循環(huán)水中Zn2+, Mg2+, Ca2+對(duì)溶菌酶緩蝕作用的影響

段成龍, 尚東華, 魏 蕊, 劉 芳

(中國(guó)石油大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院, 山東 青島 266580)

循環(huán)水中Zn2+, Mg2+, Ca2+對(duì)溶菌酶緩蝕作用的影響

段成龍, 尚東華, 魏 蕊, 劉 芳

(中國(guó)石油大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院, 山東 青島 266580)

為提高溶菌酶在循環(huán)水系統(tǒng)中的緩蝕效果,研究了Zn2+、Mg2+、Ca2+等循環(huán)水系統(tǒng)中常見的離子對(duì)于溶菌酶緩蝕作用的影響。結(jié)果表明,循環(huán)水中Zn2+、Mg2+、Ca2+質(zhì)量濃度范圍分別為25～100 mg/L、61.97～86.97 mg/L、107.75～182.57 mg/L時(shí),溶菌酶的活性和緩蝕性能均有所提高;其中,Zn2+質(zhì)量濃度為50 mg/L時(shí)溶菌酶的緩蝕率最高,達(dá)99.37%。

循環(huán)冷卻水; 溶菌酶; 金屬離子; 緩蝕

溶菌酶又稱胞壁質(zhì)酶,是一種常用的有效抗菌劑,可引起細(xì)菌的裂解[1-2],被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)療和科學(xué)研究領(lǐng)域[3]。作用于循環(huán)水系統(tǒng)的溶菌酶緩蝕劑是一種綠色無(wú)污染的新型緩蝕劑,其特點(diǎn)是在自然條件下可以被降解,對(duì)環(huán)境無(wú)害且緩蝕性能優(yōu)異,較好地解決了傳統(tǒng)緩蝕劑易造成二次污染的問題。譙康全等[4]研究了硫酸介質(zhì)中溶菌酶對(duì)Q235鋼的緩蝕作用,結(jié)果表明,溶菌酶有顯著的緩蝕作用。關(guān)于溶菌酶在循環(huán)水系統(tǒng)內(nèi)的緩蝕作用,除了本課題組研究外,國(guó)內(nèi)外還鮮有報(bào)道。

酶的大部分輔酶和輔基是一些常見離子,可作為溶菌酶輔基的離子有Zn2+、Mg2+、Ca2+等[5]。這些離子在循環(huán)水中自然存在[6],只要調(diào)整其濃度即可;這些離子在水中多數(shù)有負(fù)面作用,會(huì)引起循環(huán)水系統(tǒng)的結(jié)垢[7],當(dāng)其作為輔基應(yīng)用于提高酶活性后,亦可減少循環(huán)水的結(jié)垢。鑒于以上原因,為進(jìn)一步提高溶菌酶的緩蝕效果,筆者探究了循環(huán)水中Zn2+、Mg2+、Ca2+對(duì)溶菌酶緩蝕作用的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑

溶菌酶(BR,MW=145.2,酶活性大于40000 U/mg),科昊生物工程有限責(zé)任公司產(chǎn)品;無(wú)水氯化鋅、六水氯化鎂、無(wú)水氯化鈣,分析純,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品;正己烷、無(wú)水乙醇(GB 678)、鹽酸(GB 622)、氫氧化鈉(GB 629),分析純,西隴化工股份有限公司產(chǎn)品;殼聚糖,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品;鐵氰化鉀、硫酸高鐵銨,分析純,天津博迪化工股份有限公司產(chǎn)品。

1.2 實(shí)驗(yàn)用水的水質(zhì)

實(shí)驗(yàn)用水取自青島某煉化企業(yè)的循環(huán)冷卻水系統(tǒng),水質(zhì)分析結(jié)果列于表1。

表1 實(shí)驗(yàn)用循環(huán)水水質(zhì)

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 溶菌酶溶液緩蝕性能的測(cè)定

采用煉化企業(yè)的循環(huán)冷卻水作為實(shí)驗(yàn)水樣,根據(jù)GB/T 18175-2000旋轉(zhuǎn)掛片法測(cè)定了不同質(zhì)量濃度溶菌酶溶液緩蝕性能，當(dāng)溶菌酶質(zhì)量濃度為20 mg/L,額外投加Zn2+、Mg2+、Ca2+質(zhì)量濃度分別為0、25、50、100、200 mg/L時(shí)溶菌酶的緩蝕性能。選用A3碳鋼掛片(50 mm×25 mm×2 mm)作為腐蝕對(duì)象,采用江蘇省高郵市摩天電子儀器有限公司RCC-Ⅱ型旋轉(zhuǎn)掛片腐蝕試驗(yàn)儀,在溫度40℃、轉(zhuǎn)速80 r/min的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn),運(yùn)轉(zhuǎn)72 h。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對(duì)掛片進(jìn)行清洗處理,稱重計(jì)算質(zhì)量損失,同時(shí)進(jìn)行空白實(shí)驗(yàn),按式(1)、(2)計(jì)算腐蝕速率(CR)和緩蝕速率(CIE)。

(1)

式(1)中,m為試片質(zhì)量損失,g;m0為試片空白實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量損失平均值,g;s為試片的表面積,cm2;ρ為試片的密度,g/cm3;t為實(shí)驗(yàn)時(shí)間,h;8760為與1a相當(dāng)?shù)男r(shí)數(shù);10為與1 cm相當(dāng)?shù)暮撩讛?shù)。

(2)

式(2)中,CR0、CR分別為在空白實(shí)驗(yàn)和加水處理劑腐蝕實(shí)驗(yàn)中試片的腐蝕速率,mm/a。

1.3.2 溶菌酶酶活性的測(cè)定

參考雞蛋蛋清中溶菌酶的測(cè)定分光光度法GB/T25879-2010的實(shí)驗(yàn)方法,以殼聚糖代替溶壁微球菌[8],采用實(shí)驗(yàn)用水進(jìn)行實(shí)驗(yàn),測(cè)定溶菌酶的活性。

配制溶菌酶質(zhì)量濃度為20 mg/L,額外投加Zn2+、Mg2+、Ca2+質(zhì)量濃度分別為0、25、50、100、200 mg/L的溶液。將質(zhì)量濃度為1.200 g/L的殼聚糖乙酸鹽溶液(pH=4.5) 58 mL與上述溶菌酶溶液2.0 mL混合,在55℃下反應(yīng)60 min。取出6.0 mL反應(yīng)液至具塞試管中,加入1.0 mL濃度為0.1 mol/L 的堿性鐵氰化鉀溶液,搖勻,沸水中加熱5 min后取出,加入濃度為0.05 mol/L的硫酸高鐵銨1.0 mL,以試劑空白作參比,采用上海元析儀器有限公司UV 6000PC型紫外分光光度計(jì)于670 nm處測(cè)定吸光度。同時(shí)進(jìn)行無(wú)酶溶液的對(duì)照實(shí)驗(yàn),測(cè)定吸光度。按式(3)計(jì)算酶活性。

(3)

式(3)中,a為酶的活性,U/mg;A、A0分別為加酶溶液和無(wú)酶溶液的吸光度;m1為溶液中酶的質(zhì)量,mg;100為比例系數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 溶菌酶的緩蝕性能

循環(huán)水中分別投加不同質(zhì)量濃度的溶菌酶,測(cè)得的腐蝕速率和緩蝕率如圖1所示。從圖1可見,含溶菌酶循環(huán)水的緩蝕率隨溶菌酶濃度的變化先增后減,以質(zhì)量濃度20 mg/L為轉(zhuǎn)折點(diǎn),此時(shí)最大緩蝕率為82.40%,相應(yīng)的腐蝕速率為0.0194 mm/a。

溶菌酶的緩蝕作用來(lái)源于其殺菌作用,溶菌酶能抑制幾種特定細(xì)菌[9]。溶菌酶主要破壞微生物的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu),而對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響不大,同時(shí)由于溶菌酶本身是一種蛋白質(zhì),過量的酶反而可以作為細(xì)菌的營(yíng)養(yǎng),為其他不被溶菌酶所作用的微生物的生長(zhǎng)提供了條件,因此隨著酶濃度升高緩蝕率下降。李鶴等[10]的研究支持了這一理論。在后續(xù)研究離子對(duì)溶菌酶緩蝕作用影響的實(shí)驗(yàn)中,溶菌酶的質(zhì)量濃度均取20 mg/L。

圖1 含不同濃度溶菌酶循環(huán)冷卻水的緩蝕率(CIE)及腐蝕速率(CR)

2.2 Zn2+對(duì)于溶菌酶的影響

2.2.1 Zn2+對(duì)溶菌酶酶活性的影響

Zn2+質(zhì)量濃度對(duì)溶菌酶酶活性的影響如圖2所示。

圖2 Zn2+質(zhì)量濃度對(duì)溶菌酶酶活性(a)的影響

從圖2可以看出,Zn2+對(duì)于酶活性的促進(jìn)作用隨其濃度的變化而有明顯的變化,以50 mg/L為轉(zhuǎn)折點(diǎn)先增后減;在Zn2+質(zhì)量濃度為50 mg/L時(shí),溶菌酶的活性達(dá)到15650 U/mg,對(duì)于酶活性的提高效果較顯著。在Zn2+質(zhì)量濃度范圍25～100 mg/L時(shí)酶的活性有較大的提高,并且將在區(qū)間內(nèi)達(dá)到酶活性的峰值,故而對(duì)于Zn2+的研究重點(diǎn)應(yīng)放在該濃度范圍內(nèi)。

2.2.2 Zn2+的緩蝕作用

無(wú)溶菌酶循環(huán)冷卻水中添加不同質(zhì)量濃度Zn2+后的腐蝕速率及緩蝕率示于圖3。由圖3可以看出,在無(wú)酶循環(huán)水中添加Zn2+后,緩蝕率有一定的提高,并以50 mg/L為轉(zhuǎn)折點(diǎn),隨Zn2+濃度的增加先增后減,在50 mg/L時(shí)緩蝕率達(dá)到最大,為80.77%,此時(shí)的腐蝕速率為0.0520 mm/a。在循環(huán)水系統(tǒng)中,鋅鹽是最常用的陰極型緩蝕劑,起作用的是Zn2+,Zn2+在陰極部位由于pH值的升高,能迅速地形成Zn(OH)2沉積在陰極表面,起到保護(hù)膜的作用[11],減緩腐蝕。

圖3 無(wú)溶菌酶和有溶菌酶循環(huán)冷卻水中添加不同質(zhì)量濃度Zn2+后的腐蝕速率(CR)及緩蝕率(CIE)

2.2.3 Zn2+對(duì)于溶菌酶緩蝕性能的影響

含溶菌酶循環(huán)水添加不同質(zhì)量濃度Zn2+后的腐蝕速率和緩蝕率也示于圖3。

從圖3可見,在Zn2+質(zhì)量濃度25～100mg/L范圍內(nèi),含溶菌酶循環(huán)水的緩蝕率較高,在質(zhì)量濃度50mg/L時(shí)緩蝕率達(dá)到最大,為99.37%,此時(shí)的腐蝕速率為0.0017mm/a;與僅投加Zn2+的循環(huán)水相比,緩蝕率從80.77%提高到99.37%。Zn2+作為溶菌酶的輔基,可以與溶菌酶特異位點(diǎn)結(jié)合提高酶的穩(wěn)定性和催化活性[5],實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明Zn2+可以有效提高酶活性(見圖1)。

由圖3還可見,有溶菌酶情況下掛片的腐蝕速率隨Zn2+濃度增加的變化趨勢(shì)與單獨(dú)投加Zn2+的腐蝕速率變化趨勢(shì)基本相同,這表明Zn2+在提高酶活性的同時(shí),其自身也有一定的抗腐蝕效果;在有酶的情況下腐蝕速率的變化幅度要明顯的比單獨(dú)投加Zn2+的變化幅度平穩(wěn),說(shuō)明溶菌酶在抗腐蝕方面起主導(dǎo)作用。

2.3 Mg2+對(duì)于溶菌酶的影響

2.3.1 Mg2+對(duì)于溶菌酶酶活性的影響

Mg2+質(zhì)量濃度對(duì)溶菌酶酶活性的影響示于圖4。從圖4可見,Mg2+對(duì)于溶菌酶的酶活性有一定的提高作用,當(dāng)Mg2+質(zhì)量濃度為61.97 mg/L時(shí),酶的活性達(dá)到最大值,為5575 U/mg。然而相比于Zn2+(見圖2),Mg2+對(duì)于溶菌酶酶活性的提高并不顯著,且當(dāng)Mg2+質(zhì)量濃度超過100 mg/L時(shí),反而會(huì)降低酶的活性,這與劉慧等[12]的研究結(jié)果吻合。

圖4 Mg2+質(zhì)量濃度對(duì)溶菌酶酶活性(a)的影響

2.3.2 Mg2+的腐蝕作用

無(wú)酶情況下Mg2+質(zhì)量濃度對(duì)掛片腐蝕速率的影響如圖5所示。

圖5 無(wú)酶情況下Mg2+質(zhì)量濃度對(duì)掛片腐蝕速率(CR)的影響

從圖5可見,單獨(dú)投加Mg2+幾乎沒有緩蝕作用,在濃度較高時(shí)反而加劇了掛片的腐蝕。由于Mg2+提高了水體的硬度,而在高硬度的水體中Cl-的腐蝕作用會(huì)被增大[13],在沒有緩蝕措施的情況下掛片腐蝕較為嚴(yán)重。對(duì)于Cl-腐蝕有成相膜理論和吸附膜理論兩種理論解釋。前者認(rèn)為,Cl-由于半徑小,穿透性強(qiáng),可從孔隙中到達(dá)金屬表面,并與金屬相互作用形成可溶性化合物,使氧化膜的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,使金屬被腐蝕[14];后者認(rèn)為,Cl-和氧爭(zhēng)奪金屬表面上的吸附點(diǎn),甚至可以取代吸附中的鈍化離子與金屬形成氯化物,氯化物與金屬表面的吸附并不穩(wěn)定,形成了可溶性物質(zhì),導(dǎo)致了腐蝕的加速[14]。

2.3.3 Mg2+對(duì)于溶菌酶緩蝕性能的影響

含有溶菌酶循環(huán)水添加不同質(zhì)量濃度Mg2+的緩蝕率和腐蝕速率示于圖6。從圖6可見,在Mg2+質(zhì)量濃度為61.97 mg/L時(shí),含溶菌酶循環(huán)水的緩蝕率達(dá)到最大,為91.82%,此時(shí)的腐蝕速率為0.0221 mm/a,相比不投加Mg2+時(shí)的緩蝕率(82.40%)僅提高了11.4%,并沒有得到顯著地提高;與Zn2+的投加量為最適時(shí)達(dá)到的腐蝕速率為0.0017 mm/a相比,投加Mg2+時(shí)的腐蝕速率是投加Zn2+時(shí)的13倍,并且在Mg2+質(zhì)量濃度超過136.97 mg/L時(shí)腐蝕反而加重。這是由于Mg2+促進(jìn)酶活而起到的緩蝕作用不足以抵消高鹽度情況下Cl-的腐蝕作用所致。

圖6 含溶菌酶循環(huán)水添加不同濃度Mg2+的緩蝕率(CIE)及腐蝕速率(CR)

額外投加Mg2+時(shí)酶活性最大達(dá)到5575 U/mg,增加4900 U/mg,而同等情況下投加Zn2+可以達(dá)到的最大酶活性為15650 U/mg,增加14975 U/mg,比投加Mg2+時(shí)的酶活性高出10075 U/mg?？梢?Mg2+對(duì)于溶菌酶活性的提高并沒有太大的貢獻(xiàn),甚至在一定的質(zhì)量濃度時(shí)會(huì)對(duì)酶產(chǎn)生毒害作用。

2.4 Ca2+對(duì)于溶菌酶的影響

2.4.1 Ca2+對(duì)于溶菌酶酶活性的影響

Ca2+質(zhì)量濃度對(duì)溶菌酶活性的影響示于圖7。

圖7 Ca2+質(zhì)量濃度對(duì)溶菌酶酶活性(a)的影響

從圖7可見,在107.57～282.57 mg/L質(zhì)量濃度范圍內(nèi),Ca2+均能較大地提高溶菌酶的酶活性,當(dāng)Ca2+質(zhì)量濃度為182.57 mg/L時(shí),酶的活性達(dá)到15675 U/mg。說(shuō)明Ca2+適宜作為提高溶菌酶緩蝕性能的輔助陽(yáng)離子,與賴曉芳等[15]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。

2.4.2 Ca2+的腐蝕作用

無(wú)酶情況下Ca2+質(zhì)量濃度對(duì)掛片腐蝕速率的影響如圖8所示。由圖8可以看出,Ca2+的存在在一定程度上會(huì)加重腐蝕。由于投加Ca2+提高了水體的硬度而提高了Cl-的腐蝕作用,同時(shí)Ca2+會(huì)導(dǎo)致結(jié)垢,從而加重腐蝕。

圖8 無(wú)酶情況下Ca2+質(zhì)量濃度對(duì)掛片腐蝕速率(CR)的影響

2.4.3 Ca2+對(duì)于溶菌酶緩蝕性能的影響

含有溶菌酶循環(huán)水添加不同質(zhì)量濃度Ca2+的緩蝕率和腐蝕速率示于圖9。

圖9 無(wú)溶菌酶和有溶菌酶循環(huán)冷卻水中添加不同質(zhì)量濃度Ca2+后的緩蝕率(CIE)及腐蝕速率(CR)

從圖9可見,在Ca2+質(zhì)量濃度范圍為107.57～182.57 mg/L時(shí),緩蝕率相比僅投加Ca2+的緩蝕率均有較大提高,緩蝕率均超過90%,在Ca2+離子質(zhì)量濃度182.57 mg/L時(shí)緩蝕率達(dá)到最大,為99.18%,此時(shí)的腐蝕速率為0.0022 mm/a。相比Zn2+而言,雖然Ca2+的最大緩蝕率不如Zn2+,然而Ca2+的有效質(zhì)量濃度范圍相比Zn2+更大。這是因?yàn)镃a2+是很好的離子穩(wěn)定劑[15],可以通過穩(wěn)定酶的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)達(dá)到提高酶活性的目的。

3 結(jié) 論

(1)循環(huán)水中的Zn2+和Ca2+均可提高溶菌酶酶活性,從而提高酶的緩蝕作用。

(2)循環(huán)水中的Mg2+在低濃度時(shí)對(duì)于溶菌酶酶活性有一定的提高,超過一定濃度后會(huì)降低酶活性,使腐蝕加重。

(3)為提高溶菌酶的緩蝕性能,添加Zn2+的最適質(zhì)量濃度范圍為25～100 mg/L,Ca2+為107.57～182.57 mg/L,而Mg2+的質(zhì)量濃度應(yīng)控制在61.97～86.79 mg/L范圍內(nèi)。

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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

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21077133)資助

段成龍，男，研究方向?yàn)槲鬯幚恚籈-mail：duanchenglong213@163.com

劉芳，女，教授，博士；研究方向?yàn)樗廴究刂婆c資源化利用；E-mail：liufangfw@163.com

1001-8719(2015)06-1388-06

TQ085; X172

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2015.06.020