CORROSION MICROBIANA Blgo. Jos J. Guerrero Rojas Tec. Med. Sonia Olivera V. esojgue@hotmail.com / esojgue@yahoo.com Telf: (51-1) 999940184 2.Qu es la Corrosin? Definicin La corrosin es el parcial o completo desgaste, disolucin o ablandamiento de cualquier metal por accin qumica. El trmino oxidacin solo se aplica para el hierro y el acero mientras que el trmino corrosin es mas apropiado porque tambin incluye a los metales no ferrosos. Generalmente, se origina por contacto de una solucin acuosa con una superficie metlica. 3.Corrosin En ambientes naturales o en aquellos fabricados por el hombre, la corrosin se presenta cuando los metales puros y/o sus aleaciones sufren un cambio qumico desde su estado inicial hacia un forma ionizada. En este contexto, la Corrosin es un proceso electroqumico que consiste de una reaccin andica que involucra una ionizacin (oxidacin) del metal (reaccin de corrosin), y una reaccin catdica basado en la reduccin de las especies qumicas involucradas. Estas reacciones pueden ser influenciadas por actividades microbianas especialmente cuando los organismos se encuentran en estrecho contacto con la superficie del metal formando lo que se conoce como biofilm o biopelcula. El deterioro metlico resultante se conoce como biocorrosin o corrosin influenciada microbiolgicamente (MIC). 4.Biocorrosin La corrosin microbiana o Biocorrosin puede definirse como un proceso metablico bacteriano que origina o acelera la destruccin de los metales. Los procesos de Biocorrosin en superficies metlicas estn asociadas a la accin de microorganismos o a los productos de sus actividades metablicas incluyendo enzimas, exo-polmeros (EPS), cidos orgnicos e inorgnicos, as como con compuestos voltiles como amonio y sulfuro de hidrgeno (H2S). Las sustancias polimricas extracelulares (extracellular polymeric substances, EPS), estan formadas por una mezcla compleja de polisacridos celulares, protenas, lpidos, y cidos nucleicos que facilitan una adhesin irreversible de las clulas sobre la superficie. Todos los productos formados afectan las reacciones catdicas y/o andicas alterando la electroqumica de la interface biopelcula/metal. Entre los microorganismos que han recibido mayor atencin se encuentran aquellos conocidos como bacterias reductoras de sulfato y las bacterias depositantes de metales, especialmente manganeso. 5.Biocorrosin Los microorganismos influyen sobre los procesos de corrosin a travs de mecanismos que les permiten adquirir la energa necesaria para las actividades vitales. Esta energa puede adquirirse a travs de tres medios: a) Respiracin aerobia, que consiste en la eliminacin progresiva de hidrgeno de los sustratos orgnicos. El hidrgeno es oxidado por el oxgeno del aire. b) Respiracin anaerobia, en la cual el sustrato orgnico es tambin oxidado por eliminacin de hidrgeno, y ste reduce los compuestos inorgnicos. c) Fermentacin, proceso anaerobio en el cual el sustrato orgnico no es completamente oxidado. Al igual que la corrosin, los procesos metablicos se basan en la transferencia de iones hidrgeno o de electrones. La actividad de los microorganismos corresponde a valores de pH del medio que son tambin muy favorables a la corrosin. Generalmente, se cree que la corrosin bacteriana de los metales se debe a las bacterias anaerobias, por ejemplo, el Desulfovibrio. Sin embargo, existen diversos tipos de bacterias que hay que tener muy en cuenta desde el punto de vista de la corrosin, como las bacterias del hierro, thiobacterias, y las bacterias aerobias que producen cido sulfhdrico. 6. Los cultivos microbianos son casi siempre sistemas fuertemente reductores. La actividad metablica de las bacterias, resultante de su crecimiento y de su nutricin, slo es posible gracias a la energa suministrada por la oxidacin de los elementos nutritivos que ocasionan condiciones de reduccin en el medio. Las bacterias aerobias reducen los medios hasta un cierto nivel, que en general es moderado, aunque en algunos casos se llega a niveles altos. Las anaerobias presentes se aprovechan de estas nuevas condiciones y proliferan a su vez. As, los fenmenos de xido-reduccin desempean un papel muy importante en los procesos biolgicos. Existen sustancias ms fcilmente oxidables que otras que se determinan midiendo la fuerza electromotriz o la diferencia de potencial generada por una corriente de electrones y que se conoce como potencial redox del medio que se relaciona con el pH, la temperatura y la relacin existente entre la concentracin de sustancia oxidada y reducida. Las bacterias ms comunes se desarrollan a potenciales prximos o inferiores a 0 y pH comprendidos entre 6 y 9, zonas favorables a la corrosin. Es decir que si en un medio donde hay bacterias, con suficientes aportes nutritivos de origen orgnico, las bacterias entran rpidamente en actividad, multiplicndose y metabolizando las diferentes sustancias. Estos procesos ocasionan, de forma automtica, la disminucin del potencial redox, originando las condiciones electroqumicas favorables a la corrosin. Si estas condiciones existan ya, por la naturaleza del medio, sern activadas, y si no existan sern el origen de la corrosin. Los microorganismos no pueden desarrollarse ms que en determinadas condiciones de pH. La corrosin anaerobia se considera posible en valores de pH comprendidos entre 5.5 y 8.5. 7. Corrosin anaerobia Para comprender la forma en que estos organismos intervienen en los mecanismos de corrosin, debemos recordar los procesos bsicos de la corrosin electroqumica. Para que exista corrosin, para que se pueda formar la clsica "herrumbre", constituida por hidrxido frrico, deben estar presentes tres elementos: hierro metlico, humedad y oxgeno. La corrosin del hierro o el acero en presencia de oxgeno es un proceso electroqumico. El lugar donde el metal sufre la corrosin, donde el hierro pasa del estado metlico al inico, y despus al de solucin, se llama nodo. La reaccin andica puede escribirse de la manera siguiente: Fe Fe2+ + 2e- Los dos electrones liberados en el proceso andico se desplazan, a travs de la masa metlica, al ctodo o zona catdica. En sta, los dos electrones son captados por los iones H+ presentes en la solucin (electrolito), que pasan a hidrgeno atmico (H), el cual es liberado como molculas de hidrgeno gas (H2). La reaccin catdica se puede escribir de la siguiente forma: 2H + 2 e 2 H H2 En el caso de una pila de corrosin sencilla existe una interaccin entre los productos originados por las reacciones andicas y catdicas. El hidrxido ferroso, Fe(OH)2, es un resultado de los iones ferrosos, Fe2+, formados en el nodo y los iones hidrxilo, OH-, formados en el ctodo; la carga negativa de los iones hidrxilo dar lugar a que estos iones migren en la solucin hacia las reas andicas, en las cuales hay un exceso de carga positiva, debido a la presencia de los iones ferrosos formados. El hidrxido ferroso se forma cuando ambos iones con carga opuesta se encuentran, reaccionan y se precipita el correspondiente hidrxido. La reaccin es la siguiente: Fe2+ + 2 OH- Fe(OH)2 Este hidrxido ferroso se oxida a hidrxido frrico, Fe (OH)3, la conocida herrumbre, por el oxgeno disuelto en el agua (electrolito): 4Fe(OH)2 + O2 + 2 H2O 4 Fe(OH)3 8. Aunque el Desulfovibrio causa la corrosin del hierro y del acero en ausencia de aire, queda patente, que el oxgeno es necesario en los procesos electroqumicos de corrosin, en los cuales se produce el hidrxido ferroso y el hidrxido frrico como productos resultantes. En un sistema de corrosin el Desulfovibrio, acta como despolarizante catdico al igual que el oxgeno disuelto, de esta forma el proceso de corrosin contina. El mecanismo electroqumico de la corrosin bacteriana no es el nico a travs del cual el Desulfovibrio ataca al hierro y al acero. El mecanismo electroqumico de corrosin dispone de varias especies de Desulfovibrio, las cuales producen la enzima hidrogenasa. La hidrogenasa cataliza la oxidacin del hidrgeno (es decir cataliza la transferencia de electrones), activando, por tanto, la despolarizacin catdica: 2H2 + O2 2H2O + energa Durante algn tiempo se lleg a pensar que slo las especies de Desulfovibrio, que producan la enzima, causaban la corrosin del hierro y del acero. Sin embargo, actualmente se sabe que tanto en las especies que producen hidrogenasa como en aquellas que no la producen la velocidad de corrosin es lineal y aproximadamente igual. Con una pelcula parcialmente protectora, formada sobre la superficie del metal, la velocidad de corrosin originada por cepas hidrogenasa positiva fue mucho mayor que la originada por aquellas hidrogenasa negativa. La accin corrosiva de la hidrogenasa negativa permite suponer que la corrosin ocurre como resultado del cido actico formado en la interfase metal/sulfuro ferroso. Es evidente tambin que hay corrosin por el simple ataque del sulfuro de hidrgeno generado por estos organismos sobre el hierro y el acero, dando lugar as a la formacin y precipitacin de sulfuro ferroso negro. Los iones sulfuro que as se forman actan, por otro lado, como despolarizantes andicos, al reaccionar con los iones ferrosos para formar el sulfuro ferroso. 9.Como se forman las Bio-pelculas El ecosistema donde se forman las biopelculas, Consiste de una variedad de microorganismos embebidos en una masa de polisacaridos extracelulares fabricados por ellos mismos. En cuestin de minutos, una monocapa orgnica se adsorbe sobre la superficie, cambiando sue propiedades fsicas y qumicas. Estos compuestos orgnicos son producidos a partir de polisacarfidos o glicoportenas que acondicionan las superficies y favorecen la adherencia de las bacterias. Esta adherencia se ve influenciada por la carga elctrica de las bacterias. Los mecanismos de adherencia pueden ser estereoespecficas, electrostaticas o ionicas. Cuando la asociacion entre bacterias y superficie es durarera en el tiempo se presentan otros tipo de interacciones qumicas y fsicas que transforman una adsorcin reversible en una adherencia permanente e irreversible. La etapa final conduce a la formacin de sustancias polimricas extracelulares o EPS. Muchos EPS contienen azucares como glucosa, galactosa, manosa, fructosa, ramnosa, N- acetilglucosamina y otros. La capa de EPS y bacterias atrapa materiales como arcilla, compuestos orgnicos, clulas muertas y minerales precipitados, agregndolos a la diversidad del habitat de la biopelcula. Esta diversidad biolgica de la comunidad podra continuar incrementndose a medida que la bio-pelcula contine atrayendo la adherencia y crecimiento de otros organismos. 10.Las colonias dentro de una biopelcula originan la formacin de celdas de aireacin diferencial en las que las reas que se encuentran por debajo de las colonias respirantes ven disminuir la concentracin de oxgeno con relacin a las reas no colonizadas. Existiendo diferentes concentraciones de oxgeno en dos ubicaciones dentro de un metal se origina una diferencia en el potencial elctrico y por lo tanto corrientes de corrosin: Bajo condiciones aerbicas, las reas bajo las colonias respirantes se vuelven andicas mientras que las reas circundantes se vuelven catdicas. 11.Ejemplos de biocorrosin severa de (a) Tuberas de fierro en un sistema de distribucin de agua potable dentro de un edificio abandonado; y (b) piling de acero al carbn en un ambiente marino en presencia de biofilms conteniendo SRB. COURTESY I.B. BEECH 12.Corrosin aerobia Al igual que las bacterias anaerobias, las aerobias pueden ser tambin el origen de fuertes corrosiones. Por un lado, ocasionan la formacin de cido sulfrico y, por otro, forman sobre el metal precipitados que, al quedar adheridos en forma aislada, originan procesos de aireacin diferencial y, por lo tanto, de formacin de picaduras. Estas bacterias estn representadas por las denominada bacterias ferruginosas y los thiobacillus o Acidithiobacillus. Bacterias ferruginosas. Muy extendidas en la naturaleza; se las encuentra, a veces, en gran abundancia en aguas que contienen sales ferrosas disueltas. Van siempre asociadas a depsitos de hidrxido frrico. Existen dos tipos de bacterias ferruginosas: las unicelulares y las pluricelulares. Las verdaderas bacterias ferruginosas son aerobias y, en principio, auttrofas. Se caracterizan por acumular hidrxido frrico alrededor de sus clulas, lo que origina que en sus proximidades aparezcan zonas manchadas con el conocido color de la herrumbre. La ms conocida es la Gallionella. La clsica reaccin de su metabolismo es la siguiente: 4 Fe (HCO3)2 + 2 H2O + O2 4 Fe (OH)3 + 8 Co2 + energa Estas bacterias son el origen de la formacin de incrustaciones sobre la superficie metlica y, por lo tanto, de procesos de aireacin diferencial que desembocan en la formacin de picaduras. Thiobacillus y Acidithiobacillus. Las bacterias acido frricas son aerobias auttrofas, y se caracterizan por crear en el medio donde se multiplican una reaccin fuertemente cida. Su pH ptimo de crecimiento se sita entre 3 y 4, y se pueden incluso cultivar a pH 0.2- 0.6. Todos los metales susceptibles al ataque por cido sulfrico diluido (10%) sufrirn una fuerte corrosin en presencia de estas bacterias. Estas bacterias son el origen de formacin de pH muy bajos, concretamente de formacin de H2SO4. En suelos que contengan sulfuros (piritas) pueden ocasionar fuertes corrosiones en cualquier estructura que pueda estar bajo sus efectos. 13.Corrosin aerobia Por ltimo, cabe sealar que el medio marino, de pH prximos a 7.5 - 8, es siempre favorable al crecimiento microbiano. Desde el momento en que las partculas cargadas de microbios se depositan en la superficie de los metales para constituir la pelcula microbiana (lo cual puede suceder en pocas horas), las bacterias entran en actividad y provocan la disminucin del potencial redox. Las condiciones de corrosin se realizan in situ y el deterioro del metal aparece en unos das. Es importante sealar que si no existen las condiciones para que haya corrosin en un determinado medio, las bacterias pueden crearlas, a condicin (para las hetertrofas) de que exista en el medio materia orgnica. Cuanto mayor sea la cantidad de materia orgnica contenida en un electrolito, mayores sern los grmenes y mayor y ms intensa la actividad bioqumica, y por lo tanto, la corrosin. Las aguas de muchos puertos, lagunas y zonas costeras, fuertemente contaminadas por los desechos de las ciudades, son origen de graves problemas en las instalaciones portuarias, elctricas, etc., que se encuentran en ellas. Todo ello justifica plenamente los esfuerzos que realizan numerosos investigadores en todo el mundo para estudiar y conocer mejor el mecanismo de desarrollo de estos organismos, con el fin de tratar de combatirlos y reducir, en lo posible, las grandes prdidas que ocasionan. 14.Dnde se encuentran los bio- pelculas? Bio-pelculas se pueden formar sobre: 1. sustratos slidos en contacto con humedad, 2. superficies de tejidos blandos en organismos vivos 3. en interfases lquido-aire. Ubicaciones tpicas para la produccin de bio-pelculas incluyen rocas y otros sustratos en ambientes marinos o de agua dulce. 15.Salud... Biopelculas y . Las biopelculas son responsables de ciertas enfermedades como otitis media, Otras enfermedades incluyen la endocarditis bacterial (infeccin de la superficie interna del corazn y vlvulas cardacas), fibrosis qustica (un desorden crnico en los pulmones), y la enfermedad del Legionario (infeccin respiratoria aguda por inhalacin de biopeliculas de la bacteria Legionnella). Son responsables de una amplia variedad de infecciones intrahospitalarias: Fuentes de estas infecciones se encuentran el las superficies de catteres, implantes mdicos, parches para quemados, entre otros. Son altamente resistentes a los antibioticos. Industria... Son responsables de la prdida de millones de dlares en productividad industrial y en daos de productos y equipos: Por ejemplo, son responsables de tamponamiento y corrosin de tuberas, y de contaminacin de aguas. La contaminacin y ensuciamiento se presenta en cualquier proceso industrial que utilice agua, incluyendo plantas de tratamiento y distribucin de aguas, fabricacin de pulpa y papel y la operacin de torres de enfriamiento. Biotechnologa... Algunos reactores diseados para promover el desarrollo de biopelculas son muy efectivos en el tratamiento de desechos ambientales. Pueden ser empleados para la produccin de una amplia variedad de productos bioqumicos que son purificados y utilizados para bienes pblicos incluyendo medicinas, aditivos para alimentos o aditivos qumicos para la fabricacin de productos de limpieza. Medio Ambiente... Adheridos a partculas de suelos contaminados y sedimentos acuticos ayudan a degradar suelos contaminados por liberacin accidental de productos qumicos en el ambiente. Adheridos a las races de plantas de ciertas cosechas ayuda en el ciclo de los nutrientes dando como resultado una mejor productividad agricola. 16.CORROSION MICROBIANA Blgo. Jos J. Guerrero Rojas Tec. Med. Sonia Olivera V. esojgue@hotmail.com / esojgue@yahoo.com Telf: (51-1) 999940184