北京市燃?xì)夤懿氖c土壤腐蝕性微生物特征研究*

萬云洋，武 旻，徐得甲，孫桂勇

(1.中國石油大學(xué)(北京)地層微生物資源與應(yīng)用研究中心 油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室油氣污染防治北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 非常規(guī)油氣科學(xué)技術(shù)研究院，北京 102249;2.北京燃?xì)獠接邢薰荆本?102200)

近年來，國內(nèi)外燃?xì)夤芫W(wǎng)建設(shè)規(guī)模越來越大，相應(yīng)的各種燃?xì)夤艿朗ьl繁發(fā)生，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的環(huán)境污染，也直接威脅著生產(chǎn)作業(yè)人員的生命安全[1]。燃?xì)夤艿朗е饕芄艿啦馁|(zhì)和環(huán)境因素的影響，其中土壤腐蝕性微生物的影響不容忽視[2-3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，微生物對(duì)金屬材料的腐蝕占金屬材料總腐蝕的20%左右[4]。

北京市的燃?xì)夤艿腊l(fā)展迅速，截止到2016年其總長已超過20 000 km。迄今為止，關(guān)于北京市燃?xì)夤艿朗Х治龅难芯繄?bào)道極為少見,因此，分析北京市燃?xì)夤艿朗卣?，并采取有效的防護(hù)措施刻不容緩。對(duì)2015至2016年北京市燃?xì)夤艿朗?shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，重點(diǎn)探討人工干擾、環(huán)境因素(土壤、降水和季節(jié)變化)、管道材質(zhì)、服役年限等對(duì)燃?xì)夤艿朗У挠绊?，建立燃?xì)夤艿朗c土壤腐蝕性微生物的相關(guān)關(guān)系，為燃?xì)夤艿赖母g和防護(hù)提供參考，提高燃?xì)夤艿赖陌踩芾砼c技術(shù)水平。

1 北京市燃?xì)夤艿朗Ыy(tǒng)計(jì)分析

1.1 燃?xì)夤艿朗У脑蚍治?/h3>

北京市燃?xì)夤懿闹饕獮殇摴芎退芰瞎軆煞N類型，其中鋼管占大部分比例，塑料管以聚乙烯(PE)管為主。PE管主要應(yīng)用于中壓和低壓管道中，截止到2016年北京市PE管普及率約為4%。兩年內(nèi)北京市燃?xì)夤艿朗?shù)量達(dá)到1 518次，平均總失效頻率為3.8次/(105m·a)，其中由腐蝕導(dǎo)致的管道失效數(shù)量有556次，平均腐蝕失效頻率為1.4次/(105m·a)。

北京市燃?xì)夤艿赖氖г驈?fù)雜，主要包括腐蝕、第三方破壞、建設(shè)施工質(zhì)量、材料缺陷、設(shè)備問題和其他等(見表1)。 從表1 可以看出，由腐蝕引起的管道失效占比最大，為38.7%，腐蝕又分為外腐蝕和內(nèi)腐蝕，其中外腐蝕又占絕大部分，內(nèi)腐蝕占比很小。因此，外腐蝕是北京市燃?xì)夤艿赖氖е饕颉?/p>

1.2 燃?xì)夤艿朗У牟馁|(zhì)特征

圖1為兩年內(nèi)北京市燃?xì)夤艿朗У牟馁|(zhì)特征分析。從圖1可以看出，失效燃?xì)夤懿陌ㄤ摴?、塑料管、鑄鐵管和鍍鋅管4種類型，其失效數(shù)量按由大到小的順序排列依次為:鋼管>塑料管>鑄鐵管>鍍鋅管。其中，朝陽區(qū)、豐臺(tái)區(qū)和海淀區(qū)的鋼管及塑料管失效數(shù)量均較多，懷柔區(qū)和密云區(qū)的4種管材失效數(shù)量均較少；西城區(qū)和東城區(qū)的鋼管失效數(shù)量遠(yuǎn)大于塑料管失效數(shù)量。

表1 2015至2016年北京市燃?xì)夤艿朗Ыy(tǒng)計(jì)分析

圖1 燃?xì)夤艿朗У牟馁|(zhì)特征分析

1.3 燃?xì)夤艿朗У牡赜蛱卣?/h3>

北京市中心地區(qū)(海淀區(qū)、朝陽區(qū)、東城區(qū)、西城區(qū)、石景山區(qū)、豐臺(tái)區(qū))相對(duì)周邊地區(qū)(密云區(qū)、懷柔區(qū)、昌平區(qū)、順義區(qū)、通州區(qū)、大興區(qū)、房山區(qū))來說，其管道失效頻率較大(見圖2)。因地勢差異，從中心地區(qū)到周邊地區(qū)土壤類型依次呈現(xiàn)潮土、褐土及棕壤順序。各區(qū)的管道腐蝕失效頻率與總失效頻率地域分布特征相似，均呈現(xiàn)出由中心地區(qū)向周邊地區(qū)遞減的趨勢，與人口密度也存在正相關(guān)性(見圖2(b))。同時(shí)隨著地域的變化，不同管材的失效數(shù)量和頻率變化趨勢表現(xiàn)一致。在朝陽區(qū)、豐臺(tái)區(qū)和海淀區(qū)，鋼管及塑料管的失效數(shù)量較多，且失效頻率較高；在懷柔區(qū)和密云區(qū)，鋼管及塑料管的失效數(shù)量較少，且失效頻率較低。

圖2 燃?xì)夤艿朗У牡赜蚍植继卣?/p>

1.4 燃?xì)夤艿栏g失效的服役年限特征

北京市燃?xì)夤艿栏g失效的服役年限多為7～26 a(見圖3)。海淀區(qū)、石景山區(qū)以及房山區(qū)等北京西南部在管道服役17～26 a發(fā)生的腐蝕失效數(shù)量較多；其余10區(qū)發(fā)生的腐蝕失效多集中在管道服役7～16 a，這些地區(qū)多位于北京市的東南和東北部；另外，大興區(qū)、豐臺(tái)區(qū)、海淀區(qū)、石景山區(qū)、通州區(qū)以及昌平區(qū)等區(qū)域均在管道服役0～6 a內(nèi)也發(fā)生了一定的腐蝕失效數(shù)量。

2 討 論

2.1 土壤對(duì)管道失效的影響

2.1.1 土壤對(duì)材質(zhì)及地域特征的影響

北京市土壤類型復(fù)雜，性質(zhì)多變，主要分為棕壤、褐土和潮土三大類[5],各區(qū)土壤類型及分布見表2。北京市燃?xì)夤艿朗Ъ蟹植荚谥心喜康貐^(qū)，其土壤類型多為褐土及潮土。

表2 北京市各區(qū)土壤類型及分布

續(xù)表2

在朝陽區(qū)、豐臺(tái)區(qū)、海淀區(qū)以及昌平區(qū)，其土壤類型主要為褐土(pH值8.0～8.5)，鋼管及塑料管的失效頻率均較大；在懷柔區(qū)和密云區(qū)，其土壤類型多為棕壤(pH值6.0～6.5)，鋼管及塑料管的失效頻率均較小；在西城區(qū)和東城區(qū)，其土壤類型多為潮土(pH值8.0～8.3)，鋼管的失效頻率較大，而塑料管的失效頻率較小。由此說明,棕壤與褐土對(duì)鋼管和塑料管失效的影響無顯著差異，而潮土對(duì)鋼管和塑料管失效的影響卻存在較大差異，即土壤類型不同，對(duì)管材失效的影響不同。

2.1.2 土壤對(duì)服役年限的影響

北京市燃?xì)夤艿朗У闹饕驗(yàn)橥飧g，管道腐蝕失效風(fēng)險(xiǎn)與土壤類型及其腐蝕性微生物密切相關(guān)。北京市燃?xì)夤艿栏g失效主要集中在管道服役7～26 a。 在海淀區(qū)、石景山區(qū)以及房山區(qū)等北京西南部，其土壤類型主要為褐土和棕壤，管道腐蝕失效頻率較高的服役年限為17～26 a；其余10區(qū)位于北京市的東南和東北部，其土壤類型主要為潮土和褐土，管道腐蝕失效頻率較高的服役年限為7～16 a；另外，在大興區(qū)、豐臺(tái)區(qū)、海淀區(qū)、石景山區(qū)、通州區(qū)以及昌平區(qū)等區(qū)域，其土壤類型主要為潮土和褐土，在管道服役0～6 a也存在一定的腐蝕失效頻率。由此可見，土壤類型影響管材的使用壽命，潮土對(duì)其影響最大，其次是褐土，最后是棕壤。

2.2 土壤微生物對(duì)管材腐蝕失效的影響

2.2.1 土壤腐蝕性微生物的分類和分布

在所有的環(huán)境介質(zhì)中，土壤中蘊(yùn)含的微生物數(shù)量和種類最多，功能復(fù)雜，其中腐蝕性微生物(CIM)也是最全及最多的[6]。腐蝕性微生物是指能夠直接或間接引起腐蝕的微生物，根據(jù)其腐蝕功能的不同分為七大類腐蝕功能菌，分別為硫酸鹽還原細(xì)菌、硫氧化細(xì)菌、硝化細(xì)菌、產(chǎn)甲烷古菌、鐵細(xì)菌、產(chǎn)黏液細(xì)菌以及產(chǎn)有機(jī)酸細(xì)菌。該文涉及的微生物命名及分類均參考原核微生物資源和分類學(xué)詞典[7]。

北京市失效管道多位于潮土及褐土中(見圖2(a)及表2)。雖然尚缺少土壤類型與微生物類型的關(guān)聯(lián)性研究，但已有的文獻(xiàn)顯示：變形菌門(Proteobacteria)、桿狀菌門(Bacteroidetes)、酸桿菌門(Acidobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)、浮霉菌門(Planctomycetes)、疣微菌門(Verrucomicrobia)、厚壁菌門(Firmicutes)和綠屈菌門(Chloroflexi)與褐土存在強(qiáng)相關(guān)性，是褐土優(yōu)勢菌群[8]；從土壤類型中腐蝕性微生物分布來看，桿狀菌門中的桿狀菌屬(Bacteroides)是屬于產(chǎn)有機(jī)酸一類，放線菌門中的酸微菌屬(Acidimicrobium)及鐵微菌屬(Ferrimicrobium)是屬于鐵細(xì)菌一類，變形菌門中的脫硫化弧菌屬(Desulfovibrio)是屬于硫酸鹽還原菌一類；除芽單胞菌門及疣微菌門外，褐土中的其他菌門也都與潮土存在強(qiáng)相關(guān)性，為潮土的優(yōu)勢菌群(相對(duì)豐度>5%)，占總體比例為62%，硝化螺體門(Nitrospira)是同時(shí)存在于潮土中與褐土中的菌門[9]，硝化螺體門中的硝化螺體屬(Nitrospira)和亞硝化螺體屬(Nitrosospira)是屬于硝化類腐蝕性微生物菌屬。棕壤中腐蝕性微生物種類較少，主要為變形菌門和放線菌門[10]。

2.2.2 腐蝕性微生物與人類活動(dòng)相關(guān)性

人口分布趨勢與管道的腐蝕失效頻率趨勢有很強(qiáng)的一致性(見圖2(b))。第六次全國人口普查(2010年)顯示：北京市人口密度與北京市燃?xì)夤懿母g失效頻率存在正相關(guān)，平均約每萬人發(fā)生0.82次管道失效；人口密度越大，燃?xì)夤懿母g失效頻率也越高。大規(guī)模地建設(shè)燃?xì)夤艿涝O(shè)施以及反復(fù)填埋等人類活動(dòng)會(huì)對(duì)土壤原生態(tài)造成很大的影響，燃?xì)夤艿乐苓叺耐寥郎鷳B(tài)系統(tǒng)已經(jīng)不能和一般的土壤生態(tài)系統(tǒng)同日而語。除了土壤理化性質(zhì)變化以外，人體攜帶的大量微生物也會(huì)進(jìn)入土壤中，微生物群落結(jié)構(gòu)也隨之發(fā)生顯著變化。人口密度與管材失效頻率或是腐蝕導(dǎo)致管材失效頻率變化趨勢具有很強(qiáng)的一致性，而人體體表的微生物與土壤腐蝕性微生物聯(lián)系緊密(見表3)，而這些腐蝕性微生物又廣泛存在于潮土及褐土中[11]。

表3 人體常見微生物及腐蝕功能

對(duì)昌平區(qū)失效燃?xì)夤懿闹苓? m范圍內(nèi)土壤進(jìn)行取樣分析，結(jié)果顯示:樣品中亞硝化球菌屬(Nitrososphaera)，壤單胞菌屬(Solimonas)，日應(yīng)微所菌屬(Iamia)，酸微菌屬、鐵微菌屬及松散桿菌屬(Lysobacter)等占比較高。酸微菌屬、鐵微菌屬及日應(yīng)微所菌屬都屬于放線菌門，亞硝化球菌屬分離自土壤中的耗氧及嗜中溫的氨氧化古菌；壤單胞菌屬、松散桿菌屬則屬伽馬變形菌綱黃單胞菌目。綜上所述，人體、土壤、管道這三者中的微生物高度重合，體現(xiàn)了人類活動(dòng)對(duì)管道腐蝕的微生物影響，同時(shí)也可能對(duì)燃?xì)夤懿母g失效造成影響。

2.2.3 腐蝕性微生物與季節(jié)的相關(guān)性

土壤微生物活性、群落結(jié)構(gòu)及數(shù)量等受環(huán)境因素特別是季節(jié)性降水的影響較大[12-14]。北京市降水量隨季節(jié)變化趨勢為夏季最高，冬季最少，春秋居中，而管道失效總量和由腐蝕失效數(shù)量都為冬季最少而秋季最多(見圖4)。

圖4 燃?xì)夤艿朗У募竟?jié)性特征

土壤微生物數(shù)量有明顯的季節(jié)變化，微生物總量呈現(xiàn)夏季>秋季>春季>冬季的變化規(guī)律，而燃?xì)夤艿栏g失效數(shù)量秋季最多，這是由于微生物對(duì)土壤的水熱條件等適應(yīng)性不同造成的[15]。一方面夏季微生物總量多，必然對(duì)燃?xì)夤懿牡淖饔眉訌?qiáng)，導(dǎo)致燃?xì)夤懿氖?shù)量在隨后的秋季大大增加，秋季以后，微生物由于土壤水熱條件的變化逐漸減少，對(duì)燃?xì)夤懿牡淖饔靡仓饾u減弱，隨之冬、春季節(jié)管材失效數(shù)量逐漸減少；另一方面，微生物中的放線菌門數(shù)量呈現(xiàn)秋季>春季>夏季>冬季的變化規(guī)律[16]，而放線菌門中的酸微菌屬及鐵微菌屬是屬于鐵細(xì)菌一類，這類細(xì)菌對(duì)管材的腐蝕作用很強(qiáng)，導(dǎo)致秋季燃?xì)夤懿氖?shù)量大幅增加。

3 結(jié) 論

(1)通過對(duì)北京市2015—2016年間燃?xì)夤懿氖?共1 518起)數(shù)據(jù)分析，首次總結(jié)歸納出北京市20 000 km燃?xì)夤懿氖б蜃忧鍐?，平均失效頻率為3.8次/(105m·a)，腐蝕為失效主因(占38.7%)，管道外腐蝕遠(yuǎn)高于內(nèi)腐蝕， 1990—2010年投運(yùn)的燃?xì)夤艿朗鞘ьl率較高，服役年限7～26 a是腐蝕失效的高發(fā)期，且與微生物腐蝕速率一致。

(2)不同土壤類型中燃?xì)夤懿氖?shù)量和頻率差異較大(潮土>褐土>棕壤)，管材在棕壤中運(yùn)行年限最長，這與土壤腐蝕性微生物數(shù)量和類型呈正相關(guān)。北京市失效管材多位于褐土及潮土中，其中腐蝕性微生物數(shù)量較多，包括變形菌屬，桿狀菌屬，酸微菌屬，鐵微菌屬，脫硫化弧菌屬。

(3)人體微生物與土壤微生物有強(qiáng)相關(guān)性，數(shù)據(jù)分析首次揭示了人類活動(dòng)與燃?xì)夤懿氖?shù)量(平均約0.82次/萬人)的關(guān)聯(lián)性，因此，施工等人類活動(dòng)帶來燃?xì)夤懿闹苓?≤1 m)土壤中腐蝕性微生物變化對(duì)管材腐蝕的影響不可忽視。

致謝：感謝董超芳教授對(duì)本文的閱讀和建議。