楊梅　邵澤宇　廖曉玲　徐文峰　張園園

摘 要 以AgNO3和L-半胱氨酸為原料，利用紫外光照還原法制備了具有抗菌效應(yīng)的銀納米簇水凝膠新型抗菌材料，利用透射電子顯微鏡（TEM）、X射線光電子能譜儀（XPS）、掃描電子顯微鏡（SEM）和能譜儀（EDS）對材料結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行表征; 利用厭氧工作站，通過最小抑菌濃度（MIC）、最小殺菌濃度（MBC）實驗、生長曲線以及細(xì)菌染色實驗，深入研究了銀納米簇水凝膠對硫酸鹽還原菌（SRB）的抗菌性能。結(jié)果表明，與常規(guī)無機(jī)抗菌材料NaClO相比，此銀納米簇水凝膠對SRB具有優(yōu)良的抗菌作用，對SRB的最小抑菌濃度為18.75 μg/mL， 最小殺菌濃度為37.5 μg/mL。

關(guān)鍵詞 油田管道; 細(xì)菌腐蝕; 硫酸鹽還原菌; 銀納米簇水凝膠; 抗菌性能

1 引 言

近年來，我國多數(shù)油田已進(jìn)入高含水開發(fā)期，在油田開采過程中，細(xì)菌的腐蝕危害較為嚴(yán)重，造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失，已經(jīng)成為油田開發(fā)的重點和難點問題[1]。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報道，對油田腐蝕危害最大的細(xì)菌為硫酸鹽還原菌（Sulfate reducing bacteria，SRB）[2，3]。SRB是獨特的原核生理群組，是一類具有各種形態(tài)特征，能通過異化作用將硫酸鹽作為有機(jī)物的電子受體進(jìn)行硫酸鹽還原的嚴(yán)格厭氧菌[4，5]。SRB可以通過自身的異化作用代謝產(chǎn)生高濃度的H2S、FeS以及Fe（OH）2[6～8]，導(dǎo)致油田管線和設(shè)備嚴(yán)重腐蝕，以及過濾系統(tǒng)堵塞等。因此，解決細(xì)菌對油田設(shè)備腐蝕的問題刻不容緩。由于殺菌劑[9，10]具有經(jīng)濟(jì)、方便、見效快等特點，油田控制細(xì)菌生長繁殖主要使用殺菌劑。目前，石油管道中使用的殺菌劑主要有氧化型殺菌劑、非氧化型殺菌劑和復(fù)配型性殺菌劑3種。氧化型殺菌劑[11，12]包括氯系殺菌劑和溴系殺菌劑; 非氧化型殺菌劑[13，14]包括醛類、氯代酚類、有機(jī)胺類、季銨鹽類、季磷鹽類殺菌劑等; 復(fù)配型性殺菌劑包括SQ8（二硫氰基甲烷+1227+溶劑+表面活性劑）、S15（二硫氰基甲烷+溶劑+表面活性劑）等。氧化型殺菌劑具有污染小、見效快、價格低等優(yōu)點，但其藥效維持時間較短，穩(wěn)定性差，易被污水中有機(jī)物消耗掉而失去活性[15]; 非氧化型殺菌劑的殺菌持久性好，但普遍具有毒性，并易產(chǎn)生耐藥性[16]。復(fù)配型殺菌劑利用各單劑間相互的協(xié)同效應(yīng)取得了較好的應(yīng)用效果，但長期使用也會產(chǎn)生耐藥性[17]。因此，開發(fā)新型的石油管道殺菌劑非常必要。

銀作為廣譜殺菌劑，廣泛應(yīng)用于紡織、制藥、材料、建筑等行業(yè)。納米銀是一類新型抗菌劑[18～21]，由于其尺寸小、比表面積大，具有極強的抑菌、殺菌的作用，并且無耐藥性，因此，其抗菌性已被廣泛研究和應(yīng)用。如納米銀與聚谷氨酸、殼聚糖復(fù)合得到水凝膠抗菌劑[22]; 湯建新等[23]將聚乙烯亞胺包埋無色納米銀形成協(xié)同抗菌劑; 王梓屹等[24]將納米銀應(yīng)用于根管消毒。

水凝膠具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在水中能夠吸收大量的水分而溶脹，并在溶脹后繼續(xù)保持其原有結(jié)構(gòu)而不被溶解[25～28]。自1960年首次制得聚羥乙基丙烯酸甲酯（PHEMA）水凝膠以來，水凝膠憑借其優(yōu)異的載藥不失活性等特點，已在食品、環(huán)境工程等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[29]。納米銀的性質(zhì)極不穩(wěn)定，易發(fā)生團(tuán)聚和氧化，影響其抗菌效果。研究發(fā)現(xiàn)，水凝膠不僅可提高銀納米粒子穩(wěn)定性，同時銀納米粒子也可改善水凝膠的物理機(jī)械性能[30]。基于此，本研究以AgNO3和L-半胱氨酸為原料，利用紫外光照還原法制備具有抗菌效應(yīng)的新型抗菌材料銀納米簇水凝膠，并研究其對SRB的抗菌性能，以期解決現(xiàn)有抗菌材料耐藥性的問題。

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

ZF-6三用紫外分析儀（上海嘉鵬科技有限公司）; GI54TR高壓滅菌鍋（Zealway Instrument 公司）; UV755B紫外可見分光光度計（上海佑科儀器儀表有限公司）; Bug Box厭氧工作站（英國Ruskinn公司）; XD-202細(xì)胞恒溫培養(yǎng)箱（美國Thermo Fisher公司）; JSM-7800F場發(fā)射掃描電子顯微鏡、JEM-2100F透射電子顯微鏡（日本電子株式會社）; XD-202倒置生物顯微鏡（江南永新公司）。

Cu（NO3）2·3H2O、L-半胱氨酸（分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司）; AgNO3、Na2SO4、MgSO4·7H2O（分析純， 成都市科龍化工試劑廠）; 葡萄糖、（NH4）2SO4、Fe2（SO4）3（分析純，上海麥克林生化科技有限公司）; 胰蛋白胨、酵母提取物（英國OXOID公司）; 瓊脂粉、牛肉膏（北京索萊寶科技有限公司）; 脫硫弧菌脫硫亞種（廣東省微生物菌種保藏中心）; 哥倫比亞血瓊脂平板培養(yǎng)基（重慶蒙博生物科技有限公司）; 碘化丙啶（PI）溶液（重慶蒙博生物科技有限公司）; 4′，6-二脒基-2-苯基吲哚二鹽酸鹽（DAPI）染液（重慶蒙博生物科技有限公司）; 實驗用水為超純水。

2.2 實驗方法

2.2.1 銀納米簇水凝膠的制備 銀納米簇水凝膠的制備方法參考文獻(xiàn)[30]并稍作修改，具體步驟如下： 在室溫條件下，取0.1 mol/L AgNO3溶液300 μL、0.01 mol/L L-半胱氨酸溶液2 mL，混勻，365 nm紫外光照射4.5 h，每隔30 min取出，振蕩5 s。常溫開蓋放置12 h，得到黃色銀納米簇水凝膠。

2.2.2 樣品的表征 將制得的銀納米簇水凝膠滴在導(dǎo)電硅片上，在干燥箱中干燥，用掃描電子顯微鏡（SEM）在加速電壓為5 kV下進(jìn)行觀測。材料的粒徑用透射電子顯微鏡（TEM）表征。

2.2.3 SRB培養(yǎng) SRB干粉的活化操作過程在厭氧工作站中完成。首先向安瓿管內(nèi)加入200 μL無氧滅菌水使菌粉溶解，隨后吸取100 μL菌懸液滴加在血瓊脂平板培養(yǎng)基中間，涂抹均勻，最后將培養(yǎng)基置于厭氧罐中，于37℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)5天，得到SRB菌種。將SRB分散在液體培養(yǎng)基中，制成細(xì)菌懸浮液（菌懸液），備用。液體培養(yǎng)基由5 g蛋白胨、3 g牛肉膏、0.2 g酵母提取物、5 g葡萄糖、1.5 g MgSO4·7H2O、1.5 g Na2SO4、0.016 g （NH4）2SO4、0.049 g Fe2（SO4）3，加1 L超純水制成。固體培養(yǎng)基組成與液體培養(yǎng)基相同，只需另加入瓊脂。

2.2.4 銀納米簇水凝膠對SRB的抗菌實驗 NaClO為油田常用的無機(jī)殺菌劑，由于銀納米簇水凝膠為無機(jī)材料，所以選擇NaClO作為對照。（1）最小抑菌濃度（MIC）測定 按文獻(xiàn)[31]的方法，向無菌的離心管中分別加入2.5 mL經(jīng)高壓滅菌的液體培養(yǎng)基，再加入抗菌材料，利用二倍稀釋法使銀納米簇水凝膠的最終濃度分別為300、150、75、37.5、18.75 和19.38 μg/mL，NaClO最終濃度分別為900、450、225、112.5、56.25和28.12 μg/mL， 分別向上述試管中加入100 μL濃度約為7.6×105 CFU/mL的受試菌懸液，作為實驗組，同時設(shè)置空白對照組為不含材料的空白液。將離心管于37℃恒溫培養(yǎng)，通過觀察培養(yǎng)液渾濁狀況評價細(xì)菌生長情況。所有實驗均在厭氧工作站中進(jìn)行，確保實驗在厭氧無菌環(huán)境下操作。（2）最小殺菌濃度（MBC）測定 實驗選取MIC及以上濃度所對應(yīng)的試管中的培養(yǎng)液作為測定MBC的實驗物，吸取100 μL培養(yǎng)物涂布在固體培養(yǎng)基上，37℃恒溫培養(yǎng)，并觀察不同濃度下細(xì)菌生長情況。實驗均在厭氧工作站中進(jìn)行，確保實驗在厭氧無菌環(huán)境下操作。（3）銀納米簇水凝膠對SRB生長曲線的影響 基于上述MIC和MBC的實驗結(jié)果，選取MIC、MBC以及其中間濃度考察細(xì)菌生長情況。每隔2 h取樣，用紫外-可見分光光度計測定600 nm處的吸收值（A600）。繪制橫坐標(biāo)為培養(yǎng)時間、 縱坐標(biāo)為A600的生長曲線。同時設(shè)置不含材料的液為空白對照組。（4）SRB熒光染色實驗 將與銀納米簇水凝膠和NaClO作用后的SRB用磷酸鹽緩沖液制備成懸液。依次加入適量碘化丙啶（PI）和4′，6-二脒基-2-苯基吲哚二鹽酸鹽（DAPI）染液，避光反應(yīng)20 min，在熒光顯微鏡下觀察SRB的存活情況。其中，抗菌材料濃度為材料的最小殺菌濃度。DAPI染液直接使用，將PI稀釋到濃度約為10 μg/mL。

3 結(jié)果與討論

3.1 銀納米簇水凝膠的表征和性能評價

依照上述實驗步驟，將AgNO3與L-半胱氨酸混合均勻的白色渾濁液經(jīng)過紫外光照還原后，顏色逐漸變黃并透明，得到如圖1所示黃色的銀納米簇水凝膠。反應(yīng)機(jī)理[30]如下： 在紫外光照射下，電子e-aq以及羥基自由基·OH與Ag+發(fā)生還原反應(yīng)，形成Ag單質(zhì)，延長光照即形成原子團(tuán)簇; 其次，L-半胱氨酸的巰基SH）（易結(jié)合到Ag表面，形成一層自組裝單體，羧基和氨基通過分子間氫鍵相互作用形成空間網(wǎng)絡(luò)凝膠結(jié)構(gòu)，將銀納米簇包覆在內(nèi)，從而增強銀納米簇的穩(wěn)定性。此水凝膠具有明顯的觸變性，即劇烈搖晃后，水凝膠狀態(tài)將變成流體狀態(tài)，而常溫靜置一段時間后，又再次水凝膠化，形成水凝膠狀態(tài)（圖1）。

TEM對銀納米簇水凝膠表征， 結(jié)果如圖2所示，銀納米簇水凝膠分散性較好，未發(fā)生團(tuán)聚，少部分發(fā)生聚集呈鏈條狀分布，平均粒徑約為5 nm。使用Digital Micrograph軟件對納米粒子的高分辨TEM圖像進(jìn)行測量，得到10個晶格間距約為2.31 nm，與文獻(xiàn)[32]報道的銀納米簇晶格間距一致（圖2插圖）。為了確定材料中銀元素的價態(tài)，進(jìn)一步利用XPS對銀納米簇水凝膠進(jìn)行表征分析（圖3）。在銀納米簇水凝膠的X射線光電子能譜（XPS）全譜圖（圖3A）中，觀察到Ag 3d、N 1s、S 2p和C 1s的特征峰，證明銀納米簇水凝膠中存在半胱氨酸分子。如圖3B所示，367.8和373.8 eV的結(jié)合能分別對應(yīng)Ag 3d5/2和Ag 3d3/2，與文獻(xiàn)[32，33]報道的銀納米簇中Ag（0）的結(jié)合能一致。但Ag與Ag（0）的結(jié)合能非常接近，不能排除Ag的存在。以上實驗結(jié)果表明，已成功制得銀納米簇水凝膠。

采用SEM對銀納米簇水凝膠表面微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，結(jié)果表明，制備的銀納米簇水凝膠干燥后分布均勻，進(jìn)一步放大，呈現(xiàn)大小不一的多孔結(jié)構(gòu)。能譜（EDS）實驗結(jié)果表明，所制備的銀納米簇水凝膠抗菌材料主要成分為銀元素，這與TEM、XPS表征結(jié)果吻合。圖4中出現(xiàn)硅元素則是用硅片作為承載材料載體的緣故，另外，碳、氧、硫、氮元素均來自L-半胱氨酸。EDS成像分析表明，銀、碳、氧、硫、氮元素分布非常均勻（圖4）。鑒于銀納米簇水凝膠的結(jié)構(gòu)以及元素價態(tài)等特征，文獻(xiàn)[34，35]報道其對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有優(yōu)異的抑菌效果，主要因為銀納米粒子及其釋放的Ag+可以通過破壞細(xì)胞膜、與DNA結(jié)合、攻擊核糖體鈍化酶等途徑導(dǎo)致菌體細(xì)胞死亡。

3.2 銀納米簇水凝膠對SRB的MIC和MBC

鑒于銀納米簇水凝膠對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的優(yōu)良抗菌效果，針對目前石油管道抗菌劑耐藥性的問題，進(jìn)一步考察了銀納米簇水凝膠對石油管道腐蝕細(xì)菌SRB的抗菌性能。MIC是指抗菌藥物能抑制培養(yǎng)基中細(xì)菌生長的最低濃度，以液體培養(yǎng)基明顯不渾濁為判定依據(jù)[31]。按上述實驗步驟測定銀納米簇水凝膠對受試菌株SRB的MIC結(jié)果如表1所示。當(dāng)銀納米簇水凝膠濃度為 0～9.375 μg/mL，對照材料NaClO濃度為0～112.5 μg/mL時，受試菌液呈現(xiàn)肉眼可見的渾濁現(xiàn)象，這是由于SRB繁殖生長所致，說明受試菌液中的抗菌劑無法抑制SRB生長。當(dāng)銀納米簇水凝膠濃度為18.75～300 μg/mL，NaClO濃度為225～900 μg/mL時，受試菌液無肉眼可見的渾濁現(xiàn)象，表明此濃度下的抗菌劑抑制SRB的生長繁殖。由此確定，銀納米簇水凝膠和NaClO對SRB的MIC分別為18.75和225 μg/mL，所制備銀納米簇水凝膠材料的MIC遠(yuǎn)低于常規(guī)抑菌劑NaClO。

MBC是以固體培養(yǎng)基上無菌落生長為判定依據(jù)。在MIC的基礎(chǔ)上，分別選取18.75和225 μg/mL及以上濃度測定銀納米簇水凝膠和NaClO的MBC。結(jié)果表明，當(dāng)銀納米簇水凝膠濃度高于37.5 μg/mL， NaClO濃度為450 μg/mL時，固體培養(yǎng)基上無菌落生長。測得銀納米簇水凝膠和NaClO對SRB的MBC分別為37.5 和450 μg/mL，表明制備的銀納米簇水凝膠對SRB的殺菌能力明顯優(yōu)于NaClO。

3.3 銀納米簇水凝膠對SRB生長曲線的影響

材料對受試菌SRB生長曲線的影響如圖5所示，不同濃度的材料對SRB的抑制作用不同，抑制作用隨材料濃度的升高而增強。銀納米簇水凝膠對SRB的抑菌作用較好，當(dāng)其濃度為MIC時，受試菌出現(xiàn)約32 h的生長延遲; 當(dāng)溶液濃度為28.12 μg/mL時，可強烈地抑制其生長，當(dāng)溶液濃度達(dá)到MBC時，在36 h可完全抑制受試菌生長，表現(xiàn)出優(yōu)異的抑菌殺菌性能。NaClO濃度為MIC時，受試菌僅出現(xiàn)約18 h的生長延遲，當(dāng)NaClO濃度為337.5 μg/mL， 36 h細(xì)菌開始明顯生長。

3.4 SRB熒光染色

為了進(jìn)一步探索銀納米簇水凝膠對SRB的抗菌性，將材料與SRB作用后，利用DAPI/PI染液染色進(jìn)行熒光成像。PI是一種不能穿透完整細(xì)胞膜，但能穿透凋亡晚期細(xì)胞和死細(xì)胞的破損細(xì)胞膜，并使其在熒光顯微鏡下呈現(xiàn)紅色熒光的熒光染料。相反，DAPI是一種能透過完整的細(xì)胞膜，可以使活細(xì)胞和固定細(xì)胞染色，并在熒光顯微鏡下呈現(xiàn)藍(lán)色的熒光染料。因此，可以通過熒光顯微鏡圖像上藍(lán)色和紅色熒光的情況判斷細(xì)菌存活狀況。圖6A為未加材料的空白對照，呈現(xiàn)出藍(lán)色熒光，表示細(xì)菌存活良好。圖6B和6C為SRB與銀納米簇水凝膠和NaClO作用后的熒光圖，呈現(xiàn)出紅色熒光，表明細(xì)菌與抗菌材料作用后死亡。上述結(jié)果進(jìn)一步證明了銀納米簇水凝膠對SRB的殺菌作用。

4 結(jié) 論

采用AgNO3和L-半胱氨酸，利用紫外光照制備得到銀納米簇水凝膠材料，并將其用于硫酸鹽還原菌的抗菌性研究。SEM、XPS、TEM等表征結(jié)果表明，銀納米簇水凝膠分布均勻，粒徑約5 nm，銀元素主要以Ag（0）形式存在。抗菌實驗結(jié)果表明，銀納米簇水凝膠對SRB的MIC為18.75 μg/mL， MBC為375 μg/mL，而對照材料NaClO對SRB的MIC為225 μg/mL，MBC為450 μg/mL，說明銀納米簇水凝膠的抗菌性能明顯優(yōu)于NaClO， 具有良好的抗菌性。本研究將銀納米簇水凝膠用于油田管道的抗菌研究，比水凝膠展現(xiàn)出優(yōu)異的抗菌能力，在油田管道殺菌方面具有潛在的應(yīng)用價值。

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Antibacterial Activity of Ag Nanoclusters Hydrogel

to Sulfate Reducing Bacteria in Oil Field Pipeline

YANG Mei1， 2， SHAO Ze-Yu1， 2， LIAO Xiao-Ling1， 2， XU Wen-Feng*1， 2， ZHANG Yuan-Yuan*1， 2

（Institute of Biomedical Engineering1， Chongqing Engineering Laboratory of Nano/Micro Biological Medicine

Detection Technology2， Chongqing University of Science and Technology， Chongqing 401331， China）

Abstract A novel antibacterial material of Ag nanoclusters hydrogel using silver nitrate and L-cysteine as raw materials was prepared by ultraviolet light reduction method. The structure and morphology of the material were characterized by transmission electron microscope （TEM）， X-ray photoelectron spectra （XPS）， scanning electron microscope （SEM） and X ray energy spectrum analysis （EDS）. The antimicrobial properties of Ag nanoclusters hydrogel against sulfate reducing bacteria （SRB） were further studied through the minimum inhibitory concentration （MIC）， the minimum bactericidal concentration （MBC）， growth curve and bacterial staining experiment using anaerobic workstations. The results indicated that， compared with the conventional inorganic antibacterial material sodium hypochlorite， the prepared Ag nanoclusters hydrogel had excellent antibacterial effect on SRB， and the MIC and MBC against SRB were 18.75 μg/mL and 37.5 μg/mL， respectively.

Keywords Oilfield pipeline; Bacterial corrosion; Sulfate reducing bacteria; Ag nanoclusters hydrogel; Antibacterial properties

（Received 21 December 2019; accepted 28 October 2020）

This work was supported by the National Natural Science Foundation of China （No. 11532004）， the Natural Science Foundation of Chongqing Science and Technology Commission （Nos. CSTC2018jcyjAX0286， CSTC2019JCYJ-msxmX0221， CSTC 2019JSCX-msxmX0231）， and the Postgraduate Science and Technology Innovation Program of Chongqing University of Science and Technology （No. YKJCX1820206）.

2019-12-21收稿; 2020-10-28接受

本文系國家自然科學(xué)基金項目（No. 11532004）、重慶市科委自然科學(xué)基金項目（Nos. CSTC 2018JCYJAX0286， CSTC2019JCYJ-msxmX0221， CSTC 2019JSCX-msxmX0231）和重慶科技學(xué)院研究生科技創(chuàng)新計劃項目（No. YKJCX1820206）資助

* E-mail： xwf_228@163.com; zhyy1216@126.com