微生物腐蝕(MIC)作為一種非常重要的腐蝕形式,在海洋金屬工程設(shè)施的腐蝕失效中扮有重要角色。生物膜是MIC的關(guān)鍵特征,調(diào)控生物膜的狀態(tài)可影響MIC過(guò)程。生物膜的形成、發(fā)展和解體受到微生物嚴(yán)格的遺傳調(diào)控,且這種調(diào)控往往通過(guò)信號(hào)分子的響應(yīng)實(shí)現(xiàn)。因此,研究信號(hào)分子對(duì)海洋微生物生物膜的影響將為MIC機(jī)理的深度解析提供基礎(chǔ)。本文選取D-氨基酸和群體感應(yīng)信號(hào)分子作為典型信號(hào)分子,通過(guò)生物膜定量和顯微結(jié)構(gòu)觀察等方法,研究其對(duì)在海洋環(huán)境腐蝕產(chǎn)物層中廣泛存在的兩種微生物(假交替單胞菌Pseudoalteromonas sp.SC2014(SC2014)和硫酸鹽還原菌Desulfovibrio sp.(D.sp.))生物膜的影響規(guī)律;通過(guò)研究細(xì)菌表面疏水性、生物膜結(jié)構(gòu)和成分變化等,揭示信號(hào)分子對(duì)生物膜的影響機(jī)制;并結(jié)合腐蝕失重法,探討信號(hào)分子對(duì)細(xì)菌所致金屬材料腐蝕的影響,建立信號(hào)分子、生物膜狀態(tài)和材料腐蝕之間的相關(guān)性。主要研究結(jié)果如下:(1)揭示了D-氨基酸對(duì)SC2014和D.sp.生物膜作用的特異性及其影響規(guī)律。在所研究的六種D-氨基酸(D-Leu、D-Met、D-Pro、D-Trp、D-Tyr和D-Phe)中,僅有D-Phe可在不影響細(xì)菌生長(zhǎng)的情況下抑制細(xì)菌生物膜的形成,但其對(duì)兩種細(xì)菌生物膜發(fā)展過(guò)程的影響規(guī)律不同。對(duì)SC2014來(lái)說(shuō),D-Phe對(duì)細(xì)菌在316L不銹鋼表面的初期附著無(wú)顯著影響,且對(duì)生物膜解體后形成的單層結(jié)構(gòu)無(wú)明顯作用,不影響細(xì)菌與材料之間的相互作用。但是D-Phe可抑制生物膜由單層結(jié)構(gòu)發(fā)展為成熟的多層結(jié)構(gòu),并使已形成的生物膜結(jié)構(gòu)解體,抑制和破壞細(xì)菌之間的相互作用。對(duì)D.sp.來(lái)說(shuō),D-Phe不但可顯著抑制細(xì)菌在316L不銹鋼表面的初期附著,還可抑制生物膜的進(jìn)一步發(fā)展,既阻礙細(xì)菌與材料之間的相互作用又影響細(xì)菌間的相互作用。(2)解析了D-Phe對(duì)SC2014和D.sp.生物膜的作用機(jī)制,主要探討了D-Phe對(duì)細(xì)菌本身表面性質(zhì)和生物膜的組成、成分分布以及結(jié)構(gòu)的影響。D-Phe可使SC2014的表面疏水性由27.44±1.35o變?yōu)?4.21±2.79o,通過(guò)改變細(xì)菌表面成分的種類或數(shù)量,并抑制胞外多聚物在材料表面的聚集來(lái)影響細(xì)菌之間的相互作用,從而使細(xì)菌在316L不銹鋼表面只能形成單層生物膜而無(wú)法形成成熟的多層生物膜。對(duì)D.sp.來(lái)說(shuō),一方面,D-Phe使細(xì)菌的形狀由單一的桿狀變?yōu)椴痪坏睦w維狀或球狀,并改變細(xì)菌表面成分的種類或數(shù)量;另一方面,D-Phe顯著抑制細(xì)菌和胞外多聚物在材料表面的聚集。最終使D.sp.在Q235碳鋼表面所形成的生物膜結(jié)構(gòu)由分布不均勻的蘑菇狀變?yōu)榉植枷鄬?duì)均勻的網(wǎng)狀,且使生物膜成分分布的相對(duì)層次性(蛋白質(zhì)在最外側(cè),細(xì)菌、脂質(zhì)與多糖位于內(nèi)側(cè))消失。(3)揭示了金屬材料腐蝕與生物膜狀態(tài)的相關(guān)性。對(duì)SC2014來(lái)說(shuō),雖然D-Phe可抑制細(xì)菌在Q235碳鋼表面形成生物膜,但其對(duì)細(xì)菌所致材料的腐蝕失重?zé)o明顯影響。對(duì)D.sp.來(lái)說(shuō),D-Phe可使細(xì)菌所致Q235碳鋼的腐蝕失重由0.844±0.076 mg/cm~2降為0.552±0.048 mg/cm~2;使材料表面最大坑深達(dá)5μm,坑寬達(dá)41.5μm,密度為251±118 mm~(-2)的腐蝕坑減少。D-Phe通過(guò)抑制D.sp.在Q235碳鋼表面形成生物膜來(lái)抑制細(xì)菌對(duì)材料的腐蝕失重,而生物膜結(jié)構(gòu)和分布的均一性使細(xì)菌所致材料的腐蝕更加均勻。(4)確定了SC2014和D.sp.的群體感應(yīng)系統(tǒng),并解析了其與細(xì)菌生物膜和腐蝕的相關(guān)性。SC2014具有Lux R/Lux I型群體感應(yīng)系統(tǒng),不具有LuxS/AI-2型群體感應(yīng)系統(tǒng),信號(hào)分子C6-AHL和AI-2對(duì)細(xì)菌的生物膜形成和生長(zhǎng)均無(wú)影響。而D.sp.不具有所用報(bào)告菌株能檢測(cè)到的Lux R/Lux I型群體感應(yīng)系統(tǒng),具有LuxS/AI-2型群體感應(yīng)系統(tǒng),信號(hào)分子AI-2可通過(guò)抑制細(xì)菌、多糖和脂質(zhì)在316L不銹鋼表面的聚集來(lái)抑制細(xì)菌在其表面形成生物膜,且主要是抑制生物膜的后期生長(zhǎng)。但是,AI-2對(duì)D.sp.所致Q235碳鋼的腐蝕失重及在其表面所形成的生物膜無(wú)顯著影響。
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院海洋研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TG172.7;P755.3
【部分圖文】：

（Lee et al.，1995）。因此，生物膜是微生物腐蝕的關(guān)鍵特征，是將微生物腐蝕與其他形式的腐蝕區(qū)分開(kāi)的重要因素（Javaherdashti，2015）。微生物極易附著在材料表面形成生物膜，生物膜可以通過(guò)改變金屬的電化學(xué)性質(zhì)加速多種形式的腐蝕過(guò)程，如均勻腐蝕、孔蝕、縫隙腐蝕、電偶腐蝕、晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕等（Rawat et al.，2016）。生物膜的作用途徑包括（1）生物膜的存在及其中微生物消耗氧氣，導(dǎo)致在金屬表面附近形成氧濃差（圖 1.1；Little etal.，2007）；（2）生物膜中基質(zhì)增大金屬表面附近物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)阻力，從而改變腐蝕過(guò)程的動(dòng)力學(xué)（Roe et al.，1996）；（3）生物膜中微生物的代謝產(chǎn)生腐蝕性物質(zhì)，比如酸等（圖 1.2；Lewandowski et al.，1997）；（4）生物膜中代謝產(chǎn)生可作為陰極反應(yīng)物的物質(zhì)（Linhardt，2006）；（5）生物膜中微生物直接與金屬進(jìn)行電子傳遞，部分微生物如 Shewanella oneidensis strain MR-1 可以形成具有傳導(dǎo)功能的納米線（Nanowires）并由此與材料直接進(jìn)行電子傳遞（圖 1.3；Gorby et al.，2006；Sherar et al.，2011；）。

；（2）生物膜中基質(zhì)增大金屬表面附近物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)阻力，從學(xué)（Roe et al.，1996）；（3）生物膜中微生物的代謝產(chǎn)生圖 1.2；Lewandowski et al.，1997）；（4）生物膜中代謝產(chǎn)物質(zhì)（Linhardt，2006）；（5）生物膜中微生物直接與金屬生物如 Shewanella oneidensis strain MR-1 可以形成具有傳owires）并由此與材料直接進(jìn)行電子傳遞（圖 1.3；Gorby.，2011；）。 1.1 生物膜導(dǎo)致材料表面形成的氧濃差電池（Little et al.，200Figure 1.1 The model of oxygen concentration cell (Little et al., 200

在碳鋼表面形成的納米線結(jié)構(gòu)（A）及直接電子轉(zhuǎn)移模型（B）（2006；Sherar et al.，2011）Nanowires formed on the surface of carbon steel by bacteria (A), anddirect electron transfer (B) (Gorby et al., 2006; Sherar et al., 2011)膜及其發(fā)展過(guò)程（Biofilm）是細(xì)菌與其分泌的胞外多聚物（EPS）組成的存在的成功的生命形式之一（Flemming and Wingender，離細(xì)菌擁有一些新的性質(zhì)：生理及“社會(huì)”間相互聯(lián)系（因交換頻率的增加以及對(duì)抗生素耐受程度的增大等（圖1）。在成熟生物膜中，細(xì)菌被包裹在由蛋白質(zhì)、多糖、脂
【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 ZHANG Zi Lian;ZHENG Qiang;JIAO Nian Zhi;;Microbial D-amino acids and marine carbon storage[J];Science China(Earth Sciences);2016年01期

2 Trevor Roger Garrett;Manmohan Bhakoo;;Bacterial adhesion and biofilms on surfaces[J];Progress in Natural Science;2008年09期

本文編號(hào)：2854975