TiO?的生物电化学还原作用会破坏其具有防腐功能的钛钝化膜

微生物电化学腐蚀加速钛被动膜退化机制研究，发现Geobacter sulfurreducens通过外表面细胞色素OmcS还原TiO?导致膜变薄、缺陷增多和导电性提升，引发显著点蚀腐蚀。

　　

Jiaqi Li|Yuting Jin|Yuqi Wang|Fuhui Wang|Dake Xu|Derek R. Lovley

东北大学材料各向异性与织构重点实验室（教育部资助），中国沈阳110819，电生物材料研究所

摘要

一层薄薄的水合TiO₂钝化膜为钛在许多环境中提供了优异的耐腐蚀性，但这种膜在微生物活跃环境中的稳定性尚不明确。本研究显示，电活性细菌Geobacter sulfurreducens（G. sulfurreducens）能够直接还原钝化膜中的TiO₂，导致钝化膜变薄、还原型钛氧化物（Ti³⁺/Ti²⁺）积累增加，并显著提升电子导电性。高分辨率显微镜、X射线光电子能谱和电化学分析表明，腐蚀电流密度增加了50倍，极化率和电荷转移电阻降低，同时出现了明显的点蚀现象，这些变化与TiO₂的消耗密切相关。通过基因敲除表面细胞色素OmcS，发现TiO₂的还原、钝化膜变薄以及腐蚀速率均显著减弱，这说明微生物的胞外电子转移机制参与了这一过程。G. sulfurreducens以水合TiO₂作为唯一的电子受体进行生长，证实了TiO₂的还原在生理和热力学上是可行的。这些发现表明，生物电化学途径下的TiO₂还原可能是钝化膜不稳定的一个机制，并强调了缺陷介导的导电性增强可能是微生物腐蚀钛的关键因素，这对钝化膜工程、合金设计以及开发保护性涂层以隔离钛与电活性微生物具有直接意义。

引言

钛在工业和医疗领域有广泛应用，其中耐腐蚀性至关重要[1,2]。其卓越的耐腐蚀性源于金属表面自发形成的水合、结晶度较低的四氧化三钛（TiO_2,hydr）钝化膜，该膜可保护基底的Ti°免受腐蚀性物质的侵害[3,4]。因此，钛的耐腐蚀性主要取决于这层钝化氧化膜的完整性。然而，在某些微生物存在的情况下，尤其是厌氧条件下[5, [6], [7], [8], [9]，钛仍会发生腐蚀。早期研究表明，厌氧微生物对钛的腐蚀可能是由于硫化物或有机酸等代谢产物与钝化层中的四氧化三钛发生化学反应[7,[9], [10], [11]。不过，这些研究大多属于描述性分析，未通过实验验证具体的腐蚀机制。最近的研究发现，胞外电子交换在钛的腐蚀过程中起着重要作用[5,6,12]。 一些电活性微生物能够对铁金属进行电生物腐蚀，其中Fe⁰作为厌氧呼吸的直接电子供体： Fe⁰?+?X_ox?→?Fe(II)?+?X_red 其中X是如硝酸盐、富马酸盐、Fe(III)或二氧化碳之类的厌氧电子受体[3,[13], [14], [15], [16], [17]。Ti⁰/Ti⁺²氧化还原电对（?1.630 V_SHE）[5,18]的氧化还原电位远低于Fe⁰/Fe⁺²氧化还原电对（?0.447 V_SHE）[19]，这意味着如果电活性微生物能够接触到钝化膜下的Ti⁰，Ti°可能成为更理想的电子供体。 在土壤和沉积物中，电活性微生物最常见的胞外电子受体是水合、结晶度较低的Fe(III)氧化物，其Fe(III)/Fe(II)氧化还原电位约为0 mV[20]。pH 7条件下，钝化层中的四氧化三钛也处于水合/结晶度较低的状态，具有类似的氧化还原电位[18,21,22]。 因此，可以推测电活性微生物可能会还原钝化膜中的Ti(IV)。这种还原作用可能通过两种方式破坏钝化膜：(i) 产生局部缺陷，使腐蚀性物质能够接触到底层的Ti⁰；(ii) 生成更多的还原型钛氧化物（如Ti₂O₃），从而增加钝化膜的导电性并促进电子从基底金属传递到附着在膜表面的微生物。 为了验证这些可能性，我们研究了钛与模型电活性微生物Geobacter sulfurreducens（G. sulfurreducens）之间的相互作用，这种微生物已知能强烈腐蚀铁金属[13,14,23]。具体而言，我们检验了钝化膜中的TiO₂是否可以作为G. sulfurreducens的呼吸电子受体。实验结果表明，TiO₂确实可以作为厌氧呼吸的电子受体，且TiO₂的还原是导致G. sulfurreducens腐蚀钛的关键因素。

微生物-钛相互作用实验

微生物-钛共培养

之前描述的G. sulfurreducens菌株ACL和ACL_HF，以及一个删除了表面细胞色素OmcS基因的ACL_HF菌株（ACL_HF?omcS）和一个恢复了omcS基因的ACL_HF菌株（ACL_HF?omcS/pomcS），均来自我们的实验室菌种库。这些菌株按照之前的方法[24]在厌氧条件（N₂/CO₂：80:20）下、30°C的温度下培养，使用乙酸盐（20 mM）作为电子供体、富马酸盐（40 mM）作为其他营养物质进行培养。

钛的电生物腐蚀

实验使用了G. sulfurreducens菌株ACL和ACL_HF。这两种菌株都能强烈腐蚀铁金属，包括对大多数化学和微生物腐蚀剂具有抗性的不锈钢[13,14]。这两种菌株的生长都不需要有机碳源。由于ACL_HF菌株的氢摄取酶和甲酸脱氢酶基因被删除[13]，因此可以研究H₂是否是通过非生物反应产生的。

结论

研究结果表明，微生物的胞外电子转移能够降低并破坏钛表面的保护性TiO₂钝化膜，从而加速钛的腐蚀。钝化膜的变薄、缺陷积累以及电子导电性的增强破坏了钝化膜的防护功能，导致阳极溶解和点蚀加速。

CRediT作者贡献声明

Jiaqi Li：负责撰写初稿、数据可视化、方法设计、实验实施、数据分析、概念构建。 Yuting Jin：负责审稿与编辑、方法设计、数据分析。 Yuqi Wang：负责实验实施。 Fuhui Wang：负责审稿与编辑、概念构建。 Dake Xu：负责审稿与编辑、项目监督、资源协调、资金申请、概念构建。 Derek R. Lovley：负责审稿与编辑、撰写初稿、项目监督。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号2022YFB3808800）、国家杰出青年科学基金（项目编号52425112）和国家自然科学基金（项目编号U24A2032）的支持。