综述：生物膜 - 金属界面：微生物腐蚀的热点区域

这篇综述聚焦生物膜在微生物腐蚀（MIC）中的关键作用，探讨其形成、微生物间相互作用及对腐蚀的影响。

　　

微生物腐蚀（MIC）的威胁与生物膜的关联

微生物腐蚀（MIC）对海洋环境和工业系统中的金属基础设施构成重大威胁，约占所有腐蚀成本的 20%。众多微生物如细菌、古菌、硅藻和真菌等都参与腐蚀过程，其中细菌的影响最为显著，主要包括硫酸盐还原菌（SRB）、硫氧化菌（SOB）、硝酸盐还原菌（NRB）、铁氧化 / 还原菌（IB）、锰氧化菌和产酸菌（APB）等。细菌通过形成表面附着的生物膜参与直接或间接的腐蚀过程，生物膜是微生物通过粘附和代谢在材料表面自发聚集形成的非均相三维基质。在生物膜形成过程中，微生物产生代谢产物（如硫化物和酸）和胞外聚合物（EPSs）。EPSs 是生物膜的重要组成部分，既能将细菌细胞粘附到生物或非生物底物上，保护细菌，又可能通过螯合金属离子刺激阳极溶解，加剧腐蚀。此外，生物膜的存在改变了底物表面的理化环境，影响金属材料的局部腐蚀过程。因此，了解细菌生物膜的形成和功能对控制 MIC 至关重要。

生物膜的发展模型

五阶段模型

生物膜形成是一个动态过程，广泛应用的五阶段模型基于铜绿假单胞菌生物膜的特征，包括可逆附着、不可逆附着、微菌落形成、成熟和分散五个阶段。在可逆附着阶段，浮游细胞通过鞭毛、菌毛等细胞附属物与底物表面进行非特异性弱附着，这不仅降低了细菌的运动性，还刺激了细胞内第二信使（如 c-di-GMP、cAMP）的表达。c-di-GMP 参与生物膜的发展，高浓度的 c-di-GMP 可抑制鞭毛转子运动，减少细菌在表面的运动，并增加 EPSs 和 IV 型菌毛（TFP）的生物合成。同时，细胞内 cAMP 水平的升高可增强细菌细胞的电化学活性。在可逆附着后期，细菌细胞通过范德华力、静电力和酸碱相互作用牢固地附着在表面。

进入不可逆附着阶段，细菌细胞分泌群体感应（QS）信号分子和细胞内第二信使（如 c-di-GMP），激活细胞内信号级联反应，导致鞭毛运动性降低、菌毛回缩减弱和 EPS 分泌增加。随后是微菌落形成阶段，不可逆附着的细胞聚集形成微菌落，QS 信号分子引导浮游细菌细胞不断附着到表面并聚集，同时调节基因表达，激活与生物膜分化和成熟相关的基因。微菌落有利于细菌间有益的底物交换和代谢副产物的清除。

生物膜成熟阶段的特征是出现数层细胞厚的细菌簇，EPSs 分泌并积累形成致密均匀的物理结构，保护细菌细胞免受恶劣环境的影响。此时，固着细菌和浮游细菌在生理上存在显著差异，相关基因涉及细菌翻译、代谢、膜运输和基因调控等。最后是分散阶段，生物膜分解，固着细胞释放到 bulk solution 中，分散的细菌被 EPS 基质包围，有利于新生物膜的重新发展，这也是细菌对外部扰动或内部微环境变化的一种表型适应。

三阶段模型

五阶段模型虽然应用广泛，但存在局限性。它基于简单、营养丰富的实验室系统研究制定，未考虑实际环境中生物膜结构和过程的多样性与复杂性，如底物特性对生物膜生长的影响、生态演替以及非表面附着生物膜的情况等。自 2009 年起，学者们提出了多种新模型，其中新的三阶段生物膜发展模型具有更全面和灵活的框架。该模型包括初始聚集和附着阶段，细菌通过克隆生长、共聚集或受胞外 EPS 和宿主因素影响等机制聚集或附着到生物和非生物表面；生长和积累阶段，生物膜增厚并成熟，微环境对细菌的生理和行为起关键作用；解聚和脱离阶段，细菌通过主动分散机制、从生物膜上脱落或受外部力量（如流体剪切力）作用离开生物膜。

生物膜形成中的蛋白质和基因

在生物膜形成的早期阶段，微生物的附着和生物膜基质的初始形成至关重要。表面蛋白如由 Fim 基因簇编码的粘附素和菌毛，在微生物与表面的特异性相互作用中发挥重要作用。胶原蛋白样蛋白通过 “胶原蛋白拥抱” 机制与胶原蛋白紧密结合，为后续 EPSs 和其他细菌细胞的积累提供稳定基础。葡萄球菌中的 BvgAS 调节系统控制胶原蛋白样蛋白的表达，影响生物膜形成；外膜蛋白 W（OmpW）也负责早期附着和生物膜基质形成。此外，QS 系统（如哈维氏弧菌中的 luxI 和 luxR 基因）通过细胞间信号分子的积累调节生物膜形成，大肠杆菌中的 csgD 基因控制与生物膜形成相关基因的表达。

在生物膜发展的后期阶段，微生物群落的复杂性增加，生物膜的三维结构逐渐形成。多糖合酶（如铜绿假单胞菌中的 psl 基因簇）参与多糖的合成，霍乱弧菌中的 gsp 基因簇编码的 II 型分泌系统（T2SS）负责将这些大分子转运到细胞外。SRB 中的 sat 基因编码硫酸盐还原酶，产生的硫化物可与金属反应导致腐蚀；脱硫弧菌属的氢化酶促进 H₂S 的产生，与铁反应形成硫化铁（FeS）。生物膜内的代谢活动产生各种有机酸，降低局部 pH 值，增加金属腐蚀速率；铁氧化还原蛋白加速铁的氧化。此外，细胞外 DNA（eDNA）和蛋白质在生物膜形成后期与生物膜形成呈正相关，eDNA 有助于螯合金属阳离子，激活抗性机制，直接结合并保护细菌免受抗生素作用，还促进抗生素抗性基因在生物膜群落中的水平转移。

生物膜内微生物间的相互作用

协同与竞争作用

在生物膜系统中，微生物间的相互作用对整个群落的稳定性和功能性能至关重要。协同相互作用指不同微生物在生物膜内合作完成某些生理过程或增强群落适应性，如一些微生物分解复杂有机物为其他微生物提供营养，或提供保护微环境、调节 pH 值等。例如，铜绿假单胞菌产生的生物表面活性剂可改变局部环境，有利于其他微生物的生长和代谢；铜绿假单胞菌和产酸克雷伯菌通过交换发酵产生的代谢产物，增强共培养驱动的微生物燃料电池的发电能力。

竞争相互作用则是微生物在生物膜内竞争有限资源（如营养、生存空间、附着位点），导致一些微生物在生物膜中占据主导地位，抑制或取代其他微生物。例如，金黄色葡萄球菌产生抗菌肽抑制其他微生物生长，从而在生物膜中占据优势；生物膜内好氧和厌氧微生物因氧气可用性差异而分层也是竞争的体现。

化学信号传导、电子转移与基因转移

化学信号传导是微生物通过分泌可检测的化学分子进行通信的过程，这些信号分子可以是 QS 分子、代谢产物或其他小分子，影响微生物的基因表达、代谢活动和对环境变化的反应，在生物膜的形成、发展和功能维持中起关键作用。不同细菌采用不同的 QS 系统，如哈维氏弧菌使用 N - 酰基高丝氨酸内酯信号分子进行 QS，调节生物膜内的多种生理过程；铜绿假单胞菌通过分泌吩嗪类化合物、绿脓菌素等色素传递信息，影响邻近微生物的代谢和结构。

电子转移包括微生物间的直接和间接电子交换以及单个细胞内用于呼吸的电子传递链，对微生物的能量代谢至关重要，在 MIC 过程中，还涉及微生物与金属表面的直接电子交换。例如，脱硫地杆菌可通过细胞表面的菌毛与其他微生物或金属表面进行直接电子转移（DET）；铁氧化细菌分泌电子穿梭分子促进铁的氧化和能量回收；脱硫弧菌通过生物膜内的电子转移介导硫化氢的产生，影响金属的腐蚀过程。在混合微生物群落中，电子转移机制复杂，涉及细胞色素、双向途径和氢相关过程。

基因转移是微生物通过水平基因转移在生物膜内交换遗传物质的过程，可通过接合、转化或噬菌体等间接方式进行。基因转移促进生物膜内的遗传多样性，增强其对环境压力的适应性和抗性，也影响微生物的抗菌抗性和致病性。生物膜是抗生素抗性基因传播的重要环境，其中的移动遗传元件比浮游培养中更普遍。

生物膜微环境对腐蚀的影响

氧气浓度梯度

生物膜内氧气浓度梯度对 MIC 有显著影响。在生物膜的外边缘，由于扩散和流体动力学作用，氧气浓度较高；而内部区域因微生物呼吸和代谢消耗，氧气浓度较低，形成明显的梯度。这种梯度影响微生物群落的结构和代谢活动，也显著影响金属的腐蚀过程。铁氧化细菌在生物膜的富氧区域活跃，产生氧化铁沉积物；SRB 则倾向于栖息在低氧浓度区域，如在海洋结构物的生物膜中，SRB 在金属 - 生物膜界面附近富集，导致硫化物局部浓度积累，加速腐蚀。铜绿假单胞菌生物膜形成的缺氧区域也影响腐蚀过程，且这些梯度在抗生素处理后仍能保持稳定。

酸性微区、EPSs 及其他因素

生物膜基质内酸性区域的存在是微生物腐蚀过程的重要特征。微生物的代谢活动（尤其是发酵）产生各种有机酸，如乙酸、丙酸和丁酸等，这些酸性代谢产物在生物膜内积累，导致局部 pH 值显著降低，形成酸性微环境。酸性条件可加速金属的阳极溶解，促进某些腐蚀性化学物质的形成。APB 通过在生物膜内产生有机酸导致 pH 值降低，从而引发 MIC；唾液生物膜可使羟基磷灰石涂层的钛植入物发生腐蚀。

EPSs 在金属腐蚀中起关键作用，其含有的羧基、羟基和氨基等功能基团可吸附在金属表面，与金属离子形成络合物，影响电化学环境。EPSs 中的 eDNA 与金属离子结合，增强生物膜的结构完整性，通过差异充气电池促进局部腐蚀；蛋白质可与铜离子形成络合物，影响铜基合金的腐蚀行为。此外，EPSs 中的氧化还原活性分子（如 eDNA、蛋白质和多糖）可参与氧化还原反应，影响生物膜的整体电化学行为，促进微生物代谢驱动的腐蚀过程。

生物膜内的代谢产物（如酸、氨和硫化物）和酶也参与金属的腐蚀过程。SRB 产生的硫化物可导致铜的腐蚀；产氨细菌在无氮环境中促进铜镍合金的晶间腐蚀。生物膜内的酶（如氢化酶、氧化酶和过氧化氢酶等）通过改变化学环境、促进生物膜形成和影响生物膜结构完整性来影响腐蚀过程。

电子载体在 MIC 过程中也至关重要，细胞色素（尤其是 c 型细胞色素）、黄素（如核黄素和黄素腺嘌呤二核苷酸）和吩嗪等电子载体通过介导微生物与金属表面之间的电子转移，影响金属腐蚀的速率、产物类型和分布。

电活性微生物与底物之间的电子转移

直接电子转移（DET）

电活性微生物能够参与电子转移过程，在微生物腐蚀中发挥关键作用。常见的电活性微生物包括地杆菌属、希瓦氏菌属、脱硫弧菌属和甲烷八叠球菌属等。DET 是微生物通过细胞外结构（如 c 型细胞色素或导电纳米线）直接将电子转移到金属或其他电子受体的过程。c 型细胞色素是细菌外膜的主要导电元件，由多个血红素基团组成，电子通过 c 型细胞色素依次转移到细胞外电子受体。导电纳米线最初在脱硫地杆菌中发现，主要由富含芳香族氨基酸的 PilA 单体组成，通过 π-π 堆积实现电子离域，促进长距离电子转移。

例如，脱硫地杆菌的电子转移途径涉及多种细胞色素，为细菌细胞提供了多个膜电子通道，增强了跨膜电子传输能力。甲烷菌也能显著促进腐蚀过程，大多数甲烷菌以金属释放的 H₂作为唯一电子供体生长，而甲烷八叠球菌（Methanosarcina acetivorans）可利用其膜相关的多血红素 c 型细胞色素（MmcA）直接从金属铁获取电子进行产甲烷作用。

间接电子转移（IET）

IET 涉及使用可溶性电子介质（如黄素、吩嗪和绿脓菌素）促进微生物与电子受体之间的电子转移。这些介质在金属表面被还原，然后扩散回微生物细胞被重新氧化，从而促进电子流向细胞的电子传输链。例如，希瓦氏菌分泌黄素（核黄素和黄素单核苷酸）从金属表面获取电子，随后在细胞内被重新氧化，为细菌代谢提供电子，促进腐蚀过程。不同生长阶段的希瓦氏菌，其分泌的主要电子穿梭体有所不同。铜绿假单胞菌产生的吩嗪类化合物（如吩嗪 - 1 - 羧酸）作为电子介质，影响钛合金的腐蚀，其电子转移机制涉及细胞质蛋白（黄素蛋白）催化吩嗪的还原。

用于 MIC 建模的生物膜参数

物理参数

MIC 预测模型的发展反映了对其复杂现象的深入理解，模型从简单的经验公式逐渐转变为更复杂的机制模型，纳入了越来越多的生物膜参数。生物膜的形成和脱离是生物膜生命周期中的关键过程，影响腐蚀模型的预测准确性。生物膜形成参数（如附着和生长速率）决定生物膜的初始发展和成熟阶段，生物膜脱离参数描述生物膜从表面脱落的频率和数量，影响生物膜的稳定性和金属表面的腐蚀状态。这些参数在一些模型中被用于预测生物膜生长和成熟，进而影响腐蚀速率。

生物膜的物理性质（如厚度、密度和孔隙率）对微生物腐蚀模型至关重要，它们直接影响生物膜内物质传输的效率以及微生物与金属表面的接触。生物膜厚度决定腐蚀性物质到达金属表面的路径长度，影响细菌代谢产物的产生和腐蚀速率；生物膜密度和孔隙率影响微生物在生物膜内的分布以及营养物质和代谢产物的扩散，高密度和低孔隙率可能导致代谢产物积累，增加局部腐蚀的风险。

环境条件参数

生物膜内的环境条件参数（如 pH 值、溶解氧浓度和氧化还原电位）是影响微生物代谢和腐蚀反应的关键因素。pH 值的波动会显著影响微生物的代谢途径和腐蚀反应动力学，例如 APB 产生的有机酸可导致生物膜内 pH 值降低，影响腐蚀过程。溶解氧浓度和氧化还原电位直接影响微生物代谢的类型和腐蚀反应的方向，在一些模型中，这些参数被用于预测 MIC 的发生。

生物膜微环境的测量

生物分析技术

生物分析技术主要通过对生物膜内细菌物种、种群和代谢活动进行基因组和代谢组分析来表征 MIC 过程。基因组分析（如 PCR 和基因测序）可识别和量化样品中不同微生物的相对丰度；代谢组学（通过色谱 - 质谱等技术）揭示微生物群落的代谢途径和活动。这些方法有助于研究生物膜中微生物群落的遗传多样性和功能特征，但存在需要核酸提取、数据处理和解释复杂、设备和耗材成本高等局限性，且通常无法提供实时、原位分析。

辐射检测技术、显微镜分析与生物传感技术

辐射检测技术利用电磁辐射（如 X 射线和紫外线）的吸收、衍射、荧光等效应分析生物膜的化学成分和结构，常见方法包括 X 射线衍射（XRD）、X 射线光电子能谱（XPS）、能量色散光谱（EDS）、拉曼光谱和紫外 - 可见光谱（UV-vis）等。这些方法可表征生物膜内的化学成分和腐蚀产物，但无法进行即时、现场分析。

显微镜分析通过特定显微镜直接观察生物膜的形态、结构和微生物分布等信息，常用的显微镜技术包括扫描电子显微镜（SEM）、环境扫描电子显微镜（ESEM）、原子力显微镜（AFM）和共聚焦扫描激光显微镜（CSLM）等。SEM 可提供生物膜微观形态的高分辨率图像，但可能损坏脆弱的生物样品；AFM 可精确评估生物膜在金属底物上的粘附力；光学显微镜操作简便、速度快，但分辨率较低；CSLM 可无损获得生物膜的三维结构，且在观察过程中，纳米材料探针的应用有助于对生物膜内特定物质进行连续的时空监测。

生物传感技术是多学科交叉的新兴研究热点，具有高特异性、灵敏度、速度、准确性和低成本等优点，在微生物腐蚀检测中发挥重要作用。研究团队开发了一系列用于检测生物膜内腐蚀细菌和代谢活动的生物传感方法，如针对不同应用场景的腐蚀相关细菌快速传感方法，以及基于 MOF 目标裂解和酶释放的便携式活性测试条等生物膜系统中腐蚀微生物代谢活动的传感方法。生物传感器技术可原位监测微生物活动和环境参数，但目前可用于生物膜微环境检测的生物传感器相对较少，针对不同应用场景开发特定传感器的过程较为复杂，且需考虑 SRB 生物膜中硫化物对传感器功能的干扰。

结论与展望

本文全面讨论了生物膜的发展、微生物群落内的相互作用及其对 MIC 现象的独特影响。深入分析了生物膜从可逆附着到成熟和分散的动态过程，以及细菌通过协同和竞争相互作用、化学信号传导、电子转移和基因转移调节生物膜结构和功能的方式。同时，探讨了生物膜微环境参数（如氧气浓度梯度、酸性微区和 EPSs）对腐蚀过程的影响，以及电活性微生物与金属底物之间的电子转移机制。此外，总结了用于预测 MIC 的生物膜参数和测量生物膜微环境的方法。

未来研究需要进一步深入探究微生物 - 金属相互作用的分子机制以及界面因素对 MIC 的影响。开发新的测量技术（如先进的成像技术和高分辨率传感器）将有助于更详细地了解生物膜内的微环境，揭示微生物活动的时空动态及其对腐蚀过程的影响。整合多组学方法（包括基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学）将实现对生物膜内复杂相互作用及其对环境变化响应的系统级理解，有助于确定生物膜介导的腐蚀过程中的关键<调控途径和代谢网络，从而开发更有效的干预策略，为金属基础设施的腐蚀控制提供更有力的支持，以应对微生物腐蚀在海洋、工业等领域带来的严峻挑战，保障相关系统的安全稳定运行。>