Метагеномное понимание питательных и гипоксических микробных сообществ на границе раздела макрообрастаний и стали, приводящих к серьезному MIC

npj Деградация материалов, том 7, номер статьи: 41 (2023 г.) Цитировать эту статью

204 доступа

Подробности о метриках

Прилипшее макрообрастание в морской среде вызвало сложную коррозию стальных поверхностей, что привело к локальной коррозии на границе раздела устрица/сталь и равномерной коррозии на границе раздела асцидий/сталь. Сульфатвосстанавливающие бактерии (SRB) участвуют в процессе микробиологической коррозии (MIC) на границах раздела, покрытых макрообрастаниями. Чтобы лучше понять роль морских биопленок как ключевых медиаторов в процессе MIC, метагеномные методы были использованы для изучения микробных сообществ и их реакции на макрообрастание. По сравнению с асцидиями образовавшаяся локальная анаэробная зона на границе раздела устрица/сталь стимулировала рост SRB, что приводило к более высокому содержанию FeS и сильной локализованной коррозии. Было обнаружено, что SRB Desulfovibrio и Desulfobulbus, а также связанный с SRB функциональный ген dsr увеличиваются, в то время как гены связанных с кислородом функций coxC, ccoN, ccoO, ccoP и ccoQ уменьшаются. Напротив, стальные поверхности без покрытия макрообрастаниями имели самые богатые микробные сообщества, но при этом испытывали менее серьезные MIC, что позволяет предположить отсутствие прямой связи между обилием/разнообразием микробов и стимулированием коррозии стали.

Морские организмы-обрастанцы — это общий термин, обозначающий животных, растения и микроорганизмы, прикрепленные к поверхности морских объектов. В зависимости от размера тела их подразделяют на организмы-микрообрастающие (микронные размеры) и макрообрастающие организмы (сантиметровые размеры)1,2,3. Организмы-обрастанцы могут отрицательно повлиять на морскую инфраструктуру, такую ​​как корабли, мосты, нефтяные платформы и трубопроводы3,4,5,6. В настоящее время существует два основных направления исследований взаимосвязи между биообрастанием и морской коррозией металлов.

Сначала изучите влияние микроорганизмов на морскую коррозию металлов. Считается, что микроорганизмы вносят значительный вклад в процесс ржавления металла. Микроорганизмы, образующие биопленки, могут быстро колонизировать металлические поверхности, образуя очень сложную динамическую трехмерную (3D) структуру, которая может ускорять или ингибировать MIC7,8. В настоящее время исследования морских агрессивных микроорганизмов в основном сосредоточены на культивируемых в лаборатории бактериях для изучения влияния смешанных или одиночных колоний на коррозию металлов в смоделированных полевых условиях или в контролируемых экспериментальных условиях9,10,11. В значительном количестве статей исследовалось влияние сульфатредуцирующих бактерий (SRB)12,13,14,15, нитратредуцирующих бактерий (NRB)16,17,18, кислотообразующих бактерий (APB)19 и железобактерий. (IB)20,21 о коррозии металлов в морской среде. В бескислородных условиях SRB обычно считаются основными виновниками MIC14, которые могут использовать сульфат в качестве концевого акцептора электронов для разложения органических соединений, что приводит к образованию коррозионных сульфидов12,13,14,15. Гу и др.22,23 классифицировали анаэробные атаки МИК на два разных типа: МПК с внеклеточным переносом электронов (EET-MIC), вызванные дыханием микробов, и МИК метаболитов (M-MIC), вызванные секрецией агрессивных метаболитов. В последнее время исследования механизма MIC становятся все более углубленными. Чжоу и др.24 обнаружили, что Shewanella oneidensis MR-1, привлекательный модельный микроб, может напрямую поглощать электроны железосодержащих металлов в аэробных условиях. Результаты показывают, что коррозия может происходить посредством прямого переноса электронов между металлом и микробом. Анаэробная коррозия с помощью флавинов или H2 в качестве переносчиков электронов, а также прямое поглощение электронов из Fe0 были предложены в качестве потенциальных механизмов коррозии S. oneidensis и родственных видов25,26,27,28. Тан и др.28 обнаружили, что коррозия нержавеющей стали происходит за счет прямого переноса электронов от железа к микробам с помощью Geobacterulferreducens и Geobactermetallireducens, которые являются электротрофами, которые, как известно, напрямую принимают электроны от других микробов или электродов. Было подтверждено, что другая репрезентативная морская электроактивная бактерия, Pseudomonas aeruginosa, широко распространенная бактерия, способная образовывать биопленки в морской среде обитания, вызывает тяжелые MIC на углеродистой стали посредством внеклеточного переноса электронов (EET)29,30,31. Чжоу и др.31 обнаружили, что биокоррозия нержавеющей стали в морской воде ускоряется за счет внеклеточного переноса электронов, кодирующего ген phzH Pseudomonas aeruginosa. Однако, поскольку в окружающей среде насчитывается 105–106 видов микроорганизмов, изучение одного микроорганизма ограничено. Таким образом, анализ микробных сообществ в агрессивной морской среде также вносит значительный вклад в исследования морской MIC32,33. Технология высокопроизводительного секвенирования дает хорошую идею. Высокопроизводительное секвенирование, которое отличается от традиционного секвенирования по Сэнгеру (дидезокси), представляет собой метод, позволяющий одновременно секвенировать большое количество молекул нуклеиновых кислот34,35,36,37,38. Обычно одна реакция секвенирования может дать данные секвенирования объемом не менее 100 МБ. Прокопио и др.38 предположили, что в сочетании с данными секвенирования образцов окружающей среды такие методологии, как метагеномика, метатранскриптома и метаболомика, откроют новые горизонты в понимании роли агрессивных микробных биопленок. Появление высокопроизводительных методов секвенирования ДНК облегчило идентификацию видов микробов, которые прямо или косвенно участвуют в процессах коррозии сплавов38. Хуттунен-Сааривирта и др.35 выявили различия между марками нержавеющей стали в коррозионном поведении и склонности к биообрастанию в солоноватой морской воде с использованием высокопроизводительного секвенирования (HTP-секвенирование). Чжан и др.32 использовали высокопроизводительное секвенирование для исследования микробного сообщества в слое ржавчины на поверхности металла после 30 месяцев погружения в морскую воду. Они предположили, что каждый металлический сплав, включая углеродистую сталь, медный сплав и алюминиевый сплав, приведет к развитию отдельного микробного сообщества. Кроме того, во внутреннем, среднем и внешнем слоях ржавчины углеродистой стали образуются различные микробные сообщества, связанные с коррозией.