油氣資源的開采伴隨著大量油田注入水的使用，目前國內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、有機質等，為細菌提供了良好的生存環境，在回注井下時發生微生物腐蝕[1,2]。其中好氧鐵細菌 (IOB) 是廣泛存在的微生物，這類細菌有促進鐵離子氧化的作用，而這種作用主要體現在兩個方面：一是加快各種元素在細胞內的富集，生成活性較強的化合物；二是其自身可以產生并釋放一種可以催化鐵氧化反應的酶，從而促進了鐵氧化的過程[3,4,5]。因此，鐵細菌可以在很大程度上加快鐵氧化的反應，可使鐵氧化的速率提升數倍，鐵離子被鐵細菌氧化，生成沉淀后從鐵細菌體中排出，并且這些沉淀會聚集粘在菌體周圍的菌絲上，形成棕色的黏泥堵塞管道[6,7,8]。

醫學研究中發現，D-氨基酸 (DAA) 能調節細菌表面電荷和自溶素活性，抑制細菌芽胞萌發，同時對生物膜的解聚和細菌生態也具有調控作用，因此有學者對油田菌種添加D-氨基酸進行了研究[9,10]。有學者[11]發現一些D-氨基酸在高濃度時可以抑制細菌的生長，這可能是由于D-氨基酸改變了細胞壁肽聚糖的合成而引起的。研究發現[12,13]D-tyrosine可以驅散和分解用于過濾活性污泥的尼龍微濾膜上的生物膜，通過抑制自體誘導物-2 (一種普遍存在的種間群體感應化學物質) 和降低細菌胞外聚合物的產生，并使已形成的生物膜結構解體，進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、微生物競爭抑制方法以及化學殺滅方法。其中物理方法在實驗室條件下有很好的殺菌效果，在油田實際應用中，操作難度很大；采用微生物間的競爭作用可以控制細菌數量，抑制其活性，此種方法雖然在國內外某些油田得到應用，但技術水平還不成熟[14,15]。目前我國油田主要采用的是利用添加化學試劑來達到殺菌目的，但由于細菌代謝繁殖迅速會逐漸產生耐藥性，使我們不得不加大殺菌劑用量，造成惡性循環，給環境和經濟造成很大的負擔。因此本實驗采用油田常用殺菌劑+綠色環保的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的配比形成新型復合殺菌劑，進而有效減輕環境危害和經濟負擔。

1 實驗方法

選用Q235碳鋼，加工成40 mm×14 mm×2 mm的片狀試樣，逐級打磨至1000#，蒸餾水沖洗，丙酮除油，無水酒精脫脂，烘干后放入干燥皿干燥48 h；所用IOB菌種是通過富集培養和純化培養方式從青海某油田注入水中分離出來。本實驗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%的氫氧化鈉溶液調節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培養箱里富集培養了3 d的細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，在培養箱中進行失重實驗。

IOB富集培養的操作方法：在無菌條件下向100 mL已滅菌基礎培養液中，接種1 mL的菌液，放入恒溫培養箱，設置溫度為37 ℃，培養時間2~3 d，培養基出現渾濁，采用上述相同的方法重復富集培養目標菌，使其成為優勢菌株。富集后的培養液中目標菌株得到迅速增殖，占據數量優勢，但可能還混雜一定數量的其它微生物，需要對富集培養的微生物進行純化。分離純化的操作方法：在1000 mL基礎培養液中加入20 g瓊脂，高溫滅菌并制備無菌平板，采用平板劃線法對上述富集菌株劃線分離，放入恒溫培養箱，設置溫度為37 ℃，培養時間2~3 d，從中選取菌落圓潤、表面平整、邊緣沒有參差不齊、個體較大的菌落，重復上述步驟進行多次平板劃線分離純化，獲得生長良好的純種菌落。

采用絕跡稀釋法將待測定的菌液用無菌注射器逐級注入到測試瓶中進行接種稀釋至10-6，置于 (29±1) ℃恒溫培養箱中培養21 d。根據細菌瓶陽性反應和稀釋的倍數，計算出菌液中IOB的數量。

浸泡腐蝕后的試樣放入質量分數為4%的戊二醛溶液中浸泡15 min，然后用體積分數分別為25%、50%、75%、100%的乙醇逐級脫水，干燥后用于SEM形貌觀察，進行相關區域的能譜 (EDS) 分析，并用電子分析天平稱量失重前后試樣的重量變化，計算腐蝕速率。

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

實驗采用M2273電化學工作站進行電化學測試。采用環氧樹脂密封，工作面逐級打磨至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，電化學阻抗譜測試頻率為105~10-2 Hz，施加的正弦波幅值為10 mV，采用 Zsimpwin阻抗軟件對測試結果進行擬合和數據處理。

2 結果與討論

2.1 失重實驗分析

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培養基中腐蝕7 d后的失重結果。可以看到，在不加入任何殺菌劑的1號溶液中試樣平均腐蝕速率最為嚴重；2、3和4號溶液分別添加了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號液只加入了D-tyrosine，殺菌率為0，說明只加入D-tyrosine時，對溶液中細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生物膜對鋼基體的腐蝕作用；而同時加入殺菌劑及D-tyrosine的5號溶液 (40 mg/L THPS+1 mg/L D-tyrosine)、6號溶液 (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于其他的濃度配比。根據標準NACE RP-0775-91，1號溶液屬嚴重腐蝕，其余編號溶液均為中度腐蝕。

表1   Q235B碳鋼在含青海油田IOB培養基中腐蝕7 d后的失重結果

2.2 形貌及產物分析

圖1為Q235B碳鋼在含青海油田IOB培養基中腐蝕7 d后的宏觀形貌，可以看到，在不加入殺菌劑與D-tyrosine的1號溶液中的試樣表面基本被黃褐色產物層覆蓋，腐蝕產物層并不致密，在層下基體上存在大量的坑狀腐蝕形貌；單獨加入THPS的2號溶液和戊二醛的3號溶液中，試樣表面基本呈亮白色金屬光澤，基體表面有薄膜狀產物貼合覆蓋，基體輕微腐蝕；單獨加入D-tyrosine的4號溶液中的試樣呈亮白色金屬光澤，雖然無法直接殺死細菌，但D-tyrosine分解生物膜作用非常明顯；而加入THPS+D-tyrosine的5號溶液和戊二醛+D-tyrosine的6號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物，這主要是由于殺菌劑與D-tyrosine的作用，使得腐蝕產物呈疏水性粘稠狀，在重力作用下脫落沉積在溶液底部，同時細菌也隨著腐蝕產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絮狀物出現，試樣基體上細菌無法聚集附著從而達到緩蝕的效果。

圖1   Q235B碳鋼在含青海油田IOB培養基中腐蝕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結果。圖2a為試樣在IOB培養基中不加殺菌劑與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物層，有部分產物被基體新形成的腐蝕產物頂起脫落，產物層裂隙取向無序但紋路清晰，細菌及其代謝產物呈團簇狀堆積，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物層附著的細菌，EDS表明腐蝕產物以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培養基中只加殺菌劑或D-tyrosine腐蝕7 d后的SEM像及EDS結果，在加入40 mg/L THPS的2號液試樣表面基本平整 (圖2b)，存在少量的腐蝕坑，機械加工痕跡可見，高倍下觀察試樣表面附有一層膜狀結構，薄膜上IOB呈團絮狀富集，相比1號溶液不加殺菌劑與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號液中的試樣表面膜層較厚，部分區域的產物膜呈龜裂狀，較多的菌落及其代謝產物粘接在膜層上 (圖2c)；在加入40 mg/L D-tyrosine的4號液中試樣存在完整的膜層，少有菌落，D-tyrosine分解菌落使其無法在試樣表面附著，雖然膜層存在一定的裂隙，但試樣整體情況良好，這與失重分析的結果相互對應 (圖2d)；EDS分析顯示，在添加了殺菌劑或D-tyrosine后，腐蝕產物中Fe的氧化物相比1號液有明顯的降低。

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號溶液中的試樣表面存在較為致密的產物膜，產物膜淺層有部分開裂，在高倍顯微鏡下能觀察到有較多零星的乳白色代謝產物存在，在開裂的縫隙間存在呈團狀的膠結產物，非常致密，可進一步阻礙氧進入基體，生物的趨向性使得IOB向含氧量高的地方運動，進一步減少對試樣的腐蝕，所以試樣的腐蝕情況良好，IOB在基體上幾乎不可見，這主要是由于IOB生物膜已隨外層產物脫落，數量大量減少，延緩腐蝕的發生，這與腐蝕宏觀圖和失重結果分析一致。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果相一致。EDS成分分析顯示，腐蝕產物主要為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，試樣產物膜較厚而致密，附著有細菌的疏松產物已經脫落到溶液中，在顯微低倍數下觀察，膜層表面光滑，試樣的機械加工痕跡明顯，細菌只有通過膜層的裂隙才能到達基體；在高倍鏡下觀察，基本沒發現有細菌存在，說明加入40 mg/L戊二醛+1 mg/L D-tyrosine后，細菌數量大量減少，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，繼而戊二醛通過殺菌作用，消滅細菌。EDS成分分析顯示，腐蝕產物主要為Fe的氧化物。

2.3 電化學測量

選取3種典型性的配比進行電化學阻抗的測量，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培養基中腐蝕0、3、7 d后的電化學阻抗圖譜。實驗結果采用圖4所示的不同的等效電路進行擬合，采用Zsimpwin軟件進行數據擬合得到的各等效電路參數如表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為電荷轉移電阻，Qf為腐蝕產物膜或生物膜電容，Rf為腐蝕產物膜或生物膜電阻，W為阻抗[16,17]。根據阻抗譜擬合的數據，1號溶液中的試樣在腐蝕7 d后，Rs基本穩定，容抗弧半徑逐漸減小，溶液電阻減小，腐蝕速度加快，這與失重試驗的結果基本吻合；加入40 mg/L THPS和40 mg/L THPS+1 mg/L D-tyrosine后所測得的阻抗半徑隨著時間的延長先增大后減小，Rs明顯增大，腐蝕速率先減小后逐漸增大。當腐蝕相同時間時，分別加入40 mg/L THPS和40 mg/L THPS+1 mg/L D-tyrosine后測得的阻抗半徑大于不加殺菌劑下測得的阻抗半徑，且后者效果明顯優于其他兩種情況下測得的阻抗半徑。說明在加入40 mg/L THPS+1 mg/L D-tyrosine后，隨著時間的推移，殺菌效果非常顯著，具有明顯的抑制生物膜形成及促進生物膜解體的活性。

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

圖4   Q235B碳鋼在含IOB培養基中腐蝕0、3和7 d后的等效電路圖

表2   Q235B碳鋼在含SRB培養基中腐蝕0、3和7 d后EIS擬合結果

3 結論

(1) Q235B碳鋼在含IOB的培養基中腐蝕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，試樣表面產物大量脫落，能有效減緩微生物腐蝕的發生，電化學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，有必要系統地對D氨基酸+殺菌劑配比進行現場中試研究，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生的抗藥性以及所導致的環境污染問題。