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海水環(huán)境中異化鐵還原菌所致金屬材料腐蝕的研究進展

2020-10-16 01:32:50 hualin

摘要

綜述了鐵還原菌 (IRB) 對海洋中鋼鐵等材料腐蝕影響的國內(nèi)外研究進展。闡述了IRB種類和代謝方式的多樣性,介紹了其在代謝過程中的電子傳遞方式;總結(jié)了海水環(huán)境中IRB所致金屬腐蝕機理的研究現(xiàn)狀,分析了不同研究者的結(jié)論存在差異的原因;最后介紹了研究IRB腐蝕影響常用的方法,并對今后的研究方向提出相應(yīng)的建議。


關(guān)鍵詞: 海水腐蝕; 微生物腐蝕; 鐵還原菌; 異化鐵還原


根據(jù)我國自然資源部發(fā)布的《2018年中國海洋經(jīng)濟統(tǒng)計公報》,2018年的全國海洋生產(chǎn)總值已達83415億元,占國內(nèi)生產(chǎn)總值的9.3%,航運業(yè)以及海洋相關(guān)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為當(dāng)今經(jīng)濟發(fā)展的重要引擎。海洋環(huán)境復(fù)雜多變,高濃度的鹽、溶解氧等因素共同作用造成海洋工程材料的嚴(yán)重腐蝕,帶來巨大經(jīng)濟損失,埋下許多安全隱患。其中,微生物如細菌、真菌、古菌等在海洋裝備災(zāi)難性事故中扮演的角色引起人們越來越多的關(guān)注。這種由于微生物生命活動或代謝產(chǎn)物所導(dǎo)致的腐蝕稱為微生物腐蝕 (MIC)。


海洋中已經(jīng)報道的微生物約有1500多種,具有腐蝕活性的微生物主要有硫酸鹽還原菌 (SRB)、硝酸鹽還原菌 (NRB)、鐵氧化菌 (IOB)、鐵還原菌 (IRB) 和產(chǎn)酸菌 (APB) 等[1],其主要通過參與Fe、S等的循環(huán)并改變金屬表面的陰、陽極反應(yīng)影響腐蝕過程[2-4]。自然環(huán)境下,金屬的MIC往往伴隨著生物膜的生成和發(fā)展,生物膜可以為微生物提供適合的生存環(huán)境,對殺菌劑起到屏障作用,且生物膜不同深度溶解氧、無機鹽、有機營養(yǎng)成分等的濃度不同,為微生物之間的協(xié)同作用提供有利環(huán)境。MIC的控制在很大程度上是生物膜的控制[5,6]。SRB由于廣泛存在于無氧環(huán)境,造成嚴(yán)重的腐蝕后果,被認(rèn)為是最重要的腐蝕微生物。因此,MIC理論大多是以SRB為研究對象提出的,如經(jīng)典的陰極去極化理論、濃差電池理論、代謝產(chǎn)物腐蝕理論等。而Jia等[6,7]在前人的基礎(chǔ)上通過分析SRB、APB等微生物在金屬腐蝕過程中的能量和電子傳遞過程,提出胞外電子傳遞理論 (EET-MIC)、代謝產(chǎn)物腐蝕理論 (M-MIC) 和生物降解腐蝕理論 (BD-MIC) 的劃分,進一步完善了MIC理論。IRB作為海洋環(huán)境中一類重要的微生物,其對金屬材料的腐蝕影響研究相對較少,有待進一步探索。


地球上的生命活動及進化與各類元素的循環(huán)息息相關(guān),其中Fe作為地殼中含量第四位的元素,參與地球上大部分的生命代謝活動?,F(xiàn)今的地球表面是一個固、液、氣三相組成的高度異質(zhì)環(huán)境,F(xiàn)e主要以氧化態(tài)Fe(Ⅲ) 形式存在,但Fe(Ⅲ) 組成的礦物質(zhì)或化合物溶解度極低,生物難以直接吸收。20世紀(jì)80年代以前,人們認(rèn)為S的還原是微生物還原最早的形式,直到1987年分離并培養(yǎng)出第一株具有鐵還原功能的細菌,人們開始意識到微生物還原Fe(Ⅲ) 可能是地球早期生命的呼吸方式之一,Vargas等[8]也通過實驗證明了幾種嗜熱菌相比S更易還原Fe(Ⅲ)。近年來,隨著不同種類的IRB被陸續(xù)從海水、海泥甚至深海熱液區(qū)等水域環(huán)境中分離提取,其對金屬材料的腐蝕作用也引起人們的關(guān)注[9]。雖然IRB對金屬材料的腐蝕影響已取得一些成果,但對其作用結(jié)果及作用機制存在爭議。因此,深入系統(tǒng)地探究IRB所致金屬的腐蝕機制不僅可以進一步豐富MIC理論,還對海洋工程裝備的防護具有理論指導(dǎo)意義。


本文從IRB種類的多樣性、代謝過程的多樣性、對金屬材料的腐蝕機制研究現(xiàn)狀、腐蝕研究方法等幾個方面總結(jié)了海水環(huán)境中IRB所致金屬材料腐蝕的研究進展。


1 海水環(huán)境中IRB種類的多樣性


IRB并不是一個分類學(xué)上的概念,而是一類可以將Fe(Ⅲ) 還原為Fe(Ⅱ) 的微生物統(tǒng)稱。Fe(Ⅲ) 的還原也稱為異化鐵還原,微生物通過氧化電子供體獲得電子,以胞外Fe(Ⅲ) 作為末端電子受體,將Fe(Ⅲ) 還原為Fe(Ⅱ),同時獲得能量[10]。IRB是一類嚴(yán)格厭氧或兼性厭氧的細菌或古菌,生存環(huán)境廣泛,常見的海水環(huán)境中存在的IRB種類如表1所示。其中,深海熱液區(qū)是重要的含鐵氧化物的儲存區(qū),為異化IRB的生存繁殖提供了電子受體。但是,由于當(dāng)前的技術(shù)限制,熱液區(qū)的樣品不易獲取,并且外部條件改變后菌株不易存活,因此對深海熱液區(qū)的IRB研究報道較少。目前在金屬腐蝕領(lǐng)域研究最多的是Shewanella和Geobacter。

表1   海水環(huán)境已知的部分IRB種類

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2 IRB代謝過程的多樣性


微生物在代謝過程中需要不斷地與外界進行物質(zhì)交換,攝取能量,同時排出代謝產(chǎn)物,其本質(zhì)是一系列的氧化還原反應(yīng),即存在電子供體和電子受體的電子傳遞過程。IRB從電子供體中獲得電子,再將電子傳遞給Fe(Ⅲ) 使其還原,在此過程中獲得并儲存能量,有些IRB也可以還原其他有毒重金屬和類金屬,將還原過程作為自身的一種解毒機制[24]。


2.1 電子供體


IRB可利用H2、有機酸作為電子供體,尤其是短鏈有機酸,如乳酸鹽、乙酸鹽、甲酸鹽,琥珀酸等;Geoglobus ahangari、Desulfuromonas palmitatis以及Geothrix fermentans可以利用一些長鏈脂肪酸如硬脂酸、棕櫚酸等;還有少數(shù)幾種可以利用葡萄糖和芳香族化合物作為電子供體,其中利用葡萄糖獲得能量時大多通過發(fā)酵路徑,產(chǎn)生乙酸。除此以外,極端環(huán)境分離的超嗜熱菌如Ferroglobus placidus還能在一定條件下以Fe(Ⅱ) 為電子供體[25]。


2.2 電子受體


IRB在代謝過程中除了以Fe(Ⅲ) 作為電子受體,兼性厭氧的IRB在有氧環(huán)境下還能以O(shè)2為電子受體,Mn(Ⅳ)、胞外苯醌類化合物、富馬酸、含氯化合物、硝酸根等也在一定條件下也可以作為IRB的電子受體[26-28]。其中,Shewanella、Acidiphilium以及Rhodoferax在利用O2作為電子受體時比Fe(III) 生長更好,這是因為在中性或偏堿性pH值環(huán)境下Fe(III) 的溶解度和氧化還原電位都比較低,微生物利用O2呼吸可產(chǎn)生更多的能量。在酸性條件下Fe(III) 以Fe3+的形式存在,F(xiàn)e3+的氧化還原電位與O2接近,可同時利用O2和Fe(III) 進行呼吸。


此外,根據(jù)呼吸類型,可以分為呼吸型IRB和發(fā)酵型IRB。其中,呼吸型IRB可以通過完全或不完全氧化有機物獲取電子,再傳遞給電子受體,獲取并儲存能量,如Geobacter、Desulfuromonas可以完全將有機物氧化成CO2,而Shewanella、Pseudomonas不能將有機物完全氧化為CO2。發(fā)酵型IRB通過發(fā)酵有機物獲取能量并進行異化鐵還原,但是大部分電子儲存在發(fā)酵代謝產(chǎn)物中,只有極少部分的電子用來還原Fe(Ⅲ),如Vibrios和Bacillus等。研究者們通過計算表明,少量Fe(Ⅲ) 可以促進發(fā)酵獲取更多能量[29,30]。因此,呼吸型的IRB更易對金屬腐蝕產(chǎn)生影響。


2.3 電子傳遞機制


IRB是通過向胞外轉(zhuǎn)移電子的代謝方式實現(xiàn)電子傳遞過程。目前普遍認(rèn)為,IRB通過以下幾種機制傳遞電子 (見圖1):(a) 直接接觸機制:細菌以菌毛作為納米導(dǎo)線或通過外膜上的活性蛋白,直接接觸鐵氧化物表面釋放電子;(b) 電子穿梭機制:微生物分泌的氧化還原物質(zhì)攜帶電子傳遞至胞外受體,再以氧化態(tài)返回胞內(nèi)繼續(xù)接受電子,如此往返于胞內(nèi)外的介質(zhì);(c) 鰲合作用機制:微生物分泌出復(fù)雜的有機配位體與不溶性鐵氧化物作用形成可溶性復(fù)合體,溶解性的Fe通過擴散作用到微生物表面,增大微生物與Fe(Ⅲ) 的接觸效率,提高鐵還原速率[31]。在實際環(huán)境中,這幾種機制的貢獻還不是很清楚。例如,Geobacter不能產(chǎn)生電子穿梭體及絡(luò)合物,通常被認(rèn)為主要是通過膜蛋白或產(chǎn)生鞭毛進行電子傳遞[32];而Shewanella能分泌電子穿梭體或螯合物,比如醌、有機配位基、黑色素等,直接接觸可能就不作為其還原不溶性鐵氧化物的主要途徑[33,34]。

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圖1   微生物作用于Fe(Ⅲ) 氧化物表面?zhèn)鬟f電子的3種方式[31]

 

3 IRB對金屬材料腐蝕的影響


金屬在海水環(huán)境中的腐蝕過程大多是電化學(xué)過程,以鋼鐵的腐蝕為例,腐蝕過程中必定伴隨著Fe的溶解,電極反應(yīng)中的陽極反應(yīng)為:

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在有氧環(huán)境下,陰極反應(yīng)很容易發(fā)生,O2迅速將Fe2+氧化為Fe3+,生成鐵的氧化物或氫氧化物。而在無氧環(huán)境下,電子傳遞給H2O電解的H+,電極反應(yīng)為[5,35]:

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當(dāng)微生物參與到腐蝕過程中時,其生長代謝會通過不同的途徑改變電化學(xué)過程,例如微生物生命活動分泌能夠促進陰極還原的酶而影響電極反應(yīng)的動力學(xué)過程。生物膜結(jié)構(gòu)創(chuàng)造生物膜內(nèi)部的腐蝕微環(huán)境,如降低膜內(nèi)溶解氧、生成抗菌素、分泌緩蝕劑等,改變金屬與體系接觸的表面狀態(tài),從而改變金屬的腐蝕速率[5,36,37]及新陳代謝產(chǎn)物的腐蝕作用。IRB對金屬的腐蝕影響近年來取得一系列研究成果。


3.1 單一IRB作用下的腐蝕過程


3.1.1 腐蝕促進理論


IRB引起金屬材料腐蝕促進的MIC理論可總結(jié)為以下幾方面:(1) 被廣泛接受的腐蝕產(chǎn)物保護膜破壞理論。在一定條件下,鋼鐵表面形成的腐蝕產(chǎn)物膜對材料起到一定的保護作用,而IRB能夠?qū)⒈Wo性的Fe(III) 氧化物還原為可溶性的Fe(II),使得金屬在腐蝕環(huán)境中呈現(xiàn)出新鮮的表面,加速金屬腐蝕,其腐蝕機理如圖2。上個世紀(jì)80年代,Obuekwe等[38]在微厭氧環(huán)境下研究了一株IRB (Pseudomonas sp.) 對碳鋼腐蝕的影響,證明了IRB能夠還原和移除由Fe(III) 化合物組成的保護性膜,促進陽極反應(yīng),進而加速碳鋼腐蝕。之后,Little等[39]采用電化學(xué)噪聲法研究了另外一株IRB (Shewanella purefaciens) 對碳鋼腐蝕的影響,結(jié)果也表明IRB在碳鋼表面通過將固態(tài)Fe(III) 的氧化物還原為可溶性的Fe(II),促進碳鋼的腐蝕。(2) 局部腐蝕促進理論。IRB可形成不均勻生物膜,影響電化學(xué)過程,為局部腐蝕提供了條件,整體上表現(xiàn)為碳鋼腐蝕被加速[36]。Chen等[40]采用絲束電極 (WBE) 的方法結(jié)合生物膜的形貌表征研究了一株IRB (Thalassospira. sp.) 在氧飽和海水中所致Q235碳鋼局部腐蝕的動態(tài)過程,結(jié)果表明IRB的存在生成了不均勻的生物膜,且IRB在生物膜內(nèi)的代謝導(dǎo)致了表面膜的局部破壞,產(chǎn)生了電化學(xué)活性位點,促進了Q235碳鋼電荷轉(zhuǎn)移過程。(3) 氫氧化腐蝕促進理論。隨著電化學(xué)技術(shù)的發(fā)展,微區(qū)電化學(xué)技術(shù)已經(jīng)在腐蝕領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用,因此有研究者研究了IRB和H2存在下碳鋼的局部腐蝕[41,42],證明了IRB的氫氧化會使碳鋼在短期內(nèi)腐蝕加劇。

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圖2   IRB引起的腐蝕促進機理圖

 

3.1.2 腐蝕抑制理論


隨著對IRB腐蝕作用研究的深入,越來越多的研究結(jié)果表明,IRB對金屬材料起到腐蝕抑制作用,其原因可以總結(jié)為以下幾點:(1) O2消耗腐蝕抑制理論。IRB的存在會直接或間接地消耗O2,抑制陰極反應(yīng)從而抑制材料的腐蝕[43]。O2在金屬腐蝕過程中起到重要作用,其氧化還原電位大于Fe(III)的,使得一些兼性IRB更傾向以O(shè)2作為電子受體以獲得更多的能量;同時,被還原生成的Fe(II) 氧化進一步消耗O2,降低體系中的溶解氧,腐蝕機理模型見圖3。(2) 保護性產(chǎn)物層腐蝕抑制理論。近期研究表明,一些IRB會誘導(dǎo)生成具有緩蝕性的保護層如藍鐵礦,從而抑制腐蝕。Cote等[44]認(rèn)為Geobacter sulfurreducens以醋酸鹽為碳源將Fe(III) 還原為Fe(II),而Fe (II) 與磷酸根結(jié)合生成磷酸亞鐵 (Fe3(PO4)2·8H2O) 即藍鐵礦,沉積在碳鋼表面,減少碳鋼的腐蝕。Volkland等[45]也利用IRB在鋼表面成功制備了藍鐵礦涂層,反應(yīng)如下:

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圖3   IRB引起的腐蝕抑制機理圖

 

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(3) 生物膜腐蝕抑制理論。微生物若在金屬表面生成均勻的生物膜,則會對金屬材料起到保護作用,因為均勻的生物膜屏蔽了O2的向內(nèi)擴散,有些IRB在生物膜內(nèi)的代謝還會產(chǎn)生緩蝕劑,抑制腐蝕[37,47]。(4) 電子傳遞腐蝕抑制理論。有研究[48]證明,如果IRB通過納米導(dǎo)線傳遞電子,該過程中會產(chǎn)生陰極電流,抑制腐蝕。


3.2 混合菌作用下的腐蝕過程


實際的海水環(huán)境是復(fù)雜多樣的,MIC在多數(shù)情況下是不同微生物協(xié)同作用的結(jié)果。除了單一菌種,混合菌即兩種及以上的菌種作用下金屬的腐蝕行為也開始受到關(guān)注。其中,有研究者報道了IRB與IOB、銅綠假單胞菌等協(xié)同作用對金屬腐蝕的影響。


IOB是常見的一類具有腐蝕活性的微生物,代謝過程中通過將Fe(II) 氧化成Fe(III) 獲取能量,導(dǎo)致在金屬表面產(chǎn)生氧濃差電池,引起局部腐蝕,腐蝕結(jié)果往往是在管道等金屬表面形成銹瘤[49],銹瘤又為腐蝕性的厭氧微生物提供厭氧條件,從而造成金屬嚴(yán)重的腐蝕。當(dāng)IRB與IOB同時存在于體系中時,IOB以O(shè)2為電子受體,將Fe(II) 氧化成為Fe(III)。而IRB利用生成的Fe(III) 作為電子受體進行還原,但一些種類的IRB也傾向于以O(shè)2為電子受體,與IOB形成競爭。因此,二者的共同作用對金屬腐蝕的影響值得探究。IRB與IOB的協(xié)同作用在淡水環(huán)境如自來水管道等方面研究較多。Wang等[50-52]的一系列研究證實,IRB與IOB通過在金屬管道的內(nèi)層和外層形成致密的腐蝕產(chǎn)物膜如α-FeOOH和Fe3O4等抑制管道的腐蝕。海水環(huán)境中其協(xié)同作用對腐蝕過程的影響研究較少。其中,Lee等[53]和Chen等[54]分別研究了不同種類的IRB和IOB混合菌作用對碳鋼腐蝕的影響,結(jié)果均表明在有氧環(huán)境中IRB的加入會降低體系中O2含量,從而抑制陰極反應(yīng)的進行,緩解IOB的腐蝕作用。


銅綠假單胞菌也是一種常見的微生物,廣泛存在于各類環(huán)境中。Black等[55]在微好氧條件下,研究了低碳鋼中銅綠假單胞菌和IRB共存的腐蝕效應(yīng),認(rèn)為IRB去除保護性鐵氧化物的能力導(dǎo)致銅綠假單胞菌進一步引起陽極極化導(dǎo)致腐蝕加速。


3.3 IRB影響腐蝕復(fù)雜性的原因剖析


IRB對海洋工程裝備材料的腐蝕作用是不容忽視的,而現(xiàn)有的研究成果存在爭議的主要原因可以概括為以下兩點:


(1) IRB是一類具有鐵還原能力的微生物,種類繁多,分布在不同的水域環(huán)境,因此,不同種類的IRB代謝過程中對電子受體和電子供體的選擇不同。其中O2是一個影響IRB電子受體選擇的重要因素,其氧化還原電位高于Fe(III),理論上有氧條件下兼性IRB趨向以O(shè)2作為電子受體,消耗體系中的O2,抑制腐蝕;而無氧條件下,IRB原則上以Fe(III) 等金屬氧化物為電子受體,破壞腐蝕產(chǎn)物保護膜,可能會造成腐蝕加速。因此,不同種類的IRB在不同環(huán)境下對電子受體的選擇不同,就會造成結(jié)果上的差異,很難進行系統(tǒng)對比。


(2) 生物膜的形成是一個非常復(fù)雜的生物/化學(xué)過程,對腐蝕過程的影響很難預(yù)測和控制,其組成受環(huán)境中微小擾動 (如溫度、營養(yǎng)濃度和流量) 的影響,生物膜的狀態(tài)會造成材料腐蝕的較大差異?,F(xiàn)代的科學(xué)技術(shù)雖然已經(jīng)在電化學(xué)檢測、生物膜檢測等方面得到了很大的改善,但生物膜內(nèi)部的微環(huán)境如溶解氧、酸堿度、離子種類等還未能實現(xiàn)精確的跟蹤檢測。


4 IRB腐蝕影響的研究方法


4.1 腐蝕過程與產(chǎn)物測試


4.1.1 失重法


失重法測量腐蝕速率是一種簡單可靠的方法。在IRB腐蝕影響的研究過程中,失重法被廣泛應(yīng)用。打磨后的樣品在置于腐蝕體系中之前稱重,浸泡一定的時間后,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方法除去樣品表面的生物膜及腐蝕產(chǎn)物后再稱重,前后重量差值即為失重量。利用失重法可以得到一個直觀、相對準(zhǔn)確的腐蝕速率,但耗時較長且不易得到動態(tài)變化過程[6]。


4.1.2 電化學(xué)方法


相較于失重法,利用電化學(xué)手段研究IRB對金屬表面腐蝕過程熱力學(xué)和動力學(xué)過程的影響,可以得到快速準(zhǔn)確的測試結(jié)果,是傳統(tǒng)失重等方法不可比擬的。電化學(xué)阻抗譜 (EIS) 測試技術(shù)是研究金屬腐蝕最常用的方法之一,該技術(shù)對被測體系擾動小,即使擾動信號長時間作用于電極,也不會給被測電極表面造成大的影響。極化曲線測量是腐蝕電化學(xué)研究的重要手段,線性極化 (LPR) 對研究電極在腐蝕電位附近外加電流進行微極化,通常選用相對開路電位±10 mV的掃描范圍以最大限度接近體系的真實狀態(tài),通過計算電位對電流的斜率得到極化電阻 (Rp),可表征金屬腐蝕速率;而通過Tafel極化得到的腐蝕電流 (icorr),不僅可以分析電極表面物質(zhì)傳輸及腐蝕機理,還可以換算得到直觀的腐蝕速率。


利用傳統(tǒng)的電化學(xué)手段測試得到的是電極整體的電化學(xué)行為,不能提供某一微小區(qū)域的狀態(tài),微區(qū)電化學(xué)測試技術(shù)應(yīng)運而生,彌補了普通電化學(xué)的不足。例如,局部電化學(xué)阻抗 (LEIS) 是通過向被測電極施加一個微擾電壓,可以精確測量局部區(qū)域固/液界面的阻抗行為[56],從而分析局部腐蝕速率和生物膜下的差異。此外,掃描電化學(xué)顯微鏡 (SECM),掃描振動電極 (SVET)、掃描Kelvin探針 (SKP) 等微區(qū)電化學(xué)技術(shù)也得到相應(yīng)的發(fā)展和應(yīng)用。


4.1.3 腐蝕產(chǎn)物表征


金屬表面的腐蝕產(chǎn)物形貌及成分分析對研究IRB影響下的腐蝕機制是不可或缺的。目前最常用的微觀形貌表征手段有掃描電子顯微鏡 (SEM)、透射電子顯微鏡 (TEM),與其聯(lián)用能譜 (EDS) 可進行元素分析。而腐蝕產(chǎn)物的物相分析常采用X射線衍射 (XRD)、X射線光電子能譜 (XPS)、Raman光譜分析等,多種方法相互驗證,為確定產(chǎn)物成分提供可靠論證。


4.2 生物學(xué)研究方法


研究IRB對金屬腐蝕的影響時,IRB的種類及其代謝特點、附著生物膜特征等信息必不可少,現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展為此提供了有力的工具。


4.2.1 IRB的分類


微生物的分類方法包括單菌株測序、宏基因高通量測序等。應(yīng)用基因序列分析可鑒定生物之間的親緣性,確定細菌分類及代謝特點,分析群落結(jié)構(gòu)豐富度和多樣性。其中,16SrRNA基因測序可以對特定環(huán)境下細菌和古菌的IRB種類和豐度進行有效的鑒定;而聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)技術(shù) (PCR) 在短時間內(nèi)大量擴增特定的DNA片段,用于序列分析、基因表達調(diào)控等。


4.2.2 生物膜表征


被微生物附著的樣品經(jīng)過超臨界脫水后可以保留完整的微生物和胞外多聚物 (EPS) 形貌,在SEM下可以觀察到其在金屬表面的附著狀態(tài),但SEM無法給出細菌的存活狀態(tài)和生物膜厚度。激光掃描共聚焦顯微鏡 (CLSM) 可以有效解決這一問題。觀察前用不同的染料對含生物膜樣品進行染色,生物膜中不同的成分與特定的染料結(jié)合,在CLSM下會激發(fā)出不同的熒光,確定生物膜中不同組分的分布情況。例如,用Live/Dead染料染色后的細菌,活細胞顯示為綠色,而死細胞顯示為紅色,同時可以進行3D圖像采集,既可以獲得細菌在金屬表面的存活狀態(tài),也可以獲得直觀的生物膜厚度。


4.2.3 基因敲除


分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展使得基因敲除技術(shù)得到越來越廣泛的應(yīng)用,根據(jù)生物種類的不同,主要用到RecA系統(tǒng)同源重組法、CRISPR/Cas系統(tǒng)介導(dǎo)的基因敲除法和基于自殺載體的同源重組法等[57]。在IRB電子傳遞方式的研究過程中,通過敲除與電子傳遞相關(guān)的酶基因,可以進一步確定IRB的電子傳遞機制,Geobacter作為模式菌種已有所研究。例如,Summers等[58]利用基因敲除手段去除Geobacter sulfurreducens菌株中的色素蛋白Omcs (一種調(diào)節(jié)c型細胞色素的蛋白) 基因,再與Geobacter metallireducens構(gòu)建共培養(yǎng)體系后證明了Geobacter sulfurreducens的導(dǎo)電纖毛參與種間直接電子傳遞的機制。Liu等[59]敲除Geobacter sulfurreducens菌株的Omcs基因后認(rèn)為,納米磁鐵礦會促進Geobacter sulfurreducens和Geobacter metallireducens的直接電子傳遞過程。但是,由于IRB種類的復(fù)雜性和技術(shù)的局限,大部分IRB菌株還未見應(yīng)用。在MIC研究領(lǐng)域,利用基因敲除技術(shù)去除與微生物腐蝕活性表達有關(guān)的基因,有助于明確微生物對金屬腐蝕產(chǎn)生影響的直接因素,目前已應(yīng)用在SRB、銅綠假單胞菌等所致金屬腐蝕的研究中。例如,Huang等[60]通過基因敲除證實了銅綠假單胞菌中的phzM和phzS基因片段調(diào)控X80碳鋼的EET-MIC。但是在IRB所致金屬腐蝕的機制研究中,基因敲除的應(yīng)用還比較少,具有較大的應(yīng)用前景。


5 結(jié)語


綜上所述,IRB作為一類重要的鐵代謝菌,研究其對海水環(huán)境中金屬的腐蝕影響意義重大。結(jié)合研究現(xiàn)狀,針對存在的問題提出幾點建議:第一,體系中參數(shù)的控制 (如溶解氧) 對研究IRB的腐蝕作用非常關(guān)鍵,尤其是有氧環(huán)境下應(yīng)盡量減少溶解氧變化產(chǎn)生的影響,可以采用通氧或通空氣的方式使體系內(nèi)溶解氧保持濃度;第二,對生物膜內(nèi)部微環(huán)境檢測手段的提升和改善對研究IRB腐蝕影響機理具有重要意義;第三,IRB對O2的消耗容易造成貧氧環(huán)境,在實際海洋環(huán)境中能夠為厭氧菌提供有利的生存環(huán)境,IRB與其他微生物混合作用所致腐蝕的機理需要進一步研究。