CORROSIÓN BACTERIANA EN METALES

Volumen 22, N° 1, Páginas 29-34
IDESIA (Chile) Enero - Junio 2004
CORROSIÓN
BACTERIANA EN METALES
BACTERIAL CORROSION IN METALS
Humberto R. Campos Ortega]; Claudio H. Campos Ortega2
RESUMEN
Bacterias aeróbicas y anaeróbicas son responsables de la corrosión de origen biológica que afectan elementos de uso urbano e
industrial. Los géneros Gallionella y Thiotrix sólo se desarrollan en agua de mar; en este trabajo se mencionan también de manera
simple bacterias quimiolitótrofas, fotolitótrofas, fotoorganótrofas, Thiobaci/lus al igual que microorganismos heterótrofos (hongos) y autótrofos (algas). Finalmente se describen bacterias sulfatorreductoras y sulfobacterias, presentándose de manera sucinta el
mecanismo de corrosión con sus respectivas reacciones de óxido reducción, despolarizaciones anódicas y catódicas de reacciones
autotróficas.
Palabras
claves: Corrosión biológica, anaerobia, despolarización.
ABSTRACT
Aerobic and anaerobic bacteria are responsible for biological corrosion affecting urban and industrial elements. The Gallionella
and Thiotrix genus grow only in sea water. This paper also includes, in a simple way, chemolitothrophic, photoorganotrophic,
Thiobacillus as well as heterotrophic (fungi) and autotrophic microorganism (algae). Finally this paper describes sulfate-reducing
bacteria and sulfobacteria, briefly and succintly presenting the mechanism of corrosion with its respective oxidation-reduction
reactions, anodic and cathodic depolarizations of autotrophic reactions.
Key words: Biological corrosion, anaerobic, depolarizations.
l.
INTRODUCCIÓN Y ANTECEDENTES
l.
INTRODUCCIÓN
Generalmente las bacterias son descritas c1ínicamente por su actividad patógena para el ser
humano, pero algunas no solamente lo atacan a él
sino también a sus obras. En este grupo de organismos existen las que sin ser patógenas son responsables de la corrosión biológica, ya que algunas se desarrollan muy bien en presencia de sales
minerales viviendo y sustentándose prácticamente
de "aire" a falta de cualquier sustancia orgánica.
Habitualmente estas bacterias se encuentran en
medio acuoso, por lo cual, previo al uso industrial
del agua, ésta es normalmente analizada desde un
punto de vista químico pero no microbiológico y,
cuando este aspecto es considerado, sólo se hace
con la finalidad de detectar patógenos.
Las bacterias de la corrosión actúan en cualquier parte que haya Fe, Mn, SO42- o derivados
azufrados en presencia del agua, dentro o fuera de
las tuberías o bien al aire libre en los depósitos, sin
importar que el agua sea dulce o salada. Por su gran
diversidad, proliferan aún en las condiciones más
desfavorables si no se toman algunas precauciones. Algunas de estas bacterias se desarrollan particularmente en ciertos sitios del medio ambiente,
los que son determinados por características específicas, como por ejemplo tensión de oxígeno,
ambiente reductor, pH, etc.
El transporte bacterial se realiza junto con
los materiales afectados por ellas; por ejemplo,
a Ferrobacilus se le encuentra preferentemente
en las regiones mineras, pero ahora no es raro
que esté en otras partes debido a que fue transportada a diferentes sitios con el carbón, asfalto, brea, etc.
(1)Dpto. de Química, Facultad de Ciencias, Universidad de Tarapacá, Arica.
(2)Dpto. de Química y Biología, Facultad de Ciencias Naturales, Universidad
Fecha de Recepción: 29 julio 2004
Fecha de Aceptación: 31 agosto 2004
de Atacama.
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Algunas bacterias se encuentran ampliamente
distribuidas en el suelo, agua y aire, pero también
se les encuentra en medios específicos como ocurre con diversas especies de Gallionella y Thiotrix
que sólo de desarrollan en agua de mar.
Estas bacterias no provocan directamente la
corrosión, pero sí la aceleran porque inciden en la
cinética del mecanismo
de reacción. Además con,
tribuyen a la formación de Iodos y depósitos que
pueden llegar a obstruir por completo las tuberías;
las hay aerobias y anaerobias.
Por la incidencia e importancia que tienen las
bacterias en procesos urbanos, ambientales, mineros e industriales es conveniente considerar su acción cuando se desarrollan proyectos de inversión
o desarrollo.
2. ANTECEDENTES
En general, la literatura referida al tema es bastante amplia ya que en él se trabaja desde 1918. Entre
los trabajos más recientes, en términos generales, se
puede mencionar a McCoy et al. (1981) quienes observaron la formación de biopelículas de adherencias; Trulear y Charaklis (1982) estudiaron la dinámica de los procesos en las biopelículas; G. A.
Birchahll (1979) estudió el control de adherencias
dentro de un sistema de enfriamiento por agua; J.
Lichtenstein (1977) se preocupó de los fundamentos que causan corrosión y mitigación; King y Miller
(1971) observaron la corrosión por las bacterias sulfatorreductoras. Es más escasa esta información en
ambientes marinos, entre los cuales sólo se menciona el trabajo de Shtevneva et al. (1971) titulado "Bacterial overgrowth as a factor in metal corrosion in
sea water", en el cual se concluye que todas las
muestras probadas fueron expuestas a un crecimiento
bacterial más enérgico que los controles; que en la
zona de H2S el número de bacterias perifíticas sobre la superficie de las placas fue 6 y 9 veces menos
(en el caso de la aleación de Al) que en la zona oxigenada, en la cual la población bacterial sobre los
materiales estudiados consistió principalmente de
bastones y cocos, mientras que los vibrios se incrementaron en la zona del ácido sulfhídrico.
Se estableció una muy buena relación entre el
número total de bacterias y la pérdida de peso de
las placas, también que la corrosión bacterial en
las zonas óxicas y anóxicas es principalmente producida por las formas cocales y además que la proporción de corrosión en estas zonas depende igual-
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mente de la concentración de oxígeno disuelto y
de la densidad poblacional de bacterias, considerándose al final que el efecto del H2S fue poco significante en esta acción. (Shtevneva op. cit.)
El trabajo de Efird (1975), "The interrelation of
Corrosion and Fouling for Metals in Sea Water", concluye que las variaciones de propiedades en este medio están influidas por sus características de corrosión y pueden ser ubicadas en una de estas tres clases:
1. Metales susceptibles a la corrosión
2. Metales pasivos
3. Metales que forman películas tóxicas.
En aleaciones como el acero se producen adherencias que son fácilmente removidas con la pérdida del producto de corrosión, desprendiéndolas
a intervalos durante la exposición. En las aleaciones pasivas se adhieren rápidamente, las que se fijan con fuerza.
El efecto de corrosión se produce por las concentraciones de oxígeno en el ambiente permitiendo el desarrollo de ciertas bacterias, aeróbicas o
anaerobias según corresponda, y cuando el metal
corroído se agrieta, se afectan a los organismos
anaerobios incrustados.
No todos los metales que podría esperarse forman películas tóxicas; se ha observado que el berilio y plomo permanecen libres de incrustaciones.
Las aleaciones en base a cobre son resistentes a la
incrustación debido a la formación de CU20que es
tóxico a los organismos, pero no afecta a las estructuras adyacentes. (Efird op. cit.)
11. FACTORES QUE INFLUYEN EN LA
CORROSIÓN BACTERIANA
l.
ESTADO EN QUE SE ENCUENTRA
EL MATERIAL:
La estructura, las alteraciones de la superficie,
por mínimas que sean, o el deterioro mecánico del
metal son factores que permiten el inicio de la corrosión, la que una vez iniciada continúa con la
acción que desempeñan las bacterias.
2.
COMPOSICIÓN DEL MEDIO:
a.
Contenido químico del agua: Los contenidos
de °2 y CO2 son muy importantes para la for-
Corrosión
bacteriana en metales
dera, papel, etc.; además pueden metabolizar
sustancias ácidas corrosivas, incorporar metales y formar Iodos o sedimentos que pueden
favorecer el desarrollo de las bacterias anaerobias.
mación de óxidos y carbonatos, inicialmente
en los puntos que presentan deterioro. Además el °2 favorece el desarrollo de los organismos aerobios y por otra parte el CO2 servirá como fuente de carbono a las bacterias
autótrofas.
La presencia de N2, P, S, Fe, Mn, Ca, etc.
coq¡.otambién N03-, POl-, SOl-, S2-aportan los oligoelementos necesarios para su
propia síntesis y obtienen de sus transformaciones la energía necesaria para su metabolismo. Del mismo modo las bacterias quimiorganótrofas utilizarán los compuestos
orgánicos.
Todas las aguas naturales sin alteración contienen sales minerales y materia orgánica que
permite el crecimiento de las bacterias.
b. Temperatura: Cada microorganismo tiene una
temperatura óptima en la cual se acelera su
desarrollo, la cual generalmente es de 25°C a
30°C, pero ciertas esporas pueden resistir temperaturas mucho más altas o bajas.
c. pH: Es importante en el medio por su acción
directa sobre el metal y por ser determinante en
los potenciales de reacción, para luego, como
se presenten, favorecer o inhibir el desarrollo
bacterial. El pH óptimo está cercano a la neutralidad, a pesar de lo cual ciertas bacterias se
adaptan muy bien al pH cercano a 1, como es el
caso de Thiobacillus, los que al secretar H2SO4
cambian significativamenteel pH del mediohaciéndolo muy corrosivo para el metal.
d. Luz: Condiciona el desarrollo de las bacterias
fotolitótrofas y de las fotoorganótrofas.
3.
OTROS MICROORGANISMOS
Se considera conveniente mencionar también a:
a. Hongos: Organismos heterótrofos que pueden
causar daños importantes derivados de su actividad enzimática, manifestándose por el deterioro biológico de los derivados celulósicos
o plásticos cuyos productos pueden servir para
algunas bacterias. Secretan al medio muchos
ácidos orgánicos.
b. Algas: Organismos autótrofos, se desarrollan
en presencia de luz, proporcionan la materia
orgánica necesaria para el crecimiento de otros
microorganismos. También secretan enzimas
que atacan numerosos sustratos como la ma-
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4. BACTERIAS
A. Quimiolitótrofas
Omiten toda sustancia orgánica como elemento
de construcción molecular. Obtienen su energía a
partir de elementos no orgánicos, como de la transformación de los compuestos reducidos del S, Fe,
Mn, N2 e H2. Como tampoco son fotosintéticas, se
pueden desarrollar en la oscuridad.
De éstas, las ferrobacterias obtienen la energía necesaria para su síntesis a partir de la transformación de las sales ferrosas en férricas, por lo
que tuberías con metal ferro so que estén desprotegidas y en contacto con el agua son atacadas, formándose hidróxido ferroso que rápidamente se
transforma en hidróxido y carbonato férrico por el
°2 y CO2 disueltos; generalmente el proceso se
detiene ahí.
La presencia de ferrobacterias en el punto de
ataque moviliza Fe2+ y su transformación en sales
férricas, lo cual es muy rápido si el medio contiene
ion ferroso. Se observa la formación de consistente "herrumbre", que contiene cuerpos bacterianos, a lo cual sigue la disolución ininterrumpida
del metal.
Por su parte, las sulfatorreductoras son bacterias que forman un solo grupo de Espiriláceas, representadas por Desulfovibrio desulfuricans.
Son anaerobias obligadas, por lo que se les encuentra en las capas de herrumbre que están en contacto con el metal, allí donde no llega oxígeno. Además de afectar a los metales ferrosos, el H2S formado
corroe muy especialmente las tuberías de plomo,
independientemente si están o no bajo tierra.
B. Sulfobacterias
a.
Metabolizan el azufre a partir de compuestos
azufrados reducidos y los almacenan o pasan
al medio. Se forman Iodos.
b.- ° bien oxidan el azufre, lo mismo que a sus
compuestos con formación de productos ácidos (H2SO4). Se produce acción corrosiva con
modificación importante del pH del medio.
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IDESIA (Chile) Volumen 22, W 1, Enero-Junio,
Se ha observado que para prever dificultades
en procesos industriales se requiere que, previo a
la distribución de las aguas, se determine la presencia de estos tres grupos de bacterias.
111.MECANISMO DE CORROSIÓN
Se fundam~nta en la teoría electrónica, que
explica y satisface la mayor parte de los procesos
de corrosión.
El ataque corrosivo se inicia por diferencia de
potencial entre los puntos en los cuales el metal
presenta imperfecciones, produciéndose el paso de
corriente a través del electrólito que se encuentra
entre esas partes del metal. Se forman pequeños
elementos primarios.
En las zonas anódicas, la corriente pasa del
metal al líquido, en cambio en las catódicas el paso
es del líquido al metal. Se observa disolución del
metal en el ánodo y formación de hidrógeno en el
cátodo.
En condiciones normales, al desprenderse el
hidrógeno catódico, éste permanece suspendido en
la superficie del metal formando una película a
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escala molecular, creándose un potencial de oposición suficiente para neutralizar "la pila". Este fenómeno corresponde a la polarización.Inicialmente
se produce una ligera corrosión anódica con disolución del hierro, como sales ferrosas que se oxidan por el oxígeno del agua.
Al polarizarse los elementos se suspende la
corrosión. En esta etapa del proceso se observa una
ligera capa de herrumbre que no afecta al metal, es
un estado de equilibrio que puede durar mucho
tiempo mientras el oxígeno no movilice al hidrógeno catódico, ya que de ser así se despolarizaría
el sistema comenzando de nuevo la corrosión. En
esta etapa es cuando intervienen las ferrobacterias
y las sulfatorreductoras.
En el ánodo, las ferrobacterias obtienen su
energía de la transformación de sales ferrosas en
férricas, formando aceleradamente la herrumbre,
con lo cual se rompe en forma continua el equilibrio por despolarización anódica y catódica simultáneamente. Este proceso produce la disolución
continua del metal llegando a perforarlo.
En el cátodo se produce despolarización por
la movilización del hidrógeno que hacen las bacterias sulfatorreductoras.
A. REDUCCIÓN DE SULFATOS
SO 42- + SH+ + S e-
> S2- + 4H 2O
B. DISOCIACIÓN ELECTROLÍTICA DEL AGUA
H2O<
> H+ + OH-
1. Despolarización anódica
4Feo
> 4Fe2++ S e-
2. Despolarización catódica
SH++ S eH2S04 + SH
>SH
> H2S + 4H2O
Los iones sulfuro reaccionan a la altura del ánodo con una parte de los iones ferrosos puestos en
solución.
S2- + Fe2+
Fe2+ + H 2S
>FeS
> FeS + 2H+
Corrosión
bacteriana en metales
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Otra parte de los Fe2+ se combina con los OHFe2+ + 20HFe2+ + 60H-
> Fe(OH)2
> 3Fe(OH)2
Globalmente:
8Hp<
4Feo + 8H <
> 8H++ 80R
> 4Fe2++ 8H++ 16 e-
Sulfatorreductor
H2S04 + 8H
Fe2+ + H 2S3Fe2+ + 60R
4Feo + H2SO 4 + 2H2O
> H2S+ 4H2O
> FeS + 2H+
-> 3Fe(OH)2
> 3Fe(OH)2 + FeS
NOTA: Se escribe H2SO 4' pero en realidad se tiene
4Feo + M2S04 + 4H2O
Estas reacciones corresponden a la vida autótrofa del Desulfovibrio desulfuricans, sin intervención de materia orgánica. Pero el átomo de S puede servir también como aceptor de e- para la
2CH3-CHOH-COOH + SOl
2Fe(OH)2 + 1/2 O2 + HP
2Fe(OH)3
4FeC03 + O2 + 6HP
El esquema presenta las reacciones debidas a las
ferrobacterias y a las bacterias sulfatorreductoras, pero
las reacciones provocadas por las sulfatobacterias no
intervienen directamente en el proceso de corrosión,
aunque sí modifican el medio ambiente.
> FeS + 3Fe(OH)2 + 2M(OH)
oxidación de ciertas sustancias orgánicas. Esta oxidación nunca es completa y conduce a la formación de ácido acético, por lo que se dice que es un
organismo quimiorganótrofo.
> 2CH3-COOH + CO2 + H2S + 20R
> 2Fe(OH)3
> Fe203 + 3HP + Q
> 4Fe(OH)3 + 4C02 + 81 Kcal
De lo anterior, se puede pensar que, por el contenido iónico y de materia orgánica en agua de mar,
estos procesos deben ser cinéticamente más rápidos, provocándose una mayor acción corrosiva sobre metales en estos ambientes acuáticos.
LITERATURA CITADA
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