在由Nitratidesulfovibrio vulgaris Hildenborough引起的微生物腐蚀过程中，氢化酶的非关键作用：对阴极去极化理论的挑战

《Journal of Materials Science & Technology》：Non-essential role of hydrogenases in microbiologically influenced corrosion by Nitratidesulfovibrio vulgaris Hildenborough: Challenging the cathodic depolarization theory

微生物腐蚀中硫酸盐还原菌氢酶作用及阴极去极化理论争议研究。氢酶缺失突变体仍导致显著腐蚀，HydAB基因过表达促进铁腐蚀。生物膜影响金属-溶液界面化学，氢去极化非唯一机制。

　　微生物腐蚀（MIC）是指微生物在金属表面通过代谢活动引发的腐蚀现象。这种腐蚀在中性环境中尤为显著，尤其是在缺氧条件下，如水下或金属管道内部等场景中。其中，硫酸盐还原菌（SRB）被认为是MIC的主要贡献者之一，特别是在石油和天然气工业中，其对金属腐蚀的影响尤为突出。SRB之所以在这一领域具有重要作用，是因为它们具备高效的硫酸盐还原能力，对金属具有明确的腐蚀活性，并且能够利用先进的遗传工具进行机制研究。这些微生物通过生物化学反应获取能量，以硫酸盐为最终电子受体，将其还原为硫化物，同时使用自然有机化合物作为电子供体，这些有机化合物在反应过程中被氧化为二氧化碳。

SRB引起的金属腐蚀不仅对经济造成重大影响，还引发了对腐蚀机制的深入研究。长期以来，科学界提出了多种理论来解释SRB与金属之间的相互作用，其中包括King提出的铁硫化物腐蚀机制、阳极去极化理论、铁结合的胞外聚合物理论、硫化物和氢气诱导的应力腐蚀裂纹理论，以及生物催化阴极硫酸盐还原理论。其中，阴极去极化理论（CDT）是最早被提出的经典解释之一，由von Wolzogen Kühr和van der Vlugt于1934年提出。该理论认为，金属铁在水中会释放正离子，这些离子的流失导致自由电子的积累，这些自由电子进一步用于水中的质子还原，从而生成氢气。如果没有微生物存在，这些氢气会在金属表面形成一层“氢气膜”，阻碍了进一步的质子还原，进而抑制了铁的溶解，这种现象被称为“极化”。

然而，当SRB存在时，这些微生物利用其固有的氢化酶活性去除金属表面积累的氢气，并进一步将硫酸盐还原为硫化物，从而加速了金属的腐蚀。考虑到碳酸氢盐在许多水环境中的普遍存在，整个反应过程可以表示为一个综合的化学反应式。这个反应式表明，硫化物与来自金属溶解的Fe2?相互作用，导致了电子的消耗，从而进一步促进了金属的腐蚀。尽管CDT理论在科学界得到了广泛的认可和引用，但近年来，随着研究的深入，其原始解释的正确性受到了质疑。例如，一些研究指出，腐蚀产生的硫化物可能是降低电位的关键因素，而非微生物直接作用的结果。此外，有研究认为，SRB生成的生物铁磷化物是导致MIC的主要原因。

为了验证这些理论，研究者们进行了大量的实验研究。早期的研究通过使用具有氢化酶活性的SRB和极化方法来支持CDT理论。此外，Iverson通过使用苯基亚胺（一种电子受体）和具有氢化酶活性的Desulfovibrio desulfuricans，展示了氢气的去除如何直接支持CDT理论。然而，随着时间推移，CDT理论的正确性逐渐受到挑战，特别是在电化学层面。一些研究指出，CDT理论在理论上存在根本性的缺陷，并且氢气的去除并不是限制腐蚀速率的关键步骤。此外，比较分析表明，具有氢化酶活性的SRB菌株并不比缺乏氢化酶的菌株在金属腐蚀速率上有明显的优势。最近的研究进一步表明，缺乏氢化酶的SRB在以零价铁为唯一电子供体的情况下无法进行硫酸盐的还原，但仍然能够引起显著的金属腐蚀。

尽管零价铁与常见的工程金属在性质上存在显著差异，其微生物腐蚀机制也有所不同，但这些发现提示我们，氢化酶可能并非SRB引起金属腐蚀的关键因素。然而，为了进一步验证这一观点，研究者们仍然需要通过基因手段灭活氢化酶，并使用真实的工程金属建立微生物腐蚀模型，从而评估CDT理论的正确性。

在本研究中，我们重点探讨了某些氢化酶在硫酸盐还原菌NvH（Nitratidesulfovibrio vulgaris Hildenborough）引起铁腐蚀中的关键作用。我们采用了一种跨学科的方法进行研究，特别是在获取了一种不含所有标注氢化酶基因的NvH突变株后，我们能够从分子生物学的角度对CDT理论进行深入分析。根据CDT理论，我们预期氢化酶的缺失会终止NvH引起的MIC过程。然而，研究结果表明，即使在缺乏氢化酶的情况下，NvH仍然能够引发显著的金属腐蚀，这提示我们，氢化酶可能并不是MIC过程中的关键因素。

此外，本研究还发现，在碳源匮乏的条件下，NvH引起的金属腐蚀速率显著增加。这与之前的研究结果一致，表明NvH在碳源匮乏时对金属的腐蚀能力更强。同时，我们在NvH中观察到氢化酶基因的转录水平显著上调，特别是HydAB基因。HydAB基因的过表达显著促进了[FeFe]氢化酶活性，从而加速了微生物腐蚀过程。这些发现进一步支持了我们对MIC机制的深入理解，特别是在SRB与金属之间的相互作用方面。

微生物腐蚀过程是一个复杂的生物化学和环境交互过程，涉及到微生物、材料和环境之间的动态关系。生物膜在这一过程中扮演了关键的中介角色，它们能够改变金属与溶液之间的界面特性，包括局部化学环境（离子浓度、pH值、氧气含量）等。这些变化可能使金属从被动腐蚀状态转变为活跃腐蚀状态，从而加速了腐蚀过程的发生。此外，生物膜还能够影响微生物的代谢活动，包括氢气的产生和消耗，以及硫化物的生成和沉积，这些因素共同作用，形成了复杂的腐蚀机制。

在本研究中，我们通过实验方法和分子生物学手段，系统地分析了NvH在不同条件下对金属腐蚀的影响。我们发现，在碳源匮乏的条件下，NvH的腐蚀能力显著增强，这可能与微生物代谢活动的改变有关。同时，我们还观察到氢化酶基因的表达水平显著上调，特别是HydAB基因。这一发现提示我们，HydAB基因可能在MIC过程中起到了关键作用。为了进一步验证这一观点，我们进行了基因修饰实验，通过删除所有标注的氢化酶基因，观察其对金属腐蚀的影响。结果表明，即使在缺乏氢化酶的情况下，NvH仍然能够引发显著的金属腐蚀，这进一步支持了我们对氢化酶并非MIC关键因素的观点。

此外，我们还探讨了NvH在不同环境条件下的微生物腐蚀机制。通过使用不同的培养基和环境条件，我们发现，NvH在碳源匮乏的条件下对金属的腐蚀能力显著增强。这可能与微生物代谢活动的改变有关，特别是在氢气的产生和硫化物的沉积方面。同时，我们还发现，NvH在碳源匮乏的条件下能够显著上调其氢化酶基因的表达水平，特别是HydAB基因。这一发现提示我们，HydAB基因可能在MIC过程中起到了关键作用。

在本研究中，我们还探讨了NvH在不同环境条件下的微生物腐蚀机制。通过使用不同的培养基和环境条件，我们发现，NvH在碳源匮乏的条件下对金属的腐蚀能力显著增强。这可能与微生物代谢活动的改变有关，特别是在氢气的产生和硫化物的沉积方面。同时，我们还发现，NvH在碳源匮乏的条件下能够显著上调其氢化酶基因的表达水平，特别是HydAB基因。这一发现提示我们，HydAB基因可能在MIC过程中起到了关键作用。

本研究的结果不仅加深了我们对MIC机制的理解，还为未来相关研究提供了新的视角。通过分析NvH在不同条件下的微生物腐蚀行为，我们发现，氢化酶可能并非MIC的关键因素，但其在某些特定条件下仍然能够影响腐蚀速率。这些发现为微生物腐蚀的控制和防护提供了新的思路，特别是在工程金属和水下结构的保护方面。

此外，本研究还强调了基因工程在微生物腐蚀研究中的重要性。通过基因手段灭活氢化酶，并使用真实的工程金属建立微生物腐蚀模型，可以更准确地评估CDT理论的正确性。这些方法不仅有助于理解微生物腐蚀的机制，还能够为开发新的防腐技术提供理论支持。在实际应用中，这些研究结果可以为石油、天然气、水下管道等领域的防腐措施提供科学依据，帮助减少因微生物腐蚀造成的经济损失和安全隐患。

总的来说，本研究通过对NvH的基因修饰和实验分析，揭示了某些氢化酶在微生物腐蚀过程中的作用，同时也挑战了CDT理论的原始解释。这些发现不仅有助于理解微生物腐蚀的机制，还为未来相关研究提供了新的方向。通过深入研究微生物与金属之间的相互作用，我们可以更好地掌握微生物腐蚀的规律，从而为工程实践提供有效的解决方案。