Химсопрмат

Клетки грибов имеют сильно вытянутую форму и поэтому напоминают нити – гифы толщиной 1-15 мкм. Гифы ветвятся и переплетаются, образуя мицелий, или грибницу (рис. 3.3). Грибы, могут быть одноклеточные без перегородок (несептированы) или многоклеточные с перегородками (септированы). Мицелий развивается на поверхности субстрата, часть его проникает в субстрат. В этом случае происходит специфическое разрушение материала [52].

Все грибы делят на миксомицеты, или слизевики (Myxomycota), и

настоящие грибы (Eumycota) [52].

Миксомицеты обычно обитают на отмершей древесине, опавшей листве, в почве, богатой гумусом. Некоторые из них вызывают заболевание и гибель культурных растений, например капусты или картофеля. Характерная особенность миксомицетов – их приспособленность к неблагоприятным условиям среды. Они хорошо переносят морозы и засуху, кислую среду, сублетальные дозы ионов тяжелых металлов. Их вегетативное тело (плазмодий) преобразуется в утолщенную твердую массу (склероций), который сохраняет жизнеспособность в течение десятков лет.

Настоящие грибы подразделяют на следующие основные клас-

сы: хитридиевые (Chytritiomycetes), оомицеты (Oomycetes), зиго-

мицеты (Zygomucetes), сумчатые грибы или аскомицеты (Ascomycetes), базидомицеты (Basidiomycetes), несовершенные грибы, или дейтеромицеты (Deuteromycetes).

3.2. Химический состав микроорганизмов

Химический состав микроорганизмов подобен химическому составу животных и растений. Важнейшими элементами, входящими в состав клеток микроорганизмов, являются углерод, кислород, водород, азот, сера, фосфор, магний, калий, кальций, железо. Первые четыре составляют основу органических соединений, их содержится 90-97% в сухом веществе. Другие элементы образуют минеральные соединения, их 5-10%. Содержание сухого вещества не превышает

129

20-25%, остальное приходится на воду (рис. 3.4). Такое высокое содержание воды свидетельствует о ее большом значении в жизни микроорганизмов. В воде растворены как органические, так и неорганические вещества микробной клетки. В водной среде происходят основные биохимические процессы (гидролиз углеводородов, белков и др.), с водой удаляются продукты обмена.

Питание микроорганизмов осуществляется через поверхность их тела путем диффузии в результате разных концентраций веществ внутри и вне организма. Движение растворенных веществ под действием осмотического давления происходит в сторону меньших концентраций, а воды – в сторону больших. Так как поступающие в клетку вещества вовлекаются в биохимические процессы, равновесия их внутри клетки и вне ее практически не наступает.

Рис. 3.4. Химический (а) и элементарный (б) состав бактериальной клетки

(в скобках указано относительное количество вещества в сухом воздухе)

130

Так как поверхность клеток на единицу их массы представляет громадную величину, то процессы обмена и размножения микроорганизмов происходят с большими скоростями, и этим объясняются интенсивные биоповреждения некоторых материалов, на которых идут такие процессы. Давление в клетке создается поступившими в нее веществами, продуктами обмена клеточного синтеза. Высоким осмотическим давлением внутри клетки обусловлен постоянный приток в нее воды. Этим можно объяснить способность микроорганизмов развиваться на сравнительно сухих средах. Так, микрогрибы способны повреждать материалы, имеющие влажность 15-20% и ниже.

3.3. Влияние различных факторов

Развитие микроорганизмов неразрывно связано с окружающей средой. Жизнедеятельность их зависит от внешних воздействующих факторов, которые можно разделить на физические, химические и биологические.

Физические факторы – влажность среды, концентрация веществ в водных растворах, осмотическое давление, температура, радиация.

Влажность среды является определяющим фактором жизнедеятельности многих микроорганизмов. Нитрифицирующие бактерии, например, при недостатке влаги погибают. Грибы и споры многих бактерий, наоборот, сохраняют жизнеспособность в высушенном состоянии десятки лет. Почвенные микрогрибы развиваются наиболее интенсивно при влажности около 60%. Высокое содержание некоторых веществ в водной среде нарушает нормальный обмен между средой и клеткой. Вода выходит из клетки, цитоплазма отделяется от клеточной оболочки (плазмолиз), поступление в клетку питательных веществ прекращается.

Температура среды – важнейший фактор, влияющий на жизнь микробов. Каждому виду микроорганизмов соответствует свой температурный интервал жизнедеятельности и свой оптимум. Микроорганизмы делят на три группы: психрофилы (холодолюбивые) с ин-

131

тервалом жизнедеятельности 0-10 и оптимумом ~ 10 °С; мезофилы (предпочитающие средние температуры) – соответственно 10-40 и 2530 °С, и термофилы (теплолюбивые) – 40-80 и 50-60 °С. Большинство микроорганизмов – мезофилы, меньшинство – термофилы. Губительное действие высоких температур используют для уничтожения микроорганизмов.

Облучение (солнечный свет, особенно ультрафиолетовые лучи)

губительно для микроорганизмов. Рентгеновские и другие радиоак-

тивные излучения в малых дозах стимулируют развитие некоторых микробов, в больших дозах убивают их. Электрический ток высокой частоты, механические сотрясения (вибрации), ультразвук уничто-

жают микроорганизмы, высокие давления влияют слабо. Некоторые виды грибов выдерживают давление до 102 МПа.

Химические факторы – состав и реакция среды, а также ее окислительно-восстановительные действия. В окружающей среде мо-

гут содержаться вещества, которые стимулируют или ингибируют жизнедеятельность микроорганизмов. Стимулируют жизнедеятель-

ность микроорганизмов различные загрязнения. Они же являются важнейшим фактором инициирования процесса биоповреждений.

Большинство бактерий лучше развиваются в нейтральной и сла-

бощелочной среде (pH=7,0–7,5). Для грибов и дрожжей благоприятны среды с pH=3–6. В очень кислых и щелочных средах микроорганизмы погибают, за исключением специфических видов.

Биологические факторы учитывают взаимоотношения микро-

организмов в окружающей среде. Они могут быть симбиотическими и антагонистическими. При симбиозе виды, находящиеся в сожитель-

стве, поддерживают развитие друг друга, извлекая взаимную пользу.

Симбиоз может принимать следующие формы: метабиоз – использо-

вание продуктов жизнедеятельности одного микроорганизма другим.

Это основная форма взаимоотношений почвенных микробов. Ком-

менсализм – форма существования микроорганизмов, когда они пи-

таются за счет микроорганизмов, не нанося последним ущерба.

132

При антагонизме одни виды микроорганизмов в результате своей жизнедеятельности губят другие. Это происходит косвенным путем, когда в среде накапливаются продукты жизнедеятельности одних организмов, губительные для других. Явление антагонизма микроорганизмов может явиться основой для разработки биохимических и экологических методов защиты от биоповреждений.

3.4. Классификация биоповреждений металлоконструкций

Механизм биоповреждений сложен. Микроорганизмы могут непосредственно разрушать материал конструкций или стимулировать процессы повреждений. В табл. 3.1 представлена классификация процессов биоповреждений по видам, механизму и условиям их протекания.

			Таблица 3.1
	Классификация биоповреждений
	Процесс повреждения	Характер повреждения	Пример
	материала
	Прямое разрушение	Ассимиляция ингредиен-	Повреждение полимер-
		тов материалов бактерия-	ных материалов в атмо-
	микроорганизмами
		ми, грибами	сферных условиях
		Воздействие продуктов	Повреждение материалов
		жизнедеятельности мик-
	Химическое разрушение		при контакте с топлива-
		роорганизмов в токоне-
		проводящих средах	ми и маслами
	Электрохимическое	То же в токопроводящих
	коррозионное разруше-	средах	То же в водных средах
	ние
		Комплексное воздействие	Повреждение металло-
		микроорганизмов, про-	конструкций в специфи-
	Комбинирование раз-	дуктов их жизнедеятель-	ческих условиях экс-
		ности в изменяющихся	плуатации (например,
	рушение
		условиях (конденсация	разрушение железобе-
		влаги, попадание загряз-	тонных сооружений, за-
		нений и т.п.)	глубленных в почву)

133

Коррозионные эффекты при участии микроорганизмов аналогичны другим видам коррозии. Например, подобно локальной сосредоточенной коррозии в результате биоповреждений образуются блестящие или шероховатые плоские малозаметные углубления, особенно под шламом или тонкими оксидными пленками, а также раковины различной глубины под слоем продуктов коррозии. Характерные признаки биоповреждений различных материалов приведены в табл. 3.2.

				Таблица 3.2
	Основные признаки биоповреждения материалов
	Материал	Характерные признаки		Микроорганизмы
		биоповреждений
	1	2		3
		Шероховатые, малозаметные углубления,
		иногда под шламом и тонким налетом		Бактерии, грибы,
	Металл, сплав	продуктов коррозии; язвенные углубле-
		ния кратерообразной формы, иногда		продукты их
	металлопокрытие	сквозные с обильным налетом продуктов		жизнедеятельно-
		коррозии; черная сухая корка или пасто-		сти
		образное вещество с белыми или серыми
		включениями
		Потускнение поверхности, потеря глянца,
		иногда обесцвечивание	или появление
		цветных пятен; тонкие, едва заметные ви-
		зуально налеты увлажненных участков;
	Полимер	визуально заметные налеты мицелия (по-		Бактерии, акти-
		рошкообразные, сетчато-переплетенные,		номицеты, грибы
		клочковатые скопления) на отдельных
		участках поверхности; изменение диэлек-
		трических свойств электроизоляционных
		материалов; снижение	механической
		прочности
		Пятна на поверхности, образование буг-
		ристости; визуально заметный налет, раз-
		витие микроорганизмов внутри пленки и
	Лакокрасочное	под ней; изменение физико-механических
		свойств покрытия (потеря эластичности,		То же
	покрытие
		прочности, вздутия, отслаивания, рас-
		трескивание); образование и накопление
		продуктов коррозии под пленкой; сквоз-
		ные питтинги в пленке покрытия

134

				Окончание табл. 3.2
1			2		3
		Потускнение поверхности,		слизистые
		пятна, пигментация, специфический за-
		пах; сетка мелких трещин с поверхност-
		ным налетом темного цвета; налет (по-
Эластомеры,		рошкообразный и войлочный) мицелия			Бактерии, грибы,
		грибов, визуально заметного; снижение
каучук, резина		герметизирующих	свойств уплотнитель-		актиномицеты
		ных материалов; снижение диэлектриче-
		ских свойств электроизоляционных мате-
		риалов; набухание и изменение формы
		деталей
Строительный		Появление цветных пятен; визуально за-			Бактерии, грибы,
материал	(древе-	метный налет (порошкообразный и вой-			актиномицеты и
сина, камень, бе-		лочный); снижение механической проч-			другие обраста-
тон, кирпич, свя-		ности материалов; размягчение и раскра-			тели
зующие)		шивание материалов
		Рыхлые налеты, отличающиеся по цвету
		и консистенции в поверхностных слоях
Топливо,	масло,	смазочного материала, в объеме топлива
горюче-		или на границе раздела водного и топ-			Бактерии раз-
смазочный мате-		ливного слоев; расслоение жидких про-			личных видов,
риал (ГСМ), тех-		дуктов, помутнение, выпадение осадков;			реже грибы и ак-
нологическая до-		образование стойких эмульсий, снижение			тиномицеты
бавка органиче-		эксплуатационных	свойств	продуктов;
ской природы		налеты коррозии на поверхностях эле-
		ментов металлоконструкций, контакти-
		рующих с ГСМ

Биокоррозия – это процесс коррозионного разрушения металла в условиях воздействия микроорганизмов. Часто инициирование процессов электрохимической коррозии металлов связано с жизнедеятельностью бактерий и грибов.

Биокоррозия рассматривается как самостоятельный вид коррозии наряду с такими, как морская, атмосферная, грунтовая, контактная и т. п. Однако чаще она протекает совместно с атмосферной или почвенной, в водных растворах или в неэлектролитах, инициирует и интенсифицирует их [52].

Биокоррозия является характерным процессом разрушения металла оборудования в ряде отраслей промышленности. Биоповрежде-

135

ниям подвержены подземные сооружения, метро, оборудование нефтяной промышленности, топливные системы самолетов, трубопровод при контакте с почвой и водными средами, элементы конструкций машин, защищенные консервационными смазочными материалами и лакокрасочными покрытиями.

Бактериальная коррозия может происходить при температуре от 6 до 40 °С, рН=1,0-10,5, в присутствии органических и неорганических веществ, включающих элементы: углерод, серу, азот, фосфор, калий, железо, водород, кислород и др.

Разрушение металла происходит по причинам, непосредственно или косвенно связанным с жизнедеятельностью бактерий. При этом на поверхности металла образуются различные электрохимические концентрационные элементы. В растворе или на поверхности металла создаются агрессивные химические соединения, изменяются электрохимические потенциалы среды в связи с изменением концентрации кислорода в растворе. На рис. 3.5 представлена схема процесса биокоррозии в присутствии сульфатвосстанавливающих бактерий (СВБ), выделенных из пластовых вод месторождений нефти.

Рис. 3.5. Схема бактериальной коррозии в присутствии СВБ

Бактерии быстро размножаются и легко приспосабливаются к изменяющимся физическим, химическим и биологическим условиям

136

среды. Последнее объясняется тем, что они могут адаптивно образовывать ферменты, необходимые для трансформации питательных сред.

Бактерии могут инициировать процесс коррозии металлов с образованием сульфидов.

Установлено, что высокая коррозионная активность СВБ связана с интенсификацией катодного процесса, обусловленного потреблением атомарного водорода по реакции:

SO42 8H S2 4H2O.

Сульфид ионы, образующиеся в результате этой реакции, могут ускорять развитие коррозии, однако в деаэрируемых нейтральных растворах в присутствии СВБ этого не происходит. Скорость коррозии существенно возрастает в присутствии элементарной серы [52], так как она выполняет роль, аналогичную растворенному кислороду в аэрируемых электролитах. Течение процесса зависит от скорости диффузии элементарной серы к поверхности металла, т. е. от интенсивности перемешивания раствора. При отсутствии перемешивания раствора сера распределяется неравномерно, и наступает локальная коррозия (см. рис. 3.5).

В начальной стадии развития питтинга происходит связывание ионов металла сульфид-анионами в нерастворимый сульфид железа, который экранирует анодную зону от раствора. Образование сульфи-

да сопровождается накоплением ионов H3O , т. е. подкислением электролита внутри питтинга. Концентрация серы в анодной зоне снижается, а на катодных участках возрастает. Это приводит к интенсификации катодного процесса, и питтинг развивается автокаталитически.

Электрохимическая коррозия металлов происходит при деполяризации локальных элементов. В аэробных условиях процесс идет при участии кислорода воздуха (анодное растворение стали, катодная

137

деполяризация и образование продуктов коррозии). В условиях анаэробиоза процесс коррозии продолжает развиваться при участии бактерий, и имеет место анаэробная коррозия.

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 acruginosa, Micrococcus paraffinae и другие бактерии [52].

Микологическая (грибная) коррозия – разрушение металлов и ме-

таллических покрытий при воздействии агрессивных сред, формирующихся в результате жизнедеятельности мицелиальных (несовершенных, плесневых) грибов. Она является частным случаем биоразрушения материалов конструкций в специфических условиях эксплуатации.

Биоповреждения материалов эксплуатирующихся машин и сооружений грибами представляет большую опасность. Они могут снижать прочностные, электроизоляционные и другие свойства материалов и покрытий, стимулировать коррозию металлов. Большое многообразие грибов, их высокая приспособляемость к условиям обитания приводят к тому, что объем повреждаемости ими материалов значительно превышает объем, стимулируемый бактериями.

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

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, в том числе из ядов (цианидов, фенола и др.).

Воздушные среды, содержащие углекислоту, аммиак, этиловый спирт и другие вещества, могут стимулировать развитие отдельных

138