Direct microbial electron uptake as a mechanism for stainless steel corrosion in aerobic environments  

微生物直接電子攝取作為有氧環(huán)境中不銹鋼腐蝕的機(jī)制  

來(lái)源：Water Research, Volume 219, 2022, Article 118553  

《水研究》第219卷，2022年，文章編號(hào)118553  

 

摘要核心內(nèi)容：  

本研究揭示好氧條件下Shewanella oneidensis MR-1通過(guò)生物膜直接攝取電子導(dǎo)致不銹鋼腐蝕的新機(jī)制。通過(guò)構(gòu)建孔蛋白-細(xì)胞色素復(fù)合體（MtrCBA）基因缺失菌株（ΔmtrCBA），結(jié)合電化學(xué)噪聲、希爾伯特譜分析及丹麥Unisense微電極測(cè)量，證實(shí)：  

1. 好氧生物膜內(nèi)部形成缺氧微區(qū)（氧濃度梯度見(jiàn)圖1d），為直接電子傳遞創(chuàng)造厭氧條件；  

 

2. MtrCBA復(fù)合體是電子攝取關(guān)鍵通道，其缺失使腐蝕率降低（ΔmtrCBA的腐蝕電流密度僅野生型50%，見(jiàn)圖2e）；  

 

3. 排除H?和核黃素作為電子媒介的可能性；  

4. 厭氧條件下，野生型菌株利用不銹鋼電子還原硝酸鹽，而ΔmtrCBA喪失此能力（圖1f）。  

 

研究目的：  

闡明好氧環(huán)境中S. oneidensis加速不銹鋼腐蝕的分子機(jī)制，驗(yàn)證直接微生物電子攝取（而非傳統(tǒng)電子媒介）是主導(dǎo)途徑。  

 

研究思路：  

1. 機(jī)制排除法：驗(yàn)證H?（不銹鋼無(wú)法產(chǎn)H?）和核黃素（不銹鋼無(wú)法還原核黃素）非電子載體；  

2. 基因工程驗(yàn)證：構(gòu)建ΔmtrCBA和ΔomcA突變株，對(duì)比腐蝕表型（圖2, 圖5）；  

 

3. 微環(huán)境解析：Unisense氧微電極測(cè)量生物膜內(nèi)氧梯度（圖1d）；  

4. 多尺度腐蝕評(píng)估：線性極化電阻（Rp）、電荷轉(zhuǎn)移電阻（Ret）、電化學(xué)噪聲（圖3）和點(diǎn)蝕形貌（圖4）。  

 

 

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義：  

1. 生物膜特性（圖1a-c）  

   ? 數(shù)據(jù)：野生型生物膜厚度47±14 μm，ΔmtrCBA減少50%  

 

   ? 意義：證實(shí)MtrCBA影響生物膜形成，間接調(diào)控腐蝕界面微環(huán)境  

 

2. 電化學(xué)參數(shù)（圖2）  

   ? 數(shù)據(jù)：ΔmtrCBA的Ret值比野生型高200%，腐蝕電流密度降低50%  

 

   ? 意義：MtrCBA缺失顯著抑制電子傳遞，降低腐蝕動(dòng)力學(xué)  

 

3. 電化學(xué)噪聲與希爾伯特譜（圖3）  

   ? 數(shù)據(jù)：野生型電流瞬變振幅>120 nA（穩(wěn)定點(diǎn)蝕），ΔmtrCBA僅20 nA（點(diǎn)蝕鈍化）  

 

   ? 意義：量化腐蝕類型轉(zhuǎn)變，揭示MtrCBA介導(dǎo)穩(wěn)定點(diǎn)蝕  

 

4. 點(diǎn)蝕形貌（圖4）  

   ? 數(shù)據(jù)：ΔmtrCBA最大點(diǎn)蝕深度比野生型降低60%  

 

   ? 意義：基因缺失顯著抑制局部腐蝕發(fā)展  

 

5. 硝酸鹽還原（圖1f）  

   ? 數(shù)據(jù)：野生型7天硝酸鹽還原率97%，ΔmtrCBA幾乎無(wú)還原  

 

   ? 意義：直接電子傳遞支撐厭氧呼吸，關(guān)聯(lián)腐蝕與微生物代謝  

 

丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的核心意義：  

使用Unisense OX-5氧微電極（尖端5 μm）對(duì)生物膜進(jìn)行微米級(jí)分辨率氧梯度測(cè)量（圖1d）：  

1. 證實(shí)缺氧微區(qū)存在：生物膜-金屬界面氧濃度趨近于0 μM（深度>30 μm），創(chuàng)造局部厭氧環(huán)境，為直接電子傳遞提供必要條件；  

2. 解釋腐蝕機(jī)制時(shí)空特性：好氧環(huán)境中的厭氧微區(qū)使S. oneidensis表達(dá)厭氧呼吸通路（如MtrCBA），實(shí)現(xiàn)電子直接攝??；  

3. 量化代謝活動(dòng)：氧消耗梯度斜率反映微生物呼吸強(qiáng)度（界面陡降區(qū)達(dá)0.8 μM/μm），關(guān)聯(lián)電子傳遞速率與腐蝕動(dòng)力學(xué)。  

 

結(jié)論：  

1. MtrCBA孔蛋白-細(xì)胞色素復(fù)合體是S. oneidensis直接攝取不銹鋼電子的關(guān)鍵通道，其缺失使腐蝕率降低50%以上；  

2. 好氧生物膜內(nèi)部缺氧微環(huán)境（氧梯度<10 μM）支持直接電子傳遞型腐蝕，顛覆傳統(tǒng)“純好氧腐蝕機(jī)制”認(rèn)知；  

3. 排除H?和核黃素作為電子媒介的可能性，確立直接電子攝取為獨(dú)立腐蝕機(jī)制；  

4. 該機(jī)制普遍存在于含鐵金屬腐蝕中，為靶向MtrCBA的防腐策略提供分子靶點(diǎn)。