Биокоррозия

Биокоррозия — это разрушение материалов (металлов, сплавов, бетона, камня, полимеров, древесины) под воздействием жизнедеятельности микроорганизмов (бактерий, грибов, водорослей, лишайников) или продуктов их метаболизма. Является частным случаем микробиологической коррозии и одним из видов биоповреждений. В отличие от химической или электрохимической коррозии, биокоррозия протекает при непосредственном участии живых организмов, которые либо сами разрушают материал, либо создают условия для его ускоренного разрушения (например, образуют агрессивные среды или изменяют электрохимический потенциал поверхности).

Механизмы биокоррозии

Биокоррозия реализуется через несколько основных механизмов, которые часто действуют совместно.

Метаболический механизм

Микроорганизмы в процессе своей жизнедеятельности выделяют химически активные вещества, которые вступают в реакцию с материалом. Ключевыми продуктами метаболизма являются:

• Кислоты: органические (уксусная, муравьиная, лимонная, щавелевая) и неорганические (серная, азотная). Серная кислота, например, образуется сероокисляющими бактериями рода Acidithiobacillus (в частности, Acidithiobacillus thiooxidans), которые окисляют серу и сульфиды. Эти кислоты активно разрушают бетон, металлы и известняк.
• Щёлочи: некоторые бактерии, например, Bacillus pasteurii, способны выделять аммиак, создавая щелочную среду, которая может разрушать алюминий и некоторые полимеры.
• Ферменты: внеклеточные ферменты (пероксидазы, целлюлазы, протеазы) разлагают органические материалы (древесину, кожу, полимеры) и могут способствовать деградации защитных покрытий на металлах.

Электрохимический механизм

Этот механизм характерен для коррозии металлов. Микроорганизмы, колонизирующие поверхность металла (образуя биоплёнку), изменяют локальные электрохимические условия:

• Дифференциальная аэрация: под колониями бактерий, потребляющих кислород, создаются участки с пониженной концентрацией кислорода (анодные зоны), в то время как окружающая поверхность остаётся катодной. Это приводит к возникновению гальванических пар и ускоренной коррозии в анодных зонах.
• Восстановление металлов: сульфатредуцирующие бактерии (СРБ), например, Desulfovibrio desulfuricans, в анаэробных условиях восстанавливают сульфаты до сульфидов. При этом они потребляют водород, выделяющийся на катодных участках металла, что поляризует катод и ускоряет анодное растворение железа. Образующийся сульфид железа (FeS) также является катодным деполяризатором.
• Прямой перенос электронов: некоторые бактерии (например, Geobacter и Shewanella) способны напрямую переносить электроны на поверхность металла, используя её в качестве конечного акцептора электронов в процессе дыхания.

Физико-химический механизм

Связан с изменением свойств среды вблизи поверхности материала:

• Образование биоплёнки: биоплёнка, состоящая из полисахаридов, белков и нуклеиновых кислот, создаёт на поверхности материала диффузионный барьер. Под ней накапливаются агрессивные метаболиты, а также создаются градиенты pH, концентрации кислорода и солей, что усиливает коррозионные процессы.
• Механическое воздействие: рост гифов грибов и нитей водорослей может проникать в микротрещины и поры материала, вызывая его растрескивание (биоэрозия). Корни высших растений также могут оказывать механическое давление на строительные конструкции.

Виды биокоррозии

По типу повреждаемого материала

• Коррозия металлов: наиболее изученный вид. Поражаются стали (в т.ч. нержавеющие), алюминий, медь и её сплавы, титан. Наиболее агрессивны СРБ, железобактерии (например, Gallionella, Leptothrix), сероокисляющие и нитрифицирующие бактерии.
• Коррозия бетона и камня: вызывается в основном сероокисляющими бактериями, которые окисляют сероводород (часто присутствующий в сточных водах) до серной кислоты. Кислота растворяет цементный камень, превращая его в рыхлую массу. Этот процесс характерен для канализационных коллекторов и очистных сооружений.
• Коррозия полимеров: происходит под действием ферментов и кислот, выделяемых грибами (например, Aspergillus, Penicillium, Trichoderma) и бактериями. Разрушаются полиуретаны, полиэфиры, поливинилхлорид, резины.
• Коррозия древесины: вызывается дереворазрушающими грибами (например, Serpula lacrymans — домовый гриб, Coniophora puteana), которые разлагают целлюлозу и лигнин. Бактерии также могут участвовать в начальных стадиях разрушения.

По типу микроорганизмов

• Бактериальная: наиболее распространённый и агрессивный вид. Включает аэробные (серо- и железоокисляющие, нитрифицирующие) и анаэробные (сульфатредуцирующие) группы.
• Грибная: характерна для органических материалов и полимеров. Грибы выделяют органические кислоты и ферменты, а также механически разрушают материал гифами.
• Водорослевая и лишайниковая: чаще встречается на каменных и бетонных поверхностях, особенно в условиях повышенной влажности. Водоросли создают биоплёнку, удерживающую влагу, а лишайники выделяют кислоты, разрушающие минеральные компоненты.

Факторы, влияющие на биокоррозию

Интенсивность биокоррозии зависит от комплекса условий:

• Влажность: для большинства микроорганизмов необходима влажность выше 60–70 %.
• Температура: оптимальный диапазон для большинства коррозионно-активных микроорганизмов — от 20 до 40 °C, хотя существуют термофильные и психрофильные виды.
• pH среды: разные микроорганизмы предпочитают разные диапазоны pH (от кислых до щелочных).
• Наличие питательных веществ: органические и неорганические соединения (сера, азот, фосфор, углерод) стимулируют рост микроорганизмов.
• Кислородный режим: наличие или отсутствие кислорода определяет, какие группы микроорганизмов будут доминировать (аэробы или анаэробы).

Примеры биокоррозии

• Канализационные системы: разрушение бетонных труб и коллекторов серной кислотой, образуемой Acidithiobacillus.
• Нефте- и газопроводы: точечная коррозия подземных стальных трубопроводов, вызванная сульфатредуцирующими бактериями. Приводит к образованию свищей и утечкам.
• Морские сооружения: обрастание корпусов судов, нефтяных платформ и портовых сооружений бактериями, водорослями и морскими организмами, что ускоряет коррозию металла.
• Памятники архитектуры: разрушение мрамора и известняка под действием лишайников и бактерий, выделяющих кислоты.
• Авиационная техника: коррозия алюминиевых сплавов в топливных баках под действием грибов, которые разлагают углеводороды и выделяют органические кислоты.

Методы защиты от биокоррозии

Защита от биокоррозии включает комплекс мер:

Химические методы

• Биоциды: вещества, убивающие микроорганизмы (хлорсодержащие соединения, четвертичные аммониевые соединения, изотиазолиноны, формальдегид). Применяются для обработки воды, грунта и поверхностей.
• Ингибиторы коррозии: вещества, замедляющие электрохимические процессы (например, нитриты, бензоаты, амины). Часто используются в сочетании с биоцидами.
• Антисептики: для защиты древесины (креозот, медный купорос, соли хрома и меди).
• Противогрибковые покрытия: добавление фунгицидов в краски, лаки и герметики.

Физические методы

• Ультрафиолетовое облучение: уничтожает микроорганизмы на поверхности.
• Ультразвуковая обработка: разрушает биоплёнки.
• Сушка и поддержание низкой влажности: лишает микроорганизмы необходимой среды.
• Термическая обработка: прогрев материала до температур, убивающих микроорганизмы.

Технологические методы

• Выбор материалов: использование коррозионно-стойких сплавов (нержавеющая сталь, титан), полимерных материалов с биоцидными добавками, специальных марок бетона.
• Защитные покрытия: нанесение лакокрасочных, полимерных, эмалевых, цинковых или других покрытий, препятствующих адгезии микроорганизмов.
• Катодная защита: создание электрического потенциала, подавляющего электрохимическую коррозию, в том числе и микробиологическую.
• Дренаж и гидроизоляция: отвод воды и предотвращение её застоя.

Биологические методы

• Конкурентное вытеснение: использование неагрессивных микроорганизмов, которые занимают экологическую нишу и не дают развиваться коррозионно-активным видам.
• Использование бактериофагов: вирусов, специфически поражающих коррозионно-активные бактерии (например, СРБ).

Значение и экономический ущерб

Биокоррозия представляет собой серьёзную экономическую и экологическую проблему. По оценкам, на долю микробиологической коррозии приходится от 10 до 30 % всех коррозионных потерь в промышленности. Ежегодный ущерб от биокоррозии в мире составляет десятки миллиардов долларов. Наиболее значительные потери несут нефтегазовая, химическая, целлюлозно-бумажная промышленность, водное хозяйство и строительство. Помимо прямых затрат на ремонт и замену оборудования, биокоррозия приводит к авариям, утечкам токсичных веществ, загрязнению окружающей среды и гибели людей.

Источники

1. Литвинов, В. В. (2008). Микробиологическая коррозия металлов и сплавов. М.: Наука.
2. Андреюк, Е. И., Козлова, И. П., & Коптева, Ж. П. (2005). Биокоррозия строительных материалов. Киев: Наукова думка.
3. Beech, I. B., & Sunner, J. (2004). Biocorrosion: towards understanding interactions between biofilms and metals. Current Opinion in Biotechnology, 15(3), 181–186.
4. Little, B. J., & Lee, J. S. (2007). Microbiologically influenced corrosion. Hoboken, NJ: Wiley-Interscience.
5. Videla, H. A. (1996). Manual of biocorrosion. Boca Raton, FL: CRC Press.
6. ГОСТ Р 9.905-2007. Единая система защиты от коррозии и старения. Методы коррозионных испытаний. Общие требования.