英文原题：D-Phenylalanine alleviates the corrosion by Desulfovibrio vulgaris in saline water
通讯作者：王曙光，山东大学；宋超，山东大学
作者：Hongyi Li, Zhengyan Kang, Chengcheng Ding, Xinxin Zhao, Yiqi Cao, Baiyu Zhang, Chao Song, Shuguang Wang
近日，山东大学王曙光教授团队在ACS ES&T Engineering上发表研究论文，揭示不同盐度条件下右旋苯丙氨酸缓解硫酸盐还原菌引起的金属腐蚀的作用机制，为解决循环冷却水系统中的微生物腐蚀问题提供了新的方法和视角。
微生物腐蚀（MIC）是工业循环冷却水系统中常见的问题。生物膜和腐蚀产物会在换热器表面积累，降低传热效率，增加能耗，甚至导致严重的安全事故。冷却水的循环利用会提高水中的盐度。此外，为了节约淡水和成本，一些沿海工厂直接使用稀释后的海水作为冷却水。因此，在冷却水系统中，盐度变化是普遍存在的。目前，工厂中应用杀菌剂是有效控制MIC的主要策略。然而，使用杀菌剂抑制MIC存在一定的局限性。杀菌剂可诱导微生物产生耐药性，导致用量增加，成本上升。因此开发新一代绿色缓蚀剂作为杀菌剂的替代品势在必行。右旋氨基酸作为信号分子可以调控生物膜形成，并且可被生物利用不会造成二次污染。然而，右旋氨基酸在不同盐度下对于生物膜形成和腐蚀抑制的作用尚不清楚。同时，作为影响管道腐蚀的关键因素，盐度可能会干扰右旋氨基酸的作用，这需要进一步深入研究。因此，明确右旋氨基酸在不同盐度下作为缓蚀剂的效果并阐明其作用机理是至关重要的。
为解决上述问题，山东大学的王曙光教授团队探究了三种盐度条件下右旋苯丙氨酸（D-Phe）对硫酸盐还原菌（Desulfovibrio vulgaris）引起腐蚀的抑制作用。失重结果显示高盐度下D-Phe缓蚀性能最佳，缓蚀率为59.6%。与此同时，D-Phe减少铁片表面附着细菌数量。高盐度下D-Phe还减少了腐蚀坑的产生，将最大腐蚀坑深度从11.06 µm降低至2.45 µm。
图1. 失重和粘附细菌计数
生物膜是微生物腐蚀的主体，生物膜底部的微生物可以利用铁片表面电子，加速点蚀的发生。考察生物膜的变化可以更好的理解不同盐度下右旋苯丙氨酸缓解腐蚀的机理。通过激光共聚焦显微镜观察生物膜的分布及结构组成变化发现，高盐度下D-Phe将形成的生物膜厚度从39.12±1.60 μm降低至15.40±2.18 μm。对胞外聚合物（EPS）各组分进行定量分析发现，发现低盐度下EPS含量最高，添加D-Phe对EPS的分泌量影响较小，这可能是由于低盐度胁迫刺激细菌分泌更多的EPS，使生物膜变厚降低了D-Phe对SRB的影响。高盐度下PN/PS明显降低，标明高盐度下D-Phe影响了EPS的分泌。
图2. 生物膜结构组分表征及EPS含量
鉴于高盐度下D-Phe表现出最佳的缓蚀能力，为揭示其机理进行了转录组学分析。研究发现，高盐度下D-Phe主要调控了SRB的4条KEGG通路，分别涉及氨基酸代谢、能量代谢、聚糖生物合成代谢和碳水化合物代谢。其主要缓蚀机制可以总结为以下三点：
1、肽聚糖的重组：高盐度增加了肽聚糖的重组，导致更多的D-Phe被吸收。这会改变细菌的形态，降低它们形成生物膜或附着在表面的能力。
2、莽草酸通路调控：D-Phe影响了莽草酸合成途径，干扰了色氨酸和吲哚的分泌。色氨酸是吲哚的前体物质，吲哚是常见的信号分子可以调控生物膜的形成，这表明生物膜的削弱受到了氨基酸代谢路径调节的影响。
3、硫还原通路调节：高盐度与D-Phe协同调控了硫还原通路，抑制了异化和同化硫还原过程，从而降低了SRB对于碳钢表面电子的利用，这也是最大腐蚀坑深度减小的主要原因。
图3. 高盐度下右旋苯丙氨酸调节SRB的KEGG代谢通路变化
图4. 高盐度下右旋氨基酸缓蚀机理
综上所述，右旋苯丙氨酸在不同盐度下表现出不同的腐蚀抑制作用，其中在高盐度下检测到的腐蚀速率最低。本研究发现表明，右旋苯丙氨酸可以作为一种有效的缓蚀剂，为传统的防腐提供了一种环保的替代品。进一步的研究应着眼于优化右旋苯丙氨酸的应用方法，并探索与其他抑制剂的协同作用，以扩大在不同盐度范围内的保护作用。
相关论文发表在ACS ES&T Engineering上，山东大学硕士研究生李弘毅为文章第一作者，山东大学王曙光教授、宋超副教授为通讯作者。
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ACS EST Engg. 2024, ASAP
Publication Date: November 15, 2024
https://doi.org/10.1021/acsestengg.4c00362
Copyright © 2024 American Chemical Society
Editor-in-Chief
Wonyong Choi
Korea Institute of Energy Technology
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