从保护到腐蚀：海洋环境中玫瑰色假单胞菌生物膜修饰的腐蚀机制

《Bioelectrochemistry》：From protection to degradation: Roseovarius sp. biofilm-modified corrosion mechanisms in marine environment

　　摘要：本研究表明，能够在海洋环境中形成厚层生物膜的海洋细菌菌株Roseovarius sp.，会对所研究材料的腐蚀机制产生不同影响。对于那些以氧还原阴极反应为限制因素的易受全面腐蚀影响的钢材而言，生物膜似乎能提供有效保护。而通常具有良好电化学特性的不锈钢，在生物膜存在的情况下，其电化学性能会下降，这类钢材容易发生局部腐蚀，其限制因素往往是其致密的、富含铬的氧化层的低反应性。通过电化学阻抗谱分析得到的结果表明，这类钢材的点蚀敏感性显著增加。在生物膜生长一段时间后，其电荷转移电阻会与相同暴露时间下的碳钢的电阻值相当。尽管腐蚀机制有所不同，但两种类型的钢材在存在细菌生物膜时似乎都会面临相同的限制因素。

引言：在能源转型的背景下，材料的使用寿命对于减少其生产与维护过程中的排放至关重要。由于成分（尤其是盐度与微生物）的原因，海洋环境对金属材料具有极大的侵蚀性。然而，这些材料对于建造各种结构却极为重要，比如海上风力涡轮机、港口基础设施、桥梁、船舶以及沿海发电厂的冷却系统等[1]、[2]。氯化物对腐蚀的加速作用现已被充分了解，它通过破坏保护性氧化层并促进点蚀和缝隙腐蚀等局部腐蚀现象，尤其对不锈钢危害较大。海洋环境的复杂性还会引发一些意外现象，其中微生物引发的腐蚀现象不容忽视[3]。研究表明，微生物腐蚀导致的腐蚀损失占所有腐蚀相关损失的20%以上，给多个行业带来了巨大损失[3]、[4]。著名的微生物腐蚀案例包括2006年的普拉德霍湾石油泄漏事件以及深海海啸预警系统的腐蚀问题[5]。因此，深入理解这些复杂环境中的材料降解机制显得极为重要。腐蚀机制十分复杂，是由环境因素与材料本身的固有特性等多种因素共同作用的结果，而这些因素往往难以区分开来。某些具有强腐蚀性的细菌的出现，似乎与所研究材料表面先前形成的生物膜有关，这些生物膜会改变表面电解质的性质，进而影响腐蚀的动力学过程与机制[1]、[6]。值得注意的是，生物腐蚀并不被视为一种独立的腐蚀类型，而是由细菌活动引发的腐蚀反应中阳极或阴极动力学的改变。尽管金属表面与生物膜之间的相互作用极为重要，但目前相关研究仍不够充分，文献记载也相对较少。现有研究往往将细菌分为两类：一类会加速腐蚀[6]、[7]、[8]，另一类则能减缓腐蚀[1]、[6]、[9]、[10]、[11]、[12]。在第一类细菌中，有硫酸盐还原菌[7]、[8]、[13]以及电活性细菌[13]、[14]、[15]；在第二类细菌中，则有那些能在材料表面形成厚层且“惰性”生物膜的细菌[13]，这类生物膜会降低氧气到达材料表面的概率，从而通过限制阴极反应的动力学过程来降低腐蚀速率[1]、[6]、[9]、[10]、[11]、[12]。不过，这些相互作用实际上要复杂得多[6]、[16]。生物膜的影响至今仍不明确。多项研究表明，细菌生物膜会加速多种金属的腐蚀进程。例如，Zhou等人[17]发现，由绿脓杆菌形成的厚层生物膜会提高腐蚀速率。Zhang等人[18]也得到了类似结果，他们观察到，在普通脱硫弧菌形成生物膜后，304不锈钢的点蚀速率有所上升。Kalnaowakul等人[4]的研究也支持了这一结论，他们研究了厚度超过40微米的希瓦氏菌厚层生物膜，这种生物膜会导致点蚀深度增加6.7倍。学术界提出了多种机制来解释生物膜非均匀生长所带来的腐蚀速率上升现象，包括差异性气化细胞的形成[19]、[20]，胞外聚合物与金属阳离子之间的相互作用[21]、[22]，局部pH值下降[8]、[12]，高阴极活性物质的生成[19]，以及铁的直接氧化或还原[15]、[23]。相反，也有研究认为，厚层生物膜的形成反而会降低腐蚀速率，Ismail等人[24]就观察到了这一现象。他们通过电化学阻抗谱分析发现，极化电阻以及电阻行为都有显著提升，他们的研究强烈表明，脆弱假单胞菌的耗氧作用是导致腐蚀速率降低10倍的主要原因。这一结果与其他学者的假设一致[25]。此外，某些细菌还能产生胞外聚合物，这类物质能够干扰腐蚀机制。Mansfeld等人[26]利用枯草芽孢杆菌和大肠杆菌XLI在铝合金表面形成的生物膜进行实验，发现细菌产生的氨基酸聚合物及其他化学物质具有吸附型腐蚀抑制剂的作用。这一结论与其他针对铜镍合金与假单胞菌NCIMB 2021菌株开展的研究结果相符[11]。最后，Wikiel等人[22]发现，在海洋环境中，阿拉斯加脱硫弧菌在碳钢表面形成的生物膜会提高点蚀活性。他们在分析生物膜释放的蛋白质多样性后，检测到了含血红素的分子，这类分子被认为参与了电子传递过程，进而提升了局部腐蚀速率。这篇简短的文献综述凸显出生物腐蚀相关问题的复杂性。这一主题的复杂性源于其跨学科性质，尤其需要材料科学、电化学与微生物学等多领域的深入知识。本研究的总体目标是探究由海洋细菌菌株Roseovarius sp. VA014产生的生物膜，对两种不同材料的电化学行为所产生的影响，这两种材料分别是奥氏体不锈钢（316 L）与低碳钢（S355NL）。选择这两种材料是因为在海洋环境中，316 L的主要腐蚀形式为局部腐蚀[27]，而S355NL的腐蚀则相对均匀，不过低碳钢S355NL也可能出现局部腐蚀现象[28]。因此，在有氧海水中，低碳钢S355NL的限速腐蚀过程应为氧还原反应（阴极过程），而316 L不锈钢则由于存在高阻力的钝化膜，其限速过程为阳极反应。这可能导致两种材料在与相同生物膜相互作用时呈现出不同的反应特征。本研究中选择的海洋细菌菌株为Roseovarius sp. VA014，它是从法国大西洋沿岸分离得到的，以其能够形成厚层且致密的生物膜而闻名[29]。这是一种需氧的异养海洋细菌，属于阿尔法变形菌纲红细菌目，根据Dang等人的研究[30]，它通常是海洋环境中各种表面的初始定植菌。已知该菌能够产生胞外聚合物，这类物质在生物膜的形成与黏合过程中起着关键作用。该菌能够在静态或动态条件下，在玻璃、聚苯乙烯等不同非生物基质上形成厚度大、结构稳定的三维异质生物膜[29]。在持续的物质流动条件下，Roseovarius sp. VA014会形成结构松散的生物膜，其特征为密集的细胞聚集体。在静态条件下培养24小时后，这类生物膜的平均厚度可达31.1微米，覆盖率超过68%[29]。由于该细菌能够快速定植于表面并形成结构良好的生物膜，因此它是研究海洋生物膜形成初期阶段以及生物污损过程起始阶段的理想模型。虽然已有研究指出，微生物生物膜会根据细菌种类与环境条件的不同，要么降低要么升高碳钢的腐蚀速率，还会提高不锈钢的点蚀敏感性，但这些观察结果大多是基于不同的细菌种类与实验条件得出的。因此，目前尚不清楚在相同条件下，单一的海洋先驱细菌[29]是否会对不同合金产生相似或相反的影响。本研究旨在探讨Roseovarius sp. VA014生物膜对两种具有不同腐蚀模式的钢材的电化学行为的影响，这两种钢材分别为S355NL低碳钢（以均匀腐蚀为主）和316 L不锈钢（易发生局部腐蚀）。为此，研究人员让Roseovarius sp. VA014生物膜生长72小时，期间进行了多种电化学分析，包括开路电位测试、线性极化电阻测试以及电化学阻抗谱分析，同时还监测了溶解氧的浓度。最后，使用μ-拉曼光谱与光学显微镜对外部样品表面进行了表征。

材料部分：电化学实验是在经过过滤的自然海水中进行的，目的是模拟真实的海洋环境，以便研究海洋细菌形成的生物膜。共测试了两种电解质：一种是无菌的非生物自然过滤海水，称为“非生物环境电解质”；另一种是在其中加入了Roseovarius sp. VA014海洋细菌菌株的相同电解质，称为“生物环境电解质”。自然海水采集自法国拉罗谢尔的莱米尼姆港，经过0.2微米的过滤器过滤后得到。

316 L不锈钢/生物膜相互作用部分：本部分的研究目的是通过评估316 L不锈钢在非生物环境与生物环境中的特性，来分析生物膜发育对其电化学活性的影响。首先，图1-a展示了3天测试期间开路电位的变化情况，可以看出，在非生物环境中，开路电位大致保持恒定，约为-0.1伏特（相对于Ag/AgCl饱和电极）。而在生物环境中，开路电位则出现了初始下降。这一现象可能归因于……

结论部分：本研究揭示了生物膜发育对316 L不锈钢与S355NL低碳钢的不同影响。对于不锈钢而言，其表面被初始定植菌Roseovarius sp. VA014形成异质生物膜后，其极化电阻与电荷转移电阻均有所下降，这一结果与循环极化数据以及微观观察结果一致，这些数据与观察都表明该不锈钢的点蚀敏感性有所上升。相反，对于低碳钢而言，情况则有所不同……

作者贡献声明：Malo Duportal负责可视化处理、结果验证、研究监督、项目管理、方法设计、实验研究、资金申请、正式数据分析、数据整理、概念构思、论文修订与编辑以及初稿撰写工作；Trésor Manta负责方法设计、实验研究以及正式数据分析；Béatrice Colin负责结果验证、研究监督、方法设计、实验研究以及论文修订与编辑工作；Sophie Sablé负责研究监督、资源协调、方法设计、实验研究以及论文修订与编辑工作；Julia Vincent也参与了相关工作。

利益冲突声明：作者声明自己不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢：本研究得到了法国拉罗谢尔大学LUDI研究所（可持续智能滨海研究所）的支持，该机构为该项目提供了青年研究人员资助。

作者名单：Malo Duportal | Trésor Manta | Béatrice Colin | Sophie Sablé | Julia Vincent | Philippe Refait | Marc Jeannin
法国拉罗谢尔大学，LaSIE UMR-CNRS 7356，Michel Crépeau大道，拉罗谢尔17042邮编地区