ESI论文：从生物能量学和生物电化学理解微生物腐蚀

2019-02-13 11:42:18 作者：李迎超徐大可来源：JMST 分享至：

研究背景

材料腐蚀在世界范围内每年造成的损失高达4万亿美元。在我国，材料腐蚀造成的经济损失占GDP的3.34%。微生物广泛分布在油气田、海洋环境、运输管道、冷凝水系统等诸多工况环境中，造成的微生物腐蚀（MIC）现象相对隐蔽，难以检测，因此导致的安全问题巨大。所以，微生物腐蚀研究已经是腐蚀科学的热点之一，引起了学者们的极大关注。然而，微生物腐蚀属于交叉学科，涉及到微生物学、材料学、电化学等，同时也是腐蚀科学的难点之一。遭受微生物腐蚀威胁的材料种类繁多，包括碳钢、不锈钢、铝合金、镁合金、铜、甚至混凝土等。腐蚀这些材料的微生物包括：硫酸盐还原菌（SRB）、硝酸盐还原菌（NRB）、铁氧化细菌（IOB）、产酸菌（APB）、真菌、甚至古菌等。其中最受科研工作者关注的是硫酸盐还原菌，关于它腐蚀性的报道已经有上百年的历史了，但是其腐蚀机理目前还是个“谜”。

微生物腐蚀研究已有近百年的历史，学者们提出许多理论来解释微生物腐蚀的机理，然而这些理论都存在一定的局限性，未能清楚深刻地解释微生物腐蚀的过程。真正取得实质性的突破并形成成熟的理论是在最近20年甚至是10年内发生的。在2009年，顾停月提出了生物催化阴极硫酸盐还原理论（BCSR），首次从生物能量学角度，即微生物通过腐蚀金属获取维持其自身生存的能量来解释硫酸盐还原菌“为什么”腐蚀金属。徐大可和顾停月通过细胞外电子传递证明了微生物“如何”腐蚀金属。近年来，大量关于生物能量学和生物电化学的研究和报道逐渐使得该理论进一步完善。李迎超、徐大可、张达威、顾停月等2018年在《Journal of Materials Science & Technology》发表的文章Anaerobic microbiologically influenced corrosion mechanisms interpreted using bioenergetics and bioelectrochemistry: A review（34，2018：1713-1718），从生物能量学和细胞外电子传递的角度对微生物腐蚀进行了全面细致的总结。该文章入选ESI热点论文和高被引论文。

MIC的基本理论

微生物腐蚀研究不可避免地需要面对两个问题是：微生物为何造成腐蚀和微生物如何腐蚀。这篇综述分别回答了这两个问题，并基于此对微生物腐蚀进行了分类。

首先，生物能量学可合理解释为何微生物要造成腐蚀。微生物在获取代谢过程所需能量时，需要电子供体和电子受体两类物质。一般来说，有机碳源可以为微生物提供电子。对于厌氧微生物而言，硫酸根、硝酸根等可以作为电子受体。这样在有机碳源的氧化和无机盐的还原过程中，微生物获取电子在体内进行氧化还原反应并获取能量。当微生物缺乏有机碳源作为电子供体时（生长在金属表面的细菌生物膜），他们会寻找新的电子供体，就是铁。此时，微生物在铁的氧化（铁发生腐蚀）和无机盐的还原中获得能量。微生物在此过程中分泌酶，使得这个虽然热力学自发但动力学上缓慢的过程得到可控加速。

其次，微生物的生物电化学行为是造成腐蚀的关键。铁并不能如其它有机碳源一样进入微生物细胞内发生氧化并释放电子。铁在细胞外释放的电子需要通过一些列的传递过程，进入到微生物细胞内，参与到无机盐的还原反应中，这个过程被称为细胞外电子传递（EET）。EET过程可以通过直接电子传递和间接电子传递两种方式来实现。通过提高电子载体浓度来加速细胞外电子传递速率，可加速铁的腐蚀过程。因此，电子在这个过程的传递速率影响着最终微生物腐蚀的速率，是整个腐蚀过程的控制步骤。

最后，根据微生物造成腐蚀过程和方式的不同对微生物腐蚀进行分类。若微生物造成腐蚀的过程中涉及到通过细胞外电子传递来获得电子还原无机盐，这种微生物腐蚀类型被称为EET-MIC。通常此类微生物都具有电活性。值得注意的是，有些电活性微生物造成的腐蚀也并不属于这个分类，例如硫酸盐还原菌对于铜的腐蚀。此时，微生物造成腐蚀的原因是其代谢产物（Metabolite）的作用，此类微生物腐蚀被称为M-MIC。造成M-MIC的微生物通常是进行产酸发酵代谢的产酸菌。可见，这种将微生物腐蚀分为EET-MIC和M-MIC的分类方法和判断原则，在机理层面上更加准确，避免了混淆，使得人们对微生物腐蚀的认识更加直接，对微生物腐蚀的检测和防治有重要的指导意义。

作者介绍

徐大可教授在中国科学院金属研究所和东北大学王福会教授团队从事微生物腐蚀的机理研究工作，在微生物腐蚀机理、抗菌材料和生物材料等方面做了大量的研究工作，以第一作者或通讯作者发表了50余篇高水平的学术论文，并获得多项专利授权。他近期的研究工作更是从基因角度证实了细胞外电子传递是微生物腐蚀中的控制步骤，从而将微生物腐蚀的机理研究提升到分子水平，为研究电活性微生物的腐蚀机理奠定了理论基础，同时为微生物腐蚀的检测提供了新思路。李迎超在中国石油大学（北京）的油气装备材料失效与腐蚀防护北京市腐蚀重点实验室陈长风教授课题组进行石油装备材料的微生物腐蚀与防护工作。张达威教授在北京科技大学新材料研究院李晓刚教授团队工作，主要研究方向为耐蚀新材料的失效机理。在文章的撰写过程中，主要作者结合在各自科研和工程应用工作中的体会，深刻认识到只有当微生物腐蚀机理等科学问题得到阐明和解释后，材料的微生物腐蚀防护工作才能有突破性进展。

贡献与展望

这篇文章是第一篇从生物能量学和生物电化学的角度对微生物腐蚀机理进行阐述的综述性文章，是对传统微生物腐蚀理论的一次升级，使人们对于微生物腐蚀的认识更加系统准确，将微生物腐蚀聚焦在细胞外电子传递等关键科学问题上，对更加有的放矢地进行微生物腐蚀研究具有重要意义。本文发表后受到了腐蚀科学界的广泛关注。微生物腐蚀的研究需要腐蚀、微生物、电化学、材料等多领域的专家学者跨学科背景和跨行业地通力合作和不断交流，这样才可以打破微生物腐蚀研究中的知识壁垒，把我国的微生物腐蚀研究领域推进到一个新的高度。