Биоповреждения металлов принято называть микробиологической коррозией (биокоррозией) металлов. В повседневной жизни со случаями биокоррозии металлов приходится сталкиваться реже, чем со случаями биоповреждений неметаллических материалов. Металлы сами по себе являются более биостойкими материалами, а некоторые из них обладают 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. Внешние проявления биокоррозии мало
207
отличаются от обычной коррозии, сопровождающейся появлением ржавчины.
Действие микроорганизмов на металлы может происходить различным путем. Прежде всего, коррозию могут вызывать агрессивные метаболиты микроорганизмов - кислоты, 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 мицелия или слизи, под которыми в результате разности электрических потенциалов на различных участках поверхности металла и ассимиляции ионов металлов самими микроорганизмами может развиваться язвенная коррозия.
Любопытные факты
Американская золотопромышленная корпорация в г. Денвере (штат Колорадо) для добычи металлов из сульфидной руды используют сульфобактерию рода Thiobacillus. В процессе жизнедеятельности этих микроорганизмов возрастает концентрация золота в руде. При биометоде добычи оксиды серы не попадают в атмосферу, что исключает образование кислотных дождей и загрязнения окружающей среды. С помощью этой же бактерии из отходов меднодобывающей промышленности французские ученые планируют экологически чистым методом извлекать биокобальт.
Биоповреждение металлов под воздействием микроорганизмов может происходить различными путями:
- за счет непосредственного воздействия продуктов метаболизма микроорганизмов на металл;
- через образование органических продуктов, которые могут действовать как деполяризаторы или катализаторы коррозионных реакций;
- путем, при котором коррозионные реакции являются отдельной частью метаболитического цикла бактерий.
Среди бактерий наиболее часто коррозию металлов связывают с деятельностью сульфатвосстанавливающих бактерий; тионовых бактерий, окисляющих серу и соединения серы до серной кислоты; железобактерий, окисляющих закисное железо до окисного.
Сульфатредуцирующие анаэробные бактерии являются возбудителями биокоррозии. Они способны переводить сульфатные соединения металлов в сульфиды, образующиеся при взаимодействии выделяющегося в этом процессе сероводорода с металлами.
Существует несколько гипотез о механизме анаэробной коррозии стали, железа, алюминия и их сплавов под влиянием сульфатредуцирующих бактерий.
Одна из гипотез состоит в том, что при высоком содержании сульфида железа в среде он образует гальваническую пару с железом,
208
в которой сульфид является катодом, а железо, являясь анодом, подвергается коррозии.
Тионовые бактерии окисляют сульфиды и другие восстановленные соединения серы до сульфатов. Скорость бактериального окисления сульфидов может быть в миллионы раз больше, чем скорость обычного химического окисления. В результате в больших количествах и достаточно быстро может образовываться серная кислота, создающая агрессивную коррозионную среду.
Любопытные факты
При строительстве Киевского метрополитена нейтральные грунтовые воды, омывающие тоннели на некоторых участках при развитии тионовых бактерий, в течение нескольких месяцев превратились в 0,1 н раствор серной кислоты, вследствие чего стальные крепления тоннелей прокорродировали на 40 %.
Железобактерии вызывают коррозию металлических поверхностей, соприкасающихся с водой. На месте сварных швов и других поверхностях металла железобактерии образуют слизистые скопления, не смываемые током воды. Под ними возникают участки, не омываемые водой и поэтому слабо аэрируемые, имеющие более низкий потенциал и поэтому действующие как анод. В анодной зоне железо растворяется, и происходит коррозия.
Некоторые ученые предполагают, что в формировании месторождений золота определенную роль мощи играть микроорганизмы. В лабораторных условиях на питательных средах, содержащих растворенное и взвешенное (коллоидное) золото, в течение двух месяцев выращивали определенные сообщества микроорганизмов и водорослей, живущих в Охотском море. Спектральный анализ показал, что эти сообщества переводят золото из раствора и взвесей в осадок. Частицы его размером 3 - 9 мкм и составляют 35 - 70 % осадка. Таким образом, было показано, что сообщества микроорганизмов могут участвовать в укрупнении частиц золота и концентрации его в месторождениях.
Любопытные факты
В июне 1999 г. в Санкт-Петербурге обрушился козырек вестибюля станции метро "Сенная площадь". На остатках конструкции обрушившегося козырька были обнаружены характерные признаки жизнедеятельности тионовых и нитрифицирующих бактерий, характерные для различных стадий биодеструкции древесины.
Коллективом ученых доказано существование в Санкт-Петербурге обширных процессов биоповреждения строительных материалов и инженерно-технических объектов в целом. Микробы в условиях повышенной влажности интенсивно осваивают среду обитания человека - здания, инженерные сети, различные товары и прочие материальные объекты.
209
Вопрос о повреждении металлов грибами наименее изучен, поскольку до недавнего времени предполагали, что биоповреждения металлов вызываются главным образом бактериями.
Однако грибная коррозия металлов существует, и в ряде случаев она наносит не меньший вред металлическим конструкциям, чем бактериальная. Удерживая на поверхности металлов влагу и выделяя органические кислоты, грибы способствуют коррозии деталей из латуни, меди, стали, алюминия и его сплавов. Продукты микробиологической коррозии, а также мицелий грибов, образующий мосты между металлическими контактами изделий, способствуют появлению электролитов на поверхности контактов и приводят к замыканию электрических цепей или к ухудшению электрических параметров изделий.
Массовые потери от коррозии после испытания в течение 12 сут. в присутствии A. niger достигли для алюминия 4, для меди - 18, для железа - 33 г/м2, что в 4 раза превышает потери каждого металла от обычной коррозии. Основным фактором, вызывающим коррозию металлов в присутствии грибов, является изменение физико-химических свойств среды в процессе метаболизма, о чем свидетельствует изменение рН, окислительно-восстановительного потенциала среды, электрохимических потенциалов металлов.
При испытании пластинок из электролитической меди, полученных в различных условиях спекания и отжига, в солевой среде после нанесения взвеси конидий грибов A. flavus, A. niger на их поверхность, был выявлен рост грибов, и происходило повреждение пластинок во всех вариантах опыта. Наблюдалось поражение грибами отдельных видов порошковых материалов и биметаллической проволоки при экспериментальном изучении их в условиях тропического климата.
Высказано предположение, что в качестве первичного механизма повреждения следует рассматривать внедрение гиф грибов в определенные участки поверхности образца, а вторичным является действие на поверхность металлов продуктов их метаболизма.
Самыми грибостойкими среди испытанных образцов металлов и сплавов являются - углеродистая сталь высокой прочности и сплав алюминия с магнием. Наиболее подверженным коррозионным изменениям оказался технически чистый алюминий.
Оценку биостойкости металлов проводят по внешнему виду коррозии, площади коррозионных поражений, потере массы образцов (после удаления продуктов коррозии), глубине коррозионных поражений.
Любопытные факты
В течение года в районе Лондона был полностью прокорродирован газопровод. Причиной столь быстрого разрушения оказались тионовые бактерии, активность которых была обусловлена поступлением
210
большого количества сероводорода, образующегося в результате жизнедеятельности сульфатредуцирующих бактерий в более глубоких глинистых слоях грунта по всей трассе газопровода.
С помощью сканирующего электронного микроскопа обнаружено, что в структуру биоповреждений металлов входят живые клетки грибов, дрожжей, бактерий, споры, мертвые клетки микроорганизмов, продукты распада клеток и различные вещества неорганической природы.
Биообрастания прочно связаны с поверхностью металла. Сталь, алюминий, медь в местах локализаций биообрастаный имеют различные биоповреждения - от микротрещин, микрократеров до полного разрушения металла на этих участках.
На поверхности чистого, незагрязненного металла, не имеющего контакта с органическими материалами, например, смазками, полимерными пленками, красками, грибы не могут развиваться. Биокоррозия металлов под действием грибов носит в связи с этим как бы вторичный характер, вначале они поселяются и развиваются на органических материалах, контактирующих с металлом, а затем мицелий, распространяясь на металл, вызывает коррозию своими метаболитами - кислотами, ферментами.
Биокоррозия отмечалась на резьбовых соединениях, электрических контактах и т. п. Такие поражения характерны для радиоэлектронных и оптических приборов. Образование мицелия на поверхности электрических контактов приборов вызывало нарушение работы всего прибора, вследствие замыкания электрической цепи или размыкания ее из-за нароста продуктов коррозии на поверхностях.
Способы защиты металлов от биокоррозии основаны на применении химических биоцидов, а также на рациональном подборе и использовании в технических изделиях биостойких материалов. Большое значение имеет соблюдение санитарно-гигиенических правил при производстве и эксплуатации техники.
Для защиты металлов от биокоррозии используют те же биоциды, что и для защиты неметаллических материалов. Существенным требованием к таким биоцидам является то, что они не должны быть агрессивны к металлам и не вызывать их коррозии, так как некоторые биоциды коррозионно опасны в этом отношении.
211
