7.1 Металлы и металлоконструкции
Биоповреждения металлов и металлоконструкций принято называть биокоррозией или микробиологической коррозией металлов. Поскольку среди живых организмов – агентов биокоррозии основными являются бактерии и микроскопические грибы, то в специальной литературе приняты термины «бактериальная» и «грибная» коррозия. В технике и повседневной жизни со случаями биокоррозии металлов приходится сталкиваться реже, чем со случаями биоповреждений неметаллических материалов. Это связано с различными причинами. Прежде всего металлы, сами по себе являются более биостойким материалом, а некоторые из «них обладают даже биоцидным действием. В машинах, приборах и других технических изделиях они, как правило, используются с различными защитными и декоративными лакокрасочными и другими покрытиями, которые первыми принимают на себя воздействие агентов биоповреждений и предохраняют металл от биокоррозии. И, наконец, следует отметить, что внешние проявления биокоррозии металлов мало отличаются от обычной коррозии, сопровождающейся, например, в случае атмосферной коррозии появлением ржавчины. Поэтому даже специалисты в области коррозии не всегда могут распознать биокоррозию и для установления биологической природы тех или иных случаев коррозии вынуждены обращаться к микробиологам.
Микробиологическая коррозия может протекать самостоятельно и сопровождать электрохимическую, почвенную, атмосферную, морскую и другие виды коррозии металлов. Действие микроорганизмов на металлы может быть различным. Прежде всего, коррозию металлов могут вызывать агрессивные экзометаболиты микроорганизмов – минеральные и органические кислоты и основания, ферменты и др. Они создают коррозионно-активную среду, в которой в присутствии воды протекает коррозия по обычным законам электрохимии. Колонии микроорганизмов могут создавать на поверхности металлов наросты и пленки мицелия или слизи, под которыми может развиваться язвенная (питтинговая) коррозия в результате разности электрических потенциалов на различных участках поверхности металла и ассимиляции ионов металлов самими микроорганизмами. Биогенная и химическая коррозия металлических конструкций выражается в образовании сплошного слоя ржавчины, отслаивании крупных фрагментов металла, в формировании глубоких каверн, образовании поверхностных налетов, в потере прочности металлических конструкций.
7.1.1 Биокоррозия под действием бактерий
Биокоррозию металлов могут вызывать различные роды бактерий.
В США ежегодно бактерии разрушают подземные трубы на $2 млрд. На «совести» бактерий 77 % ущерба от коррозии нефтяного оборудования. Анализ причин отказов нефтепроводов в Западной Сибири показал, что более 80 % из них произошли из-за коррозии металла. Не менее опасна ситуация с теплотрассами. По данным организации «Мосгортепло», срок службы трубопроводов магистральных сетей – 12–15 лет, разводящих сетей – 7–8 лет, что значительно ниже нормативного (25 лет).
Среди литотрофных бактерий наиболее часто коррозию металлов связывают с деятельностью: сульфатовосстанавливающих бактерий (СВБ) родов Desulfovibrio и Desulfotomaсulum и тионовых бактерий рода Tiobacillus, окисляющих серу и соединения серы до серной кислоты; железобактерий родов Саllionella и Sperotilus, окисляющих закиcное железо до окисного. Коррозия металлов и металлоконструкций под действием СВБ встречается в технике наиболее часто по сравнению с другими видами биокоррозии. Характерной особенностью этого вида коррозии является то, что она протекает в анаэробных условиях и основные возбудители ее два рода СВБ – Desulfovibrio и Desulfotomaсulum. Случаи анаэробной коррозии более характерны для подземных сооружений и конструкций (нефтепромысловое оборудование, трубопроводы, нефтехранилища и т. п.), находящихся в плотных глинистых и водоносных слоях грунта. Коррозия металлов под действием СВБ связана главным образом с образованием сероводорода и сульфидов в результате восстановления сульфатов:
.
Удаление водорода с поверхности металла приводит к образованию сульфида и гидроксида железа:
.
Коррозия железа и стали под действием СВБ обычно имеет характер местной и язвенной коррозии. Продукты коррозии окрашены в характерный черный цвет, имеют запах сероводорода, слабо прилегают к поверхности металла, который под их слоем сохраняет блестящую поверхность. Особенно интенсивно протекает коррозия чугуна под действием СВБ, сохраняющиеся островки частиц углерода рассыпаются от легкого прикосновения. В анаэробных условиях глинистых почв водопроводные трубы с толщиной стенки 6 мм разрушались полностью в течение 3–4 лет. Наличие в почве свободных ионов железа ускоряет биокоррозию. Механизм биокоррозии под действием СВБ очень сложен, поскольку параллельно протекает несколько многостадийных процессов. Наряду с восстановлением сульфатов, как правило, происходит восстановление фосфатов.
Массовые коррозионные повреждения вызывают железобактерии. 20 % потерь металла от коррозии связывают с воздействием тионовых, нитрифицирующих и сульфатвосстанавливающих бактерий.
Из железобактерий наиболее изучена в физиологическом и биохимическом отношении неспороносная подвижная палочка Thiobacillus ferro-oxidans, окисляющая серу. К железобактериям относятся также некоторые нитчатые бактерии из рода Leptothrix, с толстыми ржавого цвета ка-псулами (влагалищами), содержащими гидрат окиси железа; Gallionella, состоящая из спирально закрученных в виде пучков тончайших (0,01 мкм) нитей, образующих стебелёк, на поверхности которого откладывается гидрат окиси железа.
В присутствии тионовых бактерий скорость коррозии железа почти в миллион раз превышает скорость обычного химического окисления. Если обычное ведро в результате химической коррозии продырявливается за сто лет, то с активной культурой тионовых бактерий – это дело часов.
Присутствие железобактерий выявляется практически во всех пробах, взятых от разрушающихся металлических конструкций. Концентрация железобактерий на поверхности ржавеющих труб и других металлических конструкций достигает 20 000 клеток и более на 1 грамм субстрата. Причем железобактериям, как правило, сопутствуют интенсивно развивающиеся микроскопические грибы-биодеструкторы, существенно усиливающие коррозионные процессы металлов.