由于海洋环境复杂和恶劣的特点，海洋工程用钢结构长期受到严重的腐蚀。传统的防腐蚀方法可能导致环境污染和高额的维护费用。微生物大量存在于环境中，可以加速材料的腐蚀，但某些有益微生物在一定程度上可以抑制腐蚀。微生物抑制腐蚀（MICI）作为一种新的环境友好型防腐措施，已成为目前的研究热点。

使用微生物抑制腐蚀可以自主调节、原位修复和智能防护，提供终身保护，并且对环境友好。了解微生物抑制腐蚀的机制可以为金属防护提供参考，同时认识到微生物防腐技术研究应用中存在的困难和问题，可以为微生物防腐技术的未来发展提供方向。

微生物可以通过分泌缓蚀剂来抑制金属腐蚀。聚天冬氨酸和γ-聚谷氨酸是两种含有羧基的缓蚀剂，它们可以与金属阳离子结合，形成金属/肽复合物。此外，许多微生物会分泌生物表面活性剂。生物表面活性剂糖脂含有羰基和羟基，这些极性基团的亲和力可以促进糖脂与金属表面的结合，有可能抑制腐蚀。细菌可以分泌生物蛋白酶、碱性磷酸酶和碳酸酐酶，这些酶可以影响环境的pH值，促进离子的沉降。微生物的表面有丰富的酸性胞外分泌物，具有吸附富集阳离子的能力，在金属表面形成天然的屏障层，从而减缓金属的腐蚀速度。

生物膜在金属表面具有很强的附着力，可以作为材料表面的屏障。有益菌的生物膜不仅能防止环境中Cl^-等离子对金属的腐蚀，还能有效减少腐蚀菌对基体的破坏。EPS中的不同成分具有相似的官能团，可与铁等金属离子络合形成致密的保护层。胞外多糖中羧基、醛基和非碳水化合物取代基上的阴离子官能团也有助于保护层的致密性。生物矿化膜是由环境中常见的碳酸盐或磷酸盐矿物的沉淀形成，具有一定的自我修复能力，利用生物矿化抑制金属腐蚀具有广阔的应用前景。

图2 EPS络合机理

好氧微生物可以通过呼吸作用消耗金属表面的溶解氧，影响金属阴极反应过程，同时其生物膜还会阻碍氧气的传递，降低腐蚀速率。微生物分泌的腐蚀性代谢物可引起金属腐蚀。某些微生物如反硝化硫杆菌可以消耗和利用腐蚀性代谢物，减少腐蚀损伤。腐蚀性细菌会产生大量黏液样EPS，在管道内壁形成厚厚的生物膜垢，堵塞注水管道，造成严重的局部腐蚀。研究人员发现，一些细菌可以抑制腐蚀性微生物产生生物膜，从而减少腐蚀。

硫还原地杆菌是一种产电的微生物，在不锈钢表面，首先附着的细胞起到了 "电化学门 "的作用。发生在早期的细胞粘附在很大程度上控制了进一步的电子转移。一些微生物的存在可以改变金属表面钝化层的组成，使其更耐腐蚀。EPS-Fe配合物中的一些主要官能团作为阳极电子受体参与界面电化学反应，通过阻断和消耗电子受体来保护金属基底。

以菌治菌（MIMIC）是指利用有益微生物来减少腐蚀性微生物造成的腐蚀损害。它不仅可以达到减缓微生物腐蚀的目的，还可以消除或减少杀菌剂和缓蚀剂的使用，从而降低污染。

生物竞争是一种已在现场和实验室中取得一定研究成果的微生物腐蚀控制方法。油田防治硫酸盐还原菌（SRB）的方法是利用SRB与反硝化菌之间的抑制关系。群落中占主导地位的硝酸盐还原菌和反硝化脱硫菌抢占SRB的营养物质和生存空间，同时氧化H₂S。

EPS在金属表面形成的不均匀膜能有效阻挡细菌在金属基体上的粘附，其机制可能与群体感应（QS）有关。QS通过介导细胞间的信息传递，在调节生物膜的形成方面发挥着关键作用。QS通过改变细胞的基因表达来介导生物膜的发展、抗药性、运动性和病原体的毒性。

抗生素效应是指有益微生物通过代谢产生抗菌物质，从而抑制或杀死有害菌的现象。Gana等人比较了芽孢杆菌菌株B21和化学杀菌剂四甲基硫酸磷（THPS）对SRB腐蚀的影响。作为生物抑制剂，芽孢杆菌B21对SRB引起的腐蚀具有较好的抑制作用。抗菌物质的产生导致酶的分泌抑制，抗生素在这一过程中起协同作用。一些微生物分泌的多肽也可作为抗菌剂来抑制腐蚀细菌的活性。

噬菌体是一种攻击细菌的病毒。使用吞噬细菌或噬菌体可以帮助清除腐蚀性细菌，分解细胞外聚合物，破坏金属表面的生物膜。一些噬菌体编码的解聚酶和溶解素能有效抑制细菌生物膜的形成，对已有的生物膜具有较高的溶解效率。

腐蚀发生的自然环境复杂性以及实验室条件下无法重现该环境，仍然是目前微生物抑制腐蚀领域的研究障碍。未来应通过结合分子生物学、生物化学和电化学等多学科和跨学科技术对MICI的机制进行更深入的研究。应通过选取优良的有益菌作为模式菌株，通过高通量测序技术确定差异表达的基因，确定参与代谢、矿化或金属结合过程的基因，并通过基因敲除技术对基因进行改造，为模式菌的工程应用奠定基础。同时应加强对MICI的安全性、工程性和可控性的研究。

           

本文作者：中国海洋大学杜敏教授团队

该综述研究成果已于近期在环境领域TOP期刊Journal of Cleaner Production上发表，题目为“Research Progress on Microbiological Inhibition of Corrosion: A review”，全文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.133658