- Resumen
- Introducción y
Antecedentes - Generalidades de las
Archeabacterias Hipertermofílicas que inducen
corrosión - Distribución natural de
Archeabacterias Hipertermofílicas y eubacterias
termófilas que inducen
corrosión - Bibliografía
La biacorrosión microbiana BC es uno de los
problemas
comunes en aleaciones y
materiales no
metálicos, empleados en la industria:
petrolera, generadoras de energía
eléctrica, térmica e hidroeléctrica
ó nuclear.
El papel de las
archeabacterias hipertermofilas y eubacterias termofilas en la
corrosión, está asociado con su
actividad química en la
superficie de la aleación, causada por las sustancias de
su metabolismo,
agresivas para la estabilidad química de los
metales de la
aleación. Cuando los microorganismos para su crecimiento
utilizan los minerales
existentes en el agua en
contacto con la aleación, por ello algunas archeabacterias
hipertermófilas y eubacterias termófilas se
aíslan de sistemas de
enfriamiento de aguas termales, estás constituyen un
problema potencial por su capacidad para causar corrosión, iniciada por el depósito
de materia
inorgánica y/ó orgánica (bioensuciamiento)
ó "ensuciamiento biológico", en la interfase
aleación /solución acuosa.
En este sitio se forma una biopelícula
microbiana, que provoca los cambios en las propiedades
químicas de la aleación y le hace perder su
estabilidad fisicoquímica. La BC daña la
infraestructura industrial y causa graves pérdidas
económicas. De ahí la necesidad de investigación básica y aplicada para
solucionar globalmente este problema. El objetivo de
está breve revisión, es analizar los aspectos
fundamentales que involucran la actividad microbiana de
microorganismos que crecen a temperaturas extremas, relacionados
con la BC de aleaciones.
Palabras clave: Procariotes, halofilas, ambiente
extremo.
I. Introducción y Antecedentes
1. La biocorrosión inducida por microorganismos
(BC)
La BC es un proceso
electroquímico similar a la inorgánica (de
oxido-reducción). El mecanismo básico de
cómo algunos microorganismos lo inician se explica como
sigue:
1) Producción de metabolitos microbianos por
una combinación de bacteria anaerobias y
qumiolitotroficas: ácidos
fuertes como: sulfíhidrico (H2S) y
sulfúrico (H2SO4).
2) Formación de biopelicula derivada del
establecimiento de los microorganismos en la superficie de la
aleación, derivada del depósito discontinuo sobre
su superficie y por la diferencia en la concentración de
oxígeno
que origina un potencial redox.
3) Ruptura de la película protectora artificial y
natural que evitan la BC sobre la aleación.
4) Bloqueo y/ó destrucción de inhibidores
de la BC y eliminación de los revestimientos de
protección por la actividad química, por los
metabolitos microbianos liberados sobre la aleación y
causa su sensibilidad, a la elevada temperatura a
la que está sometida.
5) Despolarización causada por las reacciones
catódicas y aniónicas en la superficie de la
aleación, derivada de la actividad microbiana en la
interfase aleación/ agua en ese
ambiente
(Blotovogel et al., 1985; Beaty et al., 1986).
La teoría
de despolarización catódica de Von Wolzogen y Van
der Vlugt, explican las reacciones
químicas en ese sitio de la aleación y que
causan su BC (Achebach-Richter et al., 1987; Bayley et al.,
1979):
Para ver el gráfico
seleccione la opción "Descargar" del menú
superior2) BC por oxidación del hierro
reducido disponible (reacción anódica): Fe
Fe2+ + 2 e-2 por la actividad de
bacterias
quimiolitotroficas.Para ver el gráfico
seleccione la opción "Descargar" del menú
superior- Ionización del agua:
- Formación de hidrógeno derivado del
ambiente anaeróbico que estimula una reacción
catódica: H+ + e- H0,
por la actividad biológica en ausencia de oxígeno molecular.
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4) Desporalización catódica de la
aleación por la respuesta microbiana a la anaerobiosis con
los aceptores alternativos de electrones existentes utilizadas
por bacterias
reductoras de sulfatos: SO2-4 +
8H0 S2- + 4H2O
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5) Reacciones anódicas secundarias por la
formación de ácidos
fuertes de origen microbiano: Fe2+ + S2-
FeS Fe2+ + 2 OH- Fe
(OH)2
Estas reacciones se revisaron en años posteriores
por otros investigadores (Brock, 1986; 1978) y se confirmaron en
lo general. Es posible hacer una síntesis
de la siguiente ecuación:
Para ver el gráfico seleccione la
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4 Fe2+ + SO2-4 + 4 H2O
FeS + 3Fe (OH)2 + 2 OH-
En la BC a elevadas temperaturas los microorganismos
hipertermofilicos y eubacterias termofilas actúan en la
interfase entre la aleación y el ambiente acuoso
circundante (Bayley y Morton 1978; Brock, 1985), estos grupos
bacterianos son responsable de la BC sobre la aleación a
elevadas temperaturas (Brock et al., 1972).
La biopelícula se constituye con un material
polimérico extracelular de naturaleza
polisácarida sintetizado por los microorganismos
hipertermofilos y eubacterias termofilas (Krulwich y Guffanti
1983; Kushner 1978). En su conjunto la biopelícula es
equivalente a una membrana de intercambio iónico. A
través de la cual se realiza el transporte de
productos
tanto inorgánicos como orgánicos desde y hacia la
interfase aleación/agua circundante (Boone et al., 1986;
White., 1984).
La BC causa la formación de picaduras en donde
por su tamaño las bacterias penetran en las cavidades e
irregularidades de la superficie de la aleación (Krzycki
et al., 1982). Estas bacterias se movilizan para la
búsqueda condiciones favorables para su crecimiento, por
quimiotaxis positiva hacia los depósitos de material
orgánico/ inorgánico (Fiala y Stetter 1986;
Burggraf et al., 1990). Durante el establecimiento de la
biopelícula los microorganismos excretan estos
polímeros, para adherirse a la superficie de la
aleación la unión polimérica entre bacterias
y la aleación se detecta por microscopia electrónica de barrido y por métodos
electroquímicos (Zillig y Holz, 1981). El grado de
unión entre las capas microbianas que constituyen la
biopelicula y la aleación depende de factores ambientales:
concentración de compuestos de carbono,
nitrógeno orgánico y otros elementos de para
estimulan el crecimiento microbiano. Algunos físicos:
también influye temperatura y
velocidad del
flujo del agua en sistemas de
enfriamiento. Walch y Mitchell (Ronnow y Gunnarsson, 1981),
señalan que archeabacterias hipertermofilicas y
eubacterias termofilas en la biopelicula son las principales
responsables (Oren., 1987).
La BC por archeabacterias y bacterias termofilas es un
fenómeno observada en sistemas de tubería que se
emplean aguas termales, en la industria del
papel y en la
generadora de electricidad
(Huber et al., 1989). Para evitar BC es clave que aleaciones de
tuberías se protejen con pinturas de lo contrario el
daño por los microorganismos es severo como lo reportado
en la industria petrolera (Bonch-Osmolovskaya et al., 1990). Al
igual que en los materiales
metálicos y no metálicos de instalaciones de
plantas de
tratamientos de aguas provenientes de fuentes
industriales, en donde la elevada temperatura es un factor
crítico para la sensibilidad de la infraestructura a la BC
(Ljugdahl y Wiegel, 1981). En estos ambientes ricos en nutrientes
minerales se
estimula la actividad microbiana corrosiva hipertermofilica y
termofila (Zillig et al., 1981). Lo anterior es especialmente
critico en zonas marítimas y en plantas
generadoras de energía geotérmoelectrica (Huber et
al., 1982; Mah, 1982). El impacto de la BC hipertermofilica y
termofilica provoca pérdidas económicas en la
infraestructura de acero inoxidable
naval, en aleaciones de aluminio,
cobre, fierro,
incluso en materiales no metálicos: hormigón y
fibrocemento, etc (Huber et al., 1987).
Las pérdidas causadas de la CIM hipertermofilica
y termofilas son equivalentes al 4% de producto interno
bruto (PIB) de
Venezuela y
del Reino Unido. En general se cree que 10% de los casos de BC
son provocados por microorganismos de estos tipos (Patel et al.,
1985). Lo que sugiere que una una amplia diversidad de
géneros de archeabacterias y eubacterias que inducen
corrosión como los que se describen a continuación
(Oren, 1991; Wingdberger et al., 1989):
Eubacterias termofilas.
a) Bacterias reductoras de sulfatos (BRS): De los
género
Desulfovibrio desulfuricans, Desulfotonaculum sp que usan el
anión sulfato (SO=4) como aceptor
final de electrones, agente oxidante y reductor de la materia
orgánica disponible en el ambiente de torres de
enfriamiento y agua de geotermias. Las BRS poseen la enzima
hidrogenasa que cataliza la reducción de sulfatos con
hidrógeno, esta enzima requiere de elevados niveles de
fierro en su composición. Las BRS habitan en sitios ricos
en este elemento en estado
reducido en anaerobiosis estricta (Soutschek et al., 1984; Pley
et al., 1991).
b) Bacterias quimiolitotroficas, que oxidan azufre
elemental de los géneros: Leptospirillum ó
Thiobacillus que oxidan sulfuros derivado del ácido
sulfúrico en sulfatos, lo que causa una drástica
disminución del pH, el menor
de origen biológico en la naturaleza (Saiki
et al., 1985; Stetter, 1986). Oxidan además el ión
ferroso a férrico que interviene en el ciclo del Azufre en
el suelo y
el agua (Fiala
et al., 1986).
c) Bacterias formadoras de lama: Frecuentes en aguas
industriales en aerobiosis, al crecer liberan
polisácaridos que obstruyen las tuberías, retienen
materia orgánica para favorecer y estibular la actividad
de otras como las BRS. de esa manera inducen la BC (Reddy et al.,
1972).
d) Bacterias filamentosas del hierro. Como
el género
Sphaerotilus, natans que oxida el ión ferroso a hidrato
férrico insoluble, para formar una cubierta ó vaina
que envuelve sus células.
El polímero de las vainas es un polisacárido
característico de estas bacterias
filamentosas (Wiegel y Ljungdahl, 1986). Este sirve como
depósito para que otros microorganismos se activen en un
sitio definido de la aleación.
En conjunto estas poblaciones bacteriasnas se convierten
en una comunidad
microbiana activa, que resulta en un foco de ataque, responsable
de la obstrucción de la tubería en previa a la BC
(Rengpipat et al., 1988).
II. Generalidades de
las archeabacterias hipertermofilicas que inducen
corrosión.
Las arqueobacterias (AB) son una categoría de
procariotes de ambientes extremos En general las AB son células
Gram negativas de tipo bastón, filamentosas ó
cocos. Su temperatura máxima de crecimiento varía
entre 70°C y 105°C existen en ambientes
acidofílicos ó neutrofílicos, terrestres,
acuáticos, hidrotermales, geotermales e hipersalinos de
tipo anderobio como aerobios. Existen las anaerobias obligadas y
facultativas: que crecen a temperatura superior de 100°C, a
su vez se subdividen en cinco principales: a) El que oxida azufre
que causa BC de aleaciones; como las AB hipertermófilas
aerobias obligadas; b) las anaerobias facultativas ; c) las
anaerobias estrictas. En general las AB son células Gram
negativas de tipo bastón, filamentosas ó cocos. Su
temperatura máxima de crecimiento varía entre
70°C y 105°C existen en ambientes acidofílicos
ó neutrofílicos. d) Las AB metanogénicas que
reducen también sulfatos. e) Las AB halofílicas que
no tienen pared celular (Stetter, 1988). Su principal característica en común es su
adaptación a condiciones ambientales poco frecuentes:
elevada temperatura y presión,
concentración salina extrema, como las observadas en las
geoterminas y fumarolas, etc (Stetter et al., 1981; Zinder,
1986).
III. Distribución natural de archeabacterias
hipertermofilas y eubacterias termófilas que inducen
corrosión.
En la naturaleza existen hábitats de temperatura
elevada en la que la mayoría de los microorganismos
conocidos no supervive. Como en el suelo donde la
temperatura durante el día puede alcanzar entre 60 a
70° C y ello elimina un alto porciento de la población microbiana nativa.
En ambientes acuosos el punto de ebullición tiene
un efecto de selección
natural sobre la biota autoctona. Al igual que en el fondo de los
océanos con temperatura sobre los 350° F, al igual que
en zonas con fuentes
termales en donde el termómetro registra más de 100°C
(Oren, 1988; Woese, et al., 1990).
Los hallazgos de archeabacterias hipertermofilas y
eubacterias termofilas en estos hábitats sugiere, que
estos grupos tienen dos
aspectos fisiológicos principales: i) Su adaptación
para crecer en ambientes extremos; ii) su capacidad para
mantenerse en latencia o supervivir por largos periodos de
tiempo en esos
ambientales desfavorables, comparado con el promedio de la biota
conocida en la naturaleza (Zillig et al., 1982; Zeikus et al.,
1981).
En general las bacterias termófilas moderadas
crecen entre 60 y 80° C, pertenecen a las eubacterias;
mientras que las AB hipertermófilas crecen entre los
80-100°C ó más. Estas últimas son de
interés
ecológico e industrial por su capacidad de crecimiento que
se registra también a temperatura superior a 100°
C.
La diversidad y ecología de estas AB
hipertermofilas y algunas eubacterias termofilas en fuentes
termales, se describió por primera vez en 1979 por Zeikus
et al., (Svetlichny et al., 1987). Desde entonces las AB
hipertermofilas y eubacterias anaerobias termófilas se
aíslan de áreas volcánicas submarinas, de
plantas geotermoeléctricas y de sedimentos marinos como
las aperturas hidrotermales (Weimer, 1986). En algunas de esas
áreas hidrotermales como el parque nacional de
Yellowstone, en EUA. Se reporta una diversidad de AB
hipertermofilas y algunas eubacterias termofilas que constituyen
capas de comunidades microbianas ó forman una
biopelículas, en la cual la fuente de agua
volcánica provee la temperatura constante, elevada y los
minerales que estimulan su crecimiento (Zeikus et al., 1980).
Estas biocapa de AB hipertermofilas y eubacterias
termófilas se localizan en la parte superior de la
biopelícula, sitio en donde la luz penetra para
induce el crecimiento de las bacterias fototrofas, que usan la
luz solar para
absorber los minerales del ambiente y que liberan productos
orgánicos, que son desechos corrosivos, los que a su vez
son utilizables como nutrientes por otras eubacterias
quimiorganotroficas termoanaerobias, que finalmente y estimulan
la BC en sitios de elevada temperatura.
Algunas AB hipertermófilas pertenecen a los
géneros Thermoproteus, Termophilum y Desulfurococcus, que
se aíslan de sitios ricos en azufre a temperatura de entre
55°C-100°C y valores de
pH de 3 a 7.
En hábitat similares pero con pH de 5 se detectan los
géneros Thermophylum e incluso Desulfurococcus mezclados
con Metanothermus (Woese, 1987).
Las AB hipertermófilas son Gram negativas, son
autotrofas utilizan CO2 como única fuente de
carbono,
obtienen su energía de crecimiento por la oxidación
del hidrógeno. Otras AB hipertermófilas son
heterotroficas aerobias y producen CO2 y
H2S al crecer (Madigan et al., 2003). En general estas
AB hipertermofilas utilizan minerales necesarios para su
crecimiento en ambientes extremos, como las que se registran en
las plantas geotermoelectricas. Lo cual requiere de especial
atención e investigación por el impacto negativo que
causan sobre la infraestructura de esa planta industrial.
Principalmente la que genera energía
eléctrica. Esto implica evitar controlar la actividad
de AB hipertermofilas y eubacterias termofilas para reducir las
perdidas económicas causadas por su actividad.
Es necesario establecer estrategias que
prevengan la actividad de deterioro biológico de este
grupo
procariote y aplicar biocidas eficaces y baratos que no
contaminen el ambiente.
Las AB hipertermofilas y eubacterias termofilas de
ambientes extremos tiene un potencial explotable en los procesos
industriales por métodos
simple e ingeniería
genética, para procesos de
valor
comercial como la lixiviación de minerales de plata, oro,
e incluso de metales
radioactivos, etc. La lixiviación bacteriana genera
temperatura que inhibe para la actividad de las bacterias
mesofilas y limitan su explotación y optimización
para la extracción de metales. Actualmente se desarrolla
investigación no solo para la lixiviación de
minerales en el laboratorio;
también "in situ", aumenta su valor como una
biotecnología ecológicamente segura
para disminuir la utilización de tecnología
química que contamina el ambiente, que es poco eficaz en
los procesos industriales de extracción de metales de
interés
comercial. A explotación inteligente de estos dos grupos
tiene evidentes beneficios, sin embargo investigación
básica y aplicada es necesaria para lograrlo.
Agradecimientos a Beatriz Noriega-Gamboa y Siloé
Gutiérrez por su trabajo secretarial.
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Dr. Juan Manuel
Sánchez-Yáñez