微生物矿化作用抑制金属腐蚀行为的研究进展

郝湘平，摆云，娄云天，张达威

（1.北京科技大学 新材料技术研究院，北京 100083；2.北京科技大学 顺德研究生院，广东 佛山 528399）

生物矿化过程是指在生物体参与下，无机元素从环境中选择性地沉淀在特定有机质上，在生物大分子的调控和诱导作用下，形成矿物的过程[1-2]。该过程依靠胞外聚合物（EPS）与金属离子之间的静电作用，将金属离子固定，并最终在生物控制、影响下完成金属离子向固相矿物的转变。与化学形成的矿物相比，由于微生物矿化过程中有生物体代谢、细胞、有机质的参与，因此这类材料具有优异的强度、断裂韧性和耐磨性。

随着近年来海洋生物学家和地质学家对生物矿化方面研究的广泛关注，一些专家学者发现，微生物矿化作用在抑制腐蚀方面也有着重要的作用。与常见的微生物腐蚀（MIC）[3-5]相比，微生物矿化过程利用EPS 在有机质的诱导作用下将周围的矿化离子固定，形成固体矿物质，通过阻隔环境中的腐蚀性介质来抑制金属腐蚀行为。在该矿化过程中，生物膜的作用尤为突出[6-7]，且在某些特定条件下，利用微生物诱导作用，能够将已经生成的腐蚀锈层转化成为致密均匀的矿化层，从而达到抑制金属腐蚀的目的[8]。

大量研究结果表明，在海洋、土壤等复杂环境中，存在如假单胞菌、枯草芽孢杆菌、希瓦氏菌等具有生物矿化作用的典型诱导矿化微生物，这为利用微生物诱导矿化作用开发新型金属腐蚀防护技术提供了巨大可能。与传统有机防护涂层[9]、超疏水防腐涂层[10-11]、新型的自修复防腐涂层[12]相比，基于微生物矿化作用的腐蚀抑制方法具有工艺简单、成本低廉、环境友好等优点。尤其是在环境复杂、不宜进行修补、施工难度大的应用背景下，开发基于微生物矿化技术的防腐手段将成为未来表面腐蚀防护技术的一个重要方向。

1 常见矿化微生物种类及产物类型

微生物的存在会影响矿物质在材料表面的沉积过程[13]。目前，已知的生物矿化种类有60 余种，主要包括碳酸钙、磷酸钙、二氧化硅、氧化铁和硫酸盐[14-16]等。由于细菌代谢特征和自然环境的多样性，微生物诱导矿化过程产生的产物类型也有所不同。表1 总结概括了近年来常见的矿化微生物种类及对应的矿化产物名称和主要成分。

表1 典型诱导矿化微生物及产物Tab.1 The typical mineralized microorganisms and corresponding compositions of mineralization product

生物矿化过程主要分为核化、沉淀或生长、相变三个阶段[31]。其中，影响该过程的因素包括热力学因素（如温度、环境pH、细菌和离子浓度、压力等）、动力学因素（如核化、沉淀和相变的过程）、生物学因素（如空间位置、构架和化学因素等[2,32]），见表2。Koley 等人[17]借助质子选择微电极、离子选择微电极配合扫描电化学显微镜（SECM），实时监测了芽孢杆菌介导尿素水解过程和碳酸钙沉淀形成过程。实验结果表明，溶液中的Ca2+和环境pH 可以影响微生物介导的化学过程。该过程中，环境pH 可在2 min内从7.4 迅速升至9.2，但碳酸钙的形成和晶体生长则是一个缓慢的化学过程。该结果证明，细菌矿化过程会影响环境pH，同时，环境pH 能够影响细菌活性，进而影响矿物质的形成。温度作为影响细菌生长和代谢水平的重要因素，同样对微生物矿化具有重要影响。通过给微生物创造适宜的生长繁殖温度，设置利于促进生物酶活性的温度均可以起到影响微生物矿化的作用。例如，钱春香团队[14]证明，当环境温度由15 ℃上升至30 ℃时，碳酸盐矿化菌代谢过程中释放的脲酶浓度发生变化，导致尿素浓度降低，进而引起矿化进程发生变化。此外，Hammes 等人[33]提出，Ca2+浓度对碳酸钙沉淀的影响极大。较无Ca2+条件相比，Ca2+的存在导致酶活性大幅提升，从而促进矿化过程。何声龙团队[22]利用从胶南尹家山盐场盐泥样本内分离出的极端噬盐菌进行研究，结果发现，随着体系中钙镁比变化，矿化结晶产物发生明显变化。当有镁离子存在时，镁离子能够进入矿物晶格结构，并替代部分钙离子，产生多种镁钙酸盐矿化产物。矿化离子来源同样能够影响微生物矿化作用，使矿化产物形貌、晶体类型产生差异。李红玉团队[34]证明，不同钙源会影响形成的碳酸钙形态。例如，氯化钙作为钙源时，形成的碳酸钙为菱形，而硝酸钙为钙源时，则形成大小不均的球状颗粒。该特征同样适用于有机矿物盐。利用柠檬酸钙形成的碳酸钙，产物为层片状颗粒，而葡萄糖酸钙作为钙源时，形成的碳酸钙则为杆状。不仅如此，海藻酸可作为软模版，影响并调控无机矿物的生长，使碳酸钙形成文石结构[35]。

表2 影响微生物矿化过程的主要因素Tab.2 The main facoters affecting the biomineralization process

此外，通过添加助剂也可用来调控生物矿化的方向和过程。例如，刘涛团队[36]通过在低合金钢中添加Mo 元素，利用其对交替假单胞菌的诱导和激活趋化作用，提高生物膜的形成速度，并促进矿化过程，从而有效抑制金属腐蚀。另外，高丝氨酸内酯（AHLs）作为群体感应调控信号分子，能有效促进细菌富集，并加速诱导生物膜形成[37]，而海藻酸钠作为骨架结构[38]，同样具有诱导、促进矿化的作用，使矿化层具有强度高、韧性强、不易脱落等特点。

2 微生物诱导矿化产物分类

随着MIC 研究的发展[39-43]，微生物诱导矿化作用对腐蚀的影响已引起了研究人员的广泛关注。越来越多的研究表明，不同类型的矿化层可以不同程度地降低金属腐蚀的风险。根据常见微生物诱导矿化产物类型分类，分别对碳酸钙矿化层、磷酸盐矿化层和铁氧化物矿化层的特点及其对金属腐蚀抑制作用进行了总结归纳。

2.1 碳酸钙

微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）的主要机理是利用自然界中的细菌（如巴氏芽孢杆菌[44]等），通过细菌新陈代谢过程中产生的脲酶分解尿素，进而产生碳酸根，并与环境中游离的金属阳离子发生反应形成沉淀（如图1 所示）。在该过程中，增加细菌浓度和脲酶浓度均可使尿素水解过程加快，从而提高CaCO3的生成速度。由于MICP 技术的应用对生产成本和生产能耗的要求较低，因此常用于地质加固[45-46]、土壤修复[14,32]和混凝土修复[47]。

图1 尿解法中细菌介导钙离子在周围生成碳酸钙沉淀过程[48]Fig.1 Schematic diagram of CaCO3 sediment generated by bio-mediated[48]

随着MICP 技术的逐渐发展与成熟，近年来，研究人员通过调整细菌浓度与尿素的比例，将其灌注到混凝土沟槽内，可实现建筑材料、表面裂缝和孔洞的有效修复[18,49-50]。Taher 等人[18]比较了巴氏芽孢杆菌、球形芽胞杆菌和盐水湖藻对混凝土自愈能力和腐蚀行为的影响。实验结果证明，这两类微生物在淡水和模拟海水环境下均可以实现混凝土材料缝隙的修复。同时，当微生物存在时，混凝土腐蚀行为能够得到缓解。根据极化曲线测试结果，由于藻类诱导矿化作用形成方解石沉积物，该混凝土内部钢筋的腐蚀速率可降低至0.18 mm/a。而由细菌新陈代谢矿化作用修复后的混凝土，其内部钢筋腐蚀速率可降低0.05 mm/a。此外，较淡水环境，通过微生物诱导矿化的混凝土愈合过程和腐蚀抑制过程在海水环境中更为明显。该结果表明，细菌矿化诱导过程对钢筋钝化层起到了保护和抑制腐蚀的作用，这些结果与 Chahal 等人[51]和Kumari 等人[52]的结果吻合。因此，微生物活性在钢筋的保护和缓蚀过程中起着重要作用，特别是在恶劣的海洋环境中，通过微生物诱导形成碳酸钙矿化层的方法，可以有效抑制金属腐蚀，并为金属腐蚀与防护技术的发展提供新的思路。

近年来，国内一些团队通过研究海洋环境中微生物诱导矿化作用及钙化层形成的原因，探究其对金属基体的腐蚀抑制作用。刘涛等人[7]研究表明，在模拟海水培养基（2216E）中，海洋交替假单胞菌可将生物膜转化为由方解石和EPS 组成的生物矿化杂化膜，且形成的复合矿物质层与EPS 的产量有关。实验结果证明，当EPS 量较多时，有助于微生物在钢表面诱导形成致密的矿化层。该碳酸钙层具高效、稳定的屏蔽作用，并在微生物存在时表现出自愈合性能（如图2 所示）。尹衍升团队[23]通过失重法分析了5754铝合金在含有枯草芽孢杆菌的海水溶液中的腐蚀行为，结果表明，浸泡在含细菌的海水溶液中的铝合金样品，其腐蚀速率为12.5 mg/(dm2·d)，是浸泡在不含微生物海水溶液中铝合金腐蚀速率的1/6。由此可知，枯草芽孢杆菌的存在能够有效抑制金属材料在海水环境中的腐蚀行为。通过表面分析结果可知，微生物存在条件下，铝合金表面形成了一层由CaMg(CO3)2组成的复合膜，且该均匀致密的矿化膜能够有效阻碍腐蚀介质抵达基体材料，并抑制金属腐蚀，尤其是点蚀行为。屈庆课题组[20]提出蜡样芽孢杆菌EPS 中的色氨酸和蛋白样物质能够控制并改变碳酸钙成核和晶体生长，且EPS 与金属离子通过相互作用后，在不锈钢基体表面覆盖并生成了一层生物矿化膜。通过电荷转移电阻计算可知，当EPS 质量浓度为40 mg/mL时，腐蚀抑制率最高可高达91%，能够显著抑制金属的腐蚀行为。

图2 形成矿化层的表面进行划伤处理后微区电化学阻抗测试（LEIS）结果（a）及在含菌培养基内培养7 d 后LEIS 结果（b）[7]Fig.2 The LEIS results of (a) the scratch minerzaled layer and (b) healed minerzaled layer after 7 days incubited in marine broth inculding bacteria[7]

此外，这种通过微生物新陈代谢产生的EPS 络合环境中Ca2+和Mg2+等金属离子，从而形成有机-无机复合生物矿化膜的过程在实际工程应用中也广泛存在。Nardy 等人[53]报道荷兰一处用于加固堤坝和河道的改造项目中使用的钢桩在50 a 后仍未出现严重的腐蚀情况，取样后发现是由于甲烷菌的代谢活动导致金属表面形成了一层致密的碳酸盐保护层，而该保护层中含有大量的方解石矿物和石英晶体。陈守刚团队[54]通过5 个月的实海挂片实验，发现Q235 表面形成的钙化层在没有阴极保护的情况下对碳钢的保护可以持续4 周。不仅如此，实验证明，碳酸钙层的形成可以进一步促进生物膜附着，从而形成腐蚀抑制效果更为明显的复合层，如图3 所示。因此，微生物通过矿化作用抑制腐蚀的现象在自然环境中也是广泛存在的。

图3 沉积层和周围铁板堆附（Fe 表示）及周围富含有机物的沉积物区域内潜在的微生物食物网络[54]Fig.3 Scheme illustrating the potential microbial food web of the deposit layer and the surrounding iron sheet pile (indicated by “Fe”) and organic-rich sediment[54]

2.2 磷酸盐

磷化是一种通过化学与电化学反应形成磷酸盐化学转化膜的过程，所形成的磷酸盐转化膜称之为磷化膜。磷化处理可以增强涂层与基体之间的结合力，提高金属表面的耐蚀性和耐磨性[55]。某些细菌在自然条件下会在物质表面产生磷矿化层，其效果与化学磷化处理类似。Volkland 团队[56]研究发现，在磷酸盐超过2 mmol/L 的介质中，当腐蚀介质中含有红球菌C125 和肺假单胞菌mt2 时，能够诱导低碳钢表面反应发生，形成不溶性铁磷酸盐（蓝铁矿）。该物质作为磷化处理后形成的产物之一，具有良好的耐腐蚀性能。

不仅如此，利用微生物矿化作用形成防腐蓝铁矿层，对修复某些无法通过拆卸完成修复的零部件具有重要的研究价值。在Volkland 团队[57]后续报道中，针对已损坏或者部分腐蚀的低碳钢表面的蓝铁矿层，在恶臭假单胞菌的培养基中，能够完成损坏部分的修复，且在腐蚀介质中修复3 周后的低碳钢表面与细菌诱导形成磷化层的碳钢表面具有相同的耐蚀性能。因此，微生物矿化不仅可以保护未受损的金属基材，还可以通过改变原有的腐蚀产物层，帮助锈蚀表面恢复其耐蚀性。Lucrezia 团队[8]发现，哈夫氏脱硫杆菌能够将三价铁还原为二价铁，并在磷酸盐培养液中诱导铁锈层转化为由Fe2+3(PO4)2·8H2O 和Fe2+Fe3+2(PO4)2(OH)2（重铁天蓝石）组成的不可溶保护性矿化层，如图4所示。该矿化层受原始腐蚀层厚度等影响，最大可覆盖92%的金属表面，但在非生物介质中，金属表面只有少量分散的磷酸盐沉积物，如图5 所示。

图4 细菌作用后铁锈层变成生物层的过程[8]Fig.4 Schematic diagram of the process of the rust layer becoming a biological layer after the bacteria induced[8]

图5 金属表面未处理时的腐蚀层（a）、非微生物介质处理后（b、c）及经细菌处理后（d）的光学显微镜图像[8]Fig.5 Optical microscope images of corrosion layer on metal surface without treatment (a), after non-microbial media treatment(b, c) and after bacterial treatment (d)[8]

微生物引起的磷酸盐矿化作用也与微生物种类密切相关。Gunasekaran 等[58]通过失重分析法对比了低碳钢在含两种不同细菌基础盐溶液中的腐蚀速率，结果表明，两种菌的存在均对金属腐蚀产生抑制作用。但是，由于在黄假单胞菌的诱导作用下，低碳钢表面能够形成致密的磷酸盐层，因此其腐蚀抑制能力高于斯氏假单胞菌，如图6 所示。由此可知，不同微生物对金属腐蚀抑制的能力存在明显差异。不仅如此，微生物诱导磷酸盐的过程还被用于污水处理[59]、针对富营养化的海洋、河流中的除磷技术[60]、岩土材料改良和加固[61-62]、污染土壤修复[63]、海水环境下钙质砂基地加固处理[64]等。

图6 不同条件下金属样品腐蚀速率[58]Fig.6 The corrosion rate of the metal coupons under different conditions[58]

2.3 铁氧化物

一般而言，碳钢表面形成的锈层通常由铁的氧化物和氢氧化物组成，如赤铁矿（α-Fe2O3）、磁赤铁矿（γ-Fe2O3）、磁铁矿（Fe3O4）和纤铁矿（FeOOH）。但是当某些细菌存在时，在EPS 的诱导作用下可以形成均匀致密的铁氧化物层，达到屏蔽金属基体、抑制腐蚀过程进一步发生的作用。胡春团队[65]通过研究运输地下水和地表水两种饮用水环境中生物膜细菌菌落组成和对应铁腐蚀产物，发现微生物本身对铁氧化物形成的影响比水环境自身的影响大得多。在地下水系统中，样品表面形成的腐蚀产物主要是疏松的α-FeOOH，而在地表水输送系统中，样品表面主要是由α-FeOOH、Fe3O4和CaCO3组成的致密结晶颗粒，这种致密的腐蚀产物能够有效抑制金属腐蚀，如图7所示。实际上，这两个体系中的生物膜都具有生物多样性，只是细菌菌落组成却大不相同。在地表水系统中，参与铁氧化还原循环的细菌主要有铁氧化细菌（IOB）和铁还原细菌（IRB），在这种情况下有利于Fe3O4的形成。但是，经消毒处理后的地表水中，形成的却是不含Fe3O4的稀松的腐蚀产物（α-FeOOH）。由此可知，铁细菌能够有效调节腐蚀产物的组成和结构。

图7 220 天后地下水管、地表水管和无菌处理后地表水管腐蚀产物SEM 照片[65]Fig.7 SEM images of corrosion products of undergroundwater pipes (a) and surface water pipes (b) after 220 days; SEM images of corrosion products of sanitized surface water pipes (c)[65]

这种情况在石油管线系统中同样存在。Faisal 等人[26]利用从美国路易斯安那州一口670.56 m 深的含硫油井中分离出的野生型好氧细菌（IRB），研究微生物对X52 管线钢的腐蚀行为影响。实验结果证明，在低氧或厌氧条件下，IRB 能够将三价铁还原成二价铁，该二价铁通过扩散作用到达金属表面，氧化还原沉积后可与EPS 共混形成稳定致密的铁氧化物矿化层，并在形成过程中消耗金属表面附近溶解氧。该有机-无机复合层主要由Fe3O2、Fe3O4和Fe(OH)2组成，能够有效抑制金属基体的腐蚀。在有氧条件下，IRB通过有氧呼吸可以消耗金属表面附近的溶解氧，也能够起到抑制金属腐蚀的目的。在不含微生物的环境下，金属表面腐蚀产物主要由铁氧化物、铁氯化物、氯化钠和有机物组成，且由于油井环境中有害离子的积累和局部酸化，碳钢样品表面出现了大量的点蚀坑。因此，在IRB 存在条件下，碳钢表面腐蚀行为可以发生变化。

实际上，铁细菌在其代谢过程中可以产生各种铁矿沉淀物质。例如，当溶解氧丰富时，铁氧化钩端螺旋菌和氧化亚铁硫杆菌这类铁氧化菌产生的酶和带负电的细菌分泌物可以诱导形成Fe(OH)3沉淀，并在溶解与再沉淀过程中形成更稳定的铁氧化物。反之，在低氧或缺氧条件下，细菌对铁的利用形式则有所不同。例如，紫细菌在光照作用下，利用二价铁作为电子供体来固定CO2[66]（如图8 所示），枯草芽孢杆菌可以利用硝酸盐作为无氧呼吸的电子受体[67]。

图8 紫细菌厌氧氧化固定Fe2+的过程[66]Fig.8 Schematic diagram of the process of fixing Fe2+ by purple bacteria with anaerobic oxidation[66]

微生物诱导形成铁氧化物过程中，外界环境的刺激同样会引起矿化产物的差异。例如，刘宏芳团队[68]证明，从油田中分离出的IOB 会使Q235 表面生成由α-FeOOH 和Fe2O3构成的疏松的腐蚀产物。然而，当有外加磁场存在时，Q235 表面的铁氧化物则是由致密的Fe2O3和Fe3O4组成的铁氧化物矿化层（如图9所示）。

图9 存在磁场作用下（a）与没有磁场作用下（b、c）7 天后金属表面SEM 和EDS 图[68]Fig.9 SEM and EDS images of the metal surfaces after 7 days with (a) and without (b,c) magnetic field[68]

3 微生物矿化作用抑制金属腐蚀的主要因素

矿化过程中微生物新陈代谢引起的氧消耗和形成的矿化层是抑制金属腐蚀的主要原因。该矿化层通常是由矿物质与有机质共同组成的复合层，具有均匀致密的特点。矿化层在形成过程中对O2的消耗，能够有效减缓金属腐蚀行为；同时，形成的矿化层能够有效阻隔环境中的腐蚀性介质（如Cl–）渗透接触到金属基体而引起腐蚀。该矿化层形成后，在有菌和无菌海水溶液中均能表现出稳定持续的防腐性能。

3.1 微生物呼吸过程中O2消耗

根据钱春香团队研究结果表明，微生物矿化作用会受到环境氧含量的影响。通过对裂缝沿x轴方向取点进行SEM 分析（如图10 所示）可知，随裂缝深度增加，碳酸钙产率逐渐下降[69]。这是由于在裂缝口处含氧量最高，微生物酶催化作用最为强烈，因此生成的碳酸钙量最多。但随着裂缝变深，环境中氧含量逐渐降低，条件变得苛刻，不利于微生物诱导矿化作用，因此碳酸钙产量变低。由此可知，O2不仅是参与金属腐蚀过程的主要物质，也是参与微生物诱导矿化过程的主要物质，因此微生物矿化过程消耗O2能够起到抑制金属腐蚀的目的。Jayaraman 等人[70]研究发现，将SAE 1018 钢浸泡在厌氧环境下与浸泡在含有大肠杆菌DH5α 条件下的腐蚀速率基本一致，且为浸泡在普通培养基条件下腐蚀速率的1/40。该结果证明了O2在金属腐蚀过程中的重要性，并验证了微生物新陈代谢过程中通过消耗O2能够抑制腐蚀行为。

图10 碳酸钙沿裂缝深度方向分布变化[69]Fig.10 The distribution of CaCO3 along the direction of fracture depth[69]: a) sample crack; b) SEM photo at ①; c) SEM photo at②; d) SEM photo at ③; e) SEM photo at ④; f) SEM photo at ⑤; g) SEM photo at ⑥; h) SEM photo at ⑦

实际上，当微生物在金属表面形成EPS 膜后，会将金属表面与外界环境隔开，使生物膜下形成相对密闭的环境。在该条件下，好氧细菌利用有氧呼吸作用通过消耗膜下O2同样能够达到抑制金属腐蚀的目的[71]。例如，Jayaraman 等[72]发现，弗雷吉假单胞菌和短芽孢杆菌在铜和铝表面形成生物膜后，会引起金属表面附近氧浓度降低，从而抑制金属材料发生腐蚀。

3.2 矿化层屏蔽作用

当金属表面只有生物膜存在时，可以通过细菌有氧呼吸作用消耗环境中的O2[26,72]，利用生物膜自身抵抗其他生物粘附作用来抑制有害微生物富集[73]，或是通过生物膜内某些具有缓蚀作用的分泌物[71]，达到抑制金属腐蚀的目的。如基因工程菌枯草芽孢杆菌和天然地衣芽孢杆菌分泌的聚天冬氨酸肽和聚谷氨酸本身具有较强的缓蚀作用，能够降低阳极金属溶解反应速率，有效抑制金属点蚀行为[71,74]。根据以往研究表明，由于生物膜自身的不稳定性，当环境改变后，会直接影响生物膜形成的动态过程，从而影响其腐蚀抑制作用[75-76]。例如，侯利锋、宋振纶等人[77]通过电荷转移电阻变化证明，在浸泡初期，新喀里多尼亚弧菌能有效抑制铜腐蚀行为，然而在浸泡后期，由于细菌从EPS 及腐蚀产物中脱附出来，使得该生物膜的腐蚀抑制作用逐渐下降。对于铝基体而言，在浸泡初期，由于细菌吸附组成生物膜，出现了腐蚀抑制现象，但在浸泡后期，由于营养物质和含氧量减少，导致细菌数量不断减少，而在低含氧量条件下不利于钝化膜的修复，因此出现了加速铝腐蚀的现象[78]。

相较于微生物膜的屏蔽作用，在进一步生成矿化层后，由于其自身的致密性和稳定性较高，其抑制腐蚀的作用将不再受到微生物因素的制约，因此在有菌和无菌环境中均能表现出持续稳定的防腐性能。例如，李学良团队[79]通过β-环糊精改性水性聚氨酯膜，并以其为有机模板实现了在模拟海水中的仿生诱导CaCO3矿化过程。最终形成的致密无机-有机物复合涂层能大幅提高涂层的耐腐蚀性能，并且由于海洋环境中有大量的Ca2+和CO2，能够为形成CaCO3提供持续的原料，从而赋予该涂层自愈合能力。宋义全[80]团队通过电沉积法模拟生物沉积，在镁合金材料表面沉积了一层致密的羟基磷酸钙膜，达到了阻止腐蚀介质、提升材料耐蚀性能的目的。将沉积后的样品浸泡在Hank’s 溶液中进行为期4 周的浸泡实验（如图11所示），结果表明，该钙化层具有稳定的耐腐蚀性能。刘涛团队对交替假单胞菌形成的矿化层耐腐蚀性能进行研究，提出生物膜向生物矿化膜过渡的关键过程是维持长效防腐性能的关键，同时生物矿化膜克服了生物膜防腐性能的不稳定性[7]。

图11 镀膜与不镀膜样品腐蚀形貌[80]Fig. 11 Corrosion morphology of coated and uncoated coupons[80]: The coated (a) and uncoated (b) coupons immersed for 6 days;the coated (a) and uncoated (b) coupons immersed for 12 days; the coated (e) and uncoated (f) coupons immersed for 22 days; the coated (g) and uncouted (h) coupons immensed for 32 days

4 结论及展望

近年来，随着微生物诱导矿化研究的迅速发展，微生物矿化作用对金属腐蚀的影响受到越来越多的关注。与传统的生物膜抑制腐蚀相比，矿化层的腐蚀抑制能力更加稳定，屏蔽作用也更为显著。不仅如此，由于微生物矿化技术成本低、毒性小、应用和维护要求条件简单，不论从生态角度还是经济角度看都具有巨大的潜力。尤其相较传统有机涂层技术而言，摆脱了污染严重、维修成本高昂和老化问题严重等问题。然而，由于微生物种类繁多、生长环境复杂，微生物矿化作用抑制金属腐蚀的能力与机理也相对匮乏。在本文中，全面总结了微生物诱导矿化作用的影响因素、矿化产物类型及矿化过程抑制金属腐蚀的主要因素。针对目前研究现状及未来发展趋势，应关注如下问题：

1）由环境复杂性和生物多样性带来的关于影响腐蚀的多重机制问题。目前，针对微生物矿化作用抑制腐蚀的研究主要集中在单一矿化机制上。然而，微生物新陈代谢过程往往会随着环境的变化而变化，从而提高其对环境的适应性。例如，同一种微生物在不同环境中通过诱导矿化作用形成的产物可能存在差异，甚至对腐蚀行为表现出相反的作用。因此，结合微生物生长环境探讨矿化作用对腐蚀行为的影响是十分必要的。不仅如此，微生物在矿化过程中引起的微环境变化（如pH、氧浓度等）也是影响腐蚀的重要因素。

2）微生物矿化作用与腐蚀行为间的相互关系。海洋环境是研究微生物矿化作用抑制金属腐蚀行为的主要环境之一。众所周知，通过微生物矿化过程形成致密完整的矿化层需要一段较长的时间，相较而言，腐蚀行为则是快速发生。然而，由于在微生物参与条件下腐蚀过程十分复杂，目前的相关研究并未深入涉及微生物矿化过程中金属腐蚀行为的变化过程及机理研究。

3）多重防腐机制的协同作用。为了获得更稳定和持久的抑制腐蚀效果，可以考虑在微生物矿化抑制腐蚀的基础上，引入其他防腐手段，从而弥补矿化过程前期因矿化层不完整造成的腐蚀问题。例如，通过配合缓蚀剂使用，抑制腐蚀，或在环境中人为添加诱导矿化物质，加速矿化过程或产生更致密的生物矿化层。此外，借助微生物诱导矿化机制还可以设计开发新型智能自修复涂层。