Direct microbial electron uptake as a mechanism for stainless steel corrosion in aerobic environments  

微生物直接電子攝取作為有氧環境中不銹鋼腐蝕的機制  

來源：Water Research, Volume 219, 2022, Article 118553  

《水研究》第219卷，2022年，文章編號118553  

 

摘要核心內容：  

本研究揭示好氧條件下Shewanella oneidensis MR-1通過生物膜直接攝取電子導致不銹鋼腐蝕的新機制。通過構建孔蛋白-細胞色素復合體（MtrCBA）基因缺失菌株（ΔmtrCBA），結合電化學噪聲、希爾伯特譜分析及丹麥Unisense微電極測量，證實：  

1. 好氧生物膜內部形成缺氧微區（氧濃度梯度見圖1d），為直接電子傳遞創造厭氧條件；  

 

2. MtrCBA復合體是電子攝取關鍵通道，其缺失使腐蝕率降低（ΔmtrCBA的腐蝕電流密度僅野生型50%，見圖2e）；  

 

3. 排除H?和核黃素作為電子媒介的可能性；  

4. 厭氧條件下，野生型菌株利用不銹鋼電子還原硝酸鹽，而ΔmtrCBA喪失此能力（圖1f）。  

 

研究目的：  

闡明好氧環境中S. oneidensis加速不銹鋼腐蝕的分子機制，驗證直接微生物電子攝取（而非傳統電子媒介）是主導途徑。  

 

研究思路：  

1. 機制排除法：驗證H?（不銹鋼無法產H?）和核黃素（不銹鋼無法還原核黃素）非電子載體；  

2. 基因工程驗證：構建ΔmtrCBA和ΔomcA突變株，對比腐蝕表型（圖2, 圖5）；  

 

3. 微環境解析：Unisense氧微電極測量生物膜內氧梯度（圖1d）；  

4. 多尺度腐蝕評估：線性極化電阻（Rp）、電荷轉移電阻（Ret）、電化學噪聲（圖3）和點蝕形貌（圖4）。  

 

 

 

測量數據及研究意義：  

1. 生物膜特性（圖1a-c）  

   ? 數據：野生型生物膜厚度47±14 μm，ΔmtrCBA減少50%  

 

   ? 意義：證實MtrCBA影響生物膜形成，間接調控腐蝕界面微環境  

 

2. 電化學參數（圖2）  

   ? 數據：ΔmtrCBA的Ret值比野生型高200%，腐蝕電流密度降低50%  

 

   ? 意義：MtrCBA缺失顯著抑制電子傳遞，降低腐蝕動力學  

 

3. 電化學噪聲與希爾伯特譜（圖3）  

   ? 數據：野生型電流瞬變振幅>120 nA（穩定點蝕），ΔmtrCBA僅20 nA（點蝕鈍化）  

 

   ? 意義：量化腐蝕類型轉變，揭示MtrCBA介導穩定點蝕  

 

4. 點蝕形貌（圖4）  

   ? 數據：ΔmtrCBA最大點蝕深度比野生型降低60%  

 

   ? 意義：基因缺失顯著抑制局部腐蝕發展  

 

5. 硝酸鹽還原（圖1f）  

   ? 數據：野生型7天硝酸鹽還原率97%，ΔmtrCBA幾乎無還原  

 

   ? 意義：直接電子傳遞支撐厭氧呼吸，關聯腐蝕與微生物代謝  

 

丹麥Unisense電極測量數據的核心意義：  

使用Unisense OX-5氧微電極（尖端5 μm）對生物膜進行微米級分辨率氧梯度測量（圖1d）：  

1. 證實缺氧微區存在：生物膜-金屬界面氧濃度趨近于0 μM（深度>30 μm），創造局部厭氧環境，為直接電子傳遞提供必要條件；  

2. 解釋腐蝕機制時空特性：好氧環境中的厭氧微區使S. oneidensis表達厭氧呼吸通路（如MtrCBA），實現電子直接攝取；  

3. 量化代謝活動：氧消耗梯度斜率反映微生物呼吸強度（界面陡降區達0.8 μM/μm），關聯電子傳遞速率與腐蝕動力學。  

 

結論：  

1. MtrCBA孔蛋白-細胞色素復合體是S. oneidensis直接攝取不銹鋼電子的關鍵通道，其缺失使腐蝕率降低50%以上；  

2. 好氧生物膜內部缺氧微環境（氧梯度<10 μM）支持直接電子傳遞型腐蝕，顛覆傳統“純好氧腐蝕機制”認知；  

3. 排除H?和核黃素作為電子媒介的可能性，確立直接電子攝取為獨立腐蝕機制；  

4. 該機制普遍存在于含鐵金屬腐蝕中，為靶向MtrCBA的防腐策略提供分子靶點。