Βελτιστοποίηση της αντιμετώπισης της διάβρωσης αγωγών από μικροβιακούς παράγοντες

Abstract

Η μικροβιολογικώς επηρεασμένη διάβρωση (Microbiologically influenced corrosion-ΜΙC, παρουσιάζεται σε διάφορα περιβάλλοντα όπως αυτό του γλυκού νερού, του θαλασσινού νερού, του νερού ψύξης και του πετρελαίου. H MIC είναι στενά συνδεδεμένη με το σχηματισμό και τη σύνδεση εν συνεχεία ενός βιοφίλμ σε μια μεταλλική επιφάνεια (Hongwei Liua, Tingyue Gub, Muhammad Asifa, Guoan Zhanga, Hongfang Liua, 2016). Με το σχηματισμό του βιοφίλμ, η πιθανότητα μεταλλικής διάβρωσης ενισχύεται σημαντικά. Ένα βιοφίλμ συντίθεται κυρίως από τα μικροβιακά κύτταρα, εξωκυτταρικών πολυμερικών ουσιών (extracellular polymeric substances-EPS), ιχνών ανόργανων μεταλλικών στοιχείων και μερικών οργανικών που απορροφώνται από το ρευστό ή το μέσο καλλιέργειας (Hongwei Liua, Tingyue Gub, Muhammad Asifa, Guoan Zhanga, Hongfang Liua, 2016). Τα αναισθητοποιημένα κύτταρα παρά τα πλανκτονικά είναι το κύριο αίτιο της MIC. Σε ένα βιοφίλμ, το EPS αποτελείται κυρίως από πολυσακχαρίτες, πρωτεΐνες, λιπίδια και μια μικρή ποσότητα νουκλεϊκών οξέων. Το EPS μπορεί να βρεθεί τόσο στο βιοφίλμ όσο και στο χύδην μέσο. Το EPS διαδραματίζει ρόλο κλειδί στη διαβρωτική διαδικασία των μετάλλων. Επιπροσθέτως της προώθησης της ανάπτυξης των αναισθητοποιημένων βακτηρίων, το EPS έμμεσα επηρεάζει τη μεταλλική διαβρωτική διαδικασία. Τα συστατικά, οι δομές και η ηλεκτρική κατανομή του φορτίου του EPS είναι στενά συνδεδεμένη με τον κύκλο ανάπτυξης των μικροοργανισμών επηρεάζοντας κατ’αυτόν τον τρόπο τη διαδικασία διάβρωσης των μετάλλων. Ορισμένα ηλεκτροστατικά μόρια EPS σε ένα βιοφίλμ, μπορούν να λειτουργήσουν σαν ηλεκτρόνια «σαΐτες» για τη μεταφορά ηλεκτρονίων από μια μεταλλική επιφάνεια στον τερματικό αποδέκτη ηλεκτρονίων(π.χ Ο2), στοιχείο που επιταχύνει τη διάβρωση(Hongwei Liua, Tingyue Gub, Muhammad Asifa, Guoan Zhanga, Hongfang Liua, 2016). Από την άλλη μεριά, το EPS μπορεί να εμποδίσει τη διαβρωτική διαδικασία ενεργώντας ως ένα φράγμα οξυγόνου. Κάποιες επιδράσεις του EPS στη διαβρωτική συμπεριφορά του ανθρακούχου χάλυβα αναφέρονται στη βιβλιογραφία. Ο Ghafari απομόνωσε μια ποικιλία βακτηριακών στελεχών από χώμα κήπου και θερμού νερού για να ερευνήσει την αναστολή διάβρωσης από το EPS και βρήκε ότι τα καρβοξυλικά οξέα στο EPS ήταν υπεύθυνα για την αντίσταση διάβρωσης του χάλυβα(Hongwei Liua, Tingyue Gub, Muhammad Asifa, Guoan Zhanga, Hongfang Liua, 2016). Ο Jin επίσης βρήκε ότι το EPS μπορεί να εμποδίσει τη διάβρωση του χυτοσίδηρου και ότι ο σχηματισμός μιας προστατευτικής μεμβράνης EPS θα μπορούσε να εμποδίσει την καθοδική αντίδραση. Επιπρόσθετα η επίδραση του EPS στη μεταλλική διάβρωση, εξαρτάται από τα μικροβιακά είδη, τα στάδια ανάπτυξης και τις ενζυμικές διεργασίες στο EPS. Παρουσία διαλυμένου οξυγόνου, ορισμένες οργανικές λειτουργικές ομάδες στο EPS που περιέχουν ηλεκτρόνια μοναδικού ζεύγους τα οποία μπορούν εύκολα να μεταφερθούν στο δ-ελεύθερο τροχιακό του ατόμου Fe και να ενισχυθεί έτσι η χημική απορρόφηση του EPS στην επιφάνεια του χάλυβα(Hongwei Liua, Tingyue Gub, Muhammad Asifa, Guoan Zhanga, Hongfang Liua, 2016). Είναι η προσροφημένη μεμβράνη EPS που προσφέρει αναστολή διάβρωσης. Κάποιες πρόσφατες μελέτες έδωσαν μεγαλύτερη προσοχή στις επιδράσεις του EPS από θειικά αναγωγικά βακτήρια (SRB) στη μεταλλική διάβρωση. Τα SRB είναι αναερόβια διαβρωτικά και χρειάζονται αναερόβιο περιβάλλον για να αναπτυχθούν. Σε ένα σύστημα ανοιχτού αέρα, SRB μπορεί να αναπτυχθεί κάτω από ένα αερόβιο βιοφίλμ που παρέχει ένα τοπικά αναερόβιο περιβάλλον. Ο Dong βρήκε ότι χαμηλές συγκεντρώσεις από EPS που εκκρίνεται από SRB θα μπορούσαν να αναστείλουν, ενώ υψηλές συγκεντρώσεις EPS να ενισχύσουν τη διάβρωση του ανθρακούχου χάλυβα(Hongwei Liua, Tingyue Gub, Muhammad Asifa, Guoan Zhanga, Hongfang Liua, 2016). Ο Chanet βρήκε ότι EPS που εκκρίνεται από SRB θα μπορούσε να ενισχύσει τη διάβρωση χάλυβα κυρίως εξ’αιτίας της οξειδωτικής ισχύος του EPS. Οξειδούχα σιδήρου βακτήρια(Iron oxidizing bacteria-IOB), είναι ένας ακόμη τύπος διαβρωτικών βακτηρίων που προκαλούν σοβαρές διαβρωτικές ζημιές στο πεδίο. Ωστόσο ο ακριβής ρόλος των EPS από IOB στη διάβρωση του ανθρακούχου χάλυβα δεν είναι καθαρός. Η μελέτη του EPS από IOB στη μεταλλική διάβρωση χρειάζεται για να αποκαλύψει το μηχανισμό MIC του ανθρακούχου χάλυβα από IOB. Τα EPS που εκκρίνονται από IOB είναι διαφορετικά από τα EPS που εκκρίνονται από άλλους μικροοργανισμούς. Για παράδειγμα, EPS από IOB περιέχει οξειδάσες σιδήρου Fe και η διαβρωτική διαδικασία που επηρεάζεται από το IOB είναι στενά συνδεδεμένη με αυτές τις Fe οξειδάσες. (Hongwei Liua, Tingyue Gub, Muhammad Asifa, Guoan Zhanga, Hongfang Liua, 2016) Οι μεταλλικές επιφάνειες αποικίζονται γρήγορα από μικροοργανισμούς που έρχονται σε επαφή με φυσικά ή βιομηχανικά υδάτινα περιβάλλοντα, δίνοντας τη δυνατότητα ανάπτυξης σε μια περίπλοκη και ισχυρής προσκόλλησης μικροβιακή κοινότητα, το βιοφίλμ. Η συσσώρευση βιοφίλμ όχι μόνο προστατεύει τα μικροβιακά κύτταρα από το εξωτερικό περιβάλλον, αλλά είναι επίσης επιζήμια για το υποκείμενο υπόβαθρο, προκαλώντας έτσι φυσική υποβάθμιση ή βιοδιάβρωση της μεταλλικής επιφάνειας. Αυτό το φαινόμενο αναγνωρίζεται ευρέως ως βιοδιάβρωση ή MIC. Μοντέλο ανάπτυξης βιοφίλμ ως μέρος του βακτηριακού κύκλου ζωής παρουσιάζεται στο σχήμα 1. Μεμονωμένα πλακτωνικά κύτταρα μπορούν να φτάσουν την επιφάνεια με ενεργητικά ή παθητικά μέσα. Η αρχική επαφή κυττάρου με επιφάνεια είναι συχνά αναστρέψιμη, αλλά αν τα περιβαλλοντικά σημεία και τα πιθανά σηματοδοτικά μόρια ευνοούν την επιφανειακά προσαρτημένη ανάπτυξη, κατόπιν τα κύτταρα συνδέονται μη αναστρέψιμα με τη βοήθεια των αποφραγμένων εξωκυτταρικών πολυμερών ουσιών-extracellular polymeric substances (EPS) (Xiaoqin Song, YuexinYang, DongliangYu, GuihongLan, ZhilinWang, XingjieMoua, 2016). Η κατανομή των κυττάρων και η ανάπτυξη του πληθυσμού, διατηρώντας ταυτόχρονα τις κύτταρο με κύτταρο(cell-to-cell) επαφές, έχει ως αποτέλεσμα το σχηματισμό μικροαποικιών. Τα ώριμα βιοφίλμ κατέχουν συχνά ένα χαρακτηριστικό γνώρισμα αρχιτεκτονικής όπου μικροαποικίες περιβάλλονται από ένα δίκτυο καναλιών νερού επιτρέποντας τη ροή των θρεπτικών ουσιών στο εσωτερικό του βιοφίλμ. Η υδροδυναμική καθώς επίσης και τα κύτταρο με κύτταρο σηματοδοτικά μόρια παίζουν ρυθμιστικό ρόλο στην ανάπτυξη της αρχιτεκτονικής του βιοφίλμ. Ο σχηματισμός βιοφίλμ σε ένα υλικό βυθισμένο σε πετρελαϊκό περιβάλλον είναι μια συνδυασμένη δράση προσκόλλησης οργανικών και/ή ανόργανων μακρομορίων,exo polymeric substance (EPS) παραγωγής, μικροβιακής ανάπτυξης και υδροδυναμικής διάβρωσης. Αυτά τα προσροφημένα μακρομόρια/EPS είναι γνωστό ότι τροποποιούν τις ιδιότητες της επιφάνειας του υποστρώματος με την τροποποίηση του επιφανειακού φορτίου, ενώ η διαβρεξιμότητα και η ελεύθερη ενέργεια της επιφάνειας καταλήγουν σε αυξημένη διάβρωση ή αναστολή διάβρωσης. Ο Stoodley et al.(2002) εικάζουν ότι η διατήρηση επίσης των ανοιχτών καναλιών πετρελαίου σε βιοφίλμ πολλαπλών ειδών απαιτεί μεταξύ των ειδών σηματοδότηση για την αναστολή της ανάπτυξης και της παραγωγής EPS μέσα στα κανάλια. Μερικά κύτταρα μπορούν να απελευθερωθούν σε ένα πλακτωνικό τρόπο ζωής εξασφαλίζοντας την κατοχή από νέες κόγχες. Η απελευθέρωση των κυττάρων συμβαίνει εξ’αιτίας της φυσικής απόσπασης που προκαλείται από διατμητικές δυνάμεις, ή λόγω ενός προγραμματισμένου συνόλου γεγονότων που ελέγχεται από μόρια σηματοδότησης και οδηγεί σε τοπική υδρόλυση της μήτρας EPS, π.χ. το P. Aeruginosa μπορεί να διασπαστεί στο δικό του EPS από ένζυμο αλγινικού άλατος(Xiaoqin Song, YuexinYang, DongliangYu, GuihongLan, ZhilinWang, XingjieMoua, 2016). Λόγω της περιβαλλοντικής και οικονομικής σημασίας της, ειδικά για τη βιομηχανία πετρελαίου και φυσικού αερίου, η μικροβιολογικώς επηρεασμένη διάβρωση έχει αποτελέσει αντικείμενο εκτεταμένων μελετών για τις τελευταίες πέντε δεκαετίες και πολλά μοντέλα έχουν προταθεί για να εξηγήσουν τους μηχανισμούς που διέπουν τη βιοδιάβρωση. Η διάβρωση είναι η κύρια αιτία της αποτυχίας του αγωγού και αποτελεί βασικό στοιχείο του κόστους λειτουργίας και συντήρησης των αγωγών της πετρελαϊκής βιομηχανίας. Ποσοτικοποιώντας το κόστος της διάβρωσης γενικά και ειδικότερο το κόστος που συνδέεται με τη MIC, στη βιομηχανία πετρελαίου δεν είναι εύκολο και είναι αμφιλεγόμενο. Το ετήσιο κόστος της διάβρωσης σιδήρου στις Ηνωμένες Πολιτείες ανέρχεται σε 276 δισεκατομμύρια δολάρια το 2010.( Hamidreza Mansouri, Seyed abolhasan Alavi, 2012). Τα υλικά σιδήρου διαβρώνονται από όχι μόνο τις καθαρές φυσικοχημικές αντιδράσεις αλλά και από τις μεταβολικές δραστηριότητες των μικροοργανισμών. Η διάβρωση των υλικών σιδήρου με αυτόν τον τρόπο καλείται μικροβιολογικώς επηρεασμένη διάβρωση(MIC). Ενώ είναι καλά αναγνωρισμένο ότι χημικοί και μικροβιακοί μηχανισμοί συμβάλλουν στη διάβρωση, είναι αβέβαιο ποια είναι η σχετική συμβολή της μικροβιακής δραστηριότητας συνολική διάβρωση των σωλήνων. Έχει εκτιμηθεί ότι 40% της εσωτερικής διάβρωσης του αγωγού στη βιομηχανία πετρελαίου μπορεί να αποδοθεί στη μικροβιακή διάβρωση, αλλά απαιτούνται δεδομένα για την επιβεβαίωση ή την αναθεώρηση αυτής της εκτίμησης. Βασική έρευνα που θα αυξήσει την κατανόησή μας για τα μικροβιακά είδη που εμπλέκονται στη μικροβιακή διάβρωση και τις αλληλεπιδράσεις τους με τις μεταλλικές επιφάνειες και με άλλους μικροοργανισμούς θα είναι η βάση για την ανάπτυξη νέων προσεγγίσεων για την ανίχνευση, την παρακολούθηση και τον έλεγχο της MIC. Μια εμπεριστατωμένη γνώση των αιτιών της μικροβιολογικώς επηρεασμένης διάβρωσης και ενός αποτελεσματικού και αποδοτικού μέσου ανίχνευσης και πρόληψης της διάβρωσης λείπει. Είναι πολύ καλά αναγνωρισμένο ότι οι μικροοργανισμοί είναι μια κύρια αιτία της διάβρωσης των μεταλλικών αγωγών, αλλά παρά τις δεκαετίες μελέτης δεν έχει καταστεί ακόμη γνωστό με βεβαιότητα πόσα είδη μικροοργανισμών συνεισφέρουν στη διάβρωση, πως μπορεί να ανιχνευτεί η παρουσία τους πριν από τη διάβρωση, ή πως γρήγορα εκτιμάται η αποτελεσματικότητα των βιοκτόνων και των διαδικασιών μετριασμού.