CC BY
15УДК 620.193.8
1 2 2 1 А.А. Калинина , А.Н. Москвичев , Е.Н. Разов , С.Ю. Хлопин ,
Т.Н. Соколова1, В.Р. Карташов1
ВЛИЯНИЕ АДСОРБИРОВАННЫХ НА ЦИНКЕ ФЕНОЛОВ НА БАКТЕРИАЛЬНУЮ КОРРОЗИЮ
Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева1, Нижегородский филиал института машиноведения им. А. А. Благонравова РАН2
Установлено, что на ранних стадиях бактериальной коррозии цинка фенолы, адсорбированные на поверхности металла, оказывают значительное влияние на ход коррозионного процесса. Характер этого влияния зависит как от вида бактерий, так и от структуры фенолов.
Ключевые слова: микроорганизмы, бактериальная коррозия, активные формы кислорода (АФК), супероксидный анион, фенольные соединения, цинк.
Ранее нами было показано, что инициирующая роль микромицетов и бактерий в коррозии металлов может быть связана с выделением микроорганизмами в окружающую среду супероксидного аниона [1-3]. Известно, что супероксидный анион О2 взаимодействует с фенолами с высокой скоростью [4-5]. Эти данные дают основание полагать, что фенолы могут оказывать существенное влияние на коррозионный процесс, если в нем принимает участие О2 .
В работах [6, 7] было обнаружено, что при воздействии на цинк ряда микромицетов происходит значительная активация коррозии под влиянием нанесенных на металл фенолов, которая приводит к более глубоким повреждениям металлической поверхности. Нами было показано [8], что активирующее воздействие на коррозию цинка под воздействием бактерии Pseudomonas aeruginosa 9691 может оказывать 2,6-ди-трет-бутил-4-метилфенол (ионол). Были установлены продукты биотрансформации ионола бактерией Pseudomonas aeruginosa 9691 и предложена схема их образования с участием О2 .
В настоящей работе расширен круг как исследуемых бактерий, так и адсорбированных на поверхности цинка фенолов. В качестве тест-организмов использовали музейные штаммы бактерий: Escherichia coli 321-5, Proteus vulgaris 1212, Pseudomonas aeruginosa 9691, Staphylococcus aureus 956, Staphylococcus epidermidis 1061 (Всероссийская коллекция микроорганизмов, г. Пущино Московской области). Подготовку поверхности образцов цинка, биологические исследования проводили, как описано в работах [1-3,7-9]. В качестве фенолов использовали соединения: фенол (I), 2,6-ди-трет-бутил-4-метилфенол (ионол) (II), гидрохинон (III), пирокатехин (IV), 2,5-ди-трет-бутил-гидрохинон (V), 3,5-ди-трет-бутил-пирокатехин (VI). Соединения (I) - (IV) являлись коммерческими препаратами марки «хч». Вещества (V) - (VI) были получены по известным методикам [9] и имели чистоту не менее 99,0 %.
В качестве растворителей в адсорбционном процессе использовали этиловый спирт при растворении фенола (I), гексан - ионола (II), ацетон - гидрохинона (III) и пирокатехина (IV), диэтиловый эфир - 2,5-ди-трет-бутил-гидрохинона (V) и 3,5-ди-трет-бутил-пирокатехина (VI). Все растворители подвергали дополнительной очистке и перегонке.
Цинковые образцы выдерживали в 0,01М растворах фенолов в соответствующих растворителях в течение 12 ч, после чего высушивали на воздухе при комнатной температуре и помещали на поверхность плотной питательной среды (мясопептонный агар), предвари-
© Калинина А.А., Москвичев А.Н., Разов Е.Н., Хлопин С.Ю., Соколова Т.Н., Карташов В.Р., 2012.
тельно заселенной суспензией суточных культур бактерий, выращенных в пробирках на скошенном агаре. Культивирование проводили при температуре (37±2) °С и влажности воздуха 90%.
Микроскопические исследования поверхности металлов осуществляли на приборе СЭМ (Tescam Vega II, Чехия).
Результаты и их обсуждение
Известно, что взаимодействие бактерий с поверхностью начинается с формирования на ней биохимической структуры, определяемой как биопленка [10]. Химическая основа биопленки, а также продукты жизнедеятельности бактерий, в том числе О2 , в комплексе являются инициирующими факторами коррозии металлов. О формировании биопленки на поверхности цинка нами сообщалось в работах [11].
Установлено, что фенолы исследуемого нами ряда, входящие в группу биологических регуляторов, оказывают влияние на характер образующейся биопленки. На рис. 1 показано состояние поверхности цинка с адсорбированным ионолом спустя пять суток с начала экспозиции под воздействием бактерий Escherichia coli 321-5. Как видно, клетки бактерий находятся в контакте с адсорбированным веществом, экранирующим поверхность металла (рис. 1).
SEM MAG: 1.01 kx Del: BSE Detector 50 pm —f SEM MAG: 5.00 kx Del: BSE Detector 10 pm
Date(m/d/y): 04/17/12 guest Digital Microscopy Imaging Ef Datelm/d/y): 04/18/12 guest Digital Microscopy Imaging
a) 6)
Рис. 1. Микрофотографии поверхности цинка с адсорбированным ионолом спустя пять суток с начала экспозиции под воздействием бактерий Escherichia coli 321-5:
а - внешняя сторона; б - сторона, обращенная к питательной среде
Как отмечалось в работах [8], на ранних стадиях, когда химические вещества биопленки играют главную роль, воздействие бактерий на металл проявляется визуально в образовании экссудата с рН > 7 на поверхности металла. Время появления экссудата, его рН могут быть критериями как для оценки коррозионной активности бактерий в целом, так и выявления факторов, влияющих на коррозию.
Динамику коррозии обработанных фенолами образцов изучали в сравнении с коррозией необработанных (контрольных) образцов. Каждый опыт проводили не менее чем в четырех поверхностях (табл. 1, рис. 2).
в) г)
Рис. 2. Внешний вид поверхности цинка:
а - под воздействием Proteus vulgaris 1212 через семь суток с начала экспозиции, рН«11; б - под воздействием Proteus vulgaris 1212 через семь суток с начала экспозиции с адсорбированным ионолом (активация); в - под воздействием Pseudomonas aeruginosa 969j через 40 суток с начала экспозиции; г - при тех же условиях с адсорбированным ионолом.
Таблица 1
Оценка накопления экссудата на поверхности цинка через 5 суток с начала экспозиции
№ Микроорганизмы Фенолы
I II III IV V VI
1 Escherichia coli 321-5 ++ - ++ - - -
2 Pseudomonas aeruginosa 9691 ++ ++ ++ ++ ++ ++
3 Staphylococcus aureus 956 ++ ++ - - ++ ++
4 Staphylococcus epidermidis 1061 ++ ++ ++ - - -
5 Proteus vulgaris 1212 ++ ++ ++ - ++ ++
Примечание: - ингибирование, ++ активация.
В целом влияние на раннюю стадию коррозии адсорбированных на цинке фенолов проявляется в двух вариантах. В одном из них, фенолы усиливают образование экссудата, в другом - ингибируют. Как видно из табл. 1, фенол (I), 2,6-ди-трет-бутил-4-метилфенол (ионол) (II) и гидрохинон (III) активируют этот процесс практически для всего ряда исследуемых бактерий; 2,5-ди-трет-бутил-гидрохинон (V) и 3,5-ди-трет-бутил- пирокатехин (VI)
только в отдельных единичных случаях оказывают ингибирующий эффект, а пирокатехин (IV), за исключением Pseudomonas aeruginosa 9691, ингибирует образование экссудата.
Установлена закономерность, чем больше образуется экссудата с рН > 7 на ранней стадии экспозиции, тем сильнее коррозионное повреждение металла в целом. На рис. 3 представлены гистограммы коррозионного повреждения цинка через 40 суток с начала экспозиции. Для оценки биокоррозионного процесса использовалась разработанная нами балльная шкала (баллы А - Е) [1-3].
Г
К I II III IV V VI
К I II III IV V VI В)
К I II III IV V VI Г)
К I II III IV Y VI д)
Рис. 3. Гистограммы динамики коррозии образцов цинка, обработанного фенолами, на 40-е сутки с начала экспозиции под воздействием:
а - Escherichia coli 321-5; б - Pseudomonas aeruginosa 969i; в - Staphylococcus aureus 956; г - Staphylococcus epidermidis 1061; д - Proteus vulgaris 1212 (К - контроль)
Известно, что в водном растворе О2 существует в виде равновесной смеси гидропе-роксидного радикала как кислоты Бренстеда и О2 в форме сопряженного основания [5]:
НОО' 02 +Н+, ^а=6,25-104 (1)
Равновесная смесь очень быстро превращается в устойчивые продукты в результате протекания двух параллельных реакций (2) и (3) с константами скоростей 8,3 х105 М 1сек 1 и 9,7 х105 М 1сек 1 соответственно:
НОО' + НОО' -> 02 + Н202 (2)
НОО' + 02 + Н20 ^ 02 + Н202 + 01Г (3)
Скорость бимолекулярной реакции между супероксидными анионами
О2- + О2- + 2Н2О ^ О2 + Н2О2 + 2ОН-
по сравнению со скоростями реакций (2) и (3) мала, и этим взаимодействием как одним из потоков превращения О2 в устойчивые продукты можно пренебречь.
Гидроксильные ионы, как отмечалось в предыдущих работах [1-3, 6, 7], совместно с противоионами и водой питательной среды способны сформировать на отдельных участках поверхности металла объемную жидкую фазу с рН 8-11. При таких рН супероксидный анион является доминирующим компонентом равновесной смеси и может вступать в реакцию с фенольными соединениями, адсорбированными на поверхности цинка.
Критический анализ реакционной способности системы О2- - ОН- с фенольными соединениями приведен в обзоре [5]. В зависимости от структуры фенольного соединения значение константы скорости лежит в пределах 10 - 10 М с . При взаимодействии О2 с одноатомными фенолами происходит перенос протона гидроксильной группы, непосредственно связанной с ароматическим кольцом, на супероксидный анион [4]
АгОН + О2- ^ АгО - + НОО^ Гидропероксидный радикал может далее вступать в реакцию (3). Фенольный анион, будучи сильным основанием Бренстеда, подвергается гидролизу с регенерацией некоторой части исходного фенола:
АгО- + Н2О ^ АгОН + ОН-Эта последовательность превращений может происходить до тех пор, пока рН экссудата не достигнет максимального значения. Фенолятные анионы, по-видимому, подвергаются окислительному разложению.
При взаимодействии О2- с двухатомными фенолами, содержащими гидрохиноновые или пирокатехиновые фрагменты, в начальной стадии образуются семихиноновые соединения и, соответственно, пероксид водорода.
Очевидно, что поверхностная концентрация фенолов (на см2) выше, чем концентрация О2-, транспортируемого через соответствующие каналы в околоклеточное пространство, по этой причине количество деструкторов - ОН-, НОО^ и Н2О2, которые образуются в начальный период процесса по реакциям (2)-(3), должно возрасти, что и приводит к усилению коррозионных разрушений.
Ингибирование коррозии фенолами, вероятно, связаны с особенностями формирования биопленки и влияния фенолов непосредственно на метаболизм бактерий.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Коррозия алюминия и его сплавов под воздействием микроскопических грибов / Д.В. Белов [и др.] // Коррозия: материалы, защита. 2007. № 9. С. 36 - 41.
2. Коррозия алюминия и алюминиевых сплавов под воздействием микроорганизмов / Д.В. Белов [и др.] // Изв. вузов. Сер. Химия и химическая технология. 2007. Т. 50. № 6. С. 60 - 64.
3. Роль супероксидного анион-радикала в бактериальной коррозии цинка / Д.В. Белов [и др.]. // Прикладная биохимия и микробиология. 2012. Т. 48. № 3. С. 302 - 307.
4. Tsujimoto, Y. Superoxide radical scavenging activity of phenolic compounds / Y. Tsujimoto, H. Hashizume, M. Yamazaki // Int. J. Biochem. 1993. V. 25. № 4. P. 491-494.
5. Reactivity of HO2/O2- Radicals in Aqueous Solution / B.H.J. Bielski [etc] // J. Phys. Chem. Ref. Data. 1985. V. 14. P. 1041 - 1100.
6. О роли активных форм кислорода в инициировании коррозии металлов микроскопическими грибами / Д.В. Белов [и др.] // Коррозия: материалы, защита. 2009. № 11. С. 43 - 48.
7. Влияние адсорбированных на поверхности фенолов и родственных им соединений на биологическую коррозию цинка / Д.В. Белов [и др.] // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. 2010. № 2. С. 258-263.
8. Бактериальная коррозия цинка и ее активация ионолом / Д.В. Белов [и др.] // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. 2011. № 6-1. С. 127-131.
9. Взаимодействие пространственно экранированных фенолов и хинонов с органическими радикалами / И.П. Едимечева [и др.] // Журнал общей химии. 2005. Т. 75. Вып. 4. С. 632 - 635.
10. Little, B. J., Lee, J. S. Microbiologically Influenced Corrosion / B. J. Little, J. S. Lee - ISBN 978-0-47177276-7. John Wiley & Sons. Inc. Hoboken. NJ. 2007. Hardcover. 279 p.
11. Соединения - акцепторы электронов в исследовании биокоррозионных явлений / А. А. Калинина [и др.] // Коррозия: материалы, защита. 2011. № 12. С. 29-32.
Дата поступления в редакцию 28.11.2012
A.A. Kalinina1, A.N. Moskvichev2, E.N. Razov2, S.Y. Khlopin1, T.N. Sokolova1, V.R. Kartashov1
EFFECT OF PHENOL ADSORBED ON ZINC ON BACTERIAL CORROSION
Nizhny Novgorod state technical university n.a. R.E. Alexeev1, Nizhny Novgorod branch of Institute of mechanical engineering n.a. A.A.Blagonravov2
Purpose: Study the effect of adsorbed on zinc phenols to bacterial corrosion.
Design / methodology / approach: Was conducted a literature review of previously published evidence of interaction of superoxide anion with phenols. SEM was investigated change in the state of sample surfaces with adsorbed phenol under the influence of bacteria.
Findings: Found that in the early stages of bacterial corrosion of zinc phenol adsorbed on the metal surface, have a significant influence on the corrosion process. The nature of this effect depends on the type of bacteria, and the structure of phenols.
Research limitations/implications: These studies are aimed at identifying the main factors that may trigger biological corrosion, which will facilitate the search for new inhibitors of biological corrosion.
Оriginality/value: Established regularities of biological corrosion, depending on the strain of microorganism and adsorbed on the surface of the metal compounds.
Key words: microorganisms, bacterial corrosion, reactive oxygen species (ROS), superoxide anion, phenolic compounds, zinc.
