近日，材料学院王福会教授团队徐大可教授课题组联合东北大学、美国马萨诸塞大学Derek R. Lovley院士团队合作完成的研究成果，以题为“Electroactive Microbes Short-Circuit the Passive Film to Corrode Stainless Steel”的论文形式发表于Science首本合作期刊Research（DOI: 10.34133/research.1185）。辽宁材料实验室助理研究员金宇婷（东北大学材料学院博士毕业生）与医工学院博士生程勤为共同第一作者，徐大可教授与Derek R. Lovley院士为共同通讯作者，东北大学为第一完成单位。
微生物腐蚀是导致全球经济损失最严重的生物过程之一，严重威胁基础设施、能源装备及工业设备的安全服役。不锈钢凭借其表面致密的钝化膜，能够有效隔绝腐蚀介质渗透并抑制界面电子迁移，是应用最为广泛的耐蚀金属材料之一。然而，电活性微生物能够突破这一防线，引发严重的局部腐蚀失效。传统观点认为，电活性微生物必须通过物理方式破坏或穿透钝化膜，才能直接接触金属基体并攫取电子。然而，该假设长期以来缺乏直接的实验证据。
针对上述科学难题，研究团队以胞外电子传递能力极强的模式菌株硫还原地杆菌为研究对象，综合运用高分辨透射电镜、飞行时间二次离子质谱、电化学测试等多种表征手段，从原子尺度到宏观尺度系统追踪了不锈钢钝化膜在腐蚀过程中的结构与化学演变。研究结果表明：在电活性微生物作用下，钝化膜外层的氧化铁虽发生局部改变，但起核心防护作用的内层氧化铬依然保持完整；与此同时，体系中并未检测到铁腐蚀的典型中间产物氢气，表明钝化膜的化学屏蔽功能并未失效。
基于以上发现，研究团队提出了一种针对不锈钢等钝性材料的微生物腐蚀全新机制：电活性微生物通过其外表面的电子传递蛋白，直接“接入”不锈钢界面，显著降低了电子穿越氧化铬层所需的活化能。微生物无需破坏物理屏障，即可通过“短路”机制从金属基体中直接获取电子以维持代谢，相当于把不锈钢转化为可持续供能的“电池”。这项研究首次揭示了电活性微生物在完整钝化膜存在下实现金属腐蚀的全新途径，证实了微生物与材料界面之间的电子交换具有超出以往认知的普遍性和高效性。该成果不仅为理解自然界的生物地球化学循环、设计新型生物电子系统提供了全新理论视角，也为开发耐微生物腐蚀新型合金、高性能防护涂层以及构建复杂服役环境下的精准腐蚀监测与管控技术奠定了坚实的理论基础，对于保障关键基础设施与能源设备长期安全服役具有重要意义。
微生物“短路”钝化膜机制示意图
图中展示了电活性微生物直接与不锈钢钝化膜界面发生电子交换的过程，其可在不破坏钝化膜物理结构的情况下，实现电子“短路”提取。
上述研究工作得到国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年科学基金C类以及辽宁省“兴辽英才”计划基金的资助。
