刘宏伟副教授课题组在海洋腐蚀研究领域取得新进展

海洋环境中金属材料的腐蚀有50%以上都有微生物的参与，微生物腐蚀是导致金属材料腐蚀失效的重要原因。铝合金材料广泛应用于海洋环境中，研究发现铝合金的真菌腐蚀是导致铝合金结构材料腐蚀失效的关键原因之一。近年来有关真菌腐蚀研究报道比较少，真菌腐蚀行为和机制研究仍然比较匮乏，尤其是真菌产生的胞外聚合物（extracellular polymeric substances，EPS）组分结构及其对腐蚀的影响还不清楚。在微生物腐蚀过程中微生物产生的EPS在金属腐蚀过程中发挥着重要作用，课题组前期研究了细菌EPS对金属腐蚀行为的影响。但是真菌代谢产生的EPS的组分结构以及其是如何影响金属腐蚀行为迫切需要深入研究，这对于认识真菌腐蚀机制具有重要的作用。基于此，刘宏伟副教授课题组在前期工作的研究基础上，与中山大学附属第五医院严志祥副研究员等人合作，系统性的对真菌EPS组分结构进行了解析，明确了EPS对高强铝合金的腐蚀行为和机制。

首次对EPS中的蛋白质组分结构进行了识别和分析，结果如图1所示，真菌A. terreus EPS中含约有60种可以识别的蛋白质，包含有大量的蛋白酶。其中的主要种类包括曲霉胃蛋白酶I、β-木聚糖酶、含VOC结构域的蛋白质、碱性蛋白酶I、含MFS结构域的蛋白质、羧肽酶、葡聚糖酶、核糖体蛋白L19、含FAD-结合-3结构域的蛋白质、含肽酶S53结构域的蛋白质、甘油醛-3-磷酸脱氢酶、糖苷酶等。

图1 真菌Aspergillus terreus分泌的EPS中的蛋白质种类

SEM分析结果表明（图2）在无EPS的测试介质中，铝合金表面几乎没有明显的腐蚀产物颗粒，腐蚀较为轻微。而在含有EPS的测试介质中，EPS浓度较低时，可以观察到较多的腐蚀产物，且腐蚀产物已聚集成团在金属表面附着。EPS浓度较高时，表面混有EPS的腐蚀产物膜较为均匀的覆盖在金属基底表面。而且，EDS检测到氯的出现，说明氯离子影响了金属腐蚀。通过极化曲线测试结果（图3）发现，与空白模拟海水中浸泡的试样相比，EPS的存在加速了阳极和阴极反应，表明EPS的存在加速了铝合金的腐蚀。随着环境中EPS浓度的增加，阳极和阴极反应逐渐受到抑制，导致腐蚀电流密度减小。而当EPS浓度过高时（400 mg/L），EPS对铝合金腐蚀加速效应减少，导致腐蚀电流密度减小。这说明，EPS浓度是影响铝合金腐蚀的重要因素。丝束电极测试结果（图4）表明在含有EPS的测试介质中铝合金局部腐蚀的主要原因是因为形成了大阳极小阳极，加速了铝合金局部腐蚀溶解。在研究结果的基础上，提出了铝合金在含有EPS腐蚀介质中局部腐蚀示意图，如图5所示。

图2 7075铝合金在不同EPS浓度的测试体系中浸泡72小时后的SEM图和EDS分析：（a、b、c）空白；（d，e，f）8 mg/L EPS；（g、h、i）80 mg/L EPS和（j、k、L）400 mg/L EPS

图3 7075铝合金在不同EPS浓度的测试体系中浸泡72小时后的动电位极化曲线

图4 7075铝合金在模拟海水的测试72小时后的WBE表面的电流密度变化图：（a）空白；（b）80 mg/L EPS

图5 铝合金在含有EPS腐蚀介质中局部腐蚀示意图：（a）和（b）低浓度EPS，（c）和（d）高浓度EPS

相关成果发表在材料腐蚀领域顶级期刊Corrosion Science（Jiaqi He, Yu Tan, Haixian Liu, Zhengyu Jin, Yuxuan Zhang, Feixiang He, Zhixiang Yan, Hongfang Liu, Guozhe Meng, Hongwei Liu*. Extracellular polymeric substances secreted by marine fungus Aspergillus terreus: Full characterization and detailed effects on aluminum alloy corrosion. Corrosion Science, 2022, 209: 110703.），该论文也是2022年课题组发表在Corrosion Science第二篇论文。中山大学化学工程与技术学院为第一通讯单位，硕士研究生何嘉淇和谭余副教授为论文共同第一作者，刘宏伟副教授为论文通讯作者，本研究得到广东省自然科学基金面上项目（2019A1515011135）、中山大学中央高校基本科研业务费专项资金（19lgzd18和22qntd0801）以及国家自然科学基金青年基金（51901253）等项目资助。该论文相关研究成果同时得到了学院和同行们的大力支持。