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中国腐蚀与防护学报, 2025, 45(6): 1459-1473 DOI: 10.11902/1005.4537.2025.029

综合评述

微生物诱导矿化抑制金属腐蚀：机制、设计策略及展望

李伟华, 李中,, 张丹妮,, 徐大可

东北大学腐蚀与防护中心 沈阳 110819

Microbial-induced Mineralization for Inhibiting Metal Corrosion: Mechanism, Design Strategies and Prospects

LI Weihua, LI Zhong,, ZHANG Danni,, XU Dake

Corrosion and Protection Center, Northeastern University, Shenyang 110819, China

通讯作者: 李中，E-mail：lizhong@mail.neu.edu.cn，研究方向为微生物腐蚀与防护张丹妮，E-mail：zhangdanni@mail.neu.edu.cn，研究方向为固废资源化

收稿日期: 2025-01-20   修回日期: 2025-02-17  

基金资助: 国家自然科学基金.  52371056

Corresponding authors: LI Zhong, E-mail:lizhong@mail.neu.edu.cnZHANG Danni, E-mail:zhangdanni@mail.neu.edu.cn

Received: 2025-01-20   Revised: 2025-02-17  

Fund supported: National Natural Science Foundation of China.  52371056

作者简介 About authors

李伟华，男，2001年生，硕士生

摘要

微生物因其具备规模化增殖、基因编辑及环境响应等优势，在抑制腐蚀方面展示出巨大潜力。本文首先综述了国内外关于微生物抑制腐蚀的不同机制的研究进展，概述了目前已发现的诱导矿化的微生物类型及几类典型的矿化产物类型，并详细介绍了微生物矿化抑制腐蚀的机制，重点分析了如何通过成核位点优化、改变环境因素、控制脲酶的表达及3D打印等策略人为干预微生物诱导矿化实现长效腐蚀防护。最后，对微生物矿化抑制腐蚀技术面临的挑战进行总结，并对如何优化微生物矿化抑制腐蚀的技术提出了展望。

关键词： 微生物抑制腐蚀机制 ; 腐蚀与防护 ; 微生物矿化 ; 3D打印

Abstract

Microorganisms are abundant in the environment and have shown great potential in inhibiting corrosion due to their advantages such as large-scale proliferation, gene editing, and environmental response. This paper first reviews the research progress on different mechanisms of microbial corrosion inhibition at home and abroad, summarizes the types of microorganisms that induce mineralization and several typical types of mineralization products that have been discovered so far, and elaborates on the mechanism of microbial mineralization for corrosion inhibition. It focuses on analyzing how to artificially intervene in microbial-induced mineralization through strategies such as optimizing nucleation sites, changing environmental factors, controlling urease expression, and 3D printing to achieve long-term corrosion protection. Finally, it summarizes the challenges faced by microbial mineralization for corrosion inhibition technology and proposes prospects for optimizing this technology.

Keywords： microbiologically influenced corrosion inhibition mechanism ; corrosion and protection ; microbial mineralization ; 3D printing

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本文引用格式

李伟华, 李中, 张丹妮, 徐大可. 微生物诱导矿化抑制金属腐蚀：机制、设计策略及展望. 中国腐蚀与防护学报[J], 2025, 45(6): 1459-1473 DOI:10.11902/1005.4537.2025.029

LI Weihua, LI Zhong, ZHANG Danni, XU Dake. Microbial-induced Mineralization for Inhibiting Metal Corrosion: Mechanism, Design Strategies and Prospects. Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection[J], 2025, 45(6): 1459-1473 DOI:10.11902/1005.4537.2025.029

腐蚀是指材料在周围介质(如水、空气、酸、碱、盐等)作用下产生损耗与破坏的过程。腐蚀作为一种全球性的重要问题，影响着从石油管道到海洋平台等众多工业领域[1]。每年由腐蚀导致的经济损失高达数千亿美元[2]。目前，传统的腐蚀抑制方法通常依赖于阴极保护法[3]、腐蚀抑制剂[4]、表面处理[5,6]和腐蚀防护涂层[7]。这些方法在腐蚀抑制中发挥着重要作用[8,9]。随着腐蚀面临的环境复杂化和多样化情况不断出现，探究新型腐蚀抑制技术成为了当今腐蚀防护研究的重点领域。

微生物作为地球上最丰富的生物，其生物被膜可以被认为是微生物的保护罩。此外，其生物被膜是地球上分布最广泛和最成功的生命模式之一[10]。它们在诸多环境中普遍存在，于河流、海洋等自然生态系统以及管道、医疗设备等人造结构中均有分布。生物被膜中含有的大量生物被膜基质被认为与微生物的生长代谢活动密切相关[11]。它主要由胞外多糖、胞外蛋白以及胞外脱氧核糖核酸等物质组成。长期以来，生物被膜对人体健康、工业生产以及生态环境等方面产生了较大的不利影响。特别的，微生物腐蚀这一危害不容小觑。有研究表明，每年微生物腐蚀损失约占全世界腐蚀损失的20%[12]。然而，有研究发现，有些微生物不仅不会促进金属的腐蚀，反而由于生物被膜的存在可以起到保护金属、抑制金属腐蚀的作用。此观点的提出可能会激励更多的科研人员利用生物被膜的特性来挖掘其在腐蚀防护中的研究价值。

近年来，有学者观察到生物被膜具有许多独特的优势，包括：(1) 可以实现自我繁殖和自我修复；(2) 可以用于绿色和可持续的生物技术应用，同时不释放有害物质；(3) 遗传基因可以通过人为操作的方式被调节；(4) 可以通过低成本的有机质实现可规模化的扩增[13]。因此，生物被膜基于其独特的优势在合成生物学和材料科学的交叉领域引起了广泛关注[14]。并且这些特性为生物被膜在食品[15]、医药[16]、工业[17]、腐蚀防护[18,19]以及环境响应[20]等领域的研究提供了思路。特别的，微生物可以通过其生命活动与周围环境相互作用来诱导矿化。由于微生物形成的矿化层具有坚固、稳定等优点，目前有研究人员将这一特性应用于腐蚀抑制中，并且具有较好的效果[21]。此外，有研究表明，某些微生物的生物被膜能够在金属表面形成胞外聚合物(EPS)层。这也能够降低腐蚀速率，从而提供比传统腐蚀抑制剂更环保的替代方案。例如，弧菌属(Vibrio sp.)生物被膜在减轻碳钢腐蚀方面具有显著潜力[22]。其生物被膜能够充当屏障，阻止点蚀并降低腐蚀电流密度。这些研究成果展示了活体生物被膜在腐蚀抑制及其他多个行业中应用的潜力，推动了可持续的腐蚀防护策略的开发[23]。

随着微生物学、材料科学和电化学等学科的交叉融合发展，越来越多研究人员开始聚焦微生物抑制腐蚀的机制研究。本文首先介绍了国内外微生物抑制腐蚀的研究进展以及微生物通过呼吸作用消耗腐蚀性物质、形成EPS层、形成生物矿化层、分泌缓蚀剂以及不同微生物之间的相互竞争5种微生物抑制腐蚀机制。随后，重点分析了人为调控微生物诱导矿化如何在长效腐蚀防护中发挥重要作用。最后，对微生物抑制腐蚀技术面临的挑战进行总结，并对如何优化微生物抑制腐蚀的技术提出了展望。

1 微生物抑制腐蚀机制

许多微生物会通过自身的代谢产物加速金属腐蚀。然而，某些微生物也能够抑制腐蚀。1987年，Iverson首次提出了在溶液环境中，细菌可以抑制Cu的腐蚀，并得出微生物的存在对腐蚀抑制具有正影响[1]。紧接着，一些学者通过实验也验证了微生物抑制腐蚀这一观点。Jayaraman等[24]研究表明脆假单胞菌(Pseudomonas fragi K)和短芽孢杆菌(Bacillus brevis 18)在好氧条件下对Cu和铝合金2024具有明显的缓蚀作用。Ponmariappan等[25]研究了葡萄球菌(Staphylococcus sp.)对低碳钢的腐蚀影响，表明葡萄球菌生物被膜的存在有效抑制了低碳钢的腐蚀。Zuo等[3]也研究表明地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)的生物被膜可以在Al表面产生聚谷氨酸保护层来抑制其腐蚀。因此，有研究人员提出了一种绿色、可持续的新型腐蚀防护手段——微生物抑制腐蚀(MICI)。MICI通过微生物及其代谢活动直接或间接减缓腐蚀，且具有低成本和环保优势。但由于外部环境复杂和微生物的多样性等因素，微生物抑制腐蚀的机制比传统方式更为复杂。目前已有的微生物抑制腐蚀的方法(图1)，分别为微生物呼吸消耗腐蚀性物质，通过氧气消耗阻碍阴极反应来抑制腐蚀；微生物诱导矿化，通过在腐蚀性物质和基体表面形成生物矿化层来抑制腐蚀；微生物通过在基体表面形成EPS层，隔绝腐蚀性物质来抑制腐蚀；微生物通过分泌缓蚀剂来抑制基体的腐蚀；多种微生物相互竞争来削弱腐蚀性微生物的作用[1]。

图1

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图1   微生物抑制腐蚀机制示意图

Fig.1   Schematic diagram of microbial inhibition corrosion mechanism


1.1 微生物呼吸消耗腐蚀性物质

某些微生物通过呼吸作用消耗金属表面的氧气和其他腐蚀性物质来阻碍阴极反应，从而抑制金属腐蚀。在腐蚀环境中，好氧微生物如芽孢杆菌(Bacillus)、假单胞菌(Pseudomonas)等主要通过消耗氧气减少阴极去极化反应，从而形成缺氧环境来抑制腐蚀[26~28]。Pedersen和Hermansson[29]通过静态分批培养金属试样的失重测量，研究了粘质沙雷氏菌(Serratia marcescens EF190)和假单胞菌(Pseudomonas sp. S9)对钢(SIS 1146)的腐蚀。结果表明两种菌株在含有有机营养物的培养基中可以抑制钢(SIS 1146)的腐蚀。但是在没有有机营养物的培养基中这两种菌株的抑制作用几乎消失。这是由于在没有有机营养物的培养基中细菌的好氧呼吸严重受阻。为了进一步阐明其抑制腐蚀的机制，研究人员通过增加和减少培养基中的细菌浓度发现，在高细菌浓度下，细菌能够抑制腐蚀；在低细菌浓度下，其抑制腐蚀作用消失。上述结果表明，好氧微生物抑制腐蚀与细菌的有氧呼吸水平直接相关。此外，一些兼性厌氧微生物也能在不同氧气浓度下发挥腐蚀抑制作用。Jayaraman等[30]研究了兼性厌氧菌大肠杆菌(Escherichia coli DH5α)和好氧细菌莓实假单胞菌(Pseudomonas fragi)对1018碳钢的腐蚀情况。表明这两种细菌通过呼吸作用可以有效抑制碳钢的腐蚀。同时细菌产生的EPS层也可以作为碳钢表面的屏障来阻隔氧气的进入，从而抑制碳钢的腐蚀。此外，一些铁还原细菌可以利用金属表面的Fe2O3作为电子受体，来维持其细胞内的代谢活动，最终也能够抑制金属的腐蚀[31]。Lee等[32]研究了铁还原菌的抑制腐蚀作用。结果表明，中等浓度的Fe离子能促进生物被膜的形成和EPS的产生。EPS存在的初始阶段加速了腐蚀，而在后期由于氧还原的作用能抑制腐蚀。Dubiel等[33]也研究表明铁还原细菌可以通过呼吸作用将腐蚀产物中Fe(Ⅲ)还原成Fe(Ⅱ)。Fe(Ⅱ)会通过消耗氧气来抑制金属腐蚀。目前，温度、pH值、溶解氧浓度、营养物质等环境条件是影响微生物的生长、代谢活性及形成生物被膜的重要因素。它们可以影响腐蚀抑制效果。其中，适宜的温度和pH值有助于微生物的生长和代谢，会提高腐蚀抑制能力。溶解氧浓度是影响好氧微生物腐蚀抑制效果的关键因素。低氧环境有利于好氧微生物消耗有限的氧气抑制腐蚀。营养物质的种类和浓度也会直接影响微生物的代谢途径和产物，进而影响腐蚀抑制机制。

1.2 EPS保护层

微生物EPS是微生物在代谢过程中分泌到环境中的复杂有机物质[34]。它主要由多糖、蛋白质、核酸和多肽等生物大分子组成，并通过氢键、离子键和疏水相互作用等能形成稳定的网络结构。研究表明，微生物分泌的EPS可以在金属表面形成保护层或抑制微生物的附着，减少金属与腐蚀介质的接触来提高金属的耐腐蚀性能[35~38]。Ghafari等[35]通过研究吲哚金杆菌MUT.2 (Chryseobacterium indologenes MUT.2)和肺炎克雷伯菌MUT.1 (Klebsiella pneumonia MUT.1)的EPS对碳钢的腐蚀抑制作用。表明EPS中的多糖可以和金属中的Fe离子等金属离子络合，形成致密的保护膜。其中，多糖中的羧基集团以及一些阴离子官能团在形成致密的保护层的过程中发挥着不可或缺的作用[39]。此外，同一种细菌的EPS可能对不同金属产生不同的影响。Stadler等[40]研究了蕈状芽孢杆菌(Bacillus mycoides)的生物被膜对Zn、Al及其他低合金的影响。表明蕈状芽孢杆菌(B.mycoides)形成的生物被膜保护层可以减缓铝合金的腐蚀。但它加速了锌合金的腐蚀，对低合金的腐蚀作用不明显。一些微生物的EPS具有较强的吸附性能。它们能够在金属表面形成一层致密的保护膜，从而有效地隔绝金属与外界介质的接触来延缓金属腐蚀的速度。Suma等[41]研究了恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida RSS)的生物钝化对低碳钢的长期抑制腐蚀作用。与对照组相比，低碳钢的腐蚀速率降低了28倍。这是因为Pseudomonas putida RSS在混凝土细菌磷酸盐层上形成了一种坚固且稳定的铁-胞外聚合物(Fe-EPS)涂层，所以这可以实现长期稳定的抑制腐蚀作用。除此之外，EPS在通过抑制微生物附着来抑制腐蚀方面也具有潜在作用。目前按照EPS抑制微生物附着机理的不同，可以将其分为以下3类：第一，EPS具有较好的吸附性能。它能够吸附在金属表面形成一层难以穿透的保护膜，从而阻止微生物的附着和生物膜的形成；第二，EPS中的多糖可以与微生物表面的受体结合，从而干扰微生物的附着过程；第三，EPS中的蛋白质能与微生物中的蛋白质相互作用，从而阻止微生物的附着。此外，有研究表明EPS抑制微生物附着可能与微生物的群体感应(QS)有关[42]。QS是一种可以改变微生物之间相互作用的细胞间交流模式。它可以调节生物膜的形成、分泌信号分子、合成抗菌物质，从而直接或间接地影响微生物群落对不断变化的环境的适应能力。EPS中的某些物质可能会破坏微生物的群体感应，从而减少微生物在金属表面的附着，有效延缓金属腐蚀的速度。Stadler等[43]研究表明从SRB中分离出的EPS可以抑制脱硫弧菌(V.desulphuricans)在金属表面附着的能力。因此，EPS在金属表面形成的非均匀生物被膜，能够有效阻碍细菌与金属之间的黏附，进而对腐蚀进程起到减缓作用[44]。

1.3 微生物矿化层

某些微生物具有较强的生物矿化能力。它们能在金属表面形成矿化层来降低腐蚀速率。这种生物矿化膜是由常见的碳酸盐或磷酸盐矿物质沉淀形成。并且这种矿化膜具有一定的自我修复能力，还可以降低金属表面的电化学活性。因此利用生物矿化抑制金属腐蚀具有广阔的应用前景。目前，在海洋环境、土壤环境以及水处理设备中实际应用的金属材料已经开始利用微生物形成矿化层来抑制腐蚀。研究人员也通过实验室模拟的方法发现，引入具有矿化能力的微生物以显著降低金属的腐蚀速率。Li等[36]通过改造大肠杆菌(E.coli)，表明E.coli在X70管线钢表面形成了以方解石为主的生物被膜诱导矿化层。此矿化层可以在碳钢表面形成稳定的屏障并具有优异的防腐效果。Liu等[19]提出解脂假交替单胞菌(Pseudoalteromonas lipolytica)的生物被膜可以和生物矿化膜层共同抑制钢在海水中的腐蚀。该杂化膜是由多层方解石和细菌胞外聚合物组成的。该研究中的点蚀坑结果显示，对照组点蚀坑深的均值为22 μm，实验组的点蚀坑深的均值为77 μm。故杂化膜具有高且稳定的抑制腐蚀作用。Guo等[45]研究了枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)形成的生物矿化膜对海洋工程钢的防腐作用。通过电化学结果来看，与对照组相比，实验组的电荷转移电阻Rct从1.15 × 103 Ω增大到2.37 × 105 Ω。因此生物矿化膜的存在显著降低了海洋工程钢的腐蚀。Hao等[46]研究了人工海水中腐败希瓦氏菌(Shewanella putrefaciens)通过生物矿化作用能够自我修复碳钢上受损的环氧涂层，且沉积在涂层划痕中的矿化产物为有机-无机杂化物。此研究结果表明生物矿化可以修复环氧涂层，从而提升涂层的耐腐蚀性能。Comensoli等[47]也研究表明尼氏脱硫杆菌(Desulfobacillus niger TCE1)会在铸铁上形成一层连续的磷酸盐保护层来抑制金属腐蚀。总之，微生物诱导矿化抑制腐蚀具有稳定性高、成本低及环境友好的优势。因此，这种新型的腐蚀防护方法在实际应用中具有较大的潜力。

1.4 微生物分泌缓蚀剂

某些细菌可以分泌氨基酸类物质来抑制腐蚀[48~50]。氨基酸含有孤对电子和极性基团。由于这些基团的存在，氨基酸可以通过静电吸附和化学吸附在金属表面形成吸附膜。不同细菌分泌的氨基酸类物质成分和结构能够适应不同材料、不同腐蚀介质和不同环境条件下的腐蚀防护需求。一方面，氨基酸类物质与金属表面形成一层保护性的有机膜。它可以屏蔽金属与腐蚀介质的直接接触，从而减缓腐蚀。另一方面，细菌分泌的氨基酸类物质能与金属离子形成络合物，从而降低金属表面的电化学活性来抑制金属的电化学腐蚀反应。并且部分氨基酸类物质还具有表面活性。它可以在金属表面形成一层均匀的吸附层，从而提高金属表面的抗腐蚀性能。Örnek等[51]研究表明，由于地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)分泌的聚天冬氨酸(Polyaspartate)的影响，使得铝合金的腐蚀速率降低了90%。Ecorr值的增加和钝化铝合金腐蚀速率的降低表明，生物被膜产生的抑制剂能够降低金属阳极的溶解速率。还有一些微生物能够分泌生物表面活性剂抑制金属腐蚀。生物表面活性剂是微生物菌株在生长代谢进程中分泌的一类天然化合物。它展现出卓越的表面活性和生物相容性。微生物分泌生物表面活性剂来抑制金属腐蚀的机制主要包括两个方面。首先，生物表面活性剂能够吸附在金属表面形成一层保护性的有机薄膜。这层薄膜能有效阻隔金属与腐蚀介质的直接接触，从而抑制金属腐蚀。其次，生物表面活性剂还能够调控腐蚀介质中金属离子的溶解和电化学反应，从而减缓金属的电化学腐蚀速率。并且生物表面活性剂含有的羰基和羟基等极性基团可以促进糖脂与金属表面的结合，因而可能会抑制腐蚀。Zin等[52]研究了假单胞菌(Pseudomonas PS-17)衍生的鼠李糖脂对铝合金的抑制腐蚀作用。该研究结果表明，这种生物表面活性剂能有效地抑制合金在人工合成的酸性雨水中的腐蚀。El-Sheshtawy等[53]从油藏中分离出能产生脂肽表面活性剂的地衣芽孢杆菌(B.licheniformis)。表明1%浓度的生物表面活性剂对硫酸盐还原菌(SRB)的生长具有完全的抑制作用。Parthipan等[49]研究表明当地储油菌产生的生物表面活性剂也可以抑制假单胞菌(Pseudomonas)在ST37碳钢表面的附着，并且它还能够去除掉ST37碳钢表面预先生成的生物被膜。此外，摩氏假单胞菌F01 (Pseudomonas mosselii F01)也可以产生生物表面活性剂来抑制微生物腐蚀[54]。与传统的化学腐蚀抑制方法相比，微生物分泌的生物表面活性剂在腐蚀抑制领域具有显著的优势。首先，生物表面活性剂不仅无毒无害，而且不会对环境造成污染。其次，微生物通过分泌生物表面活性剂来抑制腐蚀。这种自然保护机制有助于在不同环境条件下实现稳定的抑制腐蚀效果。再者，生物表面活性剂具有较好的表面吸附能力。它不仅能够与金属表面形成均匀的吸附层，还能提高金属表面的抗腐蚀性能。

1.5 竞争性微生物缓蚀

竞争性微生物抑制腐蚀是指在微生物群落中的有益微生物和腐蚀性微生物之间存在竞争关系，通过抢占营养物质和生存空间，抑制腐蚀性微生物的生长和繁殖，从而减少腐蚀。有益微生物，如某些芽孢杆菌、假单胞菌和乳酸菌等，能够通过分泌抗菌物质、竞争营养物质和生存空间等方式，抑制腐蚀性微生物如SRB、铁氧化细菌等的生长和繁殖[55,56]。其中，在营养物质竞争上，有益微生物能够迅速消耗环境中的营养物质如碳源、氮源和磷源，从而限制腐蚀性微生物的生长。这种营养物质竞争机制能够显著降低腐蚀性微生物的活性，减少其对金属的腐蚀作用；在生存空间竞争上，有益微生物通过形成生物被膜或占据生态位点，限制腐蚀性微生物的附着和繁殖。生物被膜作为一种天然的屏障，能够阻止腐蚀性微生物与金属表面的直接接触，从而减少腐蚀的发生；在分泌抗菌物质上，某些有益微生物能够分泌具有抗菌活性的代谢产物，如细菌素、溶菌酶和挥发性有机化合物等。这些抗菌物质能够破坏腐蚀性微生物的细胞结构，抑制其生长与繁殖，从而减轻腐蚀。此外，一些微生物菌株分泌的生物活性物质，可以抑制其他细菌生长，从而通过竞争性生长降低金属表面腐蚀微生物的数量来减缓腐蚀的进行[57,58]。Liu等[59]通过研究油田采出水中硫酸盐还原菌和铁氧化菌对碳钢的腐蚀行为，发现铁氧化菌抑制了非离子型SRB的生长，促进了Fe2O3的生成，从而抑制了碳钢的腐蚀。Batmanghelich等[60]研究了铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)和脱硫弧菌(Vibrio desulphuricans)的复合生物被膜对铸铁腐蚀的影响。铜绿假单胞菌(P.aeruginosa)的存在降低了SRB对铸铁的腐蚀作用。Korenblum等[61]研究了不同油藏芽孢杆菌(Bacillus)产生的抗菌物质对生物被膜形成的影响。他们发现这些抗菌物质对SRB的生长代谢有显著影响。因此利用微生物的竞争机制抑制腐蚀微生物的生长，在一定程度上能够降低维护成本，并且不会对环境造成二次污染。

2 微生物矿化实现长效的腐蚀防护

生物矿化(Biomineralization)，是指生物体借助生物大分子的调控作用生成无机矿物的过程。区别于一般矿化，其过程中有生物大分子、生物体代谢、细胞以及有机基质的参与。近年来，随着生物矿化领域的研究不断增加，有研究表明，微生物矿化作用在抑制腐蚀方面发挥着重要作用。微生物矿化作用是利用微生物体内分泌的EPS如：蛋白质、多糖等，来引导和调控这些有机质将周围环境中的矿化离子固定，并在基体表面形成无机固体矿物质，通过阻隔腐蚀性介质来抑制腐蚀行为。在某些特定条件下，微生物诱导矿化能够将已生成的锈层转化为稳定、均匀且致密的保护层，从而起到长效抑制腐蚀的作用[47]。

2.1 参与矿化的微生物及矿化类型

目前，已经有大量的研究表明，众多微生物均可在矿物沉积过程中发挥作用。由于细菌生长代谢的多样性和所处环境的不同，它们所形成的矿化类型也有不同。不同类型的矿化层会在不同程度上降低金属腐蚀的风险。一些典型的矿化微生物包括红球菌(Rhodococcus sp. C125)[62]、巴氏生孢八叠球菌(Sporosarcina Pasteurii)[63]、恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida)[64]、盐杆菌(Halobacteria)[21]、尼氏脱硫杆菌(Desulfitobacterium hafniense)[48]、粘球菌(Myxococcus)[65]、球孢白僵菌(Beauveria bassiana)[66]、硫酸盐还原菌(Sulfate-reducing bacteria (LVform6))[67]、洛氏谢瓦尼拉菌PV-4 (Shewanella loihica strain PV-4)[68]、解脂假交替单胞菌(Pseudoalteromonas lipolytica)[19]、短芽孢杆菌(Brevibacillus sp.)[69]、希瓦氏菌(Shewanella sp.)[70]、菊苣假单胞菌(Pseudomonas cichorii)[71]等。

根据常见的微生物诱导矿化的矿化产物类型分类，可以将其分为磷酸盐矿化层、碳酸钙矿化层和铁氧化物矿化层[72]。

2.1.1 磷酸盐矿化层

磷化是一种借助电化学及化学反应，在金属表面促使生成磷酸盐化学转化膜的方法。它所形成的膜被称为磷化膜。磷化处理能够增强涂层与基材之间的黏附力，同时提高金属表面的抗腐蚀和抗磨损能力[73]。微生物诱导矿化产生的磷酸盐矿化物质不仅可以改善环境中磷的生物循环和利用率，还能在水域底部或土壤中形成一层稳定的磷酸盐矿物层。这有助于磷的长期固定和生物有效性的调控。微生物诱导矿化形成磷酸盐矿化物质的过程在自然界中广泛存在[74~76]。多种微生物，如细菌、真菌和藻类等，通过代谢活动和生长过程，可以在其周围环境中促进磷酸盐的沉淀和结晶并逐渐形成磷酸盐矿化层。这种微生物诱导的磷酸盐矿化机制，不仅依赖于微生物的生理活动和它分泌的代谢产物，还受到环境条件和矿物成分等因素的影响。Volkland等[73]研究表明，恶臭假单胞菌(P.putida)可以修复低碳钢表面局部受损的涂层，而这主要是通过恶臭假单胞菌(P.putida)的磷化作用在金属表面重新生成蓝晶石的结果。并且通过电化学技术等腐蚀表征可以看出，修复后的涂层与原涂层的腐蚀防护效果大致相当。Comensoli等[47]通过光谱研究表明，哈夫氏脱硫杆菌(Desulfitobacterium hafniense TEC1)作用后的金属试样表面呈现出一层连续的磷酸铁保护层(蓝晶石和方锰矿)，该保护层覆盖面积高达92%。Gunasekaran等[77]通过电化学测试、光谱检测和失重分析等方法评价了低碳钢在黄假单胞菌(Pseudomonas flava)菌液下的腐蚀速率。表明低碳钢表面生成了一层致密的磷酸盐矿物层。这是由于黄假单胞菌对磷化膜在低碳钢表面的形成具有增强作用，而磷化膜的屏障作用显著降低了低碳钢的腐蚀速率。由此可见，对微生物参与磷酸盐矿化的机制以及影响因素展开深入探究，能够实现自然环境中磷循环过程的优化，进而有效遏制富营养化与环境污染的发展态势。与此同时，借助微生物诱导磷酸盐矿化技术，使其广泛应用于腐蚀防护、土壤修复以及生态保护等相关领域指日可待。

2.1.2 碳酸盐矿化层

微生物诱导CaCO3沉淀(MICP)是一种利用微生物代谢作用产生CO32-，而CO32-又与游离的Ca2+结合形成CaCO3沉淀的技术。微生物诱导矿化产生的CaCO3矿化层可以是以自发方式形成的，也可以是通过人工干预方式形成的。Liu等[19]研究表明海洋交替假单胞菌形成的CaCO3矿化膜与EPS的含量紧密相关，并且EPS含量越多，钢表面形成的矿化层越致密。此外，Li等[78]通过人为控制蜡样芽孢杆菌中的EPS来改变碳酸钙的成核与生长表明在该生物矿化膜的存在下，腐蚀抑制效率高达90%以上。故微生物CaCO3矿化可以分为两类：一类是生物诱导矿化。它是微生物通过自身代谢活动对周围微环境产生影响，进而诱导碳酸钙矿化。在该过程中，微生物进行诸如呼吸等代谢活动时，会致使其周边微环境的物理化学性质发生改变，具体涵盖局部酸碱度(pH值)、各类离子浓度等方面的变化。另一类是生物控制矿化。与生物诱导矿化不同，在此类矿化过程中，微生物能够凭借自身分泌的特定生物大分子，诸如蛋白质、多糖等物质，对CaCO3矿化全流程实施精细化调控。这些生物大分子具备特殊的功能，可充当晶核的模板，引导CaCO3在特定的位点开启结晶过程，并且还能够对晶体的生长方向、生长速率以及最终所呈现出的晶体形态等诸多方面进行有效控制。

2.1.3 铁氧化物矿化层

铁氧化物矿化层主要通过微生物介导和化学沉淀作用来形成。在自然界中，细菌、真菌和藻类等微生物通过生长和代谢的过程，可以释放出特定的代谢产物，调控周围环境中的氧化还原条件和金属离子的浓度，从而促进铁元素的氧化和沉淀。在这一过程中，微生物的生理活动对铁氧化物的沉淀和结晶起到了重要的催化作用。而铁细菌在其生长代谢过程中可以产生各种矿化物沉淀，例如α-FeOOH沉淀等。此外，单纯的化学沉淀作用也是铁氧化物矿化层形成的重要途径之一。在一些富含Fe离子的水体环境中，当环境的物理化学条件发生变化时，Fe离子会自发地发生水解和沉淀反应，不断累积后便形成了铁氧化物矿化层。Faisal等[69]研究了野生好氧细菌(IRB)对碳钢的腐蚀影响。结果表明，IRB的EPS可以和氧化还原后的沉积物发生反应，生成一层稳定的铁氧化物矿化膜，能够有效抑制碳钢的腐蚀。

2.2 微生物矿化机制

微生物通过调控矿物的成核、生长和形态等过程来精确地控制矿物的形成。这种机制不同于传统的物理化学矿化过程，微生物通过其代谢产物、表面结构和基因调控等方式，精细调控矿物的形成、大小、形态和结晶方式。

2.2.1 矿化晶体的成核调控

成核是矿物从溶液中沉积为固体的第一步。微生物通过其表面性质和代谢活动，精确调控矿物的成核过程[79]。微生物的细胞表面通常含有丰富的官能团(如羧基、氨基、磷酸基等)，这些官能团能够与金属离子形成配位复合物，为矿物成核提供一个稳定的界面。微生物的细胞壁和表面结构(如鞭毛、纤毛)增加了金属离子与细胞的接触面积，从而促进矿物的成核。其次，微生物的代谢活动可以引起局部pH的变化，从而影响溶液中的金属离子浓度，促进矿物的成核。例如，某些细菌通过尿素水解生成氨，使局部pH升高，促进CaCO3的成核。而且某些微生物分泌的天然高分子物质(如胞外聚合物、蛋白质等)也可以在矿化过程中起到成核剂的作用，控制矿物的形态、尺寸和分布。

2.2.2 矿化晶体的生长调控

晶体的生长是由离子在已有晶核上不断堆积形成的过程。微生物能够通过其代谢产物及表面特性调控矿物晶体的生长。一些细菌通过还原金属离子的氧化态，调节金属离子的浓度，利用代谢活动调控矿物成分和金属离子直接的传递和供应，从而控制晶体的生长速率和形态。而微生物分泌的EPS也可以通过包裹晶体和控制离子扩散，限制晶体的生长，从而调控晶体的大小和形态。此外，由于晶体面选择性吸附的作用，微生物能通过其表面上特定的功能团对不同的晶体面有选择性吸附的能力。某些微生物表面可能会选择性地吸附某些矿物晶面，来控制晶体的生长方向，导致矿物晶体形成特定形态。

2.2.3 矿物晶体形态调控

晶体形态的变化对矿物的物理性质(如溶解度、稳定性等)有重要影响。微生物能够通过对矿物晶体的精细调控，影响其形态。当对晶体表面进行修饰后，某些微生物能够通过胞外聚合物的修饰作用，在矿物表面上形成薄膜或层状结构，改变晶体的形态。例如，一些微生物通过分泌多糖、蛋白质等物质，在晶体表面形成保护膜，从而控制晶体的形状。而当采用特定的蛋白质控制晶面时，微生物分泌的特定蛋白质或酶可以与矿物晶体的不同晶面结合，控制晶体的生长方向和速度。有研究表明，某些微生物能够通过选择性吸附作用，使矿物晶体具有特定的形态，如针状、立方体状或菱形等[80]。

2.3 微生物矿化在金属腐蚀防护中的应用

近年来，许多研究人员针对微生物矿化在不同金属的腐蚀抑制作用展开了研究。表1对比了微生物矿化对一些不同种类的典型金属的抑制腐蚀效果。其中，腐蚀抑制效率的计算公式为(1)或(2)：

表1   微生物矿化抑制不同金属腐蚀效果的比较

Table 1  Comparison of the inhibitory effects of microbial mineralization on corrosion of different metals

MaterialBacteriumTesting environmentInhibition efficiency
X70 carbon steel[36]E. coli MBDSimulated seawater90%1
Q235 steel[81]ΔflrA mutant strains of Shewanella putrefaciensArtificial seawater26%1
Mild steel[41]Pseudomonas putidaMinimal broth96%1
Mild steel[77]Pseudomonas flavaBSS medium89%2
Mild steel[77]Pseudomonas stutzeriBSS medium69%2
316L stainless steel[78]Bacillus cereusArtificial seawater95%2
A36 steel[82]Vibrio neocaledonicus sp.Artificial seawater97%2
Alloy steel[83]Pseudoalteromonas piscicida2216E medium86%1
2A14 Aluminum alloy[84]Bacillus subtilis2216E medium93%2
Low-alloy steel[46]Bacillus subtilis2216E medium88%2
Low-alloy steel[77]Pseudoalteromonas lipolyticaArtificial seawater98%2
Low-alloy steel[19]Pseudoalteromonas lipolytica Δ171252216E medium98%2
Low-alloy steel[85]Pseudoalteromonas lipolytica2216E medium62%2
Low-alloy steel[86]Pseudoalteromonas lipolytica2216E medium28%2

Note: The subscripts “1” and “2” in Table 1 indicate that formulas (1) and (2), respectively, were used to calculate the corrosion inhibition efficiency

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η%=1-IcorrIcorr0×100%

式中，Icorr0和Icorr是细菌存在和不存在时的腐蚀电流密度，μA/cm2。

η%=Rct-Rct0Rct×100%

式中，Rct0和Rct是细菌存在和不存在时的电荷转移电阻，Ω·cm2。

而对于微生物矿化在金属腐蚀防护中的应用主要体现在两个方面(图2)。一方面，微生物形成矿化保护层[87]。某些微生物能够通过新陈代谢在材料表面形成一层具有规则结构的矿化膜。这层膜通常由胞外聚合物和具有方解石晶体结构的无机碳酸盐组成。而生物矿化层具有致密、均匀、稳定等特点，可以在很大程度上阻碍腐蚀性介质进入到材料基体表面。因此它可以起到抑制腐蚀的效果。例如，假交替单胞菌(P.lipolytica)的基因突变菌株能够在材料表面形成矿化膜，有效阻止腐蚀介质与金属基体的直接接触，从而减缓或阻止腐蚀的发生[85,88,89]。同时有研究表明，生物膜中糖类的羟基在结晶面吸附碳酸根离子，也能促进矿化进程[90]。而生物膜中的羧基、HCO3-和SO42-等负电官能团会络合Ca2+和Mg2+，从而降低溶液中的Ca2+，导致矿化效率降低。此外，Liu等[91]研究指出铁氧化细菌(IOB)可以在Q235碳钢表面形成一层生物矿化膜，导致材料表面的点蚀密度显著下降。另一方面，某些微生物能改变腐蚀环境条件。微生物矿化过程中产生的矿质元素和有机物质可以改变腐蚀介质的环境条件，如pH值和氧化还原电位，从而间接影响腐蚀速率[92]。例如，一些微生物能够通过代谢活动提高环境的pH值，使金属表面形成更稳定的钝化膜，减少腐蚀的可能性[93]。还有些研究通过电沉积方法来促进矿化。安玥等[94]使用电沉积方法模拟生物沉积，在镁合金材料表面沉积了致密的羟基磷酸钙膜，从而屏蔽腐蚀性溶液对镁合金的腐蚀。

图2

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图2   微生物矿化在腐蚀防护中的作用机制示意图

Fig.2   Schematic diagram of the mechanism of microbial mineralization in corrosion protection: (a) microorganisms form dense biomineralization layers, (b) microorganisms alter environmental conditions that affect corrosion


因此，目前已经有大量研究证明，微生物矿化在腐蚀防护中的实际应用取得了显著成效[1]。在海洋工程中，微生物矿化膜被用于保护船舶和海洋平台的金属结构，能有效减少生物污损和海水腐蚀。在石油和天然气行业中，微生物矿化技术被用于保护埋地管道和储油罐，通过形成保护层提高设备的抗腐蚀能力。此外，在航空航天领域，微生物矿化也被用于保护飞机燃油箱等关键部件，防止微生物腐蚀对飞行安全的影响。

2.4 人工干预矿化策略

随着人们对生物矿化的不断了解，生物矿化已经应用于腐蚀防护[36]、骨修复[95]及重金属污染修复[96]等领域。加上生物被膜本身具有许多独特的机械特性和理化性质。这些优异的特性使得微生物生物被膜可以被设计为功能化生物被膜。但是，自然环境中形成的生物被膜大多具有孔洞、缝隙，稳定性较差等不足，并且生物矿化的形成与生物被膜的EPS紧密相关。因此，目前已经有研究人员尝试通过人工干预构建生物矿化的策略(图3)。

图3

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图3   人工干预矿化策略示意图

Fig.3   Schematic diagram of artificial intervention mineralization strategy: (a) optimization of nucleation sites, (b) expression of urease and carbonic anhydrase


2.4.1 成核位点优化

成核位点，是指在矿化基质内形成矿化物的精确位置。在矿化基质的内部以及表面，存在很多呈现规则有序排列的基团。此类基团具备优先结合溶液中成矿离子的能力，进而促使成矿离子在相应位置富集，由此为矿物成核创造了可供生长的位点。近年来，众多研究人员采用人工干预手段，致力于增加成核位点的数量，以此来提升矿化效率。由于微生物细胞表面富含多糖、蛋白质、脂质等生物大分子，并且这些成分能够与金属离子发生相互作用形成成核位点。因此研究人员开始探索了与矿化相关的多糖、多肽以及磷酸根和羧基小分子等对于原位矿化的增强作用。Wang等[97]研究表明，采用阴离子增强矿化结合酶诱导矿化，可以显著提升生物分子诱导成核位点的数量和矿物质的含量，从而开发了一种高效阴离子增强酶促原位矿化的3D打印颅骨再生修复支架。Wang等[98]在甲基丙烯酰化明胶(GelMA)/葡聚糖(Dextran)为基底的生物墨水中添加少于0.1%的磷酸化纤维素纳米纤维(pCNF)作为多功能添加剂，以提高其稳定性及生物相容性。其表面的磷酸根也可以在GelMA网络中提供成核位点来促进水凝胶矿化，并诱导成骨分化。此外，Delgado等[99]通过比较添加不同的有机物质来诱导矿化发现，添加不同的有机物质诱导矿化的效果也是不同的。因此可以考虑通过基因工程手段调节微生物细胞表面的生物大分子组成，来优化成核位点的结构和功能，提高矿化效率。例如，通过增加细胞表面多糖链的长度和负电荷密度，可以增强其对金属离子的吸附能力，促进矿物的形成。此外，环境介质中的有机质、微生物代谢产物等也能作为成核位点。通过调节环境介质的组成和性质，如pH值、温度等，来控制成核位点的活性和稳定性，从而调控矿化过程。

通过化学或生物方法，人工在成核位点上引入特定的官能团或结构，可赋予其特定的矿化功能。例如，在成核位点上引入羟基、羧基、氨基等官能团，可以增强其对金属离子的吸附和络合能力，促进矿物的形成和稳定[100]。这些官能团还能与矿物晶体发生化学键合，提高矿化产物的结构稳定性和性能；利用纳米技术，在成核位点上构建纳米颗粒、纳米线等纳米结构，可以增大其与金属离子的接触面积，提高吸附效率[100]。同时，纳米结构还能作为矿物晶体的生长模板，调控矿物的形貌和晶型。目前已经有相关研究发现，人为控制成核位点可以用于开发新型防腐涂层。即借助喷墨打印技术等先进手段控制成核点位置。通过优化化学气相沉积(CVD)过程中的工艺参数，实现二维原子氮化硼等新型防腐涂层在金属衬底上的可控生长，从而提高涂层的防腐性能和使用寿命[101]。

2.4.2 生物矿化的环境参数

pH值、温度、离子浓度与种类、以及氧化还原电位是影响生物矿化的主要环境参数[102,103]。其中，pH值是影响微生物生长代谢和矿化过程的关键因素。在微生物诱导矿化过程中，适宜的pH值范围能够增强微生物的活性，促进矿化产物的形成。具体而言，某些微生物(如尿素分解菌)在碱性条件下会表现出更高的脲酶活性，从而加速碳酸盐的沉淀。Ahmadijokani等[87]指出，pH值能显著影响金属阳离子和细菌细胞壁的官能团。当pH较低时，会阻碍金属阳离子的沉淀，并发生电子排斥。并且相关研究也表明当pH为5~8时，蜡样芽孢杆菌(Bacillus cereus CD01)[104]和枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis FZUL-33)[105]的生物矿化效率最佳。通过调节培养液的pH值，可以优化矿化产物的结构和性能，如提高碳酸钙的结晶度和纯度，增强其对金属表面的保护效果；温度作为影响微生物酶活性以及代谢速率的关键因素，对微生物相关生理活动及矿化产物生成有着重要作用。在处于适宜的温度区间时，微生物的代谢活动能够得到显著增强，进而为矿化产物的生成创造有利条件。Maity等[106]指出生物矿化的最佳温度在20~35 ℃之间。过高的温度可能导致微生物失活，而过低的温度则可能抑制微生物的生长和代谢。因此，通过调节温度，可以人为地促进或抑制微生物诱导矿化过程，从而实现对腐蚀的有效控制。矿化环境中离子的浓度和种类对矿化产物的类型和结构具有显著影响，例如，钙离子和镁离子是形成碳酸盐矿物的主要阳离子，其浓度直接影响矿化产物的生成速率和纯度。而金属离子的沉淀效率随金属离子浓度的增加而增加。蜡样芽孢杆菌(Bacillus cereus D2)可以通过生物矿化作用形成金属沉淀，但当金属浓度超过100 mg/L时，可能会对细菌活性产生影响[107]。此外，不同种类的阴离子(如HCO3-、SO42-等)也会影响矿化产物的类型，通过调节培养液中离子的浓度和种类，可以优化矿化产物的结构和性能，使其更适合作为腐蚀防护层。再有，氧化还原电位反映了溶液中氧化剂和还原剂的相对浓度，对微生物的生长代谢和矿化过程具有重要影响。在微生物诱导矿化过程中，当氧化还原电位位于-200 mV至+200 mV之间时，可以促进微生物的生长和代谢活动，从而加速矿化产物的生成[108]。然而，过高的氧化还原电位可能导致微生物失活或抑制其生长，而过低的氧化还原电位则可能影响矿化产物的类型和结构。因此，通过调节氧化还原电位，可以人为地调控微生物诱导矿化过程，实现对腐蚀的有效防护。

2.4.3 脲酶、碳酸酐酶的表达

微生物可以分泌碱性蛋白酶、生物蛋白酶和碳酸酐酶，进而影响环境中的pH值，促进离子的沉降[109]。脲酶是一种能够催化尿素水解生成氨和CO2的酶。在微生物诱导矿化过程中，脲酶分解尿素产生的氨会导致局部pH值升高，进而促进碳酸盐的沉淀。此外，氨还可以作为碱源，与溶液中的CO2反应生成HCO3-，为碳酸盐矿物的形成提供必要的阴离子。碳酸酐酶则催化CO2和水反应生成HCO3-和质子，这一反应在碳酸盐矿物的形成过程中起着关键作用。通过加速CO2的溶解和HCO3-的生成，碳酸酐酶促进了碳酸盐矿物的快速沉淀。因此，我们可以考虑控制微生物中这两种酶的表达，间接地实现对金属腐蚀的抑制。

通过基因工程技术，可以将脲酶和碳酸酐酶的基因克隆到合适的表达载体中，并在目标微生物中实现高效表达[110]。这种方法可以显著提高微生物产生这两种酶的能力，从而加速碳酸盐矿物的沉淀过程。或通过优化矿化条件(如离子浓度、温度、pH等)来进一步提高矿化效率。例如，增加Ca2+和HCO3-的浓度可以促进碳酸盐矿物的形成；适宜的温度和pH则有利于微生物的生长和代谢活动。因此，通过调控脲酶和碳酸酐酶的表达，可以为防止油气管道、船舶、桥梁等金属结构的腐蚀提供思路。

2.4.4 3D打印技术的引入

由于微生物所处环境的复杂多变，可能会导致微生物的矿化能力下降甚至消失[111]。因此对微生物采取一定的保护措施，维持其矿化优势也是十分有必要的。水凝胶包埋微生物可以有效地保护矿化优势菌株。这种方法不仅能够提升细菌对外界污染物的抵抗力，还可以降低细菌对环境的敏感性[112]。然而，微生物矿化是一个多方面的过程，在复杂的腐蚀环境中可能需要多种微生物的协同作用。为了满足不同微生物实现矿化所需的不同营养和氧化还原电位等条件，必须发展多维固定化技术[113]。3D生物打印技术的逐渐崛起为解决上述问题提供了新的可能性。

3D打印技术能够实现生物矿化活体材料的精确设计与制造[114]。研究人员可以根据不同的需求，利用计算机辅助设计(CAD)软件设计出具有特定结构和功能的三维模型。通过3D打印技术，可以精确地控制支架的内部结构，使其孔隙率和孔径大小满足微生物的生长和增殖需求，同时为生物矿化提供良好的模板。这种精确的设计和制造能力，使得3D打印技术能够定制出高度个性化的生物矿化材料，更好地满足不同环境条件下的腐蚀防护。此外，3D打印技术能够协同多种适合诱导生物矿化的材料共同促进生物矿化[115]。常见的生物矿化材料包括羟基磷灰石、磷酸三钙等无机材料，以及胶原蛋白、壳聚糖等有机材料[116]。将这些材料按照不同的比例和方式与矿化细菌进行组合，通过3D打印可以制备出具有强生物矿化能力的活体材料。例如，将羟基磷灰石与胶原蛋白复合，利用3D打印技术制备出的支架既具有良好的生物相容性和一定的力学强度，又能够有效地促进生物矿化。因此，3D打印技术作为一种具有创新性的制造技术，为诱导生物矿化带来了前所未有的机遇。通过精确的设计与制造和多样化的材料选择，3D打印技术能够有效地促进生物矿化的发生，为腐蚀防护等领域的发展提供了强有力的支持。

3 思考与展望

目前微生物矿化抑制腐蚀被认为是一种环境友好的方法。然而，尽管这种方法有一定的潜力，但也存在着一些局限性和挑战。

(1) 微生物矿化抑制腐蚀的效果可能受到外部条件的限制。首先，微生物在不同的温度、pH值和盐度条件下会表现出不同的生长和代谢特性，这可能导致微生物矿化的效果在不同环境中变化[117]。文献[118]报道了当pH接近4时，在室温下可以使得Cu、Ni和Zn等金属的沉淀速率提升至94%。同样，Chen等[119]研究表明较高的钙盐浓度也可以促进尿素分解菌的矿化，从而生成CaCO3沉淀。而在10~20 ℃范围内，随着温度的提升，微生物诱导CaCO3沉淀的效率也会随着外部环境的碱度和盐度的缺乏而降低[120~122]。因此，不同的环境参数共同作用也可能会对微生物矿化产生促进或抑制作用，需要我们进行更多的实验和研究，以确定微生物矿化抑制腐蚀的最佳条件。其次，一类微生物在不同金属的腐蚀中发挥的作用大不相同。某些微生物菌株对特定金属的抑制效果可能更好，而对其他金属的效果则较差[123]。因此，要探究清楚不同种类的微生物矿化在抑制腐蚀方面的作用还需要很大的努力。另外，微生物矿化抑制腐蚀的过程可能受到金属表面特性的影响。金属表面的粗糙度、化学成分以及表面覆盖物等因素可能影响微生物在金属表面的附着和生长情况，从而影响微生物抑制腐蚀的效果[124]。具体地，粗糙的金属表面能为微生物提供更多的附着点，有利于生物膜的形成，从而增强矿化抑制腐蚀的效果。但若粗糙度过高，可能导致局部腐蚀加剧。而化学活性高的金属表面(如Fe、Al)易与环境中的氧气和水反应，形成的化合物可能成为微生物附着的基质，从而影响矿化过程。此外，金属表面覆盖的涂层或氧化层的厚度也会影响微生物附着和矿化。致密的氧化层可提供保护，疏松的氧化层则可能成为腐蚀的起点。因此，需要综合考虑金属表面特性与微生物抑制腐蚀的相互作用。最后，微生物抑制腐蚀也可能引起一些难以控制的问题。在实际应用中，一些微生物可能会对环境产生负面影响，例如产生有害的代谢产物或者引起生物污染[125,126]。因此，需要进行充分的风险评估，确保微生物抑制腐蚀方法的安全性和可持续性。而未来还需要大量的研究和实践来克服这些挑战，改进微生物矿化抑制腐蚀的方法，以实现更有效、环保和可持续的腐蚀控制手段。

(2) 微生物的基因编辑技术对生物矿化的影响。基因编辑技术能够通过改变微生物群落中的特定基因来调控其代谢行为，控制一些特殊酶类物质的表达。例如，我们可以通过编辑微生物的基因来提高其对特定金属的耐受性，从而减轻腐蚀[127]。并且通过编辑微生物的特定基因，可以调控其在基体中的生长活性和矿化能力，进而减少腐蚀的风险。这些应用为我们提供了新的思路。它可以在不影响整个微生物群落稳定性的前提下，实现对特定微生物的调控，从而达到抑制腐蚀的目的。因此用基因改造后的活体微生物抑制腐蚀受到了广大学者的关注。基因工程改造后的强矿化菌株应用于腐蚀防护的方法不仅对生态友好，而且维护成本低。但是，矿化层在生长过程中可能会存在从基体表面脱落的风险，从而影响抑制腐蚀效果。而矿化层与金属表面的稳固结合是实现微生物防腐的必要条件。因此开发具有强结合能力的矿化工程生物膜是腐蚀防护的关键。

(3) 生物矿化与腐蚀防护涂层协同作用。矿化微生物能够作为生物催化剂，促进无机元素的沉积和生长，从而形成耐腐蚀的生物矿化层[128]。此外，一些微生物也能分泌具有抑制腐蚀作用的物质，如多糖、蛋白质等，进一步提升腐蚀防护效果。而且氧化物、碳酸盐、磷酸盐等无机元素在腐蚀防护涂层中扮演着关键角色。微生物的代谢可以导致这些无机元素的合成与沉积，形成致密、均匀的涂层结构，从而有效阻隔金属材料与环境中的腐蚀介质接触，延长材料的使用寿命。目前，以微生物与无机元素为基础，构建功能化的腐蚀防护涂层已经能够实现智能腐蚀保护、自修复、抗菌等多种功能[129]。例如，微生物的代谢产物可在涂层表面形成生物被膜，具有良好的抗菌作用。它主要通过降低表面微生物的滋生来防止微生物诱发的微生物腐蚀。此外，微生物可以促进难溶盐、沉淀等物质的形成，从而增加涂层表面的密度、硬度和附着强度来提高腐蚀防护性能。因此微生物与无机元素协同构建的功能化腐蚀防护涂层有望在航空航天、海洋工程、化工设备等领域得到广泛应用[130]。例如，通过合理筛选微生物菌株和无机元素成分，可以构建高效抑制盐雾腐蚀的防护涂层，应用于海水介质中金属结构的腐蚀防护。在化工设备领域，通过微生物种类的选择和表面处理，能够构建出耐腐蚀、抗高温的功能性涂层。尽管微生物与无机元素协同构建功能化腐蚀防护涂层具有巨大潜力，但在实际应用中仍面临一些挑战。例如，微生物的生长环境、生物代谢途径等因素对涂层性能有着重要影响。我们需要对微生物的表面活性、附着机制等进行深入研究。此外，涂层的抗老化、抗风化等性能亦需要进一步完善。随着对微生物及功能化涂层的深入研究，相信这一领域将为腐蚀防护提供更多新思路和解决方案。微生物与无机元素协同构建功能化的腐蚀防护涂层必将在未来发挥重要作用，为金属材料的腐蚀提供全新的防护策略。

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