载人航天器下行细菌对LY12铝合金腐蚀行为的影响

陈景威，随 欣，张乃夫，高龙成，吴志强，秦利锋，谢 琼，刘长庭，杨 宇，杨 军∗

（1.仿生智能界面科学与技术教育部重点实验室，北京航空航天大学化学学院，北京100191；2.中国航天员科研训练中心人因工程国家重点实验室，北京100094；3.中国人民解放军总医院南楼呼吸科，北京100853）

载人航天器下行细菌对LY12铝合金腐蚀行为的影响

陈景威1，随 欣1，张乃夫1，高龙成1，吴志强2，秦利锋2，谢 琼2，刘长庭3，杨 宇1，杨 军1∗

（1.仿生智能界面科学与技术教育部重点实验室，北京航空航天大学化学学院，北京100191；2.中国航天员科研训练中心人因工程国家重点实验室，北京100094；3.中国人民解放军总医院南楼呼吸科，北京100853）

针对载人航天器舱中材料的微生物腐蚀问题，采用腐蚀失重法、溶解性元素浓度分析、形貌观察和电化学测试等，评估了载人航天器神舟九号和神舟十号舱内的三株下行细菌对LY12铝合金腐蚀行为的影响。与无菌对照比，LY12铝合金在接种菌H1、H3和菌S10⁃1体系中的腐蚀速率分别增加了9.09%、2.26%和22.71%，溶解性铝浓度分别增加了44.74%、31.58%和30.53%。扫描电镜显示LY12铝合金表面形成了一层生物膜和腐蚀产物，清洗后表面腐蚀程度更加明显。电化学分析表明：细菌能改变铝合金表面的电化学性质进而加速腐蚀过程。

微生物腐蚀；载人航天器；细菌；LY12铝合金；腐蚀行为

1 引言

将由于微生物生命活动引起或促进的材料腐蚀现象统称为微生物腐蚀（MIC，Microbiologically Influenced Corrosion）［1］。地面研究发现，单一或混合菌能粘附在材料表面形成微生物膜，可使不锈钢、碳钢、铜、铝及其合金、混凝土、高分子材料等遭受严重的腐蚀［1］。

在载人航天器舱室中，尽管航天服、装船产品等在进舱前都要经过严格地消毒，微生物仍会随航天员的身体、人体分泌物或航天部件等进入［2⁃5］。载人航天器密闭环境不仅能为微生物的大量生长提供适宜的条件，而且空间环境还具有一些特殊环境因素，如微重力、高真空、极度温差、弱磁场和粒子辐射等，这些特殊环境因素可能导致微生物产生变异，降低它们对生存环境的要求，进而使其更加容易生长和繁殖［6］。美国和俄罗斯等已对和平号空间站和国际空间站开展了调查，发现微生物污染非常严重［2⁃5］。采样过程中，发现微生物对密闭舱中的管道、仪表盒、循环水仪、热控器、空调、氧气电解器、电绝缘套、开关连接器和取景窗等产生了明显可见的腐蚀现象［2⁃5］。微生物对材料的腐蚀会引起设备故障，严重影响载人航天器的安全和寿命［7］。

针对载人航天器舱室中材料的微生物腐蚀问题，美国国家航空航天局（NASA）和俄罗斯宇航局采用从和平号空间站和国际空间站分离获得的微生物菌株开展了近二十年的航天材料微生物腐蚀机理与评价的研究，并建立起较为完善的微生物腐蚀评价方法［8⁃13］。同时规定在飞行任务中使用的材料应评估其微生物腐蚀安全性后才能被采用［8⁃13］。当前，我国在该领域的研究尚处于初级阶段，只是利用飞船搭载的微生物对几种常见的航天器材开展了初步的霉腐实验［14］，尚没有采用从载人航天器舱内直接分离的微生物开展航天材料微生物腐蚀机理与评价的研究。

本研究采用从神舟九号及神舟十号中分离得到的三株细菌H1、H3和S10⁃1，对常用航天材料LY12铝合金进行腐蚀实验。通过比较LY12铝合金在接种菌株与无菌对照体系下的腐蚀速率、表面腐蚀形貌和电化学性质的变化，研究三株分离细菌对LY12铝合金腐蚀行为的影响，旨在为预防评估和控制航天材料的微生物腐蚀提供理论依据。

2 材料与方法

2.1试验材料

试验材料为LY12铝合金（铝合金是目前载人航天器服役的主导材料，其中LY12铝合金常作为硬密封材料使用［15］），其具体成分为：Si（≤0.5%），Fe（≤ 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%），杂质（≤0.1%），余量为铝。将其加工成Φ10 mm×4 mm的圆柱形试样。所有试片表面分别用400＃、800＃、1200＃和2000＃金相砂纸依次打磨，再依次放入丙酮、无水乙醇中除油，之后加入到75%乙醇／水溶液中灭菌15 min，放入无菌一次性培养皿中，在无菌操作台中风干，紫外灭菌30 min，备用。

用于电化学测试的LY12铝合金工作电极的有效圆形工作面直径为10 mm，将非工作面用环氧树脂封装。同上进行除油、灭菌处理。

2.2菌株与培养方法

三株实验细菌：分离自神舟十号舱内冷凝水中的少动鞘氨醇单胞菌（Sphingomonas paucimobil⁃is H1）、不动杆菌属（Acinetobacter schindleriH3）和分离自神舟九号舱内壁表面的鞘氨醇单胞菌（Sphingomonas melonisS10⁃1）。

菌株活化培养基：采用脑心浸液培养基（Brain Heart Infusion，Oxoid）。

腐蚀试验采用液体培养基，配方如表1所示，pH 7.0～7.2。

表1 液体培养基配方表Table 1 Formula of liquid culture medium

菌悬液制备：将菌株接种至脑心浸液培养基中，放入恒温振荡培养箱培养。大约24 h后将细菌离心分离，并用浓度为0.9%的生理盐水清洗两遍，最后配成OD600值为0.8的菌悬液备用。

腐蚀试验：分为铝合金圆柱形试样和铝合金电极试样两组。其中圆柱形试样组在锥形瓶中加入50 mL液体培养基，而电极试样组则加入70 mL液体培养基，两组均加入1 mL上述菌悬液，透气膜封口，放入32℃培养箱中培养。对照组中，只在锥形瓶中加入液体培养基，但不加菌悬液，在与实验组相同的条件下培养。

2.3腐蚀速率测定和培养液中铝浓度分析

腐蚀速率测定：将所有Φ10 mm×4 mm圆柱形试样用刻刀在其中一面编号并称重，用于腐蚀失重分析。试验分为无菌对照组、菌H1、H3和菌S10⁃1共四组，分别在3 d、7 d、14 d和21 d取样，每个试验组在每个时间点设置3个平行样。

腐蚀失重：依据标准 ASTMG1⁃03进行分析［16］。样品取出后加入到纯酒精中，超声处理15 min，然后加入10%（V／V）的稀硫酸中处理1 min，去离子水冲洗至中性，烘至恒重。利用公式（1）计算腐蚀速率v（μm·y－1）：

式中，v为腐蚀速率（μm·y－1）；mi为腐蚀试验前样品的质量（mg）；mf为试验后去掉表面腐蚀产物后样品的质量（mg）；ρ为金属材料的密度（2.78 g／cm3）；t为金属腐蚀的时间（d）；S为金属试样的总表面积（cm2）。

铝浓度分析：利用电感耦合等离子体质谱（ICP⁃MS，Inductively Coupled Plasma Mass Spec⁃trometry，ELAN DRC⁃e，Perkin⁃Elmer，USA）测定，采用在线内标工作曲线法。测试前采用微波消解仪（EHHOS TC⁃40，Milestone，Italy）对含培养基的样品进行消解处理。消解方法为：准确移取2 mL样品到消解罐内，加入6 mL HNO3和1 mL H2O2，温度梯度增加至190℃，恒温20 min，冷却后定容到20 mL。

2.4铝合金表面腐蚀产物和清洗腐蚀产物后的形貌电镜观察

为观察腐蚀产物，首先采用生物膜固定液（0.1 mol／L，pH＝7.0的磷酸盐缓冲液配制的2.5%戊二醛）固定4 h。其中0.1 mol／L，pH＝7.0的磷酸盐缓冲液的配制方法是往990 mL的去离子水中分别加入 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。固定后需对样品进行脱水处理，蒸馏水清洗样品膜3次，每次15 min，依次用30%、50%、70%、85%和95%的乙醇溶液脱水，每次15～20 min，用100%的乙醇溶液脱水2次，每次15～20 min，最后倒入5 mL六甲基二硅胺烷浸没3 min，通风处干燥即可。样品喷金后做扫描电镜（SEM，Scanning Elec⁃tronic Microscope，JSM7500，JEOL，Japan）观察。清洗腐蚀产物后表面形貌观察利用腐蚀失重分析后的样品，喷金后做SEM观察。

2.5电化学测试

培养方法：将所有电极试样放入液体培养基中培养，用于电化学测试。试验分为无菌对照组、菌H1、H3和菌S10⁃1共四组，分别在3 d、7 d、14 d和21 d取样。

电化学测试：采用带有鲁金毛细管的三电极体系，工作电极为在细菌培养液中浸泡3 d、7 d、14 d和21 d后的LY12铝合金试样，参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为大面积铂电极。电化学交流阻抗（EIS，Electrochemical Impedance Spec⁃troscopy）在开路电位下测试，激励信号为5 mV正弦波，测试频率范围为0.01 Hz～100 kHz。所有电化学测试均在电化学工作站（CHI604E，上海辰华仪器有限公司）上进行。

3 结果与讨论

3.1腐蚀速率分析

图1所示LY12铝合金的腐蚀速率情况。图1（a）所示为 LY12铝合金在接种不同菌株（菌H1、H3和S10⁃1）和无菌对照培养体系中浸泡21 d后的实物图。可看出接种菌的体系中培养基变浑浊，是细菌的生长所致，而无菌对照组中相对透明。

图1（b）所示为LY12铝合金在接种不同菌株和无菌对照培养体系中浸泡21 d后的腐蚀速率及培养液中铝浓度。铝合金在无菌对照、接种菌H1、H3组和菌S10⁃1体系中的腐蚀速率分别为48.65 μm·y－1、53.07 μm·y－1、49.75 μm·y－1和59.70 μm·y－1。接种菌H1、H3和菌S10⁃1的腐蚀速率明显提高，提高的百分比分别为9.09%、2.26%和22.71%。在无菌对照、接种菌H1、H3组和菌S10⁃1体系中的溶解性铝元素浓度分别为1.90 mg·L－1、2.75 mg·L－1、2.50 mg·L－1和2.48 mg·L－1。接种菌H1、H3和菌S10⁃1体系中溶解性铝的浓度提高明显，分别提高44.74%、31.58%和30.53%。

3.2铝合金表面腐蚀产物和清洗腐蚀产物后形貌观测

图2所示为LY12铝合金在接种不同菌株和无菌对照培养体系中浸泡3 d、14 d和21 d后表面腐蚀产物形貌SEM图。相较于无菌对照组，浸泡在接种（菌H1、H3和菌S10⁃1）培养体系中的铝合金表面被一层较为致密的腐蚀产物膜所覆盖，出现明显的细菌生物膜，表明这三株菌株都能够在铝合金表面生长。

图3所示为LY12铝合金在接种不同菌株和无菌对照培养体系中浸泡3 d、14 d和21 d时，清洗腐蚀产物后表面腐蚀形貌SEM图。无菌对照组样品表面较为光滑和平整，而接种不同菌株的试验组都出现了不同程度的裂纹及蚀坑。随着腐蚀时间的增加，接种菌H1、H3和菌S10⁃1的培养体系对LY12铝合金表面的腐蚀程度都明显增加。在接种菌H1体系中浸泡21 d后的LY12铝合金试样表面出现较小且较密集的蚀坑（小于1 μm）；在接种菌H3体系中浸泡21 d后的LY12铝合金试样表面出现分层式的裂纹；菌株S10⁃1体系中试样表面有许多圆形的大蚀坑出现（3～5 μm）。

腐蚀速率分析和SEM的观察结果表明，在腐蚀试验过程中，细菌会附着在LY12铝合金表面，形成生物膜。膜下铝合金在生物膜的作用下形成溶解性腐蚀产物和非溶解性产物，非溶解腐蚀产物与生物膜混合在一起，最终形成沉淀，覆盖于铝合金表面。将腐蚀产物清洗后，便出现了明显的蚀坑。上述结果表明，载人航天器中分离的三株下行细菌均能明显加速 LY12铝合金的腐蚀进程。

3.3电化学分析

3.3.1 开路电位

图4所示为LY12铝合金浸泡在接种不同菌株和无菌对照培养体系中开路电位随浸泡时间的变化曲线。无菌对照组中，在0～7 d内LY12铝合金（工作电极）向正方向移动，在7～21 d内向负方向移动。

接种菌株体系中电极的开路电位值总体低于无菌体系，说明菌H1、H3和菌S10⁃1可能加速LY12铝合金的腐蚀。在接种菌H1体系中，在0～3 d内，开路电位明显向负方向移动，在3～7 d内正移，7～21 d内略微向负方向移动；在接种菌H3的体系中，在0～7 d内开路电位总体向正方向移动，7～14 d内向负方向移动，14～21 d内向正方向移动；在接种菌S10⁃1的体系中，在0～7 d内开路电位总体向负方向移动，7～21 d内向正方向移动。

3.3.2 电化学交流阻抗

图5～图8所示为通过交流阻抗测试得到的LY12铝合金分别浸泡在不同体系中不同天数的Nyqusit图。无菌对照组的 Nyqusit图中，如图5所示，0～7 d的容抗弧直径增大，说明0～7 d内LY12铝合金电极在无菌培养基中的腐蚀倾向减小；7～21 d的容抗弧直径减小，说明在7～21 d内腐蚀倾向增大。

在接种菌H1体系中（图6），3～7 d内的容抗弧直径增大，说明3～7 d内LY12铝合金电极的腐蚀倾向减小；7～21d内容抗弧直径减小，说明7～21 d内腐蚀倾向增大。其变化趋势与开路电压变化趋势基本一致。其原因可能是［17］：在接种菌H1体系中，在0～3 d时，菌H1尚未在铝合金表面形成生物膜，金属直接接触培养基溶液，腐蚀倾向增大；3～7 d时形成了完整的生物膜，对溶液的腐蚀起到了一定的阻碍作用；7～21 d时由于生物膜内细菌群落的呼吸作用，导致膜内氧气浓度降低，形成从内至外的氧浓度梯度，即氧浓差电池，使得腐蚀过程再次加剧，因此7～21 d腐蚀倾向略微增大［18］。

在接种菌H3的体系中，如图7所示，3～7 d内的容抗弧直径增大，说明LY12铝合金电极的腐蚀倾向减小；7～14 d内的容抗弧直径减小，说明腐蚀倾向增大；14～21 d内的容抗弧直径增大，说明腐蚀倾向减小。其变化趋势与开路电压变化趋势基本一致。这种变化趋势的原因与接种菌H1体系较相似。

在接种菌S10⁃1体系中，如图8所示，在3～7 d内的容抗弧直径减小，说明腐蚀倾向增大；7～21 d内的容抗弧直径增大，说明腐蚀倾向减小。其变化趋势与开路电压变化趋势基本一致。这样变化的原因可能是：在0～7 d内，试样表面尚未形成完整的生物膜，金属直接接触培养基溶液，腐蚀倾向增大；7～21 d内，试样表面逐渐形成完整的生物膜，对溶液的腐蚀起到了一定的阻碍作用。

从图5～图8中还可知，所有试样的Nyqusit图在容抗弧后均出现一个Warburg阻抗，但是浸泡在接种菌株体系中的样品的Warburg阻抗比无菌对照组的更明显。这可能是因为浸泡入含有细菌的溶液中后，细菌细胞会吸附在试样表面，并通过新陈代谢产生较为完整的生物膜，对腐蚀介质起到了一定的阻挡作用，形成了扩散控制过程［19］。

4 结论

1）浸泡21 d后的腐蚀速率及铝元素浓度分析表明：与无菌对照组相比，接种实验组（菌H1、菌H3和菌S10⁃1）中LY12铝合金腐蚀速率与培养液中铝元素的浓度均明显增加，三株细菌都能明显加速LY12铝合金的腐蚀。

2）腐蚀产物及清洗腐蚀产物后的表面形貌观测结果表明：浸泡在接种菌的体系中的LY12铝合金表面有一层生物膜存在，随着腐蚀时间的增加，接种菌 H1、菌 H3和菌 S10⁃1明显增加LY12铝合金表面的腐蚀程度。

3）电化学分析结果表明：在接种菌H1和菌H3体系中，初期LY12铝合金电极表面尚未形成生物膜，开路电位负移，阻抗值减小，腐蚀倾向增大；中期形成较为完整的生物膜，对腐蚀介质起到一定阻挡作用，开路电位正移，阻抗值增大，腐蚀倾向减小；后期由于生物膜内细菌群落的呼吸作用，形成氧浓差电池，开路电位负移，阻抗值减小，腐蚀倾向再次增大。在接种菌S10⁃1体系中，初期电极表面尚未形成生物膜，开路电位负移，阻抗值减小，腐蚀加剧；后期形成较为完整的生物膜，开路电位正移，阻抗值增大，腐蚀倾向减小。

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（责任编辑：庞迎春）

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

载人航天预先研究项目（040203）

陈景威，女，硕士研究生，研究方向为材料微生物腐蚀。E⁃mail：chenjw＠buaa.edu.cn

∗通讯作者：杨军，男，博士，教授，研究方向为材料环境生物技术。E⁃mail：yangjun＠buaa.edu.cn