海洋所在微生物腐蚀机制研究中取得新进展

　　【仪表网 研发快讯】近日，中国科学院海洋研究所海洋关键材料全国重点实验室侯保荣院士团队极端环境腐蚀与防护技术研究组研究发现亚致死浓度杀菌剂THPS可通过促进生物被膜形成和电子传递加速钢铁腐蚀，相关研究成果以多篇论文发表于国际学术期刊npj Materials Degradation。
 

　　海洋腐蚀是威胁海洋工程设施安全的主要问题之一，对国家经济造成巨大损失。在各类腐蚀中，微生物腐蚀(MIC)占比高达20%。微生物通常附着在材料表面形成生物被膜，这种保护性结构不仅有利于微生物获取营养物质，还能增强其对恶劣环境的抵抗能力。因此，微生物腐蚀的发生和发展与生物被膜的形成密不可分。杀菌剂是目前在油气田等工业环境中用于控制微生物腐蚀最广泛的技术手段之一，其中四羟甲基硫酸磷(THPS)因其低毒性和高水溶性被广泛应用于油气管道和冷却水循环系统等的微生物腐蚀防控。研究团队采用生物膜表征、表面分析和转录组分析等方法，系统研究了亚致死浓度THPS作用下Pseudomonas stutzeri对X70管线钢的腐蚀行为。研究结果发现，亚致死浓度的THPS虽然能有效抑制浮游细胞生长，却会促进X70钢表面生物被膜的形成，与此同时，P. stutzeri对X70钢的腐蚀作用发生了显著转变——从无杀菌剂条件下的抑制腐蚀转变为杀菌剂暴露时的促进腐蚀。
 

图1 P. stutzeri在亚致死浓度THPS下的钢铁腐蚀机理示意图
 

　　(红字：杀菌剂暴露下上调基因，蓝字：下调基因)
 

　　生物被膜是微生物在杀菌剂胁迫等不利环境下的重要生存策略。本研究发现，P. stutzeri通过促进其生物被膜形成，提高了对杀菌剂的耐受性。生物被膜内的胞外聚合物(EPS)等共同构成了阻碍杀菌剂进入的有效有机屏障，为P. stutzeri的生长提供了物理保护。转录组学分析进一步表明，杀菌剂不仅改变了P. stutzeri的代谢过程，还可能促进了P. stutzeri细胞与金属之间的电子传递，最终加速了钢铁的腐蚀(图1)。此外，THPS破坏了P. stutzeri形成的保护性生物矿化层，导致金属表面形成氧浓差电池。这些原因共同导致P. stutzeri从抑制腐蚀转变为促进腐蚀。该结果表明，杀菌剂的应用不仅仅要考虑其对浮游细菌的影响，更需要考虑其对生物被膜的影响，杀菌剂使用不合理可能会加剧微生物腐蚀。这一研究结果为优化杀菌剂在实际工程中的应用提供了重要依据。
 

　　研究团队进一步指出，通过使用绿色无毒的杀菌剂增强剂能够显著提高THPS对细菌生物被膜的分散作用，有效提高THPS的杀菌效果。此外，使用基因工程手段对腐蚀性细菌的关键电子传递基因进行敲除，从而达到改变细菌腐蚀行为和降低细菌腐蚀性的效果，也可作为提高微生物腐蚀抑制能力的重要工具和手段。
 

　　论文(1)第一作者为博士研究生石鑫，张瑞永研究员、张一梦副研究员为共同通讯作者；论文(2)第一作者为中国科学院国际交流计划(PIFI)访问学者Sikandar Khan，张瑞永研究员和Sikandar Khan博士为共同通讯作者。相关研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院国际交流计划等项目支持。