从蛋白质、多糖角度理解EPS对金属腐蚀的影响

李泓雨，许萍

(北京建筑大学 水环境国家级实验教学示范中心 城市雨水系统与水环境省部共建教育部重点实验室，北京 100044)

胞外聚合物(extracellular polymeric substances，EPS)是微生物分泌在细胞壁外用于自我保护和相互黏附的高分子多聚化合物[1]。胞外聚合物中蛋白质和多糖是决定微生物表面特性的关键物质，约占有机物总量的70%～80%[2]。目前，人们就EPS对金属腐蚀的影响进行了大量研究，但从蛋白质、多糖角度出发的研究相对较少，笔者综述了EPS及EPS中蛋白质、多糖特性；EPS对金属腐蚀的影响；蛋白质、多糖对腐蚀的影响途径及作用，旨在为今后的相关研究和应用提供参考。

1 EPS及EPS中蛋白质、多糖特性

EPS一般分为两类，EPS紧密层(tightly bound EPS，TB-EPS)和EPS松散层(loosely bound EPS，LB-EPS)。TB-EPS位于内层，易于提取；LB-EPS位于TB-EPS的外层，结构松散，具有流变的性质[3]。LB EPS包含更多的多糖，TB EPS含有更多的蛋白质。LB EPS具有的缓蚀作用较强，而TB EPS的缓蚀作用较弱[4]。

EPS因蛋白质和多糖中含有许多带有负电荷的官能团，COOH、—NH2、磷酸基团等基团使其本身呈负电，这些基团能够给出或接受电子，从而可以使EPS具有吸附性和络合性[5]，使EPS可以和金属表面相互作用形成致密的保护层减缓金属腐蚀[6-7]。

微生物种类不同，EPS的成分和性能也会不同。习伟进[8]研究发现罗伊氏乳杆菌(L.reuteri)EPS、荧光假单胞菌(P.fluorescens)EPS、大肠杆菌(E.coli)EPS中多糖蛋白质含量不同，其中P.fluorescens的EPS的蛋白质含量最高，L.reuteri的EPS的多糖含量最高。且不同微生物EPS所含官能团数量也不同，是那种微生物EPS中所含羧基数量从多到少依次为L.reuteri、P.fluorescens、E.coli。EPS中多糖与蛋白质的比例决定着细胞的表面电荷，有研究显示细胞表面电荷与EPS中多糖与蛋白质的比例呈正相关[9]。因此多糖/蛋白质和官能团数量的差异影响了EPS的性能，EPS的多糖/蛋白质越大，所带的负电荷量越多，静电吸附作用越强，且羧基会直接或间接的影响EPS对金属离子的吸附能力，因此L.reuteri的EPS对Cu2+/Zn2+的吸附能最强。

2 EPS防腐蚀机理

传统研究认为，EPS会促进金属的腐蚀。Beech等[2]研究了不同类型EPS对金属腐蚀的影响，发现EPS的分泌使得金属腐蚀速率加快。但随着深入的研究，有些研究人员发现，有些微生物的EPS可以抑制腐蚀。Dong[10]利用阳离子交换树脂法从海洋产钠弧菌中分离出胞外聚合物质，发现EPS能在海水中碳钢表面形成保护膜，延缓溶解氧的扩散，降低金属的腐蚀速率。EPS作为一种新型的绿色防腐蚀涂料在腐蚀的研究方面具有积极地意义。

3 蛋白质多糖对腐蚀的影响途径及作用

见表1，蛋白质对金属的腐蚀的影响主要通过稳定的吸附在金属表面改变界面性质，改变界面性质主要通过三个途径。首先，被吸附的蛋白质层在电解质和金属表面之间形成一个屏障，这可能会减少腐蚀性离子和溶解氧的运输；其次，蛋白质可以通过物理阻滞阴极位点来抑制阴极半反应，与具有侵略性的离子竞争，优先吸附在金属表面阻隔电子的转移增加极化作用来抑制金属降解；第三，蛋白质可以吸附在金属表面改变其亲疏水性，抑制细菌在金属表面的附着。

表1 蛋白质、多糖对腐蚀的影响途径及作用Table 1 The protein,polysaccharide on the corrosion of the way and the effect

多糖因其含有氨基(—NH2)、羟基(—OH)和乙酰基(—COCH3)等极性官能团，能有效地吸附在金属表面形成钝化保护层阻隔腐蚀性离子对金属的侵袭，并且多糖形成的保护层较蛋白质更加致密；其次，多糖中C、N、O原子可以为金属的空轨道提供电子形成稳定的配合物，抑制阴阳两极的腐蚀反应；除此之外，有研究发现多糖可通过促进细菌表面附着和营养诱捕等生存策略，促进生物膜的形成和发育保护金属免受腐蚀。

3.1 形成膜屏障

机械阻隔作用的的效果取决于金属和蛋白质的结合效果。因为蛋白质的吸附也可能会导致表面氧缺乏或吸引质子，使得表面氧化物的钝化程度降低，而表面氧化物的质子化会增强腐蚀。蛋白质直接螯合金属离子和氧化物形成的金属蛋白复合物可弱化机械阻隔作用，提高金属的溶解速率。Wang[23]的研究发现，在腐蚀前期，快速吸附的白蛋白起到了有效的屏障作用，导致初始阶段金属溶解速度慢得多，随着浸泡时间的增加，由于螯合效应对钝化层的去除有更大的加速作用，腐蚀速率更快。但在金属氧化物中，蛋白质与金属原子的结合强烈依赖于表面氧化物的性质，只有当蛋白质-金属键比金属-氧化物或金属-氢氧键强或这些键被削弱时才会发生。

然而金属-蛋白质复合物对金属-氧化物键的削弱通常是一个非常缓慢的过程，因此在许多情况下，蛋白质与金属的结合取决于其他因素的存在[24-25]，如蛋白质类型、金属成分和表面氧化物成分等。Johnson等[26]证明血清蛋白对镁降解的抑制或促进作用取决于蛋白质的类型和镁表面的性质。他们的研究表明，蛋白质螯合金属离子和氧化物可以提高镁合金的降解率。虽然牛血清白蛋白(BSA)带负电荷与带正电荷的Mg表面之间有很强的静电相互作用，促使蛋白质可以快速吸附在镁表面[27]，但是Mg2+在腐蚀过程中与蛋白质发生螯合作用形成Mg-蛋白质复合物，减少了蛋白质吸附的自由结合位点。

一般来说，大分子结构中的活性吸附位越多，吸附作用就越强，在金属表面形成的保护层越厚或者越致密，更易将金属基底与外界腐蚀分子或离子隔离，缓蚀效果更好。Zhang等[28]对两种新型壳聚糖衍生物对金属腐蚀的影响进行了研究，发现疏水苄基的存在增强了分子活性位点上的电子密度和Q235钢表面的覆盖，使其具有更高的抑制作用。在粘附方面，多糖、蛋白质和脂类对疏水(低表面能)基质有亲和力，而酸性和中性多糖更喜欢粘附亲水(高表面能)材料[29]。

3.2 增强极化作用

蛋白质被认为通过物理阻滞阴极位点来抑制阴极半反应。带负电荷的蛋白质更强地吸引到降解金属的阴极位置上，并通过与具有侵略性的离子(例如Cl-)竞争吸附来抑制降解[30]，氨基酸作为组成蛋白质的基本单位，曲济方等[31]选取由豆类水解的氨基酸为研究对象，对氨基酸的缓蚀作用进行了研究。研究发现氨基酸主要通过抑制阴极反应起到减缓腐蚀速率的作用，并且随着酸浸液浓度的增大抑制作用会更加明显。这主要是由于当酸浓度增加时，有机胺与H+结合，基团带正电荷部分因静电作用被吸附在金属表面的局部阴极区，从而抑制了H+接近金属表面。

多糖可以通过增强极化作用对金属的腐蚀产生影响。多糖中的C、N原子和羟基中的氧原子能很好地与金属结合吸附到金属的表面，抑制阴阳两极的降解速率。并且对金属腐蚀的抑制效率有可能与C、N、O元素含量有关，C、N、O元素含量越高，抑制效率越高[33]。多糖大多可抑制阴阳两极的腐蚀反应[14]。Banerjee等[33]测试了一种天然多糖缓蚀剂对低碳钢腐蚀抑制影响，发现这种多聚糖能够在低碳钢表面生成一层高聚膜，这层膜可以有效抑制低碳钢的阴极反应过程，并发现其在0.5 mol/L H2SO4、100 mg/L浓度下对低碳钢的缓蚀效果为96.6%，在72 h内，缓蚀效率与缓蚀剂浓度和浸泡时长成正比。

极化作用的强度还取决于蛋白质类型。含纤维蛋白原溶液对阴极电流的抑制作用与牛血清蛋白相比较低，可能是由于被吸附的纤维蛋白原分子在表面的结构更为开放或有序程度较低，这是由于蛋白质结构的差异造成的。纤维蛋白原是一种具有长开放结构的纤维分子，更容易破碎，而牛血清白蛋白具有椭圆形致密球形结构，包装良好，在吸附过程中有一定程度的抗变性。因此，BSA可以比纤维蛋白原形成更有效地阻断反应位点[38]。

3.3 改变微生物特性

蛋白质通过改变材料的表面性质如表面亲水性/疏水性来控制生物分子的吸附抑制微生物的粘附，而不是影响了细菌的生存，从而减缓了金属的腐蚀。当蛋白质吸附在材料表面，由于负电荷蛋白和细菌之间的排斥作用，对细菌粘附起排斥作用，限制或避免了细菌粘附[39]。He等[40]对白蛋白在热喷涂铝涂层上的吸附行为进行了研究，发现白蛋白可以有效吸附在热喷涂铝涂层上，吸附白蛋白的润湿性改变样品的疏水性水分子与高度亲水性的表面一起产生水化层。这就给大肠杆菌的粘附带来了困难，因为细菌必须克服一定的能量障碍才能突破水化层[41]，从而抑制了大肠杆菌的粘附，减缓了金属的腐蚀。此外，当细菌与材料表面的距离小于3 nm时，化学键、离子和偶极子作用、疏水作用等短距离作用可能是决定细菌粘附的主要因素。生物大分子对细菌粘附的影响特别依赖于生物大分子本身的特性。如纤维连接蛋白可以促进细菌[42]的粘附，而明胶和胃蛋白酶可以抑制细菌[43]的粘附。其机理尚不明确，还需要实验证明。

生物分子的吸附是生物膜形成的第一步，有研究发现多糖可通过促进细菌表面附着和营养诱捕等生存策略，促进生物膜的形成和发育保护金属免受腐蚀。Ignatova-Ivanova等[44]研究发现，多糖不仅会产生金属-多糖复合物参与金属表面保护膜的形成，而且10%的蔗糖、10%的乳糖或10%的麦芽糖可以促进微生物生物膜的形成，从而抑制钢的腐蚀，但在金属表面的生物聚合物层需要一段时间才能形成完整的保护层。目前关于这方面的研究还相对较少。

4 结语

EPS因蛋白质和多糖中因含有未配对电子元素和极性基团，使得EPS可以与金属离子和腐蚀性产物相互作用吸附在金属表面对腐蚀产生影响。蛋白质多糖因含有未配对电子元素和极性基团而具有吸附性能，吸附性能的存在对金属腐蚀过程具有至关重要的作用。蛋白质和多糖可以吸附在金属表面与金属离子相互作用，形成保护层阻隔腐蚀性离子和溶解氧的迁移，抑制腐蚀的极化反应，亦可通过改变金属材料表面特性抑制细菌附着影响腐蚀进程。

EPS作为一种新型绿色防腐蚀材料，学者对其防腐蚀机理做了众多研究，虽未形成完善的体系，但有了一定深度的了解。近年来，学者开始从其组分出发研究其防腐蚀机理，但大多从蛋白质多糖角度出发。EPS组成成分复杂，如DNA含量是衡量EPS提取过程中细胞破损程度的重要指标。其余组分是否对腐蚀产生的影响又是如何影响的值得探究。EPS的培养提取与分析方法对蛋白质和多糖含量也有较大的影响。尽管国内外很多学者对EPS组分和分析方法进行了很多研究，但是仍缺乏规范的提取方法与准确性较高测试方法。未来应将操作与分析方法规范化，有具体的衡量标准。