一种生物金属缓蚀剂及其应用的制作方法
【专利摘要】本申请涉及一种生物金属缓蚀剂及其应用。该生物金属缓蚀剂含有新喀里多尼亚弧菌(Vibrio neocaledonicus sp)，可在金属表面生成，形成具有金属缓蚀作用的生物膜，使金属在水相体系中的耐腐蚀性能得到大幅提高。能够替代传统的电镀、化学镀等有污染的防护技术，实现金属结构的绿色防护，同时还可以大幅减低维护成本。
【专利说明】一种生物金属缓蚀剂及其应用
【技术领域】
[0001] 本申请涉及一种生物金属缓蚀剂和用途，属于缓蚀剂领域。
【背景技术】
[0002] 很多海洋环境中使用的金属制品，如港口、石油平台，因其长期浸泡在海洋环境 中而受到腐蚀，而定期维护费用高昂，有必要开发延长维护周期的防护技术和方法。目前 防护技术多为采用对环境释放毒性的物质而且处理费用高，例如，采用有机化合物涂层 (Finkenstadt et al·，Biotechnology Letters，2011，33:1093 - 1100)，或者在钢中加入较 贵的合金元素以达到不锈效果（Marcus et al.，Corrosion Science，1988, 28:589 - 602 ; Sugimoto et al.，Corrosion Science，1977, 17:425 - 445) ^ 开发环保可替代技术成为人 们关注的热点。
[0003] 目前，由于生物基材料可生物降解以及可再生、低毒性、不含杀虫剂等，作为防腐 蚀剂的研究不断扩展，（Tang et al·，Colloids and Surfaces A，2010, 369:101 - 105; Felix et al·，Journal of Food Engineering，2014, 125:7 - 16) D 这些都是常规产品 的理想替代品，他们被定义为"生物制品"（US Department of Agriculture，Federal Register, 2005, 70:1792 - 1812) 〇
[0004] 有研究报道，细菌及其代谢产物制成的生物制品可减缓金属腐蚀（Zarasvand et al., International Biodeterioriation&Biodegradegradation，2014, 87:66-74) 〇 Pedersen等人首次报导具有减缓腐蚀作用细菌（Pedersen et al.，Journal of microbiological methods，1988, 8:191 - 198) D 其后，Jayaraman 等人研究 了缓蚀 机理，认为生物膜的形成是导致这一现象的重要原因 （Jayaraman et al.，Applied Microbioliology and Biotechnology， 1977,47:62 -68)。人们对几种的细菌的 缓蚀作用进行 了测量（Pedersen et al.，Biofouling，1989, 1:313-322 ;Pedersen et al. ,Biofouling, 1991, 3:1-11 ；Zuo et al. , Applied Microbiology and Biotechnology，2007, 76:1245-1253 ;0rnek et al.Applied Microbiology and Biotechnology，2002, 58:651-657)。其中最好效果细菌可提高十倍的缓蚀作用，为门多萨 假单胞菌 KRl (Pseudomonas mendocina KR1) (Jayaraman et al. , Applied Microbiology and Biotechnology, 1997, 48:11 - 17) 〇
[0005] 尽管研究发现一些细菌具有缓蚀作用，但仍未见将细菌制备成金属缓蚀剂并应用 于金属缓蚀的报道。
【发明内容】
[0006] 根据本申请的一个方面，提供一种生物金属缓蚀剂，该生物金属缓蚀剂通过在金 属表面形成一层生物膜，用于在海洋环境下、盐溶液条件下以及在有水环境下金属材料腐 蚀的抑制。该缓蚀剂可将金属的抗腐蚀性能提高，对于碳钢大约是60倍左右。
[0007] 所述生物金属缓蚀剂，其特征在于，含有新喀里多尼亚弧菌（Vibrio neocaledonicus sp)。所述新喀里多尼亚弧菌为生物金属缓蚀剂的活性组分。
[0008] 本领域技术人员，可以根据实际需要和使用条件，选择生物金属缓蚀剂中新喀里 多尼亚弧菌活菌的含量。理论上，生物金属缓蚀剂中只要有新喀里多尼亚弧菌活菌的存在， 即可实现本申请中的技术方案。进一步，新喀里多尼亚弧菌的胞外产物在移除新喀里多尼 亚弧菌（Vibrio neocaledonicus sp)后仍然具有缓蚀作用。
[0009] 优选地，所述生物金属缓蚀剂中新喀里多尼亚弧菌的活菌浓度不低于10000CFU/ g。进一步优选地，所述生物金属缓蚀剂中新喀里多尼亚弧菌的活菌浓度不低于l〇5CFU/g。 进一步优选地，所述生物金属缓蚀剂中新喀里多尼亚弧菌的活菌浓度不低于5X 107CFU/g。 进一步优选地，所述生物金属缓蚀剂中新喀里多尼亚弧菌的活菌浓度不低于l〇9CFU/g。进 一步优选地，所述生物金属缓蚀剂中新喀里多尼亚弧菌的活菌浓度为IO 9?10 12CFU/g。
[0010] 优选地，所述新喀里多尼亚弧菌为新喀里多尼亚弧菌KJ841877菌种。
[0011] 优选地，所述生物金属缓蚀剂的制备方法为，将新喀里多尼亚弧菌接种于培养基 中，在20?35°C下，100?200r/min震荡发酵培养12?48h，获得活菌浓度不低于IO5CFU/ g的生物金属缓蚀剂。所述培养基可以为液相培养基，也可以为固相培养基，本领域技术人 员，可以根据实际需要和使用的条件，选择合适的培养基。
[0012] 根据本申请的又一方面，提供了一种所述生物金属缓蚀剂用于金属缓蚀的方法， 其特征在于，将金属与含有生物金属缓蚀剂的体系接触，所述新喀里多尼亚弧菌在金属表 面生长，形成具有金属缓蚀作用的生物膜。
[0013] 优选地，所述金属与含有生物金属缓蚀剂的体系接触方式选自涂覆、喷涂或浸泡 中的至少一种。
[0014] 优选地，所述含有生物金属缓蚀剂的体系含有新喀里多尼亚弧菌和培养基。
[0015] 优选地，所述含有生物金属缓蚀剂的体系由新喀里多尼亚弧菌和培养基组成。
[0016] 根据一种优选的实施例方式，所述生物金属缓蚀剂用于金属缓蚀的方法，其特征 在于，含有至少以下步骤：
[0017] (a)对金属样品的表面进行清洗处理；
[0018] (b)将培养基涂覆在金属样品表面；
[0019] (C)将所述生物金属缓蚀剂涂覆或喷涂于金属样品表面的培养基上；生物金属缓 蚀剂中新喀里多尼亚弧菌活菌的质量与培养基的质量比为〇. 01?10 :1。
[0020] (d)将步骤（C)所得样品置于25?35°C之间，新喀里多尼亚弧菌在金属表面生长 不少于24小时，形成具有缓蚀作用的生物膜。
[0021] 本领域技术人员可以根据实际需要和使用的条件，选择合适的体系以及新喀里多 尼亚弧菌和培养基的比例。
[0022] 优选地，所述含有生物金属缓蚀剂的体系含有海水、淡水、泥浆、原油、携带水蒸气 的天然气中的至少一种。进一步优选地，所述含有金属缓蚀剂的体系为含有新喀里多尼亚 弧菌和培养基的海水和/或淡水。
[0023] 本领域技术人员可以根据实际需要和使用的条件，选择含有生物金属缓蚀剂的pH 值范围。一般情况下，只要新喀里多尼亚弧菌能够存活的pH范围均可。
[0024] 优选地，所述含有生物金属缓蚀剂的体系的pH值为6?8。
[0025] 优选地，所述新喀里多尼亚弧菌在金属表面生长的温度为10?35°C。进一步优选 地，所述新喀里多尼亚弧菌在金属表面生长的温度为25?35°C。
[0026] 根据一种优选的实施方式，所述生物金属缓蚀剂用于金属缓蚀的方法，其特征在 于，含有至少以下步骤：
[0027] (a)将培养基加入海水和/或淡水中，得到培养基的浓度为0. lg/mL?20g/mL的 混合液；
[0028] (b)将所述生物金属缓蚀剂加入步骤（a)所得的混合液，得到所述含有生物金属 缓蚀剂的体系；所述含有生物金属缓蚀剂的体系中，新喀里多尼亚弧菌的活菌浓度为IO 3? 1012CFU/mL ；
[0029] (c)对金属样品的表面进行清洗处理；
[0030] (d)将步骤（c)所得的经过清洗的金属样品置于步骤（b)所得的含有生物金属缓 蚀剂的体系中，在25?35°C之间，新喀里多尼亚弧菌在金属表面生长不少于24小时，形成 具有缓蚀作用的生物膜。
[0031] 所述生物金属缓蚀剂用于减缓和抑制金属的腐蚀，达到防护的目的，通过细菌在 金属表面形成的生物膜实现。这类生物膜可以用作缓蚀层减低材料表面的腐蚀。这层生物 膜可稳定存在，且随时间延长其性能还会有所增加。生物膜的主要成分为有机物质如蛋白 质和碳水化合物等。
[0032] 根据本申请的又一方面，提供一种金属材料，其特征在于，表面具有上述任一生物 金属缓蚀剂在金属表面形成的具有金属缓蚀作用的生物膜和/或根据上述任一方法在金 属表面形成的具有金属缓蚀作用的生物膜。
[0033] 优选地，所述金属选自铁基、铜基、错基金属及其合金中的至少一种。进一步优选 地，所述金属选自碳素钢、铜、铜合金、铝、铝合金中的至少一种。
[0034] 根据本申请的又一方面，所述金属材料可用于海洋、湖泊、河流或油田环境。所述 金属材料可用做船体、水池、水箱、冷凝塔水箱、船舶的压载水舱、液气输运管路、槽罐等方 面的金属材料。
[0035] 本申请所述技术方案的有益效果为：
[0036] (1)本申请提供一种新型的生物金属缓蚀剂，与传统电镀或化学镀镍处理方法相 比，对碳素钢防护效果相当，但是具有无毒、环保、绿色无污染、可再生等优点。
[0037] (2)本申请所提供的生物金属缓蚀剂，可以有效抑制碳素钢至少98%的腐蚀，即 腐蚀速率下降50倍以上。随在海水中浸泡时间延长，耐腐蚀性能还会有所提高，如从经过 24小时浸泡腐蚀速率下降40倍，1个月浸泡腐蚀速率下降60倍。只要维持细菌的生存，这 种腐蚀抑制作用就始终保持。
[0038] (3)本申请所提供的生物金属缓蚀剂，可使目前使用于淡水的压载舱或其他使用 淡水的场合的金属部件，改为在海水直接使用。
[0039] (4)本申请所提供的生物金属缓蚀剂用于金属防护，工艺方法简单，可大幅减低生 产成本和维护成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0040] 图1为实施例4碳钢在海水浸泡试验前的形貌。
[0041] 图2为实施例4碳钢在无生物金属缓蚀剂的海水浸泡1天后的形貌。
[0042] 图3为实施例4碳钢在无生物金属缓蚀剂的海水浸泡7天后的形貌。
[0043] 图4为实施例4碳钢在无生物金属缓蚀剂的海水浸泡14天后的形貌。
[0044] 图5为实施例4碳钢在无生物金属缓蚀剂的海水浸泡30天后的形貌。
[0045] 图6为实施例4碳钢在无生物金属缓蚀剂的海水浸泡30天后清除表面腐蚀物质 后基体的形貌。
[0046] 图7为实施例4碳钢在含生物金属缓蚀剂J2的海水浸泡1天后的形貌。
[0047] 图8为实施例4碳钢在含生物金属缓蚀剂J2的海水浸泡7天后的形貌。
[0048] 图9为实施例4碳钢在含生物金属缓蚀剂J2的海水浸泡14天后的形貌。
[0049] 图10为实施例4碳钢在含生物金属缓蚀剂J2的海水浸泡30天后的形貌。
[0050] 图11为实施例4碳钢在含生物金属缓蚀剂J2的海水浸泡30天后清除表面腐蚀 物质后基体的形貌。
[0051] 图12为实施例6中Ml和M2表面的傅里叶变换红外光谱。
【具体实施方式】
[0052] 下面结合实施例，进一步阐述本申请。应理解，这些实施例仅用于说明本申请而不 用于限制本申请的范围。
[0053] 实施例中所采用的新喀里多尼亚弧菌（Vibrio neocaledonicus sp)KJ841877 菌种，购买自中国海洋微生物菌种保藏管理中心（地址：厦门市大学路178号），编号为 1K00266。所购买得到的菌种保存在-80°C含30wt%甘油的海生菌肉汤中。
[0054] 实施例中，样品化学成分采用傅里叶变换红外光谱（FT-IR)以及X射线光电子能 谱（XPS)进行分析。
[0055] 实施列中所述无菌海水为经过灭菌、模拟海水成分配置的溶液，成份如下： 23. 476g/L NaCl ；1. 469g/L CaCl2 ·6Η20 ；0. 192g/L NaHCO3; 10. 61g/L MgCl 2 ·6Η20 ；3. 917g/ L Na2S04;0. 026g/L 硼酸；0· 667g/L KCl ;0· 096g/L KBr。
[0056] 实施例I生物金属缓蚀剂的制备
[0057] 购买得到的菌种保存在-80 °C含30wt %甘油的海生菌肉汤中，取上述肉汤 100 μ L，接种于固态LB培养基中（放置于IOcm直径的培养皿），在30°C下，在培养箱中发 酵培养24小时，得到所述生物金属缓蚀剂记为Jl。
[0058] 取上述购买得到含有菌种的肉汤100 μ L，接种于IOOcc液态LB培养基中，在30°C 下，130r/min震荡发酵培养24小时，得到所述生物金属缓蚀剂记为J2。
[0059] 取上述购买得到含有菌种的肉汤100 μ L，接种于IOOcc液态培养基（人工海水 +3g/L蛋白胨+1. 5g/L酵母膏）中，在30°C下，130r/min震荡发酵培养24小时，得到所述生 物金属缓蚀剂记为J3。
[0060] 实施例2生物金属缓蚀剂的活菌浓度检测
[0061] 取实施例1制备得到的生物金属缓蚀剂Jl约1mm3,加入IL的灭菌海水中稀释。取 0. ImL稀释液加到已制备好的平板上，然后用无菌涂棒将菌液涂布整个平板表面，在30°C 下培养24小时，计算菌落数，得到Jl中的活菌浓度分别为8 X 109CFU/g。
[0062] 取实施例1制备得到的生物金属缓蚀剂J2、J3各0. lg，分别加入IL的灭菌海水 中稀释。取0. ImL稀释液加到已制备好的平板上，然后用无菌涂棒将菌液涂布整个平板 表面，在30°C下培养24小时，计算菌落数，得到J2、J3中的活菌浓度分别为8X109CFU/g， 5X107CFU/g、
[0063] 实施例3对A36碳素钢的缓蚀性能测定
[0064] 采用A36碳素钢作为金属样品。将金属样品切成边长为IOcm的正方形，背面焊 接上铜导线，然后用环氧树脂对背面进行封装。金属样品的正面采用2000目砂纸打平，在 95%的乙醇中清洗，然后去离子水清洗，然后浸泡在95%的乙醇中放置在紫外灯下灭菌1 小时。
[0065] 分别取上述2组（每组4个）金属样品作为实验样品组和对照样品组。
[0066] 实验样品组：分别将金属样品放置在装有无菌海水的烧瓶中，加入蛋白胨，使蛋白 胨在无菌海水中的浓度为3g/L ;加入实施例1所得的生物金属缓蚀剂J1，使体系中活菌浓 度为105CFU/g ;将烧瓶放置在培养箱摇床上，温度30°C，转速80rpm/min。
[0067] 对照样品组：分别将金属样品放置在装有无菌海水的烧瓶中，将烧瓶放置在培养 箱摇床上，温度30°C，转速80rpm/min。
[0068] 分别从实验样品组和对照样品组，取出经过1天、7天、14天和30天处理的样品， 采用交流阻抗以及极化曲线评估样品腐蚀速率。
[0069] 其中，交流阻抗和极化曲线的具体测试方法为：
[0070] 工作电极采用试样尺寸为10mmX10mmX3mm的片状碳钢。采用瑞士万通的 Aut〇Lab302电化学工作站（PGSTAT302)测量交流阻抗和极化曲线。电化学测试采用三电 极体系，试样为工作电极，面积为IOmmX 10mm，对电极为铂电极，参比电极为饱和甘汞电极。 测试介质为模拟海水。EIS测试频率范围为IOkHz?5Hz，测试激励电位为10mV。极化曲线 的电位扫描速率为〇. 166mV/s。
[0071] 采用腐蚀电流密度表示腐蚀速率（Corrosin Rate)的计算方法为：
[0072]
【权利要求】
1. 一种生物金属缓蚀剂，其特征在于，所述生物金属缓蚀剂含有新喀里多尼亚弧菌。
2. 根据权利要求1所述的生物金属缓蚀剂，其特征在于，所述生物金属缓蚀剂中新喀 里多尼亚弧菌的活菌浓度不低于l〇〇〇〇CFU/g。
3. 权利要求1所述生物金属缓蚀剂用于金属缓蚀的方法，其特征在于，将金属与含有 生物金属缓蚀剂的体系接触，所述新喀里多尼亚弧菌在金属表面生长，形成具有金属缓蚀 作用的生物膜。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述含有生物金属缓蚀剂的体系含有新 喀里多尼亚弧菌和培养基。
5. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述含有生物金属缓蚀剂的体系含有海 水、淡水、泥浆、原油、携带水蒸气的天然气中的至少一种。
6. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述含有生物金属缓蚀剂的体系的pH值 为5?9〇
7. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述新喀里多尼亚弧菌在金属表面生长 的温度为10?35 °C。
8. -种金属材料，其特征在于，表面具有权利要求1-2任一项所述生物金属缓蚀剂在 金属表面形成的具有金属缓蚀作用的生物膜和/或根据权利要求3-7任一项所述方法在金 属表面形成的具有金属缓蚀作用的生物膜。
9. 根据权利要求8所述的金属材料，其特征在于，所述金属选自碳素钢、铜、铜合金、 铝、铝合金中的至少一种。
10. 权利要求8所述金属材料在海洋、湖泊、河流、水池、水箱、冷凝塔或油田环境中的 应用。
【文档编号】C23F11/08GK104480472SQ201410763707
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月11日 优先权日:2014年12月11日
【发明者】宋振纶, 莫拉迪·夏希希·玛苏梅, 肖涛 申请人:中国科学院宁波材料技术与工程研究所