ISME∣地杆菌属的直接电子转移过程，通过铁腐蚀不锈钢

ISME∣地杆菌属的直接电子转移过程，通过铁腐蚀不锈钢

 

文献信息：

作者：Hai-Yan Tang, Chuntian Yang, Toshiyuki Ueki, Conor C. Pittman, Dake Xu, Trevor L. Woodard, Dawn E. Holmes, Tingyue Gu, Fuhui Wang, Derek R. Lovley

 

发表时间：10 May 2021

 

https://doi.org/10.1038/s41396-021-00990-2

 

ISME 影响因子：10.8

背景介绍

微生物对铁基材料的腐蚀会造成巨大的经济损失，深入理解其背后的机制对于制定有效的缓解策略意义重大。然而，过往的机制研究多集中于相对纯净的铁（Fe(0)），而 Fe(0) 并非常见的结构材料。

本研究聚焦于不锈钢（在众多实际应用中是首选金属）的微生物腐蚀机制，发现其与 Fe(0) 可能存在显著差异。在 Fe(0) 腐蚀过程中，氢气（H₂）通常作为金属与微生物间的中间电子载体，但研究发现，H₂ 并不会从不锈钢非生物产生，这意味着该腐蚀机制在不锈钢上难以成立。

实验中发现，Geobacter sulfurreducens 和 G. metallireducens 这两种电养生物能够直接从其他微生物或电极接受电子，并且可以通过直接的铁 - 微生物电子转移从不锈钢提取电子。进一步的基因改造实验表明，防止 H₂ 消耗的基因改造对不锈钢腐蚀并无负面影响。而当删除对外表面细胞色素的关键电气接触的基因时，腐蚀现象则受到抑制。

综上所述，氢酶阳性微生物通过 H₂ 作为金属表面和微生物之间的中间电子载体的微生物 Fe(0) 腐蚀常见模型，可能不适用于不锈钢的微生物腐蚀。不过，直接的铁 - 微生物电子转移为不锈钢腐蚀提供了一条可行的途径。这一发现对于深入理解微生物腐蚀机制以及开发针对性的防腐策略具有重要的理论和实践价值。

图文解读

 

 

图1| 不锈钢表面7天后生物膜的形成

 

共聚焦扫描激光显微镜（CLSM）图像（比例尺=50微米）显示了经活/死染色处理后附着在不锈钢表面的生物膜：

A 菌株ACL；

B 菌株ACL_HF；

C 菌株ACL_HFΔomcS；

D 菌株ACL_HFΔomcS通过转录表达omcS进行补偿。

以下是相应的生物膜的扫描电子显微镜图像（比例尺=5微米）：

E 菌株ACL；

F 菌株ACL_HF；

G 菌株ACL_HFΔomcS；

H 菌株ACL_HFΔomcS通过转录表达omcS进行补偿。

每张图都包含高倍放大图像（主图）和低倍放大图像（右上角插图）。

 

 

图2| 7天孵育期间富马酸还原终产物琥珀酸盐的浓度变化

 

图中显示了7天孵育起始和结束时的琥珀酸盐浓度。缩写comp表示通过转录表达omcS进行补偿。结果为平均值和标准差（n=3）。

 

 

 

图3| 不锈钢产生的H₂量远少于Fe(0)

 

A 存在不锈钢时顶空气体中的H₂浓度。

B 存在Fe(0)时顶空气体中的H₂浓度。注意两小组中y轴单位的差异。B中的数据源自参考文献[11]。结果为平均值和标准差（n=3）。

 

 

 

图4| 不锈钢点蚀的可视化

 

扫描电子显微镜图像显示了不同条件下不锈钢表面的点蚀情况（比例尺=50微米）：

A 非生物对照组；

B 菌株ACL；

C 菌株ACL_HF；

D 菌株ACL_HFΔomcS；

E 菌株ACL_HFΔomcS通过转录表达omcS进行补偿。

共聚焦扫描激光显微镜图像显示了不锈钢表面的点蚀情况：

F 非生物对照组；

G 菌株ACL；

H 菌株ACLHF；

I 菌株ACL_HFΔomcS；

J 菌株ACL_HFΔomcS通过转录表达omcS进行补偿。

K 点蚀深度和 L 点蚀直径分析（针对每个处理条件下最大的十个点蚀坑）以及 M 点蚀密度（数据来自每个处理的五个样品上随机选取的十个视野（0.1平方毫米）；平均值±标准差）。

 

 

 

 

图5| 不锈钢的电化学分析

 

A 开路电位随时间变化。

B 1/R_p（极化电阻的倒数）随时间变化。

C R_ct（电荷转移电阻）随时间变化（数据来自EIS分析，补充表S1）。

D 7天后的腐蚀电流密度。包括菌株ACL、ACL_HF、ACL_HFΔomcS、通过转录表达omcS补偿的ACL_HFΔomcS菌株以及非生物对照组。

结果为平均值和标准差（n=3）。

 

 

 

图6| G. metallireducens腐蚀不锈钢需要外膜细胞色素

 

A 野生型菌株在不锈钢表面形成生物膜的扫描电子显微镜图像（7天后）。

B 删除c型细胞色素Gmet 1868的突变株在不锈钢表面形成生物膜的扫描电子显微镜图像（7天后）。

C 硝酸盐浓度随时间变化。

D和F 野生型（D）和细胞色素突变株（F）在不锈钢表面形成点蚀的扫描电子显微镜图像（7天后）。

E和G 野生型（E）和细胞色素突变株（G）在不锈钢表面形成点蚀的共聚焦扫描激光显微镜图像（7天后）。

H 1/R_p（极化电阻的倒数）随时间变化。

I 孵育7天后的动电位极化曲线。

J 开路电位随时间变化。

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