微生物腐蝕是金屬劣化的一種常見(jiàn)形式，會(huì)對(duì)許多工業(yè)應(yīng)用產(chǎn)生負(fù)面影響，包括石油管道、海上平臺(tái)和船舶、核電站設(shè)施、醫(yī)療儀器，甚至空間站。目前含鐵金屬的微生物腐蝕模型表明，微生物主要通過(guò)間接機(jī)制在需氧條件下增強(qiáng)腐蝕，而厭氧腐蝕通常與厭氧呼吸更直接相關(guān)。希瓦氏菌MR-1是一種有吸引力的模型微生物，用于闡明每年對(duì)工業(yè)應(yīng)用造成數(shù)十億美元腐蝕損害的生物膜-金屬相互作用。已經(jīng)提出了沙雷菌增強(qiáng)腐蝕的多種機(jī)制，但這些機(jī)制以前都沒(méi)有用排除電子轉(zhuǎn)移替代途徑的方法進(jìn)行嚴(yán)格研究。研究發(fā)現(xiàn)在有氧條件下生長(zhǎng)的希瓦氏菌在不銹鋼試樣上形成厚的生物膜（~50μm），加速了對(duì)無(wú)菌對(duì)照的腐蝕。H2和核黃素被排除在中間電子載體之外，因?yàn)椴讳P鋼沒(méi)有減少核黃素，并且先前的研究表明不銹鋼不會(huì)產(chǎn)生H2。菌株ΔmtrCBA，其中希瓦氏菌中最豐富的孔蛋白-細(xì)胞色素導(dǎo)管的基因被刪除，在需氧培養(yǎng)中腐蝕不銹鋼的程度大大低于野生型。野生型生物膜在厭氧條件下以不銹鋼作為唯一電子供體很容易還原硝酸鹽，但菌株ΔmtrCBA沒(méi)有。這些結(jié)果表明希瓦氏菌可以直接消耗含鐵金屬的電子，并說(shuō)明金屬到微生物的直接電子轉(zhuǎn)移如何成為腐蝕的重要途徑，即使在有氧環(huán)境中也是如此。

Unisense 氧氣微電極系統(tǒng)的應(yīng)用

沙雷菌生物膜在LB瓊脂板上在30°C下生長(zhǎng)兩天，用于測(cè)量生物膜下方的氧氣濃度。使用尖端直徑為5μm的Unisense氧氣微傳感器（OX-5，Unisense A/S，Aarhus，Denmark）。傳感器的測(cè)量步徑為3μm，測(cè)量周期為1秒，測(cè)量之間的等待時(shí)間為3秒。SensorTrace Profiling軟件用于分析數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本論文研究了沙雷菌腐蝕不銹鋼的機(jī)制，不銹鋼是一種用于制造各種結(jié)構(gòu)和裝置的含鐵金屬。提供了通過(guò)孔蛋白-細(xì)胞色素復(fù)合物直接吸收電子的證據(jù)，并證明在好氧環(huán)境中生長(zhǎng)的微生物可以通過(guò)直接的金屬與微生物的電子交換來(lái)腐蝕金屬，這一發(fā)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)緩蝕策略具有重要意義。

圖1、沙雷菌菌株的生物膜、固著細(xì)胞計(jì)數(shù)、氧濃度、浮游細(xì)胞計(jì)數(shù)和NO 3-濃度。a孵育7天后316 L SS試樣表面上的固著細(xì)胞計(jì)數(shù)和生物膜厚度。b野生型S.oneidensis MR-1菌株的CLSM圖像。cΔmtrCBA應(yīng)變的CLSM圖像。d野生型沙雷菌MR-1菌株生物膜層中的氧氣濃度。e使用316 L SS試樣在整個(gè)7天孵育期間的浮游細(xì)胞計(jì)數(shù)。f NO 3-使用316 L SS試樣在整個(gè)7天孵育過(guò)程中的濃度。

圖2、各種沙雷菌菌株的腐蝕速率和歸一化腐蝕速率。在無(wú)菌LB培養(yǎng)基或含有兩種沙雷菌菌株之一的培養(yǎng)基中培養(yǎng)的316 L SS試樣隨時(shí)間的R p數(shù)據(jù)。b)R ct隨時(shí)間的變化。c)培養(yǎng)7天后測(cè)量的動(dòng)電位極化曲線。d從EIS測(cè)量中獲得的R ct數(shù)據(jù)以及在孵育7天后針對(duì)工作電極上的固著細(xì)胞數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的R ct。e)腐蝕電流密度(i corr)從動(dòng)電位極化曲線中獲得，i)對(duì)固著細(xì)胞數(shù)進(jìn)行了歸一化。f)在有或沒(méi)有各種沙雷菌菌株的LB培養(yǎng)基中孵育的316 L SS試樣的E OCP隨時(shí)間的變化。誤差線代表不同電化學(xué)玻璃電池中至少三個(gè)獨(dú)立試樣的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

圖3、浸泡7天后的代表性希爾伯特光譜。a在無(wú)菌LB培養(yǎng)基中。b在野生型S.oneidensis MR-1菌株接種培養(yǎng)基中第7天。c在ΔmtrCBA菌株接種培養(yǎng)基中。

圖4、由沙雷菌生物膜引起的點(diǎn)蝕。a浸入無(wú)菌LB培養(yǎng)基或接種兩種沙雷菌菌株之一的LB培養(yǎng)基7天后，316 L SS試樣表面的最大和平均凹坑深度。b浸入無(wú)菌LB培養(yǎng)基或接種兩種沙雷菌菌株之一的LB培養(yǎng)基后，在316 L SS試樣表面上觀察到的凹坑的深度和寬度。

圖5、用316 L SS試樣孵育7天后，對(duì)沙雷菌的OmcA缺陷菌株進(jìn)行電化學(xué)分析。a在具有316 L SS試樣的LB培養(yǎng)基中孵育不同的沙雷菌菌株后，R p隨時(shí)間的變化，b孵育7天后測(cè)量的動(dòng)電位極化曲線。

結(jié)論與展望

在這項(xiàng)研究中，研究人員使用跨學(xué)科方法來(lái)證明通過(guò)孔蛋白細(xì)胞色素導(dǎo)管直接吸收電子，這是一種通常與無(wú)氧呼吸相關(guān)的細(xì)胞外電子交換機(jī)制，可能是有氧環(huán)境中不銹鋼腐蝕的重要機(jī)制。直接電子吸收機(jī)制與先前記錄的有氧條件下的腐蝕途徑明顯不同。研究發(fā)現(xiàn)了一種以前未被認(rèn)識(shí)的有氧條件下金屬腐蝕的途徑，為金屬腐蝕生物膜的生態(tài)學(xué)提供了新的見(jiàn)解，這可能對(duì)指導(dǎo)新的腐蝕緩解策略的發(fā)展很重要。