Mikrobiologisch beeinflusste Korrosion von Stahl in durch Rohöl kontaminiertem Küstenoberflächenmeerwasser

npj Materials Degradation Band 6, Artikelnummer: 35 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Erdölkohlenwasserstoffe, die in Oberflächenmeerwasser gelangen, können eine potenzielle Gefahr für die Korrosion von Stahlinfrastrukturen darstellen. Wir zeigen, dass Rohöl die Stahlkorrosion hauptsächlich durch die Beschleunigung der mikrobiologisch beeinflussten Korrosion (MIC) beschleunigt. Rohöl führte dazu, dass sowohl im Meerwasser als auch im Stahlrost Meeresöl abbauende Stoffe wie Alcanivorax und Marinobacter dominierten, und nicht die sulfatreduzierenden Bakterien (SRB), die in der Gruppe ohne Öl die Rostmikrobengemeinschaft dominierten. Rohöl förderte nicht nur die mikrobielle Sauerstoffatmung und den aeroben Kohlenwasserstoffabbau, sondern auch die Nitratreduktion und den anaeroben Kohlenwasserstoffabbauprozess im Stahlrost, was auf heterogenere Mikroumgebungen auf Stahloberflächen hindeutet. Darüber hinaus deuteten die geringe Häufigkeit von SRB und dem dissimilatorischen Sulfatreduktionsgen (dsr) sowie das Vorhandensein von Eisencarbonat- und Eisensulfatmineralien darauf hin, dass mikrobielles Sulfid, das früher als Hauptursache für MIC galt, nicht der Hauptverursacher der Stahlkorrosion war in frühem erdölverschmutztem Meerwasser. Unter solchen Bedingungen scheinen spezialisierte Meeresölabbauer eine wichtigere Rolle zu spielen.

Die Korrosion von eisenbasierten Materialien in ölhaltigen Umgebungen wie Öl- und Gasfeldern ist für die Zuverlässigkeit industrieller Infrastrukturen weltweit von großer Bedeutung. Allein in China wurden die gesamten direkten Korrosionskosten in der Öl- und Gasindustrie im Jahr 2014 auf bis zu 2,82 % des Gesamtproduktionswerts geschätzt. Reichhaltiges Meerwasser während des Ölproduktions- und Transportprozesses hat aufgrund der schädlichen Versauerung des Reservoirs und der Materialperforation, die größtenteils für die Aktivitäten komplexer mikrobieller Gemeinschaften verantwortlich sind, große Aufmerksamkeit erregt2,3. Solche schädlichen Auswirkungen auf Materialien, die direkt oder indirekt von Mikroorganismen beeinflusst werden, abhängig von den spezifischen Reaktionen zwischen Mikroorganismen (sulfatreduzierende Bakterien (SRB), säureproduzierende Bakterien (APB) usw.)/Materialien (Metall, Beton usw.)/ Medien (chemische Zusammensetzung und physikalische Parameter wie Nährstoffe, Sulfate und Sulfide) werden als mikrobiologisch beeinflusste Korrosion (MIC)4,5 bezeichnet.

In jüngster Zeit konzentrierte sich die Aufmerksamkeit auf den MIC-Prozess unter ölhaltigen Bedingungen, bei denen sich letztendlich anaerobe Bedingungen in der Meeresumwelt entwickeln, wie etwa in Öltransportpipelines, Öllageranlagen und meerwasserkompensierten Kraftstoffballastsystemen6,7. Unter solchen Bedingungen kann der anaerobe biologische Abbau von Kohlenwasserstoffen wie aus Erdöl gewonnenen Kraftstoffen und alternativen Biokraftstoffen unabhängig von einigen spezialisierten Kohlenwasserstoffabbauern oder syntrophisch durch verschiedene funktionelle Mikroben durchgeführt werden. SRB sind die Hauptakteure, die an Prozessen beteiligt sind, die Kohlenwasserstoffe abbauen und Korrosion verursachen8. Beispielsweise kann Desulfoglaeba alkanexedensa, ein sulfatreduzierendes Meeresbakterium9, Alkane unabhängig voneinander vollständig oxidieren, indem es Sulfat als terminalen Elektronenakzeptor verwendet und Sulfid und niedermolekulare organische Säuren produziert, die im Allgemeinen die Stahlkorrosion beschleunigen10,11,12. Daher wird die durch SRB durchgeführte mikrobielle Sulfatreduktion, die durch den anaeroben Kohlenwasserstoffabbau beschleunigt werden kann, häufig als Hauptursache für MIC in diesen ölhaltigen Umgebungen angesehen6,10,11. Einige Forscher sind jedoch der Meinung, dass die Rolle von SRB überbewertet wird13 und dass andere funktionelle Mikroben wie APB der Hauptauslöser sind14.

Ein weiterer nicht zu vernachlässigender korrodierender Zustand in marinen Öl-Meerwasser-Umgebungen für Stahlinfrastrukturen ist das Meerwasser an der Küstenoberfläche, das durch Erdöl-Kohlenwasserstoffe verunreinigt ist, wo der Kohlenwasserstoffabbau hauptsächlich aerob erfolgt15. Erdölkohlenwasserstoffe sind in den Ozeanen allgegenwärtig, wo durch natürliche Versickerung und menschliche Aktivitäten, einschließlich der Einleitung von Ballastwasser aus Tankschiffen und Leckagen von Offshore-Erdölplattformen16, jährlich schätzungsweise zwischen 0,4 und 4,0 Millionen Tonnen Rohöl in die Meeresökosysteme freigesetzt werden17. Im Oberflächenmeerwasser wurde eine große Menge an Erdölkohlenwasserstoffen beobachtet, die weitreichende Auswirkungen auf die Küstenökosysteme haben könnte18,19. Typischerweise könnte die Struktur einheimischer mikrobieller Gemeinschaften durch Öl geformt werden, das zusätzliche Nährstoffe für Mikroorganismen bereitstellt und zur Anreicherung spezifischer Ölabbaustoffe beiträgt20,21,22. Eine Vielzahl von maritimen Stahlinfrastrukturen, insbesondere Küstenbrücken und Schiffe in Ölkais, Plattformen und Transportpipelines für die Offshore-Öl- und Gasexploration, sind dem ölverseuchten Meerwasser ausgesetzt und bieten Lebensräume für biofilmbildende Mikroben23,24. Bei Kontakt mit Rohöl würden sowohl die anhaftenden als auch die planktonischen Mikrobengemeinschaften verschoben21,22,24,25 und somit Einfluss auf die MIC-Prozesse ausüben. Die Veränderung der mikrobiellen Zusammensetzung und des MHK-Prozesses, die durch Ölkontamination unter solchen aeroben Bedingungen verursacht wird, kann sich von der in anaeroben Umgebungen unterscheiden26,27. Trotz der Möglichkeit wurde die MIC von Stahl in diesen Oberflächenmeeresgewässern weitgehend vernachlässigt, was die Frage offen lässt, wie sich die planktonischen und anhaftenden Mikroorganismen rund um/auf der Stahloberfläche durchgesetzt haben und wie sie die MIC-Prozesse in ölexponierten Oberflächenmeergewässern beeinflussen.

Frühere Studien wurden größtenteils unter Verwendung von Mikrokosmen unter streng anaeroben oder vorübergehenden Sauerstoffbedingungen durchgeführt10,11,23,24. In dieser Studie führten wir Mikrokosmos-Experimente mit/ohne Rohölexposition unter aeroben Bedingungen an der Luft durch, wobei wir natürliches Oberflächenmeerwasser und geblähten Meeresschlamm, der von Ölkais gesammelt wurde, als Inokula verwendeten. Die wichtigsten geochemischen Parameter des Meerwassers, die Korrosionsparameter einschließlich Korrosionsrate und Mineralogie eines häufig in Meeresanwendungen verwendeten Stahls sowie die planktonische und anhaftende mikrobielle Gemeinschaft wurden analysiert, um die MIC-Mechanismen in ölhaltigem Meerwasser zu bestimmen. Wir schlagen vor, dass eine erhöhte saure Stoffwechselproduktion und die heterogeneren aeroben/anaeroben Mikroumgebungen, die sich auf der Stahloberfläche bilden und durch die Meeresölabbauer Alcanivorax und Marinobacter induziert werden, die Hauptfaktoren für die verstärkte Stahlkorrosion sind. Diese Ergebnisse bieten Einblicke in das Verständnis der Auswirkungen von Kohlenwasserstoffen auf den MIC-Prozess in ölverschmutzten Meeresumgebungen wie Ölkais.

Um die Existenz von ölverschmutztem Meerwasser in natürlichen Meeresumgebungen zu bestätigen, wurde der Kohlenwasserstoffanteil des beprobten Oberflächenwassers in einem Ölkai im Hafen von Qingdao (China) bestimmt. Das GC-MS-Spektrogramm zeigte, dass einige der Bestandteile von Rohöl, einschließlich n-Alkanen und Butylphenol, im Feldmeerwasser identifiziert wurden (ergänzende Abbildung 1A). Darüber hinaus zeigte eine In-situ-Analyse des Bakterioplanktons im Küstenmeerwasser (Abb. 5b), dass die relative Häufigkeit mariner Ölabbauer, insbesondere Alcanivorax (3,2 %) und Marinobacter (1,3 %) in diesem Ölkai höher war (< 0,01 %). ) in anderen von uns beprobten Meeresgebieten28. Da ölabbauende Bakterien in ölbelasteten Meeresumgebungen normalerweise schnell wachsen und sich vermehren, könnten sie als Biomarker für Ölverschmutzung angesehen werden22. Diese Ergebnisse zeigten, dass es in natürlichen Meeresumgebungen einen Öl-Meerwasser-Korrosionszustand gibt, der nicht übersehen werden sollte.

Um festzustellen, ob Rohöl die geochemischen Faktoren Meerwasser, Sulfat, pH-Wert und niedermolekulare organische Substanzen verändert, wurden die wichtigsten geochemischen Indikatoren getestet (Abb. 1). Die Sulfatkonzentration nahm in beiden Tests ab. Der Sulfatverbrauch war jedoch zu allen drei Zeitpunkten in der Rohöl-exponierten Gruppe (Gruppe mit Öl) signifikant höher (P < 0,05) als in der Gruppe ohne Rohöl (Gruppe ohne Öl) (Abb. 1A). Dies weist darauf hin, dass Rohöl den Sulfatverbrauch stimuliert. Der erhöhte Sulfatverbrauch durch Rohöl wurde auch in einer früheren Studie zur Korrosion von Kohlenstoffstahl unter Einwirkung von Biokraftstoffen unter anaeroben Meerwasserbedingungen beobachtet11.

Änderungen der A-Sulfatkonzentration im Meerwasser und des B-pH-Werts zusammen mit der Inkubationszeit. C Die Konzentration niedermolekularer organischer Säuren und Alkohole nach 85 Tagen Inkubation. D Zellzahl säureproduzierender Bakterien (APB) und sulfatreduzierender Bakterien (SRB), berechnet mit MPN-Zählungsmethoden. „*“ gab die signifikanten Unterschiede zwischen den Gruppen anhand von T-Tests an; „▾“ kennzeichnete die nicht nachgewiesenen Substanzen. „Mit Öl“: Mit Rohöl-Änderung; „No Oil“: Ohne Rohöl. T1: 25 Tage; T2: 55 Tage; T3: 85 Tage. Fehlerbalken stellen Standardabweichungen von drei unabhängigen Proben aus Dreifachsystemen dar.

Obwohl der pH-Wert in beiden Behandlungsgruppen anstieg, war er am 25. Tag in den Gruppen mit Öl niedriger (P < 0,05) als in den Gruppen ohne Öl (Abb. 1B). Der niedrigere pH-Wert kann auf die organischen Säuren zurückzuführen sein, die von planktonischen Kohlenwasserstoffabbaubakterien produziert werden (Abb. 5). Dann stieg der pH-Wert der Gruppen mit Öl nachhaltig an und überstieg den der Gruppen ohne Öl zum letzten Zeitpunkt der Inkubation (P < 0,05). Zum Zeitpunkt T3 bildeten sich auf der Stahloberfläche anaerobe Umgebungen. Unter solchen anaeroben Bedingungen wurde Sulfat durch erhöhte SRB (im Vergleich zum Zeitpunkt T2, Abb. 5) als Elektronenakzeptor für die Oxidation von organischem Kohlenstoff (Erdölkohlenwasserstoff, Laktat, Acetat usw.) zur Erzeugung von H2S und HCO3 verwendet − 29. Das saure H2S kann als Eisensulfide in der Stahloberfläche ausfallen, wohingegen die höhere Konzentration an organischem Kohlenstoff in der Gruppe „Mit Öl“ als in der Gruppe „Kein Öl“ zum Zeitpunkt T3 dazu führte, dass mehr HCO3− produziert und ins Meerwasser freigesetzt wurde, was dazu beitrug auf den höheren pH-Wert in der Gruppe „Mit Öl“ zurückzuführen. Das gleiche Phänomen eines erhöhten pH-Wertes nach Zugabe von organischem Kohlenstoff wurde auch in anderen Systemen beobachtet30,31.

Als Produkte des mikrobiellen Kohlenwasserstoffabbaus wurden nach 85-tägiger Inkubation auch niedermolekulare organische Säuren und Alkohole untersucht (Abb. 1). Verglichen mit der Gruppe „Mit Öl“ waren die meisten der ermittelten organischen Säuren, einschließlich Laktat, Butyrat und Alkohole, einschließlich Methanol, Propanol und Butanol, in der Gruppe „Kein Öl“ niedriger oder nicht nachweisbar (P < 0,05). Dies deutet darauf hin, dass der Kohlenwasserstoffabbauprozess durch Rohöl stimuliert wurde. Die in der aktuellen Studie identifizierten Alkohole und organischen Säuren könnten Zwischenprodukte des aeroben Kohlenwasserstoffabbaus oder Endprodukte des anaeroben Kohlenwasserstoffabbaus durch Meeresöl abbauende Bakterien sein. Der aerobe Abbau von Öl findet normalerweise im Oberflächenmeerwasser statt und erzeugt Zwischenprodukte wie Alkohole und organische Säuren32. Beispielsweise werden Alkane als Hauptbestandteile von Rohöl (ergänzende Abbildung 1B) zunächst zu primären Alkoholen abgebaut und weiter zu den entsprechenden Aldehyden oxidiert. Diese Aldehyde werden in Fettsäuren umgewandelt, die durch Beta-Oxidation verarbeitet und schließlich zu CO233 oxidiert werden. Darüber hinaus kam es in diesen Bereichen zusammen mit der Bildung anoxischer Bereiche auf der Stahloberfläche zu einer anaeroben Fermentation von Rohöl, bei der als Endprodukte verschiedene niedermolekulare organische Substanzen wie Laktat und Butyrat entstanden, was in beobachtet wurde höhere Konzentrationen in unserer Studie (Abb. 1C). Die Bildung dieser sauren Zwischenprodukte trug zur Erklärung der beschleunigten Korrosionsrate von Stahl bei (Abb. 2 und 3).

„Mit Öl“: Mit Rohöl-Änderung; „No Oil“: Ohne Rohöl; „Mit Ölster.“: Sterilisierte Kontrolle mit Rohölzusatz; „No Oil Ster.“: Sterilisierte Kontrolle ohne Rohöl. Fehlerbalken stellen Standardabweichungen von vier unabhängigen Stahlplatten dar.

Die Oberflächenmorphologie von Stahlproben wurde nach Entfernung der Korrosionsprodukte mithilfe von REM- und CLSM-Techniken sichtbar gemacht. Sa: Rauheitskoeffizient. „Mit Öl“: Mit Rohöl-Änderung; „No Oil“: Ohne Rohöl. T1: 25 Tage; T2: 55 Tage; T3: 85 Tage.

Die Anzahl der APB und SRB im Meerwasser wurde durch MPN-Zählungsmethoden ermittelt (Abb. 1D). Die Anzahl der APB stieg von 10 Zellen ml-1 im Anfangsstadium auf 103 Zellen ml-1 im letzten Inkubationsstadium, wenn sie Rohöl ausgesetzt wurden. Im Gegensatz dazu war es in der No Oil-Gruppe nicht nachweisbar. Dies deutet darauf hin, dass Rohöl das Wachstum von APB förderte. Dieses Ergebnis stimmt mit dem der hohen Konzentration organischer Säuren überein (Abb. 1C). Im Gegensatz dazu lag die Anzahl der planktonischen SRB bei beiden Behandlungen unter dem nachweisbaren Niveau. Dies steht im Einklang mit den Ergebnissen, dass nur sehr wenige sequenzierte 16S-rRNA-Gensequenzen mit SRB assoziiert waren. Derselbe Befund wurde auch in einer früheren Studie23 gezeigt. Dieser Befund ist nicht überraschend, da die aerobe Umgebung des Meerwassers nicht für das anaerobe SRB-Wachstum geeignet war, bis der Sauerstoff in den geschlossenen Systemen aufgebraucht war (ohne Gasaustausch)26. Der Sulfatverbrauch wurde wie oben erwähnt durch Rohöl stimuliert, die Häufigkeit der wichtigsten planktonischen und gebundenen SRB wurde jedoch nicht zum gleichen Zeitpunkt durch Rohöl stimuliert (Abb. 1D und 5B). Dies weist darauf hin, dass planktonisches und gebundenes SRB im Meerwasser nicht den Hauptgrund für den erhöhten Sulfatverbrauch darstellte. Um die tatsächlichen Mitwirkenden in Ölveränderungssimulatoren zu ermitteln, wurde die Anzahl der SRB in Sedimenten weiter untersucht. Das Ergebnis zeigte, dass die Anzahl der SRB im Sediment nach 85 Tagen Inkubation in der Gruppe mit Öl höher war als in der Gruppe ohne Öl (3,15 × 102 vs. 2,74 × 102 Zellen ml−1). Dies bedeutet eindeutig, dass ein erhöhter SRB in Sedimenten statt im Meerwasser einer der Gründe für den beobachteten höheren Sulfatverbrauch im Meerwasser war, das Öl ausgesetzt war.

Um die Wirkung von Rohöl auf die Stahlkorrosion zu bestimmen, haben wir die Korrosionsrate gemessen, indem wir den Gewichtsverlust von Stahl nach 85 Tagen Inkubation gemessen haben (Abb. 2). Der Stahl, der Meerwasser ohne Rohöl ausgesetzt war, erfuhr eine durchschnittliche Korrosionsrate von 0,21 mm pro Jahr, während der Stahl, der Meerwasser mit Rohöl ausgesetzt war, eine durchschnittliche Korrosionsrate von 0,29 mm pro Jahr aufwies. Somit stimulierte die Zugabe von Rohöl die Stahlkorrosion deutlich (P < 0,05). Sterilisierte Gruppen mit/ohne Rohöl wurden eingesetzt, um die Auswirkung von MIC auf die Stahlkorrosion zu bewerten. Die Korrosionsrate beider sterilisierter Gruppen betrug 0,07 mm pro Jahr (P > 0,1). Allerdings war sie deutlich niedriger als die Korrosionsrate von Stahl in unsterilisierten Gruppen. Offensichtlich kann Rohöl die Stahlkorrosion nicht beschleunigen, wenn keine Mikroorganismen beteiligt sind. Das heißt, Rohöl verstärkte die Stahlkorrosion hauptsächlich durch die Stimulierung des Wachstums und der Aktivität von Mikroorganismen.

Um die Eigenschaften von Korrosionsprodukten weiter zu beschreiben, wurde die Oberflächenmorphologie von korrodiertem Stahl mittels REM und CLSM analysiert (Abb. 3). Es wurden deutliche Unterschiede zwischen der Gruppe ohne Öl und der Gruppe mit Öl beobachtet. Zum Zeitpunkt T1 war ein gruppenweiser Lochfraßangriff auf der Stahloberfläche erkennbar, aber die maximale Tiefe der Korrosionsnarben betrug in der Gruppe ohne Öl 16,1 μm (durchschnittliche Tiefe 10,6 μm) und war damit höher als in der Gruppe mit Öl (maximal). Tiefe 8,8 μm, durchschnittliche Tiefe 8,1 μm). Der Wert der Stahlrauheit in der Gruppe ohne Öl (1,05 μm) war ebenfalls höher als der in der Gruppe mit Öl (0,92 μm). Letztere hatten dichtere Gruben. Zum Zeitpunkt T2 stieg die maximale Tiefe der Korrosionsgruben auf 31,7 μm (durchschnittliche Tiefe 27,4 μm) und die winzigen Löcher entwickelten sich in der Gruppe „Kein Öl“ zu großen Löchern (391,8 μm), die immer noch höher waren als in der Gruppe „Mit Öl“ ( maximale Tiefe 20,1 μm, durchschnittliche Tiefe 17,6 μm, Porengröße 83,3 μm). Der Stahl der Gruppe „Kein Öl“ (4,12 μm) war rauer als der Stahl der Gruppe „Mit Öl“ (1,72 μm). Am Ende des Experiments (T3) schien die Korrosion jedoch in der Gruppe „Mit Öl“ schwerwiegender zu sein als in der Gruppe „Ohne Öl“: Die Tiefe der in der Gruppe „Mit Öl“ gebildeten Korrosionsgruben (maximal 54,2 μm, durchschnittliche Tiefe 35,8 μm) überstieg die in der Gruppe Nr Ölgruppe (maximal 49,4 μm, durchschnittliche Tiefe 28,9 μm); Die Korrosionsmorphologie des Stahls in der Gruppe „Mit Öl“ schien sich in eine stärkere, gleichmäßige Korrosion umzuwandeln. Ein ähnliches Phänomen, bei dem die Stahloberfläche die deutlichste lokale Korrosion aufwies, wurde auch in Meerwassersimulatoren festgestellt, nachdem sie 14 Wochen lang Öl ausgesetzt waren34. Im Vergleich zum Stahl in Mikrokosmen unter anaeroben Bedingungen (> 1000 μm)11 war die maximale Lochfraßtiefe, die in diesen aeroben Mikrokosmen (< 100 μm) beobachtet wurde, viel geringer. Insgesamt deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass Rohöl die durchschnittliche Korrosionsrate steigerte und die lokale Korrosion im anfänglichen Expositionsstadium offenbar gehemmt, im späteren Expositionsstadium jedoch letztendlich angeregt wurde.

Um die möglichen Auswirkungen der Ölexposition auf die Bildung von Korrosionsprodukten zu analysieren, wurden spektroskopische und mikroskopische Techniken eingesetzt, um die Morphologie zu beobachten und die Zusammensetzung der am Ende der Inkubation gebildeten Korrosionsprodukte zu bestimmen (Abb. 4). Es wurde beobachtet, dass stab- und spiralförmige Mikroben mit den Korrosionsprodukten assoziiert waren, und einige waren in Simulatoren mit und ohne Rohöl von Korrosionsprodukten bedeckt (weißer Pfeil in Abb. 4A, C). Die EDS-Analyse zeigte, dass um diese Mikroben herum Verbindungen mit hohem Sauerstoff-, Eisen- und Schwefelgehalt, aber unterschiedlichen Formen beobachtet wurden (Abb. 4B, D). Dies implizierte, dass Mikroben in engem Zusammenhang mit der Bildung von Korrosionsprodukten standen. Darüber hinaus wurde Mangan nur auf Stahloberflächen in der Gruppe „Kein Öl“ nachgewiesen (Abb. 4B, D), was darauf hindeutet, dass Mangan im Stahl gelöst war. Dies kann durch manganoxidierende Bakterien wie Bacillus und Actinobacteria (Daten nicht gezeigt) in den angeschlossenen mikrobiellen Gemeinschaften verursacht werden. Da manganoxidierende Bakterien mit SRB zusammenarbeiten können, um schwere Stahlkorrosion zu verursachen35, deutet die höhere Häufigkeit von SRB in der Gruppe „Kein Öl“ möglicherweise auf eine stärkere Zusammenarbeit mit manganoxidierenden Bakterien hin, die die Auflösung von Mangan aus dem Stahl beschleunigen, verglichen mit der Gruppe „Mit Öl“. .

REM-Bilder mit stark vergrößerter Ansicht von Korrosionsprodukten und Mikroben mit (A) und ohne (C) Rohöl. EDS-Spektren typischer Korrosionsprodukte mit (B) und ohne (D) Rohöl. Weiße Rechtecke stellen die entsprechenden Bereiche für die EDS-Analyse dar. Weiße Pfeile stellen anhaftende Mikroben dar. E XRD-Analyse repräsentativer Korrosionsprodukte. Es wurden indikative Beugungspeaks für wichtige Fe-Korrosionsphasen festgestellt. „Mit Öl“: Mit Rohöl-Änderung; „No Oil“: Ohne Rohöl.

Wie in Abb. 4E dargestellt, bestanden die in der No Oil-Gruppe gebildeten Korrosionsprodukte hauptsächlich aus Mackinawit (FeS), Ferrihydrit (FeO(OH)), Eisenoxid (Fe2O3, Fe3O4 und FeO) und Eisenhydroxid (Fe(OH)2). ). Im Vergleich dazu bestanden die Korrosionsprodukte in der Gruppe „Mit Öl“ aus Eisencarbonat (FeCO3 und Fe2O2CO3) und Eisensulfat (Fe2(SO4)3 und FeSO3∙2,5 H2O), zusätzlich zu den gleichen Korrosionsprodukten wie Eisensulfid (FeS). Eisenoxid (Fe2O3 und Fe3O4), identifiziert in der No Oil-Gruppe. Das Vorhandensein von Eisensulfat könnte auf die aktive Aktivität von APB bei der Bildung von Korrosionsprodukten hinweisen, da Sulfat/Sulfit möglicherweise aktiv von APB produziert wird. Eisensulfat wurde bereits früher auch als Hauptkorrosionsprodukt in einem Naphtha-Lagertank beobachtet36. Darüber hinaus spiegelte die Identifizierung von Eisencarbonat in der Gruppe „Mit Öl“ statt in der Gruppe „Kein Öl“ indirekt den relativ geringen Sulfidgehalt auf der Stahloberfläche wider, die Rohöl ausgesetzt war, da Eisencarbonat durch Sulfid in FeS umgewandelt werden konnte37. Da das Vorhandensein von Eisensulfid als Indikator für SRB-beeinflusste Korrosion angesehen werden könnte4,38, könnte die Identifizierung von Eisencarbonat in dieser Studie (Abb. 4E) einen relativ schwachen Einfluss von SRB auf die Stahlkorrosion bei Einwirkung von Rohöl implizieren.

Insgesamt wurden ~1.440.567 effektive Tags bakterieller 16S-rRNA-Gene mit einer durchschnittlichen Länge von ~412 bp für die anschließende Analyse erhalten und 38.184 operative taxonomische Einheiten (OTUs) erfasst. Um Unterschiede in der α-Diversität zu identifizieren, werden der Artenreichtum, der durch den ACE- und Chao1-Index aufgedeckt wird, und die durch den Shannon- und Simpson-Index aufgedeckte Vielfalt zwischen diesen vier Gruppen (planktonische Mikrobengemeinschaft ohne Rohöl, planktonische Mikrobengemeinschaft mit Rohöl, Oberflächenmikrobengemeinschaft ohne Rohöl) ermittelt , Oberflächenmikrobengemeinschaft mit Rohöl) in verschiedenen Stadien wurden berechnet (ergänzende Abbildung 2). Bei planktonischen Mikrobengemeinschaften hatte die With Oil-Gruppe einen höheren Durchschnittswert des ACE- und Chao1-Index, aber einen niedrigeren Wert des Shannon- und Simpson-Index. Da es sich beim Shannon- und Simpson-Index um umfassende Diversitätsschätzer handelt, die sowohl Artenreichtum als auch Gleichmäßigkeit angeben, könnte der Kontrastwert von höherem ACE/Chao1, aber niedrigerem Shannon/Simpson durch die geringere Artengleichmäßigkeit in der With Oil-Gruppe erklärt werden. Für die angeschlossene mikrobielle Gemeinschaft war der Artenreichtum der With Oil-Gruppe im Anfangsstadium höher (ACE, 2180; Chao1, 2040), sank jedoch im letzten Stadium auf ein niedrigeres Niveau (ACE, 2054; Chao1, 1959). als die No Oil-Gruppe (ACE, 2587; Chao1, 2488). Die gesamte mikrobielle Vielfalt, die der Shannon- und Simpson-Index zeigt, wies einen ähnlichen Trend auf. Das Phänomen, dass die Ölexposition zu einer Verringerung der Bakterienvielfalt führte, stimmte mit früheren Studien überein, in denen Kohlenwasserstoff abbauende Bakterien die dominierende Reaktion auf Ölkontaminationen in ölkontaminierten Umgebungen wie Wattstränden und Böden waren39,40. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Ölbehandlung nach einer 85-tägigen Simulation sowohl die planktonische als auch die anhaftende Bakterienvielfalt reduzierte, was durch die starke Selektion auf spezialisierte Kohlenwasserstoff abbauende Bakterien22,39 wie Alcanivorax sp. erklärt werden kann. und Marinobacter sp. (Abb. 5B) in der vorliegenden Studie.

Analyse der Zusammensetzung der wichtigsten bakteriellen 16S-rRNA-Gensequenzen auf Phylum- (oder Klassen-) Ebene und B-Gattungsebene für Meerwasser- und Oberflächenproben. Das Cladogramm diskriminierender Taxa, identifiziert in den Gruppen mit/ohne Rohöl ab Tag 85 (T3) durch LEfSe-Analyse (Lineare Diskriminanzanalyse (LDA), Log-Score > 3,5, P = 0,05). C Planktonische Mikrobengemeinschaften vom Tag 0 (T0) und Tag 85 (T3) und D die anhaftenden Mikrobengemeinschaften vom Tag 25 (T1), Tag 55 (T2) und Tag 85 (T3) wurden in Labormikrokosmen mit/ohne bestimmt Rohöl. Die relative Häufigkeit jeder Taxonomie war der Durchschnittswert der dreifachen Häufigkeit. „Mit Öl“: Mit Rohöl-Änderung; „No Oil“: Ohne Rohöl.

In Bezug auf die in Abb. 5A dargestellte taxonomische Zuordnung auf der Ebene des Stammes (oder der Klasse) waren Gammaproteobakterien (38,8 %) und Alphaproteobakterien (36,0 %) die beiden vorherrschenden Planktonklassen im ursprünglichen Meerwasser (T0). Nach 85-tägigem Eintauchen der X70-Platten in Meerwasser (T3) ohne Rohöl stieg die relative Häufigkeit von Gammaproteobakterien leicht von 38,8 % auf 43,0 % und Alphaproteobakterien sank von 36,0 % auf 22,2 %. Die relative Häufigkeit von Gammaproteobakterien stieg in der Gruppe mit Öl deutlich von 38,8 % auf 61,2 % im Vergleich zu der Gruppe ohne Öl, während der Gehalt an Alphaproteobakterien offensichtlich von 36,0 % auf 14,7 % abnahm. Ähnliche Ergebnisse wurden auch auf Gattungsebene beobachtet, wie in Abb. 5B dargestellt. Das ursprüngliche Küstenmeerwasser enthielt nur einen geringen Anteil an Kohlenwasserstoff abbauenden Mikroben. Nach 85-tägiger Exposition gegenüber Rohöl stieg die relative Häufigkeit ölabbauender Mikroorganismen der Gammaproteobakterien deutlich an, insbesondere Alcanivorax von 3,2 % auf 27,2 % und Marinobacter von 1,3 % auf 5,9 %. Alcanivorax kommt im gesamten Ozean weit verbreitet vor, da sie eine Vielzahl gesättigter Alkane im Rohöl (z. B. n-Alkane und Iso-Alkane, die in der ergänzenden Abbildung 1 dargestellt sind) effektiver nutzen können als andere Kohlenwasserstoff abbauende Bakterien. Daher fungiert diese Gattung normalerweise als früher Besiedler und wird nach der Verbreitung von Rohöl in natürlichen Meeresumgebungen zur vorherrschenden Gattung41. Dieses Phänomen wurde in dieser Studie bestätigt (Abb. 5B). Marinobacter ist auch einer der bekannten Ölabbauer im ölverschmutzten Ozean und weist im Vergleich zum hohen Ölabbaupotenzial von Alcanivorax einen moderaten Ölabbau auf18. Die schnelle Reaktion mariner Kohlenwasserstoff abbauender Bakterien auf Öl machte es erforderlich, ihre Rolle bei der Stahlkorrosion angesichts der zunehmenden Ölverschmutzungsfälle in Küstenmeergebieten zu berücksichtigen.

LEfSe wurde außerdem eingesetzt, um spezifische planktonische Taxa zu identifizieren, die in jeder Gruppe im letzten Kulturstadium (T3) angereichert wurden. Die Ergebnisse sind in Abb. 5C dargestellt. Die Einwirkung von Öl führte zu einer erhöhten Häufigkeit der Ordnung Oceanospirillales (35 %) in der Gruppe „Mit Öl“ (T3 mit Öl). Es gehört zu den Gammaproteobakterien und umfasst die in der aktuellen Studie identifizierten Gattungen Alcanivorax (die oben diskutierten), Marinobacterium, Oleibacter und Oleiphilus. Oceanospirillales-Mitglieder können sich durch Chemotaxis fortbewegen und Alkane abbauen, wodurch sie sich in ölverschmutzten Meeresumgebungen aktiv ansammeln und schnell an Zahl zunehmen42. Die Gattung Cycloclasticus (3 %) war ein weiteres spezifisches planktonisches Taxa in der With Oil-Gruppe (Abb. 5B, C). Cycloclasticus spielt eine wichtige Rolle bei der Entfernung aromatischer Kohlenwasserstoffe, die auch Hauptbestandteile von Rohöl waren (ergänzende Abbildung 1B). Es tritt normalerweise im späteren Stadium ölverunreinigter Fälle auf, wenn die meisten gesättigten Alkane abgebaut sind und persistente aromatische Kohlenwasserstoffe zurückbleiben. Cycloclasticus wurde in einer hohen Konzentration erst nach 85 Tagen nachgewiesen (Abb. 5B) und auch nach einem ähnlichen Probenahmezeitraum in einigen anderen Meeresgebieten, in denen Öl ausgelaufen war, nachgewiesen43.

Interessanterweise zeigte die Gruppe ohne Öl (T3 ohne Öl) einen Anstieg diskriminierender Taxa, die einen hohen Eisenbedarf für das Wachstum haben, wie Magnetovibrio und Nitrosomonas44,45. Magnetovibrio (6 %) gehört zu den Alphaproteobakterien und ist eine typische magnetotaktische Gattung mit intrazellulären Magnetosomen. Einige Mitglieder innerhalb von Magnetovibrio zeigen chemolithoautotrophes Wachstum auf Sulfid mit Sauerstoff als terminalem Elektronenakzeptor und/oder chemoorganoheterotrophes Wachstum auf verschiedenen organischen Säuren44. Diese Gruppen von Mikroorganismen wurden auch in dieser Studie nachgewiesen (Abb. 1C). Ihre Beweglichkeit mittels polarer Geißeln ermöglicht es ihnen, die Kohlenstoff- und Energiestoffe im Meerwasser gezielt zu verbrauchen.

Insgesamt deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass die Zugabe von Rohöl die planktonische Mikrobengemeinschaft rund um den Stahl veränderte und das Wachstum ölabbauender Meeresmikroorganismen deutlich stimulierte, während die alleinige Einführung von Stahl ins Meerwasser Mikroben stimulierte, die einen hohen Bedarf an Eisen haben.

Die vorherrschenden mikrobiellen Gruppen der am Stahl befestigten Mikrobengemeinschaft unterschieden sich von denen der planktonischen. Verglichen mit der Dominanz von Gammaproteobakterien in planktonischen Mikrobengemeinschaften wiesen Deltaproteobakterien eine höhere Häufigkeit in Oberflächenmikrobengemeinschaften auf und wurden sogar zum am häufigsten vorkommenden Stamm in der Oberflächenmikrobengemeinschaft in der With Oil-Gruppe (Abb. 5A). Im Gegensatz dazu nahm die Häufigkeit der vorherrschenden Deltaproteobakterien im Laufe der Zeit in der Gruppe ohne Öl ab, während die Häufigkeit der Deltaproteobakterien in der Gruppe mit Öl allmählich zunahm. Diese Beobachtung unterschied sich von einer früheren Studie, die zeigte, dass die Verlagerung der Gemeinschaft von Gammaproteobakterien zu Alphaproteobakterien nach zweiwöchiger Ölexposition beobachtet wurde34. Die Diskrepanz kann auf das Vorhandensein von Sedimenten als einer der Taxaquellen im vorliegenden Versuchsaufbau zurückzuführen sein.

Auf Gattungsebene wurde Desulfovibrio, das zu Deltaproteobacteria gehört, als die am häufigsten vorkommende Gattung in der No Oil-Gruppe nachgewiesen, mit einem Anteil von 65,8 %, 34,7 %, 25,9 % bei T1, T2 bzw. T3 (Abb. 5B). Desulfovibrio ist einer der repräsentativen SRB, der üblicherweise als vorherrschende Gattung im Korrosionsrost beobachtet wird, der sich in Meeresumgebungen bildet28,46. Es ist erwiesen, dass es die Hauptursache für bakterielle Korrosion im Meer ist47,48. Allerdings veränderte die Umwandlung von Rohöl in Meerwasser die Dominanz von Desulfovibrio in Alcanivorax in den Anfangsstadien (T1 und T2 mit Öl, Abb. 5). Da Eisen eine wichtige Komponente für Alcanivorax-Zellen ist, um eine Vielzahl von Oxygenasen zu synthetisieren, die für die Alkanaktivierung und eisenhaltiges Häm verantwortlich sind, um die Zellen vor oxidativem Stress zu schützen, verfügen Alcanivorax-Zellen über ein hochleistungsfähiges Eisenaufnahmesystem, das aus Siderophoren und einem extrazellulären Eisentyp besteht -chelatbildendes Molekül, das den Zellen das notwendige Eisen liefert49,50. Die Fähigkeit zur Eisenaufnahme und Biofilmbildung51 könnte erklären, warum Alcanivorax die anhaftenden Bakteriengemeinschaften dominierte. Diese Studie ergab erstmals, dass die Ölabbauer Alcanivorax und Marinobacter die mikrobielle Gemeinschaft von Stahl an der Oberfläche dominieren und möglicherweise erheblich zum Korrosionsprozess im ölverschmutzten Meerwasser beitragen.

LEfSe wurde verwendet, um die spezifischen Oberflächenbesiedler in den letzten Inkubationsphasen zu identifizieren. Wie in Abb. 5D gezeigt, waren die Familie Marinobacteraceae einschließlich der Gattung Marinobacter und die Familie Alcanivoracaceae einschließlich Alcanivorax in der Gruppe „Mit Öl“ deutlich angereichert, während die Familie Desulfurivibrionaceae einschließlich Desulfovibrio und die Familie Flavobacteriaceae einschließlich Lutibacter in der Gruppe „Kein Öl“ signifikant angereichert waren. Eine frühere Studie zeigte, dass Mitglieder der Flavobacteriaceae unter marinen Prokaryoten äußerst wettbewerbsfähige Fe-Aufnahmesysteme aufwiesen52, was die Anreicherung der Mikrobengemeinschaft auf Stahloberflächen hier erklären könnte.

Insgesamt hatte Rohöl im Vergleich zur planktonischen Mikrobengemeinschaft unterschiedliche, aber nachhaltige Auswirkungen auf die Zusammensetzung der Oberflächenmikrobengemeinschaft. Das hinzugefügte Rohöl stellte eine wichtige Kohlenstoff- und Energiequelle in einer ansonsten nährstoffarmen Meerwasserumgebung dar, was das Wachstum der ölabbauenden Mikroben stimulierte, die zunächst an der Stahloberfläche und nicht an SRB hafteten. Mit der Zersetzung und dem Verbrauch von Rohöl begann die Häufigkeit von Ölabbaumitteln abzunehmen und der SRB begann mit der Zeit zuzunehmen.

Um die Funktionen der planktonischen und anhaftenden mikrobiellen Gemeinschaft unter der Einwirkung von Rohöl besser zu identifizieren, haben wir die funktionellen Gene mithilfe der PICRUSt-Vorhersage analysiert. Die Ergebnisse sind in Abb. 6 dargestellt. Es wurde festgestellt, dass die mikrobielle Gemeinschaft an der Oberfläche anders auf die Rohölveränderung reagierte als die mikrobielle Gemeinschaft im Plankton (Abb. 6A, B). Für die planktonische Mikrobengemeinschaft (Abb. 6A) wurde die Verarbeitung genetischer Informationen wie Ribosomenbiogenese, Chaperone und Faltungskatalyse, Proteinfaltung und Translationsproteine durch Rohöl stark stimuliert. Unterschiedlich sind der Aminosäurestoffwechsel (einschließlich Arginin-, Prolin-, Lysin- und Beta-Alanin-Stoffwechsel, Valin-, Leucin- und Isoleucin-Abbau), der Lipidstoffwechsel (einschließlich Fettsäurestoffwechsel und Biosynthese ungesättigter Fettsäuren) und der Kohlenhydratstoffwechsel (einschließlich Butanoat- und Propanoatstoffwechsel). ) der anhaftenden mikrobiellen Gemeinschaft auf den Stahloberflächen wurden durch Rohöl stimuliert (Abb. 6B). Darüber hinaus wurden der biologische Abbau und der Metabolismus von Xenobiotika, einschließlich des Abbaus von Benzoat, Aminobenzoat, Naphthalin, Chloralkan und Chloralken, in den Oberflächenproben durch die Zugabe von Rohöl gefördert. Dies deutete darauf hin, dass Rohöl auf unterschiedliche Weise einen gewissen Einfluss auf die Funktionswege sowohl der planktonischen als auch der daran gebundenen mikrobiellen Gemeinschaften hatte.

A Die Funktionswege der planktonischen Mikrobengemeinschaft und B der anhaftenden Mikrobengemeinschaft, die sich in Gruppen mit/ohne Rohöl für 85 Tage (T3) signifikant anreicherte. Die linke Spalte zeigte die relative Häufigkeit jedes Signalwegs und die rechte Spalte zeigte den Unterschied zwischen den Gruppen. C Die Fülle wichtiger funktioneller Gene der planktonischen und angeschlossenen mikrobiellen Gemeinschaften ab Tag 0 (T0), Tag 25 (T1), Tag 55 (T2) und Tag 85 (T3). Signifikante Unterschiede (P < 0,05) wurden durch den T-Test analysiert; „▾“ und „*“ zeigten die signifikant unterschiedlichen Gene zwischen Gruppen mit/ohne Rohöl aus Plankton- bzw. beigefügten Proben für 85 Tage (T3) an. „Mit Öl“: Mit Rohöl-Änderung; „No Oil“: Ohne Rohöl.

Rohöl stimulierte den Energiestoffwechsel sowohl des Planktonstoffwechsels als auch des gebundenen Stoffwechsels. Somit wurden die wichtigsten funktionellen Gene im Zusammenhang mit der terminalen Elektronenakzeptanz und dem Kohlenwasserstoffabbau weiter identifiziert. Wie in Abb. 6C gezeigt, wurde beobachtet, dass die Gene im Zusammenhang mit Sauerstoffatmung (Cox und CCO), Denitrifikation (Nar und Nap), Eisen (MTR) und Sulfatreduktion (DSR) sowohl in Meerwasser- als auch in Oberflächenproben identifiziert wurden. Aber nur Cox- und Nar-Gene waren in Oberflächenproben, die Rohöl ausgesetzt waren, signifikant angereichert (P < 0,05). Im Gegensatz dazu war das Cox-Gen im Meerwasser aufgrund der Ölveränderung signifikant reduziert (P < 0,05). Diese Beobachtung deutete darauf hin, dass Rohöl die mikrobielle Sauerstoffatmung und den Denitrifizierungsprozess der angeschlossenen Mikrobengemeinschaft stimulierte, jedoch die Sauerstoffatmung der planktonischen Mikrobengemeinschaften schwächte. Die Verbesserung sowohl der aeroben als auch der anaeroben Atmungsmodi auf der Stahloberfläche kann auf die Bildung heterogener aerober und anaerober Mikroumgebungen innerhalb der Verdickung und komplizierter Korrosionsprodukte zurückzuführen sein, in denen sowohl aerobe als auch anaerobe Bereiche vorhanden waren. Der mikrobielle Denitrifikationsprozess könnte unter solchen anaeroben Bedingungen stattfinden, was zuvor auch in anoxischen Zonen mit Öl in Meeresumgebungen beobachtet wurde53,54. Die dominanten anhaftenden Mikroben, wie z. B. Alcanivorax sp. und Marinobacter sp. mit der Fähigkeit zum anaeroben Wachstum über den Denitrifikationsprozess55,56, waren höchstwahrscheinlich für den Denitrifikationsprozess der angeschlossenen mikrobiellen Gemeinschaft verantwortlich.

Es überrascht nicht, dass das Schlüsselgen dsr, das mit dem Prozess der dissimilatorischen Sulfatreduktion zusammenhängt, in der Gruppe mit Öl im Vergleich zur Gruppe ohne Öl nicht signifikant stimuliert wurde (P > 0,5) (Abb. 6C), was mit der taxonomischen Analyse übereinstimmt (Abb. 5). ). Im Gegensatz dazu waren Schlüsselgene wie Cys, die an der assimilatorischen Sulfatreduktion beteiligt sind, in der With Oil-Gruppe signifikant angereichert (P < 0,5). Da in der Gruppe mit Öl mehr Sulfat verbraucht wurde als in der Gruppe ohne Öl, schlugen wir vor, dass die dissimilatorische Sulfatreduktion durch SRB nicht die Hauptursache für den Sulfatverbrauch war. Die mikrobielle assimilatorische Sulfatreduktion kann den Sulfatverbrauch in Sedimenten erheblich fördern.

Gene, die mit dem aeroben Kohlenwasserstoffabbau sowohl für planktonische als auch für angeschlossene mikrobielle Gemeinschaften zusammenhängen, wurden durch Rohöl verstärkt, insbesondere Gene, die mit dem Abbau von Alkanen (alk), Alkohol (adh) und Fettsäuren (fad) zusammenhängen (P < 0,5) (Abb. 6C). . Gene, die mit dem Aldehydabbau (Aldh) zusammenhängen, waren nur auf Stahloberflächen signifikant angereichert (P < 0,5), was auf die mögliche Bildung von Fettsäuren schließen lässt. Obwohl in geringer Häufigkeit, wurden auch Gene beobachtet, die mit dem anaeroben Kohlenwasserstoffabbau zusammenhängen (Abb. 6C). Dies ist auch deshalb zu erwarten, weil davon ausgegangen wird, dass der anaerobe Abbau von Kohlenwasserstoffen in der Regel mehrere Größenordnungen langsamer verläuft als der aerobe Abbau von Kohlenwasserstoffen57. Trotz der geringen Häufigkeit wurde das Benzoat-verwandte Gen bcr, das für den anaeroben Abbau aromatischer Verbindungen58 wichtig ist, durch Rohöl auf der Stahloberfläche erheblich erleichtert (P < 0,5). Bei der anaeroben Fermentation von Kohlenwasserstoffen entsteht normalerweise eine Reihe niedermolekularer organischer Säuren, die im umgebenden Meerwasser mit Rohöl in höheren Konzentrationen beobachtet wurden als in Kontrollgruppen (Abb. 1C). Dies impliziert, dass auch die anaerobe Fermentation zur beschleunigten Stahlkorrosion beiträgt.

Frühere Laborexperimente mit Küstenmeerwasser haben gezeigt, dass die Änderung von Kohlenwasserstoffen sowohl bei Erdölkraftstoffen24 als auch bei alternativen Kraftstoffen11,13 die Stahlkorrosion beschleunigen könnte. In diesen Studien wurden ein höherer Sulfatverbrauch und eine höhere Sulfidproduktion sowie eine erhöhte Korrosionsrate beobachtet. Daher wurde angenommen, dass die Stahlkorrosion das Ergebnis einer biogenen Sulfidproduktion ist, die durch den anaeroben oder aeroben Abbau von Kohlenwasserstoffen angeregt wird11,23,24,26. In der vorliegenden Studie wurde ein ähnliches Phänomen eines höheren Sulfatverbrauchs und einer stärkeren Korrosion auch in Mikrokosmen mit Meerwasser mit Rohölzusatz beobachtet als in Mikrokosmen ohne Rohöl. Die geringere Häufigkeit von SRB und dem entsprechenden Schlüsselgen dsr sowohl in anhaftenden als auch in planktonischen mikrobiellen Gemeinschaften, die dem Rohöl ausgesetzt waren, deutete jedoch darauf hin, dass die Rolle der mikrobiellen Sulfidproduktion bei der Stahlkorrosion nicht so wichtig war wie die in anaeroben Umgebungen. Der höhere Sulfatverbrauch und die schwache mikrobielle Sulfatreduktion im Meerwasser scheinen gegensätzlich zu sein. Dies kann durch die aerobe Umgebung während aller Inkubationsphasen und die Verwendung von Meerwasser und Sediment als Inokula erklärt werden. Da das aerobe Meerwasser für das Wachstum von SRB nicht geeignet war, lieferten die Sedimente in den Simulatoren die anaeroben Umgebungen für SRB, die die Reduzierung von Sulfat im Meerwasser induzierten. Die erhöhte Anzahl von SRB in Sedimenten in der Rohöl-Expositionsgruppe bestätigte dies. Die deutlich stimulierte Genetik durch Rohöl im Meerwasser und an der Oberfläche legt nahe, dass die assimilatorische Sulfatreduktion auch zum Sulfatverbrauch im Meerwasser beitragen kann. Die Daten zum Sulfatverbrauch stützen daher nicht unbedingt die Annahme, dass die mikrobielle dissimilatorische Sulfatreduktion die Hauptursache für die MIC-Korrosion von Stahl unter Meeresbedingungen mit Rohölkontamination war.

Wir schlagen daher vor, dass Kohlenwasserstoff abbauende Bakterien und nicht SRB der Hauptverursacher von MIC im Frühstadium der Rohölverschmutzung im Oberflächenmeerwasser sind. Obwohl ihre Häufigkeit im ursprünglichen Küstenmeerwasser gering war, nahmen kohlenwasserstoffabbauende Bakterien wie Alcanivorax und Marinobacter nach dem Eindringen von Rohöl rasch zu und dominierten nach 25-tägiger Exposition sowohl die Plankton- als auch die Oberflächenmikrobengemeinschaft. Diese Taxa können sich an den Stahloberflächen festsetzen und zur Biofilmbildung beitragen. In der Anfangsphase (0–55 Tage) war der aerobe Kohlenwasserstoffabbau die Hauptaktivität der vorherrschenden Ölabbauer. Das Endprodukt des vollständigen mikrobiellen aeroben Kohlenwasserstoffabbaus ist CO2, das eine geringere Gefahr von Lochfraß verursacht als korrosives Sulfid, das von SRB6,26 erzeugt wird, verglichen mit dem in der No Oil-Gruppe. Dies erklärt möglicherweise, warum die Lochfraßkorrosion im Anfangsstadium gehemmt zu sein scheint.

Mit der Reifung des Biofilms und der Bildung von Korrosionsprodukten bildeten sich auf Stahloberflächen heterogene Mikroumgebungen mit oxischen und anoxischen Bereichen. Dies wird außerdem durch die verstärkten Gene im Zusammenhang mit der O2-Atmung und den Genen im Zusammenhang mit der anaeroben NO3−-Reduktion bestätigt. Die Heterogenität der Oberflächenmikroumgebungen, die hauptsächlich von diesen kohlenwasserstoffabbauenden Bakterien gebildet werden, kann zur Bildung von Korrosionszonen führen, die als Sauerstoffkonzentrationszelle bezeichnet werden und kathodische (hohe Konzentrationen an gelöstem Sauerstoff) und anodische (niedrige Konzentrationen an gelöstem Sauerstoff) Bereiche enthalten59. Die stimulierte mikrobielle O2-Atmung deutete darauf hin, dass O2 auch eine Rolle bei der Beschleunigung der Korrosion spielt. In Gegenwart von O2 wird oberflächengebundenes Eisensulfid oxidiert und es finden mehr Oberflächenreaktionen statt, wohingegen in Abwesenheit von Sauerstoff die Korrosion langsam abläuft, da Oberflächenionen derivatisiert werden60. Diese Faktoren beschleunigen die Stahlkorrosion in ölhaltigem Meerwasser.

Eine weitere Ursache für beschleunigte Stahlkorrosion sind die entstehenden organischen Säuren. Einige Vertreter von Kohlenwasserstoffabbauern wie Alcanivorax sp. kann im späteren Zeitraum (55–85 Tage) eine anaerobe Fermentation von Öl55 in den anoxischen Bereichen der Oberfläche durchführen. Dies wurde durch den Nachweis von Genen im Zusammenhang mit dem anaeroben Kohlenwasserstoffabbau (Abb. 6C) und den Eisencarbonat-Korrosionsprodukten (Abb. 4) gestützt. Bei der mikrobiellen anaeroben Fermentation entstehen als Endprodukte eine Reihe niedermolekularer organischer Substanzen wie Laktat und Butyrat, die in hohen Konzentrationen im Meerwasser nachgewiesen wurden (Abb. 1C). Diese organischen Säuren können die Stahlkorrosion beschleunigen, indem sie die schützende Rostschicht zerstören, die auf der lokalen sauren Mikroumgebung basiert61, und stellen Kohlenstoffquellen für das Wachstum von SRB dar, dessen Zunahme im Laufe der Inkubationszeit beobachtet wurde. Die oben genannten Faktoren tragen zur beschleunigten gleichmäßigen und lokalisierten Korrosion bei, die in den späteren Inkubationsstadien beobachtet wird. Diese Ergebnisse liefern Orientierung für umfassende Studien zur Stahlkorrosion in mit Erdöl und Kohlenwasserstoffen kontaminiertem Meerwasser.

Küstenoberflächenmeerwasser, das sowohl als Medium als auch als Inokulumquelle von einem Ölkai (120,24° E, 35,98° N) im Hafen von Qingdao, China, diente, wurde gesammelt und in sterilisierten Flaschen gelagert. Da marine Sedimente die Hauptquelle für Taxa in Biofilmen sein könnten, die sich auf Stahloberflächen gebildet haben, wie in früheren Feldstudien62 nachgewiesen wurde, wurden auch Oberflächensedimente derselben Probenahmestellen mit einem Bodengreifer gesammelt. Die Meerwasser- und Sedimentproben wurden in Eisboxen aufbewahrt, bevor sie schnellstmöglich ins Labor transportiert und innerhalb von 24 Stunden zur weiteren Behandlung verwendet wurden. Die Hauptbestandteile des verwendeten Rohöls waren n-Alkan (66,7 %), Iso-Alkan (14,1 %), Naphthalin (8,23 %), Aromaten (7,14 %) und Cycloalkan (3,77 %) (Ergänzende Abbildung 1). X70-Stahl, ein häufig verwendeter Schiffsstahl, wurde zu 40 × 20 × 5 mm großen Platten verarbeitet. Die Zusammensetzung von Fe. Die Oberfläche der X70-Platten wurde mit SiC-Papieren der Körnung P120 bis P800 poliert und vor dem Trocknen in einem Backofen mit Ethanol gereinigt. Die Platten wurden gewogen und dann in einem verschlossenen Exsikkator gelagert. Anschließend wurden sie vor Beginn der Experimente 30 Minuten lang durch Bestrahlung unter einer UV-Lampe weiter sterilisiert.

Um die Auswirkungen der Rohölexposition auf die Stahlkorrosion zu untersuchen, wurden Rohöl-Änderungsgruppen (Mit Öl) und Nicht-Änderungsgruppen (Kein Öl) mit frischem Meerwasser und Sedimenten eingerichtet. 1,5 l frisches Meerwasser und 0,5 l Sedimente wurden in sterilisierte 2-l-Flaschen gefüllt, die über Probenahmeöffnungen an der Meerwasser- und Sedimentphase für die anschließende Probenahme verfügten. Stahlplatten wurden in einer Tiefe von 5 cm unter der Meerwasseroberfläche aufgehängt. Fünf Milliliter Rohöl und das gleiche Volumen sterilisiertes Wasser wurden aseptisch mit sterilen Spritzen in die Meerwasserphase der Gruppen „Mit Öl“ und „Ohne Öl“ gegeben. Die Flaschen wurden mit Parafilm versiegelt, um das Aus- und Einströmen von Gas zu ermöglichen, aber eine mikrobielle Kontamination zu verhindern. Als sterile Kontrollen wurden Rohöl-Änderungs- und Nicht-Änderungsgruppen mit autoklavierten Inokula (121 °C für 20 Minuten; 20 psi) eingesetzt. In jeder Versuchsgruppe wurden Dreifachversuche durchgeführt. Alle Inkubationen wurden 85 Tage lang in dunklen Umgebungen bei Raumtemperatur (25 ± 2 °C) gehalten. Für die Behandlungen wurden Zeitreihen (25, 55, 85 Tage) analysiert, um dynamische geochemische Faktoren und Bakteriengemeinschaften als Reaktion auf die Ölzugabe zu erkennen.

Zum Nachweis von Kohlenwasserstoffen im ursprünglichen Meerwasser wurden Meerwasserproben vor der Bestimmung durch GC-MS (Agilent 7980A GC; MS: 5975C) (Agilent Technologies, Santa Clara, USA) wie zuvor beschrieben vorbehandelt6. Der Vorbehandlungsprozess war wie folgt: 20 ml Meerwasser wurden mit 6 N HCl auf pH 2 angesäuert und es wurde eine Extraktion mit dem gleichen Volumen Ethylacetat durchgeführt. Die extrahierten Kohlenwasserstoffe wurden auf 100 μl konzentriert und anschließend mit N,O-Bis(trimethylsilyl)trifluoracetamid (BSTFA) derivatisiert. Der pH-Wert und die Sulfatkonzentration des Meerwassers in den Behandlungen wurden nach 25, 55 bzw. 85 Tagen Inkubation ermittelt. Der pH-Wert jeder Behandlung wurde in einer Laminarströmung bestimmt, nachdem 3 ml Meerwasser aus den Simulatoren entnommen wurden. Zum Nachweis von Sulfat wurde 1 ml Meerwasser in jeder Behandlung durch 0,22-μm-Filtermembranen gefiltert und dann mithilfe der optischen Emissionsspektroskopie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-OES) (PerkinElmer, Waltham, MA, USA) gemessen. Die Konzentrationen leichter organischer Substanzen in gefiltertem Meerwasser nach 85-tägiger Inkubation wurden mithilfe der Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) LC-20AT (Shimadzu Corporation, Kyoto, Japan) gemessen.

Am Ende der Inkubation wurden die getesteten Platten entnommen. Die Oberflächenmorphologie und Elementzusammensetzung wurden durch Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie (FESEM, Zeiss Ultra 55, Deutschland) mit einem energiedispersiven Spektrometer (EDS, INCAx, Oxford, UK) sichtbar gemacht. Die Probenvorbereitung für SEM und EDS erfolgte gemäß der vorherigen Studie63,64. Zur weiteren Bestimmung der Kristallmineralien wurden Korrosionsprodukte von den Stahloberflächen gesammelt, getrocknet und zu feinem Pulver zerkleinert. Die Proben wurden durch Röntgenbeugung (XRD, Rigaku/max-Ultima IV, Japan) unter folgenden Bedingungen analysiert: 40 kV, 30 mA, graphitgefilterte Cu Ka-Strahlung (λ = 0,1542 nm). Um die Korrosionsrate zu messen, wurden Korrosionsprodukte von dreifach hergestellten Platten gemäß der Norm GB/T16545-2015 entfernt und die Platten wurden erneut gewogen, um den Gesamtgewichtsverlust zu bestimmen. Die entsprechende allgemeine Korrosionsrate (mm pro Jahr) wurde aus Gewichtsverlustdaten basierend auf ASTM-Standard G1-03 berechnet. Um die lokalisierten Korrosionsschäden zu charakterisieren, wurden die gereinigten Platten mittels REM und konfokalem Laser-Scanning-Mikroskop (CLSM) (LSM 510, Carl Zeiss, Jena, Deutschland) gescannt.

Die Anzahl der kultivierbaren SRB und APB im Meerwasser wurde mithilfe des Verdünnungstests mit der wahrscheinlichsten Zahl (MPN) gezählt. Die Auszählung von SRB wurde gemäß dem Standard GB/T14643.5-2009 mit einem modifizierten SRB-Medium durchgeführt. Das SRB-Zählungsmedium enthielt: 0,5 g KH2PO4, 0,1 g CaCl2·6H2O, 2,0 g MgSO4·7H2O, 25 g NaCl, 0,3 g (NH4)2Fe(SO4)2·6H2O, 0,1 g Vitamin C, 3,5 ml Natriumlactat und 1,0 g Hefeextrakt in 1 L destilliertem Wasser mit einem pH-Wert von 7,2 ± 0,2. APB wurde wie zuvor berichtet unter Verwendung von Phenolrot-Dextrose-Brühe gezählt65. Das Medium für APB enthielt 10,0 g Pepton, 1,0 g Rindfleischextrakt, 5,0 g Glucose und 0,018 g Phenolrot in 1 l destilliertem Wasser mit einem pH-Wert von 7,4 ± 0,1. Alle MPN-Zählungen wurden in dreifacher Ausfertigung durchgeführt, indem 1 ml Wasserprobe in 9 ml des sterilisierten Mediums seriell verdünnt wurde. Diese mit beimpftem Zählmedium gefüllten anaeroben Röhrchen wurden 30 Tage bzw. 3 Tage bei 30 °C gehalten. Einzelne Röhrchen wurden für das Wachstum von SRB positiv bewertet, wenn die Farbe des Mediums schwarz wurde, oder für das Wachstum von APB, wenn die Farbe des Mediums von Rot nach Gelb wechselte.

Die 16S-rRNA-Gensequenzierung wurde verwendet, um die planktonischen und anhaftenden mikrobiellen Gemeinschaften zu charakterisieren. Zum Nachweis der planktonischen Mikrobengemeinschaft wurden 400-ml-Meerwasserproben in Simulatoren mit und ohne Öl gesammelt und am Ende der Inkubation auf 0,22-μm-Filtermembranen konzentriert. Zur Erkennung der anhaftenden mikrobiellen Gemeinschaft wurden dreifache Biofilme (mit etwas Rost) auf der Stahloberfläche zu allen drei Zeitpunkten (25, 55 und 85 Tage) mit sterilen Schabern beprobt. Nach Abschluss der Probenahme wurde die genomische DNA innerhalb von 24 Stunden mit einem FastDNA SPIN-Kit für Boden (MoBio Laboratories, Carlsbad, CA, USA) gemäß den Anweisungen des Herstellers extrahiert. Die Qualität der extrahierten DNA wurde mit dem NanoDrop One-Spektrophotometer (NanoDrop Technologies, Wilmington, DE, USA) und Agarosegel-Elektrophorese (1 %) überprüft. Nach der Erstellung von Sequenzierungsbibliotheken, wie bereits berichtet63, wurden die Biofilm- und Meerwasserproben auf der Illumina Novaseq PE250-Plattform paarend sequenziert.

Die Rohdaten wurden mit FLASH (V1.2.7)66 zusammengeführt, Chimären mit UCHIME67 entfernt und anschließend mit QIIME (V1.9.1)68 qualitätsgefiltert. UPARSE (V7.0.1001)69 wurde verwendet, um die erhaltenen effektiven Tags in operativen taxonomischen Einheiten (OTUs) mit einer Ähnlichkeit von 97 % zu gruppieren. Repräsentative Sequenzen wurden ausgewählt und der SSU-rRNA-Datenbank57 zur Taxonomieannotation zugewiesen (Schwellenwert 0,8–1) unter Verwendung von Mothur (V1.40.45)58. Für eine weitere Diversitätsanalyse zwischen verschiedenen Proben wurden die Sequenzierungsdaten auf die gleiche Anzahl von Lesevorgängen in jeder Probe normalisiert. Alpha-Diversitätsindizes einschließlich Chao1, ACE, Shannon und Simpson wurden in der QIIME-Plattform berechnet. Die funktionellen Gene wurden anhand der Sequenzierungsdaten mit PICRUSt71 anhand der KEGG-Datenbank70 annotiert. Signifikant unterschiedliche Taxa (Biomarker), die in jeder Gruppe angereichert waren, wurden durch die lineare Diskriminanzanalyse (LDA) basierend auf Kruskal-Wallis-Tests unter Verwendung der LEfSe-Software (V1.0)39 mit einem LDA-Score >3,5 angezeigt. Der T-Test wurde verwendet, um den Unterschied in einzelnen funktionellen Genen zwischen verschiedenen Behandlungen zu bestimmen. P < 0,05 wurde als signifikant angesehen.

Sequenzierungsdaten von Proben aus den Mikrokosmossystemen wurden in der NCBI Short Read Archive (SRA)-Datenbank unter der Bioprojekt-Zugangsnummer PRJNA438021 mit den Bioprobennummern SAMN22141952-22141979 hinterlegt.

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Diese Arbeit wurde von der Natural Science Foundation der Provinz Shandong (Nr. ZR2021QD099), der China Postdoctoral Science Foundation (Nr. 2021M690152) und der National Natural Science Foundation of China (Nr. 42076044, Nr. 41806090) finanziert.

Schlüssellabor für marine Umweltkorrosion und Biofouling, Institut für Ozeanologie, Chinesische Akademie der Wissenschaften, Qingdao, China

Yimeng Zhang, Xiaofan Zhai, Fang Guan, Xucheng Dong, Jiawen Sun, Ruiyong Zhang, Jizhou Duan, Binbin Zhang und Baorong Hou

Offenes Studio für Meereskorrosion und -schutz, Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology (Qingdao), Qingdao, China

Yimeng Zhang, Xiaofan Zhai, Fang Guan, Xucheng Dong, Jiawen Sun, Ruiyong Zhang, Jizhou Duan, Binbin Zhang und Baorong Hou

Zentrum für Ozean-Megawissenschaften, Chinesische Akademie der Wissenschaften, Qingdao, China

Yimeng Zhang, Xiaofan Zhai, Fang Guan, Xucheng Dong, Jiawen Sun, Ruiyong Zhang, Jizhou Duan, Binbin Zhang und Baorong Hou

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YZ: Konzeptualisierung, Methodik, Software, Untersuchung, Schreiben – Originalentwurf; XZ, FG, XD, JS, BZ: Ressourcen, Visualisierung, Untersuchung; RZ: Methodik, Schreiben – Originalentwurf, Projektverwaltung; JD: Konzeption, Betreuung, Projektverwaltung, Fördermittelakquise; BH: Aufsicht

Korrespondenz mit Ruiyong Zhang oder Jizhou Duan.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Zhang, Y., Zhai, X., Guan, F. et al. Mikrobiologisch beeinflusste Korrosion von Stahl in durch Rohöl kontaminiertem Küstenoberflächenmeerwasser. npj Mater Degrad 6, 35 (2022). https://doi.org/10.1038/s41529-022-00242-4

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Eingegangen: 01. Dezember 2021

Angenommen: 15. März 2022

Veröffentlicht: 27. April 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41529-022-00242-4

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