- 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):
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2) BC por oxidación del hierro reducido disponible (reacción anódica): Fe Fe2+ + 2 e-2 por la actividad de bacterias quimiolitotroficas.
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- 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:
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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