Corrosion in pipelines and reservoir tanks in oil plants is a serious problem in the energy industries around the world because it causes a huge economic loss due to not only frequent replacements of the parts of pipelines and tanks but also potential damage of the entire fields of crude oil. Previous studies have revealed that corrosions are generated mainly by microbial activities and they are now called as Microbial Influenced Corrosion (MIC) or simply bio-corrosion. Bacterial species actually causing bio-corrosion is crucial for the suppression of the corrosion. To diagnose and give proper treatment to pipelines in industrial plants, it is essential to identify the bacterial species responsible for bio-corrosions. For attaining at this aim, I conducted an analysis of the microbial community at the corrosion sites in pipelines of oil plants, using the comparative metagenomic analysis along with bioinformatics and statistics. In this study, I collected and analyzed various bio-corrosion samples from four different oil fields. First, I collected samples from the seawater pipelines that are essential in the oil fields to maintain seawater injection system (field#1), and then I conducted the metagenomic analysis of these samples. The metagenomes obtained revealed that samples in both sites contain a wide range of bacterial taxa. However, the comparative analysis of the microbial community with statistics in the comparison between sites with corrosion and without corrosion revealed the presence of microorganisms whose abundances were significantly higher in sites with corrosion. Some of these microbes can be sulfate reducers and sulfur oxidizers of which are considered to be casual agents in recent bio-corrosion models. In addition to the seawater pipelines, I also collect samples from corrosion sites in oil pipelines at Field #2 and #3. My metagenomic analysis combined with statistics showed that several microorganisms are speculated to be very active at the corrosion sites in the oil pipeline. Although biological mechanisms of forming bio-corrosion in the oil pipelines still remain unclear, these microbial species are suggested to be some of the responsible bacteria for bio-corrosion in the oil pipelines. Besides seawater injection systems, groundwater injection systems are often used, especially in inland oil fields. Therefore, more detailed understanding of biocorrosion in the groundwater injection system is also required in oil industries. In the present studies, I then analyzed the microbial communities in pipelines in the oil field where groundwater is used as injection water (field #4). I collected samples from four different facilities in the field #4. Metagenome analysis revealed that microbial community structures were largely different even among samples from the same facility. Treatments such as biocide and demineralization at each location in the pipeline may affect the microbial communities independently. The results indicated that microbial inspection throughout the pipeline network is important to protect industrial plants from bio-corrosions. Identifying the bacterial species responsible to bio-corrosion, this study provides us with information on bacterial indicators that will be available to classify and diagnose bio-corrosions. Furthermore, these species may be available as biomarkers to detect the events of bio-corrosion at an early stage. Then, any appropriate care such as the appropriate choice of biocides can be taken immediately and appropriately. Thus, my study will provide a platform for obtaining microbial information related to bio-corrosion that enables us to obtain a practical approach to protect them from bio-corrosion.

Biocere verkörpern eine neue Klasse von keramischen Funktionswerkstoffen, deren Eigenschaften entscheidend von den konkreten Herstellungsbedingungen beeinflusst werden. Am Beispiel ausgewählter Biocere mit immobilisierten vegetativen Zellen und Sporen von Bacillus sphaericus JG-A12 wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit Zusammenhänge zwischen Gefügeausbildung und Funktionalität, besonders unter dem Gesichtspunkt metallbindender Eigenschaften, untersucht. Mit Hilfe von Fluoreszenzfarbstoffen konnte die räumliche Verteilung der Biokomponente in der Matrix, die Überlebensfähigkeit der immobilisierten vegetativen Zellen und das Verhalten von Bakteriensuspensionen in Gegenwart von verschiedenen Metallionen untersucht werden. Mit ionensensitiven Fluoreszenzfarbstoffen wurde die Aufnahme von Kupfer(II) und Nickel(II) in lebende Bakterien unter Kontrolle des physiologischen Status der Zellen verfolgt. Es wurde nachgewiesen, dass die Aufnahme von Metallionen von der Erhöhung des intrazellulären Ca2+-Spiegels begleitet und die Aufnahmeraten sowie die Ca2+-abhängige Zellantwort stammspezifisch und von der Konzentration der Metallsalzlösung abhängig sind. Durch Immobilisierung bakterieller Sporen in dünnen Sol-Gel-Schichten konnten langzeitlagerfähige Biokeramiken erzeugt werden, die sich durch die Aktivierung mit einem 1:1 Komplex aus Ca2+ und Dipicolinsäure gezielt aus Ruhephasen in biologisch aktive Zustände schalten ließen. Im Durchschnitt führt die vorherige Aktivierung der Sporen mit Ca2+-DPA zu einer fünf- bis achtfach erhöhten Keimungsrate. Mit Hilfe einer kapazitiven Messanordnung wurden darüber hinaus an diesen Schichten während der Keimung auftretende mechanische Spannungszustände nachgewiesen und quantifiziert. Biocere unterliegen während ihrer Nutzung als Filtermaterialien überwiegend durch mikrobielle Einflüsse hervorgerufenen Materialveränderungen, die mit licht- und rasterelektronenmikroskopischen Untersuchungen nachgewiesen wurden. Diese Untersuchungen sind als Teil eines Monitoring-Systems zur kontinuierlichen Überwachung von Filtersystemen denkbar. / Biocers embody a new class of ceramic functional materials in which the properties are mainly determined by the specific production conditions. The interplay between structure formation and functionality of selected biocers containing immobilised vegetative cells and spores of Bacillus sphaericus JG-A12 was investigated under special consideration of metal binding properties. Spatial distribution of the bio-component inside the matrix, the viability of the immobilised vegetative cells, as well as the behaviour of cell suspensions in the presence of different metal ions were examined using fluorescence dyes. The uptake of copper(II) and nickel(II) ions into the living cells while monitoring of their physiological state were detected using different ion-sensitive fluorescence dyes. As expected, the uptake of metal ions was thereby accompanied by an increase of the intracellular Ca2+ level. Further, the uptake rate of metal ions and the Ca2+ dependent cellular reaction are strain-specific and depend on the metal ion concentration. Bioceramics suitable for long-term storage were produced through immobilisation of bacterial spores in thin sol-gel layers. The switch from the metabolic inactive to the active state of the bio-component was achieved by the activation with a 1:1 ratio of the chelate of Ca2+ and dipicolinic acid. The average germination rate after activation with Ca2+-DPA was increased by five- to eightfold. The mechanical stress conditions during the germination of spores inside these silica layers were measured and quantified using a capacitive deflection measurement. As filter materials, biocers are affected by microbial determined degrading impacts. Material alterations could be detected by light and scanning electron microscopic methods. Such investigations should be considered part and parcel of monitoring systems required for continuous checks of filter systems.

Biocere verkörpern eine neue Klasse von keramischen Funktionswerkstoffen, deren Eigenschaften entscheidend von den konkreten Herstellungsbedingungen beeinflusst werden. Am Beispiel ausgewählter Biocere mit immobilisierten vegetativen Zellen und Sporen von Bacillus sphaericus JG-A12 wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit Zusammenhänge zwischen Gefügeausbildung und Funktionalität, besonders unter dem Gesichtspunkt metallbindender Eigenschaften, untersucht. Mit Hilfe von Fluoreszenzfarbstoffen konnte die räumliche Verteilung der Biokomponente in der Matrix, die Überlebensfähigkeit der immobilisierten vegetativen Zellen und das Verhalten von Bakteriensuspensionen in Gegenwart von verschiedenen Metallionen untersucht werden. Mit ionensensitiven Fluoreszenzfarbstoffen wurde die Aufnahme von Kupfer(II) und Nickel(II) in lebende Bakterien unter Kontrolle des physiologischen Status der Zellen verfolgt. Es wurde nachgewiesen, dass die Aufnahme von Metallionen von der Erhöhung des intrazellulären Ca2+-Spiegels begleitet und die Aufnahmeraten sowie die Ca2+-abhängige Zellantwort stammspezifisch und von der Konzentration der Metallsalzlösung abhängig sind. Durch Immobilisierung bakterieller Sporen in dünnen Sol-Gel-Schichten konnten langzeitlagerfähige Biokeramiken erzeugt werden, die sich durch die Aktivierung mit einem 1:1 Komplex aus Ca2+ und Dipicolinsäure gezielt aus Ruhephasen in biologisch aktive Zustände schalten ließen. Im Durchschnitt führt die vorherige Aktivierung der Sporen mit Ca2+-DPA zu einer fünf- bis achtfach erhöhten Keimungsrate. Mit Hilfe einer kapazitiven Messanordnung wurden darüber hinaus an diesen Schichten während der Keimung auftretende mechanische Spannungszustände nachgewiesen und quantifiziert. Biocere unterliegen während ihrer Nutzung als Filtermaterialien überwiegend durch mikrobielle Einflüsse hervorgerufenen Materialveränderungen, die mit licht- und rasterelektronenmikroskopischen Untersuchungen nachgewiesen wurden. Diese Untersuchungen sind als Teil eines Monitoring-Systems zur kontinuierlichen Überwachung von Filtersystemen denkbar. / Biocers embody a new class of ceramic functional materials in which the properties are mainly determined by the specific production conditions. The interplay between structure formation and functionality of selected biocers containing immobilised vegetative cells and spores of Bacillus sphaericus JG-A12 was investigated under special consideration of metal binding properties. Spatial distribution of the bio-component inside the matrix, the viability of the immobilised vegetative cells, as well as the behaviour of cell suspensions in the presence of different metal ions were examined using fluorescence dyes. The uptake of copper(II) and nickel(II) ions into the living cells while monitoring of their physiological state were detected using different ion-sensitive fluorescence dyes. As expected, the uptake of metal ions was thereby accompanied by an increase of the intracellular Ca2+ level. Further, the uptake rate of metal ions and the Ca2+ dependent cellular reaction are strain-specific and depend on the metal ion concentration. Bioceramics suitable for long-term storage were produced through immobilisation of bacterial spores in thin sol-gel layers. The switch from the metabolic inactive to the active state of the bio-component was achieved by the activation with a 1:1 ratio of the chelate of Ca2+ and dipicolinic acid. The average germination rate after activation with Ca2+-DPA was increased by five- to eightfold. The mechanical stress conditions during the germination of spores inside these silica layers were measured and quantified using a capacitive deflection measurement. As filter materials, biocers are affected by microbial determined degrading impacts. Material alterations could be detected by light and scanning electron microscopic methods. Such investigations should be considered part and parcel of monitoring systems required for continuous checks of filter systems.