Стальные сооружения в арктической зоне под угрозой: виноваты микроорганизмы

Баренцево море — место, где совершаются захватывающие научные открытия. Недавно ученые из Санкт-Петербурга обнаружили, что микроорганизмы, обитающие в водах этого моря, способны вызывать коррозию стали, которая применяется в различных подводных сооружениях. Это исследование открывает возможности для разработки новых способов защиты материалов от разрушения и повышения безопасности и выгодности эксплуатации арктических объектов.

Кто такие биокоррозионные бактерии?

Биокоррозионные бактерии — невидимые глазу живые существа, такие как бактерии, грибы и водоросли. Они могут существовать отдельно или формировать колонии и пленки на поверхности материалов. Эти микроорганизмы питаются веществами, содержащимися в морской воде или на поверхности материалов, и выделяют продукты своего обмена веществ. Эти продукты могут изменять химический состав или электрический потенциал материала, вызывая его коррозию — явление, известное как биокоррозия.

Биокоррозия имеет серьезные последствия для безопасности и экономики. Она может уменьшать прочность и долговечность конструкций, повышать риск аварий и утечек, увеличивать затраты на обслуживание и ремонт, а также негативно влиять на окружающую среду. Поэтому исследование и защита материалов от биокоррозии являются важными задачами.

Чтобы бороться с биокоррозией, необходимо понимать, какие микроорганизмы являются ее вызывающими, как они взаимодействуют с материалами и как им можно противостоять. Ученые из Санкт-Петербургского государственного университета, Санкт-Петербургского технологического института и Всероссийского научно-исследовательского института гидротехники имени Б. Е. Веденеева провели исследование микроорганизмов, которые вызывают коррозию стали в Баренцевом море.

Ученые выяснили, что на поверхности стали образуются сложные микробные сообщества, состоящие из различных бактерий. Три группы бактерий — железо-окисляющие (ЖОБ), серо-окисляющие (СОБ) и сульфат-редуцирующие (СРБ) — были выделены как причины биокоррозии стали.

ЖОБ предпочитают питаться железом, содержащимся в морской воде или в стали, и окисляют его до образования ржавчины на поверхности. Пленка, образующаяся из ржавчины, может либо защищать сталь от дальнейшей коррозии, либо способствовать ее усилению.

СОБ питаются серой или сероводородом и отходами жизнедеятельности других бактерий. Они окисляют серу до высшей степени окисления и выделяют агрессивные продукты, которые могут растворять или разрушать сталь.

СРБ используют в пищу сульфаты и выделяют сероводород, который является ядом для живых организмов. Кроме того, сероводород реагирует с железом в стали, образуя сульфиды железа, которые могут создавать пятна и пленки на поверхности стали.

Исследование этих бактерий и их влияния на коррозию стали помогает разработать новые методы защиты материалов от биокоррозии и повысить безопасность эксплуатации объектов в арктических условиях.

Как ученые изучали биокоррозию?

Исследование было проведено в рамках проекта «Современное минералообразование при участии микроорганизмов», который поддержан грантом Российского научного фонда. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Applied Biochemistry and Microbiology.

Ученые собрали пробы морской воды и поверхности материалов из прибрежной зоны Баренцева моря. Они использовали специальные стенды, которые позволяли имитировать условия, в которых находятся подводные сооружения. На этих стендах были размещены образцы из разных видов стали, которые подвергались воздействию морской среды в течение нескольких месяцев. Затем ученые изучили состав и свойства микроорганизмов, которые поселились на этих образцах.

Для этого они использовали современные методы микробиологии и генетики. Они выделили ДНК микроорганизмов и провели анализ их генетического кода. Это позволило им определить виды и штаммы микроорганизмов, а также их количественное соотношение. Кроме того, они вырастили чистые культуры некоторых микроорганизмов, чтобы изучить их физиологические и биохимические свойства.

Как биокоррозия меняет структуру стали?

После того как ученые определили состав микробных сообществ, они изучили, как они влияют на структуру и состав стали. Для этого они использовали комплекс физико-химических методов, таких как сканирующая электронная микроскопия, рентгенофазовый анализ, спектроскопия и другие. Эти методы позволили им увидеть, как выглядит поверхность стали после воздействия микроорганизмов, какие минералы образуются на ней и как они взаимодействуют с металлом.

Ученые обнаружили, что биокоррозия приводит к существенным изменениям в структуре и минеральном составе поверхностного слоя стали. Они выявили различные формы коррозии, такие как питтинг (образование ямок), кревис-коррозия (образование трещин), гальваническая коррозия (образование электрических элементов) и другие. Они также определили характерные минералы, которые образуются на поверхности стали под действием бактерий. Это были оксиды, гидроксиды, сульфаты, сульфиды и карбонаты железа, а также другие соединения. Ученые выяснили, что образование этих минералов зависит от конкретного штамма бактерии, его активности и условий среды.

Как защитить сталь от биокоррозии?

Исследование ученых СПбГУ позволило получить ценную информацию о механизмах и факторах биокоррозии стали в Баренцевом море. Эта информация может быть использована для разработки новых способов защиты материалов от разрушения. Например, можно подбирать оптимальный вид стали для конкретных условий эксплуатации, применять различные покрытия или добавки, которые могут предотвратить или замедлить коррозию, а также контролировать состав и качество морской воды и микробных сообществ.

Кроме того, исследование ученых СПбГУ способствует пониманию роли микроорганизмов в формировании минералов и геохимических циклов в морской среде. Это может помочь изучить процессы, которые происходят в природе, а также использовать микроорганизмы для получения полезных веществ или очистки загрязнений.

Исследование является примером успешного сотрудничества между разными научными организациями и направлениями. Оно демонстрирует, как с помощью современных методов и технологий можно решать сложные и актуальные задачи, связанные с развитием арктической зоны России.