微生物可“短路”钝化膜：东北大学徐大可团队揭示电活性微生物腐蚀不锈钢新机制

研究背景

微生物腐蚀是造成全球经济损失最严重的生物过程之一，广泛导致管道、海洋构筑物等基础设施，石油天然气及电力传输等能源系统，以及各类工业生产设备的劣化。据统计，腐蚀造成的全球年经济损失高达数千亿至逾万亿美元。不锈钢被设计用于抵御绝大多数形式的腐蚀，其表面存在一层主要由氧化铬构成的超薄“钝化膜”。该膜层不仅物理阻隔腐蚀介质与基体铁的接触，更充当电子势垒，抑制电子从金属向外部受体的转移。长期以来，主流假说认为电活性微生物加速不锈钢腐蚀的前提是降解并击穿钝化膜，进而直接接触基体铁提取电子。然而，这一相互作用的确切微观机制此前一直缺乏直接的实验证据。

研究进展

为深入解析电活性微生物与不锈钢表面的相互作用机制，由东北大学徐大可教授及东北大学、美国马萨诸塞大学Derek R. Lovley院士领衔的研究团队，选取具备卓越胞外电子传递能力的模式菌株——硫还原地杆菌作为研究对象，对316L不锈钢的腐蚀行为展开了系统性探究。地杆菌属是广泛存在于土壤和沉积物中的常见微生物，这类微生物因具备与矿物、其他微生物等外源物质进行电子交换的能力而备受关注，其外表面的特殊蛋白赋予了地杆菌胞外电子传递的能力。

研究团队综合运用高分辨透射电子显微镜、飞行时间二次离子质谱及电化学测量等先进技术，从原子尺度到宏观电化学性能，多维度精准表征了微生物腐蚀过程中钝化膜的动态演化。高分辨显微成像证实，不锈钢钝化膜在微生物腐蚀过程中整体保持了结构完整性，尽管钝化膜外层的氧化铁发生局部改变，但作为核心防护层的内层氧化铬层仍保持连续。同时，实验未检测到铁腐蚀典型的中间产物氢气，进一步确证了钝化膜对基体铁的化学屏蔽作用依然有效。然而，即便在这一完整屏障存在的情况下，地杆菌仍能高效提取电子以维持生长。地杆菌通过其外表面电子传递蛋白“接入”不锈钢界面，显著降低了电子穿越氧化铬层所需的活化能。换言之，不锈钢表现得如同一个电池，为地杆菌持续输送电子流以维持其代谢。电活性微生物能够有效“短路”保护性钝化膜，无需物理破坏该屏障即可直接从金属基体攫取电子。

未来展望

微生物能够通过完整的钝化膜提取电子这一发现对腐蚀科学与材料工程具有重要意义。在工程应用层面，针对基础设施、能源系统及工业设备的防腐策略需从传统的化学阻隔转向增强界面电绝缘性能，以针对性地抵御电活性微生物的“夺电子”作用。在基础科学与交叉领域，该机制揭示了微生物与材料界面的电子交换具有比以往认知更广泛的普遍性与高效性，这不仅深化了对自然生物地球化学循环的理解，更为工程化生物电子系统的电极设计提供了全新思路。随着对这一界面机理的深入解析，将助力加速开发耐微生物腐蚀的新型合金与高性能防护涂层，并构建适配复杂环境的微生物腐蚀精准管控技术体系，从而为关键基础设施与能源系统的长效安全运行提供坚实的理论支撑与技术保障。

原文链接：https://spj.science.org/doi/10.34133/research.1185