TC4钛合金上由铜绿假单胞菌FAD介导的细胞外电子传递驱动的钝化膜降解

《Corrosion Communications》：Passive film degradation on TC4 titanium alloy driven by FAD-mediated extracellular electron transfer of Pseudomonas aeruginosa

　　

本研究探讨了外源电子穿梭体黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）在铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）生物膜存在下对TC4钛合金腐蚀行为的影响。结果表明，FAD的添加增强了生物体系中TC4的局部腐蚀。浸泡14天后，生物+FAD体系中最大点蚀深度、腐蚀电流密度和钝化膜施主密度分别增加至无FAD生物体系的1.17倍、1.22倍和1.20倍。这表明FAD促进了点蚀扩展、阳极溶解和施主型缺陷积累。电化学测量和Mott-Schottky分析表明，FAD作为电子穿梭体，增强了生物膜/钝化膜界面处的细胞外电子传递，加速了界面电荷转移，并降低了钝化膜稳定性。进一步表征显示，P. aeruginosa优先定殖于晶界区域，并通过FAD介导的电子穿梭作用促进TiO₂钝化膜的价态还原、局部溶解和减薄，最终导致点蚀萌生和扩展。本研究为电子穿梭体在调控钛合金微生物影响腐蚀（MIC）中的作用提供了新见解，并为制定相应的防护策略提供了指导。

论文解读：钛合金因其高比强度、良好的生物相容性和优异耐蚀性，在航空航天、海洋工程和生物医学领域广泛应用。其耐蚀性主要依赖于表面自发形成的稳定致密TiO₂钝化膜。然而，在海洋服役条件下，Cl^-侵蚀、溶解氧波动、pH变化及微生物定殖共同改变钝化膜/溶液界面的局部化学和电化学状态，导致钝化膜失稳并诱发点蚀、缝隙腐蚀等局部腐蚀。微生物影响腐蚀（MIC）机制传统上分为代谢物介导腐蚀和细胞外电子传递（EET）介导腐蚀。电活性微生物可通过直接接触或可溶性氧化还原介体跨生物膜/金属界面转移电子，改变界面电荷转移行为，加速阳极溶解并削弱钝化膜保护性。铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）作为典型海洋环境先锋成膜菌，可通过吩嗪、黄素等可溶性电子穿梭体介导间接电子传递。黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）是一种代表性黄素基氧化还原辅酶，通过可逆FAD/FADH₂氧化还原电对介导界面电子转移。已有研究主要集中于Fe、Cr氧化物钝化膜覆盖的碳钢和不锈钢，对于依赖TiO₂钝化膜的钛合金，FAD对钝化膜半导体性质、点缺陷浓度、价态结构和厚度的影响尚不明确。TC4是海洋工程常用α+β双相钛合金，其晶界和相界因元素偏析、晶格畸变和电化学不均一性，可能成为微生物优先附着和点蚀萌生位置。本研究以TC4钛合金为模型材料，P. aeruginosa为典型腐蚀微生物，系统研究外源电子穿梭体FAD对MIC行为和钝化膜降解机制的影响。
研究人员开展了一系列实验。首先，采用场发射扫描电镜（FE-SEM）、电子背散射衍射（EBSD）和X射线衍射（XRD）表征TC4显微组织，确定α/β相比例和晶界分布。将TC4样品分别置于无菌、生物（含P. aeruginosa）及生物+10 ppm FAD的LB-NO₃培养基中浸泡1~14天，通过pH和生长曲线监测细菌代谢，利用SEM和共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）观察生物膜形态与厚度，原子力显微镜（AFM）表征表面粗糙度，三维光学轮廓仪测量点蚀形貌和深度。电化学测试包括开路电位（OCP）、线性极化电阻（LPR）、动电位极化、电化学阻抗谱（EIS）和Mott-Schottky（M-S）分析，评估界面电荷转移和钝化膜施主密度。X射线光电子能谱（XPS）深度剖析分析元素价态和膜厚，聚焦离子束扫描透射电镜（FIB-STEM）观察局部膜厚变化，扫描开尔文探针力显微镜（SKPFM）测量细菌附着位点电位分布。所有实验设置三个平行样，数据以均值±标准差表示。
研究结果如下：
（1）显微组织：TC4由95.8% α-Ti和4.2% β-Ti组成，β相沿晶界和相界分布，形成局部电化学异质性，为P. aeruginosa优先附着提供结构基础。
（2）细菌培养：14天内培养基pH从初始升至约8.4，无菌对照稳定在7.2，排除酸化主导的MIC机制。FAD不显著改变细菌生长趋势。
（3）生物膜表征：FAD添加后7天生物膜更致密连续，平均厚度从24.4 μm增至28.6 μm；14天因衰亡期部分脱落，厚度降至17.2 μm（无FAD）和（有FAD时）未显著缩短。FAD促进早期生物膜形成。
（4）表面粗糙度：FAD添加使7天Ra从10.4 nm增至13.1 nm，Rq从18.5 nm增至24.1 nm；14天均下降，与生物膜部分脱落一致。
（5）点蚀形貌：无菌体系（有无FAD）点蚀轻微，最大深度0.96和1.22 μm；生物体系最大深度3.41 μm，点蚀密度28.8 pits·cm^-2；生物+FAD体系进一步增至4.0 μm和37.7 pits·cm^-2，深度为生物体系的1.17倍，密度增加约30.9%。FAD仅在有微生物时发挥腐蚀促进作用。
（6）电化学行为：OCP在无菌体系中稳定于-150 mV，生物体系负移至-350 mV，加FAD后进一步降至-400 mV，表明FAD增强热力学腐蚀倾向。LPR显示14天后生物体系R_p降至1.26 MΩ·cm²（无菌为4.31 MΩ·cm²），加FAD后进一步降至0.73 MΩ·cm²。极化曲线拟合的腐蚀电流密度i_corr：无菌25 nA·cm^-2，生物61.6 nA·cm^-2，生物+FAD 75 nA·cm^-2（分别为无菌的2.46和3.00倍）。EIS显示生物+FAD体系电容弧半径最小，低频阻抗模量在0.01 Hz降至2.11×10⁵ Ω·cm²，仅为生物体系的76%；拟合电荷转移电阻R_ct从无菌11.69 MΩ·cm²降至生物4.979 MΩ·cm²，进一步加FAD后降至2.651 MΩ·cm²。
（7）钝化膜组成与结构：XPS深度剖析显示，无菌体系表面TiO₂含量72%，生物体系降至65%，加FAD后进一步降至60%，同时Ti₂O₃和金属Ti比例增加。溅射至15 nm深度时，无菌体系TiO₂仍占34%，而生物和生物+FAD体系仅18%和17%；生物+FAD体系金属Ti比例54%，远高于无菌的35%。钝化膜厚度按无菌(12.9 nm)>生物(7.6 nm)>生物+FAD(6.9 nm)顺序递减。FIB-STEM证实单个细菌附着区域下方钝化膜显著薄于未附着区域，局部降解特征明显。
（8）M-S分析与点缺陷模型（PDM）：所有条件下钝化膜呈n型半导体，施主密度N_d在无菌体系中随时间下降（1天2.52×10¹⁹ cm^-3至4天1.70×10¹⁹ cm^-3），生物体系持续上升至14天3.66×10¹⁹ cm^-3，生物+FAD体系最高达4.39×10¹⁹ cm^-3，为生物体系1.20倍。PDM表明Cl^-与氧空位结合，促进肖特基反应产生更多钛离子空位，空位在金属/膜界面聚集形成空隙，驱动点蚀稳定扩展。FAD增强电子传递，加速缺陷生成，使缺陷生成速率远超湮灭速率。
（9）EBSD和SKPFM：EBSD显示P. aeruginosa优先定殖于晶界区域，晶界高表面能和电化学活性利于附着。SKPFM测得细菌附着位点附近伏打电位下降331.9 mV，表明局部电子转移活跃，降低钝化膜稳定性。电子通过TiO₂、Ti₂O₃、TiO半导体路径传输至膜表面，再经FAD穿梭至细菌呼吸链，促进Ti⁴⁺还原为低价态溶解性化合物。
讨论部分总结：研究提出整合优先附着、缺陷诱导失稳和FAD增强电子传递的EET驱动MIC机制。P. aeruginosa在晶界优先附着引发局部钝化膜失稳，FAD作为可溶电子穿梭体循环氧化还原，增强生物膜/钝化膜界面电化学活性，加速TiO₂还原、施主缺陷积累和局部溶解。结论强调FAD本身不是腐蚀剂，但在活性微生物存在时显著加剧TC4局部腐蚀。
该研究系统揭示了外源电子穿梭体FAD在铜绿假单胞菌诱导TC4钛合金钝化膜降解中的关键作用，通过多尺度表征和电化学分析明确了电子传递、缺陷化学和局部溶解的耦合机制，为评估海洋环境中钛合金MIC风险和开发抑制电子穿梭或增强膜稳定性的防护策略提供理论基础。论文发表在《Corrosion Communications》。