合金中，包括铁、 钢、不锈钢、铝、锌、铜及其合金都能发生s r b 弓i 起的腐蚀。研究表明s r b 也能 引起高压石墨环氧复合物的污损，过去一般认为铜对s r b 机体有毒性，但研究表 明s r b 对铜有一定的适应性，且对铜的腐蚀产物主要为c u 2 s 。f a v a h e r d a s h t i 1 5 s l 等的实验研究发现，用于钻杆的n 8 嗍在存在s r b 的介质中腐蚀速度约为无s r b 生长时的6 倍以上。但对于钛及钛合金却有很好的抗s r b 腐蚀性能，在材料表面 涂上一层钛或在材料表面形成钛合金即可有效防治s r b 腐蚀，这是由于钛或钛合 金形成了t i 0 2 薄膜，它能在p h 为2 和温度为1 条件下保持完整【2 】。 3 1 5 目前杀菌方法存在的问题 抑制s r b 对金属造成腐蚀的方法很多，最常用的方法还是投加杀菌剂，但存 在很多问题： ( 1 ) s r b 常与其他微生物共存于微生物产生的多糖胶中而被保护起来，杀 菌剂不易穿透，由于其处于硫化氢的还原性环境中，使得一般的氧化型杀菌剂 很难起到有效的杀菌效果。 ( 2 ) 由于生物膜的存在，使细菌抑制剂的活性降低，杀菌剂失效。 ( 3 ) 少数s r b 个体由于染色体的抗药性突变，或者生理适应方式，最终形 成了对杀菌剂的抗药性交得耐刻捌。使杀菌剂的投加浓度逐渐提高，大大增加 了处理的成本。 ( 4 ) 杀菌剂在环境中分布不均匀，使某些位置的s r b 长期处于低浓度的抗 菌物环境中而不能被杀死，常规的杀菌方法只能杀灭水中非附着状态的s r b ，而 对于附着生长在构筑物壁上的s r b 的杀灭效果不好，导致杀菌不彻底，药效持续 时间短。 ( 5 ) 目前采油工业多实行二次，甚至三次采油。聚丙烯酞胺已经成为油田 采出水中的主要碳源f e e l ，s r b 可以降解聚丙烯酞胺，降低采油效率。但尚未见 针对聚合物的杀菌剂( 或者生物抑制剂) 的研制。 ( 6 ) 杀菌剂的大量使用，也给环境治理增加新的负荷。 由此可见，寻找一种低成本、长期高效、环保的抑制途径实为必要，以物 理一化学以及生物控制技术相结合，特别是复合型的生物抑制剂的研发是一个 重要的研究方向。 9 油田硫酸盐还原菌的生物控制技术研究 3 2 微生物防治方法 微生物防治方法就是利用微生物的方法一生物竞争抑制( b i o c o m p e t i t i v e e x c l u s i o n ，b c x ) 作用1 6 1 j ，即通过微生物群的替代，以减少有害微生物的数量 或去除有害的代谢产物，就油田而言，希望替代微生物能够产生天然气、聚合 物、表面活性剂，防止和除去硫化物的同时提高油层采收率。微生物防治方法 机理【6 1 l 是：所用细菌在生活习性上与s r b 非常相似，只是它们不产生h 2 s ，这些 细菌注入地层和s r b 生活在同一环境中，具有和s r b 争夺生活空间和食物营养的 能力，从而抑制s l m 的生长繁殖。另一机理是：某些细菌可以产生类似抗生素类 的物质直接杀死s l m ，或代谢s r b 产生的硫化物，也就是利用微生物之间的共生、 竞争以及拮抗的关系来防止微生物对金属的腐蚀。 f a r q u h a r 6 2 j 就微生物导致腐蚀研究趋向的评论中指出，研究开发有效、低费 用的微生物防治技术应是今后需特别强调的一个方面。据报划4 2 j ，某些厌氧细 菌( 尤其是梭状芽抱杆菌) 和营养物( 糖类、磷酸盐) 一起注入油层时，这些 细菌的代谢产物可抑制或杀死s r b ，且代谢产物的产量可通过注入介质中的糖 类浓度来控制。1 9 9 5 年，加利福利亚的电力研究所l j 调查了一种新防腐方法， 即利用细菌产生的再生聚合物生物膜防止腐蚀。h e m a a d e z 等1 6 3 , 6 4 1 研究了低碳钢 在接种了p s e u d o m o n a ss p 艘( 属于假单胞菌) 和s e r r a t i a m a r c e s c e n s ( 粘质沙雷 氏菌) 的人工海水中的腐蚀实验，结果显示两种细菌均可降低低碳钢在人工海 水中的腐蚀速率；j a y a r a m a n 等【舒j 研究了在3 0 的l b 培养基和模拟海水中，纯 p s e u d o m o n a s f r a g i ( 莓实假单胞菌) 和e s c h e r i c h i a d h s a ( 属于肠杆菌科) 生物 膜对碳钢( s a e l 0 1 8 ) 腐蚀的抑制作用，连续培养实验和电化学阻抗谱说明在接 种两菌的l b 溶液和模拟海水中，碳钢的腐蚀速率均降低，为空白溶液的 1 4 0 - - 1 4 ；j a c k 等【删的研究发现与无菌溶液相比接种了b a c i l l u ss p 9 属于芽抱杆 菌) 、h a f n i aa l v e i ( 蜂房哈夫尼菌) 的钢铁的腐蚀速率起初可降2 - 6 倍，1 7d 后与无菌溶液相同。 3 2 1 利用反硝化菌抑制硫酸盐还原菌腐蚀 反硝化菌( d e n i t r i f y i n g b a c t e r i a ，简称d n b ) 是近年来发现的在油田采出水 系统中具有竞争优势的拮抗菌，具有较高的生物多样性。所有反硝化菌在还原 硝酸盐为分子氮时，都需要一个无氧环境和它们可利用的还原性基质，主要为 有机物，只有脱氮硫杆菌( t h i o b a c i l l u sd e n i t r i f l c a n s ) 的还原性基质是硫化合物。 1 0 油田硫酸盐还原菌的生物控制技术研究 因此，在厌氧条件下起反硝化作用的菌群主要分为两大类： 3 2 1 1 异养反硝化菌 异养反硝化菌种类很多，它们多为革兰氏染色阴性的杆菌，有专性好气菌 如铜绿假单抱菌、脱氮微球菌和兼性厌气菌，如地衣芽抱杆菌，蜡状芽抱杆菌 等，其中兼性厌气菌在缺氧的条件下能够利用