分享：ZnO納米粒子的抑菌性能及其對(duì)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(yè)生產(chǎn)中用水設(shè)備可能發(fā)生微生物腐蝕,引發(fā)設(shè)備點(diǎn)蝕穿孔等問題。在冷卻水系統(tǒng)中,微生物黏附在換熱管表面形成生物膜,導(dǎo)致熱傳遞效率降低、管道堵塞[1],并造成能量損耗和經(jīng)濟(jì)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(huì)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(yīng)的進(jìn)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(guān),因此在投加時(shí)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(duì)環(huán)境造成不利影響,且長期使用單一種類殺菌劑,會(huì)使微生物產(chǎn)生耐藥性,增大去除微生物的難度[5]。 

ZnO納米粒子對(duì)大腸桿菌[6]、金黃色葡萄球菌[7]及綠膿桿菌[8]等細(xì)菌普遍具有殺滅性,殺菌效果與細(xì)菌種類相關(guān),如：10 mg·L-1 ZnO納米粒子對(duì)枯草芽孢桿菌CB310菌株的抑制率可達(dá)到90%,而相同含量下對(duì)大腸桿菌DH5α菌株的抑制率僅為14%[9]。目前,有關(guān)納米粒子殺菌性的研究對(duì)象多為致病菌,對(duì)腐蝕性細(xì)菌的殺菌性能研究不多。為此,作者采用微生物培養(yǎng)與檢測(cè)、電化學(xué)測(cè)試及表面分析等方法研究了ZnO納米粒子對(duì)硫酸鹽還原菌（SRB）的抑菌性能及對(duì)304不銹鋼的微生物腐蝕行為影響。 

1.   試驗(yàn)

1.1   試驗(yàn)材料和介質(zhì)

試驗(yàn)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(yàn)材料為304不銹鋼,所用藥品均購自阿拉丁工業(yè)公司。 

圖  1  ZnO納米粒子的TEM圖

Figure  1.  TEM image of ZnO nanoparticles

試驗(yàn)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(yǎng)基中的SRB以1∶10（體積比）接種至經(jīng)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(huán)境。 

1.2   細(xì)菌培養(yǎng)和計(jì)數(shù)

試驗(yàn)用菌種為SRB,取自池塘污泥,經(jīng)提取并純化后得到,微生物種群分析檢測(cè)出該菌株為脫硫弧菌屬。用于菌種培養(yǎng)和活化的液體培養(yǎng)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(diào)節(jié)培養(yǎng)基p H至7.0~7.2,保持菌種的培養(yǎng)溫度為35 ℃。 

溶液中SRB的數(shù)量測(cè)定采用稀釋平板計(jì)數(shù)試驗(yàn)。將制備好的瓊脂平板（含不同量ZnO納米粒子）在35 ℃條件下進(jìn)行培養(yǎng),經(jīng)48 h培養(yǎng)后對(duì)菌落計(jì)數(shù),并通過式（1）計(jì)算抑菌率。 

式中：y為抑菌率,%；S0為對(duì)照樣品平均菌落數(shù)；S為試樣樣品平均菌落數(shù)。 

1.3   水中自由基的測(cè)定

水中羥基自由基（·OH）測(cè)定：以對(duì)苯二甲酸為熒光捕捉劑,使用RF-5301pc型熒光分光光度計(jì)獲得水中·OH對(duì)應(yīng)的三維激發(fā)-發(fā)射矩陣（EEM）熒光光譜。 

超氧陰離子自由基測(cè)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(xué)測(cè)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(jìn)行電化學(xué)測(cè)試。測(cè)試在CHI660e型電化學(xué)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(xué)阻抗譜的測(cè)試頻率范圍為0.01 Hz~100 k Hz,幅值為5 m V。極化曲線測(cè)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(duì)掛片表面形貌進(jìn)行觀察,并采用掃描電鏡附帶的能譜分析儀（EDS）對(duì)其表面微區(qū)化學(xué)成分進(jìn)行分析。 

2.   結(jié)果與討論

2.1   ZnO納米粒子的抑菌性能

細(xì)菌在溶液中接觸到材料后會(huì)在材料表面形成生物膜,細(xì)菌的附著被認(rèn)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(guān)。測(cè)定了水中不同含量ZnO納米粒子對(duì)SRB的抑菌性能,如表1所示。結(jié)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(qiáng),當(dāng)其質(zhì)量濃度為100 mg·L-1時(shí),抑菌率可達(dá)89.3%。 

一般認(rèn)為,納米粒子在水中可以產(chǎn)生活性氧物質(zhì),活性氧物質(zhì)（包括·OH、等）誘導(dǎo)細(xì)菌氧化應(yīng)激是納米粒子具有抗菌性的重要原因[12]。和·OH均具有很強(qiáng)的氧化性,可破壞細(xì)胞內(nèi)的有機(jī)物,進(jìn)而破壞微生物的結(jié)構(gòu)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(chǎn)生的活性氧物質(zhì)相關(guān)。當(dāng)體系中存在ZnO納米粒子時(shí),可在體系中檢測(cè)到。表2為水中檢測(cè)到的含量與ZnO納米粒子含量的對(duì)應(yīng)關(guān)系?？梢?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(xiàn)表明水中產(chǎn)生了·OH（最高峰出現(xiàn)在激發(fā)波長Ex為320 nm、發(fā)射波長Em為430 nm處）,且熒光強(qiáng)度隨ZnO納米粒子含量增大而增強(qiáng),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(zhì)的產(chǎn)生主要有以下兩方面原因：ZnO納米粒子自身缺陷導(dǎo)致催化反應(yīng)生成活性氧物質(zhì)[14]；在試驗(yàn)過程中,自然光導(dǎo)致納米粒子光催化形成活性氧物質(zhì)[15]。上述結(jié)果說明,添加ZnO納米粒子可使水中生成強(qiáng)氧化性的活性氧物質(zhì)和·OH,從而對(duì)SRB產(chǎn)生了較強(qiáng)的抑制作用。 

ZnO質(zhì)量濃度/（mg·L-1）	20	50	100
質(zhì)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(duì)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(duì)304不銹鋼進(jìn)行電化學(xué)阻抗譜測(cè)試,結(jié)果如圖3所示,采用圖4所示等效電路對(duì)電化學(xué)阻抗譜進(jìn)行擬合,結(jié)果見表3。圖中,Rs為溶液電阻,Rct為電荷轉(zhuǎn)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(xué)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

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(dá)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(fā)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(duì)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(dāng)體系中存在SRB時(shí),不銹鋼表面不易形成鈍化膜或形成的鈍化膜保護(hù)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(duì)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(xì)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(zhuǎn)移過程受到阻礙[17],但同時(shí)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(xiàn)增大,不銹鋼耐微生物腐蝕性能增強(qiáng)。 

在不同ZnO納米粒子含量的模擬地層水中浸泡7 d后對(duì)304不銹鋼進(jìn)行極化曲線測(cè)試,結(jié)果如圖5所示。鈍態(tài)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(duì)不銹鋼的保護(hù)性能越好,不銹鋼的耐蝕性能越強(qiáng)[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(tài)電流密度,ZnO納米粒子添加與否對(duì)極化曲線影響不大；在有菌模擬地層水中,304不銹鋼的鈍態(tài)電流密度顯著增大,鈍化膜的保護(hù)性能下降。這是由于SRB的代謝產(chǎn)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(jù)生物催化陰極還原理論[19],在SRB腐蝕體系中存在如下反應(yīng)： 

SRB細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的陰極反應(yīng)： 

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(yīng)在SRB的細(xì)胞膜內(nèi)進(jìn)行,并生成HS-,Fe2+與HS-結(jié)合產(chǎn)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(shí)304不銹鋼的鈍態(tài)電流密度,可見在無菌體系中ZnO納米粒子對(duì)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(tài)電流密度為15.8 μA·cm-2,添加10 mg·L-1 ZnO納米粒子后鈍態(tài)電流密度降為5.78 μA·cm-2,隨ZnO納米粒子含量增大,鈍態(tài)電流密度減小,這說明ZnO納米粒子抑制了SRB的生命活動(dòng),降低微生物對(duì)不銹鋼的腐蝕速率。 

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(shù)量較多,EDS結(jié)果顯示表面C、O元素原子分?jǐn)?shù)之和達(dá)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(xì)胞以及包裹在微生物外由細(xì)胞自身分泌的胞外聚合物（EPS）構(gòu)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(xì)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(cè)得了Zn元素,其應(yīng)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(jié)論

（1）模擬地層水中ZnO納米粒子對(duì)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(dāng)ZnO納米粒子質(zhì)量濃度為100 mg·L-1時(shí),抑菌率達(dá)到89.3%。ZnO納米粒子的抑菌機(jī)制主要是使水中催化生成強(qiáng)氧化性的活性氧物質(zhì)·OH和,這些活性氧物質(zhì)對(duì)SRB產(chǎn)生較強(qiáng)抑菌作用。 

（2）在含SRB的模擬地層水中,304不銹鋼產(chǎn)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(xì)菌代謝產(chǎn)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(tài)電流密度下降一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

文章來源——材料與測(cè)試網(wǎng)