芽孢杆菌及其胞外聚合物贴附影响海洋无机涂层微生物腐蚀的原位研究

Formation of biofilm is one of the key stages for the occurrence of marine biofouling. Adhesion behaviors of bacteria and extracellular polymeric substances (EPS) on marine materials influence their surface chemistry, in turn affecting crucially the microbially influenced corrosion (MIC). Therefore, understanding and clarifying the influence of adhesion of bacterial and EPS on the MIC behaviors is essential for controlling marine biofouling. In this project, cold sprayed Al-based and Cu-based coatings are used as typical marine anticorrosion coatings for in situ investigating the influence of the adhesion of Bacillus sp. and EPS on their MIC behaviors. Microstructures of the coatings are tunable as achieved by altering physicochemical characteristics of starting powder and changing spray parameters. The influence of the microstructural features of the coatings on the adhesion and colonization of the bacteria and their secreted EPS will be examined systematically. Various testing techniques for instance in situ electrochemical atomic force microscopy will be employed for this research. It is anticipated that an in situ technical approach by using electrochemical atomic force microscopy for studying MIC of marine coatings is established. The roles the microstructures of the coatings play on the adhesion of marine bacteria and following EPS secretion will be clarified. In addition, the relationship between MIC behaviors of the coatings and Bacillus sp. and their secreted EPS upon adhesion on the coating surfaces is elucidated. The results gained from this research would give insight into related research at molecular level on MIC and development of techniques for prevention of the corrosion.

生物膜的形成是海洋结构发生生物污损的重要环节，细菌及其胞外聚合物的粘附通过影响材料的表界面化学，进而影响其微生物腐蚀，明确相关的影响机理对调控海洋生物污损具有重要意义。本项目拟采用冷喷涂铝基和铜基无机涂层为典型海洋涂层，调控制备具备多种结构特征的涂层体系，研究涂层微观组织结构特征对芽孢杆菌及其胞外聚合物贴附的影响规律，结合胞外聚合物的测试分析，采用电化学原子力显微镜等技术手段原位研究典型海洋细菌芽孢杆菌及其胞外聚合物的粘附对涂层微生物腐蚀行为的调控机理。基于本项目研究，建立利用电化学原子力显微镜技术原位研究微生物腐蚀机理的技术方法，明确涂层微纳结构对细菌及胞外聚合物贴附的影响规律，揭示芽孢杆菌及其胞外聚合物对涂层表界面电化学腐蚀行为的影响机制，为从分子水平进行海洋涂层材料微生物腐蚀研究和防治提供基础实验数据。

生物污损是一个非常普遍的现象，在许多工业领域中都是全球性的难题。生物污损的最初阶段是有机分子在材料表面的吸附成膜，即条件膜，它对微生物的贴附和后续生物膜的形成具有十分显著的影响。本项目选取枯草芽孢杆菌的胞外聚合物（EPS）作为条件膜的来源，利用原子力显微镜观察不同浓度EPS条件膜在材料表面的吸附形貌，并定量表征EPS条件膜在材料表面的形成。实验结果显示EPS条件膜中的蛋白含量随着EPS溶液浓度的提高而增加，但并未表现出线性关系，这可能是材料表面形成的条件膜的不均匀性导致的。EPS在云母片表面形成了多孔的膜或交织的网状结构，具体取决于EPS溶液的浓度。.为了研究枯草芽孢杆菌EPS条件膜对细菌初期贴附的影响，本项目采用扫描电镜，观察枯草芽孢杆菌和大肠杆菌在不同浓度EPS条件膜上的贴附和成膜情况；采用结晶紫染色法，定量表征枯草芽孢杆菌和大肠杆菌的生物膜形成情况。实验结果显示，枯草芽孢杆菌的EPS条件膜促进了枯草芽孢杆菌的贴附、增殖和生物膜形成，且EPS溶液浓度越高，促进作用越明显，此外，EPS条件膜的存在抑制了芽孢的产生，影响了枯草芽孢杆菌的分化。另一方面，枯草芽孢杆菌EPS条件膜虽然没有减少大肠杆菌的贴附量，但会对大肠杆菌的团聚能力产生抑制作用，因此降低了大肠杆菌对外界不利环境因素的抗性。.为了进一步探究上述实验现象的机理，本项目研究了枯草芽孢杆菌EPS的主要组成成分以及枯草芽孢杆菌在不同生长阶段分泌并释放到细胞外的小分子物质对细菌贴附的影响。实验结果表明，枯草芽孢杆菌EPS中的主要多糖成分γ-多聚谷氨酸（γ-polyglutamic acid, γ-PGA）形成的条件膜对枯草芽孢杆菌的贴附和生物膜形成没有明显促进作用，也没有抑制芽孢的产生；γ-PGA条件膜也并未影响大肠杆菌的贴附和生物膜形成。