河南省金属表面涂层行业基于行业的挥发性有机化合物（VOCs）排放特征及其减排潜力

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Sector-based volatile organic compounds (VOCs) emission characteristics of metal surface coating industry and their emission reduction potential in Henan, China

Ag-Cu双金属纳米颗粒通过云杉树皮不同部位提取物合成，有效抑制硫酸盐还原菌（SRB）增殖和生物腐蚀，纳米颗粒直径20-40nm，对Q235钢腐蚀抑制率超90%，并破坏SRB细胞膜结构。

　　在现代石油和天然气开采过程中，微生物引起的腐蚀（MIC）已成为一个不容忽视的安全问题。特别是，在油田管道系统中，硫酸盐还原菌（SRB）的存在可能导致金属材料的严重损坏，影响设备的使用寿命和生产安全。为了解决这一问题，科学家们不断探索新的材料和技术，以有效抑制SRB的生长并减少其对金属的腐蚀作用。近年来，纳米材料因其微小的尺寸、卓越的稳定性和强大的抗菌性能，被广泛认为是应对MIC问题的潜在解决方案。

SRB在油田环境中具有广泛的分布，它们通过将硫酸盐还原为硫化氢（H?S）来获取代谢能量。这一过程不仅会生成腐蚀性气体H?S，还会促进微生物膜的形成，从而进一步加剧金属的腐蚀。H?S在油田管道中积累，会与金属表面发生反应，导致金属表面形成腐蚀产物，最终引发材料的破坏。因此，抑制SRB的生长、破坏其细胞膜并阻断其代谢途径，是防止MIC的关键策略。

为了实现这一目标，研究人员采用了一种基于植物提取物的绿色合成方法，制备了银-铜双金属纳米颗粒（Ag-Cu BNPs）。这种方法不仅减少了传统化学合成过程中的环境负担，还利用了植物中天然存在的有机化合物，如多糖、黄酮类、酚类和萜类物质，作为还原剂和稳定剂。这些天然成分能够与金属离子发生反应，促使纳米颗粒的形成，并在一定程度上调控其尺寸和形态。植物提取物的使用不仅降低了纳米材料的毒性，还增强了其在复杂环境中的稳定性，使其能够更有效地抑制SRB的生长。

在本研究中，选择了樟树（Camphora officinarum）的不同部位，包括叶片、根部和种子，作为提取物的来源。通过使用去离子水或酒精溶液作为溶剂，研究人员成功地从这些植物组织中提取出活性成分，并利用这些成分合成Ag-Cu BNPs。研究结果表明，叶片提取物合成的BNPs直径为20-40纳米，根部提取物合成的BNPs直径为10-20纳米，而种子提取物合成的BNPs直径为40纳米。这些不同尺寸的BNPs在抑制SRB生长方面表现出优异的效果，其最小抑菌浓度（MIC）下的细胞存活率显著降低，同时能够有效破坏SRB的细胞膜结构，从而阻止其进一步生长和形成生物膜。

在实验中，研究人员还评估了Ag-Cu BNPs对Q235钢的腐蚀抑制效果。结果显示，这些BNPs在MIC条件下对Q235钢的腐蚀抑制效率超过了90%。此外，它们对SRB生物膜的抑制率也达到了57.89%、60.88%和72.29%，分别对应叶片、根部和种子提取物合成的BNPs。通过扫描电子显微镜（SEM）观察，可以发现经过BNPs处理的Q235钢表面未出现明显的点蚀现象，同时SRB的细胞膜结构也发生了显著的破坏，这表明BNPs能够有效阻止微生物对金属的侵蚀。

进一步的分析表明，Ag-Cu BNPs对SRB的抑制作用主要通过多种机制实现。首先，BNPs能够通过静电相互作用吸附在SRB的细胞膜表面，破坏其结构稳定性并增加膜的通透性。其次，BNPs在细胞外环境中发生可控的溶解，释放出具有生物活性的金属离子，这些离子能够穿透微生物细胞并干扰其代谢过程。此外，BNPs还能诱导活性氧（ROS）的生成，这些ROS会进一步破坏SRB的抗氧化系统，从而削弱其生存能力。在生物膜的形成过程中，BNPs通过破坏微生物之间的相互作用，有效抑制了生物膜的生长，这为防止SRB引起的腐蚀提供了新的思路。

除了抗菌性能，Ag-Cu BNPs还展现出良好的抗腐蚀能力。通过实验，研究人员发现这些BNPs能够显著降低Q235钢的腐蚀速率，使其在油田环境中的耐久性得到提升。这种绿色纳米材料的合成方法不仅符合可持续发展的理念，还为石油和天然气行业的腐蚀防护提供了新的解决方案。与传统的化学杀菌剂相比，Ag-Cu BNPs在高温、高盐度和极端pH值等恶劣条件下仍能保持较高的抗菌效率，同时不会对环境造成明显的污染。

在油田环境中，微生物腐蚀往往与复杂的化学反应和物理过程相互作用。例如，SRB在厌氧条件下与铁离子结合，会形成硫化铁等腐蚀产物，进一步加速金属的破坏。此外，微生物之间的生态竞争也是影响腐蚀过程的重要因素。某些细菌，如硝酸盐还原菌（NRB）和硫氧化菌，能够通过竞争性代谢途径抑制SRB的生长，从而减少其对金属的腐蚀作用。然而，这些自然竞争机制往往受到环境条件的限制，无法在所有情况下都有效发挥作用。

因此，利用纳米材料作为抗菌和抗腐蚀的手段，成为当前研究的热点。Ag-Cu BNPs的合成不仅为微生物腐蚀的控制提供了新的可能性，还展示了其在实际应用中的巨大潜力。通过与传统化学杀菌剂相比，Ag-Cu BNPs在多个方面具有优势。首先，它们的抗菌效果更加持久，能够在较长的时间内维持对SRB的抑制作用。其次，它们的使用不会导致环境中的化学残留，符合环保要求。此外，Ag-Cu BNPs的制备成本相对较低，适合大规模应用。

植物提取物的使用还带来了其他好处。这些天然成分不仅能够作为还原剂和稳定剂，还可能通过其独特的化学结构和生物活性，增强纳米颗粒的抗菌能力。例如，植物中的黄酮类化合物具有抗氧化和抗炎作用，能够有效抑制微生物的代谢活性。而酚类物质则能够通过破坏微生物细胞膜的完整性，阻止其正常生长。这些特性使得植物提取物成为合成抗菌纳米材料的理想选择。

在实际应用中，Ag-Cu BNPs可以作为油田管道系统的防护涂层，或者与其他防腐材料结合使用，以提高整体的防护效果。此外，它们还可以用于油田废水处理，通过抑制SRB的生长来减少H?S的生成，从而降低腐蚀风险。随着纳米技术的不断发展，未来可能会有更多基于植物提取物的抗菌纳米材料被开发出来，应用于不同的工业领域。

总的来说，Ag-Cu BNPs的合成和应用为解决微生物腐蚀问题提供了一种绿色、高效和可持续的解决方案。通过利用植物提取物的天然特性，研究人员不仅能够制备出具有优异抗菌性能的纳米材料，还能够降低其对环境的影响。这一研究的成果有望为油田管道系统的腐蚀防护提供新的技术路径，同时推动纳米材料在环保和工业应用中的进一步发展。