随着海洋工程装备对轻量化的需求日益迫切，增材制造（AM）Al-Mg-Sc-Zr合金因其高比强度、优异的耐腐蚀性及近净成形能力而备受关注。然而，该合金在复杂海洋微生物环境中的微生物腐蚀（MIC）行为，尤其是在菌藻共生体系下的腐蚀机制，长期缺乏系统性研究。近日，Journal of Materials Science & Technology 在线发表的一项研究首次揭示了该合金在 Chlorella vulgaris（普通小球藻）与 Pseudomonas aeruginosa（铜绿假单胞菌）共生环境下的生物腐蚀机理，并从基因调控与代谢产物角度阐释了菌藻间的协同效应。

图1. (a) Al-Mg-Sc-Zr合金的开路电位（OCP）随时间变化曲线，以及合金在不同溶液体系中的Nyquist图：(b) F/2培养基、(c) 藻液、(d) LB-NO₃培养基、(e) 菌液、(f) 菌藻共生液；(g) Al-Mg-Sc-Zr合金极化电阻 （即 ）随时间变化曲线；(h) 图2(g)的局部放大图；(i) 用于电化学阻抗谱（EIS）拟合的等效电路模型。

研究背景与意义

传统Al-Mg合金在选择性激光熔化（SLM）成形过程中，易因凝固温度区间过宽导致热裂倾向加剧。引入Sc、Zr元素可显著细化晶粒、提升再结晶温度，从而改善力学性能。然而，有关该类合金在真实海水微生物环境中的腐蚀行为研究几近空白。此前工作多局限于3.5% NaCl溶液中的化学腐蚀评价，忽视了微生物膜形成的电化学-生物耦合效应。本研究首次将增材制造Al-Mg-Sc-Zr合金暴露于菌藻共存体系中，系统考察了其生物污损与MIC行为，为海洋工程选材与防护提供了关键理论支撑。

图2. Al-Mg-Sc-Zr合金在非生物与生物溶液中浸泡14天后的动电位极化曲线

实验设计与核心发现

研究团队设置五组对照体系：无菌F/2培养基、单一C. vulgaris藻液、单一P. aeruginosa菌液、LB-NO₃无菌培养基、以及菌藻共生液。通过电化学阻抗谱（EIS）、动电位极化、SEM/EDS、CLSM、TOF-SIMS以及RT-qPCR等手段，对腐蚀过程进行多维度表征。

1. 藻类生物膜的保护效应

在C. vulgaris存在下，合金表面形成致密的藻类生物膜，其胞外聚合物（EPS）中富含Mg、O、C、P等元素。TOF-SIMS深度剖析显示，该膜层有效阻隔了侵蚀性离子渗透。同时，藻类光合作用产生的高浓度O₂稳定了合金表面的Al₂O₃氧化膜。电化学数据表明，14天后极化电阻（Rₚ）持续上升，腐蚀电流密度（i_corr）较无菌对照组降低近一个数量级，点蚀几乎被完全抑制。

2. 细菌代谢产物对氧化膜的破坏

P. aeruginosa分泌的吩嗪类衍生物（如1-OH-PHZ、PYO）具有强氧化还原活性。在好氧条件下，氧化态PYO⁺可夺取Al基体电子，导致Al³⁺水解并引发局部酸化（pH可降至3.5~4.5），从而破坏Al₂O₃钝化膜。实验结果显示，细菌体系中Rₚ值显著低于无菌LB-NO₃对照组，点蚀深度与宽度分别增至3.1 μm和10.9 μm。

3. 菌藻共生体系中的基因调控与协同腐蚀

最令人瞩目的发现出现在菌藻共生组中。尽管藻类单独存在时具有明显缓蚀作用，但当P. aeruginosa加入后，藻类的保护效应被完全消除，合金表面出现大面积点蚀（平均宽度达40.4 μm）。RT-qPCR分析揭示其分子机制：

• phzS与phzM基因表达上调：共生环境中，细菌内部phzS表达量提升至对照组的3.2倍，phzM提升1.8倍，促进吩嗪类物质大量分泌，电子传递媒介效应显著增强。
• narG基因表达下调：该基因编码硝酸盐还原为亚硝酸盐的过程。其下调减少了NO₂⁻的积累，降低了亚硝酸盐对藻细胞的毒性，从而维持藻类活性并持续为细菌提供O₂与有机碳源。
• HEDP添加实验进一步证实，藻类分泌的特定有机物（如羟基乙叉二膦酸）对细菌基因表达具有调控作用，但不同有机物组分的影响存在差异。

CLSM成像显示，共生体系中合金表面活细菌覆盖率显著高于单一菌液组，而藻细胞附着量锐减。这表明细菌通过空间竞争与代谢产物抑制藻类定植，同时利用藻类光合产物加速自身增殖与腐蚀进程。

图3. 在(a) 菌液、(b) 藻液及(c) 菌藻共生溶液中，铝表面普通小球藻（红色）与铜绿假单胞菌（蓝色）细胞的荧光图像；以及铝表面在(a₁, a₂) 菌液、(b₁, b₂) 藻液及(c₁, c₂) 菌藻共生溶液中的活细胞（绿色）与死细胞（红色）荧光图像

微观结构对耐蚀性的贡献

EBSD分析表明，AM Al-Mg-Sc-Zr合金的晶粒尺寸远小于传统5083铝合金，晶界密度更高。细晶结构不仅为钝化膜形成提供了更多形核位点，还加速了膜层破损后的再钝化动力学过程。这一微观结构优势是该合金在无菌与含菌体系中均表现出优于传统铸造铝合金耐蚀性的重要原因。

图4. Al-Mg-Sc-Zr合金在菌藻共生溶液中可能的生物腐蚀机理示意图：过程i——细菌诱导的腐蚀过程；过程ii——藻类诱导的腐蚀抑制过程；过程iii——菌藻共生作用机制

结论与展望

该研究首次在分子水平上揭示了增材制造Al-Mg-Sc-Zr合金在菌藻共生环境中的MIC机理：

1. 单一藻类体系：通过形成致密生物膜与光合产氧稳定氧化膜，抑制腐蚀。
2. 单一细菌体系：吩嗪类代谢产物诱导局部酸化，破坏钝化膜并促进点蚀。
3. 菌藻共生体系：藻类上调细菌phzS/phzM基因表达，增强腐蚀性代谢产物分泌；细菌则抑制藻类附着并利用其光合产物加速生长，二者协同加剧局部腐蚀。
4. 细晶结构优势：AM工艺带来的高晶界密度提升了钝化膜稳定性与修复能力。

图5. 在藻液中，Al-Mg-Sc-Zr合金表面生物膜及腐蚀产物内各元素的(a) TOF-SIMS负离子三维图像，以及(b) 沿Z坐标方向的深度分布曲线