Спасибо за посещение Nature.com. Вы используете версию браузера с ограниченной поддержкой CSS. Для наилучшего опыта мы рекомендуем вам использовать обновленный браузер (или отключить режим совместимости в Internet Explorer). Кроме того, для обеспечения постоянной поддержки мы показываем сайт без стилей и JavaScript.
Отображает карусель из трех слайдов одновременно. Используйте кнопки «Предыдущий» и «Следующий», чтобы перемещаться по трем слайдам одновременно, или используйте кнопки слайдера в конце, чтобы перемещаться по трем слайдам одновременно.
В пресноводных средах часто наблюдается ускоренная коррозия углеродистых и нержавеющих сталей. Здесь было проведено 22-месячное исследование погружения в пресноводные резервуары с использованием девяти марок стали. Ускоренная коррозия наблюдалась в углеродистых и хромистых сталях и чугуне, в то время как в нержавеющей стали видимой коррозии не наблюдалось даже через 22 месяца. Анализ микробного сообщества показал, что при общей коррозии Fe(II)-окисляющие бактерии обогащались на ранней стадии коррозии, Fe(III)-восстанавливающие бактерии — на стадии развития коррозии, а сульфатвосстанавливающие бактерии — на стадии коррозии. Напротив, бактерии Beggiatocaea были особенно многочисленны в стали с 9% Cr, подвергшейся локальной коррозии. Эти составы микробных сообществ также отличались от таковых в образцах воды и донных отложений. Таким образом, по мере развития коррозии микробное сообщество претерпевает резкие изменения, а зависящий от железа микробный энергетический метаболизм создает среду, которая может обогащать другие микроорганизмы.
Металлы могут разрушаться и подвергаться коррозии из-за различных физических и химических факторов окружающей среды, таких как pH, температура и концентрация ионов. Кислотные условия, высокие температуры и концентрации хлоридов особенно влияют на коррозию металлов1,2,3. Микроорганизмы в естественной и искусственной среде часто влияют на износ и коррозию металлов, поведение, выражающееся в микробной коррозии (МВК)4,5,6,7,8. МВК часто встречается в таких средах, как внутренние трубы и резервуары для хранения, в металлических щелях и в почве, где она появляется внезапно и быстро развивается. Поэтому мониторинг и раннее обнаружение МВК очень затруднены, поэтому анализ МВК обычно проводится после коррозии. Сообщалось о многочисленных исследованиях случаев МВК, в которых сульфатвосстанавливающие бактерии (СВБ) часто обнаруживались в продуктах коррозии9,10,11,12,13. Однако остается неясным, способствуют ли МВК возникновению коррозии, поскольку их обнаружение основано на посткоррозионном анализе.
В последнее время, в дополнение к бактериям, окисляющим йод21, были зарегистрированы различные микроорганизмы, разрушающие железо, такие как SRB, разрушающие железо14, метаногены15,16,17, нитратредуцирующие бактерии18, бактерии, окисляющие железо19 и ацетогены20. В анаэробных или микроаэробных лабораторных условиях большинство из них разъедают нуль-валентное железо и углеродистую сталь. Кроме того, их механизмы коррозии предполагают, что метаногены и SRB, вызывающие коррозию железа, способствуют коррозии, собирая электроны из нуль-валентного железа с помощью внеклеточных гидрогеназ и многогемовых цитохромов соответственно22,23. MIC делятся на два типа: (i) химические MIC (CMIC), которые являются косвенной коррозией, вызываемой видами, продуцируемыми микробами, и (ii) электрические MIC (EMIC), которые являются прямой коррозией за счет истощения электронов металла24. EMIC, облегченный внеклеточным переносом электронов (EET), представляет большой интерес, поскольку микроорганизмы со свойствами EET вызывают более быструю коррозию, чем микроорганизмы, не обладающие свойствами EET. В то время как скорость-лимитирующей реакцией CMIC в анаэробных условиях является продукция H2 посредством восстановления протонов (H+), EMIC осуществляется посредством метаболизма EET, который не зависит от продукции H2. Механизм EET у различных микроорганизмов связан с производительностью микробного клеточного топлива и электробиосинтеза25,26,27,28,29. Поскольку условия культивирования этих едких микроорганизмов отличаются от условий в естественной среде, неясно, отражают ли эти наблюдаемые процессы микробной коррозии коррозию на практике. Поэтому трудно наблюдать механизм MIC, вызванный этими едкими микроорганизмами в естественной среде.
Развитие технологии секвенирования ДНК облегчило изучение деталей микробных сообществ в естественных и искусственных средах, например, микробное профилирование на основе последовательности гена 16S рРНК с использованием секвенаторов нового поколения использовалось в области микробной экологии30,31. ,32. Были опубликованы многочисленные исследования МИК, в которых подробно описаны микробные сообщества в почвенной и морской среде13,33,34,35,36. В дополнение к SRB также сообщалось об обогащении Fe(II)-окисляющими (FeOB) и нитрифицирующими бактериями в образцах коррозии, например, FeOB, такими как Gallionella spp. и Dechloromonas spp., и нитрифицирующими бактериями, такими как Nitrospira. spp., в углеродистых и медьсодержащих сталях в почвенных средах33. Аналогично, в морской среде быстрая колонизация окисляющих железо бактерий, принадлежащих к классам Zetaproteobacteria и Betaproteobacteria, наблюдалась в течение нескольких недель на углеродистой стали 36 . Эти данные указывают на вклад этих микроорганизмов в коррозию. Однако во многих исследованиях продолжительность и экспериментальные группы ограничены, и мало что известно о динамике микробных сообществ во время коррозии.
Здесь мы исследуем MIC углеродистой стали, хромистой стали, нержавеющей стали и чугуна, используя исследования погружения в аэробную пресноводную среду с историей событий MIC. Образцы отбирались через 1, 3, 6, 14 и 22 месяца, и изучалась скорость коррозии каждого металла и микробного компонента. Наши результаты дают представление о долгосрочной динамике микробных сообществ во время коррозии.
Как показано в Таблице 1, в этом исследовании использовались девять металлов. Десять образцов каждого материала были погружены в бассейн с пресной водой. Качество технологической воды следующее: 30 ppm Cl-, 20 мСм м-1, 20 ppm Ca2+, 20 ppm SiO2, мутность 1 ppm и pH 7,4. Концентрация растворенного кислорода (DO) в нижней части лестницы для отбора проб составляла приблизительно 8,2 ppm, а температура воды колебалась от 9 до 23°C в зависимости от сезона.
Как показано на рисунке 1, после 1 месяца погружения в среды чугуна ASTM A283, ASTM A109 Condition #4/5, ASTM A179 и ASTM A395 на поверхности углеродистой стали наблюдались коричневые продукты коррозии в виде общей коррозии. Потеря веса этих образцов увеличивалась со временем (дополнительная таблица 1), а скорость коррозии составляла 0,13–0,16 мм в год (рис. 2). Аналогичным образом общая коррозия наблюдалась в сталях с низким содержанием Cr (1% и 2,25%) со скоростью коррозии около 0,13 мм/год (рисунки 1 и 2). Напротив, сталь с 9% Cr демонстрирует локальную коррозию, которая возникает в зазорах, образованных прокладками. Скорость коррозии этого образца составляет около 0,02 мм/год, что значительно ниже, чем у стали с общей коррозией. Напротив, нержавеющие стали типов 304 и 316 не демонстрируют видимой коррозии, а предполагаемая скорость коррозии составляет <0,001 мм/год. Напротив, нержавеющие стали типов 304 и 316 не демонстрируют видимой коррозии, а предполагаемые показатели ускорения составляют <0,001 мм/год. Напротив, нержавеющие стали типов 304 и 316 не постоянно наблюдают за исправностью, при этом расчетная скорость калибровки составляет <0,001 мм/год. Напротив, нержавеющие стали типов 304 и 316 не демонстрируют видимой коррозии, а предполагаемая скорость коррозии составляет <0,001 мм/год.304-316, 304-316, 304-316, 304-316, 304-316, 304-316, 0,001 мм·год.304-316, 304-316, 304-316, 304-316, 304-316, 304-316, 0,001 мм·год. Напротив, нержавеющие стали типа 304 и -316 не наблюдаются изменения с расчетной скоростью обработки <0,001 мм/год. Напротив, нержавеющие стали типов 304 и -316 не показали видимой коррозии при расчетной скорости коррозии <0,001 мм/год.
Показаны макроскопические изображения каждого образца (высота 50 мм × ширина 20 мм) до и после удаления окалины. 1 метр, 1 месяц; 3 метра, 3 месяца; 6 метров, 6 месяцев; 14 метров, 14 месяцев; 22 метра, 22 месяца; S, ASTM A283; SP, ASTM A109, состояние 4/5; FC, ASTM A395; B, ASTM A179; 1C, сталь 1% Cr; 3C, сталь 2,25% Cr; сталь 9C, сталь 9% Cr; S6, нержавеющая сталь 316; S8, нержавеющая сталь типа 304.
Скорость коррозии рассчитывалась с использованием потери веса и времени погружения. S, ASTM A283, SP, ASTM A109, закаленная 4/5, FC, ASTM A395, B, ASTM A179, 1C, сталь 1% Cr, 3 C, сталь 2,25% Cr, 9 C, сталь 9% Cr, S6, нержавеющая сталь типа 316; S8, нержавеющая сталь типа 304.
На рис. 1 также показано, что продукты коррозии углеродистой стали, стали с низким содержанием хрома и чугуна развиваются дальше после погружения в воду в течение 3 месяцев. Общая скорость коррозии постепенно снизилась до 0,07 ~ 0,08 мм/год после 22 месяцев (рисунок 2). Кроме того, скорость коррозии стали с содержанием 2,25% хрома была немного ниже, чем у других корродированных образцов, что указывает на то, что хром может ингибировать коррозию. Помимо общей коррозии, согласно ASTM A179, через 22 месяца наблюдалась локальная коррозия с глубиной коррозии около 700 мкм (рисунок 3). Скорость локальной коррозии, рассчитанная с использованием глубины коррозии и времени погружения, составляет 0,38 мм/год, что примерно в 5 раз быстрее общей коррозии. Скорость коррозии сплава ASTM A395 может быть недооценена, поскольку продукты коррозии не полностью удаляют окалину после 14 или 22 месяцев погружения в воду. Однако разница должна быть минимальной. Кроме того, в корродированной стали с низким содержанием хрома было обнаружено множество мелких язв.
Полное изображение (масштабная линейка: 10 мм) и локализованная коррозия (масштабная линейка: 500 мкм) стали ASTM A179 и 9% Cr на максимальной глубине с использованием 3D-визуального лазерного микроскопа. Красные круги на полном изображении указывают на измеренную локализованную коррозию. Полный вид стали 9% Cr с обратной стороны показан на рисунке 1.
Как показано на рис. 2, для стали с 9% Cr коррозия не наблюдалась в течение 3-14 месяцев, а скорость коррозии была практически нулевой. Однако локализованная коррозия наблюдалась через 22 месяца (рисунок 3) со скоростью коррозии 0,04 мм/год, рассчитанной с использованием потери веса. Максимальная локализованная глубина коррозии составляет 1260 мкм, а локализованная скорость коррозии, оцененная с использованием глубины коррозии и времени погружения (22 месяца), составляет 0,68 мм/год. Поскольку точная точка начала коррозии неизвестна, скорость коррозии может быть выше.
Напротив, на нержавеющей стали не наблюдалось видимой коррозии даже после 22 месяцев погружения. Хотя на поверхности до удаления окалины наблюдалось несколько коричневых частиц (рис. 1), они были слабо прикреплены и не являлись продуктами коррозии. Поскольку металл снова появляется на поверхности нержавеющей стали после удаления окалины, скорость коррозии практически равна нулю.
Секвенирование ампликонов было проведено для понимания различий и динамики микробных сообществ с течением времени в продуктах коррозии и биопленках на металлических поверхностях, в воде и отложениях. Всего было получено 4 160 012 прочтений с диапазоном от 31 328 до 124 183 прочтений.
Индексы Шеннона проб воды, взятых из водозаборов и прудов, варьировались от 5,47 до 7,45 (рис. 4а). Поскольку очищенная речная вода используется в качестве промышленной, микробное сообщество может меняться сезонно. Напротив, индекс Шеннона проб донных отложений составил около 9, что значительно выше, чем у проб воды. Аналогично, пробы воды имели более низкие расчетные индексы Chao1 и наблюдаемые операционные таксономические единицы (OTU), чем пробы отложений (рис. 4б, с). Эти различия статистически значимы (критерий Тьюки-Крамера; p-значения < 0,01, рис. 4d), что указывает на то, что микробные сообщества в образцах отложений более сложные, чем в образцах воды. Эти различия статистически значимы (критерий Тьюки-Крамера; значения p < 0,01, рис. 4d), что указывает на то, что микробные сообщества в образцах донных отложений более сложные, чем в образцах воды. Эти различия статистических значимостей (критерий Тьюки-Крамера; значения p <0,01, рис. 4d), что свидетельствует о том, что микробные сообщества в выборках донных отложений более сложны, чем в выборках воды. Эти различия статистически значимы (критерий Тьюки-Крамера; значения p < 0,01, рис. 4d), что указывает на то, что микробные сообщества в образцах донных отложений более сложные, чем в образцах воды.这些差异具有统计学意义（Тьюки-Крамер 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。。。。。。。。。 Эти различия были статистически значимыми (критерий Тьюки-Крамера; p-значение <0,01, рис. 4d), что позволяет предположить, что микробные сообщества в выборках донных отложений были более сложны, чем в образцах воды. Эти различия были статистически значимыми (критерий Тьюки-Крамера; p-значение <0,01, рис. 4d), что свидетельствует о том, что микробные сообщества в образцах донных отложений были более сложными, чем в образцах воды.Поскольку вода в водосборном бассейне постоянно обновляется, а осадки оседают на дно бассейна без механического воздействия, эта разница в микробном разнообразии должна отражать экосистему бассейна.
a Индекс Шеннона, b Наблюдаемая операционная таксономическая единица (OTU) и c Индекс поглощения Chao1 (n=6) и бассейн (n=5) Вода, осадок (n=3), ASTM A283 (S: n=5), ASTM A109 Темпер #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-стали, а также нержавеющие стали типа 316 (S6: n = 5) и -304 (S8: n = 5) показаны в виде коробчатых и усовых диаграмм. d Значения p для индексов Шеннона и Chao1, полученные с помощью ANOVA и множественных сравнительных тестов Тьюки-Крамера. Красный фон представляет пары со значениями p < 0,05. Красный фон представляет пары со значениями p < 0,05. Красные фоны представлены парами со значениями p<0,05. Красный фон представляет пары со значениями p < 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. Красные фоны представлены парами с p-значениями <0,05. Красный фон представляет пары со значениями p < 0,05.Линия в середине прямоугольника, верхняя и нижняя части прямоугольника, а также усы представляют собой медиану, 25-й и 75-й процентили, а также минимальное и максимальное значения соответственно.
Индексы Шеннона для углеродистой стали, стали с низким содержанием хрома и чугуна были аналогичны индексам для образцов воды (рис. 4а). Напротив, индексы Шеннона образцов нержавеющей стали значительно выше, чем у корродированных сталей (значения p < 0,05, рис. 4d), и аналогичны индексам отложений. Напротив, индексы Шеннона образцов из нержавеющей стали значительно выше, чем у корродированных сталей (значения p < 0,05, рис. 4d), и аналогичны индексам отложений. Напротив, индексы Шеннона образцов из нержавеющей стали значительно выше, чем у корродированных сталей (значения p<0,05, рис. 4г), и аналогичные индексам отложений. Напротив, индексы Шеннона образцов из нержавеющей стали значительно выше, чем у корродированных сталей (значения p < 0,05, рис. 4d) и аналогичны индексам отложений.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, индекс Шеннона образцов из нержавеющей стали был значительно выше, чем у корродированной стали (значение p <0,05, рис. 4г), как и у отложений. Напротив, индекс Шеннона образцов из нержавеющей стали был значительно выше, чем у корродированной стали (значение p < 0,05, рис. 4d), как и отложение.Напротив, индекс Шеннона для сталей с 9% Cr варьировался от 6,95 до 9,65. Эти значения были значительно выше в некорродированных образцах через 1 и 3 месяца, чем в корродированных образцах через 6, 14 и 22 месяца (рис. 4а). Кроме того, индексы Chao1 и наблюдаемые OTU сталей с 9% Cr выше, чем у корродированных и водных образцов, и ниже, чем у некорродированных и отложений (рис. 4b, c), и различия статистически значимы (p-значения < 0,01, рис. 4d). Кроме того, индексы Chao1 и наблюдаемые OTU сталей с 9% Cr выше, чем у корродированных и водных образцов, и ниже, чем у некорродированных и осадочных образцов (рис. 4b, c), и различия статистически значимы (p-значения < 0,01, рис. 4d).Кроме того, Chao1 и наблюдаемые OTU сталей с 9% Cr выше, чем у корродированных и водных образцов, и ниже, чем у некорродированных и осадочных образцов (рис. 4б, с), и различия статистически значимы.(р-значения <0,01, рис. 4д). (p-значения < 0,01, рис. 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 ， ， ， ， ， ， ， ， ， 4d）. Кроме того, индекс Chao1 и наблюдаемые OTU стали с изменением 9 % Cr были выше, чем у корродированных и фазовых образцов, и ниже, чем у некорродированных и осадочных образцов (рис. 4б,в), а разница была случайной величиной (p-значение < 0,01, рис. 4г). Кроме того, индекс Chao1 и наблюдаемая OTU стали с 9% Cr были выше, чем у корродированных и водных образцов, и ниже, чем у некорродированных и осадочных образцов (рис. 4b,c), и разница была статистически значимой (p-значение < 0,01, рис. 4d).Полученные результаты свидетельствуют о том, что микробное разнообразие в продуктах коррозии ниже, чем в биопленках на некорродированных металлах.
На рис. 5а показан график анализа главных координат (PCoA), основанный на невзвешенном расстоянии UniFrac для всех образцов, с тремя основными наблюдаемыми кластерами. Микробные сообщества в образцах воды значительно отличались от других сообществ. Микробные сообщества в отложениях также включали сообщества нержавеющей стали, в то время как они были широко распространены в образцах коррозии. Напротив, карта стали с 9% Cr разделена на некорродированные и корродированные кластеры. Следовательно, микробные сообщества на металлических поверхностях и продуктах коррозии значительно отличаются от сообществ в воде.
График анализа главных координат (PCoA) на основе невзвешенных расстояний UniFrac во всех образцах (a), воде (b) и металлах (c). Кружками выделен каждый кластер. Траектории представлены линиями, последовательно соединяющими периоды выборки. 1 метр, 1 месяц; 3 метра, 3 месяца; 6 метров, 6 месяцев; 14 метров, 14 месяцев; 22 метра, 22 месяца; S, ASTM A283; SP, ASTM A109, состояние 4/5; FC, ASTM A395; B, ASTM A179; 1C, сталь 1% Cr; 3C сталь, сталь 2,25% Cr; сталь 9C, сталь 9% Cr; S6, нержавеющая сталь 316; S8, нержавеющая сталь типа 304.
При расположении в хронологическом порядке графики PCoA образцов воды имели круговую структуру (рис. 5b). Этот циклический переход может отражать сезонные изменения.
Кроме того, на графиках PCoA металлических образцов наблюдалось только два кластера (корродированные и некорродированные), где (за исключением 9% хромированной стали) также наблюдался сдвиг микробного сообщества от 1 до 22 месяцев (рис. 5c). Кроме того, поскольку переходы в корродированных образцах были больше, чем в некорродированных образцах, наблюдалась корреляция между изменениями микробных сообществ и прогрессированием коррозии. В образцах стали с 9% Cr было выявлено два типа микробных сообществ: точки в 1 и 6 месяцев, расположенные вблизи нержавеющей стали, и другие (3, 14 и 22 месяца), расположенные в точках, близких к корродированной стали. Купоны, использованные для извлечения ДНК в 1 месяц и 6 месяцев, не были корродированы, в то время как купоны в 3, 14 и 22 месяца были корродированы (Дополнительный рисунок 1). Таким образом, микробные сообщества в корродированных образцах отличались от сообществ в воде, осадках и некорродированных образцах и изменялись по мере развития коррозии.
Основными типами микробных сообществ, наблюдаемых в образцах воды, были Proteobacteria (30,1–73,5%), Bacteroidetes (6,3–48,6%), Planctomycetota (0,4–19,6%) и Actinobacteria (0–17,7%), их относительное обилие варьировалось от образца к образцу (рис. 6), например, относительное обилие Bacteroidetes в прудовой воде было выше, чем в абстрактной воде. На эту разницу может влиять время пребывания воды в сливном резервуаре. Эти типы также наблюдались в образцах донных отложений, но их относительное обилие значительно отличалось от такового в образцах воды. Кроме того, относительное содержание Acidobacteriota (8,7–13,0%), Chloroflexi (8,1–10,2%), Nitrospirota (4,2–4,4%) и Desulfobacterota (1,5–4,4%) %) было выше, чем в образцах воды. Поскольку почти все виды Desulfobacterota относятся к SRB37, среда в осадке должна быть анаэробной. Хотя Desulfobacterota, возможно, и влияет на коррозию, риск должен быть крайне низким, поскольку их относительное содержание в воде бассейна составляет <0,04%. Хотя Desulfobacterota, возможно, и влияет на коррозию, риск должен быть крайне низким, поскольку их относительное содержание в воде бассейна составляет <0,04%. Хотя Desulfobacterota, возможно, вызывают коррозию, риск должен быть крайне низким, поскольку их содержание в воде бассейна составляет <0,04%. Хотя Desulfobacterota может оказывать влияние на коррозию, риск должен быть крайне низким, поскольку их относительное содержание в воде бассейна составляет <0,04%.Оптимальное соотношение <0,04%. <0,04%。 Хотя тип Desulfobacillus может вызывать коррозию, риск должен быть весьма низким, поскольку их относительное содержание в воде бассейна составляет <0,04%. Хотя тип Desulfobacillus может вызывать коррозию, риск должен быть крайне низким, поскольку их относительное содержание в воде бассейна составляет <0,04%.
RW и Air представляют собой пробы воды из водозабора и бассейна соответственно. Sediment-C, -E, -W представляют собой пробы осадков, взятые из центра дна бассейна, а также с восточной и западной сторон. 1 метр, 1 месяц; 3 метра, 3 месяца; 6 метров, 6 месяцев; 14 метров, 14 месяцев; 22 метра, 22 месяца; S, ASTM A283; SP, ASTM A109, состояние 4/5; FC, ASTM A395; B, ASTM A179; 1C, сталь 1% Cr; 3C сталь, сталь 2,25% Cr; сталь 9C, сталь 9% Cr; S6, нержавеющая сталь 316; S8, нержавеющая сталь типа 304.
На уровне рода во все сезоны наблюдалась несколько более высокая доля (6–19%) неклассифицированных бактерий, относящихся к семейству Trichomonadaceae, а также Neosphingosine, Pseudomonas и Flavobacterium. Как второстепенные основные компоненты, их доли варьируют (рис. 1). . 7а и б). В притоках относительное обилие Flavobacterium, Pseudovibrio и Rhodoferrobacter было выше только зимой. Аналогично в зимней воде бассейна наблюдалось более высокое содержание Pseudovibrio и Flavobacterium. Таким образом, микробные сообщества в пробах воды варьировались в зависимости от сезона, но не претерпевали резких изменений в течение периода исследования.
a Водозаборная вода, b Вода для плавательного бассейна, 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 сталь, j Тип-316 и нержавеющая сталь K-304.
Протеобактерии были основными компонентами во всех образцах, но их относительное обилие в корродированных образцах уменьшалось по мере прогрессирования коррозии (рис. 6). В образцах ASTM A179, ASTM A109 Temp No. 4/5, ASTM A179, ASTM A395 и 1% и 2,25% Cr относительное обилие протеобактерий уменьшилось с 89,1%, 85,9%, 89,6%, 79,5%, 84,8%. , 83,8% составляют 43,3%, 52,2%, 50,0%, 41,9%, 33,8% и 31,3% соответственно. Напротив, относительное содержание Desulfobacterota постепенно увеличивается от <0,1% до 12,5–45,9% по мере развития коррозии. Напротив, относительное содержание Desulfobacterota постепенно увеличивается от <0,1% до 12,5–45,9% по мере развития коррозии. Напротив, относительное содержание Desulfobacterota постепенно увеличивается с <0,1% до 12,5–45,9% по мере развития болезни. Напротив, относительное обилие Desulfobacterota постепенно увеличивается от <0,1% до 12,5–45,9% по мере прогрессирования коррозии.<0,1% и 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, относительная численность Desulfobacillus постепенно увеличивалась с <0,1% до 12,5–45,9% по мере развития болезни. Напротив, относительное содержание Desulfobacillus постепенно увеличивалось с <0,1% до 12,5–45,9% по мере прогрессирования коррозии.Таким образом, по мере развития коррозии Proteobactereira была заменена Desulfobacterota.
Напротив, биопленки на некорродированной нержавеющей стали содержали те же пропорции различных бактерий. 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%). Было обнаружено, что доля Nitrospirota в образцах нержавеющей стали постепенно увеличивалась (рис. 6). Эти соотношения аналогичны соотношениям в образцах осадка, что соответствует графику PCoA, показанному на рис. 5а.
В образцах стали, содержащих 9% Cr, наблюдались два типа микробных сообществ: микробные сообщества 1-месячного и 6-месячного возраста были аналогичны таковым в образцах донных отложений, в то время как доля протеобактерий в образцах коррозии 3, 14 и 22 месяцев значительно увеличилась. Кроме того, эти два микробных сообщества в образцах стали 9% Cr соответствовали разделенным кластерам на графике PCoA, показанном на рис. 5c.
На уровне рода было обнаружено более 2000 ОТЕ, содержащих неидентифицированные бактерии и археи. На уровне рода было обнаружено более 2000 ОТЕ, содержащих неидентифицированные бактерии и археи.На уровне рода обнаружено более 2000 ОТЕ, содержащих неидентифицированные бактерии и археи.На уровне рода было обнаружено более 2000 OTU, содержащих неуточненные бактерии и археи. Среди них мы сосредоточились на 10 OTU с высокой популяцией в каждом образце. Это охватывает 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 стали и нержавеющие стали Type 316 и -304.
Относительно высокое содержание дехлорированных монолитов с окисляющими свойствами Fe(II) наблюдалось в образцах коррозии, таких как ASTM A179, ASTM A109 Temp No. 4/5, ASTM A179, ASTM A395 и стали с 1% и 2,25% Cr. ранняя стадия коррозии (1 месяц и 3 месяца, рис. 7c-h). Доля Dechloromonas уменьшалась с течением времени, что соответствовало уменьшению Proteobacteria (рис. 6). Более того, доля Dechloromonas в биопленках на образцах, не подвергшихся коррозии, составляет <1%. Более того, доля Dechloromonas в биопленках на образцах, не подвергшихся коррозии, составляет <1%. Кроме того, доля Dechromonas в биопленках на некорродированных образцах составляет <1%. Кроме того, доля Dechloromonas в биопленках на некорродированных образцах составляет <1%.<1%。< 1% Кроме того, доля дехлормонад в биопленке некорродированных образцов была <1%. При этом доля Dechloromonas в биопленке некорродированных образцов составляла <1%.Таким образом, среди продуктов коррозии на ранней стадии коррозии наблюдается значительное обогащение Dechloromonas.
Напротив, в ASTM A179, ASTM A109 закаленных #4/5, ASTM A179, ASTM A395 и сталях с 1% и 2,25% Cr доля видов SRB Desulfovibrio наконец увеличилась через 14 и 22 месяца (рис. 7c–h). Desulfofibrio был очень низким или не обнаружен на ранних стадиях коррозии, в образцах воды (рис. 7a, b) и в некорродированных биопленках (рис. 7j, j). Это убедительно свидетельствует о том, что Desulfovibrio предпочитает среду образующихся продуктов коррозии, хотя они не влияют на коррозию на ранних стадиях коррозии.
Fe(III)-восстанавливающие бактерии (RRB), такие как Geobacter и Geothrix, были обнаружены в продуктах коррозии на средних стадиях коррозии (6 и 14 месяцев), но доля поздних (22 месяца) стадий коррозии у них выше. относительно низкая (рис. 7c, eh). Род Sideroxydans со свойствами окисления Fe(II) показал похожее поведение (рис. 7f), поэтому доля FeOB, IRB и SRB была выше только в корродированных образцах. Это убедительно свидетельствует о том, что изменения в этих микробных сообществах связаны с прогрессированием коррозии.
В стали с 9% Cr, корродированной через 3, 14 и 22 месяца, наблюдалась более высокая доля членов семейства Beggiatoacea (8,5–19,6%), которые могут проявлять сероокисляющие свойства, и наблюдались sideroxidans (8,4–13,7%) (рис. 1). ). 7i) Кроме того, Thiomonas, сероокисляющая бактерия (SOB), была обнаружена в большем количестве (3,4% и 8,8%) через 3 и 14 месяцев. Напротив, нитратредуцирующие бактерии Nitrospira (12,9%) наблюдались в 6-месячных некорродированных образцах. Повышенная доля Nitrospira также наблюдалась в биопленках на нержавеющей стали после погружения (рис. 7j,k). Таким образом, микробные сообщества 1- и 6-месячных некорродированных 9% Cr сталей были аналогичны таковым в биопленках нержавеющей стали. Кроме того, микробные сообщества стали с содержанием 9% хрома, подвергшейся коррозии через 3, 14 и 22 месяца, отличались от продуктов коррозии углеродистых и низкохромистых сталей, а также чугуна.
Развитие коррозии обычно происходит медленнее в пресной воде, чем в морской, поскольку концентрация ионов хлорида влияет на коррозию металла. Однако некоторые виды нержавеющей стали могут корродировать в пресноводных средах38,39. Кроме того, изначально подозревали MIC, поскольку ранее в бассейне с пресной водой, использованном в этом исследовании, наблюдался корродированный материал. В долгосрочных исследованиях погружения были обнаружены различные формы коррозии, три типа микробных сообществ и изменение микробных сообществ в продуктах коррозии.
Пресноводная среда, используемая в данном исследовании, представляет собой закрытый резервуар для технической воды, взятой из реки с относительно стабильным химическим составом и сезонным изменением температуры воды в диапазоне от 9 до 23 °C. Поэтому сезонные колебания микробных сообществ в образцах воды могут быть связаны с изменениями температуры. Кроме того, микробное сообщество в воде бассейна несколько отличалось от такового во входной воде (рис. 5b). Вода в бассейне постоянно заменяется из-за перелива. Следовательно, РК оставался на уровне ~8,2 ppm даже на промежуточных глубинах между поверхностью бассейна и дном. Напротив, среда осадка должна быть анаэробной, поскольку он оседает и остается на дне водоема, и микробная флора в нем (такая как CRP) также должна отличаться от микробной флоры в воде (рис. 6). Поскольку купоны в бассейне находились дальше от осадков, они подвергались воздействию пресной воды только во время исследований погружения в аэробных условиях.
Общая коррозия происходит в углеродистой стали, стали с низким содержанием хрома и чугуне в пресноводных средах (рисунок 1), поскольку эти материалы не являются коррозионно-стойкими. Однако скорость коррозии (0,13 мм в год) в абиотических условиях пресной воды была выше, чем в предыдущих исследованиях40 (0,04 мм в год) и была сопоставима со скоростью коррозии (0,02–0,76 мм в год) в присутствии микроорганизмов 1) Аналогично условиям пресной воды40,41,42. Эта ускоренная скорость коррозии является характеристикой MIC.
Кроме того, после 22 месяцев погружения в нескольких металлах под продуктами коррозии наблюдалась локализованная коррозия (рис. 3). В частности, локализованная скорость коррозии, наблюдаемая в ASTM A179, примерно в пять раз выше общей коррозии. Эта необычная форма коррозии и ускоренная скорость коррозии также наблюдались при коррозии, происходящей на том же объекте. Таким образом, погружение, проведенное в этом исследовании, отражает коррозию на практике.
Среди исследованных металлов наиболее серьезную коррозию продемонстрировала 9% хромистая сталь с глубиной коррозии >1,2 мм, что, вероятно, является минимальным показателем из-за ускоренной коррозии и аномальной формы коррозии. Среди исследованных металлов наиболее серьезную коррозию продемонстрировала 9% хромистая сталь с глубиной коррозии >1,2 мм, что, вероятно, является минимальным показателем из-за ускоренной коррозии и аномальной формы коррозии. Среди исследуемых металлов сталь с 9% Cr показала наиболее сильную коррозию с глубиной коррозии > 1,2 мм, что, вероятно, является МИК из-за ускоренной версии и аномальной формы версии. Среди исследованных металлов сталь с 9% Cr показала самую сильную коррозию с глубиной коррозии >1,2 мм, что, вероятно, является минимальным показателем из-за ускоренной коррозии и аномальной формы коррозии.在所研究的金属中,9% Cr 钢的腐蚀最为严重,腐蚀深度>1,2 мм, дюйм, дюйм, дюйм, микрофон.Защитная пленка, 9% Cr Среди исследуемых материалов наиболее сильно корродировала сталь с содержанием Cr 9%, с глубиной коррозии >1,2 мм, скорее всего, МИК из-за ускоренных и аномальных форм коррозии. Среди исследованных металлов наиболее сильно корродировала сталь с содержанием 9% Cr, глубина коррозии составила >1,2 мм, вероятнее всего, МИК из-за ускоренных и аномальных форм коррозии.Поскольку сталь с 9% Cr используется в условиях высоких температур, ее коррозионное поведение изучалось ранее43,44, но данные о МИК для этого металла ранее не сообщались. Поскольку многочисленные микроорганизмы, за исключением гипертермофилов, неактивны в высокотемпературной среде (>100 °C), МИК в стали с 9% Cr в таких случаях можно игнорировать. Поскольку многочисленные микроорганизмы, за исключением гипертермофилов, неактивны в условиях высоких температур (>100 °C), МИК в стали с 9% Cr в таких случаях можно игнорировать. Поскольку многие проявления, за исключением гипертермофилов, неактивны в высокотемпературной среде (>100 °С), МИК в стали с 9% Cr в таких случаях можно не учитывать. Поскольку многие микроорганизмы, за исключением гипертермофилов, неактивны в условиях высоких температур (>100°C), МИК в стали с 9% Cr в таких случаях можно не учитывать.由于除超嗜热菌外, 许多微生物在高温环境(>100 °C) 9% Cr и MIC. 9% Cr при температуре (>100 °C) Поскольку многие наблюдения, кроме гипертермофилов, не проявляют активности в высокотемпературных средах (>100 °С), МПК в стали с 9% Cr в данном случае можно не учитывать. Поскольку многие микроорганизмы, за исключением гипертермофилов, не проявляют активности в высокотемпературных средах (>100 °C), то МПК в стали с 9% Cr в данном случае можно не учитывать.Однако при использовании стали с содержанием 9% Cr в условиях средней температуры необходимо принимать различные меры для снижения МПК.
В отложениях некорродированного материала и в продуктах коррозии в биопленках по сравнению с водой наблюдались различные микробные сообщества и их изменения, в дополнение к ускоренной коррозии (рис. 5-7), что убедительно свидетельствует о том, что эта коррозия является микрофоном. Рамирес и др.13 сообщают о трехэтапном переходе (FeOB => SRB/IRB = > SOB) в морской микробной экосистеме в течение 6 месяцев, при этом сероводород, продуцируемый вторично обогащенными SRB, может в конечном итоге способствовать обогащению SOB. Рамирес и др.13 сообщают о трехэтапном переходе (FeOB => SRB/IRB => SOB) в морской микробной экосистеме в течение 6 месяцев, когда сероводород, продуцируемый вторично обогащенными SRB, может в конечном итоге способствовать обогащению SOB. Рамирес и др.13 сообщают о трехэтапном переходе (FeOB => SRB/IRB => SOB) в морской микробной экосистеме в течение 6 месяцев, когда сероводород, образующийся при вторичном обогащении SRB, может, наконец, обеспечить обогащение SOB. Рамирес и др.13 сообщают о трехэтапном переходе (FeOB => SRB/IRB => SOB) в морской микробной экосистеме в течение периода в 6 месяцев, где сероводород, образующийся в результате вторичного обогащения SRB, в конечном итоге может способствовать обогащению SOB. Рамирес 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 - 13 лет, 个 - 超过 超过 6 个 - 月 海洋, 微生物 生态 系统 中 的 三, 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 рыдать 的富集。 Ramirez et al.13 произошел о трехступенчатом переходе (FeOB => SRB/IRB => SOB) в морской микробной экосистеме в течение 6 месяцев, в котором сероводород, образующийся в результате вторичного обогащения SRB, может в конечном итоге обеспечить обогащение SOB. Рамирес и др.13 сообщили о трехэтапном переходе (FeOB => SRB/IRB => SOB) в морской микробной экосистеме в течение периода в 6 месяцев, в ходе которого сероводород, образующийся при вторичном обогащении SRB, в конечном итоге может способствовать обогащению SOB.Макбет и Эмерсон36 сообщили о первичном обогащении FeOB. Аналогичным образом, в этом исследовании наблюдается обогащение FeOB на ранней стадии коррозии, но микробные изменения с прогрессированием коррозии, наблюдаемые в углеродистых и 1% и 2,25% Cr сталях и чугуне в течение 22 месяцев, представляют собой FeOB => IRB => SRB (рис. 7 и 8). Аналогичным образом, в этом исследовании наблюдается обогащение FeOB на ранней стадии коррозии, но микробные изменения с прогрессированием коррозии, наблюдаемые в углеродистых и 1% и 2,25% Cr сталях и чугуне в течение 22 месяцев, представляют собой FeOB => IRB => SRB (рис. 7 и 8). Точно так же в этом случае наблюдается обогащение FeOB на ранней стадии регистрации, но микробные изменения по мере прогресса в странах, наблюдаемые в углеродистых и 1% и 2,25% Cr сталях и в обращении в течение 22 месяцев, представляют собой FeOB => IRB = > SRB (рис. 7 и 8). Аналогично в этом исследовании наблюдается обогащение FeOB на ранней стадии коррозии, но микробные изменения по мере прогрессирования коррозии, наблюдаемые в углеродистых и 1% и 2,25% Cr сталях и чугуне в течение 22 месяцев, являются FeOB => IRB => SRB (рисунки 7 и 8).FeOB 的富集, 1% и 2,25% Cr 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）。 Аналогичным образом, в этом проведении наблюдалось обогащение FeOB на ранних стадиях внесения, но микробиологические изменения, наблюдаемые в углеродистых и 1% и 2,25% Cr сталях и в чугуне в течение 22 месяцев, были FeOB => IRB => SRB (рис. 7 и 8). Аналогичным образом, в этом исследовании наблюдалось обогащение FeOB на ранних стадиях коррозии, но микробиологические изменения, наблюдаемые в углеродистых и 1% и 2,25% Cr сталях и чугуне в течение 22 месяцев, были следующими: FeOB => IRB => SRB (рис. 7 и 8).SRB могут легко накапливаться в морской воде из-за высокой концентрации сульфат-ионов, но их обогащение в пресноводной среде задерживается низкой концентрацией сульфат-ионов. Обогащение SRB в морской воде часто отмечалось10,12,45.
a Органический углерод и азот через Fe(II)-зависимый энергетический метаболизм оксид железа (красные [Dechloromonas sp.] и зеленые [Sideroxydans sp.] клетки) и бактерии, восстанавливающие Fe(III) (серые клетки [Geothrix sp. и Geobacter sp.]) на ранней стадии коррозии, затем анаэробные сульфатредуцирующие бактерии (SRP) и гетеротрофные микроорганизмы обогащают зрелую стадию коррозии, потребляя накопленное органическое вещество. b Изменения в микробных сообществах на коррозионно-стойких металлах. Фиолетовые, синие, желтые и белые клетки представляют бактерии из семейств Comamonadaceae, Nitrospira sp., Beggiatoacea и других соответственно.
Что касается изменений в микробном сообществе и возможного обогащения SRB, FeOB имеет решающее значение на ранней стадии коррозии, и Dechloromonas может получать энергию для роста от окисления Fe(II). Микроорганизмы могут выживать в средах, содержащих микроэлементы, но они не будут расти экспоненциально. Однако погружной бассейн, используемый в этом исследовании, представляет собой переливной бассейн с притоком 20 м3/ч, который непрерывно поставляет микроэлементы, содержащие неорганические ионы. На ранних стадиях коррозии ионы железа высвобождаются из углеродистой стали и чугуна, и FeOB (такие как Dechloromonas) используют их в качестве источника энергии. Следовые количества углерода, фосфата и азота, необходимые для роста клеток, должны присутствовать в технологической воде в виде органических и неорганических веществ. Поэтому в этой пресноводной среде FeOB изначально обогащается на металлических поверхностях, таких как углеродистая сталь и чугун. Впоследствии IRB могут расти и использовать органические вещества и оксиды железа в качестве источников энергии и конечных акцепторов электронов соответственно. В зрелых продуктах коррозии должны создаваться анаэробные условия, обогащенные азотом, за счет метаболизма FeOB и IRB. Поэтому SRB может быстро расти и замещать FeOB и IRB (рис. 8а).
Недавно Тан и др. сообщили о коррозии нержавеющей стали Geobacter ferroreducens в пресноводных средах из-за прямого переноса электронов от железа к микробам46. Учитывая EMIC, вклад микроорганизмов со свойствами EET имеет решающее значение. SRB, FeOB и IRB являются основными видами микроорганизмов в продуктах коррозии в этом исследовании, которые должны иметь характеристики EET. Следовательно, эти электрохимически активные микроорганизмы могут способствовать коррозии через EET, и состав их сообщества изменяется под влиянием различных ионных видов по мере образования продуктов коррозии. Напротив, микробное сообщество в стали с 9% Cr отличалось от других сталей (рис. 8b). Через 14 месяцев, в дополнение к обогащению FeOB, такие как Sideroxydans, SOB47, также обогащались Beggiatoacea и Thiomonas (рис. 7i). Это изменение заметно отличается от изменения других коррозионных материалов, таких как углеродистая сталь, и может быть обусловлено богатыми хромом ионами, растворенными во время коррозии. Примечательно, что Thiomonas обладает не только свойствами окисления серы, но и свойствами окисления Fe(II), системой EET и толерантностью к тяжелым металлам48,49. Они могут быть обогащены за счет окислительной активности Fe(II) и/или прямого потребления электронов металла. В предыдущем исследовании относительно высокая численность Beggiatoacea наблюдалась в биопленках на Cu с использованием прерывистой системы мониторинга биопленки, что позволяет предположить, что эти бактерии могут быть устойчивы к токсичным металлам, таким как Cu и Cr. Однако источник энергии, необходимый Beggiatoacea для роста в этой среде, неизвестен.
В этом исследовании описываются изменения в микробных сообществах во время коррозии в пресноводных средах. В одной и той же среде микробные сообщества различались по типу металла. Кроме того, наши результаты подтверждают важность FeOB на ранних стадиях коррозии, поскольку зависящий от железа микробный энергетический метаболизм способствует формированию богатой питательными веществами среды, благоприятной для других микроорганизмов, таких как SRB. Для снижения MIC в пресноводных средах обогащение FeOB и IRB должно быть ограничено.
В этом исследовании использовались девять металлов, которые были обработаны в блоки размером 50 × 20 × 1–5 мм (толщина для стали ASTM 395 и 1%, 2,25% и 9% Cr: 5 мм; толщина для ASTM A283 и ASTM A179: 3 мм). мм; ASTM A109 Temper 4/5 и нержавеющая сталь Type 304 и 316, толщина: 1 мм), с двумя отверстиями 4 мм. Хромистые стали полировались наждачной бумагой, а другие металлы полировались наждачной бумагой зернистостью 600 перед погружением. Все образцы были обработаны ультразвуком с 99,5% этанолом, высушены и взвешены. Десять образцов каждого металла использовались для расчета скорости коррозии и анализа микробиома. Каждый образец был закреплен в виде лестницы с помощью стержней и распорок из ПТФЭ (φ 5 × 30 мм, дополнительный рис. 2).
Объем бассейна составляет 1100 кубических метров, а глубина — около 4 метров. Приток воды составляет 20 м3/ч, перелив сбрасывается, а качество воды не меняется в зависимости от сезона (дополнительный рис. 3). Лестница для образцов опускается на стальную проволоку длиной 3 м, подвешенную в середине резервуара. Два комплекта лестниц извлекались из бассейна через 1, 3, 6, 14 и 22 месяца. Образцы с одной лестницы использовались для измерения потери веса и расчета скорости коррозии, в то время как образцы с другой лестницы использовались для анализа микробиома. Растворенный кислород в иммерсионном резервуаре измерялся вблизи поверхности и дна, а также в середине с помощью датчика растворенного кислорода (InPro6860i, Mettler Toledo, Колумбус, Огайо, США).
Продукты коррозии и биопленки на образцах удаляли путем соскабливания пластиковым скребком или протирания ватным тампоном, а затем очищали в 99,5% этаноле с использованием ультразвуковой ванны. Затем образцы погружали в раствор Кларка в соответствии с ASTM G1-0351. Все образцы взвешивали после завершения сушки. Рассчитайте скорость коррозии (мм/год) для каждого образца, используя следующую формулу:
где K – константа (8,76 × 104), T – время экспозиции (ч), A – общая площадь поверхности (см2), W – потеря массы (г), D – плотность (г см–3).
После взвешивания образцов были получены 3D-изображения нескольких образцов с помощью 3D-измерительного лазерного микроскопа (LEXT OLS4000, Olympus, Токио, Япония).