海洋所在微生物腐蝕機制研究中取得新進展

　　【儀表網 研發快訊】近日，中國科學院海洋研究所海洋關鍵材料全國重點實驗室侯保榮院士團隊極端環境腐蝕與防護技術研究組研究發現亞致死濃度殺菌劑THPS可通過促進生物被膜形成和電子傳遞加速鋼鐵腐蝕，相關研究成果以多篇論文發表于國際學術期刊npj Materials Degradation。
 

　　海洋腐蝕是威脅海洋工程設施安全的主要問題之一，對國家經濟造成巨大損失。在各類腐蝕中，微生物腐蝕(MIC)占比高達20%。微生物通常附著在材料表面形成生物被膜，這種保護性結構不僅有利于微生物獲取營養物質，還能增強其對惡劣環境的抵抗能力。因此，微生物腐蝕的發生和發展與生物被膜的形成密不可分。殺菌劑是目前在油氣田等工業環境中用于控制微生物腐蝕最廣泛的技術手段之一，其中四羥甲基硫酸磷(THPS)因其低毒性和高水溶性被廣泛應用于油氣管道和冷卻水循環系統等的微生物腐蝕防控。研究團隊采用生物膜表征、表面分析和轉錄組分析等方法，系統研究了亞致死濃度THPS作用下Pseudomonas stutzeri對X70管線鋼的腐蝕行為。研究結果發現，亞致死濃度的THPS雖然能有效抑制浮游細胞生長，卻會促進X70鋼表面生物被膜的形成，與此同時，P. stutzeri對X70鋼的腐蝕作用發生了顯著轉變——從無殺菌劑條件下的抑制腐蝕轉變為殺菌劑暴露時的促進腐蝕。
 

圖1 P. stutzeri在亞致死濃度THPS下的鋼鐵腐蝕機理示意圖
 

　　(紅字：殺菌劑暴露下上調基因，藍字：下調基因)
 

　　生物被膜是微生物在殺菌劑脅迫等不利環境下的重要生存策略。本研究發現，P. stutzeri通過促進其生物被膜形成，提高了對殺菌劑的耐受性。生物被膜內的胞外聚合物(EPS)等共同構成了阻礙殺菌劑進入的有效有機屏障，為P. stutzeri的生長提供了物理保護。轉錄組學分析進一步表明，殺菌劑不僅改變了P. stutzeri的代謝過程，還可能促進了P. stutzeri細胞與金屬之間的電子傳遞，最終加速了鋼鐵的腐蝕(圖1)。此外，THPS破壞了P. stutzeri形成的保護性生物礦化層，導致金屬表面形成氧濃差電池。這些原因共同導致P. stutzeri從抑制腐蝕轉變為促進腐蝕。該結果表明，殺菌劑的應用不僅僅要考慮其對浮游細菌的影響，更需要考慮其對生物被膜的影響，殺菌劑使用不合理可能會加劇微生物腐蝕。這一研究結果為優化殺菌劑在實際工程中的應用提供了重要依據。
 

　　研究團隊進一步指出，通過使用綠色無毒的殺菌劑增強劑能夠顯著提高THPS對細菌生物被膜的分散作用，有效提高THPS的殺菌效果。此外，使用基因工程手段對腐蝕性細菌的關鍵電子傳遞基因進行敲除，從而達到改變細菌腐蝕行為和降低細菌腐蝕性的效果，也可作為提高微生物腐蝕抑制能力的重要工具和手段。
 

　　論文(1)第一作者為博士研究生石鑫，張瑞永研究員、張一夢副研究員為共同通訊作者；論文(2)第一作者為中國科學院國際交流計劃(PIFI)訪問學者Sikandar Khan，張瑞永研究員和Sikandar Khan博士為共同通訊作者。相關研究得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院國際交流計劃等項目支持。