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硫酸盐还原菌快速检测技术的设计与研究
	曾用价	88.00
	出版社	科学出版社
	版次	1
	出版时间	2016年06月
	开本	16
	作者	张盾 等
	装帧	平装
	页数	194
	字数	25
	ISBN编码	9787030483744

内容介绍
本书作者针对硫酸盐还原菌(SRB)的快速检测做了大量的原始创新工作，经悉心整理总结成此书。本书从微生物识别方式角度出发，分别介绍基于特异性细胞识别的SRB检测方法，基于微生物特征代谢过程的SRB检测方法，以及基于特征遗传片段的SRB检测方法；对每种检测方法的基本原理及构造、平台的设计与实现方法及平台表征及性能评价结果展开详细、系统的讨论；客观、全面地分析每种新型SRB检测方法的优势与不足。

目录
目录
丛书序
丛书前言
序
前言
第1章 绪论1
1.1硫酸盐还原菌的危害与利用1
1.1.1硫酸盐还原菌对腐蚀过程的影响1
1.1.2硫酸盐还原菌在其他领域的危害3
1.1.3硫酸盐还原菌的防治方法4
1.1.4硫酸盐还原菌的应用6
1.2硫酸盐还原菌的生物学特点8
1.2.1硫酸盐还原菌的生物学简介8
1.2.2硫酸盐还原菌的代谢特点8
1.2.3硫酸盐还原菌的生长环境因子9
1.3硫酸盐还原菌检测技术研究现状11
1.3.1硫酸盐还原菌检测技术概述11
1.3.2硫酸盐还原菌检测的国标方法19
1.3.3硫酸盐还原菌检测的商品化产品23
1.4生物传感器在微生物定量分析中的应用24
1.4.1微生物检测方法的发展历程24
1.4.2生物传感器的基本特点和特征参数27
本章小结30
参考文献32
第2章 基于抗体特异性细胞识别的检测技术35
2.1多巴胺自激发检测平台35
2.1.1基本原理与构造35
2.1.2平台的设计与实现37
2.1.3平台表征及性能评价39
2.2壳聚糖电聚合检测平台43
2.2.1基本原理与构造43
2.2.2平台的设计与实现45
2.2.3平台表征及性能评价47
2.3三维泡沫镍结构检测平台50
2.3.1基本原理与构造50
2.3.2平台的设计与实现52
2.3.3平台表征及性能评价53
2.4氧化石墨烯标记检测平台55
2.4.1基本原理与构造55
2.4.2平台的设计与实现56
2.4.3平台表征及性能评价58
2.5纳米氧化锰标记检测平台62
2.5.1基本原理与构造62
2.5.2平台的设计与实现63
2.5.3平台表征及性能评价65
本章小结69
参考文献70
第3章 基于其他材料特异性细胞识别的检测技术72
3.1凝集素特异性识别检测平台（一）72
3.1.1基本构造与原理72
3.1.2平台的设计与实现76
3.1.3平台表征及性能评价78
3.2凝集素特异性识别检测平台（二）82
3.2.1基本构造与原理82
3.2.2平台的设计与实现84
3.2.3平台表征及性能评价85
3.3抗生素特异性识别检测平台87
3.3.1基本构造与原理87
3.3.2平台的设计与实现89
3.3.3平台表征及性能评价90
3.4生物印迹薄膜识别检测平台93
3.4.1基本构造与原理93
3.4.2平台的设计与实现94
3.4.3平台表征及性能评价95
本章小结100
参考文献101
第4章 基于微生物特征代谢过程的无标记检测技术104
4.1特异性微生物细胞传感器检测平台104
4.1.1基本构造与原理104
4.1.2平台的设计与实现105
4.1.3平台表征及性能评价106
4.2半胱氨酸蛋白酶抑制作用检测平台110
4.2.1基本构造与原理110
4.2.2平台的设计与实现111
4.2.3平台表征及性能评价112
4.3有机小分子荧光探针检测平台117
4.3.1基本构造与原理117
4.3.2平台的设计与实现118
4.3.3平台表征及性能评价120
本章小结124
参考文献125
第5章 基于微生物特征代谢过程的纳米标记检测技术127
5.1硫化铅标记检测平台128
5.1.1基本构造与原理128
5.1.2平台的设计与实现129
5.1.3平台表征及性能评价130
5.2ZnO/ZnS阵列转化检测平台132
5.2.1基本构造与原理132
5.2.2平台的设计与实现133
5.2.3平台表征及性能评价135
5.3ZnS纳米光催化检测平台139
5.3.1基本构造与原理139
5.3.2平台的设计与实现140
5.3.3平台表征及性能评价141
本章小结145
参考文献146
第6章 基于特征遗传片段的检测技术147
6.1核酸外切酶Ⅲ循环放大检测平台147
6.1.1基本构造与原理147
6.1.2平台的设计与实现148
6.1.3平台表征及性能评价150
6.2DNA纳米生物条码荧光检测平台157
6.2.1基本构造与原理157
6.2.2平台的设计与实现157
6.2.3平台表征及性能评价159
6.3新型酶标体系信号放大检测平台166
6.3.1基本构造与原理166
6.3.2平台的设计与实现166
6.3.3平台表征及性能评价167
本章小结172
参考文献173
第7章 前景及展望175
7.1硫酸盐还原菌检测技术的总结175
7.2硫酸盐还原菌检测技术的发展方向176


在线试读
第1章绪 论
1.1硫酸盐还原菌的危害与利用
1.1.1硫酸盐还原菌对腐蚀过程的影响
微生物腐蚀是指由微生物引起的或者由微生物代谢引起的材料腐蚀过程。微生物腐蚀几乎可以在所有常用材料上发生，据统计，微生物腐蚀约占整个腐蚀的20%，全世界每年由此造成的直接经济损失可达300亿～500亿美元。除此之外，微生物腐蚀还会引起重大的安全隐患，直接危害着人们的生命财产安全。例如，随着现代化进程的加快和城市规划不合理，许多城市的输油管道、天然气管道、化工气体管道和蒸汽管道都在地下相互纠结交错，而埋地管线又是微生物腐蚀的重灾区，据统计，地下管道和线缆中有50%～80%的故障是由微生物腐蚀引起或参与的。
硫酸盐还原菌（sulfate-reducing bacteria，SRB）是一类能够把 还原成H2S而自身获得能量的各种细菌的统称，是一类以有机物为养料的厌氧菌，广泛分布于土壤、海水、河水、淤泥、地下管道、油气井、港湾及锈层中，是腐蚀性*强，也是研究*广泛的腐蚀微生物，由SRB引起的腐蚀占所有微生物腐蚀的1/2。SRB在厌氧条件下迅速繁殖，代谢产生的硫化物以及胞外多聚物加速了管道设备发生局部腐蚀，出现穿孔，给工程材料造成了巨大危害。有研究表明：当SRB处于*佳生长条件时，能够将0.4mm厚的不锈钢试片在60～90天内腐蚀穿孔，腐蚀速率高达3.75mm/a[1]。据Iverson估计：在美国，油井中有77%以上的腐蚀是由SRB造成的，由于SRB的作用，钢铁的腐蚀速率可增加15倍[2]；根据美国腐蚀工程师协会（NACE）的统计，2013年全球因腐蚀损失2.5万亿美元，占全球GDP收入的3.4%，而且这个数字正在逐年上升，其中SRB影响的腐蚀占有相当大的比例[3]。
SRB能影响几乎所有的金属或合金的腐蚀过程，其造成的微生物腐蚀有3个特点：①主要发生在厌氧区；②腐蚀过程不均匀，趋向于孔蚀；③金属腐蚀区域石墨化，在金属元素被腐蚀的过程中，材料的碳架结构维持不变。SRB的腐蚀机理一直是微生物腐蚀的研究重点，针对SRB能够加速腐蚀的机理研究已经经历了一个多世纪，目前已经形成的机理包括阴极去极化机理、氧浓差电池机理、代谢产物加速腐蚀机理、酸性物质加速腐蚀机理和阳极固定机理。
1. 阴极去极化机理
阴极去极化机理首次由von Wolzogen Kuehr和van der Vlugt在1934年提出[4]，也是目前认可度*高的腐蚀理论（图1-1）。该理论将SRB加速金属材料腐蚀的过程归因于阴极去极化作用。在SRB生长环境中，氧浓度通常会很低，因此金属材料在腐蚀过程所进行的阴极反应为SRB可以利用产生的氢原子参与硫酸根离子的代谢过程，进而加速阴极反应平衡的移动，加速金属的溶解过程，产生的*终产物是FeS和Fe(OH)2，反应的总过程可以表示为Iverson等通过将电子受体联苄吡啶加入脱硫弧菌菌属中验证阴极去极化机理的正确性，实验结果证明该SRB菌属能够有效地利用氢原子[5]；另外Dilling和Booth等也通过电化学手段验证了阴极去极化机理的正确性[6，7]。
图1-1SRB加速金属腐蚀的阴极去极化机理示意图
da Silva等在2002年提出了一种新的阴极去极化机理，他们认为SRB的存在可以将金属的电子直接转移到体内的氢化酶[8]。Cord-Ruwisch等发现在体内存在氢化酶的脱硫弧菌属能够将阴极产生的氢原子氧化，同时研究还发现这种从金属材料到细胞内氢化酶的电子传递过程只能发生在以乳酸为碳源的培养环境中[9]。另一项支持这种阴极去极化理论的发现是金属材料的腐蚀速率与微生物种群的数量无关，而与生物膜内存在的氢化酶的活性浓度有关。在腐蚀严重的输油管道发现的SRB的种群数量很小，但其细胞内含有大量的氢化酶；而在腐蚀轻微的输油管道中，尽管存在的SRB种群数量很高，但细胞内的氢化酶活性很低[10]。
2. 氧浓差电池机理
氧浓差电池理论认为当SRB在金属材料表面附着生长并形成生物膜后，会降低生物膜附近氧气的浓度，形成氧浓差电池从而加速金属材料的腐蚀过程。随着腐蚀反应的加速，SRB附着区域逐渐积累代谢产物特别是硫化亚铁，这些代谢沉积物会进一步阻止外界氧气扩散到金属材料表面，进一步加速氧浓差电池腐蚀进程。同时氧气浓度的降低为SRB的生长创造了更加适宜的环境，因而SRB的去极化作用也会随之增强，造成局部腐蚀进程的提速[11]。
3. 代谢产物加速腐蚀机理
代谢产物加速腐蚀的机理主要是针对SRB代谢产生的S2?，S2?可以与金属材料表面吸附的Fe2＋反应生成FeS沉积物，促进金属的溶解反应；或者置换金属材料氧化物保护膜中的氧原子生成FeS，从而破坏材料表面致密的氧化物薄膜，使金属材料暴露于腐蚀环境中，进而加速材料的腐蚀；另外，FeS在金属材料表面的沉积，会产生局部的酸环境，加速钝化膜的破裂[12]。有研究将SRB的两种代谢产物，硫化物与胞聚多糖分别从培养基中提取出来，通过电化学手段结合常用的表征技术研究每种代谢产物对Q235碳钢腐蚀行为的影响，研究结果发现，硫化物的存在会对腐蚀过程起到促进作用；而SRB代谢产生的或者由于SRB细胞破裂产生的胞外多糖则对金属基底材料具有保护作用，这些有机分子能够吸附在金属材料的表面，抵御外界环境的腐蚀作用[13]。
4. 沉积物下的酸性物质加速腐蚀机理
SRB在代谢的过程中会不断产生低碳链的脂肪酸，这些脂肪酸（其中*主要的是乙酸）会在生物膜和代谢产物沉积物中不断积累，造成局部环境pH降低，从而加速对金属材料的破坏。另外这种代谢产物分布的不均匀性使SRB生物膜覆盖区域相对于周围环境成为局部小阳极，造成腐蚀的不均匀性，造成点蚀坑的形成[14]。
5. 阳极固定机理
SRB菌落覆盖区域会形成局部无氧和低pH的环境，相对于其他没有菌落覆盖的材料表面成为局部阳极区。阳极固定机理认为SRB菌落在金属材料的附着和生存与金属表层材料的成分、焊接技术、表层附着物质等因素有关，SRB菌落一旦形成就会固定位置，因此阳极区的位置固定，从而腐蚀过程在此处加速，造成孔蚀特征[15]。
1.1.2硫酸盐还原菌在其他领域的危害
1. 硫酸盐还原菌对水产养殖业的危害
水产养殖过程中剩余的饵料和养殖作物的排泄物会沉积在养殖场底部，这些为SRB的生长提供了良好的营养物质无氧条件。SRB在生长代谢过程中产生的H2S会对水产养殖生物产生巨大的危害，同时SRB的生长会扩大局部的厌氧环境，造成水产养殖生物的死亡，导致水产养殖业减产。另外，SRB代谢产生的H2S不断在环境中积累，致使养殖水体的pH下降，同时偏低的pH环境水体又会加速H2S在水体中的累积，死亡的养殖作物不断为SRB的生长提供营养物质，进而形成一种恶性循环。因此SRB的存在会对水产养殖业造成巨大的危害。
2. 硫酸盐还原菌在油田生产中的危害
在油田生产系统中，SRB的活动会加速金属材料的腐蚀，包括油水井套管、各类管道（原油采集管道、注水管道和污水净化管道等）、金属储罐以及原油处理设备等；除此以外，在脱水系统中常见的黑色老化油（主要成分是胶态硫化物）也是由SRB腐蚀引起的产物，由于其相对密度在油水之间，故而悬浮在油水界面之间，增强了油水混合物的导电性，导致电脱水器运行不稳定。更为严重的问题是：SRB造成的集输设备的腐蚀穿孔往往伴随着原油的泄漏，极易造成严重的灾难事故[16]。
此外，SRB的代谢活动还会导致油田生产中许多其他问题。例如，SRB代谢产生的硫化物（H2S、HS?和S2?）会增加原油中的硫含量，降低原油的品质，即使在某些低含硫油藏中，二次采油注水或钻井泥浆的污染也会刺激SRB的生长，增加其原油中的含硫量；SRB的活动对采油活动也有严重的影响，当SRB产生的硫化物与铁离子反应后，会产生一种非常难以溶解的胶态FeS沉淀物，降低注水井的吸水能力和采油井的导流能力，降低原油产量[17]；Grula和Sewell等报道了在聚合物驱中，SRB的生物降解作用会降低聚合物的黏度，导致聚合物驱作业失败[18]。
1.1.3硫酸盐还原菌的防治方法
目前，SRB的防治方法有很多，根据其作用机理的不同可以分为物理方法、化学方法和微生物防治方法。
1. 物理方法
SRB的物理防治方法主要分为电离射线和超声波**、环境因素控制和防腐材料应用等方法。通过电离射线杀灭SRB的方法主要是利用电离射线中包括的紫外线、γ射线和X射线，这些电离射线能够干扰微生物细胞内染色体DNA链的合成与复制，从而杀灭水体中的目标SRB；通过超声波处理可以直接破碎微生物细胞而将其杀死；改变环境因素的方法是通过改变水体的pH、NaCl盐度以及SRB底物浓度（可溶性小分子有机化合物和硫酸根）来实现抑制SRB代谢活动的目的；各种金属及其合金或非金属材料对SRB腐蚀的敏感性不同，通过使用耐微生物腐蚀能力较强的铜、铬及高分子聚合物材料对金属表面进行处理，或在钢铁材料中添加耐微生物腐蚀的元素以及在金属表面涂覆抗微生物腐蚀材料（如TiO2等），可以有效地达到防治SRB腐蚀的目的[19]。
2. 化学方法
化学方法是各大油田中广泛采用的控制SRB的方法，简便易行且见效较快，这种方法主要是通过投加化学**剂来抑制SRB的繁殖，目前常用的**剂按其功能和组成，可以分为两大类：氧化型**剂和非氧化型**剂。氧化型**剂包括氯气、臭氧、二氧化氯、次氯酸钠、三氯异三聚氰酸、溴素、溴氯二甲基海因、溴氯甲乙基海因等，这类**剂主要通过与细菌体内的代谢酶发生氧化作用，将菌体细胞完全氧化分解为二氧化碳和水以杀死细菌。由于氧化型**剂的使用剂量较大且效果较短暂，现场使用效果不很理想；同时氧化型**剂本身会加速金属材料的腐蚀过程，因此其应用推广也受到限制。目前，在国内大多数油田使用的大多为非氧化型**剂，根据其作用基团和作用机理，通常可以分为以下几类：季铵盐类、酚类、醛类、氰化物、杂环化合物以及它们的复配物，这些物质具有较强的**效果，然而，这些物质本身毒性较强，且难于降解，易对环境造成污染，且**剂的长期单独使用会加速SRB产生抗药性，从而致药剂用量加大。
3. 微生物防治方法
微生物防治方法的机理是利用某些与SRB在代谢规律上相似的微生物，如反硝化细菌（DNB），与SRB在生存环境内产生竞争作用，消耗SRB生长代谢所需的空间与营养物质来抑制SRB的生长及其对金属的腐蚀。因此，在油田生产系统中，可以通过添加硝酸盐和反硝化细菌所需的微量元素来激活DNB的活性[20]。Hitzman曾报道了抑制SRB的具体生物方法，并推荐了硝酸盐、亚硝酸盐和钼酸盐的复配体系（表1-1）。微生物防治方法通过调控微生物生态环境抑制SRB生长，SRB不会由此产生耐药性，且对环境友好，因此越来越受到人们的关注[21]。
表1-1SRB生物抑制体系研究
1.1.4硫酸盐还原菌的应用
1. 硫酸盐还原菌在处理含重金属离子废水的应用
随着现代化进程的不断发展，重金属离子不断地直接或间接排放到环境中。重金属离子具有很高的毒性和致癌性，同时与有机污染物不同，重金属离子不能被人体降解，对人体的伤害是**性的。常见废水中的重金属离子包括锌离子、铜离子、镍离子、汞离子、铬离子、镉离子和铅离子。常见的对含有重金属离子的废水处理方法包括将重金属离子转化为氢氧化物沉淀，将重金属离子转化为硫化物沉淀和其他处理方法。
使用SRB处理含有重金属离子的废水可以降低废水处理的成本，提高处理效率。Sahinkaya开发了一种连续搅拌装置用于处理含有锌离子的废水，SRB代谢产生的硫离子可以与废水中的锌离子生成硫化锌沉淀，从而除去废水中99%的锌[22]。天津大学的康永教授报道了一种利用SRB处理含铜废水的方法，通过在废水处理设备中添加单质铁可以有效地提高SRB的活性，铜离子的除去效率可以达到95%以上[23]。Yucesoy等在一个四阶挡板反应器中处理含锌离子和铜离子的工业废水，不断地补充乙醇为SRB的生长提供碳源和电子来源，经过250天的处理后，99%以上的重金属离子可以通过形成硫化物沉淀被去除[24]。Srivastava等总结概述了废水中重金属污染物的来源以及毒性，并对生物处理的影响因素、处理的机理做了讨论。使用微生物特别是SRB能够提高生物废水处理的效率，可以将处理效率提高3～6倍[25]。
2. 硫酸盐还原菌在处理废水中硫酸根离子的应用
废水中的硫酸根离子主要来自医药厂、化工厂和造纸厂。处理含有大量硫酸根离子的废水的方法通常包括物理化学方法和微生物方法，虽然物理化学的方法具有很高的效率，但其潜在的不足，如价格高、能耗大、缺乏合适的分离手段和