CC BY
49
УДК 620.193
ВЛИЯНИЕ НЕКОТОРЫХ О, О'-ДИГИДРОКСИАЗОСОЕДИНЕНИЙ, ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ ИНГИБИТОРОВ КОРРОЗИИ МЕТАЛЛОВ, НА DESULFOVIBRIO DESULFURICANS
© A.H. 3aiic|)iiiniickiiii, B.II. Bnr iopoBii’i, U.II. Cimiii.ui
Zavershinsky A.N., Vigdorovitch V.I., Spitsin I.P. The influence of some O.O’-dihydroxyazocompounds as potential inhibitors of metal corrosion on desulfovibrio desulfuricans. The dependence of the above substances structure is considered. The received results are compared with the literature data.
Хозяйственная деятельность человеки связана с применением разнообразных машин, конструкций и сооружений, подвергающихся коррозии. Значительная часть коррозионных разрушений металлов во многих производственных и природных средах является результатом деятельности микроорганизмов или продуктов их жизнедеятельности. Особенно актуален данный вид коррозии при эксплуатации надземных и подземных трубопроводов, нефтяных и газовых конструкций, на воздушном транспорте (топливные баки) и в системах охлаждения двигателей внутреннего сгорания (судовые дизели и пр.). Кроме того, еще в начале XX века была доказана способность микроорганизмов усваивать углеводороды твердых, жидких и газообразных нефтепродуктов. Явление это в настоящее время стало причиной возникновения существенных проблем в сфере нефтедобычи, нефтепереработки и нефтехимии, а особенно - при использовании нефтепродуктов[1].
Потребляя углеводороды, микроорганизмы образуют многочисленные и разнообразные продукты своей жизнедеятельности, которые изменяюг состав масел, топлив и смазок, ухудшая их физикохимические и эксплуатационные характеристики [1] и являются причиной снижения адгезии к металлическим поверхностям и, как следствие, повышения коррозии металлов.
Возбудителями микробиологических процессов (особенно на нефтепромыслах и при эксплуатации подземных сооружений) являются чаще всего сульфатредуцирующие бактерии (СРБ). Распространение их в природе столь велико, что они легко могут быть занесены в скважину при бурении, а затем успешно развиваться там, в местах застоя воды, вызывая увеличение коррозионной агрессивности среды (до 60 % [2]), снижая величину pH, значительно ухудшая качество добываемой нефти и осложняя ее переработку.
Сульфатредуцирующие бактерии - это подвижные анаэробные монотрихии. До недавнего времени все известные виды СРБ объединяли в два рода: Оелм//оу/6ио и ОехиЦоТотасиЫт. Род Ое$и1[о\1Ьг1о включает ряд неспоровых грамотрицательных бактерий с разными типами кривизны клеток (виброид-ным, сигмоидным или спириллоидным). Значительно реже встречается неискривленная палочковидная форма. Все виды подвижны за счет жгутикования. Представители этого рода - облигатные анаэробы, растущие в интервалах температуры 25-45° С и pH 5,5-9.0. "
Биокоррозию металлов вызывают, по крайней мере, четыре вида этого рода: D. desulfuricans,
D. vulgaris, D. afrikans, D. salexigenes [3]. Все они обитают в пресных и солоноватых водах, а наиболее агрессивный из них D. desulfuricans характерен также для сточных вод и пресноводного ила [4].
Большинство видов рода Desulfotomaculum являются грамотрицательными и представлены прямыми или изогнутыми палочковидными формами, соединенными в цепочки - стрептобактерии. Обнаруживаются они преимущественно в почве. Коррозию металлов вызывают Dtm. nigrificans и Dtm. orientic [3]. Первый вид - термофил, растет при 65-79° С (оптимум 55° С), поэтому хорошо развивается в системах центрального отопления, теплообменниках, вызывая интенсивную коррозию. В последние годы описано еще шесть родов СРБ, однако основную роль в биокоррозии играют два представленных выше.
Несмотря на то, что СРБ являются строгими анаэробами, они не погибают в воздушной среде, чем и объясняется их широкое распространение в природе. Нередко они образуют жизнеспособные ассоциации с анаэробами и аэробными консу-ментными слизеобразующими микроорганизмами, которые, как предполагают, продуцируют для них питательные вещества и создают необходимые анаэробные условия. СРБ относят к хемолитогете-ротрофам: они неспособны к автотрофной ассимиляции углекислоты и для своего роста нуждаются в готовых органических веществах.
Большинство микроорганизмов в качестве источника серы используют сульфаты и имеют ферментные системы доя восстановления сульфатов до сульфидов. Такой процесс, называемый ассимиляторной сульфатредукцией, к биокоррозии металлов непосредственного отношения не имеет. Только высокоспециализированные бактерии - облигатно анаэробные сульфатредуцирующие - являются стимуляторами биокоррозии, способными использовать сульфат как конечный акцептор электронов с образованием сероводорода в большом количестве (диссимилятор-ная сульфатредукция). Эти бактерии осуществляют энергообразующую реакцию:
SOf +8е + ЮН + —>• H2S + 4H20 .
Диссимиляторная и ассимиляторная сульфатре-дукции отличаются тем, что при диссимиляторной для активации одной молекулы сульфата требуется
одна молекула А'ГФ (при ассимиляторной - две), только у «диссимиляторов» обнаружен фермент аде-нозин-5'-фосфагредуктаза, восстанавливающий аде-назинфосфосульфат до сульфата и АМФ. Процесс имеет многостадийный характер. Сначала сульфат активируется АТФ:
804“ + АТФ АТО-сульфургаша* АФС (аденазинфосфо-сульфат) + пирофосфат,
затем АФС восстанавливает до сульфита:
АФС + 2е АФс-редукщиГ 50 з +АМФ.
После чего происходит восстановление сульфига до сульфида:
+ 6е + 8Н* -> Н28 + 3 Н20 [5].
В качестве доноров электронов или водорода используют обычно конечные продукты других видов брожения (лактат, малат, этанол, пируват), а также формиат, холин, многие первичные спирты, аминокислоты, углеводы.
Лактат, малат и этанол при этом окисляются до ацетата и С02, например:
4СН3СОСООН + 4Н20 —» 4СН3СООН + 4С02 +8Н 8Н + Н2804 -» Н28 + 4Н20.
Несомненно, что источником энергии у СРБ является окислительное фосфорилирование, сопряженное с транспортом электронов по системе переносчиков на сульфат [6].
Механизм использования углеводородов нефти остается пока неясным [7]. Для некоторых СРБ источником энергии может служить молекулярный водород, но культуры, окисляющие его, нуждаются в органических соединениях в качестве источника углерода. При благоприятных условиях СРБ образуют большое количество сероводорода, являющегося конечным продуктом их анаэробного дыхания. В связи с этим они устойчивы к сероводороду. Миллер (цитируется по [5]) наблюдал устойчивость некоторых культур к 2 г/л Н28.
Бактерии, восстанавливающие сульфаты, являются причиной анаэробной коррозии алюминия, стали и железа. Они могут вызывать коррозию следующими путями: а) стимулируя катодный процесс корродирующего металла вследствие потребления бактериями водорода; б) восстанавливая сульфаты до сульфидов и стимулируя при этом катодную деполяризацию твердыми сульфидами железа, образующимися в результате взаимодействия ионов железа с ионами сульфидов. В период развития СРБ продуцируют Н28, который ускоряет коррозию металлов, изменяет их физико-химические свойства.
Посредством поляризационных измерений найдено, что в присутствии СРБ наклон тафелевых участков катодных кривых снижается [6|. Следовательно, сульфатредукторы в данном случае проявляют себя как заместители кислорода в катодной
реакции, способствуя тем самым протеканию коррозии. Удаление водорода с поверхности металла стимулирует коррозию, а водород используется СРБ для восстановления сульфатов до сульфидов [6]. Упрощенно можно записать:
Анодная реакция: 4Бе —> 4Бе2+ + 8е (1.1)
8Н20 -> 8Н4 + 80Н~. (1.2)
Катодная реакция: 8РГ + 8е —> 8Н. (1.3)
Катодная реакция при участии бак терий:
+ 8Н -» 82~ + 4Н20 (1.4)
с образованием продуктов коррозии по суммарным реакциям:
Бе2+ + в2~ —> БеБ (1.5)
ЗРе2+ + 90Н" -> ЗРе(ОН)3. (1.6)
В целом имеем:
Ре2* + + Н20 -» Бе8 + Бе(ОН)3 + ОРГ. (1.7)
Сероводород - эффективный стимулятор адсорбции катодного водорода поверхностью стали. Он является агрессивным агентом, который генерирует при растворении в воде эффективный деполяризатор -ионы водорода, ионы сульфидов, тем самым увеличивая скорость катодной и анодной реакций в усло-
виях коррозии [8].
Бе + Н28 + Н20 -» (реШ)адс + Н/У (1.8)
(реН8)адс —> БеН8 + 2е (1-9)
РеП8+ + Н30+ -» Бе2+ + Н28 + Н20. (1.10)
Коррозия в присутствии СРБ носит циклический характер: продуцируемый ими сероводород участвует в формировании сульфидной пленки, изменяющей свой состав и структуру во времени и выполняющей роль «регулятора» коррозии [9].
В условиях бактериального заражения агрессивной среды борьба с коррозией оборудования должна проводиться в двух направлениях: снижение скорости коррозии эксплуатируемого оборудования и подавление различными методами (физическими, химическими) жизнедеятельности СРБ.
В качестве механических и физических способов борьбы с биоповреждениями, вызываемыми микроорганизмами, рекомендуются следующие [1]:
1) применение различных фитьтров. вплоть до мембранных;
2) центрифугирование;
3) агломерация с последующей фильтрацией;
4) флотация;
5) использование ионообменных смол;
6) электрогидравлическое осаждение («электро-импульсный эффект»);
7) ультрафиолетовая и А'-обработка;
8) ультразвуковая обработка.
Существуют различные модификации и комбинации перечисленных способов, но, во-первых, они дороги, во-вторых, применимы далеко не во всех случаях и, в третьих, ни один из них не являегся столь эффективным, как введение в систему специальных антимикробных добавок.
В качестве ингибиторов развития микроорганизмов в топливах и смазках предложены следующие: ацилированные алкилдиены, олеаты, бутира-ты, капраты, толуолсульфонаты серебра, соединения, содержащие бор, мышьяк, олово, ртуть. Однако перечисленные вещества, как правило, обладают малой эффективностью по отношению к подавлению процесса коррозии металла.
Весьма актуальной в этих условиях является методика оценки как защитной эффективности, так и подавления жизнедеятельности СРБ, предложенная в [10]. Она предназначена для испытания реагентов, подавляющих развитие СРБ и снижающих коррозию оборудования в пресных и минерализованных сточных водах. Ее особенностью является, помимо коррозионных испытаний (широко применяемых при изучении коррозии металлов), исследование реагентов с целью оценки их бактерицидного действия.
Оценка бактерицидной активности основана на анализе подавления выделения сероводорода бактериями. Выделяющийся сероводород является основным метаболитом СРБ, поэтому сімжение его концентрации в культуре бактерий с введенным реагентом по сравнению с контрольной средой позволяет судить о степени угнетения бактериальной культуры. Расчет «степени подавления СРБ» по [10] производится по следующей формуле:
$=С С Ю0%,
С
где 5 - «степень подавления СРБ» (%); С - содержание сероводорода в контрольной пробе (мг/л); С- содержание сероводорода в исследуемой пробе (мг/л).
Исследования «степени подавления СРБ» позволяют судить только о понижении количества биогенного сероводорода в среде, ничего не говоря о числе бактериальных клеток. Поэтому, помимо определения «степени подавления», необходимо определять и количество бактериальных клеток.
В проводимых исследованиях наиболее удобным оказалось выражение числа микробных клеток в процентах к контрольному засеву (т. е. в пробах без исследуемого реагента).
В настоящей работе в качестве потенциальных биоцидов были испытаны некоторые О, О'-дигидро-ксиазосоединения. Полагают, что они стабилизируют дизельное топливо при хранении и проявляют свойства присадок деакгиваторов металлов [11]. Присадки рекомендуются для использования в качестве ингибиторов коррозии в подтоварной воде при коррозии стали [12].
Молекулярные формулы изучаемых соединений:
(2)
РЬвОз
(3)
N ------N---------С----------С---------СН,
В качестве модельного объекта исследования взяты выделенные нами природные штаммы Д. сіеяиі/и-гісапз, полностью соответствующие коллекционным образцам [13], которые выращивались на среде следующего состава:
1) ЫН4С1 - 1,0 г;
2) К2НР04 - 0,5 г;
3) MgS04 7Н20 - 2,0 г;
4) №2804 - 0,5 г;
5) СаС12 - 0,1 г;
6) 60 % раствор лактата N3-6 мл;
7) вода - до 1 л.
В ряд стерильных колб с равным объемом питательной среды дозировано вводили исследуемые реагенты из расчета 100; 50; 25; 10; 5 мл/г. Затем растворы нагревали до кипения (для удаления растворенного в воде кислорода) и тут же охлаждали под струей холодной воды, после чег о в каждую колб\’ добавляли по 1 мл раствора чистой культуры О. сіеті/игісат, содержащего около 10° живых клеток СРБ. Растворы в колбах встряхивали и переливали в стерильные пробирки, доливая средой до верхнего края и закрывая пробкой (без пузырьков воздуха). Растворы помещали в воздушный термостат при температуре 32-35° С, специально сконструированный именно для этих целей.
Для каждой кошденчрации было заложено по три параллельных опыта с пятью повторностями. Две пробирки без добавки реагентов служили контрольной пробой.
Через семг, дней (цикл развития СРБ) в пробирках определяли содержание сероводорода и число микроорганизмов в пробе. Вычислялась «степень подавле-
ния СРБ», а также число выживших бактериальных клеток и некоторые друтие показатели (pH, окислительно-восстановительный потенциал ит. д.). Данные исследований приведены в табл. 1.
Из данных таблицы видна корреляция между' «степенью подавления СРБ» и снижением числа клеток микроорганизмов в среде. Это говорит о том, что используемые вещества не оказывают воздействий, способных коренным образом изменить физиологические процессы в клетках СРБ.
При микробиологических исследованиях было выяснено, что все изучаемые препараты не вызывают полной гибели культуры СРБ, а лили, приостанавливают скорость ее развития. С биологической точки зрения мы имеем дело с веществами-бактериоста-тиками, не убивающими культуру полностью, но создающими условия для приостановления ее роста и размножения.
Наибольшим бактериостатическим эффектом обладают препараты, не имеющие в ст-роении нафталиновых колец (1 и 2). Наиболее же сильным действием характеризуется вещество (2), в составе которого отсутствуют сдвоенные бензольные кольца и присутствует азот пирозольного кольца.
Полученный результат согласуется с литературными данными [1], согласно которым вещества, содержащие азот, обычно проявляют высокую активность. По-видимому, высокую эффективность вещества (2) предварительно можно объяснить наличием в составе его молекулы группировок, схожих по строению с пиридина ми и хинолинами, механизм действия которых на клеточные структуры известен и заключается в блокировании ферментных систем, регулирующих обмен веществ живой клегки. Таким образом, бактерицидное действие указанных веществ должно являться функциональной особенностью всего ряда, что и подтверждается для вещества (2).
При микробиологическом исследовании культуры СРБ, ингибируемой реагентом (2) в концентрации 100 мг/л, были обнаружены морфологические изменения бактериальных клеток (наличие увеличенных клеток и клеток с нехарактерной для СРБ малоизогнутой формой). При ингибировании культуры более низкими концентрациями препарата (2) подобные деградивные изменения обнаружены не были.
Достаточно высокая активность препарата (1), видимо, объясняется его относительной высокой стабильностью, связанной с простым (по сравнению с другими препаратами) строением и главное - отсутствием боковых алифатических цепей, делающих вещества неустойчивыми к микробиологическому окислению. Так, по данным [ 1 ], производные бензола, имеющие боковые углеводородные цени, могут быть легко окислены ферментными системами микроорганизмов. Наиболее же окисляемыми микроорганизмами являются вещества, содержащие серу. Клетки О. скыЛ/ппсапя нуждаются в сере как в конструктивном звене метаболизма и способны усваивать ее, разлагая практически любые соединения серы. Применительно к веществам (3) и (4) можно отметить, что в ходе проведенных опытов четко фиксировалось изменение интенсивности окраски растворов ингибиторов, связанное, скорее всего, с уменьшением их концентрации за счет микробиологического окисления.
Вещества (4) и особенно (3) усваиваются микроорганизмами. Так, при концентрации вещества (3) 5 мг/л
Таблица 1
Препарат Концен- трация. МГ/jl Концентрация H2S (мг/л) в культуре СРБ на Степень подавле- ния. % СРБ Число бактериальных клеток (в % от контроля)
2-е сутки 5-е сутки 7-е сутки
отсутст- вует - 25 90 160 0 100
I 100 1 8 22 86 30
1 50 1 11 30 81 32
1 25 3 18 45 72 42
1 10 10 80 147 8 95
1 5 12 82 155 3 99
2 100 1 3 13 92 10
2 50 1 9 16 90 22
2 25 6 45 88 45 69
2 10 10 83 123 23 90
2 5 10 84 127 21 92
3 100 5 76 144 10 92
3 50 7 83 147 8 95
3 25 15 85 153 4 97
3 10 19 85 160 0 100
3 5 25 92 165 - 102
4 100 3 20 48 70 41
4 50 8 65 120 25 89
4 25 12 76 137 14 93
4 10 15 82 155 5 98
4 5 20 85 158 1,3 100
наблюдалось статистически достоверное повышение числа клеток СРБ и увеличение продуцирования сероводорода по сравнению с контролем, связанное с получением дополнительных питательных веществ за счет ингибитора. Небольшой бактериостатический эффект, обнаруживаемый веществами (3) и (4) в концентрациях более 25 мг/л, связан, по-видимому, с известным в микробиологии явлением подавления численности микрооргаггизмов избыточными концентрациями компонентов среды.
ЛИТЕРАТУРА
] Литвиненко С.И. Защита нефтепродуктов от действия микроор-
ганизмов. М Химия, 1977 С 143 2 Симакова Т.Л., Колесник З.А. Бактерии пластовых вод. нефтей и пород нефтяных месторождений СССР М Гостехиздат. 1962 С. 115
3. Биоповреждения. М.: Высш пне, 1987. С 33
4. Красильников Н.А. Определитель бактерий и актиномицетов М -Л ; Изд-во АН СССР, 1949, 829 с.
5. Tmdinger P.A. Mikrobes. metals and minerals V Minerals, Sci Eng 1971. № 3. P. 13-25
6. Заварзин Г.А. Лиюгрофные микроорганизмы. M Мир. 1972 С. 317-319.
7. Розанова Е.П., Кузнецов С.И. Микрофлора нефтяных месторождении. М., 1974. С. 198.
8. Герасименко В.II Защита машин от биоповреждений. М.: Машиностроение. 1984. С. 198.
9. Л'ЬшинаА.А. Дис. . канд. хим. наук. Калининград: Кал. ГУ, 1997
10 Липович Р.Н., Асфаноияров Ф.Н., Низамов FCP., Гоник А.А., Рождественский Ю.Г., Тихова Е.Н., Калимукин А.А. Методика оценки защитного действия реагентов, подавляющих микробиологическую коррозию Уфа- ВНИИСПТнефть. 1977 С 35 1 1 ВигОорович В.И.. Нагорное С.А. , Романцова С.В. Стабилизация дизельных топлив в условиях длительного хранения / Вести ТГУ. Сер. Естеств. и технич науки Тамбов. 1999 Т 4. Выи 3. С 312-315
12. Виморович В.И., Романцова С.В., Нагорное С.А. Арзамасцев А.А. Ингибирование коррозии стали в подтоварной воде при хранении нефтепродуктов/'' Вести ТГУ Сер Естеств и технич науки Тамбов, 1999 Т. 4 Вып. 3 С 316-319 13 Генетические коллекции микроорганизмов Итоги науки и техники. Сер Общие проблемы биологии Т 1 Модели и объекты биологических исследований М ВНИИТИ, 1982
Поступила в редакцию 7 июня 1999 г.
