通过胞外聚合物组成和代谢组学分析，研究循环冷却水系统中控释硼酸盐缓解微生物污染的机制

《Journal of Environmental Management》：Mechanisms of microbial fouling alleviation by controlled-release borates in a recirculating cooling-water system via extracellular polymeric substances composition and metabolomics analysis

微生物群落调控与胞外聚合物破坏机制研究：控制释放硼酸盐抑制循环冷却水系统生物膜的形成及腐蚀作用

　　

徐海青|裴远生

北京师范大学环境学院，国家水环境模拟重点实验室，北京，100875，中国

摘要

循环冷却水系统（RCSs）中的生物膜积累显著促进了微生物腐蚀和传热性能的下降。然而，传统的含氯杀菌剂需要频繁补充才能保持效果，而且氯离子会加剧管道腐蚀。本研究采用控释硼酸盐（CRBs）来确保持续释放硼元素并充分接触生物膜。在最初的10天内，CRBs的释放速率为39.2毫克/（升·天），遵循零级释放动力学。当剂量超过0.4克硼/升时，CRBs能够减少总异养细菌数量（低于1.0×10^5 CFU/mL）并减轻腐蚀（低于0.075毫米/年）。通过测定胞外聚合物物质（EPS），发现硼酸盐使生物膜中的总EPS含量降低了45.2%-75.2%，尤其是蛋白质和多糖，从而使得生物膜结构变得松散。芳香族蛋白质对硼酸盐比类腐殖酸物质更敏感，2D-傅里叶变换红外光谱证实了酰胺I中的C=O键优先被破坏。微生物群落分析表明，硼酸盐减少了产生EPS的细菌（如黄杆菌）、耐抗生素细菌（如鲍曼不动杆菌）以及与腐蚀相关的细菌（如脱硫弧菌）的数量。同时，硼酸盐通过调节内源性群体感应信号的分泌来干扰EPS的合成。流式细胞术证实，生物膜的抑制作用源于硼酸盐对微生物生理活动的持续调控，而非急性毒性。关键抗氧化酶的失活使细胞膜更容易受到活性氧的损伤。代谢组学分析显示抗氧化和腐蚀相关代谢物的水平降低。CRBs作为一种可行的生物膜控制策略，在RCSs中显示出持久的效果，且不会导致水体富营养化。

引言

循环冷却水系统（RCSs）被广泛应用于各个行业，用于散发设备运行过程中产生的多余热量。特别是开放式系统，由于物质和能量的频繁交换，为微生物生长提供了理想的环境。在初始阶段，先锋细菌通过静电吸引和物理力附着在管道壁上。这些微生物通过分泌主要由多糖和蛋白质组成的胞外聚合物物质（EPS）在表面定殖并形成生物膜（Li等人，2025年）。这些生物膜会捕获有机和无机杂质，形成复杂的生物粘液（Wang等人，2024a年）。生物膜在金属表面的生长产生的代谢副产物可能加速微生物引起的腐蚀（MIC）（Srivastava等人，2025年）。有害细菌（如军团菌）的繁殖增加了对人类健康和环境的潜在威胁（Tanji等人，2007年）。此外，生物膜还会增加热交换器的传热阻力和流体摩擦，降低系统效率。

因此，有效抑制冷却水管道中的生物膜增殖是降低腐蚀风险、确保水质安全和稳定的关键措施。这是RCSs管理和维护的重点。为此，已经研究了多种类型的杀菌剂来灭活或抑制管道生物膜中的微生物。在RCSs中最广泛使用的含氯氧化杀菌剂（如氯气和次氯酸）对浮游细菌表现出优异的杀菌效果，但对生物膜的渗透效率较低（Clayton等人，2021年）。能够存活并在残留氯中再生的细菌传播抗生素抗性基因引起了重大担忧（Luo等人，2021年）。此外，一些非氧化杀菌剂（如异噻唑啉酮和季铵盐（QASs）在RCSs中也表现出对浮游微生物的高杀菌活性，但需要较长的接触时间或高剂量才能对生物膜中的微生物产生理想的效果。尽管亚致死浓度的甲基异噻唑啉酮抑制了蜡样芽孢杆菌的生长，但它促进了生物膜的增殖（Xu等人，2026年）。高剂量脉冲投加是缓解生物膜污染的必要手段。QASs进入废水处理系统后，改变了微生物群落的组成，并同时增加了抗性基因的水平（Wang等人，2025年）。此外，QASs抑制生物膜增殖的剂量与其化学结构有关（Trueba等人，2013年）。与异噻唑啉酮类似，维持持久的抗菌活性需要持续补充QASs。持续添加杀菌剂不仅增加了劳动和监测成本，还需要与防腐蚀和防结垢剂协同使用以保持系统稳定性，进一步推高了化学成本。此外，这些化学物质之间可能存在拮抗作用。因此，如何实现化学物质浓度的长期稳定控制并协同发挥防腐作用，从而进一步降低管道生物膜的整体控制成本，是一个亟待解决的关键问题。

硼酸混合物在医疗行业中常被用作杀菌剂。虽然硼酸盐不能像氧化杀菌剂那样迅速发挥杀菌效果，但它们在28天内逐渐增强杀菌效果（Jiang等人，2011年；Xiao等人，2016年）。一项为期30天的实验证实，硼酸盐在碳钢表面形成了主要由Fe-O-B结构组成的钝化膜，有效减缓了腐蚀（Cui等人，2018年）。这种持续的效果与RCSs的长期运行要求相匹配。它在环境排放时不会导致富营养化风险。此外，具有控释特性的杀菌剂有望提高利用率并减少投加频率（Lee等人，2018年）。这还降低了管理复杂性和累积剂量。先前的研究证实，控释硼酸盐（CRBs）对浮游细菌和藻类表现出良好的杀菌效果，并对碳钢具有防腐作用（Xu等人，2025年）。它可以替代多种试剂的单独投加，从而简化投加系统，避免拮抗作用，并在系统集成层面降低成本和操作优势。此外，微生物絮体的颗粒尺寸减小以及颜色变为黄色表明CRBs可能具有破坏生物膜结构的能力。然而，关于CRBs对生物膜结构影响的直接证据仍然不足。CRBs与EPS之间的相互作用机制及其对整体生物膜结构的破坏作用尚不清楚。了解冷却水管道表面的生物膜形成机制是揭示MIC的关键。此外，评估CRBs的生物膜破坏能力和机制对于提供生物膜下的防腐技术指导至关重要。

本研究假设CRBs调节RCSs中生物膜EPS的物理化学性质和微生物生理特性（如群落多样性和代谢功能），从而影响生物膜的结构稳定性。为了更好地监测微生物腐蚀趋势，首先可以使用高通量DNA测序技术识别构成腐蚀群的微生物种类。随后，可以利用代谢组学研究生物膜的功能代谢机制。由于这些代谢物可能是腐蚀过程的关键驱动因素，分析代谢谱对于揭示微生物群落与腐蚀之间的内在关系至关重要。例如，在挪威的腐蚀管道中，发现琥珀酸是微生物群落的特征代谢物（Bonifay等人，2017年）。注意到附着在腐蚀金属管道上的微生物的代谢谱与浮游微生物的不同。分别分析附着微生物群落（即生物膜结构）的代谢谱有助于更准确地评估它们对MIC的潜在影响（Kotu等人，2019年）。

因此，本研究旨在探讨CRBs对RCSs热交换管内生物膜结构的影响。通过检测管道生物膜中胞外聚合物物质（EPS）组成的变化以及EPS中不同功能基团对硼酸盐的反应偏好，我们试图阐明硼酸盐与生物膜相互作用的机制。通过综合分析微生物群落组成和代谢谱，可以追踪关键风险微生物，从而阐明硼酸盐对其代谢功能的调控策略。本研究为理解硼酸盐与生物膜之间的相互作用机制提供了理论基础，为基于硼酸盐的冷却水管道生物膜抑制策略的开发提供了可能性，这些策略具有持久性、成本效益、操作便利性和环保性。

部分摘录

CRBs的合成和控释测试

CRBs由Na₂B₄O₇·10H₂O、H₃BO₃和SiO₂合成，这些原料均来自美国密苏里州圣路易斯的Sigma-Aldrich公司。将混合原料在1050°C下熔化120分钟，然后倒入模具中。通过工艺优化，后续实验中使用的CRBs产品采用了以下配方：B₂O₃（60.0%）、Na₂O（10.6%）和SiO₂（29.4%）。详细的优化过程见文本S1和图S1。

在去离子水中进行了控释测试

化学组成和结构表征

如图1a所示，在CRBs的FTIR光谱中，H-O伸缩振动峰位于3650-3350 cm^?1。[BO₃]单元中氧桥接团的弯曲振动对应于700 cm^?1处的光谱带（Saber等人，2024年）。1300至1150 cm^?1范围内的宽带归因于三硼酸盐、四硼酸盐和五硼酸盐单元中B-O键的伸缩振动。大约450 cm^?1处的峰代表Si-O-Si的摇摆振动

结论

本研究通过分析EPS组成、微生物群落结构、关键抗氧化酶系统和代谢物组成，阐明了CRBs在模拟RCSs中对生物膜的抑制机制。CRBs的抑菌效果是通过共同破坏EPS基质的结构完整性和重建微生物群落来实现的。硼酸盐暴露干扰了碳水化合物和氨基酸等关键代谢途径，抑制了EPS的合成。

CRediT作者贡献声明

徐海青：撰写——原始草稿、方法学、调查、正式分析、数据管理。裴远生：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、项目管理、方法学、资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（52170066, 52570066）和京津冀区域环境综合治理-国家科技重大专项（2025ZD1204700）的支持。