段成龙, 尚东华, 魏 蕊, 刘 芳

(中国石油大学 化学工程学院, 山东 青岛 266580)

循环水中Zn2+, Mg2+, Ca2+对溶菌酶缓蚀作用的影响

段成龙, 尚东华, 魏 蕊, 刘 芳

(中国石油大学 化学工程学院, 山东 青岛 266580)

为提高溶菌酶在循环水系统中的缓蚀效果,研究了Zn2+、Mg2+、Ca2+等循环水系统中常见的离子对于溶菌酶缓蚀作用的影响。结果表明,循环水中Zn2+、Mg2+、Ca2+质量浓度范围分别为25～100 mg/L、61.97～86.97 mg/L、107.75～182.57 mg/L时,溶菌酶的活性和缓蚀性能均有所提高;其中,Zn2+质量浓度为50 mg/L时溶菌酶的缓蚀率最高,达99.37%。

循环冷却水; 溶菌酶; 金属离子; 缓蚀

溶菌酶又称胞壁质酶,是一种常用的有效抗菌剂,可引起细菌的裂解[1-2],被广泛应用于食品、医疗和科学研究领域[3]。作用于循环水系统的溶菌酶缓蚀剂是一种绿色无污染的新型缓蚀剂,其特点是在自然条件下可以被降解,对环境无害且缓蚀性能优异,较好地解决了传统缓蚀剂易造成二次污染的问题。谯康全等[4]研究了硫酸介质中溶菌酶对Q235钢的缓蚀作用,结果表明,溶菌酶有显著的缓蚀作用。关于溶菌酶在循环水系统内的缓蚀作用,除了本课题组研究外,国内外还鲜有报道。

酶的大部分辅酶和辅基是一些常见离子,可作为溶菌酶辅基的离子有Zn2+、Mg2+、Ca2+等[5]。这些离子在循环水中自然存在[6],只要调整其浓度即可;这些离子在水中多数有负面作用,会引起循环水系统的结垢[7],当其作为辅基应用于提高酶活性后,亦可减少循环水的结垢。鉴于以上原因,为进一步提高溶菌酶的缓蚀效果,笔者探究了循环水中Zn2+、Mg2+、Ca2+对溶菌酶缓蚀作用的影响。

1 实验部分

1.1 试剂

溶菌酶(BR,MW=145.2,酶活性大于40000 U/mg),科昊生物工程有限责任公司产品;无水氯化锌、六水氯化镁、无水氯化钙,分析纯,国药集团化学试剂有限公司产品;正己烷、无水乙醇(GB 678)、盐酸(GB 622)、氢氧化钠(GB 629),分析纯,西陇化工股份有限公司产品;壳聚糖,国药集团化学试剂有限公司产品;铁氰化钾、硫酸高铁铵,分析纯,天津博迪化工股份有限公司产品。

1.2 实验用水的水质

实验用水取自青岛某炼化企业的循环冷却水系统,水质分析结果列于表1。

表1 实验用循环水水质

1.3 实验方法

1.3.1 溶菌酶溶液缓蚀性能的测定

采用炼化企业的循环冷却水作为实验水样,根据GB/T 18175-2000旋转挂片法测定了不同质量浓度溶菌酶溶液缓蚀性能，当溶菌酶质量浓度为20 mg/L,额外投加Zn2+、Mg2+、Ca2+质量浓度分别为0、25、50、100、200 mg/L时溶菌酶的缓蚀性能。选用A3碳钢挂片(50 mm×25 mm×2 mm)作为腐蚀对象,采用江苏省高邮市摩天电子仪器有限公司RCC-Ⅱ型旋转挂片腐蚀试验仪,在温度40℃、转速80 r/min的条件下进行实验,运转72 h。实验结束后对挂片进行清洗处理,称重计算质量损失,同时进行空白实验,按式(1)、(2)计算腐蚀速率(CR)和缓蚀速率(CIE)。

(1)

式(1)中,m为试片质量损失,g;m0为试片空白实验的质量损失平均值,g;s为试片的表面积,cm2;ρ为试片的密度,g/cm3;t为实验时间,h;8760为与1a相当的小时数;10为与1 cm相当的毫米数。

(2)

式(2)中,CR0、CR分别为在空白实验和加水处理剂腐蚀实验中试片的腐蚀速率,mm/a。

1.3.2 溶菌酶酶活性的测定

参考鸡蛋蛋清中溶菌酶的测定分光光度法GB/T25879-2010的实验方法,以壳聚糖代替溶壁微球菌[8],采用实验用水进行实验,测定溶菌酶的活性。

配制溶菌酶质量浓度为20 mg/L,额外投加Zn2+、Mg2+、Ca2+质量浓度分别为0、25、50、100、200 mg/L的溶液。将质量浓度为1.200 g/L的壳聚糖乙酸盐溶液(pH=4.5) 58 mL与上述溶菌酶溶液2.0 mL混合,在55℃下反应60 min。取出6.0 mL反应液至具塞试管中,加入1.0 mL浓度为0.1 mol/L 的碱性铁氰化钾溶液,摇匀,沸水中加热5 min后取出,加入浓度为0.05 mol/L的硫酸高铁铵1.0 mL,以试剂空白作参比,采用上海元析仪器有限公司UV 6000PC型紫外分光光度计于670 nm处测定吸光度。同时进行无酶溶液的对照实验,测定吸光度。按式(3)计算酶活性。

(3)

式(3)中,a为酶的活性,U/mg;A、A0分别为加酶溶液和无酶溶液的吸光度;m1为溶液中酶的质量,mg;100为比例系数。

2 结果与讨论

2.1 溶菌酶的缓蚀性能

循环水中分别投加不同质量浓度的溶菌酶,测得的腐蚀速率和缓蚀率如图1所示。从图1可见,含溶菌酶循环水的缓蚀率随溶菌酶浓度的变化先增后减,以质量浓度20 mg/L为转折点,此时最大缓蚀率为82.40%,相应的腐蚀速率为0.0194 mm/a。

溶菌酶的缓蚀作用来源于其杀菌作用,溶菌酶能抑制几种特定细菌[9]。溶菌酶主要破坏微生物的细胞壁结构,而对其内部结构影响不大,同时由于溶菌酶本身是一种蛋白质,过量的酶反而可以作为细菌的营养,为其他不被溶菌酶所作用的微生物的生长提供了条件,因此随着酶浓度升高缓蚀率下降。李鹤等[10]的研究支持了这一理论。在后续研究离子对溶菌酶缓蚀作用影响的实验中,溶菌酶的质量浓度均取20 mg/L。

图1 含不同浓度溶菌酶循环冷却水的缓蚀率(CIE)及腐蚀速率(CR)

2.2 Zn2+对于溶菌酶的影响

2.2.1 Zn2+对溶菌酶酶活性的影响

Zn2+质量浓度对溶菌酶酶活性的影响如图2所示。

图2 Zn2+质量浓度对溶菌酶酶活性(a)的影响

从图2可以看出,Zn2+对于酶活性的促进作用随其浓度的变化而有明显的变化,以50 mg/L为转折点先增后减;在Zn2+质量浓度为50 mg/L时,溶菌酶的活性达到15650 U/mg,对于酶活性的提高效果较显著。在Zn2+质量浓度范围25～100 mg/L时酶的活性有较大的提高,并且将在区间内达到酶活性的峰值,故而对于Zn2+的研究重点应放在该浓度范围内。

2.2.2 Zn2+的缓蚀作用

无溶菌酶循环冷却水中添加不同质量浓度Zn2+后的腐蚀速率及缓蚀率示于图3。由图3可以看出,在无酶循环水中添加Zn2+后,缓蚀率有一定的提高,并以50 mg/L为转折点,随Zn2+浓度的增加先增后减,在50 mg/L时缓蚀率达到最大,为80.77%,此时的腐蚀速率为0.0520 mm/a。在循环水系统中,锌盐是最常用的阴极型缓蚀剂,起作用的是Zn2+,Zn2+在阴极部位由于pH值的升高,能迅速地形成Zn(OH)2沉积在阴极表面,起到保护膜的作用[11],减缓腐蚀。

图3 无溶菌酶和有溶菌酶循环冷却水中添加不同质量浓度Zn2+后的腐蚀速率(CR)及缓蚀率(CIE)

2.2.3 Zn2+对于溶菌酶缓蚀性能的影响

含溶菌酶循环水添加不同质量浓度Zn2+后的腐蚀速率和缓蚀率也示于图3。

从图3可见,在Zn2+质量浓度25～100mg/L范围内,含溶菌酶循环水的缓蚀率较高,在质量浓度50mg/L时缓蚀率达到最大,为99.37%,此时的腐蚀速率为0.0017mm/a;与仅投加Zn2+的循环水相比,缓蚀率从80.77%提高到99.37%。Zn2+作为溶菌酶的辅基,可以与溶菌酶特异位点结合提高酶的稳定性和催化活性[5],实验已经证明Zn2+可以有效提高酶活性(见图1)。

由图3还可见,有溶菌酶情况下挂片的腐蚀速率随Zn2+浓度增加的变化趋势与单独投加Zn2+的腐蚀速率变化趋势基本相同,这表明Zn2+在提高酶活性的同时,其自身也有一定的抗腐蚀效果;在有酶的情况下腐蚀速率的变化幅度要明显的比单独投加Zn2+的变化幅度平稳,说明溶菌酶在抗腐蚀方面起主导作用。

2.3 Mg2+对于溶菌酶的影响

2.3.1 Mg2+对于溶菌酶酶活性的影响

Mg2+质量浓度对溶菌酶酶活性的影响示于图4。从图4可见,Mg2+对于溶菌酶的酶活性有一定的提高作用,当Mg2+质量浓度为61.97 mg/L时,酶的活性达到最大值,为5575 U/mg。然而相比于Zn2+(见图2),Mg2+对于溶菌酶酶活性的提高并不显著,且当Mg2+质量浓度超过100 mg/L时,反而会降低酶的活性,这与刘慧等[12]的研究结果吻合。

图4 Mg2+质量浓度对溶菌酶酶活性(a)的影响

2.3.2 Mg2+的腐蚀作用

无酶情况下Mg2+质量浓度对挂片腐蚀速率的影响如图5所示。

图5 无酶情况下Mg2+质量浓度对挂片腐蚀速率(CR)的影响

从图5可见,单独投加Mg2+几乎没有缓蚀作用,在浓度较高时反而加剧了挂片的腐蚀。由于Mg2+提高了水体的硬度,而在高硬度的水体中Cl-的腐蚀作用会被增大[13],在没有缓蚀措施的情况下挂片腐蚀较为严重。对于Cl-腐蚀有成相膜理论和吸附膜理论两种理论解释。前者认为,Cl-由于半径小,穿透性强,可从孔隙中到达金属表面,并与金属相互作用形成可溶性化合物,使氧化膜的结构发生变化,使金属被腐蚀[14];后者认为,Cl-和氧争夺金属表面上的吸附点,甚至可以取代吸附中的钝化离子与金属形成氯化物,氯化物与金属表面的吸附并不稳定,形成了可溶性物质,导致了腐蚀的加速[14]。

2.3.3 Mg2+对于溶菌酶缓蚀性能的影响

含有溶菌酶循环水添加不同质量浓度Mg2+的缓蚀率和腐蚀速率示于图6。从图6可见,在Mg2+质量浓度为61.97 mg/L时,含溶菌酶循环水的缓蚀率达到最大,为91.82%,此时的腐蚀速率为0.0221 mm/a,相比不投加Mg2+时的缓蚀率(82.40%)仅提高了11.4%,并没有得到显著地提高;与Zn2+的投加量为最适时达到的腐蚀速率为0.0017 mm/a相比,投加Mg2+时的腐蚀速率是投加Zn2+时的13倍,并且在Mg2+质量浓度超过136.97 mg/L时腐蚀反而加重。这是由于Mg2+促进酶活而起到的缓蚀作用不足以抵消高盐度情况下Cl-的腐蚀作用所致。

图6 含溶菌酶循环水添加不同浓度Mg2+的缓蚀率(CIE)及腐蚀速率(CR)

额外投加Mg2+时酶活性最大达到5575 U/mg,增加4900 U/mg,而同等情况下投加Zn2+可以达到的最大酶活性为15650 U/mg,增加14975 U/mg,比投加Mg2+时的酶活性高出10075 U/mg。可见,Mg2+对于溶菌酶活性的提高并没有太大的贡献,甚至在一定的质量浓度时会对酶产生毒害作用。

2.4 Ca2+对于溶菌酶的影响

2.4.1 Ca2+对于溶菌酶酶活性的影响

Ca2+质量浓度对溶菌酶活性的影响示于图7。

图7 Ca2+质量浓度对溶菌酶酶活性(a)的影响

从图7可见,在107.57～282.57 mg/L质量浓度范围内,Ca2+均能较大地提高溶菌酶的酶活性,当Ca2+质量浓度为182.57 mg/L时,酶的活性达到15675 U/mg。说明Ca2+适宜作为提高溶菌酶缓蚀性能的辅助阳离子,与赖晓芳等[15]的实验结果相吻合。

2.4.2 Ca2+的腐蚀作用

无酶情况下Ca2+质量浓度对挂片腐蚀速率的影响如图8所示。由图8可以看出,Ca2+的存在在一定程度上会加重腐蚀。由于投加Ca2+提高了水体的硬度而提高了Cl-的腐蚀作用,同时Ca2+会导致结垢,从而加重腐蚀。

图8 无酶情况下Ca2+质量浓度对挂片腐蚀速率(CR)的影响

2.4.3 Ca2+对于溶菌酶缓蚀性能的影响

含有溶菌酶循环水添加不同质量浓度Ca2+的缓蚀率和腐蚀速率示于图9。

图9 无溶菌酶和有溶菌酶循环冷却水中添加不同质量浓度Ca2+后的缓蚀率(CIE)及腐蚀速率(CR)

从图9可见,在Ca2+质量浓度范围为107.57～182.57 mg/L时,缓蚀率相比仅投加Ca2+的缓蚀率均有较大提高,缓蚀率均超过90%,在Ca2+离子质量浓度182.57 mg/L时缓蚀率达到最大,为99.18%,此时的腐蚀速率为0.0022 mm/a。相比Zn2+而言,虽然Ca2+的最大缓蚀率不如Zn2+,然而Ca2+的有效质量浓度范围相比Zn2+更大。这是因为Ca2+是很好的离子稳定剂[15],可以通过稳定酶的蛋白质结构达到提高酶活性的目的。

3 结 论

(1)循环水中的Zn2+和Ca2+均可提高溶菌酶酶活性,从而提高酶的缓蚀作用。

(2)循环水中的Mg2+在低浓度时对于溶菌酶酶活性有一定的提高,超过一定浓度后会降低酶活性,使腐蚀加重。

(3)为提高溶菌酶的缓蚀性能,添加Zn2+的最适质量浓度范围为25～100 mg/L,Ca2+为107.57～182.57 mg/L,而Mg2+的质量浓度应控制在61.97～86.79 mg/L范围内。

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Effects of Zn2+, Mg2+, Ca2+in Circulating Cooling Water on Corrosion Inhibition Performance of Lysozyme

DUAN Chenglong, SHANG Donghua, WEI Rui, LIU Fang

(CollegeofChemicalEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China)

To increase corrosion inhibition effect of lysozyme, the effects of common ions in circulating water system, such as Zn2+, Mg2+and Ca2+, on corrosion inhibition of lysozyme were studied. Comprehensive characterization of lysozyme corrosion inhibition capacity in the circulating water system in the presence of these ions was performed. Experimental results showed that when the mass concentration ranges of Zn2+, Mg2+, Ca2+were 25-100 mg/L, 61.97-86.97 mg/L and 107.75-182.57 mg/L in circulating water system, respectively, the activity, microbial resistance and corrosion inhibition properties of lysozyme were improved. The corrosion inhibition rate of lysozyme reached 99.37%, when Zn2+mass concentration was 50 mg/L.

circulating cooling water; lysozyme; mental ions; corrosion inhibition

2014-08-18

国家自然科学基金项目(21077133)资助

段成龙，男，研究方向为污水处理；E-mail：duanchenglong213@163.com

刘芳，女，教授，博士；研究方向为水污染控制与资源化利用；E-mail：liufangfw@163.com

1001-8719(2015)06-1388-06

TQ085; X172

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2015.06.020