NSR | 细菌如何击穿钛的“金钟罩”？

钛及钛合金凭借轻质、高强和优异的耐腐蚀性，在深海探测、航空航天、核能工程及人体植入物等尖端领域扮演着关键角色。这一切“超能力”的源头，都归功于其表面那层仅几纳米厚的二氧化钛（TiO₂）钝化膜。这层膜如同武侠小说中的“金钟罩”，既隔绝外界腐蚀，又因几乎不导电而阻断电子传递，长久以来被视为钛的“不败之身”。

然而，一个谜题始终悬而未决：既然这层“金钟罩”不导电，海洋中的微生物究竟如何“攻破”它？

最新研究终于揭开了这场“电子攻防战”的奥秘：微生物并不直接攻击钛本身，而是通过电子传递使这层“金钟罩”逐渐失去保护能力。

研究人员聚焦于一种海洋中常见的电活性细菌——海藻希瓦氏菌（Shewanella algae）。当它在钛表面安家落户、形成生物膜后，会大量消耗周边的氧气，人为制造出一个“局部的厌氧孤岛”。更重要的是，这种缺氧环境阻断了钝化膜的自修复能力（即再钝化过程），使得“金钟罩”一旦受损便无法自动愈合。在这个微环境中，真正致命的“武器”既不是酸，也不是氯离子，而是细菌分泌的一种天然“电子快递员”——黄素（flavin）。黄素将电子精准投递到二氧化钛钝化膜上，将稳定的TiO₂逐步还原为低价态的钛氧化物。这导致钝化膜不断减薄、缺陷激增，最终“金钟罩”形同虚设，下方的钛基体直接暴露于腐蚀威胁之中。

图1 海藻希瓦氏菌诱导钛钝化膜还原与失稳。海藻希瓦氏菌在钛表面形成生物膜，消耗氧气形成局部厌氧微环境，并导致钝化膜减薄、TiO₂含量降低，最终削弱其耐腐蚀性能。

图2. 海藻希瓦氏菌通过电子传递破坏钛钝化膜示意图

这一发现颠覆了“钛合金在海洋环境中几乎不会被腐蚀”的传统认知。过去，人们普遍认为微生物主要通过分泌有机酸、硫化物等腐蚀性代谢产物，间接改变材料表面的化学环境；而该研究明确指出，微生物自身的胞外电子传递过程能够直接改变钛钝化膜的电子结构，从根本上削弱其耐腐蚀性。换言之，微生物不仅能够“改变环境”，还能够“改变材料”。

面向海洋强国建设、高端装备制造和生物医用材料等重大战略需求，提升先进材料长期服役的可靠性与安全性具有深远意义。这项研究不仅深化了我们对微生物腐蚀机制的理解，也为设计新一代耐微生物腐蚀的钛合金提供了全新的理论依据。

研究论文

https://doi.org/10.1093/nsr/nwag426