Микробиологическая коррозия, или просто биокоррозия, – это процесс коррозионного разрушения металла в условиях воздействия микроорганизмов, к которым относят прокарчоты (бактерии) и зукарчоты (грибы, простейшие).

Биокоррозию следует рассматривать как самостоятельный вид коррозии, хотя она часто протекает совместно с атмосферной, почвенной, в водных растворах или в неэлектролитах, при этом она инициирует и интенсифицирует их.

Микроорганизмы могут непосредственно разрушать материал конструкций, но чаще они стимулируют процессы электрохимической коррозии.

Биоповреждениям подвержены подземные сооружения, оборудование нефтяной промышленности, трубопроводы при контакте с почвой и водными средами, элементы конструкций машин, их лакокрасочные покрытия и т.д. Коррозионные эффекты при участии микроорганизмов аналогичны другим видам коррозии.

Биокоррозию подразделяют на бактериальную, протекающую в водных средах при наличии особого вида бактерий (в почве, воде, продукте), и микологическую (грибную), протекающую в атмосферных условиях, при контакте с почвой, при увлажнении поверхности, при наличии загрязнений, спор, мицелия и продуктов жизнедеятельности грибов. Коррозия возможна при совместном и попеременном действии указанных микроорганизмов, актиномицетов, дрожжей.

Микроорганизмы могут воздействовать на металлы с высокой коррозионной стойкостью: кислотоупорные стали, алюминивые сплавы и др.

Бактериальная коррозия может происходить при 6…40 С, рН = 1…10 в присутствии органических и неорганических веществ, включающих такие эле-менты, как углерод, сера, азот, фосфор, калий, железо, водород, кислород и др.

Разрушение металла происходит по следующим причинам: непосредственно – микроорганизмы потребляют материалы конструкций в качестве источников питания; косвенно – продукты жизнедеятельности бактерий создают на поверхности металла различные электрохимические концентрационные элементы, в растворе или на поверхности металла образуются агрессивные химические соединения, изменяются электрохимические потенциалы среды в связи с изменением концентрации кислорода в растворе.

Бактерии быстро размножаются и легко приспосабливаются к изменяющимся физическим, химическим и биологическим условиям среды. Они могут адаптивно образовывать ферменты (оксидоредуктазы и гидролазы), необходимые для трансформации питательных сред.

Микроорганизмы, использующие в качестве источника энергии неорга-нические вещества, выделены в особую группу. К ним относятся следующие:

водородные, окисляющие водород с образованием воды;

нитрифицирующие, окисляющие аммиак до азотной кислоты (Nitrosomonas, Nitrobacter);

тионовые, окисляющие сероводород до элементарной серы, или элементарную серу до серной кислоты (Thiobacillus thiooxidans), или сернокислое железо до окисного (Th. Ferroxidans);

железобактерии, окисляющие закисное железо до окисного (Gallionella) в нейтральных средах;

метанообразующие, стимулирующие природный синтез метана из углекислоты и водорода в анаэробных условиях;

сульфатвосстанавливающие (СВБ), жизнедеятельность которых происхо-дит за счет процесса восстановления сульфатов до сероводорода и которые являются основными разрушителями нефти, нефтепродуктов и металлов;

нитратвосстанавливающие, вызывающие в почве процесс денитрофикации – восстановление окисленных форм азота (Thiobaсillus denitrificans).

Обычно в коррозионном процессе участвуют бактерии многих видов, проявляющие свою активность, как правило, в ассоциациях, могущих изменяться под действием различных факторов.

Окислительно-восстановительные процессы в биохимии характеризует показатель rH 2 – отрицательный логарифм давления молекулярного водорода, выражающий степень аэробности. При перенасыщении среды кислородом rH 2 = 41, если среда насыщена водородом, то rH 2 = 0. Равновесие окислительно-восстановительных процессов характеризуется rH 2 = 28. Анаэробы существуют при rH 2 = 8…10; аэробы - rH 2 = 10…30; факультативные анаэробы - rH 2 = 0…30.

Анаэробные условия могут быть созданы деятельностью аэробных бактерий, в природе те или эти существуют совместно. В почве наиболее интенсивная коррозия наблюдается в болотистых местах (рН = 6,8…7,8), насыщенных органическими остатками с пониженным содержанием кислорода. Поверхность конструкций, имеющих значительную протяженность (трубопро-воды), становится анодной по отношению к участкам, контактирующим с более аэрированной почвой, и коррозия ускоряется. В анодных зонах возможно окисление гидрозакиси железа железобактериями.

Электрохимическая коррозия металлов происходит при деполяризации ло-кальных элементов. Установлено, что гидрогенозоактивный штамм сульфатвос-станавливающих бактерий является эффективным катодным деполяризатором при анаэробной коррозии алюминиевых сплавов. На поверхности алюминиевых сплавов образуются вздутия, в которых были обнаружены микроорганизмы в виде бактерий Ps. aerquqinose, a также гриб Cladosprium, создающие анаэроб-ные условия и продуцирующие продукты питания для СВБ. Анаэробная зона под вздутием становится анодом, а зона по краям вздутия – катодом (рис. 5.8).

Рис. 5.8. Схема бактериальной коррозии

алюминия Ps. Aerquqinose и СВБ

Аналогично действие СВБ в отношении сталей:

4Fe 4Fe 2+ + 8e (1) – анодная реакция;

8Н 2 О 8Н + + 8ОН - (2) - анодная реакция;

8Н + + 8е 8Н - (3) - катодная реакция;

SO 4 2- +8Н S 2- +4H 2 O (4) - катодная реакция СВБ;

Fe 2+ + S 2- FeS (5) – продукты коррозии;

3Fe 2+ + 6ОН - 3Fe(ОН 2) - (6) – продукты коррозии;

4Fe 2+ + SO 4 2- +4 Н 2 О FeS + 3Fe(ОН) 2 + 2ОН - (7) – суммарно.

Выпадающий при развитии бактерий сульфид железа также способствует усилению процесса коррозии.

Изучение катодной поляризации стали в бактериальной среде, восстанавливающей сульфаты, показало, что могут существовать два механизма деполяризации: ферментативный и деполяризация катода твердым сульфидом железа.

Исследование кинетики коррозии стали Ст3 в средах, содержащих СВБ и сероводород, также показало, что процесс коррозии стимулируется анодной реакцией при воздействии продуктов жизнедеятельности бактерий. Адгезионная пленка сульфида железа разрыхляется продуктами метаболизма СВБ и таким образом ускоряет процесс коррозии.

Высокая коррозионная активность СВБ связана с интенсификацией катодного процесса, обусловленного потреблением атомарного водорода по важнейшей для микроорганизмов реакции (4). Сульфид-ионы, образующиеся по этой реакции, могут ускорять развитие коррозии. Скорость коррозии существенно возрастает в присутствии элементарной серы, последняя выполняет роль, аналогичную растворенному кислороду в аэрируемых электролитах (рис. 5.9).

Рис. 5.9. Схема бактериальной коррозии стали в присутствии СВБ:

а - катодная реакция;б – анодная реакция

Механизм реакции меняется при переходе от одной фазы развития бактерий к другой. В период развития бактерий происходит деполяризация анодных и катодных процессов. С понижением бактериологического воздейст-вия поляризация вновь увеличивается, и образующийся сульфид железа тормо-зит анодный процесс. Значение рН при этом сдвигается от 7…7,2 до 7,8…8. Дальнейшее превращение сульфидов FeS 1,2,3,4 в Fe 3 S 4 сопровождается большими внутренними напряжениями, приводящими к разрушению пленки сульфидов и обнажению поверхности металла.

Метановые бактерии воздействуют на металл как деполяризаторы по схеме:

деполяризация микробами

СО 2 + 8Н + СН 4 + 2Н 2 О;

продукт коррозии

4Fe 2+ + 8(ОН) - 4Fe(ОН) 2 .

Железо может окисляться гетеротрофами (Serratis mariescens, Salmonela typhimurium) в присутствии нитратов. Гетеротрофы используют водород и восстанавливают нитраты, стимулируя коррозию.

Железобактерии окисляют железо до трехвалентного, участки труб под осадком Fe(OH) 3 в присутствии кислорода становятся анодными, и процесс локальной коррозии ускоряется.

Наибольшее коррозионное повреждение оборудования и сооружений, контактирующих со сточными водами, вызывают тионовые бактерии. Наиболее интенсивной коррозии подвергаются легированные стали типа 12X13Г18Д, 12Х18Н10Т.

В подземной коррозии труб и повреждениях изоляционных покрытий основное участие принимают бактерии. В почве, вблизи поверхности трубопровода, защищенного различными полимерными покрытиями, обнаружены Pleomorphic rods, Pseudomonas acruqinosa, Microccus parabfinae и др.

Исследования показали, что биокоррозия возникает в результате воздействия СВБ. Состав нефтепродуктов, наличие влаги, рН, температура в емкостях способствуют развитию этих микроорганизмов.

Микологическая (грибная) коррозия – это разрушение металлов и покрытий при воздействии агрессивных сред, формирующихся в результате жизнедеятельности микроскопических (несовершенных, плесневых) грибов.

В отличие от бактерий мицелиальные грибы непосредственно коррозию не вызывают. Поражения возникают в процессе жизнедеятельности гриба на нестойких материалах (углеводородном топливе, лакокрасочных материалах органических загрязнениях и др.). Грибному разрушению подвержены металлы, полимерные материалы, лакокрасочные покрытия, нефтепродукты и др.

Порчу топлив вызывает Cladosporium resinae, повреждение полимеров Penicillium, Asperqillus и др. Гриб Cl. resinae является причиной разрушения хранилищ нефтепродуктов. Установлено, что развитие гриба начинается в водной фазе по границе раздела водной фазы и продукта. Содержание воды в нефтепродуктах в концентрации 1:10 4 достаточно для заселения микроорганизмов. Вода в нефтепродуктах накапливается за счет конденсации при их хранении и транспортировке, негерметичности емкостей и др.

Биоповреждения материалов стимулируют коррозию металлов и тем самым снижают прочностные, электроизоляционные и другие свойства металлов.

Если для развития сульфатвосстанавливающих, метанообразующих и железобактерий необходимы специальные условия, то для микрогрибов достаточно незначительного загрязнения и временного повышения влажности воздуха, и на поверхности конструкции образуется колония.

Повреждения грибами имеют характерные признаки и особенности. Грибы не содержат хлорофилла и по способу питания относятся к гетеротрофам, т.е., как и гетеротрофные бактерии, потребляют углерод из готовых органических соединений. Размножение грибов происходит разрастанием гиф и спор.

Основной фактор, способствующий развитию грибов, - вода, которая составляет главную часть клеточного тела гриба. Большое влияние на прорастание спор оказывает температура, интервал жизнедеятельности грибов - 0…+ 45 С. Некоторые грибы способны развиваться и при более высокой температуре (термофилы) или более низких (психрофилы) температурах.

Особую опасность представляют грибы – продуценты кислот. Они могут стимулировать процессы коррозии. К сильным кислотообразующим грибам относят грибы рода Asperqillus и др.

Развитие микологической коррозии схематично можно подразделить на четыре стадии:

прорастание спор (конидий) или вегетативных элементов гриба с учетом адаптивных возможностей культуры, стимулирующей на первых этапах преимущественно контактный обмен;

развитие мицелия с последующим формированием визуально наблюдаемых колоний гриба; локальное накопление, проявление активности вторичных метаболитов, в частности органических кислот;

развитие коррозионных процессов, разрушающее действие гидролаз и оксидоредуктаз на полимеры, появление градиентов концентрации акцепторов электронов (кислорода);

обильное спорообразование грибов, коррозионные повреждения (локальные или сплошные) резко выражены, на металлах возникает катодная (анодная) деполяризация.

Виды грибов, наиболее часто стимулирующих коррозию: Asperqillus niqer, A. amstelodamii, A. fumiqatus, trichoderma lignorum, Cladosporium herbarum и др.

Несовершенные грибы (аэробные гетеротрофы) стимулируют коррозию металлов следующим образом:

действием органических кислот, продуцируемых грибами по реакциям

mMe mMe n+ + ne;

mMe n+ + n(A n - H +) nH 2 O Me m (A n -) n + nH 3 O + ;

nH 3 O + + ne nH 2 O + (n/2)H 2 

Органические кислоты, продуцируемые грибами, повышают агрессивность среды, стимулируя процессы коррозии металлов и деструкцию полимеров, и служат источником углерода для дальнейшего развития микроорганизмов;

действием щелочной среды, создаваемой грибами

Аl Al 3+ + 3e,

Al 3+ + 3OH - AlO 2 - +H 3 O + Аl(OH) 3

AlO 2 - + Me + MeAlO 2 ,

H 3 O + + e H 2 O + 1/2H 2 ,

2 Аl(OH) 3 Al 2 O 3 +3 H 2 O;

действием окисленных ферментов с выделением перекиси водорода, а затем атомарного кислорода при ее разложении

nH 2 O 2 n H 2 O + nO,

mMe + nO Me m O n .

Продукты коррозии, в свою очередь, стимулируют процесс разложения перекиси водорода. Ферменты, выделяемые грибами, - мощный фактор биоповреждений металлоконструкций. К таким ферментам относятся оксидоредуктазы и эстеразы.

Более 50 % коррозионных повреждений техники, эксплуатирующейся в природных условиях, связаны в той или иной степени с воздействием микроорганизмов. Стимулирование электрохимической коррозии происходит из-за появления концентрационных элементов на поверхности конструкций в результате накопления продуктов жизнедеятельности микроорганизмов, повышающих агрессивность среды. При этом происходят разрушение пассивных пленок на металле и деполяризация катодного и (или) анодного процессов. Изменение ЭДС коррозионных элементов приводит к локализации процесса коррозии. Стимулированию локальной коррозии также способствуют неравномерность распределения колоний микроорганизмов, образование сероводорода, сульфидов, ионов гидроксония, гидрат-ионов и так далее в условиях, казалось бы исключающих появление этих соединений.

Постоянная изменчивость микроорганизмов, миграция катодных и анодных фаз, сочетание аэробных и анаэробных процессов приводят к появлению значительных коррозионных эффектов и создают предпосылки к возникновению отказов.

Металлы и металлопокрытия подвержены воздействию микрогрибов, причем обрастанию в различной степени подвержены почти все металлы. Продукты коррозии обнаружены на поверхностях углеродистых и низколегированных сталей, алюминиевых сплавов и латуней, металлопокрытий, избирательно – на высоколегированных сталях.

Отмечены сезонные колебания микрофлоры: зимой доминируют железобактерии, летом – СВБ. В процессах биокоррозии принимают участие также микрогрибы (Cl. resinae), микроводоросли, вступающие в ассоциацию с бактериями.

Повреждения носят локальный характер, глубина их иногда достигает критических величин, приводящих к нарушению герметичности или прочности конструкций.

6. ХАРАКТЕРИСТИКА КОРРОЗИОННОЙ АГРЕССИВНОСТИ

СРЕД В ТРУБОПРОВОДНОМ ТРАНСПОРТЕ НЕФТИ И ГАЗА

Коррозии подвергаются не только металлы, но и материалы ор­ганического и синтетического происхождения. В этом случае го­ворят о микробиологической коррозии, или биокоррозии, разрушающей многие виды промышленных изделий в результате воздействия микроорганизмов. Наболее интенсивно воздействие микро­организмов в условиях тропического климата, т. е. повышенной температуры и влажности. Однако в ряде районов нашей страны (Черноморское побережье Кавказа, Прибалтика) климатические факторы способствуют развитию микробиологической коррозии таких материалов, как дерево, ткани, кожа, картон, бумага и др., хотя и не в такой степени, как в тропиках. Подсчитано, что из общих потерь от коррозии в мировом масштабе на долю биокор­розии приходится 15-20%. Реальные потери, вероятно, значи­тельно больше.

Главное действующее начало микробиологической коррозии - плесневые грибы, а для некоторых материалов и бактерии. Основ­ной фактор жизнедеятельности плесневых грибов - наличие во­ды. Пониженная температура сдерживает их развитие, однако при наличии воды некоторые виды грибов хорошо растут даже при температуре, близкой к 0°С. Споры плесневых грибов распростра­нены в атмосфере, но особенно много их в поверхностных слоях почвы. Плесень сравнительно легко приспосабливается к различ­ным физическим и химическим условиям среды.

Источником питания плесени служат материалы, содержащие углерод и азот, но известны плесени, ассимилирующие фенол и каучук. Оптимальная температура для развития всех видов пле­сени находится в пределах 26-30 °С. При повышении или пони­жении температуры их развитие, замедляется. Споровые формы плесневых грибов выносят температуру 100 °С и выше.

Под воздействием плесени материалы органического происхож­дения разрушаются, а продукты их распада могут вызывать хими­ческую коррозию и металлов. Это особенно опасно для электро­технических изделий (провода с хлопчатобумажной или шелковой оплеткой). В результате микробиологической коррозии резко сни­жается электрическая прочность изоляции и могут возникнуть пробои и короткие замыкания. Известны случаи, когда в резуль­тате микробиологической коррозии полностью нарушалось функ­ционирование механических приборов, например зеркального галь­ванометра.

Меры защиты от биокоррозии. Наилучшей защитой при хране­нии и эксплуатации изделий служит создание условий, препятст­вующих развитию плесени. Условия эксплуатации изделий меди­цинской техники малоблагоприятны для возникновения плесени, так как изделия во время эксплуатации неоднократно стерили­зуют или подвергают влажной санитарной обработке. В связи с этим благоприятные условия для развития плесени могут появ­ляться главным образом при хранении изделий в складских помещениях. Однако при нормальной температуре хранения и при ульт­рафиолетовом облучении изделие будет надежно защищено от плесени.

Особенно важно проветривать складские помещения. Если изде­лия влажны, то поток воздуха, даже имеющего большую относи­тельную влажность по сравнению с воздухом помещения, служит защитным фактором. Поток воздуха препятствует оседанию спор на поверхности предметов. Исходя из этого, в условиях хранения, которые записаны в ТУ на изделия медицинской техники, не предусматривается, как правило, специальных мер борьбы с биокоррозией, кроме хранения в сухих, отапливаемых помещениях. В большинстве районов СССР соблюдение указанных выше усло­вий надежно предохраняет изделия от плесневения.

Биологическое поражение оптических стекол вызывается в ос­новном разрастанием мицелия плесневых грибов. Подавляющее большинство отечественных оптических стекол подвержено обрастанию, хотя поверхность оптических стекол полирована и не имеет органических веществ, способствующих развитию грибов.

В годы Второй мировой войны в странах влажного тропическо­го климата на поверхности многих оптических деталей часто от­мечали интенсивное разрастание плесневых грибов. Однако даже в умеренном климате обнаруживают слой мицелия грибов на по­верхности линз и призм приборов, хранящихся на складе.

Основными биоповреждающими агентами оптических деталей являются мицелиальные грибы, особенно опасные в условиях по­вышенной влажности воздуха и температуры, хотя при этом от­мечались отдельные массовые повреждения оптических деталей плесневыми грибами и в условиях умеренного климата.

Установлено, что оптимальными условиями для развития плес­невых грибов на поверхности оптических стекол являются повы­шенная относительная влажность воздуха (свыше 90 %), темпера­тура (28 ± 2) °С, наличие в окружающей среде органических и не­органических частиц и другие факторы. Обрастание плесневыми грибами оптических деталей может происходить за счет питатель­ных веществ, содержащихся в самих спорах, а также за счет про­дуктов выщелачивания стекла, даже при отсутствии каких-либо органических частиц на его поверхности. Так, при испытании на биостойкость образцов из полированного кварца после их тща­тельной промывки наблюдалось довольно интенсивное разраста­ние комплекса мицелиальных грибов со спороношением.

Биоразрушение оптических стекол может происходить в ре­зультате воздействия на них выделяемых микроорганизмами орга­нических кислот, окислительных ферментов, а также перекиси водорода, которая при разложении выделяет атомарный кисло­род, способствующий окислению субстрата.

На поверхности оптических деталей плесневые грибы не только развиваются, но и разрушают поверхностные слои стекла. После сня­тия мицелия грибов во многих случаях обнаруживаются повторяю­щие его рисунок канавки, образованные выделениями продуктов жизнедеятельности. Стекло может быть настолько разрушено, что дефект возможно устранить только с помощью шлифовки и перепо­лировки поверхности, для чего необходимо разбирать весь прибор.

Как просветляющие покрытия, так и покрытия, защищающие просветляющие слои от воздействия влаги воздуха, нанесенные на поверхность оптических стекол химическими и физическими методами, подвержены обрастанию. Даже при слабом развитии грибов на поверхности оптических деталей коэффициент свето-пропускания уменьшается на 26 %, а коэффициент светорассея­ния увеличивается в 5,2 раза.

Имеется мнение, что споры плесневых грибов заносятся в при­боры во время их сборки, и, попадая в условия теплого влажного климата, разрастаются. Не исключено, что споры попадают в приборы при эксплуатации в результате их негерметичности. Часто споры попадают в приборы из чехлов, пораженных плесенью.

Развитие спор грибов зависит от наличия питательной среды, микроскопических загрязнений, пыли, замазок, лаков и смазок, адсорбированных на оптических плоскостях.

Различными исследователями на оптических деталях обнару­жено более 40 видов плесневых грибов, большинство из которых относится к родам: Aspergillus, Chaetoumium, Penicillium, Rhizopus.

Плесневые грибы нарушают работу оптических деталей не толь­ко скоплениями спор и разросшимся мицелием, но и попутными явлениями. В период развития плесневые грибы содержат более 90 % воды, кроме того, они сильно гигроскопичны и притягива­ют из атмосферы большое количество влаги, вызывающее силь­ное рассеяние света. В результате выделения грибами кислых про­дуктов обмена (койевой, итаконовой, лимонной, щавелевой и других кислот) происходит коррозия поверхности стекла. Степень такой коррозии зависит, прежде всего, от кислотоустойчивости стекла, длительности действия плесени на стекло и агрессивнос­ти атмосферы. Установлено, что оптические стекла, химически устойчивые к влаге воздуха, поражаются плесневыми грибами в большей степени, чем стекла, неустойчивые к влажной атмосфе­ре. Объясняется это подщелачиванием поверхности стекла в ре­зультате воздействия влаги воздуха. Было также отмечено, что оте­чественные оптические стекла по степени обрастания плесневы­ми грибами могут быть разделены на три группы: неустойчивые, малоустойчивые, устойчивые.

По наблюдениям специалистов, работающих с оптическими приборами, последние плесневеют в условиях повышенной влаж­ности и температуры значительно сильнее в полевых условиях, чем при испытаниях в тропической камере. Объясняется это тем, что в приборы при их эксплуатации в большей степени проника­ют влага, пыль и загрязнения. Больше всего плесневеют приборы со сменными объективами, поскольку они сильнее пылятся.

Колебания температуры, атмосферного давления, а также наве­дение на фокус и изменение диоптрий - способствуют возникно­вению разницы в давлении между внутренним пространством при­бора и окружающим прибор воздухом. И хотя эта разница большей частью достигает лишь долей атмосферы, она вызывает токи возду­ха через неплотные контакты и щели в приборе, что приводит к так называемому «дыханию» прибора. Тем самым создается воз­можность проникновения влаги. Изготавливать воздухонепрони­цаемые оптические системы достаточно дорого, хотя на заводе фирмы «Цейсе» в Йене делались попытки создания некоторых пол­ностью герметизированных оптических приборов. Неплотные кон­такты в оптических системах сильно затрудняют эффективное при­менение разных высушивающих препаратов, например, силикагеля или гигроскопической бумаги путем закладки их внутрь прибора. По-видимому, целесообразно для удлинения срока службы в тро­пиках хранить приборы в нерабочее время в эксикаторе над осу­шающими агентами.

Оптический прибор является сложным объектом исследования устойчивости к обрастаниям, так как состоит из различных мате­риалов. Корпуса таких приборов обычно изготовлены из металла, пластмассы; широко используются эмали, лакокрасочные покры­тия, смазки, замазки, клеи. Для хранения и перевозки употребля­ются кожаные футляры, нитки, войлок, бумага, картон, дере­вянные ящики. Все эти материалы, в том числе и силикатные оп­тические стекла, поражают микроорганизмы.

Самым эффективным способом защиты от появления грибов является устранение условий, необходимых для их роста: повы­шенных влажности, температуры, а также веществ, служащих для них питанием. Поэтому при сборке приборов требуется соблюде­ние особой чистоты, не допускается применение поражаемых гри­бами материалов. Необходима специальная химическая защита оптических приборов. В период их хранения возможно примене­ние специальной упаковочной бумаги, пропитанной летучими фунгицидами, например, хроматциклогексиламином.

Также возможно применение антимикробных волокон как средств защиты оптических деталей от биологических обрастаний.

Для стабильной и надежной защиты оптических поверхностей применяют специальные покрытия, содержащие ртутные соеди­нения и не влияющие на оптические свойства стекла. В настоящее время еще не найдены летучие фунгицидные вещества длитель­ного действия, которые защищали бы от возникновения всех плес­невых налетов. Цель исследований в области микробиологической коррозии оптических систем - изыскание пригодных фунгицидных веществ с наиболее экономичным способом применения в оптических приборах для эффективной и долгосрочной защиты многослойных оптических площадей от образований биологичес­кого налета.

Заключение

Исследования повреждаемости сырья, материалов и изделий микроорганизмами, насекомыми и грызунами, способов защиты товаров от биоповреждений играют важную роль в решении про­блемы повышения качества, надежности и долговечности про­дукции как в условиях хранения, так и в процессе производства, транспортировки и при эксплуатации.

Повреждая тару, упаковку, складские помещения, портя хра­нящиеся в них товары живые организмы наносят значительный ущерб. Только учтенные потери от биоповреждений материалов достигают 3 % от объема их производства. На долю микроорганиз­мов приходится около 40 % от общего числа биологических по­вреждений.

Широкий круг специалистов - биологи, химики, материало­веды, технологи, товароведы и другие участвуют в решении про­блемы биоповреждений. Подготовка товароведов предполагает все­стороннее изучение факторов, влияющих на формирование и со­хранение качества товаров. Биоповреждения рассматриваются как один из таких факторов.

В настоящее время координацию работ по исследованию воп­росов, связанных с изучением биоповреждений, в нашей стра­не с 1967 г. проводит Научный совет по биоповреждениям РАН. В международном масштабе такие функции осуществляет Меж­дународное общество по биоповреждениям со штаб-квартирой в Астоновском университете в Англии.

От англ. lag - отставание, запаздывание.

Лугаускас А. Ю., Микулъскеке А. И., Шляужене Д. Ю. Каталог микромицетов - биодеструкторов материалов. - М.: Наука, 1987.

Примечание. 4 1 -трызуны использовали материалы для устройства гнезд.

Биокоррозия представляет собой естественную реакцию окружающей среды на материалы, которые создает или использует человек. Внедряя искусственно созданные материалы, человек включает их в общий круговорот веществ, происходящий в биосфере, где все, что находится на земле, проходит свой путь от рождения до разложения.

Если бы этот процесс отсутствовал, то произошло бы «захламление» окружающей среды, которое привело бы к гибели не только человека, но и всего живого на земле. Решая вопрос биозащиты, как правило, за счет введения веществ, обеспечивающих экологический иммунитет материалу или изделию на период эксплуатации, человек внедряется в законы природы и не всегда с пользой для себя и биосферы. Примером может служить полиэтиленовая тара (кульки, емкости и т.д.), разложение которой в земле может произойти не ранее чем через 100 лет. Как мы видим вокруг, это уже создает опасность «захламления».

Микробиологическое разрушение материалов и конструкций возникает в результате воздействия различных бактерий, грибов, лишайников.

Повсеместное распространение микроорганизмов обусловлено их разнообразием и способностью приспосабливаться к изменяющимся условиям среды и источникам питания.

Воздействие микроорганизмов может быть прямым, когда материал является источником питания, и косвенным, если на материал действуют продукты их жизнедеятельности – органические кислоты.

Повышение влажности, температуры и загрязнение поверхности способствуют росту и развитию микроорганизмов на всевозможных материалах, вызывая их частичное или полное разрушение. Биоповреждению подвергаются полимерные материалы, лакокрасочные покрытия, древесина, природные и искусственные каменные материалы, стекло и металлы. При воздействии микроорганизмов на полимеры, вследствие разрастания и заполнения микропустот в структуре, а также влияния продуктов жизнедеятельности, изменяются цвет, структура, а при небольшой толщине нарушается герметичность и прочность изделий и покрытий. Более 60% используемых в строительстве полимерных материалов не обладают достаточной биостойкостью. В первую очередь это относится к таким распространенным, как материалы на основе полиэтилена, поливинилхлорида. Биостойкость полимерных материалов снижается в процессе их старения, поэтому эти два явления взаимосвязаны и стимулируют друг друга.

При повреждении лакокрасочного покрытия на основе полимерных связующих размножение микроорганизмом может происходить как на поверхности пленки, так и внутри нее. Последнее приводит к вздутию, отслоению и полному разрушению защитного слоя. Биостойкость покрытия зависит от состава подложки, свойств входящих компонентов, режимов сушки, условий и длительности эксплуатации. Биостойкость уменьшается в зависимости от применяемого пленкообразующего вещества (связующего) в следующем порядке: эпоксидные, полиуретановые, пентафталиевые, битумные, глифталиевые. Подвергаются воздействию микроорганизмов составы, содержащие олифу, костный клей, козеин, желатин, карбоксиметилцеллюлозу, поливинилацетат (ПВА), акриловые смолы. Поэтому недостаточно стойки применяемые водоэмульсионные и масляные краски.

Одним из важнейших условий получения стойких материалов и покрытий является введение в их состав компонентов, которые не являются источником питания. Это такие минеральные наполнители, несодержащие углерода, как каолин, плавиковый шпат, слюда, ускорители и отвердители – известь, окись магния. Для защиты заведомо нестойких полимеров, при их получении или в процессе производства из них изделий или красочных составов необходимо вводить биоцидные добавки – соединения на основе цинка, меди, олова или кремнийорганические.

Наиболее опасны микроорганизмы для материалов, полученных на основе растительного сырья. Это изделия из древесины и ее отходов (ДВП, ДСП), льнокостры, соломы, камыша и т.д. Разрушаются деревянные полы, перегородки, элементы конструкций кровли. Процесс активизируется с повышением влажности, температуры и отсутствием вентиляции. При строительстве деревянных домов важно определить рациональную область используемых защитных средств. Например, лаги, детали погребков, нижние обвязки или полы по грунту в надворных постройках, их защита должна проводиться пропиткой эффективными антисептиками, безвредными для животных и человека. Биоогнезащите комплексными составами подвергают, как правило, несущие конструкции и только огнезащите – внутренние двери, элементы лестничных клеток и чердаков.

Для таких неорганических природных и искусственных материалов как каменные, керамические, бетон на неорганических вяжущих (гипс, известь, цемент), биоразрушения в основном связаны с действием продуктов жизнедеятельности микроорганизмов – органических и неорганических кислот; и в меньшей степени, в случае особых силикатных бактерий, использованием их как источник энергии. Микроорганизмы, находясь на поверхности строительных конструкций, изделий через продукты своей жизнедеятельности взаимодействуют с материалом, образуя легкорастворимые или не обеспечивающие прочность соединения. Биоповреждения бетона, относительно пористого материала, начинаются с поверхности и идут вглубь. Вопрос защиты бетонных и железобетонных конструкций, как и любых других, необходимо рассматривать в комплексе с санитарно-гигиеническими условиями их эксплуатации. Поэтому стены животноводческих помещений, цехов мясомолочной, пищевой промышленности должны быть облицованы легкомоющимися материалами. Наиболее надежную защиту от биокоррозии могут обеспечивать вводимые в состав материала биоцидные добавки, покрытие поверхности биоцидными пленкообразующими составами или пропитка поверхностного слоя биоцидными составами. При этом необходимо учитывать способность микроорганизмом приспосабливаться к применяемым средствам. Примером могут служить ситаллы, представляющие собой частично закристаллизованые стекла, используемые в качестве кислотостойкого плиточного, облицовочного материала. В их состав входят такие компоненты биоцидного свойства как фосфаты, свинец, бор и другие. Однако, несмотря на их присутствие, эти материалы подвержены биоразрушению. Только введение соединений кобальта и меди до 1% по массе позволили полностью защитить этот материал.

При воздействии микроорганизмов повреждаются также изделия из обычного стекла и оптические системы. При действии бактерий и грибов резко снижаются их оптические свойства.

По отношению к металлам, из которых выполняют несущие алюминиевые и стальные конструкции, кровельные и отделочные материалы, микробиологическая коррозия может развиваться и усиливаться в результате двух основных процессов. Первый – создание агрессивной по отношению к металлу среды на его поверхности, в результате накопления таких продуктов жизнедеятельности как кислоты, сульфиды, аммиак. Второй – непосредственное участие микроорганизмов в одной или нескольких окислительно-восстановительных реакциях, вызывающих электрохимическую коррозию металла. Наиболее надежной защитой обладают лакокрасочные составы с биоцидными добавками, долговечность которых в значительной степени определяется тщательностью очистки поверхности изделий и конструкций.

Почва является вместилищем необычайно обильной и разнообразной микрофлоры, представленной многочисленными группами бактерий, плесневыми грибками, дрожжевыми организмами и т. п.

Количество разнообразных бактерий, приходящееся на 1 г почвы, достигает сотен миллионов, а иногда и десятков миллиардов. Основная масса микроорганизмов встречается в верхних горизонтах почвы, однако и в подпочвенных слоях они содержатся в значительном количестве. В некоторых случаях эти организмы могут вызывать интенсивную коррозию, получившую наименование микробиологической коррозии.

Действие микроорганизмов сводится или к непосредственному влиянию на скорость анодной и катодной реакций, или к созданию коррозийной среды.

Кроме того, микроорганизмы могут вызывать изменение стойкости защитной пленки в результате обменных биохимических реакций или действия на пленку продуктов этих реакций.

Микроорганизмы подразделяются на аэробные, способные жить и размножаться только при наличии свободного кислорода, и анаэробные, живущие и нормально размножающиеся при отсутствии свободного кислорода за счет энергии расщепления химических соединений.

Наибольшее значение и распространение в почвенных условиях имеет анаэробная коррозия. Сюда прежде всего относится микробиологическая коррозия стальных и чугунных трубопроводов, заложенных в тяжелых глинистых грунтах, болотах, стоячих водах и т. п., а также коррозия внутри стальных нефтепродуктовых резервуаров, где в силу их герметичности создаются анаэробные условия. На чугунных трубах анаэробная коррозия обнаруживается в форме спонгиоза(графитизация), распространенного на большую площадь и значительную глубину. Стальные трубы подвергаются точечной, а внутренние стенки резервуаров - общей анаэробной коррозии.

Наиболее распространенный вид анаэробной коррозии связывается с жизнедеятельностью сульфатвосстанавливающих бактерий, широко распространенных в различных почвах, пресных и соленых водах и нормально вегетатирующих только в анаэробных условиях, в присутствии сульфатов и небольшого количества органических веществ. Названная культура бактерий является чрезвычайно жизнеспособной при значениях рН среды от 5 до 9. Более повышенное значение рН угнетающе действует на бактерии и при продолжительном пребывании в среде с рН = 9,5 бактерии погибают.

Коррозионный процесс в анаэробных условиях заключается в том, что благодаря жизнедеятельности микроорганизмов в среде, окружающей подземное сооружение, сульфаты восстанавливаются и преобразуются в сероводород. Последний взаимодействует с железом, образуя сернистое железо. Освободившийся при восстановлении сульфатов кислород обеспечивает деполяризацию катода, на котором должен накапливаться водород в связи с растворением железа. Таким образом, через катодную деполяризацию бактериальный процесс стимулирует развитие коррозии.

Максимальное количество сернистого железа, получающегося в результате бактериальной коррозии, составляет одну четвертую часть общей массы прокорродировавшего металла, остальная часть железа переходит в гидрат закиси.

Указанием на микробиологическую коррозию с участием сульфатвосстанавливающих бактерий служит наличие сернистого железа в продуктах коррозии.

При воздействии сероводорода на железо образуется сернистое железо, которым покрывается внутренняя поверхность резервуара. Образование сернистого железа, помимо непосредственного вреда сооружению, создает опасность внезапного взрыва горючих смесей, так как при соприкосновении с воздухом сернистое железо вступает в энергичную реакцию окисления с выделением большого количества тепла.

Для предупреждения развития микрофлоры в резервуарах и трубопроводах рекомендуется:

1) днища и стенки резервуаров до уровня водяной подушки покрывать цементом, обеспечивая тем самым щелочность среды, препятствующую развитию бактерий;

2) трубопроводы и резервуары промывать только пресной водой

3) соблюдать меры предосторожности при проветривании резервуаров, содержащих продукты коррозии, богатые сернистыми соединениями.

К анаэробным микроорганизмам, кроме сульфатвосстанавливающих, относятся также денитрифицирующие (азотвосстанавливающие) бактерии и бактерии, образующие метан. Во всяком случае эти бактерии оказывают значительно меньшее влияние, чем сульфатвосстанавливающие.

Из аэробных бактерий в почве и природных водах некоторое значение для коррозии металлов имеют серобактерии и железобактерии; последние являются типично водными формами.

Исходным материалом для развития серобактерий является элементарная сера, конечным продуктом микробиологического окисления - серная кислота. Наиболее благоприятный для серобактерий является кислая среда с рН от 0 до 1. Концентрация серной кислоты, образующейся в результате жизнедеятельности этих бактерий, достигает 10%. Следовательно, почвы, содержащие свободную серу или сернистые соединения, представляют для стальных трубопроводов реальную опасность, так как в этих условиях серобактерии могут вызвать серьезную коррозию.

Железобактерии в результате своей жизнедеятельности накапливают железо, усваиваемое ими из водных растворов, и отлагают его в виде бугорков.

Чаще всего это наблюдается на внутренней поверхности труб, по которым течет вода.

Собственно коррозия наблюдается под этими бугорками и протекает как анаэробный процесс, вероятно, с участием сульфатвосстанавливающих бактерий.

В целом коррозия металлов при участии аэробных бактерий имеет значительно меньшее распространение и значение, чем коррозия с участием анаэробных бактерий.