再生水中弗氏檸檬酸桿菌生物膜特性研究*

張 靜 李 進(jìn) 王開強(qiáng) 孟小然

(北京交通大學(xué)市政與環(huán)境工程系，北京，100044)

再生水中弗氏檸檬酸桿菌生物膜特性研究*

張 靜 李 進(jìn)＊＊王開強(qiáng) 孟小然

(北京交通大學(xué)市政與環(huán)境工程系，北京，100044)

從使用再生水的某電廠冷卻塔粘泥中分離出一株具有硫酸鹽還原功能的弗氏檸檬酸桿菌.利用掃描電子顯微鏡(SEM)和能譜儀(EDS)對再生水中HSn70-1A和BFe30-1-1兩種合金表面弗氏檸檬酸桿菌生物膜結(jié)構(gòu)和成分進(jìn)行表征，結(jié)果表明HSn70-1A成膜特性好于BFe30-1-1，兩種合金表面生物膜中C、O等無機(jī)元素含量較大、基體金屬元素含量下降較為明顯.對不同時刻合金表面生物膜胞外聚合物(EPS)組分進(jìn)行分析，多糖與蛋白質(zhì)含量之比揭示出，在第3天和第7天兩個關(guān)鍵期EPS的疏水性能對微生物膜的致密性和完整性產(chǎn)生重要影響，實驗結(jié)果表明在兩個關(guān)鍵期內(nèi)HSn70-1A顯示較好的疏水性能，使其比BFe30-1-1表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐微生物腐蝕性能.

弗氏檸檬酸桿菌，微生物腐蝕，生物膜特性，胞外聚合物，硫酸鹽還原菌.

城市污水經(jīng)深度處理后回用于工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)是解決我國北方地區(qū)水資源危機(jī)的重要途徑之一.同自然界淡水相比，再生水中的含鹽量、有機(jī)物含量、氨氮含量高，細(xì)菌種群復(fù)雜，由此帶來的微生物腐蝕問題十分突出［1］.大量的研究及運行資料表明，硫酸鹽還原菌(Sulfate-reducing bacteria，SRB)作用引起熱交換器金屬管材的微生物腐蝕是影響火電廠安全運行的潛在隱患.本課題組在研究再生水中SRB對合金材料腐蝕影響過程中，從使用再生水作為循環(huán)冷卻水系統(tǒng)補(bǔ)充水的華北某電廠冷卻塔底的粘泥中分離出一種同樣具有硫酸鹽還原功能的弗氏檸檬酸桿菌(Citrobacter freundii)菌株［2］.弗氏檸檬酸桿菌是一類常存在于糞便中，能引起尿道感染、菌血癥、嬰兒腦膜炎和其它的腸外感染的腸道桿菌，呼吸類型為兼性厭氧，呈革蘭氏陰性［3］.目前，國內(nèi)外對弗氏檸檬酸桿菌的研究主要集中在酶工程、食品衛(wèi)生學(xué)、預(yù)防醫(yī)學(xué)、重金屬吸附等方面［4-6］，而關(guān)于再生水中弗氏檸檬酸桿菌對金屬材料的腐蝕機(jī)理研究鮮有報道.

弗氏檸檬酸桿菌寄生附著在合金表面并形成微生物膜是引起微生物腐蝕和生物污損的前提.不同合金表面微生物膜結(jié)構(gòu)特性和生物膜中胞外聚合物(Extracellular polymeric substances，EPS)組分與合金腐蝕的產(chǎn)生和發(fā)展有很大關(guān)系.Fang等［7］應(yīng)用原子力顯微鏡對細(xì)胞、細(xì)胞之間、細(xì)胞周圍基質(zhì)表面粘附力進(jìn)行了測試，認(rèn)為粘附力大小與EPS組分有關(guān).

本文利用SEM、EDS探討再生水環(huán)境中，HSn70-1A和BFe30-1-1兩種銅合金表面弗氏檸檬酸桿菌生物膜結(jié)構(gòu)特征，采用紫外分光光度法測試不同銅合金表面生物膜中EPS主要組分，試圖解析EPS組分與微生物膜結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系.研究結(jié)果對于進(jìn)一步深入了解微生物膜形成及其胞外聚合物對合金腐蝕作用機(jī)理具有重要意義.

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗菌種來源于使用再生水作為循環(huán)冷卻水系統(tǒng)補(bǔ)充水的華北某電廠冷卻塔底的粘泥，經(jīng)分離、純化后使用.弗氏檸檬酸桿菌的培養(yǎng)采用調(diào)整過的 Postgate C培養(yǎng)基［8］，其組成為:1 g·L－1NH4Cl，2 g·L－1MgSO4·7H2O，1 g·L－1Na2SO4，0.5 g·L－1K2HPO4，0.1 g·L－1CaCl2，乳酸鈉酵母膏1 g·L－1，Vc 0.3 g·L－1，用去離子水溶解，用 HCl或 NaOH 調(diào)節(jié) pH 值于7.0—7.2，灌裝后在高壓蒸汽鍋121 ℃下滅菌 20 min，將半胱氨酸鹽酸鹽 0.5 g·L－1和抗壞血酸 0.1 g·L－1在紫外燈下滅菌 30 min.

實驗所用合金材料為冷卻水系統(tǒng)熱交換器常用的HSn70-1A和BFe30-1-1兩種銅合金.將材料加工成φ10 mm×10 mm圓形試樣片，用200#、360#、2000#水洗砂紙逐級打磨后，丙酮除去表面油，再用無水乙醇清潔表面后干燥，置于干燥器內(nèi)備用.使用前將其置于紫外燈下照射30 min滅菌.

實驗所用的水為華北某電廠使用的再生水原水經(jīng)過3倍濃縮之后形成的水，其水質(zhì)分析如表1.

表1 實驗所用水樣的水質(zhì)分析Table 1 Analysis of the water used in the experiment

1.2 實驗方法

將備好的試片浸泡于接種了弗氏檸檬酸桿菌的再生水中，密封后，置于37℃恒溫箱中培養(yǎng).于不同時間取出試片，用乙醇溶液進(jìn)行逐級脫水處理(50%、70%、80%、90%、95%各10 min，100%的乙醇中脫水30 min)，待其自然干燥24 h后，再置于JSM-6510A型掃描電鏡下(日本電子公司)進(jìn)行表面形貌分析和表面成分的能譜分析.

采用甲醛-NaOH法［9］提取 EPS.首先配制 pH=7的緩沖溶液:2 mmol Na3PO4，4 mmol NaH2PO4，9 mmol NaCl，1 mmol KCl.在不同時間取出浸泡于含弗氏檸檬酸桿菌的再生水中的銅合金試片，用經(jīng)紫外線消毒的刷子將試片表面的微生物膜刷入50 mL緩沖溶液中.在含微生物膜的緩沖溶液中加入0.3 mL 36.5%的甲醛，在4 ℃條件下攪拌1 h 后，加入50 mL 0.04 mol·L－1NaOH，以300 r·min－1的速度攪拌1 h;以 6000 g在 4℃條件下離心 10 min，用 0.22 μm微孔濾膜過濾，而后在 4℃透析(3500 Dalton)24 h提純，得到的溶液待測.

利用苯酚-硫酸比色法［10］測定胞外聚合物中的多糖含量，考馬斯亮藍(lán)(Coomassie Brilliant Blue)法［11］測定其蛋白質(zhì)含量.

2 結(jié)果與討論

2.1 合金表面生物膜結(jié)構(gòu)表征

微生物膜是環(huán)境中的微生物以非常復(fù)雜的相互作用方式附著在金屬表面而形成的，微生物膜與金屬界面形成了一個不同于本體溶液的特殊環(huán)境，其中發(fā)生著諸多物理的、化學(xué)的、及生物的復(fù)雜反應(yīng).當(dāng)金屬表面存在微生物膜時，金屬表面/微生物膜界面的pH值、溶解氧濃度、有機(jī)和無機(jī)物的種類及其濃度改變了腐蝕的機(jī)理和速率［12］.

從熱力學(xué)自發(fā)傾向性考慮，微生物在金屬表面的附著過程是一個高度自發(fā)的過程.圖1和圖2分別為HSn70-1A和BFe30-1-1試片浸泡于接種弗氏檸檬酸桿菌的再生水中，于不同時間取出在掃描電子顯微鏡下的表征結(jié)果.可以看出，浸泡初期，弗氏檸檬酸桿菌首先以單個細(xì)菌的形式附著于合金表面，隨后逐步形成小型菌落，進(jìn)一步形成較為疏松的生物膜，并且隨著其生命代謝活動不斷產(chǎn)生代謝產(chǎn)物和腐蝕產(chǎn)物，生物膜面積逐漸增大，直至將試片表面大部分區(qū)域覆蓋，而形成的生物膜分布并不均勻，厚度也不一.

圖1顯示未浸泡時，HSn70-1A試片比較光滑;1 d后，銅合金表面附著有少量的單個弗氏檸檬酸桿菌和大分子物質(zhì)、懸浮顆粒物質(zhì)，并且出現(xiàn)少數(shù)細(xì)菌聚成團(tuán)，形成一些小的菌落;隨著浸泡時間增加，菌落面積不斷擴(kuò)大，并伴隨胞外聚合物的產(chǎn)生，3 d時細(xì)菌處于對數(shù)期，新陳代謝十分旺盛，HSn70-1A試片表面微生物群落像蘑菇般擴(kuò)展形成空間結(jié)構(gòu)異相的微生物膜，但此時生物膜的完整性和致密性不高;7 d后微生物膜層較厚，致密性較好，同時微生物膜新陳代謝過程中產(chǎn)生了大量的代謝產(chǎn)物，此時合金表面已經(jīng)形成了由一個細(xì)菌代謝產(chǎn)物與金屬腐蝕產(chǎn)物雜合而成的復(fù)雜膜層，14 d時這層復(fù)雜膜更為嚴(yán)實，阻擋了溶液中 Cl－、SO2－4等侵蝕性因子與合金基體間的接觸，從而一定程度上減緩了合金的腐蝕;21 d時膜的完整性仍然較好，并未出現(xiàn)明顯的膜層脫落現(xiàn)象.

圖1 浸泡于再生水中不同時間的HSn70-1A表面生物膜SEM表征(×2500)(a、b、c、d、e、f分別表示合金的浸泡時間為 0 d、1 d、3 d、7 d、14 d、21 d)Fig.1 SEM photographs of biofilms on the surface of HSn70-1A immersed for different time period in reclaimed water with Citrobacter freundii(a，b，c，d，e，f denote respectively the immersion time 0 d，1 d，3 d，7 d，14 d，21 d)

圖2反映了接種弗氏檸檬酸桿菌的再生水中BFe30-1-1試片表面生物膜的結(jié)構(gòu)特征.浸泡1 d，BFe30-1-1試片表面附著的細(xì)菌及顆粒物比同期的HSn70-1A表面少.3 d時BFe30-1-1表面的膜層已較厚，但細(xì)菌在其表面所形成的生物膜覆蓋層厚度分布及其結(jié)構(gòu)不均勻，腐蝕產(chǎn)物的局部堆積現(xiàn)象較為明顯，這很可能導(dǎo)致形成富氧區(qū)和貧氧區(qū)，形成氧濃差電池，易造成孔隙和縫隙腐蝕［13］.另外微生物的新陳代謝產(chǎn)物和腐蝕產(chǎn)物向外擴(kuò)散也同樣被阻止，進(jìn)一步形成局部濃度差異池.浸泡7 d時BFe30-1-1表面生物膜層局部出現(xiàn)裂痕，甚至裸露出基體表面，14 d、21 d時膜層出現(xiàn)了嚴(yán)重的板結(jié)現(xiàn)象，發(fā)生裂痕的面積逐步擴(kuò)大，此時膜層的完整性和致密性比較差，不僅使生物膜喪失了一定的保護(hù)作用，且使得局部腐蝕比較嚴(yán)重.

圖2 浸泡于再生水中不同時間的BFe30-1-1表面生物膜SEM表征(×2500)(a、b、c、d、e、f分別表示合金的浸泡時間為 0 d、1 d、3 d、7 d、14 d、21 d)Fig.2 SEM photographs of biofilms on the surface of BFe30-1-1 immersed for different time period in reclaimed water with Citrobacter freundii(a，b，c，d，e，f denote respectively the immersion time 0 d，1 d，3 d，7 d，14 d，21 d)

圖1和圖2對比發(fā)現(xiàn)，兩種銅合金表面微生物膜的形成過程及其結(jié)構(gòu)特征表現(xiàn)出顯著的差異性.3 d—7 d時，HSn70-1A表面的生物膜層的完整性、致密性明顯好于BFe30-1-1，生物膜的保護(hù)作用稍強(qiáng).14 d以后，HSn70-1A表面微生物膜依然較為完整，合金表面幾乎被膜層完全覆蓋，未出現(xiàn)明顯的膜層脫落現(xiàn)象，而BFe30-1-1表面則發(fā)生了明顯的膜層裂痕，甚至出現(xiàn)大面積的板結(jié)現(xiàn)象，基體裸露現(xiàn)象較為嚴(yán)重，這不僅增加了BFe30-1-1基體與溶液中侵蝕性離子接觸的面積和幾率，且由于膜的均勻性較差，局部出現(xiàn)濃度極差，加劇了BFe30-1-1的腐蝕.

再生水環(huán)境下，弗氏檸檬酸桿菌在HSn70-1A和BFe30-1-1兩種合金表面微生物膜形成的差異性主要原因可能與兩種合金所含主要的金屬元素有關(guān).一方面，微生物膜在一個潔凈的表面吸附需要一個誘導(dǎo)期，在誘導(dǎo)期內(nèi)水體中溶解態(tài)的有機(jī)物和無機(jī)物被吸附到材料表面，可能因為BFe30-1-1合金添加了Mn、Ni等元素，影響了誘導(dǎo)期內(nèi)溶解態(tài)有機(jī)物和無機(jī)物與合金表面的吸附、附著過程.另一方面，微生物膜形成及細(xì)菌代謝過程中產(chǎn)生了大量的有機(jī)產(chǎn)物，其中多糖、蛋白質(zhì)、氨基酸、脂類物質(zhì)可能與Mn、Ni等離子發(fā)生了絡(luò)合作用，影響了生物膜結(jié)構(gòu)、膜內(nèi)傳質(zhì)過程等.更深層次的作用機(jī)理有待進(jìn)一步探索.

2.2 合金表面生物膜能譜分析

圖3為兩種銅合金試片浸泡7 d后生物膜能譜分析圖.在能譜圖上可以看到，HSn70-1A合金表面沉積物中顯示出較高的Cu、Zn元素的峰，BFe30-1-1表面表現(xiàn)出較高的Cu元素峰.兩種合金表面的能譜圖中均表現(xiàn)出明顯的S元素峰，而兩種試片中原本均不存在S元素，由于弗氏檸檬酸桿菌具有硫酸鹽還原功能，與傳統(tǒng)的SRB類似，可能銅合金表面腐蝕產(chǎn)物中主要為銅的硫化物.同時，能譜圖中C、O、P等無機(jī)元素比較明顯，反映出生物膜層中產(chǎn)生了大量的有機(jī)物質(zhì).

圖3 浸泡7 d時兩種合金表面生物膜能譜分析Fig.3 Energy spectrum analysis of the biofilms on the surface of the two alloys immersed for 7 days

表2列出了浸泡于接種弗氏檸檬酸桿菌的再生水環(huán)境中不同時間(0 d、3 d、7 d、14 d)銅合金表面生物膜中元素分析結(jié)果.總體上看，隨著浸泡時間增加，生物膜中合金基體主要金屬元素(Cu、Zn、Ni)含量(mass%)均有不同程度的下降，O、S、P等元素含量顯著上升，反映出生物膜主要成分為O、S、P等元素構(gòu)成的化合物，其組成十分復(fù)雜，更準(zhǔn)確的說是由溶液中的懸浮顆粒、細(xì)菌及其新陳代謝過程產(chǎn)生的各種有機(jī)和無機(jī)代謝產(chǎn)物組成的混合體.對比發(fā)現(xiàn)，BFe30-1-1表面生物膜中C、O元素含量百分比明顯高于同期的HSn70-1A，可能的原因是BFe30-1-1合金表面微生物代謝活動較強(qiáng).

另外，2種合金表面生物膜中都出現(xiàn)了Ca、Mg、P等元素，這極有可能是由于水中硬度較高，膜內(nèi)出現(xiàn)了結(jié)垢現(xiàn)象，進(jìn)而可能使合金局部產(chǎn)生垢下腐蝕.由此看來，再生水回用于冷卻水系統(tǒng)時不僅會帶來微生物腐蝕，且由于水中鹽類成分較高，易形成污垢和結(jié)垢，進(jìn)一步加劇金屬材料的腐蝕.

2.3 生物膜中EPS組分分析

前文對弗氏檸檬酸桿菌在銅合金表面形成微生物膜的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行了研究，而結(jié)構(gòu)特性與微生物膜的組分密切相關(guān).微生物膜由細(xì)胞生物量和EPS組成，其中細(xì)胞生物量僅是生物膜中有機(jī)物質(zhì)的微小部分，而70%—90%的總有機(jī)碳存在于細(xì)胞外［14］.EPS主要來源于細(xì)菌的分泌、細(xì)菌表面物質(zhì)的脫落、細(xì)菌溶解以及對周圍環(huán)境物質(zhì)的吸附，具有復(fù)雜的化學(xué)成分，其中多糖和蛋白質(zhì)是其最重要的組成成分.采用甲醛-NaOH法提取不同時刻HSn70-1A和BFe30-1-1兩種銅合金表面生物膜中EPS，并利用考馬斯亮藍(lán)法分析EPS中蛋白質(zhì)含量，用苯酚-硫酸法分析多糖含量.其分析結(jié)果如圖4所示.

表2 不同時期HSn70-1A和BFe30-1-1生物膜EDS分析結(jié)果(mass%)Table 2 EDS analysis results of biofilms from HSn70-1A and BFe30-1-1 at different times(mass%)

圖4a為生物膜中EPS蛋白質(zhì)含量.可以看出，兩種合金表面生物膜中EPS組分的蛋白質(zhì)含量在弗氏檸檬酸桿菌生長周期內(nèi)出現(xiàn)較大波動.在3 d時HSn70-1A蛋白質(zhì)含量最大，為178.75 μg·cm－2，隨后急劇下降，7 d和14 d有小幅上升，而后又逐漸下降，28 d時含量已經(jīng)下降到5.25 μg·cm－2.BFe30-1-1試片生物膜中蛋白質(zhì)含量比同期的HSn70-1A普遍要高，5 d時含量達(dá)到最大值，為270.5 μg·cm－2，14 d左右出現(xiàn)第二個小波峰，蛋白質(zhì)含量為 144.75 μg·cm－2，隨后逐漸下降，28 d 時含量為 14.5 μg·cm－2.

圖4 銅合金表面生物膜中EPS組分分析(a為蛋白質(zhì)含量，b為多糖含量，c為多糖與蛋白質(zhì)含量比值)Fig.4 Analysis of EPS contents in the biofilms on the surface of copper alloy(a for the protein content，b for the polysaccharide content，c for the ratio of polysaccharide to protein content)

圖4b為不同時刻兩種銅合金表面生物膜中EPS多糖含量.HSn70-1A和BFe30-1-1變化趨勢基本一致，含量先逐漸增加，至14 d時出現(xiàn)最大值，含量為1130—1155 μg·cm－2，隨后隨時間推移多糖含量急劇下降.前期含量增加主要是因為細(xì)胞進(jìn)入對數(shù)期后細(xì)胞新陳代謝十分旺盛，代謝產(chǎn)物積累較多，穩(wěn)定期時開始出現(xiàn)細(xì)胞分解，胞內(nèi)物質(zhì)溶出使得EPS中碳水化合物含量急劇上升.而當(dāng)細(xì)菌進(jìn)入衰亡期后，細(xì)胞進(jìn)入內(nèi)源呼吸期，胞外聚合物中的碳水化合物成為此時細(xì)菌的主要營養(yǎng)源，從而導(dǎo)致多糖含量下降較快.兩者區(qū)別在于BFe30-1-1在生物膜形成初期(5 d前)含量稍高于HSn70-1A，但后期(21 d后)則恰好相反.另外，多糖含量絕對值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于同期的蛋白質(zhì)含量.

EPS中蛋白質(zhì)和多糖的絕對含量大小一定程度上反映了生物膜層的厚度或細(xì)胞生物量大小等特性，而多糖與蛋白質(zhì)含量的比值則與金屬機(jī)體腐蝕程度可能存在著某種對應(yīng)的關(guān)系.不同基質(zhì)條件對于生物膜EPS組成及含量有較大影響［15］.EPS的顯著特性——疏水性受疏水基和水的極性影響，多糖和蛋白質(zhì)含量比例對EPS的親疏水性能有顯著影響.Wrangstadh等［16］發(fā)現(xiàn)，在批式研究中，饑餓狀態(tài)的細(xì)胞由于疏水EPS碳水化合物的釋放而疏水性較低，10 h后當(dāng)EPS碳水化合物被內(nèi)源呼吸消耗后，疏水性上升.Jorand等［17］研究表明，EPS蛋白質(zhì)促成了生物體的疏水性能，而碳水化合物則促成生物體的親水性，即EPS的組成和含量會影響生物絮體的疏水性.Rosenberg等［18］發(fā)現(xiàn)疏水性能促進(jìn)微生物粘附于石油表面，進(jìn)行生長發(fā)酵，實驗結(jié)果說明疏水性能增進(jìn)微生物細(xì)胞表面的粘附性.

圖4c中為不同時刻銅合金生物膜EPS中多糖與蛋白質(zhì)含量的比值，可以看出，隨著時間推移，HSn70-1A和BFe30-1-1兩者EPS中多糖與蛋白質(zhì)比值呈現(xiàn)震蕩變化，但整體呈上升趨勢，說明EPS的疏水性能下降較為顯著，反映出微生物膜細(xì)胞表面粘附性降低.

從圖4c中可以看出，BFe30-1-1的比值在3—5 d維持在2.1—2.3之間，而HSn70-1A的比值由3 d的1.45 急劇上升到 5 d 的 8.28.到第 7 天時，HSn70-1A的比值為 8.28，BFe30-1-1 為 11.4.7 d 后HSn70-1A的比值都高于BFe30-1-1.數(shù)據(jù)反映出3 d和7 d時刻HSn70-1A表面生物膜中EPS的疏水性能較好.生物膜中EPS疏水性能在3 d和7 d時表現(xiàn)比較特殊，很可能由于兩個時刻銅合金表面EPS疏水性能的大小影響合金表面成膜整體過程，最終影響微生物結(jié)構(gòu)的完整性及致密性等特性.

從前文的SEM表征結(jié)果可以看出，1—3 d銅合金表面生物膜結(jié)構(gòu)變化十分顯著，很可能是微生物膜形成的關(guān)鍵期，BFe30-1-1表面生物膜的完整性、均勻性均差于同期的HSn70-1A.主要原因可能是在成膜關(guān)鍵期(3 d時)HSn70-1A的疏水性能好于BFe30-1-1，微生物細(xì)胞的粘附性更強(qiáng)，有助于細(xì)胞及其周圍的胞外聚合物吸附更多物質(zhì).微生物粘附于金屬表面形成的多孔膠狀細(xì)胞外周質(zhì)高分子物質(zhì)影響金屬/微生物膜界面附近液體的流動，使金屬/微生物膜/液體界面溶解氧分布及電解質(zhì)擴(kuò)散復(fù)雜化，同時構(gòu)成EPS的高分子對微生物膜的結(jié)構(gòu)完整性起主要作用.在3—5 d內(nèi)HSn70-1A表面生物膜較強(qiáng)的疏水性能，由于EPS捕獲界面的金屬離子和腐蝕產(chǎn)物，使膜結(jié)構(gòu)的完整性進(jìn)一步增強(qiáng);同時EPS中凝膠狀分子易降低金屬/微生物膜界面間溶解氧、電解質(zhì)及腐蝕產(chǎn)物擴(kuò)散速度［19］，使膜內(nèi)物質(zhì)傳質(zhì)過程一定程度上受阻，使微生物膜起到了屏障作用，阻擋了膜外溶液中侵蝕性因子介入金屬/微生物膜界面內(nèi)，進(jìn)而有助于減緩對金屬基體的腐蝕.因而分析得出，第3天是弗氏檸檬酸桿菌在銅合金表面形成微生物膜的關(guān)鍵期，膜的初期構(gòu)造已經(jīng)形成，這個時段EPS的疏水性能對生物膜的結(jié)構(gòu)起著“根基”作用，一定程度上決定著后續(xù)膜的形成和發(fā)展.

另一個關(guān)鍵點出現(xiàn)在第7天，在此時刻主要是微生物膜的修繕階段.完整而致密的生物膜對于金屬基體的腐蝕程度具有十分重要的作用.生物膜的致密程度直接反應(yīng)了膜層“屏障”功能的好壞.7 d后生物膜內(nèi)的細(xì)菌開始處于內(nèi)源呼吸時期，HSn70-1A表面EPS在此階段表現(xiàn)出較強(qiáng)的疏水性能，有助于EPS吸附水環(huán)境中較多的細(xì)菌及其它介質(zhì)來補(bǔ)充局部受損的生物膜部分，以增加膜的面積和膜層厚度，使膜的完整性和致密性進(jìn)一步增強(qiáng)，這使得合金基體幾乎被生物膜層所覆蓋.相反，此刻BFe30-1-1表面生物膜的修繕功能較弱，局部疏松、殘缺的膜層得不到完善，使合金表現(xiàn)出較差的耐腐蝕性能.

盡管14 d后，BFe30-1-1的疏水性能要好于HSn70-1A，甚至在28 d時，其EPS中多糖與蛋白質(zhì)比值約是HSn70-1A的1/3.但由于成膜關(guān)鍵期微生物膜的“根基”不牢固，修繕階段的功能不突出，使得后期微生物膜結(jié)構(gòu)完整性表現(xiàn)較差，導(dǎo)致了BFe30-1-1耐腐蝕性差于HSn70-1A.

通過以上EPS組分分析實驗及前文生物膜的微觀結(jié)構(gòu)表征結(jié)果，可以推斷出EPS疏水性能在微生物膜形成過程的兩個關(guān)鍵期對于微生物膜結(jié)構(gòu)完整性具有十分重要的影響.在浸泡初期(第3天)，HSn70-1A具有較好的疏水性能有利于微生物膜“根基”結(jié)構(gòu)的形成，對膜結(jié)構(gòu)的后續(xù)發(fā)展影響較大;在浸泡中期(第7天)，較好的疏水性能有助于EPS捕獲溶液中合金腐蝕產(chǎn)物、細(xì)菌及其代謝產(chǎn)物，修復(fù)局部殘缺、受損的膜層，使生物膜的完整性、致密性、均勻度進(jìn)一步增強(qiáng).而BFe30-1-1在這兩個關(guān)鍵期的EPS疏水性能較差，影響了微生物膜結(jié)構(gòu)的完整性，導(dǎo)致其耐微生物腐蝕性能較差.

弗氏檸檬酸桿菌在金屬表面附著、吸附成膜是一個復(fù)雜的過程，影響因素眾多，如再生水水質(zhì)、環(huán)境條件、金屬材料性質(zhì)、胞外聚合物等.本文的研究從微生物膜結(jié)構(gòu)及其EPS中蛋白質(zhì)和多糖組分含量方面入手，對比分析HSn70-1A和BFe30-1-1兩種銅合金生物膜結(jié)構(gòu)特性、EPS組分對合金腐蝕的影響.然而，就生物膜中EPS而言，組分十分復(fù)雜，EPS中的多糖、蛋白質(zhì)、脂類、核酸及其它物質(zhì)所含的主要官能團(tuán)與金屬表面溶解出的金屬離子間絡(luò)合作用機(jī)理，金屬/生物膜界面?zhèn)髻|(zhì)過程及其對金屬的腐蝕影響目前仍不清楚，有待后續(xù)進(jìn)一步深入研究.

3 結(jié)論

(1)SEM表征結(jié)果表明，弗氏檸檬酸桿菌在HSn70-1A合金表面形成微生物膜結(jié)構(gòu)的完整性、致密性好于BFe30-1-1，成膜的差異性可能與合金中某種或某幾種金屬元素有關(guān).

(2)能譜分析反映出隨著浸泡時間增加，合金表面生物膜中C、O、P等無機(jī)元素含量增大，Cu、Zn、Ni等合金基體金屬元素含量下降比較顯著，且Ca、Mg元素含量稍有增加，說明再生水回用不僅帶來微生物腐蝕問題，而且易出現(xiàn)結(jié)垢，可能導(dǎo)致垢下腐蝕.

(3)對不同時刻銅合金生物膜EPS組分進(jìn)行分析，EPS中多糖與蛋白質(zhì)含量比值揭示出，EPS疏水性能在微生物膜形成過程的兩個關(guān)鍵期對于微生物膜結(jié)構(gòu)完整性產(chǎn)生重要影響.在浸泡初期(第3天)，HSn70-1A具有較好的疏水性能有利于微生物膜“根基”結(jié)構(gòu)的形成，對膜結(jié)構(gòu)的后續(xù)發(fā)展影響較大;在浸泡中期(第7天)，較好的疏水性能有助于EPS捕獲溶液中合金腐蝕產(chǎn)物、細(xì)菌及其代謝產(chǎn)物，修復(fù)局部殘缺、受損的膜層，使生物膜的完整性、致密性、均勻度進(jìn)一步增強(qiáng).而BFe30-1-1在這兩個關(guān)鍵期的EPS疏水性能較差，影響了微生物膜結(jié)構(gòu)的完整性，導(dǎo)致其耐微生物腐蝕性能較差.

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STUDY ON THE CHARACTERISTIC OF CITROBACTER FREUNDII BIOFILM IN RECLAIMED WATER

ZHANG Jing LI Jin WANG Kaiqiang MENG Xiaoran
(Department of Municipal and Environmental Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing，100044，China)

A strain of Citrobacter freundii with sulfate-reducing function was isolated from the sludge at the bottom of cooling tower in a power plant using reclaimed water.Scanning electron microscopy(SEM)and energy dispersive spectrometry(EDS)were employed to investigate the characteristics of the biofilm formed on the surface of HSn70-1A and BFe30-1-1 in reclaimed water.The results show that the characteristics of biofilmforming for HSn70-1A was better than BFe30-1-1.In biofilm the contents of C，O and other inorganic elements were relatively high，while the contents of matrix elements significantly decreased.The components of extracellular polymer substances(EPS)in the bio-film formed on the surface of copper alloy at the different time were analyzed.Differences in the ratio of polysaccharide to protein revealed that the 3rdday and 7thday were two critical periods for the formation of biofilm.During these two periods，EPS from HSn70-1A showed better hydrophobic properties than EPS from BFe30-1-1，which made HSn70-1A more resistant to microorganism corrosion.

Citrobacter freundii， microbiologically induced corrosion， biofilm characteristics，extracellular polymer substance(EPS)，sulfate-reducing bacteria(SRB).

2010年12月20日收稿.

*河北大唐國際張家口熱電有限責(zé)任公司基金(CX10001)資助.

＊＊通訊聯(lián)系人，Tel:010-51684391;E-mail:jinli@bjtu.edu.cn