從蛋白質(zhì)、多糖角度理解EPS對金屬腐蝕的影響

李泓雨，許萍

(北京建筑大學(xué) 水環(huán)境國家級實(shí)驗教學(xué)示范中心 城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，北京 100044)

胞外聚合物(extracellular polymeric substances，EPS)是微生物分泌在細(xì)胞壁外用于自我保護(hù)和相互黏附的高分子多聚化合物[1]。胞外聚合物中蛋白質(zhì)和多糖是決定微生物表面特性的關(guān)鍵物質(zhì)，約占有機(jī)物總量的70%～80%[2]。目前，人們就EPS對金屬腐蝕的影響進(jìn)行了大量研究，但從蛋白質(zhì)、多糖角度出發(fā)的研究相對較少，筆者綜述了EPS及EPS中蛋白質(zhì)、多糖特性；EPS對金屬腐蝕的影響；蛋白質(zhì)、多糖對腐蝕的影響途徑及作用，旨在為今后的相關(guān)研究和應(yīng)用提供參考。

1 EPS及EPS中蛋白質(zhì)、多糖特性

EPS一般分為兩類，EPS緊密層(tightly bound EPS，TB-EPS)和EPS松散層(loosely bound EPS，LB-EPS)。TB-EPS位于內(nèi)層，易于提取；LB-EPS位于TB-EPS的外層，結(jié)構(gòu)松散，具有流變的性質(zhì)[3]。LB EPS包含更多的多糖，TB EPS含有更多的蛋白質(zhì)。LB EPS具有的緩蝕作用較強(qiáng)，而TB EPS的緩蝕作用較弱[4]。

EPS因蛋白質(zhì)和多糖中含有許多帶有負(fù)電荷的官能團(tuán)，COOH、—NH2、磷酸基團(tuán)等基團(tuán)使其本身呈負(fù)電，這些基團(tuán)能夠給出或接受電子，從而可以使EPS具有吸附性和絡(luò)合性[5]，使EPS可以和金屬表面相互作用形成致密的保護(hù)層減緩金屬腐蝕[6-7]。

微生物種類不同，EPS的成分和性能也會不同。習(xí)偉進(jìn)[8]研究發(fā)現(xiàn)羅伊氏乳桿菌(L.reuteri)EPS、熒光假單胞菌(P.fluorescens)EPS、大腸桿菌(E.coli)EPS中多糖蛋白質(zhì)含量不同，其中P.fluorescens的EPS的蛋白質(zhì)含量最高，L.reuteri的EPS的多糖含量最高。且不同微生物EPS所含官能團(tuán)數(shù)量也不同，是那種微生物EPS中所含羧基數(shù)量從多到少依次為L.reuteri、P.fluorescens、E.coli。EPS中多糖與蛋白質(zhì)的比例決定著細(xì)胞的表面電荷，有研究顯示細(xì)胞表面電荷與EPS中多糖與蛋白質(zhì)的比例呈正相關(guān)[9]。因此多糖/蛋白質(zhì)和官能團(tuán)數(shù)量的差異影響了EPS的性能，EPS的多糖/蛋白質(zhì)越大，所帶的負(fù)電荷量越多，靜電吸附作用越強(qiáng)，且羧基會直接或間接的影響EPS對金屬離子的吸附能力，因此L.reuteri的EPS對Cu2+/Zn2+的吸附能最強(qiáng)。

2 EPS防腐蝕機(jī)理

傳統(tǒng)研究認(rèn)為，EPS會促進(jìn)金屬的腐蝕。Beech等[2]研究了不同類型EPS對金屬腐蝕的影響，發(fā)現(xiàn)EPS的分泌使得金屬腐蝕速率加快。但隨著深入的研究，有些研究人員發(fā)現(xiàn)，有些微生物的EPS可以抑制腐蝕。Dong[10]利用陽離子交換樹脂法從海洋產(chǎn)鈉弧菌中分離出胞外聚合物質(zhì)，發(fā)現(xiàn)EPS能在海水中碳鋼表面形成保護(hù)膜，延緩溶解氧的擴(kuò)散，降低金屬的腐蝕速率。EPS作為一種新型的綠色防腐蝕涂料在腐蝕的研究方面具有積極地意義。

3 蛋白質(zhì)多糖對腐蝕的影響途徑及作用

見表1，蛋白質(zhì)對金屬的腐蝕的影響主要通過穩(wěn)定的吸附在金屬表面改變界面性質(zhì)，改變界面性質(zhì)主要通過三個途徑。首先，被吸附的蛋白質(zhì)層在電解質(zhì)和金屬表面之間形成一個屏障，這可能會減少腐蝕性離子和溶解氧的運(yùn)輸；其次，蛋白質(zhì)可以通過物理阻滯陰極位點(diǎn)來抑制陰極半反應(yīng)，與具有侵略性的離子競爭，優(yōu)先吸附在金屬表面阻隔電子的轉(zhuǎn)移增加極化作用來抑制金屬降解；第三，蛋白質(zhì)可以吸附在金屬表面改變其親疏水性，抑制細(xì)菌在金屬表面的附著。

表1 蛋白質(zhì)、多糖對腐蝕的影響途徑及作用Table 1 The protein,polysaccharide on the corrosion of the way and the effect

多糖因其含有氨基(—NH2)、羥基(—OH)和乙酰基(—COCH3)等極性官能團(tuán)，能有效地吸附在金屬表面形成鈍化保護(hù)層阻隔腐蝕性離子對金屬的侵襲，并且多糖形成的保護(hù)層較蛋白質(zhì)更加致密；其次，多糖中C、N、O原子可以為金屬的空軌道提供電子形成穩(wěn)定的配合物，抑制陰陽兩極的腐蝕反應(yīng)；除此之外，有研究發(fā)現(xiàn)多糖可通過促進(jìn)細(xì)菌表面附著和營養(yǎng)誘捕等生存策略，促進(jìn)生物膜的形成和發(fā)育保護(hù)金屬免受腐蝕。

3.1 形成膜屏障

機(jī)械阻隔作用的的效果取決于金屬和蛋白質(zhì)的結(jié)合效果。因為蛋白質(zhì)的吸附也可能會導(dǎo)致表面氧缺乏或吸引質(zhì)子，使得表面氧化物的鈍化程度降低，而表面氧化物的質(zhì)子化會增強(qiáng)腐蝕。蛋白質(zhì)直接螯合金屬離子和氧化物形成的金屬蛋白復(fù)合物可弱化機(jī)械阻隔作用，提高金屬的溶解速率。Wang[23]的研究發(fā)現(xiàn)，在腐蝕前期，快速吸附的白蛋白起到了有效的屏障作用，導(dǎo)致初始階段金屬溶解速度慢得多，隨著浸泡時間的增加，由于螯合效應(yīng)對鈍化層的去除有更大的加速作用，腐蝕速率更快。但在金屬氧化物中，蛋白質(zhì)與金屬原子的結(jié)合強(qiáng)烈依賴于表面氧化物的性質(zhì)，只有當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)-金屬鍵比金屬-氧化物或金屬-氫氧鍵強(qiáng)或這些鍵被削弱時才會發(fā)生。

然而金屬-蛋白質(zhì)復(fù)合物對金屬-氧化物鍵的削弱通常是一個非常緩慢的過程，因此在許多情況下，蛋白質(zhì)與金屬的結(jié)合取決于其他因素的存在[24-25]，如蛋白質(zhì)類型、金屬成分和表面氧化物成分等。Johnson等[26]證明血清蛋白對鎂降解的抑制或促進(jìn)作用取決于蛋白質(zhì)的類型和鎂表面的性質(zhì)。他們的研究表明，蛋白質(zhì)螯合金屬離子和氧化物可以提高鎂合金的降解率。雖然牛血清白蛋白(BSA)帶負(fù)電荷與帶正電荷的Mg表面之間有很強(qiáng)的靜電相互作用，促使蛋白質(zhì)可以快速吸附在鎂表面[27]，但是Mg2+在腐蝕過程中與蛋白質(zhì)發(fā)生螯合作用形成Mg-蛋白質(zhì)復(fù)合物，減少了蛋白質(zhì)吸附的自由結(jié)合位點(diǎn)。

一般來說，大分子結(jié)構(gòu)中的活性吸附位越多，吸附作用就越強(qiáng)，在金屬表面形成的保護(hù)層越厚或者越致密，更易將金屬基底與外界腐蝕分子或離子隔離，緩蝕效果更好。Zhang等[28]對兩種新型殼聚糖衍生物對金屬腐蝕的影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)疏水芐基的存在增強(qiáng)了分子活性位點(diǎn)上的電子密度和Q235鋼表面的覆蓋，使其具有更高的抑制作用。在粘附方面，多糖、蛋白質(zhì)和脂類對疏水(低表面能)基質(zhì)有親和力，而酸性和中性多糖更喜歡粘附親水(高表面能)材料[29]。

3.2 增強(qiáng)極化作用

蛋白質(zhì)被認(rèn)為通過物理阻滯陰極位點(diǎn)來抑制陰極半反應(yīng)。帶負(fù)電荷的蛋白質(zhì)更強(qiáng)地吸引到降解金屬的陰極位置上，并通過與具有侵略性的離子(例如Cl-)競爭吸附來抑制降解[30]，氨基酸作為組成蛋白質(zhì)的基本單位，曲濟(jì)方等[31]選取由豆類水解的氨基酸為研究對象，對氨基酸的緩蝕作用進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)氨基酸主要通過抑制陰極反應(yīng)起到減緩腐蝕速率的作用，并且隨著酸浸液濃度的增大抑制作用會更加明顯。這主要是由于當(dāng)酸濃度增加時，有機(jī)胺與H+結(jié)合，基團(tuán)帶正電荷部分因靜電作用被吸附在金屬表面的局部陰極區(qū)，從而抑制了H+接近金屬表面。

多糖可以通過增強(qiáng)極化作用對金屬的腐蝕產(chǎn)生影響。多糖中的C、N原子和羥基中的氧原子能很好地與金屬結(jié)合吸附到金屬的表面，抑制陰陽兩極的降解速率。并且對金屬腐蝕的抑制效率有可能與C、N、O元素含量有關(guān)，C、N、O元素含量越高，抑制效率越高[33]。多糖大多可抑制陰陽兩極的腐蝕反應(yīng)[14]。Banerjee等[33]測試了一種天然多糖緩蝕劑對低碳鋼腐蝕抑制影響，發(fā)現(xiàn)這種多聚糖能夠在低碳鋼表面生成一層高聚膜，這層膜可以有效抑制低碳鋼的陰極反應(yīng)過程，并發(fā)現(xiàn)其在0.5 mol/L H2SO4、100 mg/L濃度下對低碳鋼的緩蝕效果為96.6%，在72 h內(nèi)，緩蝕效率與緩蝕劑濃度和浸泡時長成正比。

極化作用的強(qiáng)度還取決于蛋白質(zhì)類型。含纖維蛋白原溶液對陰極電流的抑制作用與牛血清蛋白相比較低，可能是由于被吸附的纖維蛋白原分子在表面的結(jié)構(gòu)更為開放或有序程度較低，這是由于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的差異造成的。纖維蛋白原是一種具有長開放結(jié)構(gòu)的纖維分子，更容易破碎，而牛血清白蛋白具有橢圓形致密球形結(jié)構(gòu)，包裝良好，在吸附過程中有一定程度的抗變性。因此，BSA可以比纖維蛋白原形成更有效地阻斷反應(yīng)位點(diǎn)[38]。

3.3 改變微生物特性

蛋白質(zhì)通過改變材料的表面性質(zhì)如表面親水性/疏水性來控制生物分子的吸附抑制微生物的粘附，而不是影響了細(xì)菌的生存，從而減緩了金屬的腐蝕。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)吸附在材料表面，由于負(fù)電荷蛋白和細(xì)菌之間的排斥作用，對細(xì)菌粘附起排斥作用，限制或避免了細(xì)菌粘附[39]。He等[40]對白蛋白在熱噴涂鋁涂層上的吸附行為進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)白蛋白可以有效吸附在熱噴涂鋁涂層上，吸附白蛋白的潤濕性改變樣品的疏水性水分子與高度親水性的表面一起產(chǎn)生水化層。這就給大腸桿菌的粘附帶來了困難，因為細(xì)菌必須克服一定的能量障礙才能突破水化層[41]，從而抑制了大腸桿菌的粘附，減緩了金屬的腐蝕。此外，當(dāng)細(xì)菌與材料表面的距離小于3 nm時，化學(xué)鍵、離子和偶極子作用、疏水作用等短距離作用可能是決定細(xì)菌粘附的主要因素。生物大分子對細(xì)菌粘附的影響特別依賴于生物大分子本身的特性。如纖維連接蛋白可以促進(jìn)細(xì)菌[42]的粘附，而明膠和胃蛋白酶可以抑制細(xì)菌[43]的粘附。其機(jī)理尚不明確，還需要實(shí)驗證明。

生物分子的吸附是生物膜形成的第一步，有研究發(fā)現(xiàn)多糖可通過促進(jìn)細(xì)菌表面附著和營養(yǎng)誘捕等生存策略，促進(jìn)生物膜的形成和發(fā)育保護(hù)金屬免受腐蝕。Ignatova-Ivanova等[44]研究發(fā)現(xiàn)，多糖不僅會產(chǎn)生金屬-多糖復(fù)合物參與金屬表面保護(hù)膜的形成，而且10%的蔗糖、10%的乳糖或10%的麥芽糖可以促進(jìn)微生物生物膜的形成，從而抑制鋼的腐蝕，但在金屬表面的生物聚合物層需要一段時間才能形成完整的保護(hù)層。目前關(guān)于這方面的研究還相對較少。

4 結(jié)語

EPS因蛋白質(zhì)和多糖中因含有未配對電子元素和極性基團(tuán)，使得EPS可以與金屬離子和腐蝕性產(chǎn)物相互作用吸附在金屬表面對腐蝕產(chǎn)生影響。蛋白質(zhì)多糖因含有未配對電子元素和極性基團(tuán)而具有吸附性能，吸附性能的存在對金屬腐蝕過程具有至關(guān)重要的作用。蛋白質(zhì)和多糖可以吸附在金屬表面與金屬離子相互作用，形成保護(hù)層阻隔腐蝕性離子和溶解氧的遷移，抑制腐蝕的極化反應(yīng)，亦可通過改變金屬材料表面特性抑制細(xì)菌附著影響腐蝕進(jìn)程。

EPS作為一種新型綠色防腐蝕材料，學(xué)者對其防腐蝕機(jī)理做了眾多研究，雖未形成完善的體系，但有了一定深度的了解。近年來，學(xué)者開始從其組分出發(fā)研究其防腐蝕機(jī)理，但大多從蛋白質(zhì)多糖角度出發(fā)。EPS組成成分復(fù)雜，如DNA含量是衡量EPS提取過程中細(xì)胞破損程度的重要指標(biāo)。其余組分是否對腐蝕產(chǎn)生的影響又是如何影響的值得探究。EPS的培養(yǎng)提取與分析方法對蛋白質(zhì)和多糖含量也有較大的影響。盡管國內(nèi)外很多學(xué)者對EPS組分和分析方法進(jìn)行了很多研究，但是仍缺乏規(guī)范的提取方法與準(zhǔn)確性較高測試方法。未來應(yīng)將操作與分析方法規(guī)范化，有具體的衡量標(biāo)準(zhǔn)。