海洋链霉菌（Streptomyces maritimus DT）产生的生物活性代谢物可作为生物抑制剂，用于抑制冷却水系统中由微生物引起的腐蚀现象

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Crude Bioactive Metabolites of Streptomyces maritimus DT as Biogenic Corrosion Inhibitor for Microbiologically Influenced Corrosion in Cooling Water Systems

微生物腐蚀抑制研究中，利用海洋链霉菌Streptomyces maritimus DT的粗提物（CAE）作为生物抑制剂，通过21天浸泡实验结合电化学分析（AC-阻抗和极化曲线）及SEM表面形貌观察，证实300 ppm CAE可使混合腐蚀菌群的腐蚀率降至0.248 mm/y，抑制效率达89%。GC-MS分析表明其含两亲性生物活性成分，通过破坏细菌细胞膜渗透性发挥作用。

　　

Durairaj Thirumurugan | Mayura Prabaharan | Ramasamy Vijayakumar | Arumugam Arul Prakash | Joseph Selvin | Rajaram Rajamohan | Punniyakotti Parthipan

印度泰米尔纳德邦Chengalpattu市Kattankulathur的SRM科学技术学院，科学与人文学院生物技术系，邮编603 203

摘要

微生物引起的腐蚀（MIC）是各种工业领域中常见的问题。现有的合成抑制剂虽然被用于缓解这一问题，但它们对环境具有多种毒性作用，并且对多种细菌群落无效。在本研究中，使用由Streptomyces maritimus DT提取的粗放线菌提取物（CAE）抑制剂，在不同浓度（100-300 ppm）下进行了失重实验。浸泡21天后，进行了包括交流阻抗和电位动力学极化在内的电化学研究。取出的试样经过表面清洁后，使用扫描电子显微镜（SEM）进行了表面分析。通过气相色谱和质谱（GC-MS）鉴定了从Streptomyces maritimus DT中提取的粗提物。在混合生物系统中观察到较高的失重（70 ± 5 mg）和腐蚀速率（0.248 ± 0.018 mm/y）。当使用300 ppm的CAE抑制剂时，腐蚀抑制效率达到了约89%。在同一系统中，电荷转移电阻增加到15242 Ω·cm2，腐蚀电流密度降低到27.951 μA·cm?2，这证实了腐蚀反应受到了显著抑制。SEM分析表明，混合细菌群落引起了严重的点蚀型腐蚀，而CAE抑制剂则防止了这种腐蚀，使表面变得光滑。GC-MS分析证实，从Streptomyces maritimus DT中提取的两亲性生物活性化合物混合物在相互作用中发挥了关键作用，增加了细胞膜的通透性并破坏了腐蚀性细菌。

引言

冷却水塔系统是各种工业和发电厂中不可或缺的重要组成部分，用于散热。冷却水塔通常由金属制成，但由于锈蚀和腐蚀，其使用寿命非常短。在所有类型的腐蚀中，约有20%是由微生物加速的[1]、[2]、[3]。这给各个工业领域带来了巨大的经济损失[4]。全球腐蚀管理成本估计占全球国内生产总值的3-5%，相当于每年2.5万亿美元[5]、[6]。微生物在金属表面形成生物膜，加速了腐蚀反应，这种现象称为生物腐蚀或微生物引起的腐蚀（MIC）[7]。开放式冷却水塔系统为微生物的生长提供了有利环境。在各种类型的腐蚀中，由于MIC引起的点蚀非常普遍，它会在金属上产生小孔[1]。金属表面的生物膜沉积会导致结垢，从而改变整个系统的温度分布，进而影响系统的性能[8]。此外，这种条件还促进了耐热微生物的存活[9]、[10]。此外，这种系统还促进了气溶胶的长距离传播，导致严重的健康问题。最近的一项科学研究报告称，通过使用不同类型的抑制剂，腐蚀造成的经济损失可以减少35%[6]、[11]。已经使用了多种合成无机抑制剂（如铬酸盐和硝酸盐）和合成有机抑制剂（如戊二醛和咪唑啉衍生物）来防止冷却水系统中的MIC[12]、[13]。然而，大多数这些合成抑制剂对多种微生物群落无效，可能具有部分生物降解性，或者对环境和人类有毒。鉴于这一需求，研究人员正致力于筛选新型环保型腐蚀抑制剂，同时不降低其腐蚀抑制效率。许多研究报道了来自植物材料[14]、[15]、涂层[16]、天然聚合物[13]、海藻[17]以及微生物代谢物[18]、[19]、[20]的绿色抑制剂的进展。

放线菌是产生最强生物活性化合物的微生物资源[21]、[22]。特别是海洋Streptomyces产生的生物活性次级代谢物具有多种结构和功能复杂性[23]。值得注意的是，从Streptomyces lunalinharesii中筛选出的第一种替代化学杀菌剂的物质能够抑制生物膜和形成硫酸盐还原菌的活性[24]。此外，最近兴起的基于微生物组抑制微生物诱导腐蚀（MIMIC）的新方法需要进一步研究，以便将其推广到更广泛的工业应用中[25]。海洋Streptomyces具有高度适应性，能够适应多种环境，并具有独特的代谢机制，产生多种具有强抗菌特性的次级代谢物。这些特性使它们成为MIMIC领域的潜在候选者。此外，这还有助于降低海洋工程结构的材料和维护成本，最终减少微生物腐蚀造成的环境污染。这可以通过使用先进的筛选技术和对Streptomyces代谢物产生的全面分析来实现。尽管放线菌代谢物具有令人瞩目的生物活性，但在腐蚀管理方面受到的关注仍然有限，只有少数研究探索了它们的潜力[23]、[26]。鉴于继续研究腐蚀抑制剂的重要性和紧迫性，本研究重点是从冷却水塔收集的生物膜样本中分离和筛选潜在的放线菌，以评估它们对引起腐蚀的细菌菌株的抑制效果。采用了标准的腐蚀测试方法，如失重研究、电化学分析和表面表征方法，来评估使用放线菌代谢物抑制剂背后的机制。

化学品和其他材料

常见的培养基，如琼脂、营养琼脂、淀粉酪蛋白琼脂、淀粉酪蛋白粉、酵母提取物、氢氧化钠、环己亚胺和萘啶酸均从印度Hi-Media公司购买。乙醇、乙酸乙酯、盐酸和丙酮从Merck India公司购买。 mild steel (MS1010) 的元素组成为（重量%）：Fe 99.64、C 0.03、Mn 0.1、Cu 0.093、P 0.01、Ni 0.04、Si 0.002、Mo 0.002 和 S 0.026，由当地钢铁公司提供[27]。

引起腐蚀的细菌菌株和放线菌的分离与鉴定

引起腐蚀的细菌群落是从循环冷却水系统收集的生物膜中富集得到的。在采样点观察到严重的锈蚀现象，表明该地点适合分离引起腐蚀的细菌菌株。使用含有1%牛肉提取物的冷却水作为最低营养源来富集本地菌株。

结论

在本研究中，选择Streptomyces maritimus DT (ISP2-7)菌株作为对抗冷却水系统腐蚀菌株的有效菌株。失重数据表明，添加的放线菌代谢物减少了混合细菌群落的生长，并在添加了CAE抑制剂的系统中降低了腐蚀速率，抑制效率达到了89%。这一结论得到了强烈证实。

CRediT作者贡献声明

Durairaj Thirumurugan：撰写——初稿、方法论、研究、数据分析、概念化。 Mayura Prabaharan：方法论、研究、数据分析。 Ramasamy Vijayakumar：撰写——审稿与编辑、数据分析。 Arumugam Arul Prakash：撰写——审稿与编辑、方法论、数据分析。 Joseph Selvin：撰写——审稿与编辑、方法论、数据分析。 Rajaram Rajamohan：撰写——审稿与编辑、数据分析。 Punniyakotti Parthipan：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

我们感谢Nanotechnology Research Centre (NRC) 和 SRM Central Instrumentation Facility (SCIF) 提供的仪器设备。同时感谢SRMIST工程与技术学院物理与纳米技术系的材料表征设施。