Influencia de colonizadores primarios e interacciones microbianas en el desarrollo de biocorrosión marina sobre acero inoxidable
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Date
2019
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La corrosión es un fenómeno electroquímico que afecta toda superficie de metal
expuesta a ambientes acuosos o húmedos, produciendo una disolución del metal mediante
reacciones de óxido/reducción. Este fenómeno puede verse inducido y/o aumentado por la
actividad microbiana, proceso conocido como biocorrosión y es generada por la actividad de
microorganismos que se adhieren a la superficie del metal, y que forman una biopelícula cuya
actividad metabólica altera las condiciones químicas de la superficie del metal. Se ha establecido
que, durante la formación de estas biopelículas, el tipo de microorganismo que coloniza cada
superficie está determinado principalmente por el material de la superficie, las características
del fluido y los mecanismos de adherencia microbianos. Luego del establecimiento de las
primeras especies que colonizan el metal, se produce una sucesión microbiana asociada al
desarrollo de interacciones específicas entre los microorganismos y los microambientes de la
biopelícula. Esto permite albergar una gran variedad de metabolismos en la biopelícula, como
la reducción de sulfato, oxidación de hierro y producción de exopolisacáridos, los que afectan
directa o indirectamente la superficie del metal. En ambientes marinos, las condiciones
ambientales exacerban el desarrollo de corrosión y la influencia de microorganismos en el
proceso. A pesar de la importancia de los microorganismos en biocorrosión marina, aun no es
claro quiénes se asientan en la superficie, cómo afectan la constitución de la biopelícula sobre
superficies metálicas y de qué depende su capacidad corrosiva.
En este proyecto de Tesis, se propone que los colonizadores primarios que se asientan
sobre superficies de acero inoxidable en ambientes marinos, y las interacciones que ellos
establecen, son determinantes para el desarrollo de biocorrosión. Para confrontarla se propone
determinar la estructura y composición de la comunidad microbiana que se genera durante el
desarrollo de una biopelícula corrosiva -con énfasis en las primeras etapas de colonización- y
analizar las interacciones bióticas y abióticas que se establecen al ser inducido el proceso de
corrosión sobre el acero inoxidable. Para abordar este objetivo, se diseñó un modelo
experimental que permite la exposición de placas de acero inoxidable a un flujo continuo de
agua de mar natural. El desarrollo de la biopelícula fue evaluado mediante el análisis de una
serie de tiempo de 15 puntos contenidos en tiempos tempranos (0,125 días, 0,25 días, 0,375
días, 0,5 días, 0,75 días, 1 días), medios (2 días, 3 días, 5 días, 7 días), y tardíos (21 días, 30
días, 55 días, 85 días y 112 días) de exposición. En cada punto de esta serie de tiempo, se
determinó la composición taxonómica de la biopelícula, incluyendo bacterias, arqueas y
eucariontes. Para ello, se utilizó secuenciación masiva de los genes de las subunidades
ribosomales 16S rRNA y 18S rRNA respectivamente. Esta información se integró analizando
patrones de co-ocurrencia e interacciones que se establecen en la biopelícula, durante el proceso
de biocorrosión. Se determinó en paralelo el comportamiento electroquímico de las placas y los
niveles de deterioro del material establecidos a través de pérdida de peso.
Los resultados obtenidos indican que la colonización primaria de la superficie comenzó
por asociación con las imperfecciones del material y que estuvo compuesta no solo por bacterias,
sino también por eucariontes fotosintéticos, eucariontes heterótrofos y arqueas. Entre ellos
encontramos principalmente Gammaproteobacteria, Bacteroidetes, Archaeplastida y
Opisthokonta. Se observó que el asentamiento de microorganismos eucariontes previamente
relacionados con corrosión, como diatomeas, se favorece durante la primera semana de
exposición a través de la interacción con sectores previamente colonizados por
microorganismos. Además, a los 7 días, se determinó un máximo en la conectividad entre el
componente eucarionte y bacteriano. Durante tiempos tardíos de exposición, la composición
microbiana presenta cambios, donde se destaca un aumento de Alphaproteobacteria, Firmicutes
y Plactomycetes. Finalmente, se produjo una saturación del espacio disponible, la comunidad
presentó menor riqueza, mayor equidad, y mayor abundancia de las especies que dominan en
las redes de co-ocurrencia inferidas. Por otro lado, los análisis electroquímicos y de deterioro
del material mostraron que, durante tiempos tempranos y medios de exposición, se produjo un
ennoblecimiento de la superficie de la placa, lo que sugiere susceptibilidad al desarrollo de
corrosión por picadura. Posteriormente, durante tiempos tardíos de exposición, se observó un
desplazamiento del potencial desde +200 mVvs Ag/AgCl hacia -200 mVvs Ag/AgCl, valor en el cual
se mantiene hasta el final del experimento. Se determinó mayor deterioro del material luego de
este periodo. Los valores de OCP mencionados y un aumento significativo de la corriente de
corrosión durante el experimento sugieren, en conjunto, una activación de la superficie dada por
un aumento en la transferencia de electrones. Los resultados apoyan parcialmente las hipótesis
planteadas, principalmente por la relación entre colonizadores primarios, el asentamiento de
diatomeas y las potenciales interacciones ecológicas entre bacterias y eucariontes heterótrofos.
En este trabajo se muestra la importancia del estudio del desarrollo de la sucesión
biológica y las interacciones biológicas que tienen lugar, para entender el desarrollo de corrosión
en acero inoxidable en ambientes naturales. En conjunto han permitido la propuesta de un
modelo conceptual y la formulación de nuevas hipótesis que nos ayuden a entender el fenómeno
de biocorrosión marina con miras a nuevas estrategias de prevención y control que sean
amigables con el medioambiente.
Description
Tesis (Doctor en Ciencias Biológicas con mención en Genética Molecular y Microbiología)--Pontificia Universidad Católica de Chile, 2019