1 前言

    生物膜是一群嵌入在自身所產(chǎn)生的胞外聚合物（EPS） 中、聚集在一起并不可逆地吸附在基底或界面上的固著態(tài)微生物群落。除了水和細(xì)菌外，生物膜中還包括EPS、吸附的營養(yǎng)物質(zhì)、細(xì)菌的代謝產(chǎn)物以及裂解產(chǎn)物等。

    生物膜作為地球上記錄最早、最成功的一種生命形式，可以存在于幾乎所有的物體表面，如巖石、沉積物、土壤、皮膚、牙齒以及各類人工構(gòu)筑物等。自首次發(fā)現(xiàn)并描述了假牙上牙垢生物膜后，人類對(duì)生物膜的不利影響有了較為深入的了解和認(rèn)識(shí)。如工業(yè)冷卻水系統(tǒng)中，黏附在凝汽器表面的生物膜會(huì)降低傳熱效率、增加水泵能耗；生活飲用水系統(tǒng)中，管壁生物膜會(huì)導(dǎo)致輸配水管網(wǎng)消毒效率下降、水質(zhì)惡化；牙齒表面，牙菌斑生物膜可誘發(fā)齲病和牙周病等。在材料領(lǐng)域，在各類金屬構(gòu)筑物、輸配水管道管件以及設(shè)備中，生物膜的形成和生長往往會(huì)引發(fā)微生物腐蝕從而加速金屬的腐蝕進(jìn)程。1892 年Garrett發(fā)表了第一篇關(guān)于微生物腐蝕（MIC） 的文章；其后，多數(shù)研究人員主要致力于微生物腐蝕機(jī)理及其控制方法的研究。然而近年來新的研究發(fā)現(xiàn)，某些生物膜不僅沒有加劇金屬的腐蝕，反而起到了抑制腐蝕、保護(hù)金屬的作用。本文闡述了微生物防腐蝕（MICI） 的研究現(xiàn)狀與機(jī)理，指出了目前存在的問題以及未來的發(fā)展方向，以期對(duì)MICI的相關(guān)研究提供參考。

    2 微生物防腐蝕研究現(xiàn)狀

    微生物具有防腐蝕效果的概念在1988 年首次由Pedersen 等提出。其后幾年，一些學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)相繼證實(shí)了MICI 的存在。Earthman 等發(fā)現(xiàn)好氧菌Pseudomonas fragi 和兼性好氧菌Escherichiacoli DH5α生物膜在氧氣充足的條件下均可抑制碳鋼1018 的腐蝕；Jayaraman 等發(fā)現(xiàn)，短芽孢桿菌生物膜在厭氧環(huán)境中可以阻止硫酸鹽還原菌的生長并降低了碳鋼和不銹鋼的腐蝕。Dubiel 等研究了鐵還原菌對(duì)金屬的腐蝕影響，發(fā)現(xiàn)在厭氧鐵還原菌單獨(dú)存在的情況下可抑制金屬腐蝕。Zuo 等也有類似的發(fā)現(xiàn)。Ornek 等發(fā)現(xiàn)枯草芽孢桿菌生物膜對(duì)鋁合金2024 有較明顯的緩蝕作用。相關(guān)研究認(rèn)為，生物膜、微生物及其代謝產(chǎn)物可以降低某些腐蝕正相關(guān)參數(shù)，如O2含量、電子轉(zhuǎn)移速率、鐵釋放速率等。

    金屬界面微生物膜所形成的天然屏障，被認(rèn)為是MICI 的主要作用機(jī)制，而EPS 中含有多糖、蛋白質(zhì)、脂肪酸以及無機(jī)物等其他小分子化合物，有助于生物膜的形成，因此多數(shù)研究主要集中在EPS 防腐蝕方面。Stadler 等研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌分泌的EPS 中含有葡聚糖，可以防止金屬腐蝕，并通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)Desulfovibrio vulgaris 的EPS 能夠通過抑制微生物附著和生物膜消耗氧氣兩方面作用抑制低碳鋼的腐蝕。隨后的另一研究也證實(shí)，高合金鋼上涂有EPS的區(qū)域，微生物數(shù)量明顯少于未涂EPS 的區(qū)域。Roux 等研究了胞外多糖EPS180 對(duì)混凝土中鋼筋腐蝕的影響，結(jié)果表明，在水泥中添加EPS180 后，鋼筋的抗腐蝕性能增強(qiáng)。Finkenstadt 等也發(fā)現(xiàn)提純的Leuconostoc mesenteroides 的EPS 對(duì)低碳鋼具有保護(hù)作用。Dong 等在研究中提出：由嗜熱硫酸鹽還原菌分泌的EPS 吸附在金屬表面，可以阻礙陰極吸氧反應(yīng)的發(fā)生，從而減緩金屬腐蝕。

    國內(nèi)對(duì)微生物防腐蝕的研究處于起步階段。杜向前發(fā)現(xiàn)海洋好氧生物膜抑制鋁合金腐蝕。并且鐵還原菌Shewanella.algae Y01 的生物膜減緩了316L不銹鋼的腐蝕。劉彬等進(jìn)一步通過動(dòng)電位極化曲線發(fā)現(xiàn)，天然海水微生物膜通過抑制陽極反應(yīng)而抑制了不銹鋼點(diǎn)蝕的發(fā)生。李付紹等發(fā)現(xiàn)：硫酸鹽還原菌（SRB） 雖然能使不銹鋼發(fā)生點(diǎn)蝕，但SRB 生物膜能保護(hù)點(diǎn)蝕以外完好的表面。Jin 等將再生水管壁上的生物膜收集培養(yǎng)，對(duì)比加入不同濃度EPS 的再生水對(duì)鑄鐵片的腐蝕影響，結(jié)果表明EPS對(duì)鑄鐵有防腐蝕作用；同時(shí)，培養(yǎng)時(shí)間的長短可以影響防腐蝕效果。

    3 微生物防腐蝕機(jī)理

    3.1 分泌緩蝕劑和抗菌劑

    生物膜中的某些微生物可分泌緩蝕劑或抗菌劑，從而減緩金屬的腐蝕。Jayaraman 等研究發(fā)現(xiàn)，枯草芽孢桿菌（Bacillus licheniformis） 分泌的聚合谷氨酸酯（γ-polyglutamate） 和地衣芽孢桿菌（Bacillussubtilis） 分泌的聚天冬氨酸（polyaspartate） 均對(duì)鋁2024 有緩蝕作用；其中聚合谷氨酸酯可使鋁合金2024 的腐蝕速率減緩90%。聚合谷氨酸酯和聚天冬氨酸的結(jié)構(gòu)中都含有鋁螯合羧基團(tuán)，這種羧基團(tuán)可以與鋁結(jié)合生成鋁/陰離子多肽氧化膜，阻隔微生物的黏附與侵蝕作用并減少界面上的電子傳輸，從而減緩鋁合金的腐蝕，如圖1。

    短芽孢桿菌（Bacillus Brevis） 分泌的短桿菌肽-S （gramicidin S），是一種環(huán)狀肽類抗生素，主要抑制革蘭氏陽性菌，可以阻止SRB的生長并且降低碳鋼和不銹鋼的腐蝕速度，如圖2。Zuo 等研究發(fā)現(xiàn)，碳鋼表面附著短芽孢桿菌生物膜后，在有SRB的環(huán)境中，碳鋼表面未發(fā)現(xiàn)鐵硫化合物，也很少有SRB 附著，同時(shí)碳鋼的腐蝕速率也降低了2~10 倍；說明其分泌物短桿菌肽-S 通過抑制SRB 在碳鋼表面的附著減緩了碳鋼的腐蝕。

    3.2 消耗陰極去極化劑

    在好氧條件下，好氧微生物和一些兼性微生物能夠通過呼吸作用，減少金屬表面的氧氣等電子受體，阻礙陰極去極化過程而抑制金屬的腐蝕。Jayaraman 等研究發(fā)現(xiàn)，好氧菌Pseudomonas fragi和兼性好氧菌Escherichia coli DH5α可使碳鋼1018的腐蝕速率降低約10~20 倍；同時(shí)，與加入氯霉素滅活的實(shí)驗(yàn)組對(duì)比，在氧氣充足的條件下，滅菌的實(shí)驗(yàn)組中，碳鋼1018 的腐蝕速率高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。上述實(shí)驗(yàn)說明了微生物呼吸作用的重要性，Pseudomonasfragi 等細(xì)菌通過呼吸作用消耗氧氣，使金屬與水體交界處形成缺氧區(qū)，同時(shí)EPS 阻止外界氧氣進(jìn)入，減少了陰極去極化劑氧氣的數(shù)量，從而抑制了碳鋼的腐蝕。Jayaraman 等進(jìn)一步采用15 種不同的純化菌株（分屬于7 類菌屬，均能夠形成生物膜），研究在混合LB 培養(yǎng)基中和人工海水VNSS 培養(yǎng)基中SAE 1018 碳鋼的腐蝕行為；結(jié)果表明，生物膜的形成對(duì)SAE 1018 碳鋼腐蝕的抑制作用是一種普遍的現(xiàn)象，并且生物膜的性質(zhì)（例如致密的生物膜和稀疏的生物膜等） 決定其腐蝕抑制程度。Dubiel 等也發(fā)現(xiàn)，鐵還原菌通過呼吸作用可以抑制金屬腐蝕。鐵還原菌將腐蝕產(chǎn)物中的Fe （III） 作為電子受體，將Fe （III） 還原為Fe （II），F(xiàn)e （II） 繼續(xù)與氧氣發(fā)生反應(yīng)，直至將氧氣消耗盡。同時(shí)，Lee等發(fā)現(xiàn)形成的二價(jià)鐵氧化物也對(duì)金屬起到保護(hù)作用。鐵還原菌間接地通過Fe （II） 消耗氧氣減少電子受體數(shù)量而達(dá)到防腐蝕的效果。Dong 等研究不同溫度條件下，嗜熱SRB及其代謝分泌物對(duì)碳鋼腐蝕行為的影響，發(fā)現(xiàn)細(xì)菌生長代謝消耗碳鋼試片表面的溶解氧并有效地減少了陰極反應(yīng)，同時(shí)生物膜的形成也阻礙了陽極溶解。

    消耗電子受體的過程很大程度上依附于生物膜中活細(xì)胞的數(shù)量，因此對(duì)于微生物直接參與并起主要作用的MICI 過程，微生物的代謝活性十分重要。此外，生物膜內(nèi)微生物數(shù)量及其生長代謝速率受溫度、pH 值、溶解氧、碳源及營養(yǎng)物等環(huán)境條件的制約，因此，不同環(huán)境條件下，生物膜中微生物組成、結(jié)構(gòu)與代謝活性不同，防腐蝕效果也存在差異。

    3.3 EPS防腐蝕

    3.3.1 抑制微生物附著。Stadler 等發(fā)現(xiàn)，從脫硫弧菌（Desulfovibrio vulgaris） 中提取的EPS 有抑制脫硫弧菌附著于金屬表面的能力，脫硫弧菌是化能有機(jī)營養(yǎng)型或混合營養(yǎng)型，是腐蝕菌SRB的一種。熒光顯微鏡（FM） 觀察結(jié)果表明，在涂有EPS的高合金表面很少有脫硫弧菌附著，而沒有涂EPS的高合金表面則附著大量的脫硫弧菌。EPS在金屬表面形成的非均勻膜，可以有效的阻隔細(xì)菌與金屬基底的黏附作用，從而減緩MIC的發(fā)生。

    目前，關(guān)于EPS 抑制微生物附著的機(jī)理并不是很明確，有研究認(rèn)為，可能與群體感應(yīng)有關(guān)。群體感應(yīng)是指細(xì)菌能自發(fā)產(chǎn)生、釋放一些特定自身誘導(dǎo)物質(zhì)（auto-inducer AI） 的信號(hào)分子，并能感知其濃度變化、調(diào)節(jié)微生物的群體行為的調(diào)控系統(tǒng)，像分泌胞外聚合物、芽孢形成、菌體發(fā)光、色素產(chǎn)生、抗生素形成，尤其在生物膜的發(fā)展過程中有很重要的作用，包括微生物附著、運(yùn)動(dòng)性、生長成熟、脫落。EPS 中存在的某種物質(zhì)，可能破壞微生物群體感應(yīng)，使微生物之間失去聯(lián)系，從而減少微生物在金屬表面的附著。

    Koutsoudis 等研究認(rèn)為，EPS主要通過阻止AI信號(hào)分子的生成或轉(zhuǎn)錄破壞微生物的群體感應(yīng)，可能的途徑如下：（1） 減少LuxR 受體蛋白活性和減少LuxI 合成酶活性；（2） 阻止AI 信號(hào)分子的產(chǎn)生。三氯生是一種有效的烯酰基ACP還原酶抑制劑，烯酰基ACP還原酶是酰基ACP的生成酶，后者是生成AI信號(hào)分子的重要物質(zhì)之一，通過加入三氯生可以減少信號(hào)分子的數(shù)量，從而切斷群體感應(yīng)；（3） 酶降解AI 信號(hào)分子。破壞內(nèi)酯酶和酰基轉(zhuǎn)移酶可以水解信號(hào)分子的內(nèi)酯鍵，使信號(hào)分子的活性降低，使其不能與受體蛋白結(jié)合，如枯草芽孢桿菌所產(chǎn)生的AiiA酶可以降解信號(hào)分子；（4） 仿造信號(hào)分子。可以與AI 結(jié)構(gòu)類似的物質(zhì)，與相應(yīng)的受體蛋白結(jié)合，但不能轉(zhuǎn)錄出正確的信息，如呋喃酮。

    3.3.2 鈍化保護(hù)層。EPS在金屬表面形成致密的鈍化保護(hù)層（Passive layer），阻止氧氣等陰極去極化劑達(dá)到金屬表面，阻斷了電子轉(zhuǎn)移，從而達(dá)到防止金屬腐蝕的效果。Shobhana 等研究了Pseudomonasalcaligenes EPS 和Pseudomonas cichorii EPS對(duì)低碳鋼的防腐蝕作用，發(fā)現(xiàn)在有P.cichorii 存在的條件下低碳鋼表面形成的腐蝕產(chǎn)物層較為致密，其主要成分除鐵的氧化物外，還含有磷酸鐵鹽和Fe-EPS化合物；與無菌對(duì)照組對(duì)比后認(rèn)為，F(xiàn)e-EPS化合物對(duì)鈍化保護(hù)層的形成起到了關(guān)鍵作用。Finkenstadt等研究發(fā)現(xiàn)，EPS 的防腐蝕效果具有菌種特異性，即使是同一菌種在不同培養(yǎng)條件下產(chǎn)生的不同菌株所分泌的具有相似結(jié)構(gòu)的多糖，也呈現(xiàn)出不同的防腐蝕能力。但不同來源的EPS 組分不同，卻具有相似的官能團(tuán)。Ghafari 等研究發(fā)現(xiàn)，EPS中多糖類物質(zhì)的羧基基團(tuán)中含有C—O、C=O鍵，可以與鐵離子等金屬離子絡(luò)合形成致密的保護(hù)層。因此，EPS在金屬表面形成的鈍化保護(hù)層，可能主要依賴其含有的官能團(tuán)，而非多糖的結(jié)構(gòu)。此外，胞外多糖中羧基、糖醛酸和非碳水化合物取代基上的陰離子官能團(tuán)，如磷酸、硫酸、甘油、丙酮酸、丁二酸等也對(duì)鈍化保護(hù)層的致密性有貢獻(xiàn)。

    實(shí)際上，EPS與金屬離子的結(jié)合，既可能加速腐蝕，也可能延緩腐蝕。研究認(rèn)為，正是初期的快速腐蝕成就了后期EPS 鈍化層的形成。Jin 等研究發(fā)現(xiàn)，在初期吸附階段，由于EPS 與Fe3+不斷結(jié)合，加速了陽極鐵的溶出從而促進(jìn)腐蝕；當(dāng)吸附達(dá)到最大值，且EPS與Fe3+結(jié)合反應(yīng)達(dá)到飽和時(shí)，結(jié)合態(tài)EPS、吸附態(tài)EPS以及腐蝕產(chǎn)物組成的保護(hù)膜作為天然屏障阻礙了腐蝕反應(yīng)的進(jìn)行。

    目前只發(fā)現(xiàn)少數(shù)幾種微生物的EPS有防腐蝕效果，且EPS 并不是對(duì)所有的金屬都有防腐蝕作用。

    Stadler 等開展了不同菌種EPS 對(duì)純鐵、碳鋼和不銹鋼的腐蝕影響實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)Pseudomonas cichoriiEPS 和Pseudomonas flava EPS 對(duì)不銹鋼有較明顯的腐蝕抑制作用；D.vulgaris EPS 和D.indonesiensisEPS 對(duì)碳鋼有保護(hù)作用，但對(duì)純鐵的腐蝕抑制作用不明顯。Eimutis 等研究了Bacillus mycoides 生物膜對(duì)鋁、鋅和低合金的防腐蝕影響，發(fā)現(xiàn)Bacillusmycoides 生物膜加速了鋅腐蝕，減緩了鋁腐蝕，對(duì)低合金并沒有明顯的影響。不同種類微生物EPS中的羥基、羧基數(shù)量及結(jié)構(gòu)位置不同，可能是EPS與金屬離子結(jié)合存在差異的主要原因，還有待進(jìn)一步的深入研究。

    3.3.3 替代陽極。EPS-Fe 配合物中的一些主要官能團(tuán)作為陽極電子受體參與界面電化學(xué)反應(yīng)，通過阻擋并消耗電子受體而起到保護(hù)金屬基底的作用。Jin 等研究了EPS 中主要官能團(tuán)在實(shí)驗(yàn)前后的變化，發(fā)現(xiàn)EPS 浸涂鑄鐵試片后，C=O 和C—（O，N） 官能團(tuán)的數(shù)量減少，而C—（C，H） 官能團(tuán)數(shù)量有所上升。這可能是由于EPS中C=O和C—（O，N） 官能團(tuán)，替代原本的陽極金屬與陰極電子受體反應(yīng)，因此轉(zhuǎn)變?yōu)榱薈—（C，H） 鍵。目前關(guān)于這方面研究的報(bào)道還相對(duì)較少。

    4 發(fā)展方向與前景

    傳統(tǒng)的防腐措施大多利用含錫、銅、鋅等重金屬或揮發(fā)性有機(jī)物的涂料保護(hù)易腐蝕材料，這些涂料雖然具有較好的防腐效果且易于應(yīng)用，但其同時(shí)具有危害人體健康和污染環(huán)境的潛在風(fēng)險(xiǎn)。因此，開發(fā)可再生的環(huán)境友好型防腐技術(shù)是目前的必然趨勢，MICI研究為開發(fā)新的腐蝕防護(hù)措施提供了新的思路和途徑。目前MICI的研究還有待深入，未來應(yīng)著重開展以下幾方面的研究：

    （1） 目前多數(shù)MICI研究主要集中在單一菌種生物膜對(duì)金屬的防腐蝕作用，但實(shí)際，生物膜中含有多種微生物，其與金屬的相互作用機(jī)制更為復(fù)雜。未來應(yīng)逐步開展微生物協(xié)同防腐蝕機(jī)理與機(jī)制的研究。

    （2） MICI 是多個(gè)影響因素共同作用的結(jié)果，如微生物呼吸作用、代謝途徑、分泌酶、代謝副產(chǎn)物等，溫度、pH、碳源、營養(yǎng)源、溶解氧等環(huán)境條件以及金屬種類、粗糙度等界面性質(zhì)，今后應(yīng)加強(qiáng)上述因素對(duì)MICI的影響機(jī)制研究。

    （3） 在推廣應(yīng)用方面，應(yīng)加強(qiáng)MICI的安全性、工程性和可控性研究，如生物膜及其微生物本身對(duì)水質(zhì)的影響研究；EPS的工業(yè)化應(yīng)用和生產(chǎn)研究；不同金屬界面生物膜中優(yōu)勢菌種的可控環(huán)境條件研究等。