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淡水環境では、炭素鋼やステンレス鋼の腐食が加速されることがしばしば観察されます。本研究では、9種類の鋼種を用いて22ヶ月間の淡水タンク潜水調査を実施しました。炭素鋼、クロム鋼、鋳鉄では腐食が加速されたのに対し、ステンレス鋼では22ヶ月経過しても目に見える腐食は観察されませんでした。微生物群集の分析により、全面腐食においては、腐食初期段階ではFe(II)酸化細菌が、腐食進行段階ではFe(III)還元細菌が、製品腐食の最終段階では硫酸塩還元細菌がそれぞれ豊富に存在することが示されました。一方、局部腐食を受けた9%Cr鋼では、Beggiatocaea属細菌が特に多く見られました。これらの微生物群集の構成は、水や底質サンプルの構成とも異なっていました。このように、腐食が進むにつれて微生物群集は劇的に変化し、鉄に依存する微生物のエネルギー代謝によって、他の微生物が増殖できる環境が作り出されます。
金属は、pH、温度、イオン濃度など、様々な物理的・化学的環境要因によって劣化・腐食する可能性があります。特に酸性条件、高温、塩化物濃度は金属の腐食に影響を与えます1,2,3。自然環境および人工環境中の微生物は、金属の摩耗や腐食に影響を与えることが多く、この現象は微生物腐食（MIC）として表れます4,5,6,7,8。MICは、屋内配管や貯蔵タンク、金属の隙間、土壌などの環境に多く見られ、突然出現して急速に進行します。そのため、MICのモニタリングと早期検出は非常に困難であり、MIC分析は通常、腐食後に行われます。腐食生成物中に硫酸還元細菌（SRB）が頻繁に検出されたという、多数のMIC事例研究が報告されています9,10,11,12,13。しかし、SRBの検出は腐食後の分析に基づいているため、SRBが腐食の開始に寄与するかどうかは依然として不明です。
近年、ヨウ素酸化細菌21に加え、鉄分解SRB14、メタン生成菌15,16,17、硝酸還元細菌18、鉄酸化細菌19、アセト生成菌20など、様々な鉄分解微生物の存在が報告されています。嫌気性または微好気性の実験室条件下では、これらの多くはゼロ価鉄および炭素鋼を腐食します。さらに、それらの腐食機構は、鉄腐食性メタン生成菌とSRBがそれぞれ細胞外水素化酵素とマルチヘムシトクロムを用いてゼロ価鉄から電子を奪い、腐食を促進することを示唆しています22,23。MICは、(i) 微生物産生菌による間接的な腐食である化学的MIC（CMIC）と、(ii) 金属の電子枯渇による直接的な腐食である電気的MIC（EMIC）の2種類に分けられます24。細胞外電子移動（EET）によって促進されるEMICは、EET特性を持つ微生物が非EET微生物よりも速い腐食を引き起こすため、非常に興味深いものです。嫌気条件下でのCMICの律速反応はプロトン還元（H+）によるH2生成ですが、EMICはH2生成とは無関係なEET代謝によって進行します。さまざまな微生物におけるEETのメカニズムは、微生物細胞燃料および電気生合成の性能に関連しています25,26,27,28,29。これらの腐食性微生物の培養条件は自然環境のものとは異なるため、観察されたこれらの微生物腐食プロセスが実際の腐食を反映しているかどうかは明らかではありません。そのため、自然環境でこれらの腐食性微生物によって誘発されるMICメカニズムを観察することは困難です。
DNA シーケンス技術の発達は、自然環境と人工環境の微生物群集の詳細な研究を容易にしました。たとえば、新世代のシーケンサーを使用した 16S rRNA 遺伝子配列に基づく微生物プロファイリングは、微生物生態学の分野で使用されています30,31。 ,32。土壌と海洋環境の微生物群集の詳細を説明した多数の MIC 研究が発表されています13,33,34,35,36。SRB に加えて、腐食サンプル中の Fe(II) 酸化 (FeOB) 細菌と硝化細菌 (例: Gallionella spp. や Dechlormonas spp.)、および硝化細菌 (例: Nitrospira spp.) の濃縮も報告されています。土壌媒体中の炭素鋼と銅含有鋼33。同様に、海洋環境においては、ゼタプロテオバクテリアおよびベータプロテオバクテリアに属する鉄酸化細菌が炭素鋼上で数週間にわたって急速にコロニーを形成することが観察されている 36 。これらのデータは、これらの微生物が腐食に寄与していることを示しています。しかし、多くの研究では、研究期間と実験群が限られており、腐食中の微生物群集の動態についてはほとんど分かっていません。
本研究では、MIC（微生物腐食）事象の履歴を持つ好気性淡水環境における浸漬試験を用いて、炭素鋼、クロム鋼、ステンレス鋼、鋳鉄のMIC（微生物腐食）を調査します。サンプルは1、3、6、14、22ヶ月後に採取し、各金属および微生物成分の腐食速度を調査しました。本研究の結果は、腐食過程における微生物群集の長期的な動態に関する知見を提供します。
表1に示すように、本研究では9種類の金属が使用されました。各材料のサンプル10個を淡水プールに浸漬しました。処理水の水質は、Cl-30ppm、Ca2+20mS/m、SiO220ppm、濁度1ppm、pH7.4でした。サンプリングラダーの底部における溶存酸素（DO）濃度は約8.2ppmで、水温は季節により9～23℃の範囲でした。
図 1 に示すように、ASTM A283、ASTM A109 条件 #4/5、ASTM A179、および ASTM A395 鋳鉄環境に 1 か月浸漬した後、炭素鋼表面に全面腐食の形で茶色の腐食生成物が観察されました。これらの試験片の重量損失は時間の経過とともに増加し (補足​​表 1)、腐食速度は 0.13～0.16 mm / 年でした (図 2)。同様に、低 Cr 含有量 (1% および 2.25%) の鋼でも全面腐食が観察され、腐食速度は約 0.13 mm / 年です (図 1 および 2)。対照的に、9% Cr の鋼では、ガスケットによって形成される隙間に局部腐食が発生します。このサンプルの腐食速度は約 0.02 mm / 年で、全面腐食した鋼の腐食速度よりも大幅に低くなっています。 対照的に、ステンレス鋼タイプ304および316では目に見える腐食は見られず、推定腐食速度は<0.001 mm y−1です。 対照的に、ステンレス鋼タイプ304および316では目に見える腐食は見られず、推定加速度は0.001 mm y−1未満です。 Напротив, нержавеющие стали типов 304 и 316 не проявляют видимой коррозии, при этом расчетная скорость所要時間 <0,001 мм/год. 対照的に、タイプ 304 および 316 ステンレス鋼では目に見える腐食は見られず、推定腐食速度は 0.001 mm/年未満です。比較すると、３０４および－３１６タイプのステンレス鋼は、目に見える腐食を示さず、腐食速度＜０．００１ｍｍ ｙ−１ を示した。比較すると、３０４および－３１６タイプのステンレス鋼は、目に見える腐食を示さず、腐食速度＜０．００１ｍｍ ｙ−１ を示した。 Напротив, нержавеющие стали типа 304 и -316 не показали видимой коррозии с расчетной скоростью коррозии <0,001 мм/год. 対照的に、タイプ 304 および -316 ステンレス鋼では、設計腐食速度が 0.001 mm/年未満であり、目に見える腐食は見られませんでした。
スケール除去前後の各サンプル（高さ 50 mm×幅 20 mm）のマクロ画像を示します。1 メートル、1 か月、3 メートル、3 か月、6 メートル、6 か月、14 メートル、14 か月、22 メートル、22 か月、S、ASTM A283、SP、ASTM A109、条件 4/5、FC、ASTM A395、B、ASTM A179、1C、鋼 1% Cr、3C 鋼、鋼 2.25% Cr、鋼 9C、鋼 9% Cr、S6、316 ステンレス鋼、S8、タイプ 304 ステンレス鋼。
腐食速度は、重量減少と浸漬時間を使用して計算されました。S、ASTM A283、SP、ASTM A109、硬化 4/5、FC、ASTM A395、B、ASTM A179、1C、鋼 1% Cr、3 C、鋼 2.25% Cr、9 C、鋼 9% Cr、S6、タイプ 316 ステンレス鋼、S8、タイプ 304 ステンレス鋼。
図1では、炭素鋼、低Cr鋼、鋳鉄の腐食生成物は、3か月の浸漬後にさらに発達することも示されています。全体的な腐食速度は、22か月後には徐々に0.07〜0.08mm /年に減少しました（図2）。さらに、2.25％Cr鋼の腐食速度は他の腐食した試験片よりもわずかに低く、Crが腐食を抑制できることを示しています。一般的な腐食に加えて、ASTM A179によると、22か月後には約700µmの腐食深さで局部腐食が観察されました（図3）。腐食深さと浸漬時間を使用して計算された局部腐食速度は0.38mm /年で、これは一般的な腐食の約5倍の速さです。ASTM A395合金の腐食速度は、14か月または22か月の水浸漬後に腐食生成物がスケールを完全に除去しないため、過小評価される可能性があります。ただし、差は最小限であるはずです。さらに、腐食した低クロム鋼には小さな穴が多数観察されました。
3Dレーザー顕微鏡を用いて観察したASTM A179鋼および9%Cr鋼の最大深さにおける全体画像（スケールバー：10 mm）と局部腐食（スケールバー：500 µm）。全体画像中の赤い円は、測定された局部腐食を示しています。9%Cr鋼の裏面からの全体画像は図1に示されています。
図2に示すように、9%Cr鋼では、3～14ヶ月間は腐食は観察されず、腐食速度は実質的にゼロでした。しかし、22ヶ月後には局部腐食が観察され（図3）、重量減少から算出した腐食速度は0.04 mm/年でした。最大局部腐食深さは1260 µmであり、腐食深さと浸漬期間（22ヶ月）から推定した局部腐食速度は0.68 mm/年です。腐食開始点が正確には不明であるため、腐食速度はより高くなる可能性があります。
対照的に、ステンレス鋼は22ヶ月浸漬後も目に見える腐食は見られませんでした。スケール除去前には表面に少量の茶色の粒子が観察されましたが（図1）、それらは弱く付着しており、腐食生成物ではありませんでした。スケールが除去された後、ステンレス鋼表面に金属が再び現れるため、腐食速度は実質的にゼロです。
金属表面、水中、堆積物中の腐食生成物およびバイオフィルムにおける微生物群集の経時的な変化と動態を理解するために、アンプリコンシーケンシングを実施しました。合計4,160,012リードが受信され、その範囲は31,328～124,183でした。
取水口および池から採取した水サンプルのシャノン指数は5.47から7.45の範囲でした（図4a）。河川再生水は工業用水として利用されているため、微生物群集は季節によって変化する可能性があります。一方、底質サンプルのシャノン指数は約9で、水サンプルの値よりも大幅に高くなっています。同様に、水サンプルは堆積物サンプルよりも計算されたChao1指数と観測された操作的分類単位（OTU）が低かった（図4b、c）。 これらの差は統計的に有意であり（Tukey-Kramer 検定、p 値 < 0.01、図 4d）、堆積物サンプル中の微生物群集は水サンプル中の微生物群集よりも複雑であることを示しています。 これらの差は統計的に有意であり（Tukey-Kramer検定、p値<0.01、図4d）、堆積物サンプル中の微生物群集は水サンプル中の微生物群集よりも複雑であることを示しています。 Эти различия статистически значимы (критерий Тьюки-Крамера; значения p <0,01, рис. 4d), что указывает на то, Їто микробные сообщества в образцах донных отложений более сложны, чем в образцах воды. これらの差は統計的に有意であり（Tukey-Kramer検定、p値<0.01、図4d）、堆積物サンプル中の微生物群集は水サンプル中の微生物群集よりも複雑であることを示しています。これらの差は理論的であり（Tukey-Kramer 検査；p 値 < 0.01、図 4d）、浸漬物サンプル中の微生物群落が水サンプル中の微生物群落よりも多いことを示しています。これらの差は、浸漬物サンプル中の微生物中の集団の減少を示す（tukey-kramer 検査；p 値 <0.01、図 4d）ことを示しています。 Эти различия были статистически значимыми (критерий Тьюки-Крамера; p-значение <0,01, рис. 4d), что позволяет предположить, что микробные сообщества в образцах донных отложений были более сложными, чем в образцахだ。 これらの差は統計的に有意であり（Tukey-Kramer 検定、p 値 <0.01、図 4d）、堆積物サンプル中の微生物群集は水サンプル中の微生物群集よりも複雑であることを示唆しています。越流域の水は常に更新されており、堆積物は機械的な撹乱なしに流域の底に沈殿するため、微生物の多様性のこの違いは流域の生態系を反映していると考えられます。
a シャノン指数、b 観測された運用分類単位 (OTU)、c Chao1 吸収指数 (n=6) および流域 (n=5) 水、堆積物 (n=3)、ASTM A283 (S: n=5)、ASTM A109 質別 #4/5 (SP: n=5)、ASTM A179 (B: n=5)、ASTM A395 (FC: n=5)、1% (1 C: n=5)、2.25% (3 C: n = 5) および 9% (9 C: n = 5) Cr 鋼、およびタイプ 316 (S6: n = 5) と -304 (S8: n = 5) のステンレス鋼が、ボックス型およびウィスカー チャートとして表示されます。d ANOVA および Tukey-Kramer 多重比較テストを使用して得られたシャノンおよび Chao1 指数の p 値。 赤い背景は、p 値が 0.05 未満のペアを表します。 赤い背景はp値が0.05未満のペアを表します。 Красные фоны представляют пары со значениями p <0,05. 赤い背景はp値が0.05未満のペアを表します。色の背景は、p 値 < 0.05 の対を表します。色の背景は、p 値 < 0.05 の対を表します。 Красные фоны представляют пары с p-значениями <0,05. 赤い背景はp値<0.05のペアを表します。ボックスの中央の線、ボックスの上部と下部、およびひげは、それぞれ中央値、25 パーセンタイルと 75 パーセンタイル、最小値と最大値を表します。
炭素鋼、低クロム鋼、鋳鉄のシャノン指数は水サンプルのものと類似していました（図 4a）。 対照的に、ステンレス鋼サンプルのシャノン指数は腐食した鋼の指数よりも大幅に高く（p値 < 0.05、図4d）、堆積物の指数と似ています。 対照的に、ステンレス鋼サンプルのシャノン指数は腐食した鋼の指数よりも大幅に高く（p値 < 0.05、図4d）、堆積物の指数と似ています。 Напротив, индексы Шеннона образцов из нержавеющей стали значительно выге, чем у корродированных сталей (значения p <0,05, рис. 4d), и аналогичны индексам отложений. 対照的に、ステンレス鋼試験片のシャノン指数は腐食した鋼の指数よりも大幅に高く（p値 < 0.05、図4d）、堆積物指数に似ています。比較すると、無害な鋼サンプルの芳香指数は、腐食物と同様であり、腐食鋼の芳香指数よりも明らかに高かった（ｐ値＜０．０５、図４ｄ）。相対比の下では、不锈钢品の香気指数は腐蝕钢の香気指数より明らかに高い（p値<0.05、図4d）、沉物〸 Напротив, индекс Шеннона образцов из нержавеющей стали был значительно выbolи, чем у корродированной стали (значение p <0,05, рис. 4d), как и у отложений. 対照的に、ステンレス鋼試験片のシャノン指数は、堆積物と同様に、腐食した鋼のそれよりも有意に高かった（p値<0.05、図4d）。対照的に、9%クロム鋼のシャノン指数は6.95～9.65の範囲でした。これらの値は、腐食していない試験片では1ヶ月および3ヶ月後の方が、腐食した試験片では6ヶ月、14ヶ月、22ヶ月後よりもはるかに高かった（図4a）。 さらに、9% Cr 鋼の Chao1 指数と観測された OTU は、腐食したサンプルや水のサンプルよりも高く、腐食していないサンプルや堆積物のサンプルよりも低く (図 4b、c)、その差は統計的に有意です (p 値 < 0.01、図 4d)。 さらに、9％Cr鋼のChao1指数と観測されたOTUは、腐食したサンプルと水のサンプルよりも高く、腐食していないサンプルと堆積物のサンプルよりも低く（図4b、c）、その差は統計的に有意であった（p値<0.01、図4d）。さらに、9% Cr を含む鋼の Chao1 と観測された OTU は、腐食したサンプルや水性サンプルよりも高く、非腐食性サンプルや堆積物サンプルよりも低く (図 4b、c)、その差は統計的に有意です。(p-значения <0,01, рис. 4d)。 （p値<0.01、図4d）。さらに、９％Ｃｒ鋼のＣｈａｏ１指数および観察されたＯＴＵは、腐食性サンプルおよび水性サンプルよりも高く、非腐食性サンプルおよび腐食性物質サンプルよりも低く（図４ｂ、ｃ）、その差は理論的に認められた（ｐ値＜０．０１、図４ｄ）。さらに、9% CR 钢 Chao1 指数と観察された rtu は、腐蝕品水样よりも高く、腐蝕物および腐蝕物よりも低い（図 4b、c） 差異（p 値 <0.01） , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , 4d）。 Кроме того, индекс Chao1 и наблюдаемые OTU стали с содержанием 9 % Cr были выго, чем у корродированных и водных образцов, и ниже, чем у некорродированных и осадочных образцов (рис. 4b,c), аразница была статистически значимой (p- значение < 0.01（約4グラム） さらに、9% Cr鋼のChao1指数と観測されたOTUは、腐食したサンプルと水性サンプルよりも高く、腐食していないサンプルと堆積物サンプルよりも低く（図4b、c）、その差は統計的に有意でした（p値< 0.01、図4d）。これらの結果は、腐食生成物中の微生物の多様性は、腐食されていない金属上のバイオフィルム中の微生物の多様性よりも低いことを示しています。
図5aは、全サンプルについてUniFracの重み付けなし距離に基づく主座標分析（PCoA）プロットを示しており、3つの主要なクラスターが観察されています。水サンプル中の微生物群集は、他の群集とは大きく異なっていました。堆積物中の微生物群集にはステンレス鋼群集も含まれていましたが、腐食サンプルではステンレス鋼群集が広く分布していました。対照的に、9%クロム鋼のマップは、腐食していないクラスターと腐食したクラスターに分かれています。したがって、金属表面および腐食生成物上の微生物群集は、水中の微生物群集とは大きく異なっています。
すべてのサンプル（a）、水（b）、金属（c）における、重み付けされていないUniFrac距離に基づく主座標分析（PCoA）プロット。各クラスターは円で強調表示されています。軌跡は、サンプリング期間を連続して結んだ線で表されています。1メートル、1か月；3メートル、3か月；6メートル、6か月；14メートル、14か月；22メートル、22か月；S、ASTM A283；SP、ASTM A109、条件4/5；FC、ASTM A395；B、ASTM A179；1C、鋼1% Cr；3C鋼、鋼2.25% Cr；鋼9C、鋼9% Cr；S6、316ステンレス鋼；S8、タイプ304ステンレス鋼。
時系列順に並べると、水サンプルのPCoAプロットは円形に並んでいた（図5b）。このサイクルの遷移は季節変化を反映している可能性がある。
さらに、金属サンプルの PCoA プロット上では、2 つのクラスター (腐食および非腐食) のみが観察されましたが、(9% クロム鋼を除いて) 1 か月から 22 か月にかけて微生物群集の移行も観察されました (図 5c)。 さらに、腐食サンプルの遷移は非腐食サンプルよりも大きかったため、微生物群集の変化と腐食の進行の間には相関関係がありました。 9% Cr の鋼サンプルでは、​​2 種類の微生物群集が明らかになりました。1 か月と 6 か月のポイントはステンレス鋼の近くに位置し、その他 (3 か月、14 か月、22 か月) は腐食した鋼に近いポイントに位置していました。 1 か月と 6 か月での DNA 抽出に使用したクーポンは腐食されていませんでしたが、3 か月、14 か月、22 か月のクーポンは腐食していました (補足図 1)。そのため、腐食したサンプル内の微生物群集は、水、堆積物、および非腐食サンプル内の微生物群集とは異なり、腐食が進むにつれて変化しました。
水サンプルで観察された主な種類の微生物群集は、プロテオバクテリア（30.1〜73.5％）、バクテロイデス門（6.3〜48.6％）、プランクトミセス門（0.4〜19.6％）、放線菌門（0〜17.7％）であり、それらの相対的な存在量はサンプルごとに異なっていました（図6）。たとえば、池の水のバクテロイデス門の相対的な存在量は、抽出水よりも高かったです。この違いは、オーバーフロータンク内の水の滞留時間の影響を受ける可能性があります。これらの種類は底質サンプルでも観察されましたが、その相対的な存在量は水サンプルとは大きく異なりました。さらに、アシドバクテリオタ（8.7〜13.0％）、クロロフレキシ（8.1〜10.2％）、ニトロスピロタ（4.2〜4.4％）、デスルフォバクテロタ（1.5〜4.4％）の相対含有量は、水サンプルよりも高かったです。ほぼすべての Desulfurobacterota 種が SRB37 であるため、堆積物内の環境は嫌気性であると考えられます。 Desulfurobacterota は腐食に影響を及ぼす可能性がありますが、プール水中の相対的存在量は 0.04% 未満であるため、リスクは極めて低いはずです。 Desulfurobacterota は腐食に影響を及ぼす可能性がありますが、プール水中の相対的存在量は 0.04% 未満であるため、リスクは極めて低いはずです。 Хотя Desulfobacterota、возможно、влияют на коррозию、риск должен быть чрезвычайно низким、поскольку их относительное最高率は <0.04%。 Desulfurobacterota は腐食に影響を及ぼす可能性がありますが、プール水中の相対的存在量は 0.04% 未満であるため、リスクは極めて低いはずです。脱硫細菌は腐敗に影響を与える可能性があるが、池の水中の相対濃度が 0.04% 未満であるため、その影響は非常に低い。 <0.04%。 Desulfobacillus может влиять на коррозию, риск должен быть крайне низким, поскольку их относительное содержание率は <0,04% です。 Desulfurbacillus 型は腐食に影響を及ぼす可能性がありますが、プール水中の相対的存在量は 0.04% 未満であるため、リスクは極めて低いはずです。
RW と空気は、それぞれ取水口と盆地からの水サンプルを表します。堆積物 C、-E、-W は、盆地の底の中央と東側および西側から採取された堆積物サンプルです。1 メートル、1 か月、3 メートル、3 か月、6 メートル、6 か月、14 メートル、14 か月、22 メートル、22 か月、S、ASTM A283、SP、ASTM A109、条件 4/5、FC、ASTM A395、B、ASTM A179、1C、鋼 1% Cr、3C 鋼、鋼 2.25% Cr、鋼 9C、鋼 9% Cr、S6、316 ステンレス鋼、S8、タイプ 304 ステンレス鋼。
属レベルでは、トリコモナス科に属する分類不能な細菌、ならびにネオスフィンゴシン、シュードモナス、フラボバクテリウムが、全季節を通じてやや高い割合（6～19%）で観察された。マイナーな主成分として、それらの割合は変動している（図1）。 . 7aおよびb）。支流では、フラボバクテリウム、シュードビブリオ、ロドフェロバクターの相対的存在量は冬季のみ高かった。同様に、流域の冬季水では、シュードビブリオとフラボバクテリウムの含有量が高かった。このように、水サンプル中の微生物群集は季節によって変動したが、調査期間中に劇的な変化はなかった。
a 取水水、b スイミングプールの水、c ASTM A283、d ASTM A109 温度 #4/5、e ASTM A179、f ASTM A395、g 1% Cr、h 2.25% Cr、i 9% Cr 鋼、j タイプ 316 およびステンレス鋼 K-304。
プロテオバクテリアは全てのサンプルにおいて主成分であったが、腐食が進むにつれて腐食サンプル中の相対的な存在量は減少した（図6）。ASTM A179、ASTM A109 Temp No. 4/5、ASTM A179、ASTM A395、およびCr濃度1%および2.25%のサンプルでは、​​プロテオバクテリアの相対的な存在量はそれぞれ89.1%、85.9%、89.6%、79.5%、84.8%から減少した。また、83.8%では43.3%、52.2%、50.0%、41.9%、33.8%、31.3%に減少した。 対照的に、Desulfurobacterota の相対的存在量は、腐食の進行とともに 0.1% 未満から 12.5～45.9% に徐々に増加します。 対照的に、Desulfurobacterota の相対的存在量は、腐食の進行とともに 0.1% 未満から 12.5～45.9% に徐々に増加します。 Desulfobacterota の感染者数は、<0,1% до 12,5–45,9% です。 коррозии。 対照的に、Desulfurobacterota の相対的な存在量は、腐食が進むにつれて 0.1% 未満から 12.5～45.9% に徐々に増加します。逆に、腐食が進むにつれて、脱硫細菌の相対濃度は０．１％未満から１２．５〜４５．９％まで増加した。逆に、腐食が進むにつれて、脱硫菌の相対濃度は < 0.1% になります。 Напротив, относительная численность Desulfobacillus постепенно увеличивалась с <0,1% до 12,5–45,9% по мере развития коррозии。 対照的に、腐食が進むにつれて、デスルフォバチルスの相対的存在量は 0.1% 未満から 12.5～45.9% に徐々に増加しました。そのため、腐食が進むにつれて、Proteobactereira は Desulfurobacterota に置き換えられました。
対照的に、腐食していないステンレス鋼上のバイオフィルムには、異なる細菌が同程度の割合で含まれていた。プロテオバクテリア（29.4～34.1%）、プランクトミセス門（11.7～18.8%）、ニトロスピロタ（2.9～20.9%）、アシドバクテリオタ（8.6～18.8%）、バクテロイデス門（3.1～9.2%）、クロロフレキシ（2.1～8.8%）。ステンレス鋼サンプル中のニトロスピロタの割合は徐々に増加していることが判明した（図6）。これらの割合は堆積物サンプルのそれと類似しており、図5aに示したPCoAプロットと一致する。
9% Cr を含む鋼サンプルでは、​​2 種類の微生物群集が観察されました。1 か月および 6 か月の微生物群集は底質サンプルのものと類似していましたが、腐食サンプル 3、14、および 22 ではプロテオバクテリアの割合が大幅に増加しました。さらに、9% Cr 鋼サンプルのこれら 2 つの微生物群集は、図 5c に示す PCoA プロットの分割されたクラスターに対応していました。
属レベルでは、未割り当ての細菌と古細菌を含む 2000 を超える OTU が観察されました。 属レベルでは、未割り当ての細菌と古細菌を含む 2000 を超える OTU が観察されました。属レベルでは、未確認の細菌や古細菌を含む 2,000 を超える OTU が観察されています。属レベルでは、未特定細菌および古細菌を含む2,000以上のOTUが観察されています。その中で、各サンプルにおいて個体数が多い10のOTUに焦点を当てました。これは、ASTM A179における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%、および21.8～45.1%をカバーします。ASTM A109 Temp No. 4/5、ASTM A179、ASTM A395、1%、2.25%、および9%クロム鋼、ならびにType 316およびType 304ステンレス鋼です。
ASTM A179、ASTM A109 Temp No. 4/5、ASTM A179、ASTM A395、およびCr含有量1%および2.25%の鋼材などの腐食試料では、Fe(II)酸化特性を持つ脱塩素モノリスが比較的多く観察されました。腐食初期段階（1ヶ月および3ヶ月、図7c-h）では、デクロロモナス属の割合は時間の経過とともに減少し、これはプロテオバクテリアの減少と一致していました（図6）。 さらに、腐食されていないサンプルのバイオフィルム内のデクロロモナスの割合は 1% 未満です。 さらに、腐食されていないサンプルのバイオフィルム内のデクロロモナスの割合は 1% 未満です。 デクロロモナスの感染率は 1% 未満です。 さらに、腐食されていない標本上のバイオフィルム内のデクロロモナスの割合は 1% 未満です。さらに、未腐蝕サンプルの生体膜における脱酸素細胞菌の割合は１％未満であった。さらに、未腐蝕サンプルの生体膜中の脱酸素細胞菌の割合は < 1% デクロロモナスの感染率は 1% 未満です。 さらに、腐食されていない標本のバイオフィルム内のデクロロモナスの割合は 1% 未満でした。そのため、腐食生成物の中で、デクロロモナスは腐食の初期段階で著しく増加します。
対照的に、ASTM A179、ASTM A109焼戻し#4/5、ASTM A179、ASTM A395、および1%および2.25%のCrを含む鋼では、SRB Desulfurovibrio種の割合は14か月後と22か月後にようやく増加しました（図7c～h）。腐食初期段階、水サンプル（図7a、b）、および腐食していないバイオフィルム（図7j、j）では、Desulfurovibrioは非常に少ないか、検出されませんでした。これは、Desulfurovibrioが腐食初期段階では腐食に影響を与えないものの、形成された腐食生成物の環境を好むことを強く示唆しています。
ジオバクターやジオスリックスなどのFe(III)還元細菌（RRB）は、腐食中期（6ヶ月および14ヶ月）の腐食生成物中に見られましたが、腐食後期（22ヶ月）の割合はこれらの細菌の方が高く、比較的低い値を示しました（図7c、eh）。Fe(II)酸化特性を持つシデロキシダンス属も同様の挙動を示し（図7f）、腐食試料ではFeOB、IRB、SRBの割合が高かったのはこれらの細菌群の変化によるものであることが強く示唆されます。これは、これらの微生物群の変化が腐食の進行と関連していることを強く示唆しています。
3、14、22 か月後に腐食した 9% Cr 鋼では、硫黄酸化特性を示すことがある Beggiatoacea 科のメンバー (8.5～19.6%) の割合が高く、また、シデロキシダン (8.4～13.7%) が観察されました (図 1)。 7i) さらに、硫黄酸化細菌 (SOB) である Thiomonas は、3 か月と 14 か月で高い数 (3.4% と 8.8%) で見つかりました。対照的に、硝酸塩還元細菌 Nitrospira (12.9%) は 6 か月経過した腐食されていないサンプルで観察されました。浸漬後のステンレス鋼上のバイオフィルムでも Nitrospira の割合の増加が観察されました (図 7j、k)。このように、1 か月および 6 か月経過した腐食されていない 9% Cr 鋼の微生物群集は、ステンレス鋼バイオフィルムの微生物群集と類似していました。さらに、3、14、22 か月で腐食した 9% Cr 鋼の微生物群集は、炭素鋼、低クロム鋼、鋳鉄の腐食生成物とは異なっていました。
塩化物イオン濃度が金属の腐食に影響を与えるため、淡水中での腐食の進行は通常、海水中よりも遅くなります。しかしながら、一部のステンレス鋼は淡水環境で腐食する可能性があります38,39。さらに、本研究で使用した淡水プールでは以前に腐食物が観察されていたため、当初はMIC（微生物群集）が疑われました。長期浸漬試験では、様々な形態の腐食、3種類の微生物群集、そして腐食生成物中の微生物群集の変化が観察されました。
本研究で使用した淡水媒体は、化学組成が比較的安定しており、水温の季節変化が 9～23 °C の河川から採取した工業用水用の密閉タンクです。したがって、水サンプル中の微生物群集の季節変動は温度変化に関連している可能性があります。また、プールの水の微生物群集は、流入水の微生物群集とは多少異なっていました (図 5b)。プールの水は、オーバーフローにより常に入れ替わっています。その結果、流域表面と底の間の中間深度でも、DO は約 8.2 ppm のままでした。一方、堆積物は貯水池の底に沈殿して留まるため、その環境は嫌気性であるはずであり、その中の微生物叢 (CRP など) も水中の微生物叢とは異なるはずです (図 6)。プール内のクーポンは堆積物から離れていたため、好気条件下での浸漬研究中にのみ淡水に曝露されました。
炭素鋼、低クロム鋼、鋳鉄は耐食性が低いため、淡水環境では全面腐食が発生します（図1）。しかし、非生物的淡水環境における腐食速度（0.13 mm yr-1）は、先行研究40（0.04 mm yr-1）よりも高く、微生物存在下における腐食速度（0.02～0.76 mm yr-1）とほぼ同等でした。1）淡水環境と同様です40,41,42。この加速腐食速度はMIC（微生物腐食）の特徴です。
さらに、22ヶ月間の浸漬後、腐食生成物の下で複数の金属に局部腐食が観察されました（図3）。特に、ASTM A179で観察された局部腐食速度は、一般腐食の約5倍の速さです。この特異な腐食形態と加速腐食速度は、同じ対象物で発生した腐食においても観察されています。したがって、本研究で実施した浸漬は、実際の腐食を反映していると言えます。
調査対象となった金属の中で、9% Cr 鋼は最も深刻な腐食を示し、腐食深さは 1.2 mm を超えており、加速腐食と異常な腐食形態のため、MIC であると考えられます。 調査対象となった金属の中で、9% Cr 鋼は最も深刻な腐食を示し、腐食深さは 1.2 mm を超えており、加速腐食と異常な腐食形態のため、MIC であると考えられます。 Среди исследованных металлов сталь с 9% Cr показала наиболее сильную коррозию с глубиной коррозии> 1,2 ммм, что, вероятно、является МИК из-за ускоренной коррозии и аномальной формы коррозии. 調査した金属の中で、9% Cr を含む鋼は、腐食深さが 1.2 mm を超えており、最も深刻な腐食を示しました。これは、加速腐食と異常な腐食形態による MIC であると考えられます。研究された金属では、９％Ｃｒ鋼の腐食は最も重く、腐食深さが＞１．２ｍｍであり、加速腐食および常常腐食の形態のため、おそらくＭＩＣである。研究した金属中、9% Cr Среди исследованных металлов наиболее сильно корродировала сталь с 9% Cr, с глубиной коррозии >1,2 мм, скорее всего, МИК из-за ускоренных и аномальных форм коррозии. 調査された金属のうち、9% Cr を含む鋼は最も激しく腐食し、腐食深さは 1.2 mm を超えており、加速腐食と異常腐食により MIC が発生した可能性が最も高いと考えられます。9% Cr 鋼は高温用途で使用されるため、その腐食挙動はこれまでに研究されています43,44 が、この金属に対する MIC はこれまで報告されていません。 超好熱菌を除く多くの微生物は高温環境（> 100 °C）では不活性であるため、このような場合には 9% Cr 鋼の MIC は無視できます。 超好熱菌を除く多くの微生物は高温環境（> 100 °C）では不活性であるため、このような場合には 9% Cr 鋼の MIC は無視できます。 Поскольку многие микроорганизмы, за исключением гипертермофилов, неактивны высокотемпературной среде (>100) °С)、МИК в стали с 9% Cr в таких случаях можно не учитывать. 超好熱菌を除く多くの微生物は高温環境（> 100°C）では不活性であるため、そのような場合には 9% Cr を含む鋼の MIC は無視できます。超高温菌を除けば、多くの微生物は高温環境（>100 °C）では活性を示さず、したがってこの場合の Cr 中の MIC はわずか 9% です。 9% Cr 颃(>100 °C) Поскольку многие микроорганизмы, кроме гипертермофилов, не проявляют активности высокотемпературных средах (>100 °С)、МПК в стали с 9% Cr в данном случае можно не учитывать. 超好熱菌を除く多くの微生物は高温環境（> 100 °C）では活性を示さないため、この場合、9% Cr を含む鋼の MIC は無視できます。しかし、9%Cr鋼を中温環境で使用する場合は、MICを低減するためにさまざまな対策を講じる必要があります。
腐食されていない物質の堆積物とバイオフィルム内の腐食生成物には、加速腐食に加えて、水と比較してさまざまな微生物群集とその変化が観察され（図5-7）、この腐食がマイクロフォンであることを強く示唆しています。 Ramirez ら13 は、海洋微生物生態系において 6 か月間で 3 段階の遷移 (FeOB => SRB/IRB => SOB) が起こり、二次的に濃縮された SRB によって生成された硫化水素が最終的に SOB の濃縮に寄与する可能性があると報告しています。 Ramirez ら13 は、海洋微生物生態系において 6 か月間で 3 段階の遷移 (FeOB => SRB/IRB => SOB) が起こり、二次的に濃縮された SRB によって生成された硫化水素が最終的に SOB の濃縮に寄与する可能性があると報告しています。 Ramirez et al.13 сообщают о трехэтапном переходе (FeOB => SRB/IRB => SOB) と морской микробной экосистеме в течение 6 месяцев, когда сероводород, образующийся при вторичном обогащении SRB, может, наконец, способствовать обогащению SOB。 ラミレスら13は、海洋微生物生態系において6か月間で3段階の遷移（FeOB => SRB/IRB => SOB）が起こり、SRBの二次濃縮から生成された硫化水素が最終的にSOBの濃縮に寄与する可能性があると報告しています。 Ramirez 等の人 13 は、6 か月を超えた海洋微生物生成系における 3 段階の変化 (FeOB => SRB/IRB => SOB) を報告しており、その際の二次富化 SRB によって生成される硫化ガスが SOB の富化に最も貢献している可能性があります。Ramirez 等 人 13 报告了 个超过 超过 6 月 海洋微生物生态系统中的 3 步 转变 转变 转变 转变 转变 转变 转变遷移遷移ｒ ｓｒｂ／ＩＲＢ）、その中の次の濃縮ｓｒｂは、硫化ガスを生成し、嗚咽の濃縮に最も役立つ可能性がある。 Ramirez et al.13 の трехступенчатом переходе (FeOB => SRB/IRB => SOB) と морской микробной экосистеме в течение 6 месяцев, в котором сероводород, образующийся в результате вторичного обогащения SRB, может в конечном итоге最高です忘れられたSOB。 ラミレスら13は、海洋微生物生態系において6か月にわたって3段階の遷移（FeOB => SRB/IRB => SOB）が起こり、SRBの二次濃縮で生成された硫化水素が最終的にSOBの濃縮に寄与する可能性があると報告した。McBeth と Emerson36 は FeOB における主要な濃縮を報告しました。 同様に、この研究では腐食初期段階で FeOB が増加するのが確認されていますが、炭素鋼、1% および 2.25% Cr 鋼、鋳鉄で 22 か月間にわたり腐食の進行に伴って確認された微生物の変化は、FeOB => IRB => SRB です (図 7 および 8)。 同様に、この研究では腐食初期段階で FeOB の濃縮が観察されていますが、炭素鋼、1% および 2.25% Cr 鋼および鋳鉄で 22 か月間にわたって観察された腐食の進行に伴う微生物の変化は、FeOB => IRB => SRB です (図 7 および 8)。 Точно так же в этом исследовании наблюдается обогащение FeOB на ранней стадии коррозии, но микробные изменения по 1% と 2,25% の Cr が 22 分以内に表示されます。 FeOB => IRB => SRB (рис. 7 и 8)。 同様に、この研究では腐食の初期段階で FeOB が濃縮されていることが観察されていますが、22 か月にわたって炭素鋼、1% および 2.25% Cr 鋼および鋳鉄で観察された腐食の進行に伴う微生物の変化は、FeOB => IRB => SRB となっています (図 7 および 8)。また、本研究では初期の腐食段階ではFeOBが豊富に観察されているが、1%と2.25%のCr钢、および22ヶ月を超えて観察された微生物は腐食の進行に応じてFeOB => IRB => SRBとなっている（図7）和8）。同様に、本研究では初期腐蝕期 feob の富を観察しているが、1% および 2.25% Cr 钢超過 22 個の铸铁中までの微生物腐蝕の進行により FEOB => IRB が変化する。 => SRB（図7および8）。 Аналогичным образом, в этом исследовании наблюдалось обогащение FeOB на ранних стадиях коррозии, но 1% または 2,25% Cr сталях и чугуне в течение 22 месяцев, FeOB => IRB => SRB (рис. 7 и 8)。 同様に、本研究では腐食の初期段階で FeOB の濃縮が観察されましたが、22 か月間にわたって炭素鋼、1% および 2.25% Cr 鋼および鋳鉄で観察された微生物学的変化は、FeOB => IRB => SRB でした (図 7 および 8)。SRBは海水環境では硫酸イオン濃度が高いため容易に蓄積しますが、淡水環境では硫酸イオン濃度が低いためSRBの蓄積が遅れます。海水中のSRBの蓄積は頻繁に報告されています10,12,45。
a 腐食初期段階では、鉄(II)依存性エネルギー代謝による有機炭素と窒素が鉄酸化物（赤色細胞 [Dechlormonas sp.] および緑色細胞 [Sideroxydans sp.]）および鉄(III)還元細菌（灰色細胞 [Geothrix sp. および Geobacter sp. ]）によって分解され、その後、嫌気性硫酸塩還元細菌（SRP）および従属栄養微生物が蓄積された有機物を消費することで、腐食の成熟段階が促進されます。b 耐食性金属上の微生物群集の変化。紫、青、黄、白の細胞は、それぞれComamonadaceae科、Nitrospira sp.科、Beggiatoacea科、その他の細菌を表しています。
微生物群集の変化とSRBの増殖の可能性に関して、腐食初期段階ではFeOBが極めて重要であり、DechlormonasはFe(II)の酸化から成長エネルギーを得ることができます。微生物は微量元素を含む培地でも生存できますが、指数関数的に増殖することはありません。しかし、本研究で使用したプランジプールは、流入量20 m³/hのオーバーフロー槽であり、無機イオンを含む微量元素を継続的に供給します。腐食初期段階では、炭素鋼や鋳鉄から第一鉄イオンが放出され、DechlormonasなどのFeOBはこれをエネルギー源として利用します。細胞の成長に必要な微量の炭素、リン酸、窒素は、有機物および無機物の形でプロセス水中に存在する必要があります。したがって、この淡水環境では、FeOBは炭素鋼や鋳鉄などの金属表面に最初に濃縮されます。その後、IRBが増殖し、有機物をエネルギー源として、鉄酸化物を終末電子受容体として利用できるようになります。成熟した腐食生成物では、FeOBとIRBの代謝により窒素に富む嫌気性条件が形成されるため、SRBは急速に増殖し、FeOBとIRBを置換する（図8a）。
最近、Tangらは淡水環境でGeobacter ferroreducensによってステンレス鋼が腐食するのは、鉄から微生物への直接電子伝達によるものだと報告している46。EMICを考慮すると、EET特性を持つ微生物の寄与が重要になる。SRB、FeOB、およびIRBは、この研究の腐食生成物中の主な微生物種であり、EET特性を持つはずである。したがって、これらの電気化学的に活性な微生物は、EETを介して腐食に寄与する可能性があり、腐食生成物が形成されるにつれて、さまざまなイオン種の影響下でそのコミュニティの構成が変化する。対照的に、9％Crを含む鋼の微生物コミュニティは他の鋼とは異なっていた（図8b）。14か月後には、FeOBの濃縮に加えて、Sideroxydans、SOB47Beggiatoacea、およびThiomonasなども濃縮されていた（図7i）。この変化は、炭素鋼などの他の腐食性材料とは著しく異なり、腐食中に溶解するクロムを多く含むイオンの影響を受ける可能性があります。注目すべきことに、チオモナスは硫黄酸化特性だけでなく、Fe(II)酸化特性、EETシステム、そして重金属耐性も備えています48,49。これらの細菌は、Fe(II)の酸化活性や金属電子の直接消費によって増殖する可能性があります。以前の研究では、不連続バイオフィルムモニタリングシステムを用いて、Cu上のバイオフィルム中に比較的多くのBeggiatoaceaが観察されており、これらの細菌がCuやCrなどの有毒金属に耐性を持つ可能性が示唆されています。しかし、この環境でBeggiatoaceaが成長するために必要なエネルギー源は不明です。
本研究では、淡水環境における腐食過程における微生物群集の変化について報告する。同じ環境下において、金属の種類によって微生物群集は異なっていた。さらに、本研究の結果は、腐食初期段階におけるFeOBの重要性を裏付けるものである。鉄依存型の微生物エネルギー代謝は、SRBなどの他の微生物が好む栄養豊富な環境の形成を促進するためである。淡水環境におけるMICを低減するためには、FeOBとIRBの濃縮を抑制する必要がある。
本研究では 9 種類の金属を使用し、50 × 20 × 1～5 mm のブロックに加工しました (ASTM 395 鋼および 1%、2.25%、9% Cr の厚さ: 5 mm、ASTM A283 および ASTM A179 の厚さ: 3 mm)。 mm、ASTM A109 質別 4/5 およびタイプ 304 および 316 ステンレス鋼、厚さ: 1 mm)。2 つの 4 mm の穴が開けられています。クロム鋼はサンドペーパーで研磨し、その他の金属は浸漬前に 600 番のサンドペーパーで研磨しました。すべてのサンプルは、99.5% エタノールで超音波処理し、乾燥して重量を測定した。各金属の 10 個のサンプルを腐食速度計算および微生物叢分析に使用しました。各試験片は、PTFE ロッドとスペーサー (φ 5 × 30 mm、補足図 2) を使用してラダー方式で固定しました。
プールの容積は1100立方メートルで、深さは約4メートルです。水の流入量は20 m3/時で、オーバーフロー水は放出され、水質は季節によって変動しませんでした（補足図3）。サンプル採取用のはしごは、タンクの中央に吊るされた3メートルの鋼線の上に降ろされます。2組のはしごは、1、3、6、14、22か月後にプールから取り外されました。1つのはしごからのサンプルは重量減少の測定と腐食速度の計算に使用し、もう1つのはしごからのサンプルは微生物叢の分析に使用しました。浸漬タンク内の溶存酸素は、溶存酸素センサー（InPro6860i、Mettler Toledo、米国オハイオ州コロンバス）を使用して、表面と底の近く、および中央で測定されました。
サンプル上の腐食生成物とバイオフィルムは、プラスチック製スクレーパーで削り取るか、綿棒で拭き取ることで除去し、超音波洗浄機を用いて99.5%エタノールで洗浄した。その後、サンプルをASTM G1-0351に準拠したクラーク溶液に浸漬した。乾燥完了後、全てのサンプルの重量を測定した。各サンプルの腐食速度（mm/年）は、以下の式を用いて算出する。
ここで、Kは定数（8.76 × 104）、Tは露出時間（h）、Aは総表面積（cm2）、Wは質量損失（g）、Dは密度（g cm–3）です。
サンプルを計量した後、3D測定レーザー顕微鏡（LEXT OLS4000、オリンパス、東京、日本）を使用して、いくつかのサンプルの3D画像を取得しました。