1 前言

    生物膜是一群嵌入在自身所產生的胞外聚合物 （EPS） 中、 聚集在一起并不可逆地吸附在基底或界面上的固著態微生物群落。除了水和細菌外，生物膜中還包括EPS、 吸附的營養物質、 細菌的代謝產物以及裂解產物等。

    生物膜作為地球上記錄最早、 最成功的一種生命形式， 可以存在于幾乎所有的物體表面， 如巖石、 沉積物、 土壤、 皮膚、 牙齒以及各類人工構筑物等。自首次發現并描述了假牙上牙垢生物膜后， 人類對生物膜的不利影響有了較為深入的了解和認識。如工業冷卻水系統中， 黏附在凝汽器表面的生物膜會降低傳熱效率、 增加水泵能耗； 生活飲用水系統中， 管壁生物膜會導致輸配水管網消毒效率下降、 水質惡化； 牙齒表面， 牙菌斑生物膜可誘發齲病和牙周病等。在材料領域， 在各類金屬構筑物、 輸配水管道管件以及設備中， 生物膜的形成和生長往往會引發微生物腐蝕從而加速金屬的腐蝕進程。1892年Garrett 發表了第一篇關于微生物腐蝕（MIC） 的文章； 其后， 多數研究人員主要致力于微生物腐蝕機理及其控制方法的研究。然而近年來新的研究發現 ， 某些生物膜不僅沒有加劇金屬的腐蝕， 反而起到了抑制腐蝕、 保護金屬的作用。本文闡述了微生物防腐蝕 （MICI） 的研究現狀與機理， 指出了目前存在的問題以及未來的發展方向， 以期對MICI的相關研究提供參考。

    2 微生物防腐蝕研究現狀

    微生物具有防腐蝕效果的概念在1988年首次由Pedersen等提出。其后幾年， 一些學者通過實驗相繼證實了MICI的存在。Earthman等發現好氧菌 Pseudomonas fragi 和兼性好氧菌 Escherichiacoli DH5α生物膜在氧氣充足的條件下均可抑制碳鋼1018的腐蝕； Jayaraman等發現， 短芽孢桿菌生物膜在厭氧環境中可以阻止硫酸鹽還原菌的生長并降低了碳鋼和不銹鋼的腐蝕。Dubiel等研究了鐵還原菌對金屬的腐蝕影響， 發現在厭氧鐵還原菌單獨存在的情況下可抑制金屬腐蝕。Zuo等也有類似的發現。rnek等發現枯草芽孢桿菌生物膜對鋁合金2024有較明顯的緩蝕作用。相關研究認為， 生物膜、 微生物及其代謝產物可以降低某些腐蝕正相關參數， 如O ₂ 含量、 電子轉移速率、 鐵釋放速率等。

    金屬界面微生物膜所形成的天然屏障， 被認為是MICI的主要作用機制， 而EPS中含有多糖、 蛋白質、 脂肪酸以及無機物等其他小分子化合物， 有助于生物膜的形成， 因此多數研究主要集中在EPS防腐蝕方面。Stadler等研究發現， 細菌分泌的EPS中含有葡聚糖， 可以防止金屬腐蝕， 并通過實驗證實Desulfovibrio vulgaris 的 EPS 能夠通過抑制微生物附著和生物膜消耗氧氣兩方面作用抑制低碳鋼的腐蝕。隨后的另一研究也證實， 高合金鋼上涂有EPS的區域， 微生物數量明顯少于未涂EPS的區域。

    Roux等研究了胞外多糖EPS180對混凝土中鋼筋腐蝕的影響， 結果表明， 在水泥中添加EPS180后， 鋼筋的抗腐蝕性能增強。Finkenstadt等也發現提純的 Leuconostoc mesenteroides 的 EPS 對低碳鋼具有保護作用。Dong等在研究中提出： 由嗜熱硫酸鹽還原菌分泌的EPS吸附在金屬表面， 可以阻礙陰極吸氧反應的發生， 從而減緩金屬腐蝕。

    國內對微生物防腐蝕的研究處于起步階段。杜向前發現海洋好氧生物膜抑制鋁合金腐蝕。并且鐵還原菌 Shewanella.algae Y01 的生物膜減緩了316L不銹鋼的腐蝕。劉彬等進一步通過動電位極化曲線發現， 天然海水微生物膜通過抑制陽極反應而抑制了不銹鋼點蝕的發生。李付紹等發現： 硫酸鹽還原菌 （SRB） 雖然能使不銹鋼發生點蝕， 但SRB生物膜能保護點蝕以外完好的表面。Jin等將再生水管壁上的生物膜收集培養， 對比加入不同濃度EPS的再生水對鑄鐵片的腐蝕影響， 結果表明EPS對鑄鐵有防腐蝕作用； 同時， 培養時間的長短可以影響防腐蝕效果。

    3 微生物防腐蝕機理

    3.1 分泌緩蝕劑和抗菌劑

    生物膜中的某些微生物可分泌緩蝕劑或抗菌劑， 從而減緩金屬的腐蝕。Jayaraman 等研究發現， 枯草芽孢桿菌 （Bacillus licheniformis） 分泌的聚合谷氨酸酯 （ γ -polyglutamate） 和地衣芽孢桿菌 （Ba-cillus subtilis） 分泌的聚天冬氨酸 （polyaspartate） 均對鋁2024有緩蝕作用； 其中聚合谷氨酸酯可使鋁合金2024的腐蝕速率減緩90%。聚合谷氨酸酯和聚天冬氨酸的結構中都含有鋁螯合羧基團， 這種羧基團可以與鋁結合生成鋁/陰離子多肽氧化膜， 阻隔微生物的黏附與侵蝕作用并減少界面上的電子傳輸，從而減緩鋁合金的腐蝕， 如圖1。

    短芽孢桿菌 （Bacillus Brevis） 分泌的短桿菌肽-S （gramicidin S）， 是一種環狀肽類抗生素， 主要抑制革蘭氏陽性菌， 可以阻止SRB的生長并且降低碳鋼和不銹鋼的腐蝕速度， 如圖2。Zuo等研究發現， 碳鋼表面附著短芽孢桿菌生物膜后， 在有SRB的環境中， 碳鋼表面未發現鐵硫化合物， 也很少有SRB附著， 同時碳鋼的腐蝕速率也降低了2~10倍；說明其分泌物短桿菌肽-S通過抑制SRB在碳鋼表面的附著減緩了碳鋼的腐蝕。

    3.2 消耗陰極去極化劑

    在好氧條件下， 好氧微生物和一些兼性微生物能夠通過呼吸作用， 減少金屬表面的氧氣等電子受體， 阻礙陰極去極化過程而抑制金屬的腐蝕。

    Jayaraman等研究發現， 好氧菌Pseudomonas fragi和兼性好氧菌Escherichia coli DH5α可使碳鋼1018的腐蝕速率降低約10~20倍； 同時， 與加入氯霉素滅活的實驗組對比， 在氧氣充足的條件下， 滅菌的實驗組中， 碳鋼1018的腐蝕速率高出一個數量級。上述實驗說明了微生物呼吸作用的重要性， Pseudomo-nas fragi等細菌通過呼吸作用消耗氧氣， 使金屬與水體交界處形成缺氧區， 同時EPS阻止外界氧氣進入， 減少了陰極去極化劑氧氣的數量， 從而抑制了碳鋼的腐蝕。Jayaraman等進一步采用15種不同的純化菌株 （分屬于7類菌屬， 均能夠形成生物膜）， 研究在混合LB培養基中和人工海水VNSS培養基中SAE 1018碳鋼的腐蝕行為； 結果表明， 生物膜的形成對SAE 1018 碳鋼腐蝕的抑制作用是一種普遍的現象， 并且生物膜的性質 （例如致密的生物膜和稀疏的生物膜等） 決定其腐蝕抑制程度。Dubiel等也發現， 鐵還原菌通過呼吸作用可以抑制金屬腐蝕。鐵還原菌將腐蝕產物中的Fe （III） 作為電子受體， 將Fe （III） 還原為Fe （II）， Fe （II） 繼續與氧氣發生反應， 直至將氧氣消耗盡。同時， Lee等發現形成的二價鐵氧化物也對金屬起到保護作用。鐵還原菌間接地通過Fe （II） 消耗氧氣減少電子受體數量而達到防腐蝕的效果。Dong等研究不同溫度條件下，嗜熱SRB及其代謝分泌物對碳鋼腐蝕行為的影響，發現細菌生長代謝消耗碳鋼試片表面的溶解氧并有效地減少了陰極反應， 同時生物膜的形成也阻礙了陽極溶解。

    消耗電子受體的過程很大程度上依附于生物膜中活細胞的數量， 因此對于微生物直接參與并起主要作用的MICI過程， 微生物的代謝活性十分重要。

    此外， 生物膜內微生物數量及其生長代謝速率受溫度、 pH值、 溶解氧、 碳源及營養物等環境條件的制約， 因此， 不同環境條件下， 生物膜中微生物組成、 結構與代謝活性不同， 防腐蝕效果也存在差異。

    3.3 EPS防腐蝕

    3.3.1 抑制微生物附著

    Stadler等發現， 從脫硫弧菌 （Desulfovibrio vulgaris） 中提取的 EPS 有抑制脫硫弧菌附著于金屬表面的能力， 脫硫弧菌是化能有機營養型或混合營養型， 是腐蝕菌SRB的一種。熒光顯微鏡 （FM） 觀察結果表明， 在涂有EPS的高合金表面很少有脫硫弧菌附著， 而沒有涂EPS的高合金表面則附著大量的脫硫弧菌。EPS在金屬表面形成的非均勻膜， 可以有效的阻隔細菌與金屬基底的黏附作用， 從而減緩MIC的發生。

    目前， 關于EPS抑制微生物附著的機理并不是很明確， 有研究認為， 可能與群體感應有關。群體感應是指細菌能自發產生、 釋放一些特定自身誘導物質 （auto-inducer AI） 的信號分子， 并能感知其濃度變化、 調節微生物的群體行為的調控系統， 像分泌胞外聚合物、 芽孢形成、 菌體發光、 色素產生、 抗生素形成， 尤其在生物膜的發展過程中有很重要的作用， 包括微生物附著、 運動性、 生長成熟、 脫落。EPS中存在的某種物質， 可能破壞微生物群體感應， 使微生物之間失去聯系， 從而減少微生物在金屬表面的附著。

    Koutsoudis等研究認為， EPS主要通過阻止AI信號分子的生成或轉錄破壞微生物的群體感應， 可能的途徑如下： （1） 減少LuxR受體蛋白活性和減少LuxI合成酶活性； （2） 阻止AI信號分子的產生。三氯生是一種有效的烯酰基ACP還原酶抑制劑， 烯酰基ACP還原酶是酰基ACP的生成酶， 后者是生成AI信號分子的重要物質之一， 通過加入三氯生可以減少信號分子的數量， 從而切斷群體感應； （3） 酶降解AI信號分子。破壞內酯酶和酰基轉移酶可以水解信號分子的內酯鍵， 使信號分子的活性降低， 使其不能與受體蛋白結合， 如枯草芽孢桿菌所產生的AiiA酶可以降解信號分子； （4） 仿造信號分子。可以與AI結構類似的物質， 與相應的受體蛋白結合， 但不能轉錄出正確的信息， 如呋喃酮。

    3.3.2 鈍化保護層

    EPS在金屬表面形成致密的鈍化保護層 （Passive layer）， 阻止氧氣等陰極去極化劑達到金屬表面， 阻斷了電子轉移， 從而達到防止金屬腐蝕的效果。Shobhana等 研究了Pseudo-monas alcaligenes EPS 和 Pseudomonas cichorii EPS對低碳鋼的防腐蝕作用， 發現在有P.cichorii 存在的條件下低碳鋼表面形成的腐蝕產物層較為致密， 其主要成分除鐵的氧化物外， 還含有磷酸鐵鹽和Fe-EPS化合物； 與無菌對照組對比后認為， Fe-EPS化合物對鈍化保護層的形成起到了關鍵作用。Finken-stadt等研究發現， EPS的防腐蝕效果具有菌種特異性， 即使是同一菌種在不同培養條件下產生的不同菌株所分泌的具有相似結構的多糖， 也呈現出不同的防腐蝕能力。但不同來源的EPS組分不同， 卻具有相似的官能團。Ghafari等研究發現， EPS中多糖類物質的羧基基團中含有C — O、 C=O鍵， 可以與鐵離子等金屬離子絡合形成致密的保護層。因此， EPS在金屬表面形成的鈍化保護層， 可能主要依賴其含有的官能團， 而非多糖的結構。此外， 胞外多糖中羧基、 糖醛酸和非碳水化合物取代基上的陰離子官能團， 如磷酸、 硫酸、 甘油、 丙酮酸、 丁二酸等也對鈍化保護層的致密性有貢獻。

    實際上， EPS與金屬離子的結合， 既可能加速腐蝕， 也可能延緩腐蝕。研究認為， 正是初期的快速腐蝕成就了后期EPS鈍化層的形成。Jin等研究發現， 在初期吸附階段， 由于EPS與Fe ³⁺ 不斷結合， 加速了陽極鐵的溶出從而促進腐蝕； 當吸附達到最大值， 且EPS與Fe ³⁺ 結合反應達到飽和時， 結合態EPS、吸附態EPS以及腐蝕產物組成的保護膜作為天然屏障阻礙了腐蝕反應的進行。

    目前只發現少數幾種微生物的EPS有防腐蝕效果， 且EPS并不是對所有的金屬都有防腐蝕作用。

    Stadler等開展了不同菌種EPS對純鐵、 碳鋼和不銹鋼的腐蝕影響實驗， 發現 Pseudomonas cichoriiEPS和Pseudomonas flava EPS對不銹鋼有較明顯的腐蝕抑制作用； D.vulgaris EPS 和 D.indonesiensisEPS對碳鋼有保護作用， 但對純鐵的腐蝕抑制作用不明顯。Eimutis等研究了Bacillus mycoides生物膜對鋁、 鋅和低合金的防腐蝕影響， 發現 Bacillusmycoides生物膜加速了鋅腐蝕， 減緩了鋁腐蝕， 對低合金并沒有明顯的影響。不同種類微生物EPS中的羥基、 羧基數量及結構位置不同， 可能是EPS與金屬離子結合存在差異的主要原因， 還有待進一步的深入研究。

    3.3.3 替代陽極

    EPS-Fe配合物中的一些主要官能團作為陽極電子受體參與界面電化學反應，通過阻擋并消耗電子受體而起到保護金屬基底的作用。Jin等研究了EPS中主要官能團在實驗前后的變化， 發現EPS浸涂鑄鐵試片后， C=O和C — （O，N） 官能團的數量減少， 而C — （C， H） 官能團數量有所上升。這可能是由于EPS中C=O和C — （O， N） 官能團， 替代原本的陽極金屬與陰極電子受體反應， 因此轉變為了C — （C， H） 鍵。目前關于這方面研究的報道還相對較少。

    4 發展方向與前景

    傳統的防腐措施大多利用含錫、 銅、 鋅等重金屬或揮發性有機物的涂料保護易腐蝕材料， 這些涂料雖然具有較好的防腐效果且易于應用， 但其同時具有危害人體健康和污染環境的潛在風險。因此，開發可再生的環境友好型防腐技術是目前的必然趨勢， MICI研究為開發新的腐蝕防護措施提供了新的思路和途徑。目前MICI的研究還有待深入， 未來應著重開展以下幾方面的研究：

    （1） 目前多數MICI研究主要集中在單一菌種生物膜對金屬的防腐蝕作用， 但實際， 生物膜中含有多種微生物， 其與金屬的相互作用機制更為復雜。未來應逐步開展微生物協同防腐蝕機理與機制的研究。

    （2） MICI是多個影響因素共同作用的結果， 如微生物呼吸作用、 代謝途徑、 分泌酶、 代謝副產物等，溫度、 pH、 碳源、 營養源、 溶解氧等環境條件以及金屬種類、 粗糙度等界面性質， 今后應加強上述因素對MICI的影響機制研究。

    （3） 在推廣應用方面， 應加強MICI的安全性、 工程性和可控性研究， 如生物膜及其微生物本身對水質的影響研究； EPS的工業化應用和生產研究； 不同金屬界面生物膜中優勢菌種的可控環境條件研究等。

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