圖 1 ZnO納米粒子的TEM圖
Figure 1. TEM image of ZnO nanoparticles
分享：ZnO納米粒子的抑菌性能及其對不銹鋼微生物腐蝕的影響
自然水體中存在大量微生物,在工業生產中用水設備可能發生微生物腐蝕,引發設備點蝕穿孔等問題。在冷卻水系統中,微生物黏附在換熱管表面形成生物膜,導致熱傳遞效率降低、管道堵塞[1],并造成能量損耗和經濟損失[2]。選用耐蝕材料是控制微生物腐蝕的方法之一,但這會造成投入成本過大。另外,投加緩蝕劑和殺菌劑也是防治微生物腐蝕[3]的常用方法。
緩蝕劑可以抑制腐蝕電池陽極或陰極反應的進行,從而降低金屬的腐蝕速率,其緩蝕效果與水中微生物種類相關,因此在投加時需考慮微生物因素[4]。殺菌劑通過將微生物殺滅,從源頭上控制微生物腐蝕,但使用量較大,可能對環境造成不利影響,且長期使用單一種類殺菌劑,會使微生物產生耐藥性,增大去除微生物的難度[5]。
ZnO納米粒子對大腸桿菌[6]、金黃色葡萄球菌[7]及綠膿桿菌[8]等細菌普遍具有殺滅性,殺菌效果與細菌種類相關,如：10 mg·L-1 ZnO納米粒子對枯草芽孢桿菌CB310菌株的抑制率可達到90%,而相同含量下對大腸桿菌DH5α菌株的抑制率僅為14%[9]。目前,有關納米粒子殺菌性的研究對象多為致病菌,對腐蝕性細菌的殺菌性能研究不多。為此,作者采用微生物培養與檢測、電化學測試及表面分析等方法研究了ZnO納米粒子對硫酸鹽還原菌（SRB）的抑菌性能及對304不銹鋼的微生物腐蝕行為影響。
1. 試驗
1.1 試驗材料和介質
試驗用ZnO納米粒子平均粒徑為25 nm,圖1為用FEOL JEM 2100F型透射電子顯微鏡（TEM）表征的ZnO納米粒子形貌。試驗材料為304不銹鋼,所用藥品均購自阿拉丁工業公司。
試驗溶液為模擬地表水（SCW）,主要組成為：7.5 mmol·L-1 NaCl,2.0 mmol·L-1 NaHCO3,3.5 mmol·L-1 Na2SO4,0.25 mmol·L-1 MgSO4及0.5 mmol·L-1 CaCl2。將培養基中的SRB以1∶10（體積比）接種至經高壓滅菌后的模擬地層水中,用石蠟密封維持溶液的厭氧環境。
1.2 細菌培養和計數
試驗用菌種為SRB,取自池塘污泥,經提取并純化后得到,微生物種群分析檢測出該菌株為脫硫弧菌屬。用于菌種培養和活化的液體培養基的組成為：0.2 g·L-1 MgSO4·7H2O,0.01 g·L-1 KH2PO4,0.2 g·L-1（NH4）2Fe（SO4）2,10.0 g·L-1 NaCl,4.0 m L·L-1乳酸鈉,1.0 g·L-1酵母浸汁,0.1 g·L-1維生素C。調節培養基p H至7.0~7.2,保持菌種的培養溫度為35 ℃。
溶液中SRB的數量測定采用稀釋平板計數試驗。將制備好的瓊脂平板（含不同量ZnO納米粒子）在35 ℃條件下進行培養,經48 h培養后對菌落計數,并通過式（1）計算抑菌率。
|
|
(1) |
式中：y為抑菌率,%；S0為對照樣品平均菌落數；S為試樣樣品平均菌落數。
1.3 水中自由基的測定
水中羥基自由基（·OH）測定：以對苯二甲酸為熒光捕捉劑,使用RF-5301pc型熒光分光光度計獲得水中·OH對應的三維激發-發射矩陣（EEM）熒光光譜。
超氧陰離子自由基
測定：采用羥氨氧化法[10],以模擬地表水代替納米氧化鋅懸浮液作為參比溶液。
1.4 電化學測試
將304不銹鋼電極在不同ZnO納米粒子含量的模擬地表水（含菌和無菌）中浸泡7 d后進行電化學測試。測試在CHI660e型電化學工作站上完成并采用三電極體系。304不銹鋼電極作為工作電極,飽和甘汞電極作為參比電極,鉑電極作為輔助電極。電化學阻抗譜的測試頻率范圍為0.01 Hz~100 k Hz,幅值為5 m V。極化曲線測試的掃描速率為1 m V·s-1,溫度為35 ℃。
1.5 金屬表面形貌觀察
將304不銹鋼掛片置于含ZnO納米粒子的有菌體系中浸泡7 d,取出后用2%戊二醛固定生物膜,采用掃描電鏡（SEM）對掛片表面形貌進行觀察,并采用掃描電鏡附帶的能譜分析儀（EDS）對其表面微區化學成分進行分析。
2. 結果與討論
2.1 ZnO納米粒子的抑菌性能
細菌在溶液中接觸到材料后會在材料表面形成生物膜,細菌的附著被認為是微生物腐蝕的前兆[11]。不銹鋼表面黏附的菌量與納米粒子的抑菌性能相關。測定了水中不同含量ZnO納米粒子對SRB的抑菌性能,如表1所示。結果表明,ZnO納米粒子有一定的抑菌性,隨ZnO納米粒子含量增大,抑菌性能逐漸增強,當其質量濃度為100 mg·L-1時,抑菌率可達89.3%。
表 1 ZnO納米粒子對SRB的抑菌率
Table 1. Sterilizing rate of ZnO nanoparticles on SRB
| ZnO納米粒子質量濃度/（mg·L-1） | 10 | 20 | 50 | 100 |
|---|---|---|---|---|
| 抑菌率/% | 27.2 | 41.2 | 77.1 | 89.3 |
一般認為,納米粒子在水中可以產生活性氧物質,活性氧物質（包括·OH、
等）誘導細菌氧化應激是納米粒子具有抗菌性的重要原因[12]。
和·OH均具有很強的氧化性,可破壞細胞內的有機物,進而破壞微生物的結構并抑制其生理活性[13]。ZnO納米粒子的抑菌性能與其在水溶液中催化產生的活性氧物質相關。當體系中存在ZnO納米粒子時,可在體系中檢測到
。表2為水中檢測到的
含量與ZnO納米粒子含量的對應關系。可見,隨著ZnO納米粒子含量升高,水中
的含量也隨之增大。圖2為不同ZnO納米粒子含量水溶液的熒光光譜。圖2（b）、（c）、（d）中,熒光位置的出現表明水中產生了·OH（最高峰出現在激發波長Ex為320 nm、發射波長Em為430 nm處）,且熒光強度隨ZnO納米粒子含量增大而增強,表明隨ZnO納米粒子含量增大,水中生成了更多的·OH。水中活性氧物質的產生主要有以下兩方面原因：ZnO納米粒子自身缺陷導致催化反應生成活性氧物質[14]；在試驗過程中,自然光導致納米粒子光催化形成活性氧物質[15]。上述結果說明,添加ZnO納米粒子可使水中生成強氧化性的活性氧物質
和·OH,從而對SRB產生了較強的抑制作用。
| ZnO質量濃度/（mg·L-1） | 20 | 50 | 100 |
|---|---|---|---|
 質量濃度/（mg·L-1）
|
0.152 | 0.178 | 0.208 |
圖 2 不同ZnO納米粒子含量水樣的熒光光譜圖
Figure 2. Fluorescence spectra of water samples with different concentrations of ZnO nanoparticles
2.2 ZnO納米粒子對不銹鋼微生物腐蝕行為的影響
在不同ZnO納米粒子含量的模擬地層水中浸泡7 d后,對304不銹鋼進行電化學阻抗譜測試,結果如圖3所示,采用圖4所示等效電路對電化學阻抗譜進行擬合,結果見表3。圖中,Rs為溶液電阻,Rct為電荷轉移電阻,Rf為不銹鋼表面鈍化膜電阻,Qdl和Qf分別為用于表示雙電層電容和膜電容的常相角元件。
圖 3 在不同ZnO納米粒子含量的模擬地層水（有菌、無菌）中304不銹鋼的電化學阻抗譜
Figure 3. EIS of stainless steel 304 in simulated formation water (with and without bacteria) with different concentrations of ZnO nanoparticles: (a) Nyquist diagram: (b) Bode diagram
圖 4 腐蝕體系的等效電路
Figure 4. Equivalent circuit of corrosion system
表 3 模擬地層水中304不銹鋼的EIS參數
Table 3. EIS parameters of stainless steel 304 in simulated formation water
| ZnO質量濃度/（mg·L-1） | Rs/（Ω·cm2） | Ydl/（ μS·cm-2·s-n） | ndl | Rct/（kΩ·cm2） | Yf/（ μS·cm-2·s-n） | nf | Rf/（MΩ·cm2） | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 無菌 | 0 | 177.2 | 526.9 | 0.88 | 2.14 | 26.1 | 0.80 | 36.2 |
| 100 | 178.3 | 281.4 | 0.73 | 2.62 | 34.4 | 0.87 | 14.7 | |
| 有菌 | 0 | 91.1 | 397.0 | 0.88 | 0.90 | 460.9 | 0.78 | 0.050 |
| 10 | 86.4 | 194.3 | 0.78 | 0.17 | 314.9 | 0.92 | 0.252 | |
| 20 | 100.0 | 73.2 | 0.67 | 0.19 | 77.9 | 0.78 | 0.479 | |
| 50 | 66.3 | 197.2 | 0.99 | 0.23 | 61.6 | 0.73 | 0.668 | |
| 100 | 86.6 | 117.9 | 0.78 | 0.27 | 75.3 | 0.75 | 1.700 | |
由表3可見,在無菌模擬地層水中,304不銹鋼的Rf與Rct值均較大,分別達到36.2 MΩ·cm2和2.14 kΩ·cm2。不銹鋼是自鈍化金屬,在水中溶解氧的作用下可自發鈍化[16],具有較好的耐蝕性。在無菌模擬地層水中加入100 mg·L-1 ZnO納米粒子后,304不銹鋼的阻抗值變化較小,說明在無菌溶液中ZnO納米粒子對不銹鋼耐蝕性能的影響較小。而在有菌模擬地層水中,304不銹鋼的Rf與Rct均顯著減小,分別為0.050 MΩ·cm2和0.90 kΩ·cm2,這表明當體系中存在SRB時,不銹鋼表面不易形成鈍化膜或形成的鈍化膜保護性減弱,使不銹鋼的耐蝕性能下降。在有菌模擬地層水中加入ZnO納米粒子可使304不銹鋼的Rf和總電阻（Rct+Rf）明顯增大,表明ZnO納米粒子抑制了SRB對不銹鋼的侵蝕作用,但在該體系中304不銹鋼的Rct小于其在不含ZnO納米粒子的有菌體系中的Rct。在不含ZnO納米粒子的有菌體系中,細菌黏附在不銹鋼表面形成了較厚的生物膜,生物膜的存在使電荷轉移過程受到阻礙[17],但同時SRB生物膜下不銹鋼表面也難以形成鈍化膜,因此在該體系中不銹鋼具有較大的Rct值和較小的Rf值。隨著體系中ZnO納米粒子含量的增加,Rct與Rf均出現增大,不銹鋼耐微生物腐蝕性能增強。
在不同ZnO納米粒子含量的模擬地層水中浸泡7 d后對304不銹鋼進行極化曲線測試,結果如圖5所示。鈍態電流密度Jp的大小可反映不銹鋼的耐蝕性能,其值越小,鈍化膜對不銹鋼的保護性能越好,不銹鋼的耐蝕性能越強[18]。由圖5可見,在無菌模擬地層水中,304不銹鋼具有較小的鈍態電流密度,ZnO納米粒子添加與否對極化曲線影響不大；在有菌模擬地層水中,304不銹鋼的鈍態電流密度顯著增大,鈍化膜的保護性能下降。這是由于SRB的代謝產物在金屬表面積累使鈍化膜受到破壞,不銹鋼的耐蝕性降低。根據生物催化陰極還原理論[19],在SRB腐蝕體系中存在如下反應：
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(2) |
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(3) |
SRB細胞內發生的陰極反應：
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(4) |
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(5) |
圖 5 在不同ZnO納米粒子含量的模擬地層水（有菌、無菌）中304不銹鋼的極化曲線
Figure 5. Polarization curves of stainless steel 304 in simulated formation water (with and without bacteria) with different concentrations of ZnO nanoparticles
腐蝕體系的陰極反應在SRB的細胞膜內進行,并生成HS-,Fe2+與HS-結合產生硫化物,使不銹鋼的鈍化膜受到破壞,加速了不銹鋼的腐蝕。
表4為極化電位為0 V時304不銹鋼的鈍態電流密度,可見在無菌體系中ZnO納米粒子對不銹鋼耐蝕性影響不大,而在有菌體系中添加ZnO納米粒子可抑制不銹鋼的微生物腐蝕。在有菌體系中不銹鋼電極的鈍態電流密度為15.8 μA·cm-2,添加10 mg·L-1 ZnO納米粒子后鈍態電流密度降為5.78 μA·cm-2,隨ZnO納米粒子含量增大,鈍態電流密度減小,這說明ZnO納米粒子抑制了SRB的生命活動,降低微生物對不銹鋼的腐蝕速率。
表 4 在不同ZnO納米粒子含量的模擬地層水（有菌、無菌）中304不銹鋼的鈍態電流密度（極化電位0 V）
Table 4. Passive current densities of stainless steel 304 in simulated formation water (with and without bacteria) with different concentrations of ZnO nanoparticles（polarization potential of 0 V）
| ZnO質量濃度/（mg·L-1） | Jp/（肀A·cm-2） | |
|---|---|---|
| 無菌 | 0 | 0.193 |
| 100 | 0.222 | |
| 有菌 | 0 | 15.8 |
| 10 | 5.78 | |
| 20 | 3.35 | |
| 50 | 1.54 | |
| 100 | 1.19 | |
2.3 金屬表面形貌
在不同ZnO納米粒子含量的有菌體系中浸泡7 d后304不銹鋼表面的SEM圖和EDS譜如圖6所示。由圖6可見,在不含納米粒子的含菌溶液中304不銹鋼表面SRB數量較多,EDS結果顯示表面C、O元素原子分數之和達到76.13%,這說明不銹鋼表面被一層生物膜附著。生物膜是由微生物細胞以及包裹在微生物外由細胞自身分泌的胞外聚合物（EPS）構成的聚集體[20],SRB在EPS的黏聚下形成的生物膜較為致密。在含ZnO納米粒子體系中,隨ZnO納米粒子含量增大,不銹鋼表面附著的細菌量減少,且分布更為分散,這表明ZnO納米粒子抑制了不銹鋼表面生物膜的附著。在圖6（b）的EDS譜中測得了Zn元素,其應該來自于ZnO納米粒子。另外,ZnO納米粒子與SRB的直接接觸也可起到殺菌作用[21]。
圖 6 在不同ZnO納米粒子含量的有菌模擬地層水中304不銹鋼表面SEM圖（左）和EDS譜（右）
Figure 6. SEM images (left) and EDS spectra (right) of stainless steel 304 surfaces in simulated formation water with bacteria and different concentrations of ZnO nanoparticles
3. 結論
（1）模擬地層水中ZnO納米粒子對SRB具有抑菌作用,抑菌率隨ZnO納米粒子含量的增加而增大,當ZnO納米粒子質量濃度為100 mg·L-1時,抑菌率達到89.3%。ZnO納米粒子的抑菌機制主要是使水中催化生成強氧化性的活性氧物質·OH和
,這些活性氧物質對SRB產生較強抑菌作用。
（2）在含SRB的模擬地層水中,304不銹鋼產生了微生物腐蝕,在模擬地層水中加入一定量的ZnO納米粒子可以抑制SRB的活性,降低水中細菌代謝產物并減少不銹鋼表面生物膜的附著,明顯降低不銹鋼的微生物腐蝕速率。加入50 mg·L-1 ZnO納米粒子可以使304不銹鋼在含菌模擬地層水中的鈍態電流密度下降一個數量級以上。
文章來源——材料與測試網
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