Физико-химические процессы при бактериальной коррозии цинка

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).

		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.

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