海洋环境蕴含丰富资源及潜在价值，是未来的经济与军事发展的重要基础，目前海洋资源的开发与利用已进入快速发展阶段。然而，海洋严酷环境中的各种金属使役材料普遍遭受不同程度的腐蚀破坏，对海洋环境及经济效益产生巨大的影响。海洋腐蚀不仅带来了显著的经济损失，还对人类生命安全和海洋生态环境构成了威胁^[1,2]，与微生物相关的腐蚀失效和材料的破坏已占海洋材料总失效的20%^[3]。深海严酷的环境对于服役金属材料的蚀损机制研究一直是我国材料研究的空白。在深海环境中，腐蚀引起的装备结构破坏或材料失效中，约70%~80%的问题源于深海微生物腐蚀(MIC)^[4]。深海微生物腐蚀是指由于微生物附着于材料表面(包括金属和非金属)并通过其生命活动引发或加速材料腐蚀与损坏的腐蚀现象^[5]。目前，国内外针对2205双相不锈钢在天然海水中的腐蚀行为及其机理的研究报道主要集中在500 m以下的海洋环境^[6]。

Gerald等^[7]研究表明海洋环境中的赤杆菌属细菌显著影响2205双相不锈钢的腐蚀行为，初期生物膜为基体提供了一定的保护作用，但因为稳定性较差，后期生物膜加剧材料的局部腐蚀。Liu等^[8]研究表明，铜绿假单胞菌能在2205双相不锈钢表面分泌可溶性铬化合物CrO₃，使生物膜下的钝化膜发生溶解，显著降低2205双相不锈钢的耐腐蚀性，这种分泌物如绿脓菌素(PYO)可加速2205双相不锈钢与铜绿假单胞菌间的电子转移，催化Cr氧化形成易溶于水的CrO₃，加剧局部腐蚀^[8,9]。2205双相不锈钢是一种广泛应用于海洋环境工程及设备中的材料。由于其具有奥氏体和铁素体不锈钢的混合微观组织，2205双相不锈钢兼具高强度、优异的耐腐蚀性和良好的焊接性能，成为海洋环境中抵御腐蚀并承受高机械应力的理想选择。然而，MIC可能会对其性能产生显著影响，导致局部腐蚀失效和材料损坏。

众多学者在微观层面对海洋环境中金属材料的微生物腐蚀问题展开了深入研究，提出了多种理论模型以阐释微生物与金属材料之间的腐蚀机制，并取得了一定进展。然而，在深海环境中，尤其是热液区周边的微生物群落，与浅海及近海环境中的微生物存在显著差异。深海环境中的微生物腐蚀机制研究明显不足，开展针对深海环境中的微生物对金属使役材料的腐蚀研究具有重要意义。本研究中所用耐压海乳杆菌(M. piezotolerans)是从南太平洋环流区洋底沉积物中分离提纯的，M. piezotolerans可能具有独特的代谢途径和酶系统，这些特性可能影响其对2205双相不锈钢的腐蚀行为。探究耐压海乳杆菌如何影响材料的腐蚀过程，从而为开发新的防腐蚀策略提供理论依据。

实验选用的材料为2205双相不锈钢，采购自江苏三义金属材料有限公司，材料化学成分(质量分数，%)为：C < 0.03、Si 0.52、N 0.16、P 0.03、Mn 1.18、S 0.005、Cr 22、Ni 4.5、Mo 2.5、Fe余量。

浸泡试样的尺寸为10 mm × 10 mm × 4 mm，在一侧边缘中间钻ϕ3 mm的圆孔，用于挂样。电化学测量工作电极的样品用导电胶布与铜线连接一个1 cm²的工作面，其余接合面均用环氧树脂密封。所有样品表面用碳化硅逐级研磨至800目，依次用蒸馏水和无水乙醇超声清洗(约15 min)，吹风机吹干后放置在真空干燥箱中备用。实验前，样品和电极均经紫外线消毒30 min。

实验所用的M. piezotolerans属于好氧菌，保存于自然资源部第三海洋研究所，菌株保藏编号为MCCC 1K02010。所用培养基为2216 E培养基，其成分为每升去离子水中添加：蛋白胨5.0 g、酵母提取物1.0 g、柠檬酸铁0.1 g、NaCl 19.45 g、MgCl₂ 5.98 g、Na₂SO₄ 3.24 g、CaCl₂ 1.8 g、KCl 0.55 g、Na₂CO₃ 0.16 g、KBr 0.08 g、SrCl₂ 0.034 g、H₃BO₃ 0.022 g、Na₂SiO₃·9H₂O 0.004 g、NaF 0.0024 g、NaNO₃ 0.0016 g、Na₂HPO₄ 0.008 g，用1 mol/L的NaOH调节溶液pH值至7.2，并在高压蒸汽灭菌锅内121 ℃灭菌20 min。

为了观察细菌对2205不锈钢腐蚀行为的影响，分别进行了7和14 d的全浸实验，每项测试设置3个平行样。实验开始前用分析天平对样品进行称重，浸泡结束后去除样品表面的腐蚀产物，采取GB/T 16545-2015，每升去离子水中加入500 mL盐酸(HCl，ρ = 1.19 g/mL)，5 g 1,3-Dibutyl-2-thiourea，然后用无水乙醇冲洗，冷风吹干。对去除表面腐蚀产物的试样进行称量，计算2205双相不锈钢在两种环境中的腐蚀速率，然后用CLSM观察样品局部腐蚀情况。失重计算公式如下式所示：

其中，CR为腐蚀速率(mm·a^-1)，M和M₁分别为试样的初始和清除腐蚀产物后的质量(g)，A为试样的表面积(cm²)，t为腐蚀实验时间(h)，ρ为金属材料的密度(kg·m^-3)。

试样用2.5%的戊二醛溶液处理30 min，固定试样表面的生物膜，并用40%、60%、80%、90%、100%的乙醇溶液对试样进行逐级脱水10 min后放真空干燥箱对试样进行冷冻干燥。采用CARL ZEISS Crossbeam 350型聚焦离子束扫描电子显微镜(SEM)观察试样表面的微观形貌。配置SYTO 9和PI (Invitrogen)工作液对试样表面生物膜内活死细菌进行染色，室温黑暗中孵育15 min，用无菌磷酸盐缓冲液漂洗3次，立即用CARL ZEISS LSM 900型高分辨激光共聚焦显微镜(CLSM)检测试样表面生物膜内活死细菌的分布与活性。利用磷酸盐缓冲液清洗试样后进行冷冻干燥，采用AXIS SUPRA+型X射线光电子能谱仪(XPS)对浸泡14 d后的腐蚀产物进行成分分析。

电化学测试在VersaSCAN型微区扫描电化学工作站上进行，采用三电极系统，测试试样2205双相不锈钢为工作电极，铂电极为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，测试软件为VersaStudio。采用开路电位、电化学阻抗谱和极化曲线对试样在有菌及无菌介质中的腐蚀行为进行分析。具体参数如下：开路电位稳定后再进行其他测试，稳定范围在10 min内波动幅度在5 mV。EIS测试在自腐蚀电位下进行，施加10 mV的正弦波，测试频率范围为10⁵~10^-2 Hz。测试时间为1、3、5、7、10、12和14 d。测试极化曲线时扫描速率为5 mV/s，测试时间为14 d。

采用活死菌染色法观察M. piezotolerans体系中2205双相不锈钢表面的细菌附着情况。图1是试样在M. piezotolerans菌培养液中浸泡7和14 d后的原位形成的生物膜，图1a，b表示2205不锈钢在有菌介质中培养7 d后，表面附着大量活性细菌(绿色)，因此CLSM影像显示样品表面覆盖一层绿色，同时样品表面会有极少量死亡细菌(红色)的附着。图1e，f表示浸泡14 d的试样表面附着的细菌数量明显高于7 d，且细菌在试样表面出现的团聚现象比7 d更为明显。由于在浸泡实验期间，对有菌浸泡介质会进行半定量换液，所以活菌数量并无明显增加或减少。由图1d，h可看出，随着时间的延长生物膜的厚度明显增加，2205不锈钢表面生物膜厚度由140 μm增加至210 μm，细菌也呈现出聚集性的分布特征。生物膜由分散的细菌群体逐步转变为连续吸附的状态，这一过程在本质上是基于相邻细菌之间复杂的相互协同机制所驱动的，在生物膜形成的初期阶段，细菌个体以相对独立的形式存在于特定的环境介质之中，然而，随着时间推移以及环境条件改变，细菌通过互相附着与附着于物体表面的方式形成生物膜^[10,11]。

通过SEM观察2205双相不锈钢在M. piezotolerans体系中浸泡7和14 d后的腐蚀形貌，同时设立无菌对照组进行比较。由图2可见，在无菌介质中，随着浸泡时间的延长，试样表面逐渐形成瘤状腐蚀产物，这些腐蚀产物随时间增多并变得更加致密。致密的腐蚀产物膜一定程度上阻碍了离子的传递，从而对2205不锈钢的进一步腐蚀起到了抑制作用。在M. piezotolerans有菌介质中，浸泡过程中试样表面的细菌及腐蚀产物逐渐增多，形成了一层具有三维结构的腐蚀产物膜^[12]。M. piezotolerans以菌落和生物膜的形式分布在不锈钢表面，导致基体表面的电化学性质不均匀，为局部腐蚀的发生和发展提供了有利条件。由图3可见，在无菌介质中，2205不锈钢表面几乎未观察到深度较大的腐蚀坑。而在M. piezotolerans有菌介质中，浸泡7 d后，试样表面开始出现点蚀坑，点蚀坑深度约1 μm；浸泡14 d后，点蚀坑深度显著增加至约1.5 μm。有研究指出微生物可以在不锈钢表面快速生长并形成生物膜，加速Fe的阳极溶解过程，从而导致严重的局部腐蚀^[13,14]，本研究得出结论在M. piezotolerans介质环境下，双相2205不锈钢的局部腐蚀加剧。

对2205双相不锈钢在无菌溶液和M. piezotolerans菌培养液中浸泡14 d后的试样表面的腐蚀产物层进行XPS分析。XPS测试结果利用Avantage软件中的原子光谱数据库及其他分析软件，对所测元素的氧化物峰进行分峰与拟合处理，结合能校准使用C 1s(284.8 eV)作为参考标准。2205双相不锈钢在无菌溶液和M. piezotolerans菌溶液中浸泡14 d后全谱图如图4所示，相关元素含量如表1所示。通过对表面钝化膜成分分析可知，形成钝化膜中的主要成分是Cr氧化物、Fe氧化物以及氢氧化物。从表中可以看到，试样在含耐压海乳杆菌溶液中浸泡14 d后的表面腐蚀产物层中C和O的含量高于无菌对照组的含量，这可能是由于耐压海乳杆菌在样品表面覆盖了一层生物膜，而耐压海乳杆菌作为一种生命体，其细胞结构中富含蛋白质和其他有机化合物^[15,16]。M. piezotolerans通过分泌胞外聚合物(EPS)，包括多糖、蛋白质、脂质及核酸等物质，在试样表面构建了一层三维结构的生物膜^[17,18]，与无菌对照组相比，含菌溶液的微生物代谢活动显著增强了腐蚀产物层的复杂性和有机化特征。研究指出，微生物细胞分泌EPS以附着在材料表面，特别是金属表面，这种附着导致微生物牢固地黏附在金属表面，引起金属溶解和腐蚀^[19~21]。除C、O含量外，含耐压海乳杆菌溶液中浸泡的试样Cr的含量也比无菌对照组的含量高，2205双相不锈钢在无菌溶液和M. piezotolerans菌培养液中浸泡的Cr 2p精细谱如图5所示。Cr 2p_3/2的结合能特征谱峰位可以分成金属态Cr₀ (573.7 ± 0.2 eV)、Cr₂O₃ (574.5 ± 0.2 eV)与 Cr(OH)₃ (575.4 ± 0.2 eV)三种峰组成，如图5a所示，在无菌溶液中，由于显著的水化反应^[22]，Cr(OH)₃含量较高，而Cr₂O₃的含量较少。Fe 2p_3/2结合能的特征谱峰主要由4个峰组成，分别对应于金属态Fe₀ (706.4 ± 0.2 eV)、Fe₃O₄ (707.5 ± 0.2 eV)、FeO (709.5 ± 0.1 eV)和FeOOH (713.1 ± 0.3 eV)。在形成的钝化膜中，Fe主要以Fe²⁺和Fe³⁺的化合物形式存在。其中，较低结合能的峰主要由Fe²⁺的FeO构成，而较高结合能的峰则以Fe₃O₄和FeOOH中的Fe³⁺化合物为主^[23]。从图5b可以看到，Fe³⁺的相对峰位强度要高于Fe²⁺，和含M. piezotolerans菌的结果相比，Fe³⁺的相对峰位强度在下降，而Fe²⁺的相对峰强度在增强，这表明M. piezotolerans钝化膜中的主要物质由Fe³⁺转变为Fe²⁺，可能与细菌代谢活动过程分泌物改变金属氧化物的稳定性有关，M. piezotolerans吸附Fe³⁺并将Fe³⁺还原为Fe²⁺。

图6为2205双相不锈钢在无菌对照和M. piezotolerans菌培养液内浸泡14 d的极化曲线。由图可见，在0.5 V (阳极方向)和-0.5 V (阴极方向)两个电位下，对照组和M. piezotolerans菌培养液内浸泡的电流密度存在明显差异：在0.5 V阳极电位下，对照组(黑色曲线)的电流密度明显高于M. piezotolerans红色曲线。这表明在相同阳极电位下，对照组的金属氧化和溶解速率较快，而M. piezotolerans菌组的腐蚀速率较低。可能的原因是M. piezotolerans菌在金属表面形成了一层生物膜^[10]，减缓了金属的溶解过程，从而降低了阳极电流密度。在-0.5 V阴极电位下，M. piezotolerans菌培养液内浸泡的样品表现出更大的阴极电流密度，相较于对照组。这表明在该电位下，M. piezotolerans菌组的阴极反应(如氧还原或氢析出)更为活跃。可能的原因是微生物的代谢活动改变了表面电化学环境，例如产生代谢产物(如胞外聚合物或酸性物质)，进而加速阴极过程^[24]。在阳极区域(0.5 V)，M. piezotolerans菌组的腐蚀速率较低，表明微生物可能通过形成生物膜起到一定的保护作用。在阴极区域(-0.5 V)，M. piezotolerans菌组的阴极反应增强，可能加速了局部腐蚀，如点蚀的发生。因此，虽然微生物可能在某些条件下提供保护作用，但其影响是复杂的，可能导致局部腐蚀加剧。

图7为2205双相不锈钢分别在灭菌溶液和含M. piezotolerans菌溶液中浸泡14 d内的Nyquist图。电化学阻抗谱可以反映不同时间试样表面腐蚀产物的变化情况。EIS测试数据采用ZsimpWin软件进行拟合，拟合图如图7所示。其中，R_s代表溶液电阻，R_f反映试样表面钝化膜或生物膜的电阻，R_ct为电荷转移电阻。拟合参数列于表2。由表可见，在无菌环境下，2205 DSS的R_ct在24 h内由4.790 × 10⁵ Ω·cm²急剧下降至4.324 × 10⁴ Ω·cm²，随后腐蚀速率显著降低，并在7 d时进一步降至2.463×10⁴ Ω·cm²。相比之下，在含M. piezotolerans菌的环境中，2205 DSS的R_ct在3 d内从2.681 × 10⁵ Ω·cm²迅速降至3.248 × 10⁴ Ω·cm²，随后腐蚀速率有所减缓，7 d时达到1.715 × 10⁴ Ω·cm²。综合EIS结果可知，2205 DSS 在实验初期腐蚀速率迅速上升，随后趋于缓和，但整体腐蚀过程仍在持续进行，尤其在含M. piezotolerans菌的环境下，腐蚀加剧趋势更加明显。灭菌体系中(图7a)和含M. piezotolerans菌体系相比，总体阻抗弧半径均大于含菌体系半径，说明含菌体系较灭菌体系总体腐蚀的更快，且含M. piezotolerans菌体系中阻抗弧半径呈减小趋势，腐蚀速率加快。这表明M. piezotolerans菌的生命活动会对钝化膜的完整性造成更为严重的破坏，这一过程使得样品的电阻值降低，进而导致腐蚀程度加剧。

本文选择了南太平洋环流区洋底沉积物中发现的非模式菌株耐压海乳杆菌(M. piezotolerans)这一好氧菌，研究了在28 ℃条件下它对2205双相不锈钢的腐蚀行为影响。结果表明，28 ℃环境下2205双相不锈钢在无菌培养基中表面生成一层腐蚀产物膜层，腐蚀过程主要表现为均匀腐蚀。而在M. piezotolerans菌培养液中试样表面生成的生物膜，可以在一定程度上抑制试样表面的腐蚀，但其不均匀生长及代谢产物的作用导致局部腐蚀加剧。当接种M. piezotolerans菌后，2205双相不锈钢的阻抗值显著降低，表明金属表面电荷转移阻力减少，腐蚀反应加速。这可能是由于生物膜的形成改变了电极表面的氧扩散过程，导致局部氧浓差电池效应增强。同时，微生物代谢过程中可能产生有机酸、EPS或其他代谢产物，这些物质可与金属表面相互作用，影响氧还原反应并破坏钝化膜的稳定性。此外，生物膜的非均匀性可能引起微区环境的pH变化，进一步促进局部腐蚀的发生。M. piezotolerans通过生物膜的形成、氧浓差电池的作用等加剧了2205双相不锈钢的局部腐蚀，最终导致更严重的点蚀现象。