金属制品的出现极大地改变和影响了人们的生活。直到今天， 各类金属材料仍在制造业，建筑业以及石油化工业等工业中扮演着重要的角色[1].但是， 金属制品产生的微生物腐蚀问题也极大地困扰着人类[2-7].

    腐蚀是金属与环境之间的物理与化学作用[8].除了物理和应力造成的腐蚀外， 金属的腐蚀主要源于化学作用和电化学作用， 特别是电化学作用[9].金属的微生物腐蚀（Microbiologically influenced corrosion, MIC）， 是指微生物的自身生命活动及其代谢产物直接或间接地加速金属材料腐蚀过程[10].由于涉及到生物体的参与， 它的作用机理及影响更为复杂。MIC给社会造成了巨大的经济损失， 并给人们的生产生活带来严重的危害。为了防止MIC的发生， 必须清楚地认识其机理。早期人们多采用电化学方法研究MIC, 得到的结论并不能客观完整地反映微生物腐蚀金属的真实过程。直到20世纪末期， 随着表面分析技术的发展人们对MIC的相界面过程有了更深的了解， 并逐渐意识到生物膜在MIC过程中扮演的重要作用。目前， 许多学者从生物能量学和生物电子传递方面着手， 发现微生物能利用电子，通过氧化还原中间体传递电子或者通过导电纳米线（Pili）吸收电子进行代谢活动， 从而腐蚀金属， 维持自己的生命活动。本文从生物能量学和生物电化学角度， 总结和分析微生物腐蚀金属机理研究的最新进展。

    1 微生物腐蚀的生物能量学

 

    硫酸盐还原菌（Sulfate-reducing bacteria, SRB）作为一种代表性厌氧菌， 研究其造成的金属腐蚀具有典型性， 可以得到许多具有普适性的观点和结论。这些观点和结论， 也适用于其它厌氧性细菌微生物。本文主要分析SRB对金属的腐蚀行为[9].

    SRB能利用分子氢，低级脂肪醇，低级脂肪酸（如乙酸，乳酸和丙酮酸等），高级脂肪酸，脂肪烃和单芳香族化合物等作为碳源[11-16].目前人们对SRB利用硫酸盐腐蚀金属的机理已经有比较清楚的认识。图1给出了SRB细胞膜内的异化硫酸盐过程（也叫“硫酸呼吸”）。SRB能代谢硫酸盐， 主要依赖三种还原酶的作用， 即三磷酸腺苷硫酸化酶（Adenosine triphosphate sulfurylase, ATPS），腺苷硫酸盐还原酶（Adenosine phosphosulphate reductase, APR）和亚硫酸盐还原酶（Sulphite reductase, SR）[17-28].硫酸盐的还原不仅消耗ATP, 还需要电子供体向其提供电子[29-34].在碳源充足时， SRB首先利用碳源作为电子供体。如果周围环境中没有充足的碳源， SRB仍能利用其它电子供体来获得维持其生命活动的能量， 这种能量称为维持能量（Maintenance energy）。以附着在金属上的SRB生物膜为例。由于受到扩散和顶层生物膜对碳源消耗的限制， 碳源很难到达贴近金属表面的SRB生物膜， 使细菌的生长和繁殖受到有机碳源扩散的限制。在这种缺少碳源营养的条件下， SRB就不能合成其生长所必需的有机物质， 即微生物处于生长停滞阶段。但是此时SRB的能量代谢过程仍然在继续， SRB从金属获得电子来维持其生命所必需的能量。正是这一获得电子的过程， 导致金属腐蚀的发生。

 

    顾停月和徐大可[10, 35-39]从生物能量学角度， 提出了生物阴极催化硫酸盐还原机理（Biocatalytic cathodic sulfate reduction mechanism, BCSR）。该机理认为， 当周围环境中有充足的碳源（如乳酸）时， SRB优先利用有机物质作为电子供体， 阳极发生如下的反应（1）， 其中是指在25℃， pH为7, 离子浓度为1M和气体分压为105 Pa条件下， 相对于标准氢电极（Standard hydrogen electrode, SHE）的电势[12].同时SRB的生物膜分泌出细胞外多聚物（Extracellular polymeric substances, EPS）[40-42], 其主要成分是蛋白质，DNA,脂质和多糖等[43]. 由于受到扩散和顶层生物膜对碳源消耗的限制， 碳源很难到达贴近金属表面的SRB生物膜， 造成MIC受到扩散限制， 易被腐蚀的金属（例如Fe）成为唯一电子供体， 于是发生反应（2）。由反应（1）和反应（3）得到反应（4）， 由反应（2）和反应（3）得到反应（5）。由公式（n为反应转移电子数； F为法拉第常数， 约等于96485 Cmol-1）得到反应（4）和反应（5）的分别为-164和-178 kJmol-1硫酸盐。由此可以看出， 反应（5）在热力学上更占优势。硫酸根在细胞膜内的活化和APS的还原反应一共需要消耗2个分子ATP（约等于消耗100 kJ能量）， 所以金属Fe完全可以充当SRB的电子供体， 并且由MIC而产生的能量足够维持SRB的生命代谢活动[37, 44, 45].

 

    （5）根据BCSR理论， 可对MIC中的许多问题有全新的认识。例如， 对于好氧细菌， 人们一般认为生物膜抑制了氧气的扩散， 从而阻碍了其与金属表面的接触， 进而起到保护金属的作用[46].但是对于厌氧细菌， 顾停月和徐大可[36, 37, 39]的BCSR理论却提出了相反的观点。他们认为， 金属表面附着的底层生物膜很难从溶液中获取碳源， 因此这些附着的生物膜必须通过腐蚀金属来获得生命体能量和代谢所需的电子， 从而加剧了金属的腐蚀。他们的实验数据表明， 当SRB生物膜处于“饥饿”状态（在没有碳源和很少量碳源的时候）导致了比碳源充足时更严重的微生物腐蚀， 说明SRB生物膜通过腐蚀金属来获得维持其生命活动的能量。这一现象从生物能量学上间接支持了BCSR理论， 而其他学者也得出了类似的结论， 证明生物能量学是研究微生物腐蚀机理的一个新的切入点[47-48].

    虽然从理论上讲， 微生物可以从反应（5）中获取更多的能量， 但是在利用这些能量的过程中生物膜的导电性，表面形貌及其对金属的吸附能力等都会产生重要影响。为了更清楚地了解MIC, 必须考虑生物电化学（即细胞外电子异相传递动力学），生物膜的导电性等问题。

    2 SRB造成金属腐蚀的生物电化学原理

 

    阴极去极化理论（Cathodic depolarization theory, CDT）认为， SRB消耗阴极氢气， 使阴极去极化， 导致腐蚀电位正移， 加速了金属的腐蚀[49-53].顾停月与徐大可[54]指出， CDT理论只是BCSR理论的一种特殊情况， 只适用于那些能分泌氢化酶的SRB, 而许多不能分泌氢化酶的SRB依然能腐蚀金属。CDT理论无法解释很多现实中的MIC现象， 引起了人们对CDT理论的质疑， 并提出如下观点： （i） H2并不是MIC中胞外电子传递的唯一中介载体； （ii）只要有合适的电子传递中介体， MIC就可以发生； （iii） 在没有合适的电子传递中介体时， SRB可以直接利用电子。

    Aulenta和Usher等[55, 56]通过对微生物燃料电池（Microbial fuel cell, MFC）中细胞内电子的导出机制的研究发现， 直接电子传递是微生物电子传导的重要途径。Torres等[57]指出， MFC中细胞外电子传递（Extracellular electron transfer, EET） 的主要途径有： （i）直接电子传递； （ii）基于可溶性介体的电子穿梭； （iii）细菌纳米导线。其中（i）和（iii）属于直接电子转移 （Direct electron transfer, DET）， （ii）属于中介电子转移（Mediated electron transfer, MET）。徐大可和顾停月[38, 39, 58]首次将EET的概念引入到微生物腐蚀研究中， 认为微生物腐蚀的电化学机理和电子转移方式与MFC中的生物阴极（Biocathode）是相同的。他们提出的微生物腐蚀的电子转移方式， 如图2所示。

 

 

    硫酸盐还原酶（Enzymes for sulfate reduction, SR）； 直接电子转移（Direct electron transfer, DET）； 中介电子转移（Mediated electron transfer, MET）； 中介体的还原态（Reduction state of mediation, Med（red））； 中介体的氧化态（Oxidation state of mediation, Med（ox））直接电子传递机制， 主要通过希瓦氏菌（Shewanella oneidenis MR-1）和硫还原地杆菌（Geobacter metallireducens GS-15）两种导电菌进行[59, 60].大体上， 细胞存在于电子传递相关的局部位点。如已经证明的， 细胞色素c和铁硫蛋白存在于细胞外膜上， 并作为直接电子通道运输电子使电子的传递变得更加迅捷[61].Mowat和Chapman[62]鉴定出Shewanella菌具有42种细胞色素c的编码基因， 其中的14种包括4个甚至更多的亚铁血红素基因， 说明细胞色素在希瓦氏菌的胞外电子传递过程中发挥重要作用。外硫还原地杆菌装配和修饰的基因组显示， 它可能有超过100种细胞色素c[61]. 尽管细胞色素c的具体功能还不太清晰， 但已有证据表明， 多亚铁血红素在电子传递过程中起着至关重要的作用[63].

    可溶性化合物的电子穿梭， 是一种间接传递方式。Lojou等[64]指出， 采用可溶性的氧化还原电子穿梭体能明显地降低其活化能， 提高电子转移速率。典型的氧化还原反应穿梭体要求水溶性好， 分子量小， 有较强的氧化还原电活性。这些中介体可直接作用于金属离子形成螯合物， 并将它们传递给细胞膜上的酶或本身充当电子载体[65]. 可溶性的氧化还原化合物包含内源性和外源性两种形式， 其中只鉴别出一小部分内源的可溶性氧化还原穿梭体， 主要有吩嗪，黄素，醌类物质，细胞色素，溶解酶，黑色素和其它介体[61] .Kaden等[66]发现， 在共培养的Geobacter sulfurreducens 和Wolinella succinogenes中半胱氨酸可以传递电子。同时， 在纯培养的G. sulfurreducens中加入半胱氨酸可加速胞外电子传递速率8-11倍[61].

    Reguera等[67]在2005年首次提出纳米导线（pili）的概念， 通过导电原子力显微镜发现硫地杆菌的“菌毛蛋白”（geopili）。这种具有导电性的细丝把电子传递给金属氧化物， 将与内膜，周质或者外膜相关的蛋白电子导出到胞外空间， 通过这种渠道多血红素细胞色素能够将电子传递到菌毛上。但是， 电子流入/流出的相关机制还不是很清楚。Gorby等[68]发现， 细胞外膜色素（如十亚铁血红素细胞色素（MtrC）和细胞外膜蛋白质色素A（OmcA））被敲除后pili就失去导电能力。因此可认为， pili是由菌毛蛋白和细胞色素c的结构部分组装而成。Pili的潜在功能有： （i）作为高级细胞传递信号系统的一部分； （ii）促进胞间或中间的电子转移； （iii）与细胞的生物能量学有关[61, 69-74].上述三种EET传递方式并不是单一存在的， 它们有很好的互补与协调作用。至于哪种传递方式发挥主导作用， 要视具体微生物环境来定。

    人们对胞外电子如何导入细胞的机制知之甚少， 但是可从微生物导出电子的途径中得到启示， 据推断电子导入细胞的主要方式亦是通过上述三种方式。Aulenta等[55]在2007年研究了利用甲基紫晶作为可溶性中介体， 将电子从阴极上传递给微生物。Xu等[10]在研究MIC的过程中发现， 加入黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）和核黄素（Riboflavin）等电子传载体， 可极大地增加了MIC导致的点蚀深度， 说明这些电子传载体大大促进了金属的腐蚀。Zhou等[75]指出， 诸如FAD这样的电子传载体， 可使那些无法和金属直接接触的微生物利用到电子。并且指出， 微生物通过与Pili共享从MIC过程中得到电子， 大大促进金属的腐蚀。据此作者提出以下观点： EET过程是微生物群落之间共生的过程， 氧化还原电子中介体和pili等EET传递机制使微生物群落中那些不具备腐蚀金属能力的细菌从那些具备腐蚀能力的微生物中获取电子并得到能量， 从而使整个微生物群落形成一个能量与信息共享的协同整体， 使微生物能更好地适应恶劣的生存环境[10, 76-79].这些工作对研究MIC的EET机理， 具有开创性作用。当然不只EET影响腐蚀电流的大小， 生物膜的导电性在对金属的腐蚀进程中也起到很重要的作用。Duan[80-82]研究了生物膜和电极之间的导电性， 发现生物膜具有良好的导电性。这说明， BCSR理论在动力学上是完全可行的。但是生物膜的形成，繁殖与脱落又是一个动态的过程， 这无疑使人们对MIC的研究工作变得更加复杂[83].

    徐大可等[54]将MIC分为两类。第一类MIC是指， 贴近金属表面的底层生物膜因缺少碳源直接将金属（如Fe0）作为电子供体， 获取能量。第二类MIC是指， 微生物直接分泌一些具有腐蚀性的物质， 比如酸性物质。在生物膜下， 这些酸受到扩散的限制而造成局部H+浓度很高， 金属使严重腐蚀。Dennis等[9, 84, 85]也认为， MIC可以分为两种， 即化学微生物腐蚀（Chemical microbially influenced corrosion, CMIC） 和电化学微生物腐蚀（Electrochemical microbially influenced corrosion, EMIC）。CMIC是指SRB从周围环境中的有机物获得电子， 还原硫酸盐生成HS, 发生BCSR理论中定义的第二类微生物腐蚀， 即细菌产生的酸性分泌物腐蚀。H2S是一种强腐蚀性物质， 与金属生成腐蚀产物FeS.而FeS与其它铁的矿化物一起沉积在金属表面形成一层腐蚀产物层， 该腐蚀产物层和SRB及其代谢产物形成的生物膜一起改变金属的表面性质， 从而影响金属的腐蚀进程[86-88].EMIC更强调生物电化学过程对金属腐蚀的影响。EMIC认为， SRB直接从Fe直接获取电子造成微生物腐蚀， 这与BCSR理论中定义的第一类微生物腐蚀， 即细菌产生的传电腐蚀是一致的 [37, 85].

    图3给出了Dennis提出的EMIC机理的微观图解及其涉及的相关电化学反应的电位分布状况。从图3A可以看出， 阳极Fe0腐蚀产生的电子是经细胞外膜（Outer membrane, OM），细胞周质（Periplasm, PP）和细胞质膜（Cytoplasm membrane, CM）上的蛋白质传递到SRB细胞内部。同时， SO42-被CM上的摄取硫酸盐特异蛋白（Protein for sulfate uptake, SU）所捕获， 经过硫酸盐活化酶（Enzyme for sulfate activation, SA）的活化并与其上的电子传递链偶联， 再与硫酸盐还原反应相关酶的作用下还原硫酸盐排出S2-.同时， 离子桥（Ion bridges, IB）可帮助Fe2+穿过腐蚀产物层， 然后与HCO3-和H2S作用。图3B中给出的反应电位， 都是在pH=7和标准状况下以SHE为参比得到的。

    3 微生物腐蚀形成的表面膜层对腐蚀动力学的影响

 

    许多文献曾报道了金属受到微生物腐蚀后其表面膜层的组成。Yuan[89]等研究了304不锈钢在灭菌和含有Pseudomonas两种不同介质环境下的腐蚀行为， 发现金属在受到微生物腐蚀后， 其表面膜层由一层多孔的内钝化膜和具有良好导电性的外生物膜构成。并且金属浸泡时间越长， 生物膜对内钝化膜的影响越大。Castaneda与Benetton[90]研究了SRB腐蚀不锈钢后所形成膜层的表面形态和电化学特征， 发现金属受到SRB腐蚀后表面膜层由腐蚀产物膜和含有大量EPS的生物膜构成。Bairi等[91]研究了Pseudomonas和Bacillus对D9不锈钢的腐蚀行为， 也得出生物膜下还有一层钝化膜的结论。Venzlaff等[85]分析金属在SRB影响下的电化学交流阻抗谱时， 将金属外的膜层看成一个整体。Dong等[92]用原子力显微镜（Atomic force microscopy, AFM）和扫描电子显微镜（Scanning electron microscope, SEM）观察了金属被SRB腐蚀后的表面形貌， 发现金属外覆盖着一层多相不均匀膜层。该膜层由较松散的外膜和紧密的内膜组成， 并且给出了如图4所示的生物膜结构简图。生物膜中内嵌导电的铁的硫化物， 使微孔具有良好的导电性， 从而使生物膜表现出良好的电容特性。同时， 生物膜的厚度也影响电容的大小， 使生物膜的导电性随着SRB的生长代谢而不断变化。

    当金属处于微生物环境中时， 金属表面因微生物的附着而生成一层生物膜。从生态学的角度， 微生物通过生物膜腐蚀金属， 是为了更好地适应环境[93].许多学者分析了生物膜的化学成分。刘彬等[94]分析了浸泡在天然海水中14d后的不锈钢表面的生物膜成分， 发现C,O,S,Si,Mn等元素含量明显增加， 表明生物膜主要由微生物胞内物质及其有机代谢产物构成。段冶等[95]用傅里叶变换红外光谱分析仪（Fourier Transform Infrared Spectrometer, FTIR Spectrometer） 分析了Q235钢在假单胞细菌和铁细菌混合作用下的表面生物膜成分， 发现主要的吸收峰都是由聚酯糖类，脂蛋白类，细菌表面蛋白及其它细胞外聚合物官能团等引起。他们还根据能谱分析在混合体系中浸泡21 d后Q235钢的表面腐蚀产物， 能谱图上只显示出明显的Fe峰， 表明此时的腐蚀产物主要是铁的化合物。Moradi等[96]分析了Pseudoalteromonas sp.腐蚀双相不锈钢后表面生物膜的化学成分， 发现K,Cl和Na大量富集在生物膜上， 因为K,Cl和Na是构成生物膜中酶的活性元素。

 

 

    生物膜的结构和形态是由周围环境因素和微生物的特性决定的[43]. Flemming等[93]认为， 生物膜是异相不均匀的， 溶液通过生物膜的多孔结构进入生物膜底部与金属直接接触。Dong等[92]研究了多电极在SRB下的腐蚀行为， 发现金属电极表面的电流分布是不均匀的， 这进一步验证了Flemming的观点[93].Xu等[97]研究了Q235钢在涂层保护下的微生物腐蚀行为， 结果也表明生物膜是异相不均匀的， 且内层的腐蚀产物层有很多裂纹。生物膜的这种异相不均匀性导致金属表面存在浓度梯度， 且其浓度梯度随着生物膜的形成，发展，成熟，死亡和脱落而变化。许多学者研究都发现， 位于生物膜下的金属与位于无菌环境中的金属相比， 更易形成点蚀和缝隙腐蚀[96, 98, 99].其原因是， 生物膜的多相异性使金属表面所处的环境各不相同， 造成金属阳极曲线的不一致， 从而发生“自催化效应”, 发生小孔腐蚀[100]. 但是Little等[101]却认为， 生物膜具有催化效应， 能增大阴极电流密度， 从而促进金属表面自钝化。Lai与Bergel[102]认为， 生物膜中的酶能催化葡萄糖转化为葡萄糖酸和H2O2.Washizu等[103]的研究结果表明， H2O2能增大阴极电流密度， 提高金属的自钝化能力。这些结果与上文提到的生物膜会加速金属点蚀的观点相矛盾。前一种理论基于生物膜物理结构及其对扩散影响方面进行考虑的， 而后一种理论考虑了生物膜对阴极的催化性能。这也进一步反映了生物膜对MIC的影响的复杂性。

    4 结束语从生物能量学与生物电化学角度分析， MIC本质上是细菌适应恶劣的生存环境的一种生存策略。因此， 应该研究怎样改变微生物获取能量和电子转移的途径来缓解MIC的发生。同时认识到， 在MIC过程中微生物电子传递扮演着关键的角色。微生物的电子转移方式主要有： （1）直接电子转移； （2）通过介体转移； （3）通过pili转移。但是， 无论哪种电子转移方式都有多种酶和蛋白参与。因此可用基因工程方法抑制某些特定基因的蛋白和酶的表达， 探究金属的MIC中可能的电子传递载体， 并根据研究结果推断金属腐蚀中的电子传导机制。通过这种机制， 可寻找抑制微生物腐蚀的新靶点和新方法， 指导抗菌剂的研发，输油管道的材料选择以及抗菌材料的发展。

    The authors have declared that no competing interests exist.

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