利用樟脑（Camphora officinarum）提取物研究Ag-Cu双金属纳米颗粒对硫酸盐还原菌的抑制作用

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Inhibitory effects of Ag-Cu bimetallic nanoparticles using Camphora officinarum extracts on sulfate-reducing bacteria

硫酸盐还原菌（SRB）抑制与微生物腐蚀控制

　　在油井管道系统中，微生物引起的腐蚀（MIC）已成为一个严重的技术挑战。其中，硫酸盐还原菌（SRB）作为主要的腐蚀微生物之一，其繁殖和代谢活动对金属材料的破坏尤为显著。为有效应对这一问题，近年来研究者们致力于开发新型的抗菌和防腐蚀材料，其中纳米材料因其微小的尺寸、优异的稳定性以及强大的抗菌性能，被视为一种重要的技术突破。本文介绍了一种利用**樟树**（*Camphora officinarum*）不同组织提取物合成银-铜双金属纳米颗粒（BNPs）的新方法，并通过实验评估了其对SRB的抑制作用以及对Q235钢的防腐效果。

### 研究背景与问题

在石油和天然气的开采过程中，尤其是在提高采收率（EOR）阶段，通常需要将海水或产出水大规模注入地层。这种注入过程在长期运行中会导致地层中硫化物的生成，尤其是在低盐度、高硫酸盐含量的水环境中。SRB广泛存在于这些水系统中，其代谢过程依赖于有机物或氢气的氧化与硫酸盐的还原。SRB的腐蚀性主要来源于其五种不同的代谢能力，包括氢气氧化、分子氧和三价铁（Fe3?）的利用、烷烃和芳香烃的降解、硫酸盐还原与细胞内磁铁矿的耦合，以及与硝酸盐还原/硫氧化菌的生态竞争。随着SRB在油藏中的繁殖，氢硫化物（H?S）浓度逐渐升高，导致地层酸化，进一步加剧了对油井设施如井筒和管道的腐蚀，造成油气泄漏，威胁生产安全和人员安全，同时增加了运营成本。

在厌氧且酸性的油藏和深层环境中，硫酸盐与铁的存在促进了腐蚀性厌氧微生物的生长，这些微生物会形成具有抗药性的生物膜。在这些生物膜中，微生物群落会调整其代谢途径，以适应缺乏电子或氧气的环境，通过直接与金属表面相互作用或破坏被动层来建立电化学梯度。这种机制不仅支持了微生物的生长和能量代谢，还诱导了局部金属的腐蚀。生物膜中的微生物通常包括产甲烷古菌、硝酸盐还原菌（NRB）、铁氧化菌（IOB）和SRB，这些微生物通过相互依赖的代谢机制共同维持生物膜的结构和功能。

传统的防腐蚀策略主要包括使用化学杀菌剂和调控营养以促进竞争性微生物的生长。然而，在高温、高盐度和极端pH等恶劣条件下，这些方法的效果受到显著影响。此外，所有注入的化学物质都必须保持可接受的腐蚀性水平，这使得传统的控制方式在长期应用中存在一定的局限性。因此，随着纳米技术的不断发展，研究者们开始探索纳米抗菌材料作为提高抗菌处理效率的新途径。

### 纳米材料的抗菌与防腐机制

纳米材料在微生物抑制和腐蚀控制中展现出独特的优势。它们能够通过多种机制破坏微生物细胞膜，包括产生活性氧（ROS）、与DNA/RNA和蛋白质相互作用、失活酶类、改变细胞膜通透性以及阻碍生物膜的形成。这些作用机制不仅能够有效抑制微生物的生长，还能降低其对金属材料的腐蚀能力。纳米材料与微生物之间的相互作用通常由静电作用主导，其中带正电的纳米颗粒能够选择性地吸附在带负电的微生物细胞壁表面，进而引发细胞膜结构的不稳定和通透性的增强。

此外，纳米材料在细胞外环境中会经历受控的溶解过程，释放出具有生物活性的金属离子，这些离子能够穿透细胞内部并干扰关键的代谢过程。在微生物细胞内，金属离子和纳米颗粒共同促进ROS的生成，从而导致谷胱苷肽的氧化损伤，削弱微生物的抗氧化能力。由于纳米材料与生物大分子之间的相互作用通常为非特异性结合，因此它们通常表现出广谱的抗菌活性，适用于多种微生物的抑制。

### 绿色合成与材料特性

与传统的化学合成方法相比，使用植物提取物进行纳米材料的合成具有更高的生物相容性、更低的生产成本以及更环保的工艺。植物提取物可以通过其含有的生物衍生糖类、次级代谢产物和蛋白质等成分，实现金属离子的还原和纳米颗粒的稳定。当金属盐分解为阳离子和阴离子时，阳离子会与植物提取物中的成分结合形成羟基络合物。随着羟基络合物的过饱和，含氧的金属晶体开始生长，形成不同能量水平的晶面。这一过程持续进行，直到植物提取物中的稳定剂被激活，从而阻止高能晶面的进一步生长。

通过使用不同的金属组合，可以制备出具有不同尺寸、形状和结构的单金属或双金属纳米颗粒。与普通抗生素或其他抗菌剂相比，这些纳米材料能够更有效地抑制生物膜的形成，并加速生物膜渗透压变化和附着能力减弱相关的反应，从而在应对病原体耐药性方面表现出显著的优势。

### 实验材料与合成方法

在本研究中，选择了樟树的叶子、根和种子作为纳米颗粒的合成原料，使用去离子水或醇类溶液作为提取剂以获取活性成分。通过扫描电子显微镜（SEM）、能谱分析（EDS）和X射线衍射（XRD）对合成的Ag-Cu BNPs进行了表征，同时利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）识别了主要参与纳米合成过程的功能基团。实验结果表明，通过樟树不同组织提取物合成的Ag-Cu BNPs具有球形形态，其粒径范围在10至40纳米之间。这些纳米颗粒在最低抑菌浓度（MIC）下显著降低了SRB的细胞活性，并诱导了细胞膜的破坏，最终实现了对Q235钢的高防腐效率，超过90%。同时，生物膜的抑制率分别达到57.89%、60.88%和72.29%。

通过扫描电子显微镜观察发现，经过Ag-Cu BNPs处理的Q235钢表面没有明显的点蚀形态，且SRB的细胞膜结构受到了显著的破坏，从而有效阻止了生物膜的形成。此外，研究还揭示了BNPs对SRB生长抑制和腐蚀缓解的机制。这一绿色的防腐蚀系统不仅能够有效抑制SRB引起的腐蚀行为，还在油井管道基础设施的微生物腐蚀防护方面展现出广阔的应用前景。

### 与其他研究的对比

与其他研究相比，本研究采用的樟树提取物在合成Ag-Cu BNPs时表现出独特的优势。例如，Ituen等人使用柑橘类果皮提取物合成出球形的Ag和Cu单金属纳米颗粒，这些纳米颗粒被用于油井环境中X80管道的防腐蚀。在最低抑菌浓度下，Ag和Cu纳米颗粒分别降低了*Desulfovibrio* sp.的种群数量超过3个数量级。在303 K和333 K的温度条件下，Ag纳米颗粒对生物腐蚀的抑制率分别为76.2%和61.8%，而Cu纳米颗粒的抑制率分别为79.8%和68.4%。这些结果表明，使用植物提取物合成的纳米材料在抗菌和防腐蚀方面具有良好的性能。

Hu等人使用姜提取物合成Ag/Cu BNPs，作为腐蚀抑制剂和杀菌剂使用。在纳米颗粒浓度为6.25 μg/mL时，这些BNPs能够破坏SRB细胞的完整性，并减少其在碳钢表面的附着量超过65%。同时，碳钢的腐蚀速率从0.453 mm/year显著降低至0.05 mm/year。Su等人则利用废弃香蕉皮提取物合成Ag/Cu BNPs，这些纳米颗粒表现出球形结构，并对混合菌株中的SRB生长具有显著的抑制作用。在最低抑菌浓度下，对X65碳钢的腐蚀抑制率达到77.9%，同时附着的SRB细胞数量减少了5个数量级。这些研究进一步验证了植物提取物在纳米材料合成中的重要作用，包括减少颗粒尺寸、提高表面能、增强催化性能以及降低细胞毒性。

### 樟树提取物的特性与应用潜力

樟树作为一种重要的植物资源，其提取物富含烯烃、脂肪醇、脂肪酸、甘油酯、酚类及其衍生物、甾体和三萜类化合物。这些成分在纳米材料的合成过程中发挥了关键作用，能够将金属离子还原为零价金属，从而实现纳米颗粒的形成。Devi等人利用樟树叶片提取物合成Te-Se双金属纳米颗粒，其甲醇提取物中含有生物碱、黄酮类、羟基苯、蒽、甾体、萜类、香豆素、内酯、芳樟醇、多糖、氨基酸等成分，这些成分在金属前体的生物还原过程中起到了重要作用。

Masry等人研究了Ag纳米颗粒对床虫的抗菌活性，使用樟树叶片提取物合成Ag纳米颗粒。Kamran等人则利用樟树树皮提取物合成Mn纳米颗粒，并评估了其光催化活性和抗菌活性。Ansari等人同样使用樟树树皮提取物合成ZnO纳米颗粒，用于对抗有害病原体。通过气相色谱-质谱分析（GC-MS）检测发现，提取物中的主要成分是肉桂醇，它被用作纳米合成的稳定剂和还原剂。樟树提取物具有较强的生物活性，可以用于合成多种金属材料，并在抗菌、催化和有机污染物降解等方面展现出良好的应用前景。

### 实验方法与表征技术

为了全面评估Ag-Cu BNPs的抗菌和防腐蚀性能，本研究采用了多种表征技术。扫描电子显微镜（SEM）用于观察纳米颗粒的形态和大小，结果显示，由樟树不同组织提取物合成的Ag-Cu BNPs呈现出球形结构，其粒径范围在10至40纳米之间。能谱分析（EDS）用于检测纳米颗粒的元素组成，确认了Ag和Cu的存在。X射线衍射（XRD）则用于分析纳米颗粒的晶体结构，进一步验证了其形成过程。

傅里叶变换红外光谱（FTIR）用于识别纳米颗粒合成过程中起关键作用的功能基团。通过分析不同樟树提取物的FTIR光谱，发现3335 cm?1处的宽而强的吸收峰对应于乙醇，其中醇类和酚类分子之间的分子间氢键削弱了O-H键的强度，从而降低了吸收频率。此外，2911 cm?1处的吸收峰对应于烷烃的C-H伸缩振动，1742 cm?1处的吸收峰对应于酮类的C=O伸缩振动，而1597、1508和1464 cm?1处的吸收峰则与芳香环的骨架振动有关。这些结果表明，樟树提取物中的多种成分在纳米颗粒的合成过程中发挥了重要作用。

### 实验结果与结论

实验结果表明，Ag-Cu BNPs在最低抑菌浓度下显著降低了SRB的细胞活性，并诱导了细胞膜的破坏。这种破坏作用不仅抑制了SRB的生长，还有效减少了其在Q235钢表面的附着量，从而降低了生物膜的形成。通过扫描电子显微镜观察发现，处理后的Q235钢表面没有明显的点蚀形态，且SRB的细胞膜结构受到了显著的破坏，这表明BNPs在防腐蚀方面具有良好的效果。

此外，研究还揭示了BNPs对SRB生长抑制和腐蚀缓解的机制。这一机制主要涉及纳米颗粒对SRB细胞膜的破坏、代谢途径的干扰以及生物膜的抑制。通过使用不同植物提取物合成的纳米颗粒，研究者们能够实现对SRB的高效抑制，同时降低对金属材料的腐蚀能力。这些结果表明，基于樟树提取物的Ag-Cu BNPs不仅具有良好的抗菌性能，还在防腐蚀方面展现出显著的优势。

综上所述，本研究通过利用樟树不同组织提取物合成Ag-Cu BNPs，为油井管道系统的微生物腐蚀防护提供了一种新的解决方案。该方法不仅能够有效抑制SRB的生长，还能显著降低其对Q235钢的腐蚀能力，展现出广阔的应用前景。此外，基于植物提取物的绿色合成方法在提高纳米材料的性能和环保性方面具有重要价值，为未来的石油生产提供了更加可持续和高效的技术路径。