本研究提出了一种基于海洋微生物协同作用的原位生物矿化策略，用于在钢材表面构建多功能防护涂层。通过系统筛选与机理阐释，确立了高效矿化菌株的三项关键标准：快速形成致密生物膜、代谢产生碱性微环境，以及胞外聚合物（EPS）富含阴离子官能团作为矿化模板。基于此，本研究构建了一种由Pseudoalteromonas lipolytica I、P. lipolytica II和P. atlantica组成的协同菌群（LLA），成功诱导形成了厚度约22 μm、孔隙率低于2%的致密Mg-方解石多晶涂层。该涂层展现出优异的综合性能：1）卓越的防腐性能，腐蚀抑制效率高达95%以上，并通过了500小时中性盐雾与150小时酸性盐雾的严苛测试；2）显著的防结冰性能，利用纳米受限孔隙内的吉布斯-汤姆逊效应，使水滴结冰延迟时间延长至1100秒以上；3）主动自修复能力，代谢驱动的再矿化过程可自主修复涂层的物理与电化学损伤。本研究不仅为筛选和设计高效矿化微生物提供了清晰的理论框架，也为开发下一代绿色、智能、多功能的“活性”海洋防护涂层开辟了新途径。

一、研究背景与意义

• 海洋金属腐蚀问题：海洋环境中，金属材料（如船舶、平台、管道）面临海水腐蚀、微生物腐蚀、结冰等多重威胁，传统涂层技术存在环保性差、维护成本高、功能单一等问题。

• 生物矿化的潜力：自然界中，微生物可通过代谢活动诱导碳酸钙等矿物质沉积，形成稳定的“砖-泥”结构（biofilm-mineral hybrid），具备良好的屏障和自修复潜力。

• 现有研究的不足：缺乏系统筛选矿化微生物的标准，限制了其从实验室走向工程应用。

  

  图1 基于协同生物化学界面的多功能矿化涂层生物启发式构建示意图。海洋微生物在钢基底表面定殖形成生物膜，并分泌胞外多糖（EPS）。该多糖中的带负电荷官能团可螯合Ca²⁺和Mg²⁺离子。在代谢诱导的碱性微环境作用下，这种结构促进了异质成核现象，最终形成致密的微生物-碳酸盐复合层。这种独特的“砖石结构”最终形成兼具防腐蚀、防结冰及自修复功能的复合涂层。

二、主要研究内容与发现

1. 建立筛选矿化微生物的三大标准

作者通过对四种不同Pseudoalteromonas菌株的系统研究，提出了高效矿化菌株应具备的三个关键条件：

1. 快速形成致密生物膜，提供早期防腐；

2. 代谢产生碱性微环境，促进碳酸盐沉淀；

3. 胞外聚合物（EPS）富含负电荷官能团，作为矿化模板。

2. 单一菌株与协同菌群对比

• 四种菌株均能诱导形成Mg-方解石（Mg-calcite）薄膜，但薄膜厚度、晶体形态和保护效果差异显著。

• P. lipolytica I、P. lipolytica II 和 P. atlantica 形成的涂层更致密、保护效果更好；P. translucida 效果较差。

• 协同菌群（LLA联盟）由前三种菌株按1:1:1混合，表现出更强的矿化能力和涂层性能。

3. 多功能涂层的制备与性能

• 涂层结构：厚约22 µm，孔隙率 < 2%，致密、与基体结合牢固。

• 防腐性能：

  • 腐蚀速率降低 >95%；

  • 通过500小时中性盐雾和150小时酸性盐雾测试，评级优于裸钢。

• 防结冰性能：

  • 在-10°C下，水滴结冰延迟时间 >1100秒（裸钢仅约174秒）；

  • 机制为纳米孔道中的Gibbs-Thomson效应和热阻隔作用。

• 自修复能力：

  • 涂层受损后，微生物可再次诱导矿化，修复物理和电化学缺陷；

  • 电化学阻抗在7天内恢复至初始水平。

    

    图2 四种假交替单胞菌菌株介导的矿化膜结构与成分分析。（a，b）透射电镜横截面显微照片及对应能谱元素分布图（含点扫描分析）。(c) 表面电镜形貌与高倍放大视图（插图：矿化钢试样的宏观光学图像）。(d) 晶体相识别 XRD 图。标号1-4分别代表解脂假交替单胞菌I型、解脂假交替单胞菌II型、大西洋假交替单胞菌及透明假交替单胞菌。膜厚度数据以均值±标准差表示（n=3）。（其他重复实验数据参见图S1-S5）。

三、研究方法与技术手段

• 微生物培养与筛选：使用2216E培养基，系统评估菌株的生物膜形成能力、EPS成分、表面电荷等。

• 涂层表征：

  • SEM/EDS、XRD、TEM/SAED、FIB-SEM用于形貌、成分、晶体结构分析；

  • CLSM用于观察生物膜活性和EPS分布。

• 性能测试：

  • 电化学测试（EIS、极化曲线）；

  • 盐雾试验、硬度测试、孔隙率分析；

  • 接触角测量、结冰延迟观测；

  • 划痕修复实验与电化学监测。

    

    图5 EH36钢表面 LLA 诱导矿化涂层连续7天的形态演变。（a–g）扫描电镜表面形貌追踪涂层从稀疏成核到致密保护层的发育过程（n=3）。左上插图为光学显微照片展示宏观形变过程；右下插图为选定区域的放大扫描电镜/能谱成像。（h，i）扫描电镜横截面形貌证实垂直堆叠的致密矿化涂层形成（n=3）。图示为典型样本，更多重复实验数据见图S12-S22。

四、创新点与意义

• 首次提出系统筛选矿化微生物的三大标准，为后续研究和应用提供了科学依据。

• 构建协同微生物联盟（LLA），实现单一菌株无法达到的高性能涂层。

• 实现涂层的“三位一体”功能：防腐、防结冰、自修复，适用于复杂海洋环境。

• 绿色、可持续：利用海洋微生物资源，无需外源化学添加剂，符合环保要求。

五、应用前景

该技术可用于：

• 船舶、海洋平台、海底管道的防腐涂层；

• 极地航行船舶的防结冰涂层；

• 具有自修复功能的智能涂层系统；

• 其他需要多功能防护的金属结构。

  

  图7 LLA 诱导矿化涂层的多功能性能评估：耐腐蚀性、抗结冰能力及自修复行为。(a) 宏观耐腐蚀性评估。裸露EH36钢与涂层试样的光学对比：（a1）原始状态，（a2）中性盐雾测试500小时后，（a3）酸性盐雾测试150小时后。(b) 静态水滴冻结动力学原位观察：（b1）矿化涂层，（b2）裸露EH36钢（-10℃，60%相对湿度，n=4）。(c) 循环自修复性能评估。扫描电镜与光学显微镜显微照片（主图）、能谱分析图（右下插图）及划痕区域宏观照片（左上插图）分别展示：（c1，c2）第一自修复周期，（c3，c4）第二自修复周期（初始损伤与修复状态对比）。（c5，c7）分别通过光学显微镜获取第一、第二周期的定量深度分布图（初始深度 vs. 修复深度）。（n=3）。（c6）第一修复周期中涂层总电阻（Rf + Rct）随时间变化的函数恢复曲线。代表性图示；更多重复实验数据见图S23-S27。

六、总结

这篇论文通过系统筛选与协同设计，成功构建了一种由海洋微生物诱导的多功能碳酸钙矿化涂层，不仅具备优异的防腐、防结冰、自修复性能，还提出了可推广的微生物筛选标准，为“活体材料”在海洋工程中的应用提供了重要范例。