Percepções metagenômicas sobre nutrientes e comunidades microbianas hipóxicas na interface macroincrustação/aço levando a MIC grave

npj Materials Degradation volume 7, Número do artigo: 41 (2023) Citar este artigo

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A macroincrustação aderente em ambientes marinhos causou corrosão complexa de superfícies de aço, resultando em corrosão localizada na interface ostra/aço e corrosão uniforme na interface ascídia/aço. Bactérias redutoras de sulfato (SRB) têm sido implicadas no processo de corrosão microbiologicamente influenciada (MIC) em interfaces cobertas por macroincrustação. Para entender melhor o papel dos biofilmes marinhos como mediadores chave no processo MIC, técnicas de metagenômica foram usadas para estudar comunidades microbianas e sua resposta à cobertura de macroincrustação. Em comparação com as ascídias, a zona anaeróbica local formada na interface ostra/aço estimulou o crescimento de SRBs, levando a um maior teor de FeS e severa corrosão localizada. Verificou-se que o SRB Desulfovibrio e Desulfobulbus, juntamente com o gene funcional relacionado ao SRB dsr, aumentaram, enquanto os genes de função relacionados ao oxigênio coxC, ccoN, ccoO, ccoP e ccoQ diminuíram. Em contraste, as superfícies de aço sem cobertura de macroincrustação tiveram as comunidades microbianas mais ricas, mas experimentaram MIC menos severo, sugerindo nenhuma conexão direta entre a abundância/diversidade microbiana e a promoção da corrosão do aço.

Organismos incrustantes marinhos referem-se ao termo geral para animais, plantas e microorganismos ligados à superfície de instalações marítimas. Com base no tamanho do corpo, eles são classificados em organismos microincrustantes (escala mícron) e organismos macroincrustantes (escala centimétrica)1,2,3. Os organismos incrustantes podem afetar adversamente as infraestruturas marítimas, como navios, pontes, plataformas de petróleo e oleodutos3,4,5,6. Atualmente, existem duas direções principais de pesquisa sobre a relação entre bioincrustação e corrosão marinha de metais.

Primeiro, estude o efeito dos microorganismos na corrosão marinha do metal. Acredita-se que os microrganismos contribuam significativamente para o processo de ferrugem do metal. Microrganismos formadores de biofilme podem colonizar rapidamente superfícies metálicas para formar uma estrutura tridimensional dinâmica (3D) altamente complexa que pode acelerar ou inibir MIC7,8. Atualmente, a pesquisa sobre microrganismos corrosivos marinhos concentra-se principalmente em bactérias cultiváveis ​​em laboratório para estudar os efeitos de colônias mistas ou únicas na corrosão de metais em ambientes de campo simulados ou em condições experimentais controladas9,10,11. Um número considerável de artigos investigou os efeitos de bactérias redutoras de sulfato (SRB)12,13,14,15, bactérias redutoras de nitrato (NRB)16,17,18, bactérias produtoras de ácido (APB)19 e bactérias de ferro (IB)20,21 sobre corrosão de metais em ambiente marinho. Sob condições anóxicas, os SRB são comumente considerados os principais culpados do MIC14, que pode usar sulfato como aceptor terminal de elétrons para degradar compostos orgânicos, levando à produção de sulfetos corrosivos12,13,14,15. Gu et al.22,23 classificaram os ataques de MIC anaeróbicos em dois tipos diferentes: MIC de transferência de elétrons extracelular (EET-MIC) causada pela respiração de micróbios e MIC de metabólitos (M-MIC) causada pela secreção de metabólitos corrosivos. Recentemente, a pesquisa sobre o mecanismo da MIC tornou-se cada vez mais aprofundada. Zhou et al.24 descobriram que Shewanella oneidensis MR-1, um micróbio modelo atraente, pode consumir elétrons diretamente de metais contendo ferro sob condições aeróbicas. Os resultados demonstram que a corrosão pode ocorrer através de um caminho significativo de transferência direta de elétrons entre o metal e o micróbio. A corrosão anaeróbica via flavinas ou H2 como transportadores de elétrons, bem como a absorção direta de elétrons de Fe0, foram todos propostos como mecanismos potenciais para corrosão por S. oneidensis e espécies relacionadas25,26,27,28. Tang et al.28 descobriram que a corrosão do aço inoxidável via transferência direta de elétrons do ferro para o micróbio por Geobacter sulfurreducens e Geobacter metallireducens, que são eletrotróficos conhecidos por aceitarem elétrons diretamente de outros micróbios ou eletrodos. Outra bactéria eletroativa marinha representativa, Pseudomonas aeruginosa, uma bactéria difundida competente para desenvolver biofilmes em habitats marinhos, foi confirmada como causadora de MIC grave em aço carbono por meio de transferência eletrônica extracelular (EET)29,30,31. Zhou et al.31 descobriram que a biocorrosão do aço inoxidável na água marinha foi acelerada por meio da transferência extracelular de elétrons que codifica o gene phzH de Pseudomonas aeruginosa. No entanto, como existem 105 a 106 espécies de microrganismos no ambiente, estudar um único microrganismo é limitante. Portanto, a análise de comunidades microbianas no ambiente marinho corrosivo também contribui significativamente para a pesquisa sobre MIC marinho32,33. A tecnologia de sequenciamento de alto rendimento fornece uma boa ideia. O sequenciamento de alto rendimento, que difere do sequenciamento tradicional de Sanger (didesoxi), é uma técnica que pode sequenciar em paralelo um grande número de moléculas de ácido nucleico de uma só vez34,35,36,37,38. Normalmente, uma única reação de sequenciamento pode produzir dados de sequenciamento não inferiores a 100 Mb. Procopio et al.38 propuseram que, quando combinadas com dados de sequenciamento de amostras ambientais, metodologias como metagenômica, metatranscriptoma e metabolômica abrirão outros horizontes na compreensão do papel dos biofilmes microbianos corrosivos. O surgimento de técnicas de sequenciamento de DNA de alto rendimento tem facilitado a identificação de espécies microbianas que estão envolvidas em processos de corrosão de ligas, tanto direta quanto indiretamente38. Huttunen-Saarivirta et al.35 revelaram dissimilaridades entre os graus de aço inoxidável no comportamento de corrosão e tendência de bioincrustação em água do mar salobra usando sequenciamento de alto rendimento (sequenciamento HTP). Zhang et al.32 utilizaram o sequenciamento de alto rendimento para investigar a comunidade microbiana na camada de ferrugem na superfície do metal após 30 meses de imersão em água do mar. Eles propuseram que cada liga metálica, incluindo aço carbono, liga de cobre e liga de alumínio, levaria ao desenvolvimento de uma comunidade microbiana distinta. Além disso, diferentes comunidades microbianas relacionadas à corrosão se formaram nas camadas de ferrugem interna, intermediária e externa do aço carbono.