由于海洋环境的苛刻性，海洋工程设施遭受了严重的腐蚀破坏，其中由海洋微生物引起的腐蚀损失占总腐蚀成本的20%。据统计，硫酸盐还原菌（SRB）引起的腐蚀占微生物腐蚀（MIC）总损失的50%以上。因此，研究人员对SRB的腐蚀机理进行了较多研究，并提出了阴极去极化、电子传递等理论，但对于SRB获取电子的过程仍存在争议。生物膜是由微生物细胞及其分泌的胞外聚合物（EPS）组成，细胞与细胞外的电子供体或者受体之间的电子传递需穿过EPS，因此验证EPS在腐蚀过程中电子传递的作用至为关键。SRB和铁腐蚀的影响是相辅相成的，大多数研究关注SRB是如何对金属铁造成腐蚀，而铁腐蚀对SRB的代谢的影响研究较少。生物膜的形成是MIC的起点，因此SRB生物膜的分子调控机制以及其与腐蚀关系的研究，对MIC机制研究具有重要的意义。阴极保护是金属设施的一种经济有效的防腐措施，尽管一些研究表明，阴极极化可以影响SRB附着并抑制 MIC 过程，但对于SRB生物膜附着与阴极极化之间的关系仍然存在争议。因此，本文以从海洋碳钢锈层中分离培养的一种SRB- Desulfovibrio bizertensis SY-1（D. bizertensis）为研究对象，研究了D. bizertensis生物膜对海洋工程用钢Q235钢的腐蚀过程，探究了Q235钢腐蚀对D. bizertensis代谢的影响，分析了D. bizertensis在Q235钢表面的成膜机制，研究了阴极极化对D. bizertensis在Q235钢表面的成膜影响及代谢调控。主要研究结论如下：

（1）研究发现D. bizertensis的生物膜，代谢产物和EPS具有电活性，电活性来源于细胞色素c和核黄素，这为D. bizertensis电子传递增加了通道。D. bizertensis在不接触和接触Q235钢时的代谢过程表现出差异，直接接触Q235钢时，氢化酶、细胞色素c相关的蛋白、铁硫簇相关的蛋白以及硫酸盐还原相关的蛋白上调，SRB的厌氧呼吸更加活跃，造成了 Q235钢的严重腐蚀。D. bizertensis在不接触Q235时腐蚀减轻，说明D. bizertensis主要通过直接电子传递的方式造成钢铁的腐蚀。

（2）D. bizertensis造成了Q235钢的腐蚀，但腐蚀产物硫化铁不仅包裹在D. bizertensis菌体表面，也存在于D. bizertensis生物膜上，发现硫化铁的存在促进了D. bizertensis的电子传递。D. bizertensis在有铁和无铁条件下表现出来不同的代谢途径和铁转运途径。在Q235钢存在情况下，Q235的腐蚀促进了D. bizertensis 的碳代谢和能量的产生与转换，包括TCA循环，乙醛酸，丙酮酸代谢，氢循环等，并且氢化酶大量表达，表明D. bizertensis可以接受来自Q235腐蚀产生的电子经氢化酶催化产生的H₂加入氢循环。而在无Q235钢的情况下，铁的转运系统相关的蛋白高表达，碳代谢相关的蛋白下调，这是SRB在铁限制时的铁调节方式，保证铁的摄取与调控。

（3）通过细胞内的蛋白组学和细胞外EPS的分析，探讨了D. bizertensis生物膜造成Q235腐蚀的原因。D. bizertensis的生物膜细胞的运动性和趋化性增强，鞭毛相关的蛋白大量上调，并通过c-di-GMP第二信使分子，增加了SRB细胞间的聚集和细菌的粘附性，使得SRB在Q235钢表面易附着，形成生物膜。生物膜形成后，由于生物膜内底物和硫酸盐的限制，Q235钢相对于周围的环境是富有能量的，D. bizertensis利用Q235钢作为电子供体维持自身的最低能量，并发现电子转运和氢化酶有关的蛋白在生物膜细胞中上调，这表明D. bizertensis呼吸速率提高，促进了Q235钢的腐蚀。对EPS进行成分分析，蛋白质是EPS中是主要成分，通过对EPS中的蛋白质的二级结构分析发现，生物膜EPS中的蛋白的二级结构主要是β-折叠，该结构可以增加与Fe²⁺离子的鳌合，加速金属的腐蚀，而EPS中的β-折叠、α-螺旋、三转螺旋和聚集链含量较高时，微生物更容易聚集形成生物膜，造成Q235钢的腐蚀。

（4）阴极电位促进了SRB在Q235钢表面的附着。阴极电位的施加减缓了Q235钢的腐蚀，但是由于SRB生物膜的存在，并未完全抑制Q235的腐蚀。在-1000mV vs. CSE (Cu/CuSO₄) 电位下，SRB在Q235钢表面的附着量最多，并分泌了大量的EPS促进SRB在Q235钢的生物膜的形成，并且在此电位下SRB的生物膜具有更强的电化学活性，其电化学物质根据氧化还原峰的位置确定为细胞色素和核黄素。阴极电位增强了SRB的电子传递。由于SRB生物膜细胞在阴极电位下附着量的增加，来自阴极电位的电子不足以满足SRB的呼吸作用，部分SRB细胞直接利用铁作为电子供体，通过细胞色素c进行直接电子传递，造成了Q235钢的腐蚀。由于阴极电位下腐蚀受到了抑制，使得铁离子浓度减少，形成了铁限制环境。这种情况下，SRB的铁调节系统相关的蛋白上调，以增加对铁的摄取，从而加速了Q235钢的腐蚀。

第1章 绪论... 1

1.1 引言... 1

1.2 微生物腐蚀... 2

1.2.1 生物膜与微生物腐蚀... 2

1.2.2 微生物腐蚀的类型... 3

1.2.3 SRB腐蚀机理... 4

1.2.4 腐蚀性SRB的种类... 8

1.2.5 FeS在铁腐蚀中的作用... 8

1.3 EPS特性... 10

1.3.1 EPS组成... 10

1.3.2 EPS的粘附性... 12

1.3.3 EPS的氧化还原性及其在电子转移中的作用... 12

1.4 EPS与腐蚀的关系... 12

1.4.1 EPS加速腐蚀... 13

1.4.2 EPS 抑制腐蚀... 13

1.5 阴极保护与微生物腐蚀... 14

1.5.1 阴极保护... 14

1.5.2 阴极保护与SRB.. 17

1.6 选题依据与研究内容... 18

1.6.1 选题依据... 18

1.6.2 研究内容... 18

第2章 D.bizertensis对Q235钢腐蚀的影响机制... 20

2.1 引言... 20

2.2 实验材料与方法... 21

2.2.1 实验材料... 21

2.2.2 SRB生长曲线及EPS的提取和分析... 21

2.2.3 Q235表面生物膜及生物膜细胞观察... 22

2.2.4 腐蚀产物分析和腐蚀速率及点蚀坑观察... 23

2.2.5 电化学分析... 23

2.2.6 双室实验... 23

2.3 实验结果与讨论... 24

2.3.1 腐蚀形貌分析... 24

2.3.2 生物膜细胞计数和pH分析... 25

2.3.3 Q235钢腐蚀产物分析，点蚀坑观察及腐蚀速率... 27

2.3.4 D. bizertensis 生物膜附着的PGE及菌液过滤液电化学分析... 27

2.3.5 D. bizertensis生物膜细胞EPS观察... 29

2.3.6 D. bizertensis 生物膜EPS分析... 29

2.3.7 H型装置实验结果分析... 30

2.3.8 差异蛋白分析... 31

2.3.9 腐蚀机制... 34

2.4 结论... 35

第3章 铁腐蚀及其生物矿化产物对SRB代谢方式影响研究... 37

3.1 引言... 37

3.2 实验材料与方法... 38

3.2.1 实验材料... 38

3.2.2 腐蚀介质及实验设计... 38

3.2.3 生长曲线及EPS的提取... 38

3.2.4 Q235钢表面形貌观察点蚀坑观察... 38

3.2.5 细胞表面晶体结构分析... 38

3.2.6 透射电镜分析... 39

3.2.7 电化学分析... 39

3.2.8 蛋白组学分析... 39

3.3 实验结果与讨论... 39

3.3.1 Q235形貌观察... 39

3.3.2 D. bizertensis生长曲线及EPS分析... 41

3.3.3 电化学分析... 42

3.3.4 蛋白组学分析... 44

3.3.5 差异蛋白的功能表征... 44

3.3.6 结果讨论... 47

3.4 本章小结... 50

第4章 蛋白质组学和EPS分析揭示SRB对Q235钢附着成膜及腐蚀机制 51

4.1 引言... 51

4.2 实验材料与方法... 52

4.2.1 实验材料... 52

4.2.2 SRB生长曲线及EPS的提取，定量，分析，染色观察... 52

4.2.3 Q235表面生物膜观察... 52

4.2.4 腐蚀产物分析，腐蚀速率及点蚀坑观察... 52

4.2.5 蛋白组学分析... 52

4.3 实验结果与实验讨论... 53

4.3.1 Q235表面的腐蚀产物形貌，成分分析及腐蚀速率... 53

4.3.2 蛋白的鉴定与比较... 53

4.3.3 差异表达蛋白的功能表征... 55

4.3.4 Q235表面生物膜形成过程中EPS的变化... 60

4.3.5 结果讨论... 63

4.4 本章小结... 67

第5章 阴极极化电位对SRB在Q235的附着及腐蚀影响... 68

5.1 引言... 68

5.2 实验材料及方法... 68

5.2.1 实验材料... 68

5.2.2 阴极极化实验体系... 69

5.2.3 生长曲线及EPS的提取... 69

5.2.4 Q235腐蚀形貌表征... 69

5.2.5 腐蚀速率及点蚀坑观察... 69

5.2.6 Q235表面生物膜表征... 69

5.2.7 电化学分析... 69

5.2.8 蛋白组学分析... 69

5.3 实验结果与讨论... 70

5.3.1 腐蚀速率分析... 70

5.3.2 Q235钢表面形貌观察... 70

5.3.3 细胞计数及pH测定... 72

5.3.4 不同阴极电位下SRB生物膜电化学分析... 73

5.3.5 不同阴极电位下SRB生物膜的EPS分析... 74

5.3.6 不同阴极电位条件下SRB生物膜细胞差异蛋白组学分析... 75

5.3.7 阴极极化电位对微生物的调节及腐蚀机制... 78

5.4 本章小结... 79

第6章 结论与展望... 81

6.1 结论... 81

6.2 创新点... 82

6.3 展望... 82

参考文献... 83

致 谢... 103

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与其他相关学术成果 104