用于防腐蚀的活共生生物膜

《npj Biofilms and Microbiomes》：Living commensal biofilms for corrosion prevention

　　

摘要

腐蚀每年给全球造成2.5万亿美元的损失，其中大部分源于由硫酸盐还原菌（SRB）引发的微生物腐蚀（MIC）。现有的减灾策略依赖于杀菌剂或聚合物涂层，但这些方法不仅成本高昂，还会对生态环境造成破坏。本文提出了一个包含微生物组工程、生物钝化、共生菌拮抗作用及可持续性四个方面的综合框架。我们将“微生物主导”（microbioclaim）定义为一种生物介导的生态控制机制，通过该机制，共生菌形成的生物膜能够对金属表面产生保护作用。以铜（Cu）作为模型金属，我们发现Citrobacter菌株MICI21在与Oleidesulfovibrio alaskensis菌株G20共培养的情况下能形成共生生物膜，从而显著降低硫酸盐还原菌引发的腐蚀。实验表明，MICI21菌株使金属的抗腐蚀性提高了3至15倍；多种表征方法证实了这种以MICI21为主导的生物膜具有较高的致密性，能够有效阻挡硫化物侵入、抑制腐蚀坑的形成，并具备较高的硬度（约0.8 GPa）。分析结果显示，这种效应得益于铜离子与生物膜中的多糖物质（EPS）之间的相互作用、对硫酸盐还原菌的竞争性排斥作用，以及Citrobacter基因组中存在的具有拮抗潜力的VI型分泌系统（T6SS）。进一步实验表明，即使在没有活菌的情况下，仅使用从Citrobacter菌株中提取的EPS涂抹在铜表面上，也能使表面在3.5%的NaCl溶液中发生钝化。综上所述，这项研究将微生物组工程确立为制备功能性生物涂层的设计原理。