微生物礦化作用抑制金屬腐蝕行為的研究進(jìn)展

郝湘平，擺云，婁云天，張達(dá)威

（1.北京科技大學(xué) 新材料技術(shù)研究院，北京 100083；2.北京科技大學(xué) 順德研究生院，廣東 佛山 528399）

生物礦化過程是指在生物體參與下，無機(jī)元素從環(huán)境中選擇性地沉淀在特定有機(jī)質(zhì)上，在生物大分子的調(diào)控和誘導(dǎo)作用下，形成礦物的過程[1-2]。該過程依靠胞外聚合物（EPS）與金屬離子之間的靜電作用，將金屬離子固定，并最終在生物控制、影響下完成金屬離子向固相礦物的轉(zhuǎn)變。與化學(xué)形成的礦物相比，由于微生物礦化過程中有生物體代謝、細(xì)胞、有機(jī)質(zhì)的參與，因此這類材料具有優(yōu)異的強(qiáng)度、斷裂韌性和耐磨性。

隨著近年來海洋生物學(xué)家和地質(zhì)學(xué)家對生物礦化方面研究的廣泛關(guān)注，一些專家學(xué)者發(fā)現(xiàn)，微生物礦化作用在抑制腐蝕方面也有著重要的作用。與常見的微生物腐蝕（MIC）[3-5]相比，微生物礦化過程利用EPS 在有機(jī)質(zhì)的誘導(dǎo)作用下將周圍的礦化離子固定，形成固體礦物質(zhì)，通過阻隔環(huán)境中的腐蝕性介質(zhì)來抑制金屬腐蝕行為。在該礦化過程中，生物膜的作用尤為突出[6-7]，且在某些特定條件下，利用微生物誘導(dǎo)作用，能夠?qū)⒁呀?jīng)生成的腐蝕銹層轉(zhuǎn)化成為致密均勻的礦化層，從而達(dá)到抑制金屬腐蝕的目的[8]。

大量研究結(jié)果表明，在海洋、土壤等復(fù)雜環(huán)境中，存在如假單胞菌、枯草芽孢桿菌、希瓦氏菌等具有生物礦化作用的典型誘導(dǎo)礦化微生物，這為利用微生物誘導(dǎo)礦化作用開發(fā)新型金屬腐蝕防護(hù)技術(shù)提供了巨大可能。與傳統(tǒng)有機(jī)防護(hù)涂層[9]、超疏水防腐涂層[10-11]、新型的自修復(fù)防腐涂層[12]相比，基于微生物礦化作用的腐蝕抑制方法具有工藝簡單、成本低廉、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。尤其是在環(huán)境復(fù)雜、不宜進(jìn)行修補(bǔ)、施工難度大的應(yīng)用背景下，開發(fā)基于微生物礦化技術(shù)的防腐手段將成為未來表面腐蝕防護(hù)技術(shù)的一個(gè)重要方向。

1 常見礦化微生物種類及產(chǎn)物類型

微生物的存在會影響礦物質(zhì)在材料表面的沉積過程[13]。目前，已知的生物礦化種類有60 余種，主要包括碳酸鈣、磷酸鈣、二氧化硅、氧化鐵和硫酸鹽[14-16]等。由于細(xì)菌代謝特征和自然環(huán)境的多樣性，微生物誘導(dǎo)礦化過程產(chǎn)生的產(chǎn)物類型也有所不同。表1 總結(jié)概括了近年來常見的礦化微生物種類及對應(yīng)的礦化產(chǎn)物名稱和主要成分。

表1 典型誘導(dǎo)礦化微生物及產(chǎn)物Tab.1 The typical mineralized microorganisms and corresponding compositions of mineralization product

生物礦化過程主要分為核化、沉淀或生長、相變?nèi)齻€(gè)階段[31]。其中，影響該過程的因素包括熱力學(xué)因素（如溫度、環(huán)境pH、細(xì)菌和離子濃度、壓力等）、動(dòng)力學(xué)因素（如核化、沉淀和相變的過程）、生物學(xué)因素（如空間位置、構(gòu)架和化學(xué)因素等[2,32]），見表2。Koley 等人[17]借助質(zhì)子選擇微電極、離子選擇微電極配合掃描電化學(xué)顯微鏡（SECM），實(shí)時(shí)監(jiān)測了芽孢桿菌介導(dǎo)尿素水解過程和碳酸鈣沉淀形成過程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，溶液中的Ca2+和環(huán)境pH 可以影響微生物介導(dǎo)的化學(xué)過程。該過程中，環(huán)境pH 可在2 min內(nèi)從7.4 迅速升至9.2，但碳酸鈣的形成和晶體生長則是一個(gè)緩慢的化學(xué)過程。該結(jié)果證明，細(xì)菌礦化過程會影響環(huán)境pH，同時(shí)，環(huán)境pH 能夠影響細(xì)菌活性，進(jìn)而影響礦物質(zhì)的形成。溫度作為影響細(xì)菌生長和代謝水平的重要因素，同樣對微生物礦化具有重要影響。通過給微生物創(chuàng)造適宜的生長繁殖溫度，設(shè)置利于促進(jìn)生物酶活性的溫度均可以起到影響微生物礦化的作用。例如，錢春香團(tuán)隊(duì)[14]證明，當(dāng)環(huán)境溫度由15 ℃上升至30 ℃時(shí)，碳酸鹽礦化菌代謝過程中釋放的脲酶濃度發(fā)生變化，導(dǎo)致尿素濃度降低，進(jìn)而引起礦化進(jìn)程發(fā)生變化。此外，Hammes 等人[33]提出，Ca2+濃度對碳酸鈣沉淀的影響極大。較無Ca2+條件相比，Ca2+的存在導(dǎo)致酶活性大幅提升，從而促進(jìn)礦化過程。何聲龍團(tuán)隊(duì)[22]利用從膠南尹家山鹽場鹽泥樣本內(nèi)分離出的極端噬鹽菌進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著體系中鈣鎂比變化，礦化結(jié)晶產(chǎn)物發(fā)生明顯變化。當(dāng)有鎂離子存在時(shí)，鎂離子能夠進(jìn)入礦物晶格結(jié)構(gòu)，并替代部分鈣離子，產(chǎn)生多種鎂鈣酸鹽礦化產(chǎn)物。礦化離子來源同樣能夠影響微生物礦化作用，使礦化產(chǎn)物形貌、晶體類型產(chǎn)生差異。李紅玉團(tuán)隊(duì)[34]證明，不同鈣源會影響形成的碳酸鈣形態(tài)。例如，氯化鈣作為鈣源時(shí)，形成的碳酸鈣為菱形，而硝酸鈣為鈣源時(shí)，則形成大小不均的球狀顆粒。該特征同樣適用于有機(jī)礦物鹽。利用檸檬酸鈣形成的碳酸鈣，產(chǎn)物為層片狀顆粒，而葡萄糖酸鈣作為鈣源時(shí)，形成的碳酸鈣則為桿狀。不僅如此，海藻酸可作為軟模版，影響并調(diào)控?zé)o機(jī)礦物的生長，使碳酸鈣形成文石結(jié)構(gòu)[35]。

表2 影響微生物礦化過程的主要因素Tab.2 The main facoters affecting the biomineralization process

此外，通過添加助劑也可用來調(diào)控生物礦化的方向和過程。例如，劉濤團(tuán)隊(duì)[36]通過在低合金鋼中添加Mo 元素，利用其對交替假單胞菌的誘導(dǎo)和激活趨化作用，提高生物膜的形成速度，并促進(jìn)礦化過程，從而有效抑制金屬腐蝕。另外，高絲氨酸內(nèi)酯（AHLs）作為群體感應(yīng)調(diào)控信號分子，能有效促進(jìn)細(xì)菌富集，并加速誘導(dǎo)生物膜形成[37]，而海藻酸鈉作為骨架結(jié)構(gòu)[38]，同樣具有誘導(dǎo)、促進(jìn)礦化的作用，使礦化層具有強(qiáng)度高、韌性強(qiáng)、不易脫落等特點(diǎn)。

2 微生物誘導(dǎo)礦化產(chǎn)物分類

隨著MIC 研究的發(fā)展[39-43]，微生物誘導(dǎo)礦化作用對腐蝕的影響已引起了研究人員的廣泛關(guān)注。越來越多的研究表明，不同類型的礦化層可以不同程度地降低金屬腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)常見微生物誘導(dǎo)礦化產(chǎn)物類型分類，分別對碳酸鈣礦化層、磷酸鹽礦化層和鐵氧化物礦化層的特點(diǎn)及其對金屬腐蝕抑制作用進(jìn)行了總結(jié)歸納。

2.1 碳酸鈣

微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（MICP）的主要機(jī)理是利用自然界中的細(xì)菌（如巴氏芽孢桿菌[44]等），通過細(xì)菌新陳代謝過程中產(chǎn)生的脲酶分解尿素，進(jìn)而產(chǎn)生碳酸根，并與環(huán)境中游離的金屬陽離子發(fā)生反應(yīng)形成沉淀（如圖1 所示）。在該過程中，增加細(xì)菌濃度和脲酶濃度均可使尿素水解過程加快，從而提高CaCO3的生成速度。由于MICP 技術(shù)的應(yīng)用對生產(chǎn)成本和生產(chǎn)能耗的要求較低，因此常用于地質(zhì)加固[45-46]、土壤修復(fù)[14,32]和混凝土修復(fù)[47]。

圖1 尿解法中細(xì)菌介導(dǎo)鈣離子在周圍生成碳酸鈣沉淀過程[48]Fig.1 Schematic diagram of CaCO3 sediment generated by bio-mediated[48]

隨著MICP 技術(shù)的逐漸發(fā)展與成熟，近年來，研究人員通過調(diào)整細(xì)菌濃度與尿素的比例，將其灌注到混凝土溝槽內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)建筑材料、表面裂縫和孔洞的有效修復(fù)[18,49-50]。Taher 等人[18]比較了巴氏芽孢桿菌、球形芽胞桿菌和鹽水湖藻對混凝土自愈能力和腐蝕行為的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，這兩類微生物在淡水和模擬海水環(huán)境下均可以實(shí)現(xiàn)混凝土材料縫隙的修復(fù)。同時(shí)，當(dāng)微生物存在時(shí)，混凝土腐蝕行為能夠得到緩解。根據(jù)極化曲線測試結(jié)果，由于藻類誘導(dǎo)礦化作用形成方解石沉積物，該混凝土內(nèi)部鋼筋的腐蝕速率可降低至0.18 mm/a。而由細(xì)菌新陳代謝礦化作用修復(fù)后的混凝土，其內(nèi)部鋼筋腐蝕速率可降低0.05 mm/a。此外，較淡水環(huán)境，通過微生物誘導(dǎo)礦化的混凝土愈合過程和腐蝕抑制過程在海水環(huán)境中更為明顯。該結(jié)果表明，細(xì)菌礦化誘導(dǎo)過程對鋼筋鈍化層起到了保護(hù)和抑制腐蝕的作用，這些結(jié)果與 Chahal 等人[51]和Kumari 等人[52]的結(jié)果吻合。因此，微生物活性在鋼筋的保護(hù)和緩蝕過程中起著重要作用，特別是在惡劣的海洋環(huán)境中，通過微生物誘導(dǎo)形成碳酸鈣礦化層的方法，可以有效抑制金屬腐蝕，并為金屬腐蝕與防護(hù)技術(shù)的發(fā)展提供新的思路。

近年來，國內(nèi)一些團(tuán)隊(duì)通過研究海洋環(huán)境中微生物誘導(dǎo)礦化作用及鈣化層形成的原因，探究其對金屬基體的腐蝕抑制作用。劉濤等人[7]研究表明，在模擬海水培養(yǎng)基（2216E）中，海洋交替假單胞菌可將生物膜轉(zhuǎn)化為由方解石和EPS 組成的生物礦化雜化膜，且形成的復(fù)合礦物質(zhì)層與EPS 的產(chǎn)量有關(guān)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，當(dāng)EPS 量較多時(shí)，有助于微生物在鋼表面誘導(dǎo)形成致密的礦化層。該碳酸鈣層具高效、穩(wěn)定的屏蔽作用，并在微生物存在時(shí)表現(xiàn)出自愈合性能（如圖2 所示）。尹衍升團(tuán)隊(duì)[23]通過失重法分析了5754鋁合金在含有枯草芽孢桿菌的海水溶液中的腐蝕行為，結(jié)果表明，浸泡在含細(xì)菌的海水溶液中的鋁合金樣品，其腐蝕速率為12.5 mg/(dm2·d)，是浸泡在不含微生物海水溶液中鋁合金腐蝕速率的1/6。由此可知，枯草芽孢桿菌的存在能夠有效抑制金屬材料在海水環(huán)境中的腐蝕行為。通過表面分析結(jié)果可知，微生物存在條件下，鋁合金表面形成了一層由CaMg(CO3)2組成的復(fù)合膜，且該均勻致密的礦化膜能夠有效阻礙腐蝕介質(zhì)抵達(dá)基體材料，并抑制金屬腐蝕，尤其是點(diǎn)蝕行為。屈慶課題組[20]提出蠟樣芽孢桿菌EPS 中的色氨酸和蛋白樣物質(zhì)能夠控制并改變碳酸鈣成核和晶體生長，且EPS 與金屬離子通過相互作用后，在不銹鋼基體表面覆蓋并生成了一層生物礦化膜。通過電荷轉(zhuǎn)移電阻計(jì)算可知，當(dāng)EPS 質(zhì)量濃度為40 mg/mL時(shí)，腐蝕抑制率最高可高達(dá)91%，能夠顯著抑制金屬的腐蝕行為。

圖2 形成礦化層的表面進(jìn)行劃傷處理后微區(qū)電化學(xué)阻抗測試（LEIS）結(jié)果（a）及在含菌培養(yǎng)基內(nèi)培養(yǎng)7 d 后LEIS 結(jié)果（b）[7]Fig.2 The LEIS results of (a) the scratch minerzaled layer and (b) healed minerzaled layer after 7 days incubited in marine broth inculding bacteria[7]

此外，這種通過微生物新陳代謝產(chǎn)生的EPS 絡(luò)合環(huán)境中Ca2+和Mg2+等金屬離子，從而形成有機(jī)-無機(jī)復(fù)合生物礦化膜的過程在實(shí)際工程應(yīng)用中也廣泛存在。Nardy 等人[53]報(bào)道荷蘭一處用于加固堤壩和河道的改造項(xiàng)目中使用的鋼樁在50 a 后仍未出現(xiàn)嚴(yán)重的腐蝕情況，取樣后發(fā)現(xiàn)是由于甲烷菌的代謝活動(dòng)導(dǎo)致金屬表面形成了一層致密的碳酸鹽保護(hù)層，而該保護(hù)層中含有大量的方解石礦物和石英晶體。陳守剛團(tuán)隊(duì)[54]通過5 個(gè)月的實(shí)海掛片實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)Q235 表面形成的鈣化層在沒有陰極保護(hù)的情況下對碳鋼的保護(hù)可以持續(xù)4 周。不僅如此，實(shí)驗(yàn)證明，碳酸鈣層的形成可以進(jìn)一步促進(jìn)生物膜附著，從而形成腐蝕抑制效果更為明顯的復(fù)合層，如圖3 所示。因此，微生物通過礦化作用抑制腐蝕的現(xiàn)象在自然環(huán)境中也是廣泛存在的。

圖3 沉積層和周圍鐵板堆附（Fe 表示）及周圍富含有機(jī)物的沉積物區(qū)域內(nèi)潛在的微生物食物網(wǎng)絡(luò)[54]Fig.3 Scheme illustrating the potential microbial food web of the deposit layer and the surrounding iron sheet pile (indicated by “Fe”) and organic-rich sediment[54]

2.2 磷酸鹽

磷化是一種通過化學(xué)與電化學(xué)反應(yīng)形成磷酸鹽化學(xué)轉(zhuǎn)化膜的過程，所形成的磷酸鹽轉(zhuǎn)化膜稱之為磷化膜。磷化處理可以增強(qiáng)涂層與基體之間的結(jié)合力，提高金屬表面的耐蝕性和耐磨性[55]。某些細(xì)菌在自然條件下會在物質(zhì)表面產(chǎn)生磷礦化層，其效果與化學(xué)磷化處理類似。Volkland 團(tuán)隊(duì)[56]研究發(fā)現(xiàn)，在磷酸鹽超過2 mmol/L 的介質(zhì)中，當(dāng)腐蝕介質(zhì)中含有紅球菌C125 和肺假單胞菌mt2 時(shí)，能夠誘導(dǎo)低碳鋼表面反應(yīng)發(fā)生，形成不溶性鐵磷酸鹽（藍(lán)鐵礦）。該物質(zhì)作為磷化處理后形成的產(chǎn)物之一，具有良好的耐腐蝕性能。

不僅如此，利用微生物礦化作用形成防腐藍(lán)鐵礦層，對修復(fù)某些無法通過拆卸完成修復(fù)的零部件具有重要的研究價(jià)值。在Volkland 團(tuán)隊(duì)[57]后續(xù)報(bào)道中，針對已損壞或者部分腐蝕的低碳鋼表面的藍(lán)鐵礦層，在惡臭假單胞菌的培養(yǎng)基中，能夠完成損壞部分的修復(fù)，且在腐蝕介質(zhì)中修復(fù)3 周后的低碳鋼表面與細(xì)菌誘導(dǎo)形成磷化層的碳鋼表面具有相同的耐蝕性能。因此，微生物礦化不僅可以保護(hù)未受損的金屬基材，還可以通過改變原有的腐蝕產(chǎn)物層，幫助銹蝕表面恢復(fù)其耐蝕性。Lucrezia 團(tuán)隊(duì)[8]發(fā)現(xiàn)，哈夫氏脫硫桿菌能夠?qū)⑷齼r(jià)鐵還原為二價(jià)鐵，并在磷酸鹽培養(yǎng)液中誘導(dǎo)鐵銹層轉(zhuǎn)化為由Fe2+3(PO4)2·8H2O 和Fe2+Fe3+2(PO4)2(OH)2（重鐵天藍(lán)石）組成的不可溶保護(hù)性礦化層，如圖4所示。該礦化層受原始腐蝕層厚度等影響，最大可覆蓋92%的金屬表面，但在非生物介質(zhì)中，金屬表面只有少量分散的磷酸鹽沉積物，如圖5 所示。

圖4 細(xì)菌作用后鐵銹層變成生物層的過程[8]Fig.4 Schematic diagram of the process of the rust layer becoming a biological layer after the bacteria induced[8]

圖5 金屬表面未處理時(shí)的腐蝕層（a）、非微生物介質(zhì)處理后（b、c）及經(jīng)細(xì)菌處理后（d）的光學(xué)顯微鏡圖像[8]Fig.5 Optical microscope images of corrosion layer on metal surface without treatment (a), after non-microbial media treatment(b, c) and after bacterial treatment (d)[8]

微生物引起的磷酸鹽礦化作用也與微生物種類密切相關(guān)。Gunasekaran 等[58]通過失重分析法對比了低碳鋼在含兩種不同細(xì)菌基礎(chǔ)鹽溶液中的腐蝕速率，結(jié)果表明，兩種菌的存在均對金屬腐蝕產(chǎn)生抑制作用。但是，由于在黃假單胞菌的誘導(dǎo)作用下，低碳鋼表面能夠形成致密的磷酸鹽層，因此其腐蝕抑制能力高于斯氏假單胞菌，如圖6 所示。由此可知，不同微生物對金屬腐蝕抑制的能力存在明顯差異。不僅如此，微生物誘導(dǎo)磷酸鹽的過程還被用于污水處理[59]、針對富營養(yǎng)化的海洋、河流中的除磷技術(shù)[60]、巖土材料改良和加固[61-62]、污染土壤修復(fù)[63]、海水環(huán)境下鈣質(zhì)砂基地加固處理[64]等。

圖6 不同條件下金屬樣品腐蝕速率[58]Fig.6 The corrosion rate of the metal coupons under different conditions[58]

2.3 鐵氧化物

一般而言，碳鋼表面形成的銹層通常由鐵的氧化物和氫氧化物組成，如赤鐵礦（α-Fe2O3）、磁赤鐵礦（γ-Fe2O3）、磁鐵礦（Fe3O4）和纖鐵礦（FeOOH）。但是當(dāng)某些細(xì)菌存在時(shí)，在EPS 的誘導(dǎo)作用下可以形成均勻致密的鐵氧化物層，達(dá)到屏蔽金屬基體、抑制腐蝕過程進(jìn)一步發(fā)生的作用。胡春團(tuán)隊(duì)[65]通過研究運(yùn)輸?shù)叵滤偷乇硭畠煞N飲用水環(huán)境中生物膜細(xì)菌菌落組成和對應(yīng)鐵腐蝕產(chǎn)物，發(fā)現(xiàn)微生物本身對鐵氧化物形成的影響比水環(huán)境自身的影響大得多。在地下水系統(tǒng)中，樣品表面形成的腐蝕產(chǎn)物主要是疏松的α-FeOOH，而在地表水輸送系統(tǒng)中，樣品表面主要是由α-FeOOH、Fe3O4和CaCO3組成的致密結(jié)晶顆粒，這種致密的腐蝕產(chǎn)物能夠有效抑制金屬腐蝕，如圖7所示。實(shí)際上，這兩個(gè)體系中的生物膜都具有生物多樣性，只是細(xì)菌菌落組成卻大不相同。在地表水系統(tǒng)中，參與鐵氧化還原循環(huán)的細(xì)菌主要有鐵氧化細(xì)菌（IOB）和鐵還原細(xì)菌（IRB），在這種情況下有利于Fe3O4的形成。但是，經(jīng)消毒處理后的地表水中，形成的卻是不含F(xiàn)e3O4的稀松的腐蝕產(chǎn)物（α-FeOOH）。由此可知，鐵細(xì)菌能夠有效調(diào)節(jié)腐蝕產(chǎn)物的組成和結(jié)構(gòu)。

圖7 220 天后地下水管、地表水管和無菌處理后地表水管腐蝕產(chǎn)物SEM 照片[65]Fig.7 SEM images of corrosion products of undergroundwater pipes (a) and surface water pipes (b) after 220 days; SEM images of corrosion products of sanitized surface water pipes (c)[65]

這種情況在石油管線系統(tǒng)中同樣存在。Faisal 等人[26]利用從美國路易斯安那州一口670.56 m 深的含硫油井中分離出的野生型好氧細(xì)菌（IRB），研究微生物對X52 管線鋼的腐蝕行為影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，在低氧或厭氧條件下，IRB 能夠?qū)⑷齼r(jià)鐵還原成二價(jià)鐵，該二價(jià)鐵通過擴(kuò)散作用到達(dá)金屬表面，氧化還原沉積后可與EPS 共混形成穩(wěn)定致密的鐵氧化物礦化層，并在形成過程中消耗金屬表面附近溶解氧。該有機(jī)-無機(jī)復(fù)合層主要由Fe3O2、Fe3O4和Fe(OH)2組成，能夠有效抑制金屬基體的腐蝕。在有氧條件下，IRB通過有氧呼吸可以消耗金屬表面附近的溶解氧，也能夠起到抑制金屬腐蝕的目的。在不含微生物的環(huán)境下，金屬表面腐蝕產(chǎn)物主要由鐵氧化物、鐵氯化物、氯化鈉和有機(jī)物組成，且由于油井環(huán)境中有害離子的積累和局部酸化，碳鋼樣品表面出現(xiàn)了大量的點(diǎn)蝕坑。因此，在IRB 存在條件下，碳鋼表面腐蝕行為可以發(fā)生變化。

實(shí)際上，鐵細(xì)菌在其代謝過程中可以產(chǎn)生各種鐵礦沉淀物質(zhì)。例如，當(dāng)溶解氧豐富時(shí)，鐵氧化鉤端螺旋菌和氧化亞鐵硫桿菌這類鐵氧化菌產(chǎn)生的酶和帶負(fù)電的細(xì)菌分泌物可以誘導(dǎo)形成Fe(OH)3沉淀，并在溶解與再沉淀過程中形成更穩(wěn)定的鐵氧化物。反之，在低氧或缺氧條件下，細(xì)菌對鐵的利用形式則有所不同。例如，紫細(xì)菌在光照作用下，利用二價(jià)鐵作為電子供體來固定CO2[66]（如圖8 所示），枯草芽孢桿菌可以利用硝酸鹽作為無氧呼吸的電子受體[67]。

圖8 紫細(xì)菌厭氧氧化固定Fe2+的過程[66]Fig.8 Schematic diagram of the process of fixing Fe2+ by purple bacteria with anaerobic oxidation[66]

微生物誘導(dǎo)形成鐵氧化物過程中，外界環(huán)境的刺激同樣會引起礦化產(chǎn)物的差異。例如，劉宏芳團(tuán)隊(duì)[68]證明，從油田中分離出的IOB 會使Q235 表面生成由α-FeOOH 和Fe2O3構(gòu)成的疏松的腐蝕產(chǎn)物。然而，當(dāng)有外加磁場存在時(shí)，Q235 表面的鐵氧化物則是由致密的Fe2O3和Fe3O4組成的鐵氧化物礦化層（如圖9所示）。

圖9 存在磁場作用下（a）與沒有磁場作用下（b、c）7 天后金屬表面SEM 和EDS 圖[68]Fig.9 SEM and EDS images of the metal surfaces after 7 days with (a) and without (b,c) magnetic field[68]

3 微生物礦化作用抑制金屬腐蝕的主要因素

礦化過程中微生物新陳代謝引起的氧消耗和形成的礦化層是抑制金屬腐蝕的主要原因。該礦化層通常是由礦物質(zhì)與有機(jī)質(zhì)共同組成的復(fù)合層，具有均勻致密的特點(diǎn)。礦化層在形成過程中對O2的消耗，能夠有效減緩金屬腐蝕行為；同時(shí)，形成的礦化層能夠有效阻隔環(huán)境中的腐蝕性介質(zhì)（如Cl–）滲透接觸到金屬基體而引起腐蝕。該礦化層形成后，在有菌和無菌海水溶液中均能表現(xiàn)出穩(wěn)定持續(xù)的防腐性能。

3.1 微生物呼吸過程中O2消耗

根據(jù)錢春香團(tuán)隊(duì)研究結(jié)果表明，微生物礦化作用會受到環(huán)境氧含量的影響。通過對裂縫沿x軸方向取點(diǎn)進(jìn)行SEM 分析（如圖10 所示）可知，隨裂縫深度增加，碳酸鈣產(chǎn)率逐漸下降[69]。這是由于在裂縫口處含氧量最高，微生物酶催化作用最為強(qiáng)烈，因此生成的碳酸鈣量最多。但隨著裂縫變深，環(huán)境中氧含量逐漸降低，條件變得苛刻，不利于微生物誘導(dǎo)礦化作用，因此碳酸鈣產(chǎn)量變低。由此可知，O2不僅是參與金屬腐蝕過程的主要物質(zhì)，也是參與微生物誘導(dǎo)礦化過程的主要物質(zhì)，因此微生物礦化過程消耗O2能夠起到抑制金屬腐蝕的目的。Jayaraman 等人[70]研究發(fā)現(xiàn)，將SAE 1018 鋼浸泡在厭氧環(huán)境下與浸泡在含有大腸桿菌DH5α 條件下的腐蝕速率基本一致，且為浸泡在普通培養(yǎng)基條件下腐蝕速率的1/40。該結(jié)果證明了O2在金屬腐蝕過程中的重要性，并驗(yàn)證了微生物新陳代謝過程中通過消耗O2能夠抑制腐蝕行為。

圖10 碳酸鈣沿裂縫深度方向分布變化[69]Fig.10 The distribution of CaCO3 along the direction of fracture depth[69]: a) sample crack; b) SEM photo at ①; c) SEM photo at②; d) SEM photo at ③; e) SEM photo at ④; f) SEM photo at ⑤; g) SEM photo at ⑥; h) SEM photo at ⑦

實(shí)際上，當(dāng)微生物在金屬表面形成EPS 膜后，會將金屬表面與外界環(huán)境隔開，使生物膜下形成相對密閉的環(huán)境。在該條件下，好氧細(xì)菌利用有氧呼吸作用通過消耗膜下O2同樣能夠達(dá)到抑制金屬腐蝕的目的[71]。例如，Jayaraman 等[72]發(fā)現(xiàn)，弗雷吉假單胞菌和短芽孢桿菌在銅和鋁表面形成生物膜后，會引起金屬表面附近氧濃度降低，從而抑制金屬材料發(fā)生腐蝕。

3.2 礦化層屏蔽作用

當(dāng)金屬表面只有生物膜存在時(shí)，可以通過細(xì)菌有氧呼吸作用消耗環(huán)境中的O2[26,72]，利用生物膜自身抵抗其他生物粘附作用來抑制有害微生物富集[73]，或是通過生物膜內(nèi)某些具有緩蝕作用的分泌物[71]，達(dá)到抑制金屬腐蝕的目的。如基因工程菌枯草芽孢桿菌和天然地衣芽孢桿菌分泌的聚天冬氨酸肽和聚谷氨酸本身具有較強(qiáng)的緩蝕作用，能夠降低陽極金屬溶解反應(yīng)速率，有效抑制金屬點(diǎn)蝕行為[71,74]。根據(jù)以往研究表明，由于生物膜自身的不穩(wěn)定性，當(dāng)環(huán)境改變后，會直接影響生物膜形成的動(dòng)態(tài)過程，從而影響其腐蝕抑制作用[75-76]。例如，侯利鋒、宋振綸等人[77]通過電荷轉(zhuǎn)移電阻變化證明，在浸泡初期，新喀里多尼亞弧菌能有效抑制銅腐蝕行為，然而在浸泡后期，由于細(xì)菌從EPS 及腐蝕產(chǎn)物中脫附出來，使得該生物膜的腐蝕抑制作用逐漸下降。對于鋁基體而言，在浸泡初期，由于細(xì)菌吸附組成生物膜，出現(xiàn)了腐蝕抑制現(xiàn)象，但在浸泡后期，由于營養(yǎng)物質(zhì)和含氧量減少，導(dǎo)致細(xì)菌數(shù)量不斷減少，而在低含氧量條件下不利于鈍化膜的修復(fù)，因此出現(xiàn)了加速鋁腐蝕的現(xiàn)象[78]。

相較于微生物膜的屏蔽作用，在進(jìn)一步生成礦化層后，由于其自身的致密性和穩(wěn)定性較高，其抑制腐蝕的作用將不再受到微生物因素的制約，因此在有菌和無菌環(huán)境中均能表現(xiàn)出持續(xù)穩(wěn)定的防腐性能。例如，李學(xué)良團(tuán)隊(duì)[79]通過β-環(huán)糊精改性水性聚氨酯膜，并以其為有機(jī)模板實(shí)現(xiàn)了在模擬海水中的仿生誘導(dǎo)CaCO3礦化過程。最終形成的致密無機(jī)-有機(jī)物復(fù)合涂層能大幅提高涂層的耐腐蝕性能，并且由于海洋環(huán)境中有大量的Ca2+和CO2，能夠?yàn)樾纬蒀aCO3提供持續(xù)的原料，從而賦予該涂層自愈合能力。宋義全[80]團(tuán)隊(duì)通過電沉積法模擬生物沉積，在鎂合金材料表面沉積了一層致密的羥基磷酸鈣膜，達(dá)到了阻止腐蝕介質(zhì)、提升材料耐蝕性能的目的。將沉積后的樣品浸泡在Hank’s 溶液中進(jìn)行為期4 周的浸泡實(shí)驗(yàn)（如圖11所示），結(jié)果表明，該鈣化層具有穩(wěn)定的耐腐蝕性能。劉濤團(tuán)隊(duì)對交替假單胞菌形成的礦化層耐腐蝕性能進(jìn)行研究，提出生物膜向生物礦化膜過渡的關(guān)鍵過程是維持長效防腐性能的關(guān)鍵，同時(shí)生物礦化膜克服了生物膜防腐性能的不穩(wěn)定性[7]。

圖11 鍍膜與不鍍膜樣品腐蝕形貌[80]Fig. 11 Corrosion morphology of coated and uncoated coupons[80]: The coated (a) and uncoated (b) coupons immersed for 6 days;the coated (a) and uncoated (b) coupons immersed for 12 days; the coated (e) and uncoated (f) coupons immersed for 22 days; the coated (g) and uncouted (h) coupons immensed for 32 days

4 結(jié)論及展望

近年來，隨著微生物誘導(dǎo)礦化研究的迅速發(fā)展，微生物礦化作用對金屬腐蝕的影響受到越來越多的關(guān)注。與傳統(tǒng)的生物膜抑制腐蝕相比，礦化層的腐蝕抑制能力更加穩(wěn)定，屏蔽作用也更為顯著。不僅如此，由于微生物礦化技術(shù)成本低、毒性小、應(yīng)用和維護(hù)要求條件簡單，不論從生態(tài)角度還是經(jīng)濟(jì)角度看都具有巨大的潛力。尤其相較傳統(tǒng)有機(jī)涂層技術(shù)而言，擺脫了污染嚴(yán)重、維修成本高昂和老化問題嚴(yán)重等問題。然而，由于微生物種類繁多、生長環(huán)境復(fù)雜，微生物礦化作用抑制金屬腐蝕的能力與機(jī)理也相對匱乏。在本文中，全面總結(jié)了微生物誘導(dǎo)礦化作用的影響因素、礦化產(chǎn)物類型及礦化過程抑制金屬腐蝕的主要因素。針對目前研究現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢，應(yīng)關(guān)注如下問題：

1）由環(huán)境復(fù)雜性和生物多樣性帶來的關(guān)于影響腐蝕的多重機(jī)制問題。目前，針對微生物礦化作用抑制腐蝕的研究主要集中在單一礦化機(jī)制上。然而，微生物新陳代謝過程往往會隨著環(huán)境的變化而變化，從而提高其對環(huán)境的適應(yīng)性。例如，同一種微生物在不同環(huán)境中通過誘導(dǎo)礦化作用形成的產(chǎn)物可能存在差異，甚至對腐蝕行為表現(xiàn)出相反的作用。因此，結(jié)合微生物生長環(huán)境探討礦化作用對腐蝕行為的影響是十分必要的。不僅如此，微生物在礦化過程中引起的微環(huán)境變化（如pH、氧濃度等）也是影響腐蝕的重要因素。

2）微生物礦化作用與腐蝕行為間的相互關(guān)系。海洋環(huán)境是研究微生物礦化作用抑制金屬腐蝕行為的主要環(huán)境之一。眾所周知，通過微生物礦化過程形成致密完整的礦化層需要一段較長的時(shí)間，相較而言，腐蝕行為則是快速發(fā)生。然而，由于在微生物參與條件下腐蝕過程十分復(fù)雜，目前的相關(guān)研究并未深入涉及微生物礦化過程中金屬腐蝕行為的變化過程及機(jī)理研究。

3）多重防腐機(jī)制的協(xié)同作用。為了獲得更穩(wěn)定和持久的抑制腐蝕效果，可以考慮在微生物礦化抑制腐蝕的基礎(chǔ)上，引入其他防腐手段，從而彌補(bǔ)礦化過程前期因礦化層不完整造成的腐蝕問題。例如，通過配合緩蝕劑使用，抑制腐蝕，或在環(huán)境中人為添加誘導(dǎo)礦化物質(zhì)，加速礦化過程或產(chǎn)生更致密的生物礦化層。此外，借助微生物誘導(dǎo)礦化機(jī)制還可以設(shè)計(jì)開發(fā)新型智能自修復(fù)涂層。