油氣資源的開(kāi)采伴隨著大量油田注入水的使用，目前國(guó)內(nèi)油田主要以油田污水作為主要注入水，但由于油田污水中含有大量的浮油、有機(jī)質(zhì)等，為細(xì)菌提供了良好的生存環(huán)境，在回注井下時(shí)發(fā)生微生物腐蝕[1,2]。其中好氧鐵細(xì)菌 (IOB) 是廣泛存在的微生物，這類(lèi)細(xì)菌有促進(jìn)鐵離子氧化的作用，而這種作用主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是加快各種元素在細(xì)胞內(nèi)的富集，生成活性較強(qiáng)的化合物；二是其自身可以產(chǎn)生并釋放一種可以催化鐵氧化反應(yīng)的酶，從而促進(jìn)了鐵氧化的過(guò)程[3,4,5]。因此，鐵細(xì)菌可以在很大程度上加快鐵氧化的反應(yīng)，可使鐵氧化的速率提升數(shù)倍，鐵離子被鐵細(xì)菌氧化，生成沉淀后從鐵細(xì)菌體中排出，并且這些沉淀會(huì)聚集粘在菌體周?chē)木z上，形成棕色的黏泥堵塞管道[6,7,8]。

醫(yī)學(xué)研究中發(fā)現(xiàn)，D-氨基酸 (DAA) 能調(diào)節(jié)細(xì)菌表面電荷和自溶素活性，抑制細(xì)菌芽胞萌發(fā)，同時(shí)對(duì)生物膜的解聚和細(xì)菌生態(tài)也具有調(diào)控作用，因此有學(xué)者對(duì)油田菌種添加D-氨基酸進(jìn)行了研究[9,10]。有學(xué)者[11]發(fā)現(xiàn)一些D-氨基酸在高濃度時(shí)可以抑制細(xì)菌的生長(zhǎng)，這可能是由于D-氨基酸改變了細(xì)胞壁肽聚糖的合成而引起的。研究發(fā)現(xiàn)[12,13]D-tyrosine可以驅(qū)散和分解用于過(guò)濾活性污泥的尼龍微濾膜上的生物膜，通過(guò)抑制自體誘導(dǎo)物-2 (一種普遍存在的種間群體感應(yīng)化學(xué)物質(zhì)) 和降低細(xì)菌胞外聚合物的產(chǎn)生，并使已形成的生物膜結(jié)構(gòu)解體，進(jìn)而降低生物膜的吸附性。

目前油田常用的防治微生物腐蝕的方法有物理方法、微生物競(jìng)爭(zhēng)抑制方法以及化學(xué)殺滅方法。其中物理方法在實(shí)驗(yàn)室條件下有很好的殺菌效果，在油田實(shí)際應(yīng)用中，操作難度很大；采用微生物間的競(jìng)爭(zhēng)作用可以控制細(xì)菌數(shù)量，抑制其活性，此種方法雖然在國(guó)內(nèi)外某些油田得到應(yīng)用，但技術(shù)水平還不成熟[14,15]。目前我國(guó)油田主要采用的是利用添加化學(xué)試劑來(lái)達(dá)到殺菌目的，但由于細(xì)菌代謝繁殖迅速會(huì)逐漸產(chǎn)生耐藥性，使我們不得不加大殺菌劑用量，造成惡性循環(huán)，給環(huán)境和經(jīng)濟(jì)造成很大的負(fù)擔(dān)。因此本實(shí)驗(yàn)采用油田常用殺菌劑+綠色環(huán)保的D-tyrosine相配合，在保證良好殺菌效果的前提下探究能否采用少量殺菌劑+D-tyrosine的配比形成新型復(fù)合殺菌劑，進(jìn)而有效減輕環(huán)境危害和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

選用Q235碳鋼，加工成40 mm×14 mm×2 mm的片狀試樣，逐級(jí)打磨至1000#，蒸餾水沖洗，丙酮除油，無(wú)水酒精脫脂，烘干后放入干燥皿干燥48 h；所用IOB菌種是通過(guò)富集培養(yǎng)和純化培養(yǎng)方式從青海某油田注入水中分離出來(lái)。本實(shí)驗(yàn)選用了兩種油田常用殺菌劑，戊二醛和四羥甲基硫酸磷 (THPS)。

培養(yǎng)基配比為：MgSO4·7H2O 1.0 g；(NH4)2SO4 1.0 g；K2HPO4 1.0 g；CaCl2·2H2O 0.4 g；Na2NO3 1.0 g；檸檬酸鐵銨10.0 g；加蒸餾水至1000 mL，用10%的氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH值在6.8左右，120 ℃高溫蒸汽滅菌15 min。分裝到150 mL的密封瓶子里 (倒入溶液100 mL)，取1 mL培養(yǎng)箱里富集培養(yǎng)了3 d的細(xì)菌接種到溶液瓶子中，按配比依次注入不同濃度的殺菌劑與D-酪氨酸，最后將試樣掛入瓶子中，在培養(yǎng)箱中進(jìn)行失重實(shí)驗(yàn)。

IOB富集培養(yǎng)的操作方法：在無(wú)菌條件下向100 mL已滅菌基礎(chǔ)培養(yǎng)液中，接種1 mL的菌液，放入恒溫培養(yǎng)箱，設(shè)置溫度為37 ℃，培養(yǎng)時(shí)間2~3 d，培養(yǎng)基出現(xiàn)渾濁，采用上述相同的方法重復(fù)富集培養(yǎng)目標(biāo)菌，使其成為優(yōu)勢(shì)菌株。富集后的培養(yǎng)液中目標(biāo)菌株得到迅速增殖，占據(jù)數(shù)量?jī)?yōu)勢(shì)，但可能還混雜一定數(shù)量的其它微生物，需要對(duì)富集培養(yǎng)的微生物進(jìn)行純化。分離純化的操作方法：在1000 mL基礎(chǔ)培養(yǎng)液中加入20 g瓊脂，高溫滅菌并制備無(wú)菌平板，采用平板劃線(xiàn)法對(duì)上述富集菌株劃線(xiàn)分離，放入恒溫培養(yǎng)箱，設(shè)置溫度為37 ℃，培養(yǎng)時(shí)間2~3 d，從中選取菌落圓潤(rùn)、表面平整、邊緣沒(méi)有參差不齊、個(gè)體較大的菌落，重復(fù)上述步驟進(jìn)行多次平板劃線(xiàn)分離純化，獲得生長(zhǎng)良好的純種菌落。

采用絕跡稀釋法將待測(cè)定的菌液用無(wú)菌注射器逐級(jí)注入到測(cè)試瓶中進(jìn)行接種稀釋至10-6，置于 (29±1) ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)21 d。根據(jù)細(xì)菌瓶陽(yáng)性反應(yīng)和稀釋的倍數(shù)，計(jì)算出菌液中IOB的數(shù)量。

浸泡腐蝕后的試樣放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的戊二醛溶液中浸泡15 min，然后用體積分?jǐn)?shù)分別為25%、50%、75%、100%的乙醇逐級(jí)脫水，干燥后用于SEM形貌觀察，進(jìn)行相關(guān)區(qū)域的能譜 (EDS) 分析，并用電子分析天平稱(chēng)量失重前后試樣的重量變化，計(jì)算腐蝕速率。

采用JSM-6390A掃描電鏡 (SEM) 對(duì)在腐蝕溶液中浸泡了7 d后的Q235B碳鋼試樣進(jìn)行宏觀、微觀腐蝕形貌和細(xì)菌形態(tài)觀察，采用配套EDS分析對(duì)試樣上的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行物相分析

實(shí)驗(yàn)采用M2273電化學(xué)工作站進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試。采用環(huán)氧樹(shù)脂密封，工作面逐級(jí)打磨至1000#，蒸餾水清洗，丙酮脫油、乙醇脫水后試樣浸于溶液中作為工作電極，飽和甘汞電極 (SCE) 作為參比電極，鉑片作為輔助電極，電化學(xué)阻抗譜測(cè)試頻率為105~10-2 Hz，施加的正弦波幅值為10 mV，采用 Zsimpwin阻抗軟件對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行擬合和數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 失重實(shí)驗(yàn)分析

表1為Q235B碳鋼在不同濃度THPS或戊二醛與D-tyrosine配比下含青海油田IOB培養(yǎng)基中腐蝕7 d后的失重結(jié)果?？梢钥吹?，在不加入任何殺菌劑的1號(hào)溶液中試樣平均腐蝕速率最為嚴(yán)重；2、3和4號(hào)溶液分別添加了40 mg/L的THPS、戊二醛及D-tyrosine，腐蝕速率及殺菌率都有明顯的改善，并且單一的THPS殺菌效果要好于戊二醛，其中4號(hào)液只加入了D-tyrosine，殺菌率為0，說(shuō)明只加入D-tyrosine時(shí)，對(duì)溶液中細(xì)菌的殺菌效果并不明顯，甚至不具備殺菌效果，但試樣緩蝕效果良好，這是由于D-tyrosine能從鋼基體表面剝離IOB生物膜，減緩了IOB生物膜對(duì)鋼基體的腐蝕作用；而同時(shí)加入殺菌劑及D-tyrosine的5號(hào)溶液 (40 mg/L THPS+1 mg/L D-tyrosine)、6號(hào)溶液 (40 mg/L戊二醛+1 mg/L D-tyrosine) 的殺菌率分別為98.73%和88.33%，緩蝕率分別為31.008%和28.295%，兩者的腐蝕速率、殺菌率及緩釋率均優(yōu)于其他的濃度配比。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)NACE RP-0775-91，1號(hào)溶液屬?lài)?yán)重腐蝕，其余編號(hào)溶液均為中度腐蝕。

表1   Q235B碳鋼在含青海油田IOB培養(yǎng)基中腐蝕7 d后的失重結(jié)果

2.2 形貌及產(chǎn)物分析

圖1為Q235B碳鋼在含青海油田IOB培養(yǎng)基中腐蝕7 d后的宏觀形貌，可以看到，在不加入殺菌劑與D-tyrosine的1號(hào)溶液中的試樣表面基本被黃褐色產(chǎn)物層覆蓋，腐蝕產(chǎn)物層并不致密，在層下基體上存在大量的坑狀腐蝕形貌；單獨(dú)加入THPS的2號(hào)溶液和戊二醛的3號(hào)溶液中，試樣表面基本呈亮白色金屬光澤，基體表面有薄膜狀產(chǎn)物貼合覆蓋，基體輕微腐蝕；單獨(dú)加入D-tyrosine的4號(hào)溶液中的試樣呈亮白色金屬光澤，雖然無(wú)法直接殺死細(xì)菌，但D-tyrosine分解生物膜作用非常明顯；而加入THPS+D-tyrosine的5號(hào)溶液和戊二醛+D-tyrosine的6號(hào)溶液中的試樣金屬光澤更為明顯，在基體上基本不存在腐蝕產(chǎn)物，這主要是由于殺菌劑與D-tyrosine的作用，使得腐蝕產(chǎn)物呈疏水性粘稠狀，在重力作用下脫落沉積在溶液底部，同時(shí)細(xì)菌也隨著腐蝕產(chǎn)物脫落到溶液中被大量殺死，使得溶液中有許多紅色的游離態(tài)絮狀物出現(xiàn)，試樣基體上細(xì)菌無(wú)法聚集附著從而達(dá)到緩蝕的效果。

圖1   Q235B碳鋼在含青海油田IOB培養(yǎng)基中腐蝕7 d后的宏觀形貌

圖2是Q235B碳鋼在6種溶液中腐蝕7 d后的SEM像及EDS結(jié)果。圖2a為試樣在IOB培養(yǎng)基中不加殺菌劑與D-tyrosine腐蝕7 d后的SEM圖，可以看到試樣表面局部覆蓋著厚且龜裂的產(chǎn)物層，有部分產(chǎn)物被基體新形成的腐蝕產(chǎn)物頂起脫落，產(chǎn)物層裂隙取向無(wú)序但紋路清晰，細(xì)菌及其代謝產(chǎn)物呈團(tuán)簇狀堆積，底部存在縱橫的裂隙，在貼合基體的部分有乳白色簇狀菌落聚集，高倍鏡下可觀察到在產(chǎn)物層附著的細(xì)菌，EDS表明腐蝕產(chǎn)物以Fe的氧化物為主。

圖2   Q235B碳鋼在6種溶液中腐蝕7 d后的的SEM像及EDS譜

圖2b~d為試樣在IOB培養(yǎng)基中只加殺菌劑或D-tyrosine腐蝕7 d后的SEM像及EDS結(jié)果，在加入40 mg/L THPS的2號(hào)液試樣表面基本平整 (圖2b)，存在少量的腐蝕坑，機(jī)械加工痕跡可見(jiàn)，高倍下觀察試樣表面附有一層膜狀結(jié)構(gòu)，薄膜上IOB呈團(tuán)絮狀富集，相比1號(hào)溶液不加殺菌劑與D-tyrosine中的試樣，菌落減少，腐蝕情況有良好的改觀；在加入40 mg/L戊二醛的3號(hào)液中的試樣表面膜層較厚，部分區(qū)域的產(chǎn)物膜呈龜裂狀，較多的菌落及其代謝產(chǎn)物粘接在膜層上 (圖2c)；在加入40 mg/L D-tyrosine的4號(hào)液中試樣存在完整的膜層，少有菌落，D-tyrosine分解菌落使其無(wú)法在試樣表面附著，雖然膜層存在一定的裂隙，但試樣整體情況良好，這與失重分析的結(jié)果相互對(duì)應(yīng) (圖2d)；EDS分析顯示，在添加了殺菌劑或D-tyrosine后，腐蝕產(chǎn)物中Fe的氧化物相比1號(hào)液有明顯的降低。

圖2e是加入了D-tyrosine和THPS后的腐蝕形貌圖，可以看出，在加入40 mg/L THPS+1 mg/L D-tyrosine的共同作用下，5號(hào)溶液中的試樣表面存在較為致密的產(chǎn)物膜，產(chǎn)物膜淺層有部分開(kāi)裂，在高倍顯微鏡下能觀察到有較多零星的乳白色代謝產(chǎn)物存在，在開(kāi)裂的縫隙間存在呈團(tuán)狀的膠結(jié)產(chǎn)物，非常致密，可進(jìn)一步阻礙氧進(jìn)入基體，生物的趨向性使得IOB向含氧量高的地方運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步減少對(duì)試樣的腐蝕，所以試樣的腐蝕情況良好，IOB在基體上幾乎不可見(jiàn)，這主要是由于IOB生物膜已隨外層產(chǎn)物脫落，數(shù)量大量減少，延緩腐蝕的發(fā)生，這與腐蝕宏觀圖和失重結(jié)果分析一致。同樣也與失重分析中其緩蝕率較高于其他濃度配比下的緩蝕率的結(jié)果相一致。EDS成分分析顯示，腐蝕產(chǎn)物主要為Fe的氧化物。

圖2f是加入D-tyrosine+戊二醛后試樣腐蝕形貌圖，可以看出，試樣產(chǎn)物膜較厚而致密，附著有細(xì)菌的疏松產(chǎn)物已經(jīng)脫落到溶液中，在顯微低倍數(shù)下觀察，膜層表面光滑，試樣的機(jī)械加工痕跡明顯，細(xì)菌只有通過(guò)膜層的裂隙才能到達(dá)基體；在高倍鏡下觀察，基本沒(méi)發(fā)現(xiàn)有細(xì)菌存在，說(shuō)明加入40 mg/L戊二醛+1 mg/L D-tyrosine后，細(xì)菌數(shù)量大量減少，很好地起到緩蝕作用，D-tyrosine具有明顯抑制與分解生物膜的作用，繼而戊二醛通過(guò)殺菌作用，消滅細(xì)菌。EDS成分分析顯示，腐蝕產(chǎn)物主要為Fe的氧化物。

2.3 電化學(xué)測(cè)量

選取3種典型性的配比進(jìn)行電化學(xué)阻抗的測(cè)量，圖3為Q235B碳鋼分別在不加入殺菌劑、加入40 mg/L THPS和40 mg/L THPS+1 mg/L D-tyrosine 3種不同濃度配比的IOB培養(yǎng)基中腐蝕0、3、7 d后的電化學(xué)阻抗圖譜。實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用圖4所示的不同的等效電路進(jìn)行擬合，采用Zsimpwin軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合得到的各等效電路參數(shù)如表2所示。其中，Rs為模擬溶液電阻，Qdl代表雙電層電容的常相位元件，Rt為電荷轉(zhuǎn)移電阻，Qf為腐蝕產(chǎn)物膜或生物膜電容，Rf為腐蝕產(chǎn)物膜或生物膜電阻，W為阻抗[16,17]。根據(jù)阻抗譜擬合的數(shù)據(jù)，1號(hào)溶液中的試樣在腐蝕7 d后，Rs基本穩(wěn)定，容抗弧半徑逐漸減小，溶液電阻減小，腐蝕速度加快，這與失重試驗(yàn)的結(jié)果基本吻合；加入40 mg/L THPS和40 mg/L THPS+1 mg/L D-tyrosine后所測(cè)得的阻抗半徑隨著時(shí)間的延長(zhǎng)先增大后減小，Rs明顯增大，腐蝕速率先減小后逐漸增大。當(dāng)腐蝕相同時(shí)間時(shí)，分別加入40 mg/L THPS和40 mg/L THPS+1 mg/L D-tyrosine后測(cè)得的阻抗半徑大于不加殺菌劑下測(cè)得的阻抗半徑，且后者效果明顯優(yōu)于其他兩種情況下測(cè)得的阻抗半徑。說(shuō)明在加入40 mg/L THPS+1 mg/L D-tyrosine后，隨著時(shí)間的推移，殺菌效果非常顯著，具有明顯的抑制生物膜形成及促進(jìn)生物膜解體的活性。

圖3   Q235B碳鋼在含IOB培養(yǎng)基中分別腐蝕0、3和7 d后的電化學(xué)阻抗譜

圖4   Q235B碳鋼在含IOB培養(yǎng)基中腐蝕0、3和7 d后的等效電路圖

表2   Q235B碳鋼在含SRB培養(yǎng)基中腐蝕0、3和7 d后EIS擬合結(jié)果

3 結(jié)論

(1) Q235B碳鋼在含IOB的培養(yǎng)基中腐蝕7 d后，添加40 mg/L THPS+1 mg/L D-tyrosine的溶液具有最大的殺菌效果，殺菌率可達(dá)98.73%，比單一添加40 mg/L THPS具有更好的殺菌效果和緩蝕作用，40 mg/L THPS+1 mg/L D-tyrosine配比具有最大的緩蝕率可達(dá)31.008%，單一添加D-氨基酸雖然不具備殺菌作用，但能從試樣基體上分解剝離IOB生物膜，使得腐蝕減緩；IOB腐蝕生成物以鐵的氧化物為主。

(2) 表面分析顯示，在添加D-tyrosine后，試樣表面產(chǎn)物大量脫落，能有效減緩微生物腐蝕的發(fā)生，電化學(xué)阻抗譜也證明了添加不同配比的殺菌劑+D-tyrosine后腐蝕電阻增加。

(3) 殺菌劑+D-tyrosine能夠更加有效地緩解Q235B碳鋼的腐蝕，有必要系統(tǒng)地對(duì)D氨基酸+殺菌劑配比進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)中試研究，以期替代目前單純使用殺菌劑的方法，可顯著減緩因殺菌劑用量增多產(chǎn)生的抗藥性以及所導(dǎo)致的環(huán)境污染問(wèn)題。