自然水体中存在大量微生物,在工业生产中用水设备可能发生微生物腐蚀,引发设备点蚀穿孔等问题。在冷却水系统中,微生物黏附在换热管表面形成生物膜,导致热传递效率降低、管道堵塞[1],并造成能量损耗和经济损失[2]。选用耐蚀材料是控制微生物腐蚀的方法之一,但这会造成投入成本过大。另外,投加缓蚀剂和杀菌剂也是防治微生物腐蚀[3]的常用方法。

缓蚀剂可以抑制腐蚀电池阳极或阴极反应的进行,从而降低金属的腐蚀速率,其缓蚀效果与水中微生物种类相关,因此在投加时需考虑微生物因素[4]。杀菌剂通过将微生物杀灭,从源头上控制微生物腐蚀,但使用量较大,可能对环境造成不利影响,且长期使用单一种类杀菌剂,会使微生物产生耐药性,增大去除微生物的难度[5]。

ZnO纳米粒子对大肠杆菌[6]、金黄色葡萄球菌[7]及绿脓杆菌[8]等细菌普遍具有杀灭性,杀菌效果与细菌种类相关,如：10 mg·L-1 ZnO纳米粒子对枯草芽孢杆菌CB310菌株的抑制率可达到90%,而相同含量下对大肠杆菌DH5α菌株的抑制率仅为14%[9]。目前,有关纳米粒子杀菌性的研究对象多为致病菌,对腐蚀性细菌的杀菌性能研究不多。为此,作者采用微生物培养与检测、电化学测试及表面分析等方法研究了ZnO纳米粒子对硫酸盐还原菌（SRB）的抑菌性能及对304不锈钢的微生物腐蚀行为影响。

1. 试验

1.1 试验材料和介质

试验用ZnO纳米粒子平均粒径为25 nm,图1为用FEOL JEM 2100F型透射电子显微镜（TEM）表征的ZnO纳米粒子形貌。试验材料为304不锈钢,所用药品均购自阿拉丁工业公司。

图 1 ZnO纳米粒子的TEM图

Figure 1. TEM image of ZnO nanoparticles

试验溶液为模拟地表水（SCW）,主要组成为：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。将培养基中的SRB以1∶10（体积比）接种至经高压灭菌后的模拟地层水中,用石蜡密封维持溶液的厌氧环境。

1.2 细菌培养和计数

试验用菌种为SRB,取自池塘污泥,经提取并纯化后得到,微生物种群分析检测出该菌株为脱硫弧菌属。用于菌种培养和活化的液体培养基的组成为：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乳酸钠,1.0 g·L-1酵母浸汁,0.1 g·L-1维生素C。调节培养基p H至7.0~7.2,保持菌种的培养温度为35 ℃。

溶液中SRB的数量测定采用稀释平板计数试验。将制备好的琼脂平板（含不同量ZnO纳米粒子）在35 ℃条件下进行培养,经48 h培养后对菌落计数,并通过式（1）计算抑菌率。

式中：y为抑菌率,%；S0为对照样品平均菌落数；S为试样样品平均菌落数。

1.3 水中自由基的测定

水中羟基自由基（·OH）测定：以对苯二甲酸为荧光捕捉剂,使用RF-5301pc型荧光分光光度计获得水中·OH对应的三维激发-发射矩阵（EEM）荧光光谱。

超氧阴离子自由基测定：采用羟氨氧化法[10],以模拟地表水代替纳米氧化锌悬浮液作为参比溶液。

1.4 电化学测试

将304不锈钢电极在不同ZnO纳米粒子含量的模拟地表水（含菌和无菌）中浸泡7 d后进行电化学测试。测试在CHI660e型电化学工作站上完成并采用三电极体系。304不锈钢电极作为工作电极,饱和甘汞电极作为参比电极,铂电极作为辅助电极。电化学阻抗谱的测试频率范围为0.01 Hz~100 k Hz,幅值为5 m V。极化曲线测试的扫描速率为1 m V·s-1,温度为35 ℃。

1.5 金属表面形貌观察

将304不锈钢挂片置于含ZnO纳米粒子的有菌体系中浸泡7 d,取出后用2%戊二醛固定生物膜,采用扫描电镜（SEM）对挂片表面形貌进行观察,并采用扫描电镜附带的能谱分析仪（EDS）对其表面微区化学成分进行分析。

2. 结果与讨论

2.1 ZnO纳米粒子的抑菌性能

细菌在溶液中接触到材料后会在材料表面形成生物膜,细菌的附着被认为是微生物腐蚀的前兆[11]。不锈钢表面黏附的菌量与纳米粒子的抑菌性能相关。测定了水中不同含量ZnO纳米粒子对SRB的抑菌性能,如表1所示。结果表明,ZnO纳米粒子有一定的抑菌性,随ZnO纳米粒子含量增大,抑菌性能逐渐增强,当其质量浓度为100 mg·L-1时,抑菌率可达89.3%。

一般认为,纳米粒子在水中可以产生活性氧物质,活性氧物质（包括·OH、等）诱导细菌氧化应激是纳米粒子具有抗菌性的重要原因[12]。和·OH均具有很强的氧化性,可破坏细胞内的有机物,进而破坏微生物的结构并抑制其生理活性[13]。ZnO纳米粒子的抑菌性能与其在水溶液中催化产生的活性氧物质相关。当体系中存在ZnO纳米粒子时,可在体系中检测到。表2为水中检测到的含量与ZnO纳米粒子含量的对应关系。可见,随着ZnO纳米粒子含量升高,水中的含量也随之增大。图2为不同ZnO纳米粒子含量水溶液的荧光光谱。图2（b）、（c）、（d）中,荧光位置的出现表明水中产生了·OH（最高峰出现在激发波长Ex为320 nm、发射波长Em为430 nm处）,且荧光强度随ZnO纳米粒子含量增大而增强,表明随ZnO纳米粒子含量增大,水中生成了更多的·OH。水中活性氧物质的产生主要有以下两方面原因：ZnO纳米粒子自身缺陷导致催化反应生成活性氧物质[14]；在试验过程中,自然光导致纳米粒子光催化形成活性氧物质[15]。上述结果说明,添加ZnO纳米粒子可使水中生成强氧化性的活性氧物质和·OH,从而对SRB产生了较强的抑制作用。

ZnO质量浓度/（mg·L-1）	20	50	100
质量浓度/（mg·L-1）	0.152	0.178	0.208

图 2 不同ZnO纳米粒子含量水样的荧光光谱图

Figure 2. Fluorescence spectra of water samples with different concentrations of ZnO nanoparticles

2.2 ZnO纳米粒子对不锈钢微生物腐蚀行为的影响

在不同ZnO纳米粒子含量的模拟地层水中浸泡7 d后,对304不锈钢进行电化学阻抗谱测试,结果如图3所示,采用图4所示等效电路对电化学阻抗谱进行拟合,结果见表3。图中,Rs为溶液电阻,Rct为电荷转移电阻,Rf为不锈钢表面钝化膜电阻,Qdl和Qf分别为用于表示双电层电容和膜电容的常相角元件。

图 3 在不同ZnO纳米粒子含量的模拟地层水（有菌、无菌）中304不锈钢的电化学阻抗谱

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

图 4 腐蚀体系的等效电路

Figure 4. Equivalent circuit of corrosion system