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淡水環境では、炭素鋼やステンレス鋼の腐食が加速されることがよく観察される。本研究では、9種類の鋼材を用いて22ヶ月間の淡水タンク潜水試験を実施した。炭素鋼、クロム鋼、鋳鉄では腐食の加速が観察されたが、ステンレス鋼では22ヶ月後でも目に見える腐食は観察されなかった。微生物群集の分析では、一般的な腐食の過程で、腐食の初期段階ではFe(II)酸化細菌が、腐食の進行段階ではFe(III)還元細菌が、最終段階では硫酸還元細菌が増殖することが示された。一方、局部腐食を受けた9%Cr鋼では、Beggiatocaea属細菌が特に多く存在した。これらの微生物群集の構成は、水や底質サンプル中のものとも異なっていた。したがって、腐食が進行するにつれて、微生物群集は劇的な変化を遂げ、鉄依存性の微生物エネルギー代謝によって他の微生物が増殖する環境が作り出される。
金属は、pH、温度、イオン濃度などのさまざまな物理的および化学的環境要因により劣化および腐食する可能性があります。酸性条件、高温、および塩化物濃度は、特に金属の腐食に影響を与えます1,2,3。自然環境および人工環境の微生物は、金属の摩耗および腐食に影響を与えることが多く、この挙動は微生物腐食（MIC）として現れます4,5,6,7,8。MICは、屋内のパイプや貯蔵タンク、金属の隙間、土壌などの環境でよく見られ、突然発生し急速に進行します。そのため、MICの監視と早期検出は非常に困難であり、MIC分析は通常、腐食後に行われます。腐食生成物中に硫酸還元細菌（SRB）が頻繁に見つかった多数のMIC事例研究が報告されています9,10,11,12,13。しかし、SRBの検出は腐食後の分析に基づいているため、SRBが腐食の開始に寄与するかどうかは不明です。
近年、ヨウ素酸化細菌21に加えて、鉄分解性SRB14、メタン生成菌15,16,17、硝酸還元細菌18、鉄酸化細菌19、アセトゲン20など、さまざまな鉄分解性微生物が報告されている。嫌気性または微好気性の実験室条件下では、それらのほとんどはゼロ価鉄と炭素鋼を腐食する。さらに、それらの腐食メカニズムは、鉄腐食性メタン生成菌とSRBがそれぞれ細胞外水素化酵素とマルチヘムシトクロムを使用してゼロ価鉄から電子を収穫することで腐食を促進することを示唆している22,23。MICは、（i）化学的MIC（CMIC）（微生物が生成する種による間接腐食）と（ii）電気的MIC（EMIC）（金属の電子枯渇による直接腐食）の2種類に分けられる24。細胞外電子伝達（EET）によって促進されるEMICは、EET特性を持つ微生物が非EET微生物よりも速い腐食を引き起こすため、非常に注目されています。嫌気条件下でのCMICの律速反応はプロトン還元（H+）によるH2生成ですが、EMICはH2生成とは無関係なEET代謝によって進行します。様々な微生物におけるEETのメカニズムは、微生物細胞燃料と電気生合成の性能に関連しています25,26,27,28,29。これらの腐食性微生物の培養条件は自然環境の条件とは異なるため、観察されたこれらの微生物腐食プロセスが実際の腐食を反映しているかどうかは明らかではありません。したがって、自然環境においてこれらの腐食性微生物によって誘発されるMICメカニズムを観察することは困難です。
DNA シーケンス技術の発展により、自然環境および人工環境における微生物群集の詳細の研究が容易になりました。例えば、次世代シーケンサーを用いた 16S rRNA 遺伝子配列に基づく微生物プロファイリングは、微生物生態学の分野で使用されています 30,31. ,32. 土壌および海洋環境における微生物群集の詳細を扱った多数の MIC 研究が発表されています 13,33,34,35,36. SRB に加えて、腐食サンプル中の Fe(II) 酸化細菌 (FeOB) および硝化細菌の増加も報告されています。例えば、土壌媒体中の炭素鋼および銅含有鋼では、Gallionella spp. や Dechloromonas spp. などの FeOB や Nitrospira spp. などの硝化細菌が報告されています 33.同様に、海洋環境においても、炭素鋼上でゼータプロテオバクテリア綱およびベータプロテオバクテリア綱に属する鉄酸化細菌の急速なコロニー形成が数週間にわたって観察されている³⁶。これらのデータは、これらの微生物が腐食に寄与していることを示している。しかし、多くの研究では、期間や実験グループが限られており、腐食中の微生物群集の動態についてはほとんど分かっていない。
本研究では、MIC発生履歴のある好気性淡水環境における浸漬試験を用いて、炭素鋼、クロム鋼、ステンレス鋼、鋳鉄のMICを調査した。サンプルは1、3、6、14、22ヶ月後に採取し、各金属および微生物成分の腐食速度を調べた。本研究の結果は、腐食過程における微生物群集の長期的な動態に関する知見を提供する。
表1に示すように、本研究では9種類の金属を使用しました。各材料のサンプル10個を淡水プールに浸しました。処理水の水質は、Cl- 30 ppm、20 mS m-1、Ca2+ 20 ppm、SiO2 20 ppm、濁度1 ppm、pH 7.4です。サンプリングラダーの底部における溶存酸素（DO）濃度は約8.2 ppmで、水温は季節によって9～23℃の範囲でした。
図 1 に示すように、ASTM A283、ASTM A109 条件 #4/5、ASTM A179、および ASTM A395 の鋳鉄環境に 1 か月浸漬した後、炭素鋼表面に全面腐食の形で褐色の腐食生成物が観察されました。これらの試験片の重量減少は時間とともに増加し (補足​​表 1)、腐食速度は年間 0.13 ～ 0.16 mm でした (図 2)。同様に、Cr 含有量が低い (1% および 2.25%) 鋼でも全面腐食が観察され、腐食速度は約 0.13 mm/年でした (図 1 および 2)。対照的に、Cr 9% の鋼では、ガスケットによって形成された隙間で発生する局部腐食が見られました。このサンプルの腐食速度は約 0.02 mm/年で、全面腐食のある鋼の腐食速度よりも大幅に低くなっています。 対照的に、ステンレス鋼304型および316型は目に見える腐食がなく、腐食速度は0.001 mm/年未満と推定される。 対照的に、ステンレス鋼304型および316型は目に見える腐食を示さず、推定される腐食加速率は0.001 mm/年未満である。 Напротив, нержавеющие стали типов 304 и 316 не проявляют видимой коррозии, при этом расчетная скорость所要時間 <0,001 мм/год. 対照的に、304型および316型ステンレス鋼は目に見える腐食がなく、推定腐食速度は0.001mm/年未満である。比較すると、３０４および－３１６タイプのステンレス鋼は、目に見える腐食を示さず、腐食速度＜０．００１ｍｍ ｙ−１ を示した。比較すると、３０４および－３１６タイプのステンレス鋼は、目に見える腐食を示さず、腐食速度＜０．００１ｍｍ ｙ−１ を示した。 Напротив, нержавеющие стали типа 304 и -316 не показали видимой коррозии с расчетной скоростью коррозии <0,001 мм/год. 対照的に、304型および316型ステンレス鋼は、設計腐食速度が0.001 mm/年未満であり、目に見える腐食は認められなかった。
各サンプル（高さ50 mm×幅20 mm）のスケール除去前後のマクロ画像を示します。1メートル、1か月。3メートル、3か月。6メートル、6か月。14メートル、14か月。22メートル、22か月。S、ASTM A283。SP、ASTM A109、条件4/5。FC、ASTM A395。B、ASTM A179。1C、鋼1% Cr。3C、鋼2.25% Cr。鋼9C、鋼9% Cr。S6、316ステンレス鋼。S8、タイプ304ステンレス鋼。
腐食速度は、重量減少と浸漬時間を使用して計算されました。S、ASTM A283、SP、ASTM A109、硬化4/5、FC、ASTM A395、B、ASTM A179、1C、鋼1%Cr、3C、鋼2.25%Cr、9C、鋼9%Cr、S6、タイプ316ステンレス鋼、S8、タイプ304ステンレス鋼。
図1には、炭素鋼、低Cr鋼、鋳鉄の腐食生成物が3ヶ月の浸漬後にさらに発達することも示されています。全体の腐食速度は22ヶ月後には徐々に0.07～0.08 mm/年に低下しました（図2）。また、2.25%Cr鋼の腐食速度は他の腐食した試験片よりもわずかに低く、Crが腐食を抑制できることが示されました。ASTM A179によると、一般的な腐食に加えて、22ヶ月後には腐食深さが約700 µmの局部腐食が観察されました（図3）。腐食深さと浸漬時間を使用して計算された局部腐食速度は0.38 mm/年で、一般的な腐食の約5倍の速さです。ASTM A395合金の腐食速度は、14ヶ月または22ヶ月の水浸漬後も腐食生成物がスケールを完全に除去しないため、過小評価されている可能性があります。ただし、その差は最小限であるはずです。さらに、腐食した低クロム鋼には多数の小さなピットが観察された。
3Dビューイングレーザー顕微鏡を用いて、ASTM A179鋼および9%Cr鋼の最大深さにおける全体画像（スケールバー：10 mm）と局部腐食（スケールバー：500 µm）を示した。全体画像中の赤い円は、測定された局部腐食を示している。9%Cr鋼の裏面からの全体像を図1に示す。
図2に示すように、9%Cr鋼では、3～14ヶ月間は腐食は観察されず、腐食速度はほぼゼロであった。しかし、22ヶ月後には局部腐食が観察され（図3）、重量減少から計算した腐食速度は0.04 mm/年であった。最大局部腐食深さは1260 µmであり、腐食深さと浸漬時間（22ヶ月）から推定した局部腐食速度は0.68 mm/年であった。腐食開始の正確な位置が不明であるため、腐食速度はさらに高くなる可能性がある。
対照的に、ステンレス鋼では22ヶ月間浸漬した後でも目に見える腐食は観察されなかった。スケール除去前に表面に少量の褐色の粒子が観察されたが（図1）、それらは弱く付着しており、腐食生成物ではなかった。スケール除去後にはステンレス鋼表面に金属が再び現れるため、腐食速度は実質的にゼロである。
アンプリコンシーケンス解析を実施し、金属表面の腐食生成物やバイオフィルム、水、堆積物中の微生物群集の経時的な変化や動態を解明した。合計4,160,012リードが得られ、リード数の範囲は31,328～124,183であった。
取水口や池から採取した水サンプルのシャノン指数は5.47～7.45の範囲であった（図4a）。再生河川水は工業用水として使用されるため、微生物群集は季節によって変化する可能性がある。一方、底質サンプルのシャノン指数は約9であり、水サンプルのシャノン指数よりも有意に高かった。同様に、水サンプルの計算されたChao1指数と観察された操作的分類単位（OTU）は、底質サンプルよりも低かった（図4b、c）。 これらの違いは統計的に有意であり（Tukey-Kramer検定、p値<0.01、図4d）、堆積物サンプル中の微生物群集は水サンプル中の微生物群集よりも複雑であることを示している。 これらの違いは統計的に有意であり（Tukey-Kramer検定、p値＜0.01、図4d）、堆積物サンプル中の微生物群集は水サンプル中の微生物群集よりも複雑であることを示している。 Эти различия статистически значимы (критерий Тьюки-Крамера; значения p <0,01, рис. 4d), что указывает на то, Їто микробные сообщества в образцах донных отложений более сложны, чем в образцах воды. これらの違いは統計的に有意であり（Tukey-Kramer検定、p値＜0.01、図4d）、堆積物サンプル中の微生物群集は水サンプル中の微生物群集よりも複雑であることを示している。これらの差は理論的であり（Tukey-Kramer 検査；p 値 < 0.01、図 4d）、浸漬物サンプル中の微生物群落が水サンプル中の微生物群落よりも多いことを示しています。これらの差は、浸漬物サンプル中の微生物中の集団の減少を示す（tukey-kramer 検査；p 値 <0.01、図 4d）ことを示しています。 Эти различия были статистически значимыми (критерий Тьюки-Крамера; p-значение <0,01, рис. 4d), что позволяет предположить, что микробные сообщества в образцах донных отложений были более сложными, чем в образцахだ。 これらの違いは統計的に有意であり（Tukey-Kramer検定、p値<0.01、図4d）、堆積物サンプル中の微生物群集は水サンプル中の微生物群集よりも複雑であることを示唆している。溢水池の水は常に入れ替わり、堆積物は機械的な撹乱なしに池の底に沈殿するため、この微生物多様性の違いは、池の生態系を反映しているはずである。
a シャノン指数、b 観測された操作的分類単位 (OTU)、c Chao1 取り込み指数 (n=6) および盆地 (n=5) 水、堆積物 (n=3)、ASTM A283 (S: n=5)、ASTM A109 調質 #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) および 9% (9 C: n = 5) Cr 鋼、ならびにタイプ 316 (S6: n = 5) および -304 (S8: n = 5) ステンレス鋼を、箱ひげ図およびひげ図で示します。d ANOVA および Tukey-Kramer 多重比較検定を使用して得られたシャノン指数および Chao1 指数の p 値。 赤い背景は、p値が0.05未満のペアを表しています。 赤い背景は、p値が0.05未満のペアを表しています。 Красные фоны представляют пары со значениями p <0,05. 赤い背景は、p値が0.05未満のペアを表します。色の背景は、p 値 < 0.05 の対を表します。色の背景は、p 値 < 0.05 の対を表します。 Красные фоны представляют пары с p-значениями <0,05. 赤い背景は、p値が0.05未満のペアを表します。箱の中央の線、箱の上端と下端、そしてひげは、それぞれ中央値、25パーセンタイル値と75パーセンタイル値、最小値と最大値を表しています。
炭素鋼、低クロム鋼、鋳鉄のシャノン指数は、水サンプルのシャノン指数と類似していた（図4a）。 対照的に、ステンレス鋼サンプルのシャノン指数は、腐食した鋼のシャノン指数よりも有意に高く（p値<0.05、図4d）、堆積物のシャノン指数と類似している。 対照的に、ステンレス鋼サンプルのシャノン指数は、腐食した鋼のシャノン指数よりも有意に高く（p値＜0.05、図4d）、堆積物のシャノン指数と類似している。 Напротив, индексы Шеннона образцов из нержавеющей стали значительно выге, чем у корродированных сталей (значения p <0,05, рис. 4d), и аналогичны индексам отложений. 対照的に、ステンレス鋼試料のシャノン指数は腐食鋼のシャノン指数よりも有意に高く（p値＜0.05、図4d）、堆積物指数と類似している。比較すると、無害な鋼サンプルの芳香指数は、腐食物と同様であり、腐食鋼の芳香指数よりも明らかに高かった（ｐ値＜０．０５、図４ｄ）。相対比の下では、不锈钢品の香気指数は腐蝕钢の香気指数より明らかに高い（p値<0.05、図4d）、沉物〸 Напротив, индекс Шеннона образцов из нержавеющей стали был значительно выbolи, чем у корродированной стали (значение p <0,05, рис. 4d), как и у отложений. 対照的に、ステンレス鋼試料のシャノン指数は腐食した鋼のシャノン指数よりも有意に高かった（p値<0.05、図4d）。堆積物も同様であった。対照的に、9% Cr 鋼のシャノン指数は 6.95 ～ 9.65 の範囲であった。これらの値は、1 か月および 3 か月の非腐食試験片では、6 か月、14 か月および 22 か月の腐食試験片よりもはるかに高かった（図 4a）。 さらに、9% Cr鋼のChao1指数と観測されたOTUは、腐食したサンプルと水サンプルよりも高く、腐食していないサンプルと堆積物サンプルよりも低く（図4b、c）、その差は統計的に有意である（p値<0.01、図4d）。 さらに、9% Cr鋼のChao1指数と観測されたOTUは、腐食したサンプルと水サンプルよりも高く、腐食していないサンプルと堆積物サンプルよりも低く（図4b、c）、その差は統計的に有意である（p値<0.01、図4d）。さらに、9% Cr鋼のChao1と観測されたOTUは、腐食したサンプルや水系サンプルよりも高く、腐食していないサンプルや堆積物サンプルよりも低く（図4b、c）、その差は統計的に有意である。(p-значения <0,01, рис. 4d)。 (p値＜0.01、図4d)。さらに、９％Ｃｒ鋼のＣｈａｏ１指数および観察されたＯＴＵは、腐食性サンプルおよび水性サンプルよりも高く、非腐食性サンプルおよび腐食性物質サンプルよりも低く（図４ｂ、ｃ）、その差は理論的に認められた（ｐ値＜０．０１、図４ｄ）。さらに、9% CR 钢 Chao1 指数と観察された rtu は、腐蝕品水样よりも高く、腐蝕物および腐蝕物よりも低い（図 4b、c） 差異（p 値 <0.01） , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , 4d）。 Кроме того, индекс Chao1 и наблюдаемые OTU стали с содержанием 9 % Cr были выго, чем у корродированных и водных образцов, и ниже, чем у некорродированных и осадочных образцов (рис. 4b,c), аразница была статистически значимой (p- значение < 0,01, рис. 4г). さらに、9% Cr鋼のChao1指数と観測されたOTUは、腐食したサンプルと水サンプルよりも高く、腐食していないサンプルと堆積物サンプルよりも低く（図4b、c）、その差は統計的に有意であった（p値<0.01、図4d）。これらの結果は、腐食生成物中の微生物多様性が、腐食していない金属上のバイオフィルム中の微生物多様性よりも低いことを示している。
図5aは、全サンプルについてUniFrac非加重距離に基づく主座標分析（PCoA）プロットを示しており、3つの主要なクラスターが観察された。水サンプル中の微生物群集は、他の群集とは有意に異なっていた。堆積物中の微生物群集にはステンレス鋼群集も含まれており、腐食サンプルでは広く分布していた。対照的に、9%Cr鋼のマップは、非腐食クラスターと腐食クラスターに分かれている。したがって、金属表面および腐食生成物上の微生物群集は、水中の微生物群集とは有意に異なっている。
すべてのサンプル (a)、水 (b)、および金属 (c) の重み付けなし UniFrac 距離に基づく主座標分析 (PCoA) プロット。円は各クラスターを強調表示します。軌跡は、連続するサンプリング期間を結ぶ線で表されます。1 メートル、1 か月。3 メートル、3 か月。6 メートル、6 か月。14 メートル、14 か月。22 メートル、22 か月。S、ASTM A283。SP、ASTM A109、条件 4/5。FC、ASTM A395。B、ASTM A179。1C、鋼 1% Cr。3C 鋼、2.25% Cr 鋼。9C 鋼、9% Cr 鋼。S6、316 ステンレス鋼。S8、タイプ 304 ステンレス鋼。
水サンプルのPCoAプロットを時系列順に並べると、円形の配置になった（図5b）。この周期的な変化は、季節的な変化を反映している可能性がある。
さらに、金属サンプルの PCoA プロットでは、腐食したサンプルと腐食していないサンプルの 2 つのクラスターのみが観察され、(9% クロム鋼を除いて) 1 ヶ月から 22 ヶ月にかけて微生物群集のシフトも観察されました (図 5c)。また、腐食したサンプルの遷移は腐食していないサンプルよりも大きかったため、微生物群集の変化と腐食の進行の間には相関関係がありました。9% Cr の鋼サンプルでは、​​2 種類の微生物群集が明らかになりました。ステンレス鋼の近くに位置する 1 ヶ月と 6 ヶ月のポイントと、腐食した鋼に近いポイントに位置するその他の (3、14、および 22 ヶ月)。1 ヶ月と 6 ヶ月の DNA 抽出に使用したクーポンは腐食していませんでしたが、3、14、および 22 ヶ月のクーポンは腐食していました (補足図 1)。したがって、腐食した試料中の微生物群集は、水、堆積物、および非腐食試料中の微生物群集とは異なり、腐食の進行に伴って変化した。
水サンプルで観察された主な微生物群集の種類は、プロテオバクテリア（30.1～73.5%）、バクテロイデス（6.3～48.6%）、プランクトミセトータ（0.4～19.6%）、アクチノバクテリア（0～17.7%）であり、その相対存在量はサンプルごとに異なっていた（図6）。例えば、池の水中のバクテロイデスの相対存在量は、取水した水よりも高かった。この違いは、オーバーフロータンク内の水の滞留時間によって影響を受ける可能性がある。これらの種類は底質サンプルでも観察されたが、その相対存在量は水サンプル中のものとは大きく異なっていた。さらに、アシドバクテリオタ（8.7～13.0%）、クロロフレキシ（8.1～10.2%）、ニトロスピロタ（4.2～4.4%）、デスルフォバクテロタ（1.5～4.4%）の相対含有量は、水サンプルよりも高かった。デスルフォバクテロタ属のほぼ全ての種がSRB37であることから、堆積物中の環境は嫌気性であるに違いない。 デスルフォバクテロタは腐食に影響を与える可能性はあるものの、プール水中の相対存在量は0.04%未満であるため、そのリスクは極めて低いと考えられる。 デスルフォバクテロタは腐食に影響を与える可能性はあるものの、プール水中の相対存在量は0.04%未満であるため、そのリスクは極めて低いと考えられる。 Хотя Desulfobacterota、возможно、влияют на коррозию、риск должен быть чрезвычайно низким、поскольку их относительное最高率は <0.04%。 デスルフォバクテロタは腐食に影響を与える可能性があるものの、プール水中の相対存在量は0.04%未満であるため、そのリスクは極めて低いと考えられる。脱硫細菌は腐敗に影響を与える可能性があるが、池の水中の相対濃度が 0.04% 未満であるため、その影響は非常に低い。 0.04%未満。 Desulfobacillus может влиять на коррозию, риск должен быть крайне низким, поскольку их относительное содержание率は <0,04% です。 デスルフォバチルス属は腐食に影響を与える可能性があるものの、プール水中の相対存在量は0.04%未満であるため、リスクは極めて低いと考えられる。
RW と Air は、それぞれ取水口と貯水池からの水サンプルを表します。Sediment-C、-E、-W は、貯水池底の中央、東側、西側から採取した堆積物サンプルです。1 メートル、1 か月。3 メートル、3 か月。6 メートル、6 か月。14 メートル、14 か月。22 メートル、22 か月。S、ASTM A283。SP、ASTM A109、条件 4/5。FC、ASTM A395。B、ASTM A179。1C、鋼 1% Cr。3C 鋼、2.25% Cr 鋼。9C 鋼、9% Cr。S6、316 ステンレス鋼。S8、タイプ 304 ステンレス鋼。
属レベルでは、トリコモナス科、ネオスフィンゴシン、シュードモナス、フラボバクテリウムに属する未分類細菌の割合が、すべての季節でわずかに高い（6～19％）ことが観察された。マイナーな主要成分として、それらの割合は変化する（図1）。7aおよびb）。支流では、フラボバクテリウム、シュードビブリオ、ロドフェロバクターの相対存在量は冬にのみ高かった。同様に、流域の冬の水では、シュードビブリオとフラボバクテリウムの含有量が高いことが観察された。したがって、水サンプル中の微生物群集は季節によって変化したが、調査期間中に劇的な変化は起こらなかった。
a 取水、b プール水、c ASTM A283、d ASTM A109 温度 #4/5、e ASTM A179、f ASTM A395、g 1% Cr、h 2.25% Cr、i 9% Cr 鋼、j タイプ 316 およびステンレス鋼 K-304。
すべてのサンプルにおいてプロテオバクテリアが主な構成要素であったが、腐食が進むにつれて腐食サンプルにおけるその相対存在量は減少した（図6）。ASTM A179、ASTM A109 Temp No. 4/5、ASTM A179、ASTM A395、1%および2.25% Crのサンプルでは、​​プロテオバクテリアの相対存在量はそれぞれ89.1%、85.9%、89.6%、79.5%、84.8%、83.8%から43.3%、52.2%、50.0%、41.9%、33.8%、31.3%に減少した。 対照的に、腐食の進行に伴い、Desulfobacteratoの相対存在量は0.1%未満から12.5～45.9%へと徐々に増加する。 対照的に、腐食の進行に伴い、Desulfobacteratoの相対存在量は0.1%未満から12.5～45.9%へと徐々に増加する。 Desulfobacterota の感染者数は、<0,1% до 12,5–45,9% です。 коррозии。 対照的に、腐食が進むにつれて、Desulfobacteromaの相対存在量は0.1%未満から12.5～45.9%へと徐々に増加する。逆に、腐食が進むにつれて、脱硫細菌の相対濃度は０．１％未満から１２．５〜４５．９％まで増加した。逆に、腐食が進むにつれて、脱硫菌の相対濃度は < 0.1% になります。 Напротив, относительная численность Desulfobacillus постепенно увеличивалась с <0,1% до 12,5–45,9% по мере развития коррозии。 対照的に、腐食の進行に伴い、Desulfobacillusの相対存在量は0.1%未満から12.5～45.9%へと徐々に増加した。このように、腐食が進むにつれて、プロテオバクテリアはデスルフォバクテロタに置き換わっていった。
対照的に、腐食していないステンレス鋼上のバイオフィルムには、さまざまな細菌が同じ割合で含まれていました。プロテオバクテリア（29.4～34.1%）、プランクトミセトータ（11.7～18.8%）、ニトロスピロタ（2.9～20.9%）、アシドバクテリオタ（8.6～18.8%）、バクテロイドタ（3.1～9.2%）、クロロフレキシ（2.1～8.8%）。ステンレス鋼サンプル中のニトロスピロタの割合が徐々に増加していることがわかりました（図6）。これらの比率は、堆積物サンプルの比率と類似しており、図5aに示すPCoAプロットに対応しています。
9% Cr を含む鋼サンプルでは、​​2 種類の微生物群集が観察された。1 か月と 6 か月の微生物群集は底質サンプルのものと類似していたが、腐食サンプル 3、14、22 か月ではプロテオバクテリアの割合が著しく増加した。さらに、9% Cr 鋼サンプルのこれら 2 つの微生物群集は、図 5c に示す PCoA プロットの分割クラスターに対応していた。
属レベルでは、分類未定の細菌および古細菌を含む2000以上のOTUが観察された。 属レベルでは、分類未定の細菌および古細菌を含む2000以上のOTUが観察された。属レベルでは、2000を超えるOTUに未同定の細菌や古細菌が含まれていることが確認されている。属レベルでは、未指定の細菌と古細菌を含む 2000 を超える OTU が観察されています。その中で、各サンプルで個体数が多い 10 個の OTU に焦点を当てました。これは、ASTM A179 で 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%、21.8-45.1% をカバーしています。ASTM A109 Temp No. 4/5、ASTM A179、ASTM A395、1%、2.25%、9% Cr 鋼、および Type 316 および -304 ステンレス鋼。
ASTM A179、ASTM A109 Temp No. 4/5、ASTM A179、ASTM A395、および1%と2.25%のCrを含む鋼などの腐食サンプルでは、​​Fe(II)酸化特性を持つ脱塩素化モノリスの含有量が比較的高いことが観察された。腐食の初期段階（1か月と3か月、図7c-h）。時間の経過とともにDechloromonasの割合が減少し、これはProteobacteriaの減少に対応していた（図6）。 さらに、腐食していないサンプル上のバイオフィルムにおけるデクロロモナス属細菌の割合は1%未満である。 さらに、腐食していないサンプル上のバイオフィルムにおけるデクロロモナス属細菌の割合は1%未満である。 デクロロモナスの感染率は 1% 未満です。 さらに、腐食していない試料上のバイオフィルムにおけるデクロロモナス属菌の割合は1%未満である。さらに、未腐蝕サンプルの生体膜における脱酸素細胞菌の割合は１％未満であった。さらに、未腐蝕サンプルの生体膜中の脱酸素細胞菌の割合は < 1% デクロロモナスの感染率は 1% 未満です。 さらに、腐食していない試料のバイオフィルム中のデクロロモナス属菌の割合は1%未満であった。したがって、腐食生成物の中で、デクロロモナス属菌は腐食の初期段階で著しく増加する。
対照的に、ASTM A179、ASTM A109 焼き戻し #4/5、ASTM A179、ASTM A395、および 1% および 2.25% Cr を含む鋼では、SRB Desulfovibrio 種の割合は 14 か月後および 22 か月後にようやく増加しました (図 7c – h)。Desulfofibrion は、腐食の初期段階、水サンプル (図 7a、b)、および腐食していないバイオフィルム (図 7j、j) では非常に少なく、または検出されませんでした。これは、Desulfovibrio が形成された腐食生成物の環境を好むことを強く示唆していますが、腐食の初期段階では腐食に影響を与えません。
腐食生成物には、腐食の中期段階（6 ヶ月と 14 ヶ月）では Geobacter や Geothrix などの Fe(III) 還元細菌 (RRB) が見られましたが、腐食後期段階（22 ヶ月）ではその割合が比較的低くなっています (図 7c、eh)。Fe(II) 酸化特性を持つ Sideroxydans 属も同様の挙動を示しました (図 7f)。そのため、腐食したサンプルでは FeOB、IRB、SRB の割合が高くなっています。これは、これらの微生物群集の変化が腐食の進行と関連していることを強く示唆しています。
3、14、22か月後に腐食した9%Cr鋼では、硫黄酸化特性を示すベギアトアセア科のメンバーの割合が高く（8.5～19.6%）、シデロキシダンスも観察された（8.4～13.7%）（図1）。 7i）さらに、硫黄酸化細菌（SOB）であるThiomonasは、3か月と14か月でより高い数（3.4%と8.8%）で見つかった。対照的に、硝酸還元細菌Nitrospira（12.9%）は、6か月経過した腐食していないサンプルで観察された。浸漬後のステンレス鋼上のバイオフィルムでもNitrospiraの割合が増加していることが観察された（図7j、k）。したがって、1か月および6か月経過した腐食していない9%Cr鋼の微生物群集は、ステンレス鋼バイオフィルムの微生物群集と類似していた。さらに、3ヶ月、14ヶ月、22ヶ月経過した9%Cr鋼の腐食生成物中の微生物群集は、炭素鋼、低クロム鋼、鋳鉄の腐食生成物中の微生物群集とは異なっていた。
淡水では塩化物イオンの濃度が金属の腐食に影響するため、腐食の進行は通常、海水よりも遅い。しかし、一部のステンレス鋼は淡水環境でも腐食する可能性がある38,39。さらに、本研究で使用した淡水プールで以前に腐食した物質が観察されていたため、当初はMICが疑われた。長期浸漬研究では、さまざまな形態の腐食、3種類の微生物群集、および腐食生成物中の微生物群集の変化が観察された。
本研究で使用した淡水媒体は、化学組成が比較的安定しており、水温が季節によって9～23℃の範囲で変化する河川から採取した工業用水用の密閉タンクである。したがって、水サンプル中の微生物群集の季節変動は、温度変化に関連している可能性がある。さらに、プールの水中の微生物群集は、流入水の微生物群集とは多少異なっていた（図5b）。プールの水は、溢流により常に交換されている。その結果、DOは、水槽の表面と底の間の中間深度でも約8.2 ppmに維持された。一方、堆積物の環境は、堆積物が貯水池の底に沈殿して残るため、嫌気性であるはずであり、堆積物中の微生物叢（CRPなど）も水中の微生物叢とは異なるはずである（図6）。プール内のクーポンは堆積物から遠く離れていたため、好気性条件下での浸漬研究中は淡水にのみ曝露された。
炭素鋼、低クロム鋼、鋳鉄は、これらの材料が耐食性を持たないため、淡水環境では一般的な腐食が発生します（図 1）。しかし、非生物的淡水条件下での腐食速度（0.13 mm yr-1）は、以前の研究40（0.04 mm yr-1）よりも高く、微生物が存在する場合の腐食速度（0.02～0.76 mm yr-1）に匹敵します。1）淡水条件と同様40,41,42。この加速された腐食速度は、MIC の特徴です。
さらに、22ヶ月間の浸漬後、腐食生成物の下のいくつかの金属に局部腐食が観察された（図3）。特に、ASTM A179で観察された局部腐食速度は、全面腐食の約5倍であった。この特異な腐食形態と加速された腐食速度は、同じ対象物で発生した腐食でも観察されている。したがって、本研究で実施した浸漬試験は、実際の腐食状況を反映していると言える。
調査対象となった金属の中で、9%Cr鋼は最も深刻な腐食を示し、腐食深さは1.2mm以上であった。これは、腐食の加速と異常な腐食形態のため、微生物腐食（MIC）である可能性が高い。 調査対象となった金属の中で、9%Cr鋼は最も深刻な腐食を示し、腐食深さは1.2mm以上であった。これは、腐食の加速と異常な腐食形態のため、微生物腐食（MIC）である可能性が高い。 Среди исследованных металлов сталь с 9% Cr показала наиболее сильную коррозию с глубиной коррозии> 1,2 ммм, что, вероятно、является МИК из-за ускоренной коррозии и аномальной формы коррозии. 調査した金属の中で、クロム含有量9%の鋼は腐食深さが1.2mm以上と最も深刻な腐食を示し、これは加速腐食と異常な腐食形態によるMIC（微生物腐食）であると考えられる。研究された金属では、９％Ｃｒ鋼の腐食は最も重く、腐食深さが＞１．２ｍｍであり、加速腐食および常常腐食の形態のため、おそらくＭＩＣである。研究した金属中、9% Cr Среди исследованных металлов наиболее сильно корродировала сталь с 9% Cr, с глубиной коррозии >1,2 мм, скорее всего, МИК из-за ускоренных и аномальных форм коррозии. 調査対象となった金属の中で、クロム含有量9%の鋼が最も激しく腐食し、腐食深さは1.2mmを超えました。これは、加速的かつ異常な腐食形態による微生物腐食（MIC）である可能性が高いと考えられます。9% Cr鋼は高温用途で使用されるため、その腐食挙動はこれまで研究されてきたが43,44、この金属のMICはこれまで報告されていない。 超好熱菌を除く多くの微生物は高温環境（100℃以上）では不活性であるため、このような場合、9%Cr鋼におけるMICは無視できる。 超好熱菌を除く多くの微生物は高温環境（100℃以上）では不活性であるため、このような場合、9%Cr鋼におけるMICは無視できる。 Поскольку многие микроорганизмы, за исключением гипертермофилов, неактивны высокотемпературной среде (>100) °С)、МИК в стали с 9% Cr в таких случаях можно не учитывать. 超好熱菌を除く多くの微生物は高温環境（100℃以上）では不活性であるため、9%Cr鋼におけるMICはこのような場合には無視できる。超高温菌を除けば、多くの微生物は高温環境（>100 °C）では活性を示さず、したがってこの場合の Cr 中の MIC はわずか 9% です。 9% Cr 颃(>100 °C) Поскольку многие микроорганизмы, кроме гипертермофилов, не проявляют активности высокотемпературных средах (>100 °С)、МПК в стали с 9% Cr в данном случае можно не учитывать. 超好熱菌を除く多くの微生物は高温環境（100℃以上）では活動しないため、この場合、9%Cr鋼におけるMICは無視できる。しかし、9%Cr鋼を中温環境で使用する場合、MICを低減するために様々な対策を講じる必要がある。
水と比較して、腐食していない物質の堆積物やバイオフィルム中の腐食生成物では、さまざまな微生物群集とその変化が観察され、腐食が促進された（図5-7）。これは、この腐食がマイクロフォンであることを強く示唆している。 Ramirezら13は、海洋微生物生態系において6ヶ月間にわたる3段階の遷移（FeOB => SRB/IRB => SOB）を報告しており、二次的に濃縮されたSRBによって生成された硫化水素が最終的にSOBの濃縮に寄与する可能性がある。 Ramirezら13は、6ヶ月にわたる海洋微生物生態系における3段階の遷移（FeOB => SRB/IRB => SOB）を報告しており、二次的に濃縮されたSRBによって生成された硫化水素が最終的にSOBの濃縮に寄与する可能性がある。 Ramirez et al.13 сообщают о трехэтапном переходе (FeOB => SRB/IRB => SOB) と морской микробной экосистеме в течение 6 месяцев, когда сероводород, образующийся при вторичном обогащении SRB, может, наконец, способствовать обогащению SOB。 Ramirezら13は、海洋微生物生態系において6ヶ月間にわたる3段階の遷移（FeOB => SRB/IRB => SOB）を報告しており、SRBの二次濃縮によって生成された硫化水素が最終的にSOBの濃縮に寄与する可能性がある。 Ramirez 等の人 13 は、6 か月を超えた海洋微生物生成系における 3 段階の変化 (FeOB => SRB/IRB => SOB) を報告しており、その際の二次富化 SRB によって生成される硫化ガスが SOB の富化に最も貢献している可能性があります。Ramirez 等 人 13 报告了 个超过 超过 6 月 海洋微生物生态系统中的 3 步 转变 转变 转变 转变 转变 转变 转变遷移遷移ｒ ｓｒｂ／ＩＲＢ）、その中の次の濃縮ｓｒｂは、硫化ガスを生成し、嗚咽の濃縮に最も役立つ可能性がある。 Ramirez et al.13 の трехступенчатом переходе (FeOB => SRB/IRB => SOB) と морской микробной экосистеме в течение 6 месяцев, в котором сероводород, образующийся в результате вторичного обогащения SRB, может в конечном итоге最高です обогащениюしくしく。 Ramirezら13は、6ヶ月間の海洋微生物生態系における3段階の遷移（FeOB => SRB/IRB => SOB）を報告しており、SRBの二次濃縮によって生成された硫化水素が最終的にSOBの濃縮に寄与する可能性がある。McBethとEmerson36はFeOBにおける一次濃縮を報告した。 同様に、本研究では腐食初期段階における FeOB の増加が観察されたが、炭素鋼、1% Cr 鋼、2.25% Cr 鋼、鋳鉄において 22 か月にわたって観察された腐食の進行に伴う微生物の変化は FeOB => IRB => SRB であった（図 7 および 8）。 同様に、本研究では腐食初期段階におけるFeOBの増加が観察されたが、炭素鋼、1%および2.25%Cr鋼、鋳鉄において22ヶ月にわたって観察された腐食の進行に伴う微生物の変化はFeOB => IRB => SRBであった（図7および8）。 Точно так же в этом исследовании наблюдается обогащение FeOB на ранней стадии коррозии, но микробные изменения по 1% と 2,25% の Cr が 22 分以内に表示されます。 ୨୧୨୧ FeOB => IRB => SRB (рис. 7 и 8)。 同様に、この研究では腐食の初期段階でFeOBの増加が観察されたが、炭素鋼、1%および2.25%Cr鋼、鋳鉄で22か月にわたって観察された腐食の進行に伴う微生物の変化は、FeOB => IRB => SRBであった（図7および8）。また、本研究では初期の腐食段階ではFeOBが豊富に観察されているが、1%と2.25%のCr钢、および22ヶ月を超えて観察された微生物は腐食の進行に応じてFeOB => IRB => SRBとなっている（図7）和8）。同様に、本研究では初期腐蝕期 feob の富を観察しているが、1% および 2.25% Cr 钢超過 22 個の铸铁中までの微生物腐蝕の進行により FEOB => IRB が変化する。 => SRB（図7および8）。 Аналогичным образом, в этом исследовании наблюдалось обогащение FeOB на ранних стадиях коррозии, но 1% または 2,25% Cr сталях и чугуне в течение 22 месяцев, FeOB => IRB => SRB (рис. 7 и 8)。 同様に、本研究では腐食の初期段階でFeOBの増加が観察されたが、炭素鋼、1%および2.25%Cr鋼、鋳鉄で22か月にわたって観察された微生物学的変化はFeOB => IRB => SRBであった（図7および8）。SRBは、高濃度の硫酸イオンのため海水環境では容易に蓄積するが、低濃度の硫酸イオンのため淡水環境では蓄積が遅れる。海水におけるSRBの蓄積は頻繁に報告されている10,12,45。
a 腐食の初期段階では、鉄(II)依存性エネルギー代謝を介して有機炭素と窒素が酸化鉄(赤色細胞[Dechloromonas sp.]と緑色細胞[Sideroxydans sp.])と鉄(III)還元細菌(灰色細胞[Geothrix sp.とGeobacter sp.])によって生成され、その後、腐食の成熟段階では、嫌気性硫酸還元細菌(SRP)と従属栄養微生物が蓄積された有機物を消費して増殖する。 b 耐腐食性金属上の微生物群集の変化。紫、青、黄、白の細胞は、それぞれComamonadaceae、Nitrospira sp.、Beggiatoacea、その他の科の細菌を表す。
微生物群集の変化と硫酸還元細菌（SRB）の濃縮の可能性に関して、腐食の初期段階では鉄酸化細菌（FeOB）が重要であり、デクロロモナスは鉄（II）の酸化から成長エネルギーを得ることができます。微生物は微量元素を含む培地でも生存できますが、指数関数的に増殖することはありません。しかし、本研究で使用したプランジプールは、流入量が20 m3/hのオーバーフロー槽であり、無機イオンを含む微量元素が継続的に供給されます。腐食の初期段階では、炭素鋼や鋳鉄から鉄イオンが放出され、FeOB（デクロロモナスなど）がそれをエネルギー源として利用します。細胞の成長に必要な微量の炭素、リン酸、窒素は、有機物と無機物の形で処理水中に存在しなければなりません。したがって、この淡水環境では、FeOBは炭素鋼や鋳鉄などの金属表面に最初に濃縮されます。その後、鉄還元細菌（IRB）が成長し、有機物と酸化鉄をそれぞれエネルギー源と最終電子受容体として利用することができます。成熟した腐食生成物では、FeOBとIRBの代謝により窒素が豊富に含まれる嫌気性条件が作り出されるはずである。そのため、SRBは急速に増殖し、FeOBとIRBに取って代わることができる（図8a）。
最近、Tangらは、淡水環境におけるGeobacter ferroreducensによるステンレス鋼の腐食は、鉄から微生物への直接的な電子移動によるものであると報告した46。EMICを考慮すると、EET特性を持つ微生物の寄与が重要である。SRB、FeOB、およびIRBは、本研究の腐食生成物中の主要な微生物種であり、EET特性を持つはずである。したがって、これらの電気化学的に活性な微生物はEETを介して腐食に寄与することができ、腐食生成物が形成されるにつれて、さまざまなイオン種の影響を受けて微生物群集の構成が変化する。一方、9%Cr鋼の微生物群集は他の鋼とは異なっていた（図8b）。14か月後には、FeOBの増加に加えて、Sideroxydans、SOB47Beggiatoacea、およびThiomonasも増加した（図7i）。この変化は、炭素鋼などの他の腐食性物質とは著しく異なり、腐食中に溶解したクロムに富むイオンの影響を受ける可能性がある。特に、Thiomonasは硫黄酸化特性だけでなく、Fe(II)酸化特性、EETシステム、重金属耐性も有している48,49。Fe(II)の酸化活性や金属電子の直接消費によって増殖する可能性がある。以前の研究では、不連続バイオフィルムモニタリングシステムを用いてCu上のバイオフィルムでBeggiatoaceaが比較的豊富に存在することが観察されており、これらの細菌がCuやCrなどの有毒金属に耐性がある可能性が示唆されている。しかし、この環境でBeggiatoaceaが成長するために必要なエネルギー源は不明である。
本研究では、淡水環境における腐食過程における微生物群集の変化について報告する。同一環境下でも、微生物群集は金属の種類によって異なっていた。さらに、鉄依存性の微生物エネルギー代謝が、硫酸還元細菌（SRB）などの他の微生物にとって好ましい栄養豊富な環境の形成を促進するため、腐食初期段階における鉄酸化細菌（FeOB）の重要性が確認された。淡水環境における微生物腐食（MIC）を低減するためには、FeOBと鉄還元細菌（IRB）の増殖を抑制する必要がある。
この研究では 9 種類の金属が使用され、50 × 20 × 1～5 mm のブロックに加工されました (ASTM 395 鋼および 1%、2.25%、9% Cr の厚さ: 5 mm、ASTM A283 および ASTM A179 の厚さ: 3 mm)。 mm; ASTM A109 調質 4/5 およびタイプ 304 および 316 ステンレス鋼の厚さ: 1 mm)、2 つの 4 mm の穴があります。クロム鋼はサンドペーパーで研磨され、他の金属は 600 番のサンドペーパーで研磨されてから浸漬されました。すべてのサンプルは 99.5% エタノールで超音波処理され、乾燥され、重量が測定されました。腐食速度の計算とマイクロバイオーム分析には、各金属の 10 個のサンプルが使用されました。各サンプルは、PTFE ロッドとスペーサー (φ 5 × 30 mm、補足図 2) で梯子状に固定されました。
プールの容積は 1100 立方メートル、深さは約 4 メートルです。水の流入量は 20 m3 h-1 で、オーバーフローは放流され、水質は季節によって変動しませんでした (補足図 3)。サンプルラダーは、タンクの中央に吊り下げられた 3 m の鋼線に降ろされます。2 組のラダーは、1、3、6、14、22 ヶ月目にプールから取り外されました。一方のラダーからのサンプルは重量減少の測定と腐食速度の計算に使用され、もう一方のラダーからのサンプルはマイクロバイオーム分析に使用されました。浸漬タンク内の溶存酸素は、溶存酸素センサー (InPro6860i、Mettler Toledo、米国オハイオ州コロンバス) を使用して、表面と底部付近、および中央で測定されました。
試料上の腐食生成物およびバイオフィルムは、プラスチックスクレーパーで削り取るか、綿棒で拭き取ることで除去し、その後、超音波浴を用いて99.5%エタノールで洗浄した。次に、試料をASTM G1-0351に従ってクラーク溶液に浸漬した。乾燥が完了した後、すべての試料の重量を測定した。次の式を用いて、各試料の腐食速度（mm/年）を計算した。
ここで、Kは定数（8.76 × 10⁴）、Tは露光時間（h）、Aは総表面積（cm²）、Wは質量損失（g）、Dは密度（g cm⁻³）である。
試料の重量を測定した後、3D測定レーザー顕微鏡（LEXT OLS4000、オリンパス、東京、日本）を用いて複数の試料の3D画像を取得した。