Под микробиологической коррозией (microbially induced corrosion, MIC) понимают ускорение растворения металла в водной среде после прикрепления к поверхности колоний микробов. Причиной биокоррозии являются всевозможные микроорганизмы размером от 0,5 до 10 мкм из трех известных науке доменов: безъядерные бактерии и археи, а также эукариоты с расположенным в ядре генетическим аппаратом. Поскольку участие архей в коррозионных процессах стало предметом изучения сравнительно недавно, а эукариоты обычно не содержатся в попутно добываемых водах, основное внимание уделяется бактериям. Попадая в водную среду они способны привести к значительным изменениям физико-химических свойств, генерируя в результате своей жизнедеятельности неорганические и органические кислоты и полисахариды, понижая насыщение кислородом, сдвигая pH и окислительно-восстановительный (RedOx) потенциал.
Характер разрушений металлической поверхности при микробиологической коррозии
Сульфатвосстанавливающие бактерии (СВБ)
Обширный спектр анаэробов с общим механизмом восстановления сульфатов, сульфитов, гидросульфитов и тиосульфатов до H2S. Несмотря на в среднем низкую толерантность к кислороду и потребность в среде с восстановительными свойствами (ERedOx < −100 мВ) для эффективного воспроизводства, некоторые штаммы демонстрируют рост до 1 мг/дм3 O2 и сохраняют ограниченную жизнеспособность даже после обработки хлором и другими окислителями. Необходимые питательные вещества в виде предельных карбоновых кислот СВБ получают за счет биодеградации легких углеводородов нефти другими микроорганизмами. В отсутствие сульфатов отдельные штаммы переключаются в режим биореактора для синтеза ацетат-ионов, водорода и углекислого газа из пируватов. Многие СВБ включают в свою структуру гидрогеназу, позволяющую окислять молекулярный водород.
Сероокисляющие бактерии (СОБ)
Многочисленное семейство аэробов, получающих энергию путем окисления элементарной или сульфидной серы до серной кислоты вплоть до pH ~ 1. Как правило, СОБ обитают в толще горных пород, на поверхности каменных зданий и статуй, бетонных водоводов и канализационных коллекторов. Выступая примером механизма адаптации микроорганизмов к неблагоприятным условиям, в условиях коррозии нефтепромыслового оборудования СОБ создают синергетический союз с СВБ – типичными анаэробами для нейтральных сред.
Железоокисляющие бактерии
Данный вид бактерий, колонии которого обнаруживаются в продуктах MIC в форме характерных полусферических наростов, использует энергию электронного перехода Fe2+− e-→ Fe3+. При этом внутри наростов могут выделяться заселенные СВБ анаэробные участки. Планктонная форма железобактерий легко идентифицируется под микроскопом по специфичным длинными нитевидным белковым оболочкам клеток. Развитие колоний происходит в присутствии кислорода при pH < 7, что редко встречается в системах сбора попутно добываемой воды.
Кислотообразующие бактерии
Аэробные бактерии, окисляющие углеводородный субстрат до CO2 и органических кислот. Играют важную роль в MIC сами по себе и производят питательные вещества для СВБ. В отличие от других микробов, способствуют развитию сплошной коррозии в планктонной форме, поставляя протоны в объем раствора. Благодаря буферному действию аниона карбоновые кислоты обладают повышенной коррозионной активностью по сравнению с H2SO4 или HCl при том же pH.
Метанобразующие бактерии
Поскольку жизнедеятельность метаногенов не приводит к твердым продуктам коррозии как это имеет место с другими видами бактерий, они попали в список факторов MIC только на рубеже 2000-х. Естественным субстратом для метанобразующих бактерий служат H2 и CO2, поэтому они вступают в симбиотическое взаимодействие с СВБ, таким способом поддерживая процесс ферментации пируватов и популяцию сульфатредукторов.
Слизеобразующие бактерии
Миссия этих предпочитающих пресные воды аэробных микроорганизмов сводится к синтезу внеклеточных полисахаридов из спиртов, сахаров и органических кислот. Осаждающиеся на поверхности биопленки предоставляют комфортное пространство обитания для других видов бактерий, препятствуют теплообмену и ухудшают качество воды.
Таблица. Влияние внешних факторов на бактерии
|
Температура |
Большинство микроорганизмов относятся к мезофилам, лучше всего размножаясь при температуре 25-40 oC. Термофилам подходят теплые среды с температурой 50-60 oC. Исключительно термофильные виды не теряют способность к росту колоний при 90-95 oC. Охлаждение ниже 5 oC останавливает процесс жизнедеятельности бактерий |
|
Давление |
Обычно не относится к критичным параметрам. Наличие микроорганизмов было выявлено даже при сверхвысоких давлениях порядка 1000 атм |
|
pH |
Чаще всего распространены в диапазоне pH = 5-9, однако могут существовать и от более кислых сред до pH = 12 |
|
Окислительно-восстановительный потенциал |
Оказывает большое влияние на тип биозараженности, изменяясь от −450 мВ для метанобразующих до +850 мВ для железобактерий. Значения RedOx-потенциала в биопленке на поверхности и объеме водной фазы могут существенно разниться |
|
Минерализация |
Содержание солей в воде определяет перепад давления через внешнюю бактериальную мембрану. Практический предел минерализации, пригодной для функционирования бактерий – 15 % масс. |
|
Состав растворенного газа |
Сероводород выступает природным биоцидом, подавляя жизнедеятельность микроорганизмов в концентрации несколько сотен ppm (10-4-10-3 % мол.). В сильнокислых системах с 4-43% мол. H2S в газовой фазе случаев биологической коррозии не отмечалось |
|
Питательные элементы |
Условием генерации новых клеток служит присутствие некоторых микроэлементов (фосфор, азот, марганец и др.) на уровне мкг/дм3. Подробности влияния таких элементов на развитие микроорганизмов до конца не выяснены |
