Corrosión microbiana

La corrosión microbiana , también conocida como corrosión influida microbiológicamente (MIC) , corrosión inducida microbianamente (MIC) o biocorrosión , ocurre cuando los microbios afectan el entorno electroquímico de la superficie en la que están fijados. Esto generalmente implica la formación de una biopelícula , que puede aumentar la corrosión de la superficie o, en un proceso llamado inhibición de la corrosión microbiana, proteger la superficie de la corrosión.

Como toda superficie expuesta al medio ambiente está de alguna manera también expuesta a microbios, ^[1] la corrosión microbiana causa billones de dólares en daños anualmente en todo el mundo. ^{[ cita requerida ]}

Los microbios pueden crear localmente condiciones hipóxicas en la superficie del metal bajo una biopelícula y contribuir a la formación de sitios anódicos ( oxidación ) y catódicos ( reducción ) que inician diferencias de potencial electroquímico y corrosión electroquímica . También pueden actuar liberando subproductos de su metabolismo celular que corroen los metales o impidiendo que los inhibidores de corrosión normales funcionen y dejando las superficies expuestas al ataque de otros factores ambientales. ^[2]

Algunas bacterias reductoras de sulfato producen sulfuro de hidrógeno , que puede causar agrietamiento por tensión de sulfuro . Las bacterias Acidithiobacillus producen ácido sulfúrico ; Acidothiobacillus thiooxidans daña con frecuencia las tuberías de alcantarillado . Ferrobacillus ferrooxidans oxida directamente el hierro a óxidos de hierro e hidróxidos de hierro ; las rusticlas que se forman en el naufragio del RMS Titanic son causadas por la actividad bacteriana. Otras bacterias producen varios ácidos , tanto orgánicos como minerales, o amoníaco .

En presencia de oxígeno, las bacterias aeróbicas como Acidithiobacillus thiooxidans , Thiobacillus thioparus y Thiobacillus concretivorus , las tres ampliamente presentes en el medio ambiente, son los factores comunes que causan corrosión y dan lugar a la corrosión por sulfuro biogénico .

Sin la presencia de oxígeno, las bacterias anaeróbicas , especialmente Desulfovibrio y Desulfotomaculum , son comunes. Desulfovibrio salixigens requiere al menos una concentración de cloruro de sodio del 2,5 % , pero D. vulgaris y D. desulfuricans pueden crecer tanto en agua dulce como salada. D. africanus es otro microorganismo común que causa corrosión. El género Desulfotomaculum comprende bacterias formadoras de esporas reductoras de sulfato; Dtm. orientis y Dtm. nigrificans están involucradas en procesos de corrosión. Los reductores de sulfato requieren un entorno reductor; se requiere un potencial de electrodo inferior a −100 mV para que prosperen. Sin embargo, incluso una pequeña cantidad de sulfuro de hidrógeno producido puede lograr este cambio, por lo que el crecimiento, una vez iniciado, tiende a acelerarse. ^{[ cita requerida ]}

En las partes internas de los depósitos de corrosión pueden existir capas de bacterias anaeróbicas, mientras que las partes externas están habitadas por bacterias aeróbicas.

Algunas bacterias pueden utilizar el hidrógeno formado durante los procesos de corrosión catódica.

Las colonias y depósitos bacterianos pueden formar celdas de concentración , provocando y potenciando la corrosión galvánica . ^[3]

La corrosión bacteriana puede aparecer en forma de corrosión por picaduras , por ejemplo, en tuberías de la industria del petróleo y el gas. ^[4] La corrosión anaeróbica se evidencia en forma de capas de sulfuros metálicos y olor a sulfuro de hidrógeno. En el hierro fundido , el resultado puede ser una lixiviación selectiva por corrosión grafítica , en la que las bacterias consumen el hierro, lo que deja una matriz de grafito con baja resistencia mecánica.

Se pueden utilizar diversos inhibidores de corrosión para combatir la corrosión microbiana. Las fórmulas a base de cloruro de benzalconio son comunes en la industria petrolera .

La corrosión microbiana también puede afectar a los plásticos , al hormigón y a muchos otros materiales. Dos ejemplos son las bacterias que se alimentan de nailon y las bacterias que se alimentan de plástico.

Los hongos pueden provocar la corrosión microbiana del hormigón. Con factores ambientales adecuados, como la humedad, la temperatura y las fuentes de carbono orgánico, los hongos producirán colonias en el hormigón. Algunos hongos pueden reproducirse asexualmente. Este proceso común entre los hongos permite que muchas nuevas esporas fúngicas se propaguen rápidamente a nuevos entornos y desarrollen colonias enteras donde antes no existían. Estas colonias y las nuevas esporas producidas utilizan hifas para absorber los nutrientes ambientales.

Las hifas son increíblemente pequeñas y delgadas, y crecen solo de 2 a 6 micrómetros de diámetro. Las hifas de los hongos se utilizan para llegar a las profundidades de agujeros, grietas y barrancos minúsculos del hormigón. Estas áreas contienen humedad y nutrientes de los que sobrevive el hongo. A medida que más hifas se abren paso en estas pequeñas grietas y hendiduras, la presión hace que esos espacios se expandan, de manera similar a cómo el agua se congela en pequeños agujeros y grietas, lo que hace que se ensanchen. La presión mecánica permite que las grietas se expandan, lo que hace que entre más humedad y, por lo tanto, los hongos tienen más nutrientes, lo que les permite viajar más profundamente en la estructura de hormigón. Al alterar su entorno, los hongos descomponen el hormigón y su capa alcalina, lo que proporciona condiciones ideales para que las bacterias que provocan corrosión degraden aún más las estructuras de hormigón.

Otra forma en que los hongos provocan corrosión en el hormigón es a través de los ácidos orgánicos que producen de forma natural. Estos ácidos orgánicos reaccionan químicamente con el calcio 2+ del hormigón, lo que produce sales solubles en agua como producto. El calcio 2+ se libera y, con el tiempo, provoca importantes daños en la estructura. Debido a que los hongos expulsan jugos digestivos para obtener nutrientes, la estructura en la que crecen comenzará a disolverse. Esto no es diferente en el hormigón cuando hongos como el Fusarium echan raíces. Un experimento comparó la corrosión de la bacteria Tiobacillus con la corrosión de un hongo llamado Fusarium. En el experimento, a ambos grupos de organismos se les proporcionaron las condiciones adecuadas para crecer, junto con un trozo de hormigón igual en cada experimento. Después de 147 días, la bacteria Tiobacillus provocó una reducción de masa del 18%. Sin embargo, el hongo Fusarium provocó una reducción de masa del 24% en el mismo período de tiempo, lo que demuestra sus capacidades corrosivas.

Bhattacharyya ^[5] realizó un estudio sobre los tres tipos de hongos que se sabe que causan corrosión del hormigón: Aspergillus tamarii, Aspergillus niger y Fusarium.  El Aspergillus tamarii fue el más destructivo de los tres hongos. Hace que las grietas se ensanchen y profundicen, se arraiga de manera rápida y eficiente y promueve el oxalato de calcio. Al causar oxalato de calcio, hay un aumento en la velocidad de lixiviación de iones de calcio, lo que reduce la resistencia general del hormigón. En 90 días, la exposición al hongo resultó en una reducción de masa del 7,2% en el hormigón. El Aspergillus niger fue el segundo peor infractor de los tres, seguido del Fusarium, que puede reducir la masa del hormigón en 6,2 gramos en un solo año, así como hacer que el pH baje de 12 a 8 en el mismo período de tiempo. ^[6]

Los microorganismos que utilizan hidrocarburos, principalmente Cladosporium resinae y Pseudomonas aeruginosa y bacterias reductoras de sulfato , conocidas coloquialmente como "bichos HUM", están presentes comúnmente en el combustible para aviones . Viven en la interfaz agua-combustible de las gotas de agua, forman esteras gelatinosas de color negro/marrón/verde oscuro y causan corrosión microbiana en las partes de plástico y caucho del sistema de combustible de la aeronave al consumirlas, y en las partes metálicas por medio de sus productos metabólicos ácidos. También se las llama incorrectamente algas debido a su apariencia. FSII , se agrega al combustible como un retardante del crecimiento. Hay alrededor de 250 tipos de bacterias que pueden vivir en el combustible para aviones, pero menos de una docena son significativamente dañinas. ^[7]

Los microorganismos pueden afectar negativamente ^{[ ¿cómo? ]} a los elementos radiactivos confinados en los residuos nucleares . ^{[ cita requerida ]}

Existen múltiples factores ambientales que estimulan la corrosión y el deterioro del hormigón, como las condiciones de congelación, la exposición a la radiación y los ciclos de calor prolongados o los ciclos de congelación-descongelación y de humedad-secado. Los ciclos que provocan averías mecánicas en el hormigón, como los ciclos de congelación-descongelación, son increíblemente destructivos. Todos ellos proporcionan vías para que los microbios se apoderen del mismo, erosionando y debilitando aún más las estructuras de hormigón. El aumento de los daños en los sistemas de alcantarillado urbanizados y en las ciudades que bordean la costa ha obligado a la gente a estudiar con mayor profundidad cómo preservar el hormigón de los microbios.

Para detener el daño que causan los microbios, es necesario comprender completamente los microbios que provocan corrosión. Esto incluye saber de qué están compuestos los microbios específicos y su comunidad y cómo descomponen el hormigón estructural. Los factores de estrés ambiental en las estructuras a menudo promueven la corrosión microbiana causada por bacterias, arqueas, algas y hongos. Estos microorganismos dependen de su entorno para proporcionar la humedad adecuada, los niveles de pH y los recursos que permiten la reproducción.

El nivel de pH del hormigón influye en gran medida en qué microbios pueden reproducirse y en cuánto daño se le hace al hormigón. Una superficie de hormigón es alcalina, lo que dificulta la germinación de los microbios. Sin embargo, los procesos químicos del entorno y los propios microorganismos provocan cambios en el hormigón. Las condiciones ambientales combinadas con la carbonización causada por microbios seleccionados producen cambios negativos en el pH del hormigón. Estos pocos microbios pueden excretar metabolitos que cambian el pH de 12 a 8. Con un nivel de pH más bajo, más microorganismos pueden sobrevivir en el hormigón, acelerando así la velocidad de corrosión. Esto se convierte en un problema extremo, ya que muchos microbios que atacan al hormigón sobreviven en condiciones anaeróbicas. Las alcantarillas, por ejemplo, tienen niveles bajos de oxígeno y altos niveles de nitrógeno y gas sulfúrico, lo que las hace perfectas para los microbios que metabolizan esos gases. ^[5]

Las estructuras de las redes de alcantarillado son propensas al biodeterioro de los materiales debido a la acción de algunos microorganismos asociados al ciclo del azufre. Puede ser un fenómeno muy dañino que fue descrito por primera vez por Olmstead y Hamlin en 1900 ^[8] para una alcantarilla de ladrillos ubicada en Los Ángeles. El mortero que unía los ladrillos se desintegró y la estructura de hierro estaba muy oxidada. La junta de mortero se había hinchado hasta alcanzar dos o tres veces su volumen original, lo que provocó la destrucción o el desprendimiento de algunos ladrillos.

Alrededor del 9% de los daños descritos en las redes de alcantarillado se pueden atribuir a la acción sucesiva de dos tipos de microorganismos. ^[9] Las bacterias reductoras de sulfato (BRS) pueden crecer en capas relativamente gruesas de lodos sedimentarios y arena (típicamente de 1 mm de espesor) que se acumulan en el fondo de las tuberías y se caracterizan por condiciones anóxicas. Pueden crecer utilizando compuestos de azufre oxidados presentes en el efluente como aceptor de electrones y excretar sulfuro de hidrógeno (H2S ₎ . Este gas luego se emite en la parte aérea de la tubería y puede impactar la estructura de dos maneras: ya sea directamente reaccionando con el material y provocando una disminución del pH, o indirectamente a través de su uso como nutriente por las bacterias oxidantes de azufre (BSA), que crecen en condiciones óxicas, que producen ácido sulfúrico biogénico. ^[10] Luego, la estructura se somete a un ataque de ácido sulfúrico biogénico. Los materiales como cementos de aluminato de calcio , PVC o tuberías de arcilla vitrificada pueden sustituir a las alcantarillas de hormigón o acero comunes que no son resistentes en estos entornos. La reducción de la corrosión del acero dulce en el agua mediante la absorción de oxígeno disuelto se lleva a cabo por Rhodotorula mucilaginosa (7).

Se han desarrollado muchos métodos para limitar la corrosión microbiana. El principal desafío ha sido encontrar formas de prevenir o detener el crecimiento microbiano sin afectar negativamente al medio ambiente circundante. La siguiente lista ofrece una descripción general de algunas de las tácticas que se han utilizado o que se encuentran en desarrollo.

• Uso de biocidas (cualquier sustancia química que inhibe la vida) para matar microorganismos. Debido a que las biopelículas son tan resistentes, se debe utilizar una gran cantidad de biocidas. Esto es caro, tiene efectos negativos en el medio ambiente circundante y, de hecho, puede provocar más corrosión de la superficie debido a su toxicidad. Los biocidas y otros tratamientos químicos contra los microbios también tienden a ser peligrosos para las personas que los preparan y los aplican. ^[11]

Rao y Mulky ^[2] desarrollaron una extensa lista de métodos para limitar el crecimiento de microbios y, por lo tanto, la corrosión microbiana.

• Los productos vegetales podrían ayudar a restringir el crecimiento microbiano. Serían biodegradables y seguros para quienes los aplicaran, pero aún no se han probado ampliamente.

• Los surfactantes, en particular los generados por los organismos como metabolitos secundarios, son útiles porque se interponen entre el líquido corrosivo y la superficie y los mantienen separados.
• Aplicar un revestimiento superhidrofóbico a una superficie. Esto evita que se desarrolle una biopelícula, pero es sensible y puede perder fácilmente sus cualidades superhidrofóbicas.
• El uso de superficies autorreparables puede evitar la corrosión en grietas o fallas. Esto se puede utilizar con una superficie superhidrofóbica para mitigar su sensibilidad.
• Utilizando superficies hidrofílicas para crear una región que impida el desarrollo de proteínas en una película que cubra una superficie.
• Utilizar sustancias creadas sintéticamente que, gracias a su estructura química, impiden la corrosión. Esto puede tener un efecto negativo menor sobre el medio ambiente que otras opciones.
• Utilización de biopelículas que se cultivan intencionalmente para inhibir la corrosión microbiana. Esto se hace cultivando una biopelícula sobre una superficie hecha de una bacteria que puede liberar compuestos que matan a otros microbios y que previenen la corrosión.
• Uso de aceites esenciales. La eficacia de los aceites esenciales contra la corrosión microbiana no ha sido ampliamente probada.
• Recubrimiento de una superficie con diversos nanomateriales u ozono para evitar la corrosión microbiana.

Aunque los microorganismos suelen ser responsables de la corrosión, también pueden proteger las superficies de la corrosión. ^[12] Por ejemplo, la oxidación es una causa común de corrosión. Si una superficie susceptible tiene una biopelícula que la cubre y absorbe y utiliza oxígeno, entonces esa superficie estará protegida de la corrosión debido a la oxidación. Las biopelículas también pueden liberar compuestos antimicrobianos, lo que es útil si la biopelícula no es corrosiva y puede disuadir a los microbios que sí lo serían. Las biopelículas proporcionan una barrera entre una superficie y el ecosistema que la rodea, por lo que, siempre que la biopelícula no tenga efectos adversos, también puede servir como protección contra la corrosión. ^[11] Debido a que las biopelículas no afectan negativamente al ecosistema, son potencialmente uno de los mejores mecanismos para la inhibición de la corrosión. También pueden alterar las condiciones de la superficie de un metal para que sea menos probable que se dañe, lo que evita la corrosión. ^[2]

• Corrosión por influencia microbiológica (MIC)
• Corrosión por sulfuro biogénico
• Corrosión
• Rústico
• Corrosión anaeróbica bacteriana

• Olmstead, WM, Hamlin, H., 1900. "Conversión de partes del desagüe de Los Ángeles en un tanque séptico". Engineering News 44, 317–318.
• Kaempfer, W., Berndt, M., 1999. "Estimación de la vida útil de tuberías de hormigón en redes de alcantarillado". Durabilidad de materiales y componentes de construcción 8, 36–45.
• Islander, RL, Devinny, JS, Mansfeld, F., Postyn, A., Shih, H., 1991. "Ecología microbiana de la corrosión de coronas en alcantarillas". Journal of Environmental Engineering 117, 751–770.
• Roberts, DJ, Nica, D., Zuo, G., Davis, JL, 2002. "Cuantificación del deterioro del hormigón inducido por microbios: estudios iniciales". International Biodeterioration and Biodegradation 49, 227–234.
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• Mansouri, H., Alavi, SA, & Fotovat, M. "Corrosión por influencia microbiana del acero Corten en comparación con el acero al carbono y el acero inoxidable en aguas residuales aceitosas por Pseudomonas Aeruginosa". JOM , 1–7.
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• Diálogo sobre olores y corrosión biogénica en aguas residuales, sistemas de aire de escape y sistemas de gases de fermentación

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