微生物腐蝕是金屬劣化的一種常見(jiàn)形式，會(huì )對許多工業(yè)應用產(chǎn)生負面影響，包括石油管道、海上平臺和船舶、核電站設施、醫療儀器，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)間接機制在需氧條件下增強腐蝕，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，用于闡明每年對工業(yè)應用造成數十億美元腐蝕損害的生物膜-金屬相互作用。已經(jīng)提出了沙雷菌增強腐蝕的多種機制，但這些機制以前都沒(méi)有用排除電子轉移替代途徑的方法進(jìn)行嚴格研究。研究發(fā)現在有氧條件下生長(cháng)的希瓦氏菌在不銹鋼試樣上形成厚的生物膜（~50μm），加速了對無(wú)菌對照的腐蝕。H2和核黃素被排除在中間電子載體之外，因為不銹鋼沒(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-細胞色素導管的基因被刪除，在需氧培養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 氧氣微電極系統的應用

沙雷菌生物膜在LB瓊脂板上在30°C下生長(cháng)兩天，用于測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）。傳感器的測量步徑為3μm，測量周期為1秒，測量之間的等待時(shí)間為3秒。SensorTrace Profiling軟件用于分析數據。

實(shí)驗結果

本論文研究了沙雷菌腐蝕不銹鋼的機制，不銹鋼是一種用于制造各種結構和裝置的含鐵金屬。提供了通過(guò)孔蛋白-細胞色素復合物直接吸收電子的證據，并證明在好氧環(huán)境中生長(cháng)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)現對設計緩蝕策略具有重要意義。

圖1、沙雷菌菌株的生物膜、固著(zhù)細胞計數、氧濃度、浮游細胞計數和NO 3-濃度。a孵育7天后316 L SS試樣表面上的固著(zhù)細胞計數和生物膜厚度。b野生型S.oneidensis MR-1菌株的CLSM圖像。cΔmtrCBA應變的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胞計數。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培養基或含有兩種沙雷菌菌株之一的培養基中培養的316 L SS試樣隨時(shí)間的R p數據。b)R ct隨時(shí)間的變化。c)培養7天后測量的動(dòng)電位極化曲線(xiàn)。d從EIS測量中獲得的R ct數據以及在孵育7天后針對工作電極上的固著(zhù)細胞數標準化的R ct。e)腐蝕電流密度(i corr)從動(dòng)電位極化曲線(xiàn)中獲得，i)對固著(zhù)細胞數進(jìn)行了歸一化。f)在有或沒(méi)有各種沙雷菌菌株的LB培養基中孵育的316 L SS試樣的E OCP隨時(shí)間的變化。誤差線(xiàn)代表不同電化學(xué)玻璃電池中至少三個(gè)獨立試樣的標準偏差。

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

圖4、由沙雷菌生物膜引起的點(diǎn)蝕。a浸入無(wú)菌LB培養基或接種兩種沙雷菌菌株之一的LB培養基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培養基或接種兩種沙雷菌菌株之一的LB培養基后，在316 L SS試樣表面上觀(guān)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天后測量的動(dòng)電位極化曲線(xiàn)。

結論與展望

在這項研究中，研究人員使用跨學(xué)科方法來(lái)證明通過(guò)孔蛋白細胞色素導管直接吸收電子，這是一種通常與無(wú)氧呼吸相關(guān)的細胞外電子交換機制，可能是有氧環(huán)境中不銹鋼腐蝕的重要機制。直接電子吸收機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)現了一種以前未被認識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，這可能對指導新的腐蝕緩解策略的發(fā)展很重要。