авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Физико-химические процессы при бактериальной коррозии цинка

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи





КАЛИНИНА АЛЕКСАНДРА АЛЕКСАНДРОВНА


ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

ПРИ БАКТЕРИАЛЬНОЙ КОРРОЗИИ ЦИНКА



Специальность 02.00.04 – Физическая химия

(химические науки)






АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата химических наук








Нижний Новгород 2011

Работа выполнена на кафедре "Биотехнология, физическая и аналитическая химия" Нижегородского государственного технического университета

им. Р.Е. Алексеева

Научный руководитель: доктор химических наук, профессор

Карташов Виктор Романович

Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор

Смирнова Наталья Николаевна


кандидат технических наук, доцент

Исаев Валерий Васильевич


Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Пензенская государственная

технологическая академия»

Защита состоится «25» ноября в 1200 час. на заседании диссертационного совета Д 212.165.06 при Нижегородском государственном техническом университете им. Р.Е. Алексеева по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Минина, д. 24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государ­ственного технического университета им. Р.Е. Алексеева.

Автореферат разослан «24» октября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Соколова Т.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Большинство металлов и промышленные изделия на их основе в средах, содержащих микроорганизмы, подвергаются глубокой деструкции. Среди сообщества микроорганизмов особое место занимают бактерии. Они чрезвычайно разнообразны по видовому составу, типам питания, способны существовать как в аэробных, так и в анаэробных условиях. Бактериальная коррозия вносит основной вклад в разрушение промышленных объектов, подверженных микробиологическим разрушениям.

Биокоррозия начинается с образования на поверхности объекта биохимических структур, известных как биопленки. Клеточные метаболиты, в том числе коррозионно-активные, входящие в состав биопленки, могут играть решающую роль в инициировании биокоррозии на начальном этапе, когда наблюдается изменение рН культуральной среды и морфологии поверхности.

К числу внеклеточных веществ, продуцируемых микроорганизмами, способных вызывать деструкцию металлов, относится супероксидный анион О2– – продукт одноэлектронного восстановления кислорода. Пути образования О2– in vivo, его роль в жизнедеятельности организмов и физико-химические свойства изучены достаточно детально и рассматриваются в ряде монографий и обзорных статьях.

В работах, выполненных на кафедре «Биотехнология, физическая и аналитическая химия» НГТУ им. Р.Е. Алексеева, показано, что О2–, образующийся при жизнедеятельности микроскопических грибов, может переходить в околоклеточную среду и выполнять роль инициатора физико-химических процессов, ведущих к глубокой деструкции металлов. Хотя внутриклеточное образование О2– характерно для всех форм жизни, его роль в биологической коррозии до этих работ в литературе не обсуждалась.

В связи с этим представляются актуальными как с практической точки зрения, так и с позиций разработки физико-химических основ биокоррозии, исследования, призванные решить вопрос, возможно ли участие О2– в разрушении металлов при их контакте с бактериями – органотрофами.

Целью работы является:

– выявление физико-химических явлений на поверхности металлов при контакте с бактериями, их связи с коррозионными процессами на начальных стадиях;

– определение возможности транспорта О2–, продуцируемого бактериями, в окружающую среду и обоснование участия супероксидного аниона в инициировании коррозионного процесса;

– выявление результативности применения соединений – акцепторов электронов для характеристики оксидной пленки на поверхности металла и ее влияния на ход биокоррозии в начальный период;

– определение роли ионола в изменении состояния поверхности металлов в бактериальной коррозии, а также его свойств как субстрата в системах, генерирующих О2–.

Научная новизна работы

– Впервые показано, что биокоррозия цинка и оцинкованной стали под воздействием бактерий Echerichia coli 321-5, Proteus vulgaris 1212, Pseudomonas aeruginosa 9691, Staphylococcus aureus 956, Staphylococcus epidermidis 1061 начинается с формирования на местах дефектов поверхности жидкого экссудата с основными свойствами, динамика накопления которого и изменение рН зависят от штамма микроорганизма.

– Установлено, что основный характер экссудата определяется химическими превращениями супероксидного иона О2–, продуцируемого бактериями во внеклеточную среду. Способность бактерий выделять из клетки О2– подтверждена:

– реакцией О2– с реагентом хлоридом 2,2'-ди-(4-нитрофенил)-5,5' дифенил-3,3'(3',3'-диметокси-4,4'-дифенилен)-дитетразолия (нитросиним тетразолием, (НСТ)) при использовании в контрольных опытах фермента супероксиддисмутазы (100 ед. акт.);

– количественным определением в экссудате методом УФ-спектроскопии Н2О2, как продукта химических превращений О2– в водной среде.

– Впервые показано, что соединения – акцепторы электронов (НСТ) могут быть использованы в качестве тест – реагентов для выявления особенностей структуры оксидной пленки металла и дефектов ее поверхности.

– Установлено, что активирующий эффект 4-метил-2,6-ди-трет-бутилфенол (ионола) в коррозии цинка обусловлен коррозионно-активными веществами (ОН-, Н2О2), образующимися при биодеградации ионола, адсорбированного на поверхности цинка, при участии О2–, продуцируемого бактериями. Схема активации коррозии ионолом подтверждена сходством химического состава продуктов окисления ионола, адсорбированного на цинке и суспензированного в жидкой питательной среде, под воздействием бактерий.

– Впервые выявлена высокая адгезионная способность Echerichia coli 321-5 по отношению к поверхности цинка. Коррозионная активность в ряду Echerichia coli 321-5 > Staphylococcus aureus 956 > Pseudomonas aeruginosa 9691 коррелирует с интенсивностью образования экссудата на ранней стадии коррозии цинка (3 – 5 суток с начала экспозиции).

Практическая значимость работы заключается:

– в выявлении коррозионной активности бактерий Echerichia coli 321-5, Proteus vulgaris 1212, Pseudomonas aeruginosa 9691, Staphylococcus aureus 956, Staphylococcus epidermidis 1061 из числа наиболее распространенных в природе по отношению к цинку и оцинкованной стали;

– в формировании научных принципов тестирования оксидной пленки металла и дефектов его поверхности с использованием соединений – акцепторов электронов с целью прогнозирования коррозионной устойчивости к бактериальной коррозии.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

– физико-химические закономерности бактериальной коррозии цинка;

– участие О2–, продуцируемого бактериями, и продуктов его химических превращений в водной среде, в инициировании биокоррозии;

– принципы определения структуры оксидной пленки металла с использованием соединений – акцепторов электронов;

– влияние ионола на коррозионную активность бактерий по отношению к цинку.

Апробация работы. Международная конференция памяти Г.В. Акимова «Фундаментальные аспекты коррозионного материаловедения и защиты металлов от коррозии» (Москва, 2011); XIX Менделеевский съезд по общей и прикладной химии (Волгоград, 2011); Тринадцатая конференция молодых ученых – химиков Нижегородской области (2010); Международная молодежная научно-техническая конференция «Будущее технической науки 2010, 2011»; 64-я студенческая научная конференция биологического факультета «Биосистемы: организация, поведение, управление 2011»; Международная научно-практическая конференция «Современные направления теоретических и прикладных исследований 2011» (Одесса, 2011); «Наука молодых – 3» (Арзамас, 2009), «Наука молодых –4» (Арзамас, 2010); Региональная студенческая конференция «ЭКОТЕХНО- 2011» (Нижний Новгород, 2011).

Публикации. По данным диссертационной работы опубликовано 15 ра­бот, в том числе 2 статьи в изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией, 13 публикаций в сборниках материа­лов и тезисов докладов на Международных, Всероссийских и региональных конференциях.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на ____­­­­­­­­­­­ страницах машинописного текста и состоит из введения, трех глав (литера­турный обзор, экспериментальная часть, результаты и обсуждение), выводов, списка цитируемых источников, включающего ­­­­­­­____ наименование. Диссертация иллюстрирована ___ таблицами и ___ рисунками.

В первой главе рассмотрены имеющиеся в литературе современные представления о факторах и причинах, вызывающих коррозию металлов под воздействием бактерий в различных условиях, а также про­анализированы пути образования супероксидного аниона O2– в клетке, его хи­мические свойства и биологические функции. Вторая глава содержит харак­теристику объектов исследования и описание экспериментальных методов и методик. В третьей главе представлены экспериментальные данные и прове­дено их обсуждение.

1. Физико-химические процессы на поверхности цинка.

Роль супероксидного иона в инициировании бактериальной коррозии


Объектами исследования выбраны цинк и оцинкованная сталь, которые широко используются в различных областях промышленности. Для получения цинковых образцов выплавлялись цинковые слитки размером 210708 мм из гранулированного цинка квалификации «чда» ТУ 6-09-5294-86. Расплав обрабатывали безводным ZnCl2 с целью рафинирования. После получения слитков они подвергались горячей деформации с промежуточным подогревом при 2000С до толщины от 1,0 до 5,0 мм. В отдельных исследованиях использовали оцинкованную сталь марки 08КП (ГОСТ 14918-80). Чистота обработки поверхности изучаемых материалов составляла Rа 6,3 мкм. Стерилизацию образцов до и после экспозиции проводили фламбированием.

В качестве тест-организмов использовали культуры бактерий: Echerichia coli 321-5, Proteus vulgaris 1212, Pseudomonas aeruginosa 9691, Staphylococcus aureus 956, Staphylococcus epidermidis 1061, предоставленные Всероссийской коллекцией микроорганизмов ИБФМ РАН (г. Пущино, Московской обл.).

Образцы металла помещали в чашки Петри на поверхность плотной питательной среды (мясопептонный агар), предварительно засеянной суспензией суточных культур бактерий, выращенных в пробирках на скошенном агаре. Затем чашки Петри переносили в суховоздушный термостат для культивирования бактерий при температуре 37±2°С и влажности воздуха 90%. Все биологические эксперименты проводились не менее чем в 6-10 повторностях. Контрольные опыты проводили в аналогичных условиях на плотной питательной среде, не зараженной микроорганизмами.

Микрофотографии поверхности цинка получены методом сканирующей электронной микроскопии на приборе Tescan Vega II, при ускоряющих напряжениях 5-10 кВт (Нижегородский филиал Учреждения Российской Академии Наук Института машиноведения им. А.А. Благонравова РАН).

Изменение поверхности цинка на начальном этапе под воздействием бактерий имеет аналогию с микромицетной коррозией1, хотя проявление ее характерных признаков имеет свои особенности.

Через 12-24 часа с начала экспозиции на поверхности цинка наблюдается образование жидкого экссудата с основными свойствами. Его количество возрастает с течением времени, достигая максимального значения примерно через 4 суток (рис. 1,2). Значение рН изменяется при этом от величины 8,4 до значения 10,3 спустя 3-4 суток с начала экспозиции (рис.3).

 Зависимость накопления-1 Рис. 1. Зависимость накопления экссудата на поверхности цинка под воздействием бактерий: а -Echerichia coli 321-5; б - Staphylococcus aureus 956; в - Pseudomonas aeruginosa 9691
а б Рис. 2. Внешний вид образцов цинка через 3 суток под воздействием бактерий: а - Echerichia coli 321-5; б - Pseudomonas aeruginosa 9691

Как видно из рис.1,3, скорость накопления экссудата и нарастания его ______________________

1 Белов Д.В., Соколова Т.Н., Смирнов В.Ф., Кузина О.В., Косюкова Л.В., Карташов В.Р. // Коррозия: материалы, защита. 2007. № 9. С.36 – 41

основности зависят от штамма бактерий. По способности формировать на поверхности цинка экссудат их можно расположить в ряду: Echerichia coli 321-5 > Staphylococcus aureus 956 > Pseudomonas aeruginosa 9691 > Proteus vulgaris 1212 > Staphylococcus epidermidis 1061.

 Зависимость рН экссудата на-4 Рис. 3. Зависимость рН экссудата на поверхности цинка от времени экспозиции при воздействии бактерий: а - Echerichia coli 321-5; б - Staphylococcus aureus 956; в - Pseudomonas aeruginosa 9691

Разрушение металлической поверхности начинается с заселения бактериальными клетками участков, имеющих дефекты и структурные нарушения. Начальный этап заселения завершается формированием биопленки, основу которой составляют внеклеточные полимерные вещества, образующие своего рода матрицу для жизнедеятельности микроорганизмов.

В обычных условиях поверхность металла покрыта защитным слоем оксидной пленки. Ее толщина изменяется в широких пределах и зависит от природы металла и технологии его изготовления как технического продукта. Так, толщина оксидного слоя, который образуется в условиях воздушной атмосферы, обычно не превышает 10 нм.

На рис. 4 показано состояние поверхности цинка как исходного образца, и цинка, находившегося в течение 5 суток под жидкой фазой. Отчетливо видно, что при контакте с бактериями происходит разрушение оксидной пленки (рис.4,б) и обнажается текстура в виде субзерен приповерхностного слоя металла. Как следует из рис. 4,в, граница между субъединицами является зоной дальнейшего микробного заселения, образования биопленок и следующего этапа разрушения поверхности металла.

При длительных экспозициях, когда значительная часть бактериальных клеток подвергается автолизу, на поверхности разрушенного слоя металла хорошо просматриваются особенности структурного скелета биопленки в виде следов от бактериальных клеток (рис.5).

Наблюдаемая аналогия физико-химических явлений на поверхности

цинка под воздействием бактерий и микромицетов1 дает основание считать, что в формировании биопленки на начальном этапе (3-5 сутки) важную роль играет О2–. Возможность бактерий генерировать и транспортировать в окружающую среду О2– показана с использованием тест-системы, состоящей из НСТ и фермента супероксиддисмутазы (СОД) (100 ед. акт.).

Реакция проходит путем последовательного четырехэлектронного восстановлении НСТ с образованием сначала моно-, а затем диформазана, окрашенных в глубокий сине-фиолетовый цвет.

а б в

Рис. 4. Микрофотографии поверхности цинка: а - исходная поверхность цинка, не контактирующая с бактериями (1000); б, в - поверхность цинка спустя 5 суток экспозиции под воздействием бактерии Echerichia coli 321-5 ( 200 и 5000 соответственно)

Бактерии Интенсивность окраски Время появления окраски, мин
Pseudomonas aeruginosa 9691 ++++ 10
Echerichia coli 321-5 +++ 12
Proteus vulgaris 1212 +++ 12
Staphylococcus aureus 956 ++ 15
Staphylococcus epidermidis 1061 + 20


Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.