近日，材料科学与工程学院王福会团队徐大可教授等人在使用活体功能微生物被膜材料在金属腐蚀防护中取得重要进展，研究成果以“Engineered living biofilm with enhanced metal binding ability for corrosion protection in seawater”为题发表在Advanced Functional Materials上。论文第一作者为李中副教授，通讯作者为徐大可教授、生命科学与健康学院范永强教授。合作者包括澳大利亚Wollongong大学Guangming Jiang副教授和美国Ohio大学Tingyue Gu教授。
金属材料腐蚀失效导致的经济损失占到各国每年国民生产总值的3.5%左右。传统的腐蚀防护手段包括涂层、表面处理、耐蚀材料、缓蚀剂、电化学防护等。这些技术虽各具优势，但仍面临诸多固有的缺陷和不足，例如环境污染大、能耗高、维护成本高等。绿色、高效、廉价的腐蚀防护理念与技术是当今社会发展的迫切需求和美好愿景。活体微生物被膜应用于金属腐蚀防护具有成本低廉、绿色环保、适用范围广、遗传操作性强等诸多天然优势。近年来，通过对生物被膜表面修饰、信号通路调控、与无机材料组装等，研究人员开发出多种具有环境修复、医疗应用、生物催化、水下粘附等功能的活体生物被膜材料。相关研究为开发活体功能微生物应用于金属腐蚀防护提供了理论依据和技术支撑。
论文以大肠杆菌为底盘菌株，通过分子生物学技术对其基因组进行改造，增强其生物被膜形成能力，并通过合成生物学技术将源于铜绿假单胞菌的金属结合域（Metal binding domain）展示到活体大肠杆菌的淀粉样纤维蛋白表面，构建了具有强金属结合能力的工程化大肠杆菌生物被膜。工程化的活体微生物被膜提高了X70碳钢的耐腐蚀性能。在模拟海水中浸泡后，活体微生物被膜还在X70表面诱导形成了以方解石为主的矿化层，提供了稳定的腐蚀屏障。浸泡7天后，腐蚀电流密度从5.1±0.4 μA cm−2（裸露金属）降低到0.5±0.1 μA cm–2（矿化的生物被膜包裹），腐蚀抑制率为90.2%。此外，该活体工程生物被膜对于304不锈钢同样具有良好的防腐效果。上述结果表明工程生物膜对于金属腐蚀防护具有广泛的应用前景，合成生物学的应用为水环境金属腐蚀防护技术的发展提供了新的途径。
图 设计制备活体功能生物被膜在金属腐蚀防护中的应用
据悉，活体功能材料是将生物的生命行为赋予物质载体的一种新型功能材料，属于生物和材料科学交叉的研究领域，该研究方向在国内刚刚起步。融合材料科学与微生物学的技术手段，全局设计，实现了智能合成微生物被膜的特定功能与应用，具有重要现实意义。活体功能材料将作为东北大学电活性生物材料交叉研究中心的重要研究方向之一，围绕“四个面向”，做好学科方向发展布局。相关研究受国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目、面上项目、中央高校基本科研业务费项目等支持。
