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ESI論文：從生物能量學和生物電化學理解微生物腐蝕

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

研究背景

材料腐蝕在世界范圍內每年造成的損失高達4萬億美元。在我國，材料腐蝕造成的經濟損失占GDP的3.34%。微生物廣泛分布在油氣田、海洋環境、運輸管道、冷凝水系統等諸多工況環境中，造成的微生物腐蝕（MIC）現象相對隱蔽，難以檢測，因此導致的安全問題巨大。所以，微生物腐蝕研究已經是腐蝕科學的熱點之一，引起了學者們的極大關注。然而，微生物腐蝕屬于交叉學科，涉及到微生物學、材料學、電化學等，同時也是腐蝕科學的難點之一。遭受微生物腐蝕威脅的材料種類繁多，包括碳鋼、不銹鋼、鋁合金、鎂合金、銅、甚至混凝土等。腐蝕這些材料的微生物包括：硫酸鹽還原菌（SRB）、硝酸鹽還原菌（NRB）、鐵氧化細菌（IOB）、產酸菌（APB）、真菌、甚至古菌等。其中最受科研工作者關注的是硫酸鹽還原菌，關于它腐蝕性的報道已經有上百年的歷史了，但是其腐蝕機理目前還是個“謎”。

微生物腐蝕研究已有近百年的歷史，學者們提出許多理論來解釋微生物腐蝕的機理，然而這些理論都存在一定的局限性，未能清楚深刻地解釋微生物腐蝕的過程。真正取得實質性的突破并形成成熟的理論是在最近20年甚至是10年內發生的。在2009年，顧停月提出了生物催化陰極硫酸鹽還原理論（BCSR），首次從生物能量學角度，即微生物通過腐蝕金屬獲取維持其自身生存的能量來解釋硫酸鹽還原菌“為什么”腐蝕金屬。徐大可和顧停月通過細胞外電子傳遞證明了微生物“如何”腐蝕金屬。近年來，大量關于生物能量學和生物電化學的研究和報道逐漸使得該理論進一步完善。李迎超、徐大可、張達威、顧停月等2018年在《Journal of Materials Science & Technology》發表的文章Anaerobic microbiologically influenced corrosion mechanisms interpreted using bioenergetics and bioelectrochemistry: A review（34，2018：1713-1718），從生物能量學和細胞外電子傳遞的角度對微生物腐蝕進行了全面細致的總結。該文章入選ESI熱點論文和高被引論文。

MIC的基本理論

微生物腐蝕研究不可避免地需要面對兩個問題是：微生物為何造成腐蝕和微生物如何腐蝕。這篇綜述分別回答了這兩個問題，并基于此對微生物腐蝕進行了分類。

首先，生物能量學可合理解釋為何微生物要造成腐蝕。微生物在獲取代謝過程所需能量時，需要電子供體和電子受體兩類物質。一般來說，有機碳源可以為微生物提供電子。對于厭氧微生物而言，硫酸根、硝酸根等可以作為電子受體。這樣在有機碳源的氧化和無機鹽的還原過程中，微生物獲取電子在體內進行氧化還原反應并獲取能量。當微生物缺乏有機碳源作為電子供體時（生長在金屬表面的細菌生物膜），他們會尋找新的電子供體，就是鐵。此時，微生物在鐵的氧化（鐵發生腐蝕）和無機鹽的還原中獲得能量。微生物在此過程中分泌酶，使得這個雖然熱力學自發但動力學上緩慢的過程得到可控加速。

其次，微生物的生物電化學行為是造成腐蝕的關鍵。鐵并不能如其它有機碳源一樣進入微生物細胞內發生氧化并釋放電子。鐵在細胞外釋放的電子需要通過一些列的傳遞過程，進入到微生物細胞內，參與到無機鹽的還原反應中，這個過程被稱為細胞外電子傳遞（EET）。EET過程可以通過直接電子傳遞和間接電子傳遞兩種方式來實現。通過提高電子載體濃度來加速細胞外電子傳遞速率，可加速鐵的腐蝕過程。因此，電子在這個過程的傳遞速率影響著最終微生物腐蝕的速率，是整個腐蝕過程的控制步驟。

最后，根據微生物造成腐蝕過程和方式的不同對微生物腐蝕進行分類。若微生物造成腐蝕的過程中涉及到通過細胞外電子傳遞來獲得電子還原無機鹽，這種微生物腐蝕類型被稱為EET-MIC。通常此類微生物都具有電活性。值得注意的是，有些電活性微生物造成的腐蝕也并不屬于這個分類，例如硫酸鹽還原菌對于銅的腐蝕。此時，微生物造成腐蝕的原因是其代謝產物（Metabolite）的作用，此類微生物腐蝕被稱為M-MIC。造成M-MIC的微生物通常是進行產酸發酵代謝的產酸菌。可見，這種將微生物腐蝕分為EET-MIC和M-MIC的分類方法和判斷原則，在機理層面上更加準確，避免了混淆，使得人們對微生物腐蝕的認識更加直接，對微生物腐蝕的檢測和防治有重要的指導意義。

作者介紹

徐大可教授在中國科學院金屬研究所和東北大學王福會教授團隊從事微生物腐蝕的機理研究工作，在微生物腐蝕機理、抗菌材料和生物材料等方面做了大量的研究工作，以第一作者或通訊作者發表了50余篇高水平的學術論文，并獲得多項專利授權。他近期的研究工作更是從基因角度證實了細胞外電子傳遞是微生物腐蝕中的控制步驟，從而將微生物腐蝕的機理研究提升到分子水平，為研究電活性微生物的腐蝕機理奠定了理論基礎，同時為微生物腐蝕的檢測提供了新思路。李迎超在中國石油大學（北京）的油氣裝備材料失效與腐蝕防護北京市腐蝕重點實驗室陳長風教授課題組進行石油裝備材料的微生物腐蝕與防護工作。張達威教授在北京科技大學新材料研究院李曉剛教授團隊工作，主要研究方向為耐蝕新材料的失效機理。在文章的撰寫過程中，主要作者結合在各自科研和工程應用工作中的體會，深刻認識到只有當微生物腐蝕機理等科學問題得到闡明和解釋后，材料的微生物腐蝕防護工作才能有突破性進展。

貢獻與展望

這篇文章是第一篇從生物能量學和生物電化學的角度對微生物腐蝕機理進行闡述的綜述性文章，是對傳統微生物腐蝕理論的一次升級，使人們對于微生物腐蝕的認識更加系統準確，將微生物腐蝕聚焦在細胞外電子傳遞等關鍵科學問題上，對更加有的放矢地進行微生物腐蝕研究具有重要意義。本文發表后受到了腐蝕科學界的廣泛關注。微生物腐蝕的研究需要腐蝕、微生物、電化學、材料等多領域的專家學者跨學科背景和跨行業地通力合作和不斷交流，這樣才可以打破微生物腐蝕研究中的知識壁壘，把我國的微生物腐蝕研究領域推進到一個新的高度。