D-氨基酸和AI-2对海洋环境微生物生物膜与腐蚀行为的影响
发布时间：2020-10-24 21:01
微生物腐蚀(MIC)作为一种非常重要的腐蚀形式,在海洋金属工程设施的腐蚀失效中扮有重要角色。生物膜是MIC的关键特征,调控生物膜的状态可影响MIC过程。生物膜的形成、发展和解体受到微生物严格的遗传调控,且这种调控往往通过信号分子的响应实现。因此,研究信号分子对海洋微生物生物膜的影响将为MIC机理的深度解析提供基础。本文选取D-氨基酸和群体感应信号分子作为典型信号分子,通过生物膜定量和显微结构观察等方法,研究其对在海洋环境腐蚀产物层中广泛存在的两种微生物(假交替单胞菌Pseudoalteromonas sp.SC2014(SC2014)和硫酸盐还原菌Desulfovibrio sp.(D.sp.))生物膜的影响规律;通过研究细菌表面疏水性、生物膜结构和成分变化等,揭示信号分子对生物膜的影响机制;并结合腐蚀失重法,探讨信号分子对细菌所致金属材料腐蚀的影响,建立信号分子、生物膜状态和材料腐蚀之间的相关性。主要研究结果如下:(1)揭示了D-氨基酸对SC2014和D.sp.生物膜作用的特异性及其影响规律。在所研究的六种D-氨基酸(D-Leu、D-Met、D-Pro、D-Trp、D-Tyr和D-Phe)中,仅有D-Phe可在不影响细菌生长的情况下抑制细菌生物膜的形成,但其对两种细菌生物膜发展过程的影响规律不同。对SC2014来说,D-Phe对细菌在316L不锈钢表面的初期附着无显著影响,且对生物膜解体后形成的单层结构无明显作用,不影响细菌与材料之间的相互作用。但是D-Phe可抑制生物膜由单层结构发展为成熟的多层结构,并使已形成的生物膜结构解体,抑制和破坏细菌之间的相互作用。对D.sp.来说,D-Phe不但可显著抑制细菌在316L不锈钢表面的初期附着,还可抑制生物膜的进一步发展,既阻碍细菌与材料之间的相互作用又影响细菌间的相互作用。(2)解析了D-Phe对SC2014和D.sp.生物膜的作用机制,主要探讨了D-Phe对细菌本身表面性质和生物膜的组成、成分分布以及结构的影响。D-Phe可使SC2014的表面疏水性由27.44±1.35o变为34.21±2.79o,通过改变细菌表面成分的种类或数量,并抑制胞外多聚物在材料表面的聚集来影响细菌之间的相互作用,从而使细菌在316L不锈钢表面只能形成单层生物膜而无法形成成熟的多层生物膜。对D.sp.来说,一方面,D-Phe使细菌的形状由单一的杆状变为不均一的纤维状或球状,并改变细菌表面成分的种类或数量;另一方面,D-Phe显著抑制细菌和胞外多聚物在材料表面的聚集。最终使D.sp.在Q235碳钢表面所形成的生物膜结构由分布不均匀的蘑菇状变为分布相对均匀的网状,且使生物膜成分分布的相对层次性(蛋白质在最外侧,细菌、脂质与多糖位于内侧)消失。(3)揭示了金属材料腐蚀与生物膜状态的相关性。对SC2014来说,虽然D-Phe可抑制细菌在Q235碳钢表面形成生物膜,但其对细菌所致材料的腐蚀失重无明显影响。对D.sp.来说,D-Phe可使细菌所致Q235碳钢的腐蚀失重由0.844±0.076 mg/cm~2降为0.552±0.048 mg/cm~2;使材料表面最大坑深达5μm,坑宽达41.5μm,密度为251±118 mm~(-2)的腐蚀坑减少。D-Phe通过抑制D.sp.在Q235碳钢表面形成生物膜来抑制细菌对材料的腐蚀失重,而生物膜结构和分布的均一性使细菌所致材料的腐蚀更加均匀。(4)确定了SC2014和D.sp.的群体感应系统,并解析了其与细菌生物膜和腐蚀的相关性。SC2014具有Lux R/Lux I型群体感应系统,不具有LuxS/AI-2型群体感应系统,信号分子C6-AHL和AI-2对细菌的生物膜形成和生长均无影响。而D.sp.不具有所用报告菌株能检测到的Lux R/Lux I型群体感应系统,具有LuxS/AI-2型群体感应系统,信号分子AI-2可通过抑制细菌、多糖和脂质在316L不锈钢表面的聚集来抑制细菌在其表面形成生物膜,且主要是抑制生物膜的后期生长。但是,AI-2对D.sp.所致Q235碳钢的腐蚀失重及在其表面所形成的生物膜无显著影响。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院海洋研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG172.7;P755.3
【部分图文】：
（Lee et al.，1995）。因此，生物膜是微生物腐蚀的关键特征，是将微生物腐蚀与其他形式的腐蚀区分开的重要因素（Javaherdashti，2015）。微生物极易附着在材料表面形成生物膜，生物膜可以通过改变金属的电化学性质加速多种形式的腐蚀过程，如均匀腐蚀、孔蚀、缝隙腐蚀、电偶腐蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀等（Rawat et al.，2016）。生物膜的作用途径包括（1）生物膜的存在及其中微生物消耗氧气，导致在金属表面附近形成氧浓差（图 1.1；Little etal.，2007）；（2）生物膜中基质增大金属表面附近物质转运阻力，从而改变腐蚀过程的动力学（Roe et al.，1996）；（3）生物膜中微生物的代谢产生腐蚀性物质，比如酸等（图 1.2；Lewandowski et al.，1997）；（4）生物膜中代谢产生可作为阴极反应物的物质（Linhardt，2006）；（5）生物膜中微生物直接与金属进行电子传递，部分微生物如 Shewanella oneidensis strain MR-1 可以形成具有传导功能的纳米线（Nanowires）并由此与材料直接进行电子传递（图 1.3；Gorby et al.，2006；Sherar et al.，2011；）。
；（2）生物膜中基质增大金属表面附近物质转运阻力，从学（Roe et al.，1996）；（3）生物膜中微生物的代谢产生图 1.2；Lewandowski et al.，1997）；（4）生物膜中代谢产物质（Linhardt，2006）；（5）生物膜中微生物直接与金属生物如 Shewanella oneidensis strain MR-1 可以形成具有传owires）并由此与材料直接进行电子传递（图 1.3；Gorby.，2011；）。 1.1 生物膜导致材料表面形成的氧浓差电池（Little et al.，200Figure 1.1 The model of oxygen concentration cell (Little et al., 200
在碳钢表面形成的纳米线结构（A）及直接电子转移模型（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)膜及其发展过程（Biofilm）是细菌与其分泌的胞外多聚物（EPS）组成的存在的成功的生命形式之一（Flemming and Wingender，离细菌拥有一些新的性质：生理及“社会”间相互联系（因交换频率的增加以及对抗生素耐受程度的增大等（图1）。在成熟生物膜中，细菌被包裹在由蛋白质、多糖、脂
【参考文献】
本文编号：2854975
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院海洋研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG172.7;P755.3
【部分图文】：
（Lee et al.，1995）。因此，生物膜是微生物腐蚀的关键特征，是将微生物腐蚀与其他形式的腐蚀区分开的重要因素（Javaherdashti，2015）。微生物极易附着在材料表面形成生物膜，生物膜可以通过改变金属的电化学性质加速多种形式的腐蚀过程，如均匀腐蚀、孔蚀、缝隙腐蚀、电偶腐蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀等（Rawat et al.，2016）。生物膜的作用途径包括（1）生物膜的存在及其中微生物消耗氧气，导致在金属表面附近形成氧浓差（图 1.1；Little etal.，2007）；（2）生物膜中基质增大金属表面附近物质转运阻力，从而改变腐蚀过程的动力学（Roe et al.，1996）；（3）生物膜中微生物的代谢产生腐蚀性物质，比如酸等（图 1.2；Lewandowski et al.，1997）；（4）生物膜中代谢产生可作为阴极反应物的物质（Linhardt，2006）；（5）生物膜中微生物直接与金属进行电子传递，部分微生物如 Shewanella oneidensis strain MR-1 可以形成具有传导功能的纳米线（Nanowires）并由此与材料直接进行电子传递（图 1.3；Gorby et al.，2006；Sherar et al.，2011；）。
；（2）生物膜中基质增大金属表面附近物质转运阻力，从学（Roe et al.，1996）；（3）生物膜中微生物的代谢产生图 1.2；Lewandowski et al.，1997）；（4）生物膜中代谢产物质（Linhardt，2006）；（5）生物膜中微生物直接与金属生物如 Shewanella oneidensis strain MR-1 可以形成具有传owires）并由此与材料直接进行电子传递（图 1.3；Gorby.，2011；）。 1.1 生物膜导致材料表面形成的氧浓差电池（Little et al.，200Figure 1.1 The model of oxygen concentration cell (Little et al., 200
在碳钢表面形成的纳米线结构（A）及直接电子转移模型（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)膜及其发展过程（Biofilm）是细菌与其分泌的胞外多聚物（EPS）组成的存在的成功的生命形式之一（Flemming and Wingender，离细菌拥有一些新的性质：生理及“社会”间相互联系（因交换频率的增加以及对抗生素耐受程度的增大等（图1）。在成熟生物膜中，细菌被包裹在由蛋白质、多糖、脂
【参考文献】
相关期刊论文 前2条
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
本文编号：2854975
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/jiagonggongyi/2854975.html
