海洋所在微生物腐蝕機(jī)制研究中取得新進(jìn)展
近日,中國(guó)科學(xué)院海洋研究所海洋關(guān)鍵材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室侯保榮院士團(tuán)隊(duì)極端環(huán)境腐蝕與防護(hù)技術(shù)研究組研究發(fā)現(xiàn)亞致死濃度殺菌劑THPS可通過促進(jìn)生物被膜形成和電子傳遞加速鋼鐵腐蝕,相關(guān)研究成果以多篇論文發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊npj Materials Degradation。
海洋腐蝕是威脅海洋工程設(shè)施安全的主要問題之一,對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)造成巨大損失。在各類腐蝕中,微生物腐蝕(MIC)占比高達(dá)20%。微生物通常附著在材料表面形成生物被膜,這種保護(hù)性結(jié)構(gòu)不僅有利于微生物獲取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),還能增強(qiáng)其對(duì)惡劣環(huán)境的抵抗能力。因此,微生物腐蝕的發(fā)生和發(fā)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(yè)環(huán)境中用于控制微生物腐蝕最廣泛的技術(shù)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(yīng)用于油氣管道和冷卻水循環(huán)系統(tǒng)等的微生物腐蝕防控。研究團(tuán)隊(duì)采用生物膜表征、表面分析和轉(zhuǎn)錄組分析等方法,系統(tǒng)研究了亞致死濃度THPS作用下Pseudomonas stutzeri對(duì)X70管線鋼的腐蝕行為。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),亞致死濃度的THPS雖然能有效抑制浮游細(xì)胞生長(zhǎng),卻會(huì)促進(jìn)X70鋼表面生物被膜的形成,與此同時(shí),P. stutzeri對(duì)X70鋼的腐蝕作用發(fā)生了顯著轉(zhuǎn)變——從無殺菌劑條件下的抑制腐蝕轉(zhuǎn)變?yōu)闅⒕鷦┍┞稌r(shí)的促進(jìn)腐蝕。

圖1?P. stutzeri在亞致死濃度THPS下的鋼鐵腐蝕機(jī)理示意圖
(紅字:殺菌劑暴露下上調(diào)基因,藍(lán)字:下調(diào)基因)
生物被膜是微生物在殺菌劑脅迫等不利環(huán)境下的重要生存策略。本研究發(fā)現(xiàn),P. stutzeri通過促進(jìn)其生物被膜形成,提高了對(duì)殺菌劑的耐受性。生物被膜內(nèi)的胞外聚合物(EPS)等共同構(gòu)成了阻礙殺菌劑進(jìn)入的有效有機(jī)屏障,為P. stutzeri的生長(zhǎng)提供了物理保護(hù)。轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析進(jìn)一步表明,殺菌劑不僅改變了P. stutzeri的代謝過程,還可能促進(jìn)了P. stutzeri細(xì)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(hù)性生物礦化層,導(dǎo)致金屬表面形成氧濃差電池。這些原因共同導(dǎo)致P. stutzeri從抑制腐蝕轉(zhuǎn)變?yōu)榇龠M(jìn)腐蝕。該結(jié)果表明,殺菌劑的應(yīng)用不僅僅要考慮其對(duì)浮游細(xì)菌的影響,更需要考慮其對(duì)生物被膜的影響,殺菌劑使用不合理可能會(huì)加劇微生物腐蝕。這一研究結(jié)果為優(yōu)化殺菌劑在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供了重要依據(jù)。
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步指出,通過使用綠色無毒的殺菌劑增強(qiáng)劑能夠顯著提高THPS對(duì)細(xì)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(duì)腐蝕性細(xì)菌的關(guān)鍵電子傳遞基因進(jìn)行敲除,從而達(dá)到改變細(xì)菌腐蝕行為和降低細(xì)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(mèng)副研究員為共同通訊作者;論文(2)第一作者為中國(guó)科學(xué)院國(guó)際交流計(jì)劃(PIFI)訪問學(xué)者Sikandar Khan,張瑞永研究員和Sikandar Khan博士為共同通訊作者。相關(guān)研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院國(guó)際交流計(jì)劃等項(xiàng)目支持。
論文信息:
(1)?Xin?Shi,?Yimeng?Zhang*,?Ruiyong?Zhang*,?Chengpeng?Li,?Can?Wang,?Xiao?Wang,?Sand?wolfgang,?Jizhou?Duan. Sublethal THPS accelerates Pseudomonas-associated steel corrosion by stimulating biofilm development and microbial electron uptake corrosion in acid oilfield solution,?npj Materials Degradation,?2025,9(1):?75.?
https://www.nature.com/articles/s41529-025-00625-3
(2)?Sikandar?Khan*,?Ruiyong?Zhang*,?Xiutong?Wang,?Jizhou?Duan,?Ini-Ibehe?Nabuk?Etim,?Krishnamurthy?Mathivanan,?Can?Wang.?Harnessing?bacterial?power:?advanced?strategies?and?genetic?engineering?insights?for?biocorrosion?control?and?inhibition,?npj?Materials?Degradation,?2025,?9(1):?74.?
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