信号分子D型氨基酸对硫酸盐还原菌所致金属材料腐蚀的影响机制

Sulfate reducing bacteria (SRB) are key corrosive micororganisms, which are widely distributed in natural environments like marine and soil. D-amino acids, a kind of extracellular regulatory signals, are ubiquitous in these environments, which can govern the development of biofilm. In the present project, the effect of D-amino acids on biofilms formed on the surface of metals by SRB and the induced corrosion will be studied via the analysis of variation in the components of cell wall, surface structures of bacteria, and morphology of corrosion product by techniques including HPLC, NMR, TEM, SEM, EDS, XRD, and XPS. The regulation rule and mechanism of D-amino acids on SRB biofilm will be explored by studying impacts of D-amino acids on the initial attachment, development, and disassembly of SRB biofilm, and metabolisms related to biofilm, and coupling with the data obtained from transcriptome analysis. On the other hand, the relationship between SRB biofilm and corrosion will be discussed through investigating the influence of SRB under different states of biofilms regulated by D-amino acids on the corrosion of metals. The mechanism utilized by D-amino acids to affect the corrosion of metals caused by SRB will be revealed through the analysis of the inherent relationship among D-amino acids, biofilm, and corrosion. It is a multidisciplinary study referring to biology, material, and electrochemistry, and is important to the enrichment of mechanisms of microbiologically influenced corrosion (MIC) and the evolution of technologies against MIC.

硫酸盐还原菌(SRB)广泛存在于海洋、土壤等自然环境中，是非常重要的腐蚀微生物。本项目拟选择在含有SRB环境中广泛存在并参与生物膜调控的信号分子D型氨基酸，利用HPLC、NMR、TEM、SEM、EDS、XRD、XPS等技术分析细胞壁的组分、细菌表面结构、腐蚀产物形貌和结构的变化，研究其对在金属材料表面形成的SRB生物膜及腐蚀的影响。通过研究D型氨基酸对SRB生物膜初期形成、发展与解体以及生物膜相关代谢活动的影响，结合转录组学分析，揭示其对SRB生物膜的调控规律和机制；通过研究D型氨基酸调控出的不同生物膜状态下的SRB对腐蚀的影响，解析SRB生物膜状态与腐蚀之间的相关性，建立D型氨基酸、生物膜状态、腐蚀三者之间的内在联系，揭示D型氨基酸对SRB所致金属材料腐蚀的影响机制。该研究是生物学、材料学和电化学交叉的一项研究，对丰富微生物腐蚀机理有重要意义，对微生物腐蚀防护技术的研发也有重要指导价值。

硫酸盐还原菌（sulfate-reducing bacteria, SRB）是非常重要的腐蚀微生物，其对钢铁材料腐蚀的影响主要经由生物膜起作用，生物膜状态的差异可能会引起腐蚀的差异，而目前有关SRB生物膜调控及其与腐蚀之间的关系的研究非常匮乏。本项目以在有SRB环境中广泛存在并参与生物膜调控的信号分子D型氨基酸为对象，研究其对SRB生物膜的调控及对腐蚀的作用机制。发现D型氨基酸对SRB生物膜的影响具有菌株特异性和浓度依赖性，但是无结构规律性。在19种D型氨基酸中，只有6种（D-组氨酸、D-亮氨酸、D-赖氨酸、D-甲硫氨酸、D-苯丙氨酸和D-天冬酰胺）可特异性的影响SRB生物膜的发展。D-苯丙氨酸对SRB生物膜的影响机制具有环境依赖性。有氧胁迫条件下，D-苯丙氨酸通过改变细菌形状和细菌表面物质的种类和数量来影响细菌与材料之间以及细菌与细菌之间的相互作用，从而抑制生物膜的发展并改变生物膜的形貌。无氧环境有机电子供体充足时，D-苯丙氨酸通过改变细菌形状、抑制细菌运动性、抑制生物膜形成相关蛋白的表达来改变生物膜的形貌并抑制生物膜发展。无氧环境缺乏有机电子供体时，细菌可利用L-半胱氨酸获取ATP，D-苯丙氨酸被细菌转化为L-苯丙氨酸，进而与L-半胱氨酸发生效率更高的Stickland反应，促进细菌对L-苯丙氨酸的利用，减少细菌对铁源电子的需求，最终抑制细菌在金属材料表面形成生物膜。在不同条件下D-苯丙氨酸均可抑制腐蚀过程，但是抑制机制具有环境依赖性。有氧胁迫条件下，材料的腐蚀是氧腐蚀和细菌导致的胞外电子传递微生物腐蚀（EET-MIC）共同作用的结果，D-苯丙氨酸抑制材料表面生物膜的形成，从而抑制氧浓差电池的形成并抑制EET-MIC，最终抑制腐蚀。无氧环境有机电子供体充足时，材料的腐蚀为EET-MIC导致的局部腐蚀，D-苯丙氨酸不影响腐蚀失重，但可通过抑制生物膜形成来抑制EET-MIC，从而抑制局部腐蚀。无氧环境缺乏有机电子供体时，材料的腐蚀为EET-MIC导致的相选择性腐蚀和局部腐蚀，D-苯丙氨酸可通过抑制生物膜形成来抑制EET-MIC，从而显著减小腐蚀失重并减弱相选择性腐蚀和局部腐蚀。这些结果对丰富与完善SRB腐蚀机理具有重要意义。