Благодарим ви, че посетихте Nature.com. Използвате версия на браузъра с ограничена поддръжка на CSS. За най-добро изживяване ви препоръчваме да използвате актуализиран браузър (или да деактивирате режима на съвместимост в Internet Explorer). Освен това, за да осигурим постоянна поддръжка, показваме сайта без стилове и JavaScript.
Показва карусел от три слайда едновременно. Използвайте бутоните „Предишна“ и „Следваща“, за да се придвижвате през три слайда едновременно, или използвайте плъзгачите в края, за да се придвижвате през три слайда едновременно.
В сладководна среда често се наблюдава ускорена корозия на въглеродни и неръждаеми стомани. Тук е проведено 22-месечно проучване за гмуркане в резервоари за сладка вода, използващо девет вида стомана. Ускорена корозия е наблюдавана при въглеродни и хромови стомани и чугун, докато при неръждаема стомана не е наблюдавана видима корозия дори след 22 месеца. Анализ на микробната общност показа, че по време на обща корозия, Fe(II)-окисляващи бактерии са обогатени в ранния етап на корозия, Fe(III)-редуциращи бактерии - на етапа на развитие на корозия, а сулфат-редуциращи бактерии - на етапа на корозия в крайния етап на корозия на продукта. Напротив, бактериите Beggiatocaea са особено многобройни в стомана с 9% Cr, подложена на локализирана корозия. Тези състави на микробните общности също се различават от тези във водата и пробите от дънни седименти. По този начин, с напредването на корозията, микробната общност претърпява драматични промени и желязо-зависимият микробен енергиен метаболизъм създава среда, която може да обогати други микроорганизми.
Металите могат да се влошат и корозират поради различни физични и химични фактори на околната среда, като pH, температура и концентрация на йони. Киселинните условия, високите температури и концентрациите на хлориди влияят особено върху корозията на металите1,2,3. Микроорганизмите в естествена и застроена среда често влияят върху износването и корозията на металите, поведение, изразяващо се в микробна корозия (МИК)4,5,6,7,8. МИК често се среща в среди като вътрешни тръби и резервоари за съхранение, в метални пукнатини и в почвата, където се появява внезапно и се развива бързо. Следователно, наблюдението и ранното откриване на МИК е много трудно, така че анализът на МИК обикновено се извършва след корозия. Съобщени са множество казуси на МИК, в които сулфат-редуциращи бактерии (СРБ) често са открити в продукти от корозия9,10,11,12,13. Въпреки това, остава неясно дали СРБ допринасят за започването на корозия, тъй като тяхното откриване се основава на посткорозионен анализ.
Наскоро, в допълнение към йод-окисляващите бактерии21, са докладвани различни желязо-разграждащи микроорганизми, като желязо-разграждащи SRB14, метаногени15,16,17, нитрат-редуциращи бактерии18, желязо-окисляващи бактерии19 и ацетогени20. При анаеробни или микроаеробни лабораторни условия повечето от тях корозират нулевалентно желязо и въглеродна стомана. Освен това, техните механизми на корозия предполагат, че желязо-корозивните метаногени и SRB насърчават корозията чрез събиране на електрони от нулевалентно желязо, използвайки съответно извънклетъчни хидрогенази и мултихемови цитохроми22,23. MIC се разделят на два вида: (i) химическа MIC (CMIC), която е индиректна корозия от микробно произведени видове, и (ii) електрическа MIC (EMIC), която е директна корозия чрез изчерпване на електроните на метала24. EMIC, улеснен от извънклетъчен електронен трансфер (EET), е от голям интерес, тъй като микроорганизмите със свойства на EET причиняват по-бърза корозия от микроорганизмите, които не са EET. Докато ограничаващият скоростта отговор на CMIC при анаеробни условия е производството на H2 чрез редукция на протони (H+), EMIC протича чрез EET метаболизъм, който е независим от производството на H2. Механизмът на EET в различни микроорганизми е свързан с производителността на микробното клетъчно гориво и електробиосинтезата25,26,27,28,29. Тъй като условията на култивиране на тези корозивни микроорганизми се различават от тези в естествената среда, не е ясно дали тези наблюдавани процеси на микробна корозия отразяват корозията на практика. Следователно е трудно да се наблюдава механизмът на MIC, индуциран от тези корозивни микроорганизми в естествена среда.
Развитието на технологията за ДНК секвениране улесни изучаването на детайлите на микробните съобщества в естествена и изкуствена среда, например, микробно профилиране, базирано на генната последователност 16S rRNA, използващо секвенатори от ново поколение, се използва в областта на микробната екология30,31,32. Публикувани са множество MIC проучвания, които описват подробно микробните съобщества в почвена и морска среда13,33,34,35,36. В допълнение към SRB, е съобщено и обогатяване с Fe(II)-окисляващи (FeOB) и нитрифициращи бактерии в проби от корозия, напр. FeOB, като Gallionella spp. и Dechloromonas spp., и нитрифициращи бактерии, като Nitrospira spp., във въглеродни и мед-съдържащи стомани в почвена среда33. По подобен начин, в морската среда, в продължение на няколко седмици върху въглеродна стомана се наблюдава бърза колонизация на желязо-окисляващи бактерии, принадлежащи към класовете Zetaproteobacteria и Betaproteobacteria36. Тези данни показват приноса на тези микроорганизми към корозията. Въпреки това, в много проучвания продължителността и експерименталните групи са ограничени и малко се знае за динамиката на микробните съобщества по време на корозия.
Тук изследваме минималните инхибиторни концентрации (МИК) на въглеродна стомана, хромирана стомана, неръждаема стомана и чугун, използвайки имeрсионни изследвания в аеробна сладководна среда с история на събития, свързани с МИК. Проби са взети на 1, 3, 6, 14 и 22 месеца и е изследвана скоростта на корозия на всеки метал и микробен компонент. Нашите резултати предоставят представа за дългосрочната динамика на микробните съобщества по време на корозия.
Както е показано в Таблица 1, в това проучване са използвани девет метала. Десет проби от всеки материал са потопени в басейн с прясна вода. Качеството на технологичната вода е следното: 30 ppm Cl-, 20 mS m-1, 20 ppm Ca2+, 20 ppm SiO2, мътност 1 ppm и pH 7.4. Концентрацията на разтворен кислород (DO) в долната част на стълбата за вземане на проби е приблизително 8.2 ppm, а температурата на водата варира от 9 до 23°C сезонно.
Както е показано на Фигура 1, след 1 месец потапяне в чугунени среди по ASTM A283, ASTM A109 Условие #4/5, ASTM A179 и ASTM A395, върху повърхността на въглеродната стомана са наблюдавани кафяви продукти от корозия под формата на генерализирана корозия. Загубата на тегло на тези образци се е увеличила с времето (Допълнителна Таблица 1), а скоростта на корозия е била 0,13–0,16 mm годишно (Фиг. 2). По подобен начин е наблюдавана обща корозия при стомани с ниско съдържание на Cr (1% и 2,25%) със скорост на корозия от около 0,13 mm/година (Фиг. 1 и 2). За разлика от това, стоманата с 9% Cr показва локализирана корозия, която се появява в пролуки, образувани от уплътнения. Скоростта на корозия на тази проба е около 0,02 mm/година, което е значително по-ниско от това на стоманата с обща корозия. За разлика от това, неръждаемите стомани тип 304 и 316 не показват видима корозия, с очаквани скорости на корозия <0,001 mm y−1. За разлика от това, неръждаемите стомани тип 304 и 316 не показват видима корозия, с очаквани скорости на ускорение <0,001 mm y−1. Напротив, нержавещите стали типове 304 и 316 не показват видима коррозия, при тази изчислена скорост на коррозия е <0,001 mm/год. За разлика от това, неръждаемите стомани тип 304 и 316 не показват видима корозия, с очаквана скорост на корозия <0,001 мм/год.相比之下，304 和-316 型不锈钢没有显示出可见的腐蚀,估计腐蚀速率<0,001 mm y−1.相比之下，304 和-316 型不锈钢没有显示出可见的腐蚀,估计腐蚀速率<0,001 mm y−1. Напротив, нержавещите стали тип 304 и -316 не показват видима коррозия с изчислена скорост на коррозия <0,001 mm/год. За разлика от това, неръждаемите стомани тип 304 и -316 не показаха видима корозия с проектна скорост на корозия <0,001 mm/год.
Показани са макроскопски изображения на всяка проба (височина 50 мм × ширина 20 мм) преди и след отстраняване на котления камък. 1 метър, 1 месец; 3 метра, 3 месеца; 6 метра, 6 месеца; 14 метра, 14 месеца; 22 метра, 22 месеца; S, ASTM A283; SP, ASTM A109, състояние 4/5; FC, ASTM A395; B, ASTM A179; 1C, стомана 1% Cr; 3C стомана, 2,25% Cr стомана; стомана 9C, стомана 9% Cr; S6, неръждаема стомана 316; S8, неръждаема стомана тип 304.
Скоростта на корозия беше изчислена, използвайки загуба на тегло и време на потапяне. S, ASTM A283, SP, ASTM A109, закалена 4/5, FC, ASTM A395, B, ASTM A179, 1C, стомана 1% Cr, 3 C, стомана 2.25% Cr, 9 C, стомана 9% Cr, S6, неръждаема стомана тип 316; S8, неръждаема стомана тип 304.
На фиг. 1 е показано също, че продуктите от корозия на въглеродна стомана, нискохромна стомана и чугун се развиват допълнително след потапяне в продължение на 3 месеца. Общата скорост на корозия постепенно намалява до 0,07 ~ 0,08 mm/година след 22 месеца (Фигура 2). Освен това, скоростта на корозия на 2,25% хромна стомана е малко по-ниска от други корозирали образци, което показва, че хромът може да инхибира корозията. В допълнение към общата корозия, съгласно ASTM A179, след 22 месеца е наблюдавана локализирана корозия с дълбочина на корозия около 700 µm (Фиг. 3). Локалната скорост на корозия, изчислена с помощта на дълбочината на корозия и времето на потапяне, е 0,38 mm/година, което е около 5 пъти по-бързо от общата корозия. Скоростта на корозия на сплав ASTM A395 може да бъде подценена, тъй като продуктите от корозия не премахват напълно котления камък след 14 или 22 месеца потапяне във вода. Разликата обаче би трябвало да е минимална. Освен това, в корозиралата нискохромна стомана са наблюдавани много малки вдлъбнатини.
Пълно изображение (мащаб: 10 mm) и локализирана корозия (мащаб: 500 µm) на стомана ASTM A179 и 9% Cr на максимална дълбочина, получена с помощта на 3D лазерен микроскоп. Червените кръгове в пълното изображение показват измерената локализирана корозия. Пълен изглед на стоманата 9% Cr от обратната страна е показан на Фигура 1.
Както е показано на фиг. 2, за стомана с 9% Cr не е наблюдавана корозия в рамките на 3-14 месеца и скоростта на корозия е практически нулева. Локализирана корозия обаче е наблюдавана след 22 месеца (Фигура 3) със скорост на корозия от 0,04 mm/год., изчислена чрез загуба на тегло. Максималната дълбочина на локализирана корозия е 1260 µm, а скоростта на локализирана корозия, оценена чрез дълбочината на корозия и времето на потапяне (22 месеца), е 0,68 mm/год. Тъй като точната точка, в която започва корозията, не е известна, скоростта на корозия може да е по-висока.
За разлика от това, не се наблюдава видима корозия върху неръждаема стомана дори след 22 месеца потапяне. Въпреки че преди отстраняването на котления камък на повърхността бяха наблюдавани няколко кафяви частици (фиг. 1), те бяха слабо прикрепени и не бяха продукти на корозия. Тъй като металът се появява отново върху повърхността на неръждаема стомана след отстраняването на котления камък, скоростта на корозия е практически нулева.
Извършено е ампликонно секвениране, за да се разберат разликите и динамиката на микробните съобщества във времето в продукти от корозия и биофилми върху метални повърхности, във вода и седименти. Получени са общо 4 160 012 прочитания, с диапазон от 31 328 до 124 183 прочитания.
Индексите на Шанън на водни проби, взети от водосборници и езера, варират от 5,47 до 7,45 (фиг. 4а). Тъй като рекултивираната речна вода се използва като промишлена вода, микробната общност може да се променя сезонно. За разлика от това, индексът на Шанън на пробите от дънни седименти е около 9, което е значително по-високо от това на водните проби. По подобен начин, водните проби имат по-ниски изчислени Chao1 индекси и наблюдавани оперативни таксономични единици (OTU) в сравнение с пробите от седименти (фиг. 4б, в). Тези разлики са статистически значими (тест на Tukey-Kramer; p-стойности < 0,01, фиг. 4d), което показва, че микробните съобщества в пробите от седименти са по-сложни от тези във водните проби. Тези разлики са статистически значими (тест на Tukey-Kramer; p-стойности ​​< 0,01, фиг. 4d), което показва, че микробните съобщества в пробите от седименти са по-сложни от тези във водните проби. Тези различия са статистически значими (критерий Тьюки-Крамера; стойности p <0,01, рис. 4d), което показва, че микробните общности в образците на долните отложения са по-сложни, отколкото в образците на водата. Тези разлики са статистически значими (тест на Tukey-Kramer; p стойности ​​<0,01, фиг. 4d), което показва, че микробните съобщества в пробите от седименти са по-сложни, отколкото във водните проби.这些差异具有统计学意义（Tukey-Kramer 检验；p 值< 0,01，图4d），表明沉积物样本中的微生物群落比水样中的微生物群落更复杂。这些 差异 具有 统计学 （tukey-kramer 检验 ； p 值 <0,01 ， 图 4d） 表明 沉积物样本 中 的 微生物中 中 的 群落更。。。。。。。。。 Тези разлики бяха статистически значими (критерий на Тьюки-Крамера; p-значение <0,01, рис. 4d), което позволява да се предположи, че микробните общности в образците на тези отложения са били по-сложни, отколкото в образците на вода. Тези разлики бяха статистически значими (тест на Tukey-Kramer; p-стойност <0,01, фиг. 4d), което предполага, че микробните съобщества в пробите от седименти са по-сложни, отколкото във водните проби.Тъй като водата в преливния басейн се обновява постоянно и утайките се утаяват на дъното на басейна без механични смущения, тази разлика в микробното разнообразие би трябвало да отразява екосистемата в басейна.
a Индекс на Шанън, b Наблюдавана оперативна таксономична единица (OTU) и c Индекс на поглъщане на Chao1 (n=6) и басейн (n=5) Вода, седименти (n=3), ASTM A283 (S: n=5), ASTM A109 Температура #4/5 (SP: n=5), ASTM A179 (B: n=5), ASTM A395 (FC: n=5), 1% (1 C: n=5), 2.25% (3 C: n = 5) и 9% (9 C: n = 5) Cr-стомани, както и неръждаеми стомани тип 316 (S6: n = 5) и -304 (S8: n = 5) са показани като диаграми с форма на кутия и нишки. d p-стойностите за индексите на Шанън и Chao1, получени чрез ANOVA и тестове за множествено сравнение на Tukey-Kramer. Червените фонове представляват двойки с p-стойности < 0,05. Червените фонове представляват двойки с p-стойности < 0,05. Червените фонове представляват двойки със стойности p <0,05. Червените фонове представляват двойки с p-стойности < 0,05.红色背景代表p 值< 0,05 的对.红色背景代表p 值< 0,05 的对. Червените фонове представляват двойки с p-значения <0,05. Червените фонове представляват двойки с p-стойности <0,05.Линията в средата на кутията, горната и долната част на кутията и мустаците представляват съответно медианата, 25-ия и 75-ия персентил, както и минималните и максималните стойности.
Индексите на Шанън за въглеродна стомана, нискохромна стомана и чугун бяха подобни на тези за водни проби (фиг. 4а). За разлика от това, индексите на Шанън на пробите от неръждаема стомана са значително по-високи от тези на корозиралите стомани (p-стойности < 0,05, фиг. 4d) и подобни на тези на седиментите. За разлика от това, индексите на Шанън на пробите от неръждаема стомана са значително по-високи от тези на корозиралите стомани (p-стойности < 0,05, фиг. 4d) и подобни на тези на седиментите. Напротив, индекси Шеннона образци от нержавеющей стали значително по-високи, отколкото в кородираните стали (значение p <0,05, рис. 4d), и аналогични индекси отложени. За разлика от това, индексите на Шанън на образците от неръждаема стомана са значително по-високи от тези на корозиралите стомани (p-стойности < 0,05, фиг. 4d) и са подобни на индексите на отлаганията.相比之下，不锈钢样品的香农指数明显高于腐蚀钢的香农指数（p 值< 0,05，图4d），与沉积物相似。相比之下，不锈钢样品的香农指数明显高于腐蚀钢的香农指数（p 值< 0,05，图4d），与沉积物〸 Напротив, индексът на Шеннона образци от нержавещата стали беше значително по-висок, отколкото в корродираните стали (значение p <0,05, рис. 4d), както и в отложените. За разлика от това, индексът на Шанън на образците от неръждаема стомана е значително по-висок от този на корозиралата стомана (p-стойност < 0,05, фиг. 4d), както и отлагането.За разлика от това, индексът на Шанън за стомани с 9% Cr варира от 6,95 до 9,65. Тези стойности са много по-високи в некорозирали образци на 1 и 3 месеца, отколкото в корозирали образци на 6, 14 и 22 месеца (фиг. 4а). Освен това, индексите Chao1 и наблюдаваните OTU на 9% Cr стомани са по-високи от тези на корозиралите и водните проби и по-ниски от тези на некорозиралите и седиментните проби (фиг. 4b, c), като разликите са статистически значими (p-стойности < 0,01, фиг. 4d). Освен това, индексите Chao1 и наблюдаваните OTU на 9% Cr стомани са по-високи от тези на корозиралите и водните проби и по-ниски от тези на некорозиралите и седиментните проби (фиг. 4b, c), като разликите са статистически значими (p-стойности < 0,01, фиг. 4d).Освен това, Chao1 и наблюдаваната OTU стойност на стоманите с 9% Cr са по-високи от тези на корозирали и водни проби и по-ниски от тези на некорозирали и седиментни проби (фиг. 4b, c), като разликите са статистически значими.(p-значения <0,01, рис. 4d). (p-стойности <0,01, фиг. 4d).此外，9% Cr 钢的Chao1 指数和观察到的OTU高于腐蚀样品和水样，低于未腐蚀样品和沉积物样品（图4b，c）,差异具有统计学意义）(p值< 0,01，图4d）.此外 ， 9% CR 钢 Chao1 指数 和 观察 的 的 rtu 高于 腐蚀 样品 水样 ， 低于 腐蚀 样品 和沉积物 （图 图 4b ， c） 差异 统计学 意义 （p 值 <0,01 图 图 图 图 图 图 图 图 ， ， ， ， ， ， ， ， 4г). Освен това, индексът Chao1 и наблюдаваните OTU са били със съдържание 9 % Cr бяха по-високи, отколкото в корродирани и водни образци, и по-ниски, отколкото в некорродирани и осадъчни образци (рис. 4b,c), а разницата беше статистически значима (p- значение < 0,01, рис. 4g). Освен това, индексът Chao1 и наблюдаваната OTU стойност на 9% Cr стомана бяха по-високи от тези на корозирали и водни проби и по-ниски от тези на некорозирали и седиментни проби (фиг. 4b,c), като разликата беше статистически значима (p-стойност < 0,01, фиг. 4d).Тези резултати показват, че микробното разнообразие в продуктите от корозия е по-ниско, отколкото в биофилмите върху некорозирали метали.
На фиг. 5а е показан график, получен от анализ на главни координати (PCoA), базиран на непретеглено разстояние по UniFrac за всички проби, с наблюдавани три основни клъстера. Микробните съобщества във водните проби се различаваха значително от другите съобщества. Микробните съобщества в седиментите включваха и съобщества от неръждаема стомана, докато в пробите с корозия те бяха широко разпространени. За разлика от това, картата на стоманата с 9% Cr е разделена на некорозирали и корозирали клъстери. Следователно, микробните съобщества върху металните повърхности и продуктите от корозия се различават значително от тези във водата.
Графика на главния координатен анализ (PCoA), базирана на непретеглени UniFrac разстояния във всички проби (a), вода (b) и метали (c). Кръговете маркират всеки клъстер. Траекториите са представени с линии, свързващи периодите на вземане на проби последователно. 1 метър, 1 месец; 3 метра, 3 месеца; 6 метра, 6 месеца; 14 метра, 14 месеца; 22 метра, 22 месеца; S, ASTM A283; SP, ASTM A109, условие 4/5; FC, ASTM A395; B, ASTM A179; 1C, стомана 1% Cr; 3C стомана, 2.25% Cr стомана; стомана 9C, стомана 9% Cr; S6, неръждаема стомана 316; S8, неръждаема стомана тип 304.
Когато са подредени в хронологичен ред, PCoA графиките на водните проби са в кръгово разположение (фиг. 5б). Този цикличен преход може да отразява сезонните промени.
Освен това, само два клъстера (корозирали и некорозирали) са наблюдавани върху PCoA графиките на метални проби, където (с изключение на 9% хромова стомана) е наблюдавана и промяна в микробната общност от 1 до 22 месеца (фиг. 5в). Освен това, тъй като преходите в корозиралите проби са по-големи, отколкото в некорозиралите проби, е установена корелация между промените в микробните общности и прогресията на корозията. В стоманени проби с 9% Cr са разкрити два вида микробни общности: точки на 1 и 6 месеца, разположени близо до неръждаема стомана, и други (3, 14 и 22 месеца), разположени в точки близо до корозирала стомана. 1 месец и пробите, използвани за екстракция на ДНК на 6 месеца, не са корозирали, докато пробите на 3, 14 и 22 месеца са корозирали (допълнителна фигура 1). Следователно, микробните общности в корозиралите проби се различават от тези във вода, седименти и некорозирали проби и се променят с напредването на корозията.
Основните видове микробни съобщества, наблюдавани във водни проби, са Proteobacteria (30,1–73,5%), Bacteroidetes (6,3–48,6%), Planctomycetota (0,4–19,6%) и Actinobacteria (0–17,7%), относителното им изобилие варира от проба до проба (фиг. 6), например относителното изобилие на Bacteroidetes във водата от езерото е по-високо, отколкото в абстрактната вода. Тази разлика може да бъде повлияна от времето на престой на водата в преливния резервоар. Тези видове са наблюдавани и в проби от дънни седименти, но относителното им изобилие се различава значително от това във водните проби. Освен това относителното съдържание на Acidobacteriota (8,7–13,0%), Chloroflexi (8,1–10,2%), Nitrospirota (4,2–4,4%) и Desulfobacterota (1,5–4,4%) е по-високо, отколкото във водните проби. Тъй като почти всички видове Desulfobacterota са SRB37, средата в седимента трябва да е анаеробна. Въпреки че Desulfobacterota евентуално влияят върху корозията, рискът би трябвало да е изключително нисък, тъй като относителното им разпространение във водата в басейна е <0,04%. Въпреки че Desulfobacterota евентуално влияят върху корозията, рискът би трябвало да е изключително нисък, тъй като относителното им разпространение във водата в басейна е <0,04%. Въпреки че Desulfobacterota, вероятно, влияят върху коррозията, рискът трябва да бъде изключително нисък, тъй като тяхното относително съдържание във водата на басейна е <0,04%. Въпреки че Desulfobacterota може да окаже влияние върху корозията, рискът би трябвало да е изключително нисък, тъй като относителното им разпространение във водата в басейна е <0,04%.尽管脱硫杆菌门可能影响腐蚀，但风险应该极低，因为它们在池水中的相对丰度<0,04%。 <0,04%. Въпреки че типът Desulfobacillus може да повлияе на коррозията, рискът трябва да бъде изключително нисък, тъй като тяхното относително съдържание във водния басейн е <0,04%. Въпреки че видът Desulfobacillus може да повлияе на корозията, рискът би трябвало да е изключително нисък, тъй като относителното им разпространение във водата в басейна е <0,04%.
RW и Air представляват водни проби съответно от водоприемника и басейна. Sediment-C, -E, -W са проби от седименти, взети от центъра на дъното на басейна, както и от източната и западната страна. 1 метър, 1 месец; 3 метра, 3 месеца; 6 метра, 6 месеца; 14 метра, 14 месеца; 22 метра, 22 месеца; S, ASTM A283; SP, ASTM A109, състояние 4/5; FC, ASTM A395; B, ASTM A179; 1C, стомана 1% Cr; 3C стомана, 2.25% Cr стомана; стомана 9C, стомана 9% Cr; S6, неръждаема стомана 316; S8, неръждаема стомана тип 304.
На родово ниво, през всички сезони е наблюдаван малко по-висок дял (6–19%) на некласифицирани бактерии, принадлежащи към семейство Trichomonadaceae, както и Neosphingosine, Pseudomonas и Flavobacterium. Като второстепенни основни компоненти, техните дялове варират (фиг. 1). . 7a и b). В притоците относителното изобилие на Flavobacterium, Pseudovibrio и Rhodoferrobacter е по-високо само през зимата. По подобен начин, по-високо съдържание на Pseudovibrio и Flavobacterium е наблюдавано във водите на басейна през зимата. По този начин, микробните съобщества във водните проби варират в зависимост от сезона, но не претърпяват драстични промени през периода на изследване.
a Входна вода, b Вода от плувен басейн, c ASTM A283, d ASTM A109 температура №4/5, e ASTM A179, f ASTM A395, g 1% Cr, h 2,25% Cr и i 9% Cr стомана, j Тип-316 и неръждаема стомана K-304.
Протеобактериите бяха основните съставки във всички проби, но относителното им изобилие в корозиралите проби намаляваше с напредването на корозията (фиг. 6). В проби ASTM A179, ASTM A109 Temp No. 4/5, ASTM A179, ASTM A395 и 1% и 2,25% Cr, относителното изобилие на протеобактериите намалява съответно от 89,1%, 85,9%, 89,6%, 79,5%, 84,8%, 83,8% до 43,3%, 52,2%, 50,0%, 41,9%, 33,8% и 31,3%. За разлика от това, относителното разпространение на Desulfobacterota постепенно се увеличава от <0,1% до 12,5–45,9% с напредването на корозията. За разлика от това, относителното разпространение на Desulfobacterota постепенно се увеличава от <0,1% до 12,5–45,9% с напредването на корозията. Срещу, съответно съдържанието на Desulfobacterota постепенно се увеличава с <0,1% до 12,5–45,9% при развитие на коррозията. За разлика от това, относителното изобилие на Desulfobacterota постепенно се увеличава от <0,1% до 12,5–45,9% с напредването на корозията.相反，随着腐蚀的进展，脱硫杆菌的相对丰度从<0,1% 逐渐增加到12,5-45,9%。相反，随着腐蚀的进展，脱硫杆菌的相对丰度从<0,1% Напротив, относителната численност Desulfobacillus постепенно се увеличава с <0,1% до 12,5–45,9% при измерване на коррозията. За разлика от това, относителното изобилие на Desulfobacillus постепенно се е увеличило от <0,1% до 12,5–45,9% с напредването на корозията.По този начин, с напредването на корозията, Proteobacteira беше заменена от Desulfobacterota.
За разлика от това, биофилмите върху некородирана неръждаема стомана съдържаха същите пропорции на различни бактерии. Proteobacteria (29,4–34,1%), Planctomycetota (11,7–18,8%), Nitrospirota (2,9–20,9%), Acidobacteriota (8,6–18,8%), Bacteroidota (3,1–9,2%) и Chloroflexi (2,1–8,8%). Установено е, че делът на Nitrospirota в пробите от неръждаема стомана постепенно се увеличава (фиг. 6). Тези съотношения са подобни на тези в седиментните проби, което съответства на PCoA графиката, показана на фиг. 5а.
В стоманени проби, съдържащи 9% Cr, са наблюдавани два вида микробни съобщества: едномесечните и шестмесечните микробни съобщества са подобни на тези в пробите от дънни седименти, докато делът на протеобактериите в проби от корозия 3, 14 и 22 се е увеличил значително. Освен това, тези две микробни съобщества в пробите от стомана с 9% Cr съответстват на разделени клъстери в PCoA графиката, показана на Фиг. 5c.
На ниво род са наблюдавани >2000 OTU, съдържащи неопределени бактерии и археи. На ниво род са наблюдавани >2000 OTU, съдържащи неопределени бактерии и археи.На ниво род са наблюдавани над 2000 OTU, съдържащи неидентифицирани бактерии и археи.На ниво род са наблюдавани над 2000 OTU, съдържащи неопределени бактерии и археи. Сред тях се фокусирахме върху 10 OTU с висока популация във всяка проба. Това обхваща 58.7-70.9%, 48.7-63.3%, 50.2-70.7%, 50.8-71.5%, 47.2-62.7%, 38.4-64.7%, 12.8-49.7%, 17.5-46.8% и 21.8-45.1% в ASTM A179, ASTM A109 Temp No. 4/5, ASTM A179, ASTM A395, 1%, 2.25% и 9% Cr стомани и неръждаеми стомани тип 316 и -304.
В проби от корозия като ASTM A179, ASTM A109 Temp No. 4/5, ASTM A179, ASTM A395 и стомани с 1% и 2,25% Cr е наблюдавано относително високо съдържание на дехлорирани монолити с Fe(II) окислителни свойства. Ранен стадий на корозия (1 месец и 3 месеца, Фиг. 7c-h). Делът на Dechloromonas намалява с времето, което съответства на намаляването на Proteobacteria (Фиг. 6). Освен това, пропорциите на Dechloromonas в биофилмите върху некорозиралите проби са <1%. Освен това, пропорциите на Dechloromonas в биофилмите върху некорозиралите проби са <1%. Освен това, доля Dechloromonas в биопленките на некородирани образци е <1%. Освен това, делът на Dechloromonas в биофилмите върху некорозирали проби е <1%.此外，未腐蚀样品的生物膜中脱氯单胞菌的比例<1%。此外，未腐蚀样品的生物膜中脱氯单胞菌的比例 < 1% Освен това, долята Dechloromonas в биопленке некородирани образци беше <1%. Освен това, делът на Dechloromonas в биофилма на некорозирали проби е бил <1%.Следователно, сред продуктите на корозия, Dechloromonas е значително обогатен в ранен етап на корозия.
За разлика от това, в ASTM A179, ASTM A109 отпусната #4/5, ASTM A179, ASTM A395 и стомани с 1% и 2,25% Cr, делът на SRB Desulfovibrio видовете най-накрая се е увеличил след 14 и 22 месеца (фиг. 7c–h). Desulfovibrion е бил много нисък или не е бил открит в ранните стадии на корозия, във водни проби (фиг. 7a, b) и в некорозирали биофилми (фиг. 7j, j). Това категорично подсказва, че Desulfovibrio предпочита средата на образуваните корозионни продукти, въпреки че те не влияят на корозията в ранните етапи на корозия.
Fe(III)-редуциращи бактерии (RRB), като Geobacter и Geothrix, са открити в продукти от корозия в средните етапи на корозия (6 и 14 месеца), но делът на късните (22 месеца) етапи на корозия е по-висок при тях. Относително нисък е (фиг. 7в, eh). Родът Sideroxydans с Fe(II) окислителни свойства показва подобно поведение (фиг. 7f), така че делът на FeOB, IRB и SRB е по-висок само в корозиралите проби. Това категорично подсказва, че промените в тези микробни съобщества са свързани с прогресията на корозията.
В стомана с 9% Cr, корозирала след 3, 14 и 22 месеца, е наблюдаван по-висок дял на членове на семейство Beggiatoacea (8,5–19,6%), които могат да проявяват сероокисляващи свойства, както и сидероксидани (8,4–13,7%) (фиг. 1). 7i) Освен това, Thiomonas, сероокисляваща бактерия (SOB), е открита в по-голям брой (3,4% и 8,8%) на 3 и 14 месеца. За разлика от това, нитрат-редуциращите бактерии Nitrospira (12,9%) са наблюдавани в 6-месечни некорозирали проби. Повишен дял на Nitrospira е наблюдаван и в биофилми върху неръждаема стомана след потапяне (фиг. 7j,k). По този начин, микробните съобщества на 1- и 6-месечни некорозирали 9% Cr стомани са подобни на тези в биофилмите от неръждаема стомана. Освен това, микробните съобщества на 9% хромова стомана, корозирала на 3, 14 и 22 месеца, се различаваха от продуктите на корозия на въглеродни и нискохромови стомани и чугун.
Развитието на корозия обикновено е по-бавно в сладководна вода, отколкото в морска вода, тъй като концентрацията на хлоридни йони влияе върху корозията на метала. Някои неръждаеми стомани обаче могат да корозират в сладководна среда38,39. Освен това първоначално беше заподозряна MIC, тъй като корозирал материал е бил наблюдаван преди това в басейна със сладка вода, използван в това проучване. При дългосрочни изследвания с потапяне бяха наблюдавани различни форми на корозия, три вида микробни съобщества и промяна в микробните съобщества в продуктите от корозията.
Сладководната среда, използвана в това изследване, е затворен резервоар за техническа вода, взета от река с относително стабилен химичен състав и сезонна промяна в температурата на водата, варираща от 9 до 23 °C. Следователно, сезонните колебания в микробните съобщества във водните проби могат да бъдат свързани с промени в температурата. Освен това, микробната съобщество във водата на басейна е донякъде различна от тази във входящата вода (фиг. 5б). Водата в басейна постоянно се подменя поради преливане. Следователно, разтвореният кислород (DO) остава на ~8,2 ppm дори на междинни дълбочини между повърхността на басейна и дъното. Напротив, средата на седимента би трябвало да е анаеробна, тъй като той се утаява и остава на дъното на резервоара, а микробната флора в него (като CRP) също би трябвало да се различава от микробната флора във водата (фиг. 6). Тъй като пробите в басейна са били по-далеч от седиментите, те са били изложени на прясна вода само по време на изследвания чрез потапяне при аеробни условия.
Обща корозия се среща във въглеродна стомана, нискохромна стомана и чугун в сладководна среда (Фигура 1), тъй като тези материали не са устойчиви на корозия. Въпреки това, скоростта на корозия (0,13 mm yr-1) при абиотични сладководни условия е по-висока, отколкото в предишни проучвания40 (0,04 mm yr-1) и е сравнима със скоростта на корозия (0,02–0,76 mm yr-1) в присъствието на микроорганизми1) Подобно на сладководни условия40,41,42. Тази ускорена скорост на корозия е характеристика на MIC.
Освен това, след 22 месеца потапяне, е наблюдавана локализирана корозия в няколко метала под продуктите от корозията (фиг. 3). По-специално, локализираната скорост на корозия, наблюдавана в ASTM A179, е около пет пъти по-бърза от общата корозия. Тази необичайна форма на корозия и ускорена скорост на корозия е наблюдавана и при корозия, възникваща върху същия обект. По този начин, потапянето, извършено в това проучване, отразява корозията на практика.
Сред изследваните метали, 9% Cr стоманата показва най-силна корозия, с дълбочина на корозия >1,2 mm, което вероятно е MIC поради ускорената корозия и анормалната форма на корозия. Сред изследваните метали, 9% Cr стоманата показва най-силна корозия, с дълбочина на корозия >1,2 mm, което вероятно е MIC поради ускорената корозия и анормалната форма на корозия. Средите на изследваните метали от стомана с 9% Cr показаха най-силната коррозия с дълбочина на корозия> 1,2 mm, което, вероятно, е МИК от ускорена корозия и аномална форма на корозия. Сред изследваните метали, стоманата с 9% Cr показа най-тежка корозия с дълбочина на корозия >1,2 mm, което вероятно е минималната индуцирана корозия (МИК), дължаща се на ускорена корозия и анормална форма на корозия.在所研究的金属中，9% Cr 钢的腐蚀最为严重，腐蚀深度>1,2 mm，由于加速腐蚀和异常腐蚀形式，很可能是MIC。.在所研究的金属中，9% Cr Средите на изследваните метали са най-силно корозирали стомана с 9% Cr, с дълбочина на корозия >1,2 mm, по-скоро всичко, МИК из-за ускорени и аномални форми на корозия. Сред изследваните метали, стоманата с 9% Cr корозира най-силно, с дълбочина на корозия >1,2 mm, най-вероятно поради ускорени и аномални форми на корозия.Тъй като стоманата с 9% Cr се използва във високотемпературни приложения, нейното корозионно поведение е било изследвано преди това43,44, но преди това не е била докладвана минимална инхибиторна концентрация (МИК) за този метал. Тъй като многобройни микроорганизми, с изключение на хипертермофилите, са неактивни във високотемпературна среда (>100 °C), MIC в 9% Cr стомана може да бъде пренебрегната в такива случаи. Тъй като многобройни микроорганизми, с изключение на хипертермофилите, са неактивни във високотемпературна среда (>100 °C), минималната инхибиторна концентрация (МИК) в 9% Cr стомана може да бъде пренебрегната в такива случаи. Колко много микроорганизми, в резултат на хипертермофили, неактивни във високотемпературна среда (>100 °С), МИК в стали с 9% Cr в такива случаи може да не се вземе предвид. Тъй като много микроорганизми, с изключение на хипертермофилите, са неактивни във високотемпературна среда (>100°C), минималната инхибиторна концентрация (МИК) в стомана с 9% Cr може да се пренебрегне в такива случаи.由于除超嗜热菌外，许多微生物在高温环境(>100 °C)中不活跃，因此在这种情况下可以忽略9% Cr 钢中的MIC. 9% Cr (>100 °C) Колко много микроорганизми, освен хипертермофилите, не проявяват активност при високотемпературни среди (>100 °С), MPK е с 9% Cr в този случай не може да се вземе предвид. Тъй като много микроорганизми, с изключение на хипертермофилите, не показват активност във високотемпературни среди (>100 °C), в този случай MIC в стомана с 9% Cr може да се пренебрегне.Въпреки това, когато 9% Cr стомана се използва в среда със средна температура, трябва да се вземат различни мерки за намаляване на MIC.
Различни микробни съобщества и техните промени са наблюдавани в отлаганията на некорозирал материал и в продуктите от корозия в биофилми в сравнение с водата, в допълнение към ускорената корозия (фиг. 5-7), което силно предполага, че тази корозия е микрофон. Рамирес и др.13 съобщават за 3-стъпков преход (FeOB => SRB/IRB = > SOB) в морска микробна екосистема в продължение на 6 месеца, при който сероводородът, произведен от вторично обогатен SRB, може в крайна сметка да допринесе за обогатяването на SOB. Рамирес и др.13 съобщават за 3-стъпков преход (FeOB => SRB/IRB => SOB) в морска микробна екосистема в продължение на 6 месеца, когато сероводородът, произведен от вторично обогатен SRB, може най-накрая да допринесе за обогатяването на SOB. Ramirez et al.13 съобщават за триетапния преход (FeOB => SRB/IRB => SOB) в морската микробна екосистема в продължение на 6 месеца, когато сероводород, образуващ се при вторично обогащение SRB, може, накрая, да способства обогащението SOB. Рамирес и др.13 съобщават за триетапен преход (FeOB => SRB/IRB => SOB) в морската микробна екосистема за период от 6 месеца, при който сероводорода, генериран от вторичното обогатяване с SRB, може най-накрая да допринесе за обогатяването с SOB. Ramirez 等人13 报告了一个超过6 个月的海洋微生物生态系统中的三步转变(FeOB => SRB/IRB => SOB)，其中二次富集SRB 产生的硫化氢可能最终有助于SOB 的富集。Ramirez 等 人 13 报告 了 个 超过 超过 6 个 月 海洋 微生物 生态 系统 中 的 三 步 转变 转变转变 转变 转变 转变 转变 转变 转变 转变 转变 转变 转变 r srb/IRB) ， 其中 次 富集 srb 产生硫化氢 可能 最终 有助于 sob 的富集。 Ramirez et al.13 съобщиха за тристепенния преход (FeOB => SRB/IRB => SOB) в морската микробна екосистема в продължение на 6 месеца, в който сероводород, образуващ се в резултат на вторично обогатяване SRB, може в крайна сметка да способства за обогатяване на SOB. Рамирес и др.13 съобщават за триетапен преход (FeOB => SRB/IRB => SOB) в морската микробна екосистема за период от 6 месеца, при който сероводородът, получен от вторичното обогатяване с SRB, може евентуално да допринесе за обогатяването с SOB.Макбет и Емерсън36 съобщават за първично обогатяване в FeOB. По подобен начин, в това проучване се наблюдава обогатяване с FeOB по време на ранната фаза на корозия, но микробните промени с развитието на корозията, наблюдавани във въглеродните и 1% и 2,25% Cr стомани и чугун над 22 месеца, са FeOB => IRB = > SRB (фиг. 7 и 8). По подобен начин, в това проучване се наблюдава обогатяване с FeOB по време на ранната фаза на корозия, но микробните промени с развитието на корозията, наблюдавани във въглеродните и 1% и 2,25% Cr стомани и чугун за 22 месеца, са FeOB => IRB => SRB (фиг. 7 и 8). Точно така и в това изследване се наблюдава обогатяване на FeOB в ранна степен на коррозия, но микробни промени при измерване на прогресивна коррозия, наблюдавани в углеродистост и 1% и 2,25% Cr сталей и чугуне за 22 месеца, представляват FeOB => IRB = > SRB (рис. 7 и 8). По подобен начин, в това проучване се наблюдава обогатяване с FeOB в ранен стадий на корозия, но микробните промени с напредването на корозията, наблюдавани при въглеродни и 1% и 2,25% Cr стомани и чугун в продължение на 22 месеца, са FeOB => IRB => SRB (Фигури 7 и 8).同样，在本研究中观察到早期腐蚀阶段FeOB 的富集，但在碳和1% 和2,25% Cr 钢以及超过22个月的铸铁中观察到的微生物随着腐蚀的进展而变化是FeOB => IRB => SRB（图7 和8）。同样 ， 在 本 研究 中 观察 早期 腐蚀 阶段 feob 的 富集 ， 但 碳 和 和 1% 和 2,25% Cr 钢 超过22 个 的 铸铁 中 到 的 微生物 腐蚀 的 进展 而 变化 FEOB => IRB => SRB（图7和8）。 По аналогичен начин, в това изследване се наблюдава обогатяване на FeOB в ранните стадии на коррозия, но микробиологични промени, наблюдавани в углеродисти и 1% и 2,25% Cr сталей и чугуне за 22 месеца, бяха FeOB => IRB => SRB (рис. 7 и 8). По подобен начин, в това проучване е наблюдавано обогатяване с FeOB в ранните етапи на корозия, но микробиологичните промени, наблюдавани във въглеродни и 1% и 2,25% Cr стомани и чугун в продължение на 22 месеца, са FeOB => IRB => SRB (фиг. 7 и 8).SRB могат лесно да се натрупват в морска вода поради високите концентрации на сулфатни йони, но обогатяването им в сладководна среда се забавя от ниските концентрации на сулфатни йони. Обогатяването на SRB в морска вода е често съобщавано10,12,45.
a Органичен въглерод и азот чрез Fe(II)-зависим енергиен метаболизъм железен оксид (червени [Dechloromonas sp.] и зелени [Sideroxydans sp.] клетки) и Fe(III) редуциращи бактерии (сиви клетки [Geothrix sp. и Geobacter sp.]) в ранен стадий на корозия, след което анаеробни сулфат-редуциращи бактерии (SRP) и хетеротрофни микроорганизми обогатяват зрелия стадий на корозия, като консумират натрупаната органична материя. b Промени в микробните съобщества върху корозионноустойчиви метали. Виолетовите, сините, жълтите и белите клетки представляват бактерии съответно от семействата Comamonadaceae, Nitrospira sp., Beggiatoacea и други.
По отношение на промените в микробната общност и евентуалното обогатяване с SRB, FeOB е от решаващо значение в ранния стадий на корозия, а Dechloromonas могат да получат енергията си за растеж от окислението на Fe(II). Микроорганизмите могат да оцелеят в среди, съдържащи микроелементи, но няма да растат експоненциално. Използваният в това изследване басейн за потапяне обаче е преливен басейн с приток от 20 m3/h, който непрекъснато доставя микроелементи, съдържащи неорганични йони. В ранните стадии на корозия, железните йони се освобождават от въглеродна стомана и чугун, а FeOB (като Dechloromonas) ги използват като източник на енергия. Следови количества въглерод, фосфат и азот, необходими за растежа на клетките, трябва да присъстват в технологичната вода под формата на органични и неорганични вещества. Следователно, в тази сладководна среда FeOB първоначално се обогатява върху метални повърхности като въглеродна стомана и чугун. Впоследствие IRB могат да растат и да използват органична материя и железни оксиди съответно като източници на енергия и крайни акцептори на електрони. В зрелите продукти на корозия, поради метаболизма на FeOB и IRB, трябва да се създадат анаеробни условия, обогатени с азот. Следователно, SRB може бързо да расте и да замести FeOB и IRB (фиг. 8а).
Наскоро, Tang et al. съобщават за корозия на неръждаема стомана от Geobacter ferroreducens в сладководна среда поради директен пренос на електрони от желязо към микроби46. Като се има предвид EMIC, приносът на микроорганизмите със свойства на EET е от решаващо значение. SRB, FeOB и IRB са основните микробни видове в продуктите от корозия в това проучване, които би трябвало да имат характеристики на EET. Следователно, тези електрохимично активни микроорганизми могат да допринесат за корозия чрез EET, а съставът на тяхната общност се променя под влиянието на различни йонни видове, когато се образуват продукти от корозия. Напротив, микробната общност в стомана с 9% Cr се различава от други стомани (фиг. 8b). След 14 месеца, в допълнение към обогатяването с FeOB, като Sideroxydans, SOB47Beggiatoacea и Thiomonas също са обогатени (фиг. 7i). Тази промяна е значително различна от тази на други корозивни материали, като въглеродна стомана, и може да бъде повлияна от богати на хром йони, разтворени по време на корозия. Забележително е, че Thiomonas притежава не само свойства на окисляване на сярата, но и свойства на окисляване на Fe(II), EET система и толерантност към тежки метали48,49. Те могат да бъдат обогатени поради окислителната активност на Fe(II) и/или директното потребление на метални електрони. В предишно проучване е наблюдавано относително високо съдържание на Beggiatoacea в биофилми върху Cu, използвайки система за прекъснат мониторинг на биофилм, което предполага, че тези бактерии може да са устойчиви на токсични метали като Cu и Cr. Въпреки това, енергийният източник, необходим на Beggiatoacea, за да расте в тази среда, е неизвестен.
Това проучване отчита промени в микробните съобщества по време на корозия в сладководна среда. В една и съща среда микробните съобщества се различават по вида на метала. Освен това, нашите резултати потвърждават значението на FeOB в ранните етапи на корозия, тъй като желязо-зависимият микробен енергиен метаболизъм насърчава образуването на богата на хранителни вещества среда, предпочитана от други микроорганизми, като SRB. За да се намали минималната инхибираща концентрация (MIC) в сладководна среда, обогатяването с FeOB и IRB трябва да бъде ограничено.
В това проучване са използвани девет метала и са обработени в блокове с размери 50 × 20 × 1–5 mm (дебелина за стомана ASTM 395 и 1%, 2,25% и 9% Cr: 5 mm; дебелина за ASTM A283 и ASTM A179: 3 mm). mm; ASTM A109 Temper 4/5 и тип 304 и 316 неръждаема стомана, дебелина: 1 mm), с два отвора от 4 mm. Хромираните стомани са полирани с шкурка, а другите метали - с шкурка със зърнистост 600 преди потапяне. Всички проби са обработени с ултразвук с 99,5% етанол, изсушени и претеглени. Десет проби от всеки метал са използвани за изчисляване на скоростта на корозия и анализ на микробиома. Всеки образец е фиксиран по стълбовиден начин с PTFE пръти и дистанционни елементи (φ 5 × 30 mm, Допълнителна фигура 2).
Басейнът е с обем 1100 кубически метра и дълбочина около 4 метра. Притокът на вода е бил 20 m3 h-1, преливникът е бил освободен, а качеството на водата не се е колебало сезонно (Допълнителна фигура 3). Стълбата за вземане на проби се спуска върху 3-метрова стоманена тел, окачена в средата на резервоара. Два комплекта стълби са били извадени от басейна на 1, 3, 6, 14 и 22 месеца. Проби от едната стълба са били използвани за измерване на загубата на тегло и изчисляване на скоростта на корозия, докато проби от другата стълба са били използвани за анализ на микробиома. Разтвореният кислород в потапящия резервоар е измерен близо до повърхността и дъното, както и в средата, с помощта на сензор за разтворен кислород (InPro6860i, Mettler Toledo, Columbus, Ohio, USA).
Продуктите от корозия и биофилмите върху пробите бяха отстранени чрез остъргване с пластмасова стъргалка или избърсване с памучен тампон, след което почистени в 99,5% етанол с помощта на ултразвукова вана. След това пробите бяха потопени в разтвор на Кларк в съответствие с ASTM G1-0351. Всички проби бяха претеглени след завършване на сушенето. Изчислете скоростта на корозия (mm/год.) за всяка проба, като използвате следната формула:
където K е константа (8,76 × 104), T е времето на експозиция (h), A е общата повърхност (cm2), W е загубата на маса (g), D е плътността (g cm–3).
След претегляне на пробите, 3D изображения на няколко проби бяха получени с помощта на 3D измервателен лазерен микроскоп (LEXT OLS4000, Olympus, Токио, Япония).