Mikrobiell beeinflusste Korrosion durch hochaggressive sulfatreduzierende Bakterien
Mikrobielle Ökologie und Angewandte Mikrobiologie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Korrosion von Eisenstrukturen in anoxischer Umgebung wird im Allgemeinen hauptsächlich der metabolischen Aktivität von sulfatreduzierenden Bakterien und methanogenen Archaeen zugeschrieben, welche auf der Metalloberfläche elektrochemische Prozesse beeinflussen. Aus diesem Grund zielt die vorliegende Studie darauf ab die Elektronentransferprozesse an der Phasengrenze Elektrode – Mikroorganismus von spezialisierten sulfatreduzierenden Bakterien und methanogenen Archaeen zu charakterisieren, welche zur direkten Elektronenaufnahme von elementarem Eisen befähigt sind und so zu erheblicher Korrosion beitragen. Zu diesem Zweck wurden elektrochemische Analysen der hoch korrosiven Mikroorganismen in modifizierten Bioreaktoren mit 3-Elektrodenaufbau in künstlichem Meerwasser unter anoxischen Bedingungen durchgeführt und durch chemische Analysen und SEM-Beobachtungen ergänzt. Um genauere Einblicke in die Elektronentransferprozesse zu erhalten, wurden parallel sterile Kontrollen und nicht-korrosive hydrogenotrophe Kontrollstämme analysiert. Eine kontinuierliche elektrochemische Überwachung der Korrosionsrate belegte, dass die recht neue EFM Methode ein großes Potential zur Überwachung von mikrobieller Korrosion besitzt, da bedingt durch die Identifizierung von lokaler Korrosion, die Genauigkeit der erhaltenen Korrosionsraten bewertet werden kann. Dennoch lag der Fokus auf den bemerkenswerten Elektronentransferprozessen an der Phasengrenze Elektrode – Mikroorganismus, von Desulfopila corrodens Stamm IS4 und dem Methanobacterium-ähnlichen Archaeon Stamm IM1, welche nicht auf das Eisen als alleinigen Elektronendonator für den mikrobiellen Metabolismus beschränkt sind. Graphit- und Germaniumkathoden, welche als einzige Elektronendonatoren dienten, ermöglichten elektrochemische Analysen des Mechanismus zur direkten Elektronenaufnahme, da Korrosionspräzipitate wie sie für das Eisen typisch sind auf anderen Kathoden fehlen. Ein direkter Elektronentransfer in Abwesenheit von künstlichen Elektronenmediatoren wurde bei einem Potential von – 0.4 V vs. SHE erreicht. Während die redoxaktiven Komponenten an der Zelloberfläche von Stamm IM1 noch unbekannt sind, konnten Cytochrome des Häm-Typs c identifiziert werden, die bei der direkten Elektronenaufnahme von reduzierten Oberflächen in die äußere Membran von Stamm IS4 beteiligt sind. Nichtsdestoweniger konnte auch für Stamm IM1 an Graphitkathoden eine direkte Nutzung von Elektronen zur effizienten und hoch selektiven Produktion von Methan aus der Reduzierung von Kohlenstoffdioxid bei deutlich niedrigeren Potentialen als sie in der konventionellen heterogenen Katalyse anzutreffen sind, gezeigt werden. Es konnte dargelegt werden, dass Untersuchungen des Elektronentransfers an der Phasengrenze Elektrode – Mikroorganismus somit nicht nur relevant für Strategien zur Verminderung mikrobieller Korrosion, sondern auch von besonderer Bedeutung für die Energieumwandlung und Strategien zur Speicherung erneuerbarer Energien sind. Die Möglichkeit die hochkorrosiven Mikroorganismen gezielt auf Elektroden anwachsen zu lassen und mit Elektronen zu versorgen, eröffnete ein spannendes Forschungsfeld jenseits der ausgehenden Fragestellung nach dem Mechanismus der mikrobiell beeinflussten Korrosion und war so vorher nicht zu erwarten. Dies zeigte einmal mehr die Variabilität biologischer Systeme und die Vielschichtigkeit der Bioelektrochemie.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- “Monitoring of anaerobic microbially influenced corrosion via electrochemical frequency modulation”, ElectrochimicaActa, 105 (2013) 239-247
Beese, P.; Venzlaff, H.; Srinivasan, J.; Garrelfs, J.; Stratmann, M.; Mayrhofer, K. J. J.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.electacta.2013.04.144) - “Electrochemical characterization of direct electron uptake in electrical microbially influenced corrosion of iron by the lithoautotrophic SRB Desulfopilacorrodens strain IS4”, ElectrochimicaActa, 167 (2015) 321-329
Beese-Vasbender, P. F.; Nayak, S.; Erbe, A.; Stratmann, M.; Mayrhofer, K. J. J.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.electacta.2015.03.184) - “Selective microbial electrosynthesis of methane by a pure culture of a marine lithoautotrophic archaeon”, Bioelectrochemistry, 102 (2015) 50-55
Beese-Vasbender, P. F.; Grote, J.-P.; Garrelfs, J.; Stratmann, M.; Mayrhofer, K. J. J.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.bioelechem.2014.11.004)
