CN114645279B - 一种鼠李糖脂作为环保型微生物腐蚀抑制剂的应用 - Google Patents

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Abstract

一种鼠李糖脂作为环保型微生物腐蚀抑制剂的应用，属于微生物腐蚀防护技术领域。该鼠李糖脂作为环保型微生物腐蚀抑制剂的应用，将鼠李糖脂作为环保型微生物腐蚀抑制剂，用于抑制金属材料服役中面临的微生物腐蚀问题。将鼠李糖脂加入能够导致微生物腐蚀的环境中，保证鼠李糖脂在环境中均匀质量浓度为0.53‑1.9g/L。通过研究发现，鼠李糖脂作为环保型微生物腐蚀抑制剂，不仅自身能够抑制金属腐蚀，并能够有效地抑制环境微生物导致的金属材料腐蚀失效问题，还具有环保无污染的特点。

Description

一种鼠李糖脂作为环保型微生物腐蚀抑制剂的应用
技术领域
本发明属于微生物腐蚀防护技术领域，具体涉及一种鼠李糖脂作为环保型微生物腐蚀抑制剂的应用。
背景技术
微生物腐蚀(Microbiologically influenced corrosion,MIC)是指由微生物的代谢活动引起的一种典型的腐蚀过程，它占总腐蚀损失的20％以上。天然气工业中大约40％的管道腐蚀破坏被认为与MIC相关。在材料表面形成的生物被膜一直被认为是导致MIC过程的主要因素。生物膜下材料的物理化学环境发生改变，如溶解氧，离子浓度、pH值等，同时伴随着微生物对电化学反应的催化过程，最终导致材料的严重腐蚀。因此，为了减少生物被膜在材料表面的形成和聚集，已经开发了各种表面改性技术，包括酶改性、化学改性和表面形态改性等。加速生物膜分散也被认为是抑制MIC的切实有效的手段。
长期以来，尽管已开发出多种腐蚀防护手段，例如在金属表面形成氧化层、在容易形成生物被膜的环境中加入缓蚀剂、在金属材料表面形成涂层、牺牲阳极等电化学保护技术等，然而缓蚀剂的应用仍然是最方便、经济、高效的腐蚀防护技术之一。但是传统的有机和无机缓蚀剂，存在着生物相容性、生物降解性和生物累积性有关的环境问题。因此，近几十年来，绿色缓蚀剂因其可生物降解和对自然环境友好而备受关注。
鼠李糖脂(Rhamnolipid)是由假单胞菌或伯克氏菌类产生的一种生物代谢性质的生物表面活性剂，同时也是一种研究时间最长、应用技术最为成熟的一种生物表面活性剂，然而未见有将鼠李糖脂应用于微生物腐蚀防护的报道。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术存在的不足，提供一种鼠李糖脂作为环保型微生物腐蚀抑制剂的应用，本发明中的鼠李糖脂，通过研究发现，其为环保无污染杀菌型物质，不仅具有良好的抗菌的性能，抗生物膜性能，还具备优良的抗腐蚀性能，其作为环保型微生物腐蚀抑制剂能够展现优良的微生物腐蚀抑制能力，并且环保无污染。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的一种鼠李糖脂作为环保型微生物腐蚀抑制剂的应用，将鼠李糖脂作为环保型微生物腐蚀抑制剂，用于抑制微生物腐蚀。
更具体的是，将鼠李糖脂加入能够产生微生物腐蚀的环境中，保证鼠李糖脂在环境中均匀质量浓度为0.53-1.9g/L，更优选为1g/L。
所述的能够产生微生物腐蚀的环境优选为海洋环境、土壤环境或运输液体环境。
更具体的是，所述的鼠李糖脂能够和金属表面结合形成一层保护层，倾向于向金属提供电子，从而抑制金属腐蚀速率。
更具体的是，所述的鼠李糖脂能够降低导致微生物腐蚀环境中的金属表面形成的生物被膜的厚度，用于抑制微生物对金属的腐蚀。
所述的金属优选为碳钢，更优选为X70碳钢。
所述的鼠李糖脂为单鼠李糖脂和/或双鼠李糖脂，其中，单鼠李糖脂的化学结构式为：
Figure BDA0003564829550000021
双鼠李糖脂的化学结构式为：
Figure BDA0003564829550000022
其中，m、n、x、y分别表示对应位置上重复的亚甲基个数的平均值。
加入鼠李糖脂，能够抑制微生物腐蚀的腐蚀抑制率为68.3％～74.7％。
优先针对微生物为地衣芽孢杆菌。
一种鼠李糖脂作为环保型微生物腐蚀抑制剂的应用的检测方法，包括以下步骤：
步骤1：环保型微生物腐蚀抑制剂配制
将鼠李糖脂和水混合均匀，过滤，去除杂质，得到鼠李糖脂水溶液，鼠李糖脂水溶液的质量浓度为0.53-1.9g/L；
步骤2：腐蚀抑制
将微生物腐蚀的材料浸没在鼠李糖脂水溶液中，进行培养，通过对空白组进行对比，发现，加入鼠李糖脂水溶液可以实现对微生物的抑制。
所述的步骤2中，微生物腐蚀的材料的微生物菌种浓度为104～107CFU mL-1。
所述的步骤2中，培养时间为7天，培养温度为室温～37℃。
所述的步骤2中，空白对照组为，未加入鼠李糖脂的对比组，其采用微生物腐蚀的材料相同，添加鼠李糖脂水溶液腐蚀抑制剂作为实验组，将实验组与对照组同时培养7天后，经检测，实验组的微生物腐蚀材料表面生物膜厚度为空白对照组腐蚀材料表面生物膜厚度的0.58倍，腐蚀速率是空白对照组的0.28倍。
本发明的一种鼠李糖脂作为环保型微生物腐蚀抑制剂的应用，其有益效果：
鼠李糖脂是一种典型的生物表面活性剂，是一种两亲性化学物质(亲水性和疏水性)，能够显着降低固体表面张力，降低微生物在金属表面的粘附。本发明通过研究，以更好地利用环保型杀菌物质进行抗菌、抗生物被膜和抑制腐蚀，具有十分重要的意义。
鼠李糖脂在浓度为0.53～1.9g/L时，具有最强的抑制腐蚀能力，对各类细菌发挥明显有效的抗菌、抑制生物被膜及抗腐蚀性能。此外，鼠李糖脂作为微生物腐蚀抑制剂具有环保性，可作为绿色环保型杀菌剂及腐蚀抑制剂。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步说明。下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的实验试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂商店购买得到。以下实施例中的定量实验，均设置三次及以上重复实验，以避免实验错误。
以下实施例将利用多种方法分别检测鼠李糖脂水溶液的抗菌、抗生物膜性能以及对金属腐蚀的抑制作用：
以下实施例中所采用的微生物抑制剂鼠李糖脂水溶液配制过程为：通过市购鼠李糖脂(AGAE Technologies，Oregon,USA)，与去离子水混合，使鼠李糖脂完全溶于去离子水中，过滤，配制成质量浓度为0.53-1.9g/L的鼠李糖脂水溶液；
本实施例中所采用的腐蚀材料为X70碳钢，其成分和各个成分的质量百分比为：0.041C，0.281Si，1.76Mn，0.0001S，0.023Ti，0.067Nb，0.193Cu，0.194Mn，0.058Cr，0.001V，0.01N，Fe为余量，钢材样品尺寸为：10mm×10mm×5mm；
首先将微生物抑制剂鼠李糖脂水溶液，进行最适浓度检测，进过检测实验发现，当鼠李糖脂浓度为1g/L时，对微生物腐蚀的抑制效果是最好的；
实施例1
一种鼠李糖脂作为环保型微生物腐蚀抑制剂的应用，先配置海水，本实施例模拟鼠李糖脂在海水环境中的抑制作用。
本实施例中所采用的模拟海水成分为：NaCl 23.476g/L，MgCl2·6H2O 10.61g/L，Na2SO4 3.917g/L，CaCl2·6H2O 1.469g/L，KCl 0.664g/L，NaHCO3 0.192g/L，KBr 0.096g/L，SrCl2·6H2O 0.040g/L，H3BO3 0.026g/L；
1.鼠李糖脂的防腐特性电化学分析：
取钢材样品，将钢材样品进行冷镶后，作为电极，加入含有1g/L鼠李糖脂的模拟海水中，同时设置对照组，对照组为与实验组同种的电极放入不含鼠李糖脂的模拟海水中，实验组与对照组均浸泡7天，使用三电极体系，利用电化学工作站对鼠李糖脂的抗腐蚀性能进行检测，测试钢材在两种条件中的开路电位(OCP)、线性极化电阻(LPR)和电化学阻抗谱(EIS)数据。在7天浸泡结束时，与未加鼠李糖脂的模拟海水中浸泡的X70碳钢的腐蚀电流密度从6.3±0.5μA cm-2(icorr)下降到2.0±0.4μA cm-2(i'corr)，腐蚀电位从-690.3±12.6mV(Ecorr)上升至-526.0±19.6mV(E'corr)。统计结果显示：加入鼠李糖脂的溶液，其腐蚀抑制率为68.3％(利用公式1计算)。
公式1：
Figure BDA0003564829550000041
其中，icorr为钢材电极在不添加鼠李糖脂时的腐蚀电流密度，i'corr为钢材电极添加鼠李糖脂时的腐蚀电流密度。
2.鼠李糖脂的防腐特性失重分析：
将钢材样品放入含有1g/L鼠李糖脂的模拟海水中，同时设置对照组，对照组为与实验组同种的电极放入不含鼠李糖脂的模拟海水中，实验组与对照组均浸泡7天后进行减重分析。对照组在模拟海水中浸泡7天后的腐蚀速率为0.18±0.01mm/y。实验组在模拟海水中浸泡7天后的腐蚀速率为0.05±0.01mm/y。(利用公式2计算)。
公式2：
Figure BDA0003564829550000042
其中，VC表示腐蚀速率(mg cm-2mm/y)，W0为样品在浸泡前重量(g)，W1为样品在浸泡后重量(g)，t为浸泡的时间(h)，ρ为X70碳钢密度(g/cm3)，A为样品暴露的表面积(cm2)。
实施例2
本实施例中所述微生物为地衣芽孢杆菌株(Bacillus licheniformis)：ATCC14580(Oregon,USA)；
本实施例中采用的培养基为Luria-Bertani培养基(LB培养基)，成分为：胰蛋白胨10g/L，酵母提取物5g/L，NaCl 10g/L；
本实施例中所使用X射线光电子能谱仪(X-ray Photoelectron Spectroscopy)为：XPS,ESCALAB250 surface analysis system,Thermo VG,USA；
鼠李糖脂抑制地衣芽孢杆菌引起的金属腐蚀实验：
1.电化学分析
取钢材样品，将钢材样品进行冷镶后，作为电极，加入含有1g/L鼠李糖脂的地衣芽孢杆菌菌液中，同时设置对照组，对照组为与实验组同种的电极放入不含鼠李糖脂的地衣芽孢杆菌菌液中、同种电极放入含有1g/L鼠李糖脂的LB培养基中和同种电极放入LB培养基中，实验组与对应的对照组(不加入鼠李糖脂，其他均相同)均培养7天，使用三电极体系，利用电化学工作站对鼠李糖脂的抗腐蚀性能进行检测，测试钢材在四种条件中的开路电位(OCP)、线性极化电阻(LPR)和电化学阻抗普(EIS)数据。经检测，在其他条件相同时，地衣芽孢杆菌的存在使RP值变大，这证实了地衣芽孢杆菌可加速X70碳钢的腐蚀。而且在无菌培养基，加入1g/L鼠李糖脂后，EOCP值向正电位移动。此外，在添加1g/L鼠李糖脂后，无论是否接种地衣芽孢杆菌，X70样品的Rp值都要比相应的未加鼠李糖脂的对照组要高得多。在培养7天后，对X70样品进行了动电位极化测试。采用阴极Tafel分析拟合了X70碳钢的腐蚀电位(Ecorr)和腐蚀电流密度(icorr)。浸泡在无菌培养基中的X70样品，加入鼠李糖脂后，腐蚀电流密度从7.1±1.1μA cm-2(icorr)下降到1.8±0.2μA cm-2(i'corr)，腐蚀电位(Ecorr)从-732±11mV正移为(E'corr)-486±9mV，进一步证实了鼠李糖脂引起了X70碳钢腐蚀趋势下降。在地衣芽孢杆菌存在时，检测到一个较高的腐蚀电流密度，而鼠李糖脂的加入显著降低了腐蚀电流密度，说明鼠李糖脂抑制了地衣杆菌引起的金属微生物腐蚀。统计结果显示：加入鼠李糖脂的溶液，其腐蚀抑制率为74.7％(利用公式1计算)。
2.腐蚀形貌表征：
将钢材样品放入含有1g/L鼠李糖脂的地衣芽孢杆菌菌液中，同时设置对照组，对照组为与实验组同种的样品放入不含鼠李糖脂的地衣芽孢杆菌菌液中、同种样品放入含有1g/L鼠李糖脂的LB培养基中和同种样品放入LB培养基中，实验组与对照组均培养7天，去除腐蚀产物和生物膜后，用扫描电镜对其腐蚀形貌进行表征。在无菌培养基中浸泡的样品表面，检测出不规则的腐蚀坑。浸泡于含有1g/L鼠李糖脂培养基的样品表面光滑，无腐蚀坑。浸泡于只含地衣芽孢杆菌的培养基中的样品，表面有很多深而狭窄的腐蚀坑。
3.腐蚀产物分析：
将钢材样品放入含有1g/L鼠李糖脂的地衣芽孢杆菌菌液中，同时设置对照组，对照组为与实验组同种的样品放入不含鼠李糖脂的地衣芽孢杆菌菌液中、同种样品放入含有1g/L鼠李糖脂的LB培养基中和同种样品放入LB培养基中，实验组与对照组均培养7天。使用X射线光电子能谱技术对试样表面形成的腐蚀产物进行分析。在无菌培养基和接种地衣芽孢杆菌的培养基中浸泡的样品表面的腐蚀产物中，仅检测到高价铁氧化物FeOOH和Fe2O3。加入1g/L鼠李糖脂后，检测到Fe2O3(15.9％)，这些结果进一步证实了无论地衣芽孢杆菌是否存在，鼠李糖脂都能有效抑制X70碳钢的腐蚀。
实施例3
本实施例中所述微生物为地衣芽孢杆菌株(Bacillus licheniformis)：ATCC14580(Oregon,USA)；
本实施例中采用的培养基为Luria-Bertani培养基(LB培养基)，成分为：胰蛋白胨10g/L，酵母提取物5g/L，NaCl 10g/L；
本实施例中所使用场发射扫描电子显微镜(Field Emission Scanning ElectronMicroscope)为：FE-SEM,Ultra-Plus,Zeiss,Germany；
本实施例中所使用激光扫描共聚焦显微镜(Confocal Laser ScanningMicroscope)为：Model C2 Plus,Nikon,Tokyo,Japan；
本实施例中所使用接触角测试仪为：TBU 95,DataPhysics,German；
1.X70碳钢样品表面生物膜检测：
将钢材样品放入含有1g/L(m/v)鼠李糖脂的地衣芽孢杆菌菌液中，同时设置对照组，对照组为与实验组同种的样品放入不含鼠李糖脂的地衣芽孢杆菌菌液中。培养3天后，X70样品表面形成的生物膜分别进行扫描电镜和激光共聚焦显微镜检检测。通过激光共聚焦显微镜检测，在未添加鼠李糖脂菌液中浸泡的样品表面检测到致密的生物膜，然而，在添加1g/L(m/v)鼠李糖脂的菌液中浸泡的样品表面，偶尔检测到没有聚集的单细胞。扫描电镜检测结果同激光共聚焦显微镜检测结果相同。
2.接触角检测
将钢材样品放入含有1g/L(m/v)鼠李糖脂的蒸馏水中浸泡4小时，同时设置对照组，对照组为与实验组同种的样品放入不含鼠李糖脂的蒸馏水中浸泡4小时和未浸泡样品。将样品风干后进行接触角检测。检测结果显示，与未浸泡样品相比，在蒸馏水中浸泡4小时后，X70碳钢样品表面形成一层氧化铁，接触角保持在75°。然而，在含1g/L(m/v)鼠李糖脂的蒸馏水中浸泡4小时后，接触角在前0.4秒急剧下降，并在10°以下保持不变。结果表明，鼠李糖脂吸附于样品表面增大了样品的亲水性，水的表面张力显著降低。亲水性的增加可能是由于鼠李糖脂中的亲水基团引起，如聚合物-OH、-COOH等。鼠李糖脂导致金属样品表面张力下降，可能导致微生物在金属表面的粘附能力下降，导致生物被膜形成能力下降，进而抑制由于生物被膜导致的微生物腐蚀。
实施例4
一种鼠李糖脂作为环保型微生物腐蚀抑制剂的应用，环保型微生物腐蚀抑制剂为鼠李糖脂水溶液，所述的鼠李糖脂水溶液中鼠李糖脂的质量浓度为1g/L，本实施例的鼠李糖脂为单鼠李糖脂和双鼠李糖脂的混合物；对应的化学式为：
单鼠李糖脂：
Figure BDA0003564829550000071
双鼠李糖脂：
Figure BDA0003564829550000072
一种鼠李糖脂作为环保型微生物腐蚀抑制剂的应用的检测方法，包括以下步骤：
步骤1：环保型微生物腐蚀抑制剂配制
将鼠李糖脂和水混合均匀，过滤，去除杂质，配制得到质量浓度为1g/L鼠李糖脂水溶液，作为抑制剂备用；
步骤2，抑制腐蚀：
向微生物腐蚀材料中完全浸入抑制剂后，在37℃下进行培养，培养时间为7天，完成腐蚀抑制，其中，所述的微生物菌种浓度为104～107CFU mL-1。
本实施例的微生物指地衣芽孢杆菌。采用的腐蚀材料为X70碳钢材料。
另外取与步骤2同等微生物腐蚀材料，未添加任何微生物抑制剂，作为空白对照组，添加鼠李糖脂水溶液腐蚀抑制剂作为实验组，将实验组与对照组同时培养7天后，经检测，实验组的微生物腐蚀材料表面生物膜厚度为对照组腐蚀材料表面生物膜厚度的0.58倍。
通过对空白对照组和实验组对照，经检测，加入鼠李糖脂水溶液抑制剂，微生物腐蚀材料的腐蚀抑制率为73.2％。
对比例1
一种鼠李糖脂水溶液，其质量浓度为0.5g/L，通过和其对应的空白对照组的数据相比，对微生物腐蚀并没有抑制效果。
对比例2
一种鼠李糖脂水溶液，其质量浓度为2g/L，通过和其对应的空白对照组的数据相比，对微生物腐蚀并没有抑制效果。

Claims (8)

1.一种鼠李糖脂作为环保型微生物腐蚀抑制剂的应用，将鼠李糖脂作为环保型微生物腐蚀抑制剂，仅将鼠李糖脂加入能够产生微生物腐蚀的环境中，保证鼠李糖脂在环境中均匀质量浓度为0.53-1.9g/L，用于抑制微生物对金属的腐蚀。
2.根据权利要求1所述的鼠李糖脂作为环保型微生物腐蚀抑制剂的应用，其特征在于，鼠李糖脂在环境中的均匀质量浓度为1g/L。
3.根据权利要求1所述的鼠李糖脂作为环保型微生物腐蚀抑制剂的应用，其特征在于，所述的能够导致微生物腐蚀的环境为海洋环境、土壤环境或液体运输环境。
4.根据权利要求1所述的鼠李糖脂作为环保型微生物腐蚀抑制剂的应用，其特征在于，所述的鼠李糖脂能够降低导致微生物腐蚀环境中的金属表面形成的生物被膜的厚度，用于抑制微生物对金属的腐蚀。
5.根据权利要求4所述的鼠李糖脂作为环保型微生物腐蚀抑制剂的应用，其特征在于，所述的金属为碳钢。
6.根据权利要求1～4任意一项所述的鼠李糖脂作为环保型微生物腐蚀抑制剂的应用，其特征在于，所述的鼠李糖脂为单鼠李糖脂和/或双鼠李糖脂；
其中，单鼠李糖脂的化学结构式为：
Figure QLYQS_1
双鼠李糖脂的化学结构式为：
Figure QLYQS_2
其中，m、n、x、y分别表示对应位置上重复的亚甲基个数的平均值。
7.根据权利要求1～4任意一项所述的鼠李糖脂作为环保型微生物腐蚀抑制剂的应用，其特征在于，加入鼠李糖脂，能够抑制微生物腐蚀的腐蚀抑制率为68.3％～74.7％。
8.根据权利要求1所述的鼠李糖脂作为环保型微生物腐蚀抑制剂的应用，其特征在于，所述的鼠李糖脂作为环保型微生物腐蚀抑制剂的应用，对应的检测方法，包括以下步骤：
步骤1：环保型微生物腐蚀抑制剂配制
将鼠李糖脂和水混合均匀，过滤，去除杂质，得到鼠李糖脂水溶液，鼠李糖脂水溶液的质量浓度为0.53-1.9g/L；
步骤2：腐蚀抑制
将微生物腐蚀的材料浸没在鼠李糖脂水溶液中，进行培养，通过对空白组进行对比，发现，加入鼠李糖脂水溶液可以实现对微生物的抑制；微生物腐蚀体系中微生物菌种浓度为104～107 CFU mL-1；
其中，空白对照组为未加入鼠李糖脂的对比组，其采用微生物腐蚀的材料相同，添加鼠李糖脂水溶液腐蚀抑制剂作为实验组，将实验组与对照组同时培养7天后，经检测，实验组的微生物腐蚀材料表面生物膜厚度为空白对照组腐蚀材料表面生物膜厚度的0.58倍，腐蚀速率是空白对照组的0.28倍。
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