Approfondimenti metagenomici sulle comunità microbiche nutritive e ipossiche all'interfaccia macrofouling/acciaio che portano a una MIC grave

npj Materiali Degradazione volume 7, Numero articolo: 41 (2023) Citare questo articolo

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Le macroincrostazioni aderenti negli ambienti marini hanno causato una corrosione complessa delle superfici di acciaio, con conseguente corrosione localizzata all'interfaccia ostrica/acciaio e corrosione uniforme all'interfaccia ascidia/acciaio. I batteri solfato-riduttori (SRB) sono stati implicati nel processo di corrosione microbiologicamente influenzata (MIC) sulle interfacce coperte da macroincrostazioni. Per comprendere meglio il ruolo dei biofilm marini come mediatori chiave nel processo MIC, sono state utilizzate tecniche metagenomiche per studiare le comunità microbiche e la loro risposta alla copertura del macrofouling. Rispetto alle ascidie, la zona anaerobica locale formata all’interfaccia ostrica/acciaio ha stimolato la crescita degli SRB, portando a un contenuto di FeS più elevato e a una grave corrosione localizzata. È stato riscontrato che SRB Desulfovibrio e Desulfobulbus, insieme al gene funzionale correlato a SRB dsr, aumentano, mentre i geni funzionali correlati all'ossigeno coxC, ccoN, ccoO, ccoP e ccoQ diminuiscono. Al contrario, le superfici di acciaio senza copertura di macroincrostazioni presentavano le comunità microbiche più ricche, ma presentavano una MIC meno grave, suggerendo alcuna connessione diretta tra abbondanza/diversità microbica e promozione della corrosione dell’acciaio.

Gli organismi che inquinano il mare si riferiscono al termine generale per animali, piante e microrganismi attaccati alla superficie delle strutture marine. In base alle dimensioni corporee, sono classificati in organismi con microincrostazioni (scala micrometrica) e organismi con incrostazioni macro (scala centimetrica)1,2,3. Gli organismi che inquinano possono influenzare negativamente le infrastrutture marine come navi, ponti, piattaforme petrolifere e oleodotti3,4,5,6. Attualmente esistono due principali direzioni di ricerca riguardanti la relazione tra biofouling e corrosione marina dei metalli.

Innanzitutto, studia l'effetto dei microrganismi sulla corrosione marina dei metalli. Si ritiene che i microrganismi contribuiscano in modo significativo al processo di ruggine dei metalli. I microrganismi che formano biofilm possono colonizzare rapidamente le superfici metalliche per formare una struttura tridimensionale (3D) altamente complessa e dinamica in grado di accelerare o inibire la MIC7,8. Attualmente, la ricerca sui microrganismi corrosivi marini si concentra principalmente sui batteri coltivabili in laboratorio per studiare gli effetti di colonie miste o singole sulla corrosione dei metalli in ambienti simulati sul campo o in condizioni sperimentali controllate9,10,11. Un numero considerevole di articoli ha studiato gli effetti dei batteri che riducono i solfati (SRB)12,13,14,15, dei batteri che riducono i nitrati (NRB)16,17,18, dei batteri produttori di acido (APB)19 e dei batteri del ferro (IB)20,21 sulla corrosione dei metalli in ambiente marino. In condizioni anossiche, gli SRB sono comunemente considerati i principali colpevoli della MIC14, che può utilizzare il solfato come accettore terminale di elettroni per degradare i composti organici, portando alla produzione di solfuri corrosivi12,13,14,15. Gu et al.22,23 hanno classificato gli attacchi MIC anaerobici in due diversi tipi: MIC a trasferimento di elettroni extracellulare (EET-MIC) causato dalla respirazione di microbi e MIC di metaboliti (M-MIC) causata dalla secrezione di metaboliti corrosivi. Recentemente, la ricerca sul meccanismo della MIC è diventata sempre più approfondita. Zhou et al.24 hanno scoperto che Shewanella oneidensis MR-1, un microbo modello attraente, può consumare direttamente elettroni da metalli contenenti ferro in condizioni aerobiche. I risultati dimostrano che la corrosione può verificarsi attraverso un percorso significativo di trasferimento diretto di elettroni tra metallo e microbo. La corrosione anaerobica tramite flavine o H2 come navette di elettroni così come l'assorbimento diretto di elettroni da Fe0 sono stati tutti proposti come potenziali meccanismi di corrosione da parte di S. oneidensis e specie correlate25,26,27,28. Tang et al.28 hanno scoperto che la corrosione dell'acciaio inossidabile avviene attraverso il trasferimento diretto di elettroni dal ferro al microbio da parte di Geobacter sulfurreducens e Geobacter metallireducens, che sono elettrotrofi noti per accettare direttamente elettroni da altri microbi o elettrodi. È stato confermato che un altro batterio elettroattivo marino rappresentativo, Pseudomonas aeruginosa, un batterio pervasivo competente per lo sviluppo di biofilm negli habitat marini, causa una grave MIC sull'acciaio al carbonio attraverso il trasferimento di elettroni extracellulari (EET)29,30,31. Zhou et al.31 hanno scoperto che la biocorrosione dell'acciaio inossidabile nell'acqua marina veniva accelerata tramite il trasferimento di elettroni extracellulari che codifica il gene phzH di Pseudomonas aeruginosa. Tuttavia, poiché nell’ambiente sono presenti 105-106 specie di microrganismi, lo studio di un singolo microrganismo è limitante. Pertanto, anche l’analisi delle comunità microbiche nell’ambiente marino corrosivo fornisce un contributo significativo alla ricerca sulla MIC marina32,33. La tecnologia di sequenziamento ad alto rendimento fornisce una buona idea. Il sequenziamento ad alto rendimento, che differisce dal tradizionale sequenziamento Sanger (dideossi), è una tecnica in grado di sequenziare in parallelo un gran numero di molecole di acido nucleico contemporaneamente34,35,36,37,38. Tipicamente, una singola reazione di sequenziamento può produrre dati di sequenziamento non inferiori a 100 Mb. Procopio et al.38 hanno proposto che, se combinate con i dati di sequenziamento di campioni ambientali, metodologie come la metagenomica, il metatrascrittoma e la metabolomica apriranno altri orizzonti nella comprensione del ruolo dei biofilm microbici corrosivi. L’emergere di tecniche di sequenziamento del DNA ad alto rendimento ha facilitato l’identificazione di specie microbiche coinvolte nei processi di corrosione delle leghe, sia direttamente che indirettamente38. Huttunen-Saarivirta et al.35 hanno rivelato differenze tra i gradi di acciaio inossidabile nel comportamento alla corrosione e nella tendenza al biofouling nell'acqua di mare salmastra utilizzando il sequenziamento ad alto rendimento (sequenziamento HTP). Zhang et al.32 hanno utilizzato il sequenziamento ad alto rendimento per studiare la comunità microbica nello strato di ruggine sulla superficie metallica dopo 30 mesi di immersione in acqua di mare. Hanno proposto che ciascuna lega metallica, compreso l’acciaio al carbonio, la lega di rame e la lega di alluminio, porterebbe allo sviluppo di una comunità microbica distinta. Inoltre, diverse comunità microbiche legate alla corrosione si sono formate negli strati di ruggine interni, intermedi ed esterni dell’acciaio al carbonio.