Микробная коррозия , также известная как микробиологически обусловленная коррозия (MIC) , микробно-индуцированная коррозия (MIC) или биокоррозия , происходит, когда микробы воздействуют на электрохимическую среду поверхности, на которой они закреплены. Обычно это включает в себя образование биопленки , которая может либо усилить коррозию поверхности, либо, в процессе, называемом ингибированием микробной коррозии, защитить поверхность от коррозии.
Поскольку каждая поверхность, подвергающаяся воздействию окружающей среды, в той или иной степени подвергается воздействию микробов, [1] микробная коррозия ежегодно наносит ущерб на триллионы долларов по всему миру. [ необходима ссылка ]
Микробы могут локально создавать гипоксические условия на поверхности металла под биопленкой и способствовать образованию анодных ( окислительных ) и катодных ( восстановительных ) участков, инициирующих электрохимические разности потенциалов и электрохимическую коррозию. Они также могут действовать, либо выделяя побочные продукты своего клеточного метаболизма , которые разъедают металлы, либо препятствуя функционированию обычных ингибиторов коррозии и оставляя поверхности открытыми для атак со стороны других факторов окружающей среды. [2]
Некоторые сульфатредуцирующие бактерии производят сероводород , который может вызвать сульфидное растрескивание . Бактерии Acidithiobacillus производят серную кислоту ; Acidothiobacillus thiooxidans часто повреждает канализационные трубы. Ferrobacillus ferrooxidans напрямую окисляет железо до оксидов железа и гидроксидов железа ; ржавчина, образующаяся на затонувших кораблях RMS Titanic , вызвана деятельностью бактерий. Другие бактерии производят различные кислоты , как органические, так и минеральные, или аммиак .
В присутствии кислорода аэробные бактерии , такие как Acidithiobacillus thiooxidans , Thiobacillus thioparus и Thiobacillus concretivorus , все три широко распространены в окружающей среде, являются распространенными факторами, вызывающими коррозию, приводящими к биогенной сульфидной коррозии .
Без присутствия кислорода распространены анаэробные бактерии , особенно Desulfovibrio и Desulfotomaculum . Desulfovibrio salixigens требует концентрации хлорида натрия не менее 2,5% , но D. vulgaris и D. desulfuricans могут расти как в пресной, так и в соленой воде. D. africanus — еще один распространенный микроорганизм, вызывающий коррозию. Род Desulfotomaculum включает сульфатредуцирующие спорообразующие бактерии; Dtm. orientis и Dtm. nigrificans участвуют в процессах коррозии. Сульфатредукторам требуется восстановительная среда; для их процветания требуется электродный потенциал ниже -100 мВ. Однако даже небольшое количество вырабатываемого сероводорода может вызвать этот сдвиг, поэтому рост, однажды начавшись, имеет тенденцию ускоряться. [ необходима цитата ]
Во внутренних частях коррозионных отложений могут существовать слои анаэробных бактерий, тогда как внешние части населены аэробными бактериями.
Некоторые бактерии способны использовать водород , образующийся в процессах катодной коррозии.
Бактериальные колонии и отложения могут образовывать концентрационные ячейки , вызывая и усиливая гальваническую коррозию . [3]
Бактериальная коррозия может проявляться в виде точечной коррозии , например, в трубопроводах нефтегазовой промышленности. [4] Анаэробная коррозия проявляется в виде слоев сульфидов металлов и запаха сероводорода. На чугуне может возникнуть избирательное выщелачивание графитовой коррозии , при этом железо потребляется бактериями, оставляя графитовую матрицу с низкой механической прочностью.
Для борьбы с микробной коррозией можно использовать различные ингибиторы коррозии . Формулы на основе хлорида бензалкония широко распространены в нефтедобывающей промышленности.
Микробная коррозия может также распространяться на пластик , бетон и многие другие материалы. Два примера — бактерии, поедающие нейлон , и бактерии, поедающие пластик.
Грибы могут вызывать микробную коррозию бетона. При наличии соответствующих факторов окружающей среды, таких как влажность, температура и источники органического углерода, грибы будут образовывать колонии на бетоне. Некоторые грибы могут размножаться бесполым путем. Этот распространенный среди грибов процесс позволяет многим новым грибковым спорам быстро распространяться в новых средах, образуя целые колонии там, где ничего не было. Эти колонии и новые споры используют гифы для поглощения питательных веществ из окружающей среды.
Гифы невероятно крошечные и тонкие, вырастающие всего на 2–6 микрометров в диаметре. Грибковые гифы проникают глубоко в крошечные отверстия, трещины и овраги в бетоне. Эти области содержат влагу и питательные вещества, в которых грибок выживает. По мере того, как все больше гиф проникают в эти крошечные трещины и щели, давление заставляет эти щели расширяться, подобно тому, как вода замерзает в крошечных отверстиях и трещинах, заставляя их расширяться. Механическое давление позволяет трещинам расширяться, что приводит к попаданию большего количества влаги внутрь, и, таким образом, у грибков появляется больше питательных веществ, что позволяет им проникать глубже в бетонную конструкцию. Изменяя свою среду обитания, грибы разрушают бетон и его щелочной слой, тем самым обеспечивая идеальные условия для бактерий, вызывающих коррозию, для дальнейшего разрушения бетонных конструкций.
Другой способ, которым грибки вызывают коррозию бетона, — это органические кислоты, которые грибки естественным образом вырабатывают. Эти органические кислоты химически реагируют с кальцием 2+ в бетоне, что приводит к образованию водорастворимых солей. Затем кальций 2+ высвобождается, со временем нанося значительный ущерб конструкции. Из-за того, что грибки выделяют пищеварительные соки для получения питательных веществ, конструкция, на которой они растут, начнет растворяться. Это ничем не отличается от бетона, когда в нем укореняются такие грибки, как Fusarium . В ходе эксперимента коррозия бактерий Tiobacillus сравнивалась с коррозией грибка под названием Fusarium. В ходе эксперимента обеим группам организмов предоставлялись адекватные условия для роста, а также равный кусок бетона в каждом эксперименте. Через 147 дней бактерия Tiobacillus вызвала снижение массы на 18%. Однако грибок Fusarium вызвал снижение массы на 24% за тот же период времени, продемонстрировав тем самым свои коррозионные способности.
Бхаттачарья [5] провел исследование трех отдельных типов грибков, которые, как известно, вызывают коррозию бетона: Aspergillus tamarii, Aspergillus niger и Fusarium. Aspergillus tamarii был самым разрушительным из трех грибков. Он вызывает расширение и углубление трещин, быстро и эффективно укореняется и способствует образованию оксалата кальция. Вызывая образование оксалата кальция, происходит увеличение скорости выщелачивания ионов кальция, что снижает общую прочность бетона. За 90 дней воздействие грибка привело к снижению массы бетона на 7,2%. Aspergillus niger был вторым по значимости виновником из трех, за ним следует Fusarium, который может снизить массу бетона на 6,2 грамма за один год, а также вызвать снижение pH с 12 до 8 за тот же период времени. [6]
Микроорганизмы, использующие углеводороды, в основном Cladosporium resinae и Pseudomonas aeruginosa, а также сульфатредуцирующие бактерии , в просторечии известные как «жуки HUM», обычно присутствуют в реактивном топливе . Они живут в водно-топливной поверхности капель воды, образуют темно-черные/коричневые/зеленые гелеобразные маты и вызывают микробную коррозию пластиковых и резиновых деталей топливной системы самолета, потребляя их, а также металлических деталей посредством своих кислотных продуктов метаболизма. Их также неправильно называют водорослями из-за их внешнего вида. FSII добавляется в топливо в качестве замедлителя роста. Существует около 250 видов бактерий, которые могут жить в реактивном топливе, но менее дюжины являются существенно вредными. [7]
Микроорганизмы могут отрицательно влиять [ как? ] на радиоактивные элементы, содержащиеся в ядерных отходах . [ необходима ссылка ]
Множество факторов, создаваемых окружающей средой, стимулируют коррозию и разрушение бетона, такие как условия замерзания, воздействие радиации и обширные циклы нагрева или циклы замораживания-оттаивания и намокания-высыхания. Циклы, которые вызывают механические разрушения бетона, такие как циклы замораживания-оттаивания, невероятно разрушительны. Все это дает микробам возможность захватить власть, еще больше разрушая и ослабляя конструкции из бетона. Рост повреждений городских канализационных систем и городов, расположенных вдоль побережья, заставил людей более подробно рассмотреть, как защитить бетон от микробов.
Чтобы остановить ущерб, наносимый микробами, необходимо полностью понять микробов, вызывающих коррозию. Это включает в себя знание того, из чего состоят конкретные микробы и их сообщество, и как они разрушают структурный бетон. Экологические стрессоры на конструкциях часто способствуют микробной коррозии, вызываемой бактериями, археями, водорослями и грибками. Эти микроорганизмы зависят от своей среды, которая обеспечивает надлежащую влажность, уровень pH и ресурсы, позволяющие им размножаться.
Уровень pH бетона сильно влияет на то, какие микробы могут размножаться и насколько сильно бетону наносится ущерб. Поверхность бетона является щелочной, что затрудняет прорастание микробов. Однако химические процессы, происходящие в окружающей среде, и сами микроорганизмы вызывают изменения в бетоне. Условия окружающей среды в сочетании с карбонизацией, вызванной определенными микробами, вызывают негативные изменения pH бетона. Эти немногие микробы могут выделять метаболиты, которые изменяют pH с 12 до 8. При более низком уровне pH больше микроорганизмов могут выживать на бетоне, тем самым ускоряя скорость коррозии. Это становится серьезной проблемой, поскольку многие микробы, которые атакуют бетон, выживают в анаэробных условиях. Например, в канализации низкий уровень кислорода и высокое содержание азота и сернистого газа, что делает ее идеальной для микробов, которые метаболизируют эти газы. [5]
Структуры канализационной сети подвержены биодеградации материалов из-за действия некоторых микроорганизмов, связанных с серным циклом. Это может быть крайне разрушительным явлением, которое впервые было описано Олмстедом и Хэмлином в 1900 году [8] для кирпичной канализации, расположенной в Лос-Анджелесе. Раствор, заделанный между кирпичами, распался, а железные конструкции сильно заржавели. Растворный шов раздулся в два-три раза по сравнению с первоначальным объемом, что привело к разрушению или ослаблению некоторых кирпичей.
Около 9% повреждений, описанных в канализационных сетях, можно отнести к последовательному действию двух видов микроорганизмов. [9] Сульфатредуцирующие бактерии (SRB) могут расти в относительно толстых слоях осадочного ила и песка (обычно толщиной 1 мм), скапливающихся на дне труб и характеризующихся бескислородными условиями. Они могут расти, используя окисленные соединения серы, присутствующие в стоках, в качестве акцептора электронов и выделяя сероводород (H2S ) . Затем этот газ выделяется в надземной части трубы и может воздействовать на структуру двумя способами: либо напрямую, реагируя с материалом и приводя к снижению pH, либо косвенно, через его использование в качестве питательного вещества сероокисляющими бактериями (SOB), растущими в кислородных условиях, которые производят биогенную серную кислоту. [10] Затем структура подвергается атаке биогенной серной кислоты. Такие материалы, как цементы из алюмината кальция , ПВХ или керамические трубы, могут быть заменены на обычные бетонные или стальные канализационные трубы, которые неустойчивы в этих средах. Снижение коррозии стали в воде за счет поглощения растворенного кислорода осуществляется Rhodotorula mucilaginosa(7).
Разработано множество методов для ограничения микробной коррозии. Основной проблемой было найти способы предотвращения или остановки роста микробов без негативного воздействия на окружающую среду. В списке ниже представлен обзор некоторых тактик, которые использовались или находятся в разработке.
Рао и Малки [2] разработали обширный список методов ограничения роста микробов и, следовательно, микробной коррозии.
Хотя микроорганизмы часто ответственны за коррозию, они также могут защищать поверхности от коррозии. [12] Например, окисление является распространенной причиной коррозии. Если восприимчивая поверхность имеет биопленку, которая поглощает и использует кислород, то эта поверхность будет защищена от коррозии из-за окисления. Биопленки также могут выделять антимикробные соединения, что полезно, если биопленка не является едкой, и может сдерживать микробов, которые могли бы быть едкими. Биопленки обеспечивают барьер между поверхностью и окружающей ее экосистемой, поэтому, пока биопленка не оказывает неблагоприятного воздействия, она также может служить защитой от коррозии. [11] Поскольку биопленки не оказывают отрицательного воздействия на экосистему, они потенциально являются одним из лучших механизмов ингибирования коррозии. Они также могут изменять условия на поверхности металла, так что металл с меньшей вероятностью будет поврежден, предотвращая коррозию. [2]