Возбудители микробиологической коррозии в тепловых сетях

Оглавление
1.1.	Возбудители микробиологической коррозии в тепловых сетях	2
1.2.	Механизм биологической коррозии	13
1.3.	Сульфатредуцирующие бактерии в грунтах	20
1.4.	Требования к качеству воды для систем теплоснабжения	26
2.1 Методы предотвращения бактериологического загрязнения	29





































1.1. Возбудители микробиологической коррозии в тепловых сетях

     При проведении анализа современной научной литературы было обнаружено, что микробиологическое загрязнение в системах теплоснабжения встречается по всему миру. В магистерской диссертации мы  рассмотрели случаи столкновения с данной проблемой с разных сторон, взяв за основу три точки зрения - наших соотечественников, ученных ближнего и дальнего зарубежья. 
     Повышение энергетической эффективности систем теплоснабжения во многом зависит от эксплуатации инженерных коммуникаций. Основная причина повреждения тепловых сетей является бактериологическое загрязнение трубопроводов. Бактериологическое загрязнение возникает в результате жизнедеятельности различных микроорганизмов. [1]
     Воздействие микроорганизмов на процессы коррозии может быть очень большим. Наиболее опасными микроорганизмами являются бактерии, так как они быстро размножаются и легко приспосабливаются к изменяющимся условиям среды. Микроорганизмы подразделяют по условиям развития на 2 группы — аэробные организмы, развивающиеся в присутствии молекулярного кислорода в воде, и анаэробные, не нуждающиеся в свободном кислороде. Существуют и микроаэрофильные организмы, которым достаточно очень небольших количеств кислорода. В то же время анаэробы могут быть облигатными, т.е. растущими только в отсутствии кислорода, и факультативными, развивающимися как в присутствии кислорода, так и без него. Обычно в коррозионных процессах участвуют организмы нескольких видов, связанных между собой, и совместно обуславливающих коррозионные разрушения. Анаэробные бактерии могут развиваться на поверхности металла в воде с высоким содержанием кислорода (стояночные условия теплосети), если они находятся под слизистыми скоплениями аэробных бактерий. Для жизнедеятельности бактерий необходима питательная среда (углерод, азот и другие элементы). По типу питания микроорганизмы подразделяют на автотрофные, усваивающие углерод из неорганических соединений (например карбонатов и бикарбонатов) и гетеротрофные, использующие органические соединения. В подавляющем большинстве тепловых сетей сетевая вода содержит вещества, необходимые для питания бактерий. Для жизнедеятельности бактерий необходимо создание определенных условий их развития: наличие воды, оптимальная температура, величина рН и т.д. По отношению к температурным условиям микроорганизмы разделяют на психофилы, развивающиеся при температуре 0 °С; мезофилы, растущие при температурах 30–40 °С, и термофилы, способные расти при температурах выше 55 °С.
     Рассмотрим, какие же конкретно бактерии, являются причинам микробиологической коррозии.
     Наиболее коррозионно-опасными являются 3 группы бактерий: железобактерии и бактерии, участвующие в преобразовании соединений серы — тионовые и сульфатвосстанавливающие бактерии.
     Железобактерии поглощают железо в ионном состоянии и выделяют его в виде нерастворимых соединений. Например, бактерии рода Gallionella поглощают ионы Fe3+ и выделяют Fе(ОН)3 в виде спиральных нитей. Образующиеся при этом локальные обрастания поверхности металла приводят к появлению пар неравномерной аэрации и, следовательно, к возникновению язв. Эти бактерии — аэробы, т.е. они развиваются только в присутствии кислорода, но для их развития достаточно даже небольших концентраций О2. Если развитие бактерий происходит в щели или питтинге, где возможно образование кислой среды (особенно для нержавеющих сталей), то образуются растворимые продукты окисления железа бактериями. Ионы Fe3+ являются в кислой среде эффективными деполяризаторами. В их присутствии коррозия усиливается [83]. Эти бактерии развиваются в воде с рН 4–7 и температурой от 5–40 °С. Это типичные условия теплосети во время
ремонтных работ. Железобактерии в основном являются автотрофами, но существуют и гетеротрофные бактерии, потребляющие органические вещества.
     Сульфатвосстанавливающие бактерии (СВБ) восстанавливают ионы SO42– до сероводорода Н2S и сульфидов. Считается, что при этом СВБ потребляют водород [84], хотя существуют и другие мнения. Для жизнедеятельности СВБ необходимо наличие сульфатов в воде. СВБ — анаэробы, но они могут существовать под осадками и при небольшом содержании кислорода в воде. Влияние СВБ на процессы коррозии связано с выделением Н2S, реагирующего с продуктами коррозии с образованием FeS.
     Тионовые (сероокисляющие) бактерии могут существовать и при очень малых содержаниях кислорода в воде. Энергию для построения клеточного вещества эти бактерии получают в процессе окисления серы или серосодержащих соединений до сульфат-ионов и Н2SO4, которая вызывает сильное подкисление окружающей бактерии среды. Концентрация вырабатываемой бактериями H2SO4 может составлять до 10%. Некоторые тионовые бактерии окисляют FeSO4 до Fе2(SO4)3, который выступает как активный окислитель в катодных процессах.
     Наибольший вред из вышеперечисленных микроорганизмов приносят сульфатредуцирующие бактерии, согласно исследованиям датских ученных количество бактерий по данным метода флуоресцентной микроскопии находилось в пределах 8,5·103–9,7·105 клеток/см3. Микробиологической коррозии подвергаются в датских системах теплоснабжения такие металлы как чугун, низкоуглеродистая сталь, алюминий и медь, хотя ранее считалось, что медь является ядом для микроорганизмов. В ходе микробиологического обследования в 6 из 9 датских систем теплоснабжения были обнаружены СВБ, в т.ч. термофильные и мезофильные бактерии.
     При обследовании отдельных коррозионно-опасных участков трубопровода и других объектов городской теплосети (Киев) было отмечено, что трубы покрыты слизью и продуктами коррозии рыжего цвета. На всех участках в разном количестве обнаружены сульфатредуцирующие бактерии. На участках, температура эксплуатации которых была 35-45°С, количество сульфатредуцирующих бактерий (изоляты ТС1, ТС2, ТС6) составляло 102-104 кл/мл (табл. 1). В образцах, отобранных в точках, эксплуатируемых при температуре 60°С (изоляты ТС3, ТС4, ТС5) сульфатредуцирующих бактерий обнаружено на 2-6 порядков больше (105-108 кл/мл). Следовательно, повышение температуры эксплуатации теплосети способствовало развитию сульфатредукторов.
     При отборе образцов был зафиксирован ощутимый запах сероводорода. Известно, что сероводород продуцируется сульфатредуцирующими бактериями при восстановлении серы сульфатов из среды (S+6 ? S-2). Известно, что биогенный сероводород, взаимодействуя с ионами железа, приводит к образованию сульфида железа, который как дополнительный катод может принимать непосредственное участие в электрохимическом коррозионном процессе [1, 12]. Ранее нами было показано, что накопление сероводорода Desulfovibrio sp. 10 коррелировало с коррозионным разрушением стальных образцов [8]. Учитывая тот факт, что сероводород является активным коррозионным агентом, нами исследовано образование сероводорода выделенными изолятами сульфатредуцирующих бактерий в диапазоне температур, соответствующих условиям эксплуатации теплосетей: от 20 до 60°С (табл. 2).
     Таблица 1
     Количество сульфатредуцирующих бактерий, обнаруженных на различных участках теплосети
Изолят
Температура эксплуатации
в точке отбора, ?С
Количество бактерий, кл/мл
ТС2
 35–40 
2,5?103
ТС6
 35–40 
1,3?104
ТС1
 40–45 
1,5?102
ТС5
 60 
1,3?107
ТС3
 60 
0,6?108
ТС4
 60 
1,3?105

Таблица 2
Образование сероводорода сульфатредуцирующими бактериями при разных температурах 
Изолят 
Температура в
точке отбора, ?С
Количество сероводорода, мг/л


20?С 
28?С 
42?С
60?С
ТС2 
35–40
 280±7 
280±6 
325±12
 250±7
ТС6 
35–40
 270±6 
260±6 
290±7 
270±7
ТС1 
40–45
 250±4 
300±10
 300±11
200±7
ТС5 
60      
 240±3 
250±3 
250±4 
280±6
ТС3 
60      
 215±7 
280±8 
400±11
420±13
ТС2 
60      
 225±4 
240±7 
260±4 
280±9

     Было отмечено, что при культивировании выделенных изолятов сульфатредуцирующих бактерий при разной температуре продукция сероводорода была различной. Изоляты ТС2 и ТС6, выделенные на участке с температурой эксплуатации 35–45°С, накапливали максимальное количество сероводорода (290–325 мг/мл) при температуре 42°С, а изолят ТС1 при тем-
пературе 28–42°С. Изоляты ТС3, ТС4, ТС5, выделенные на участках, эксплуатируемых при температуре 60°С, больше продуцировали сероводород при температуре культивирования 60°C. Наибольшее количество сероводорода (до 420 мг/мл) продуцировал в этих условиях изолят ТС3, что почти на 50 % больше, чем при температуре 28°С. Вариабельность продукции сероводорода при культивировании в разном температурном диапазоне свидетельствует о способности большинства сульфатредукторов адаптироваться к условиям существования в теплосетях, кроме того является свидетельством их коррозионной агрессивности.
     Вследствие этого возникла заинтересованность в более детальном изучении морфологических и физиолого-биохимических свойств, обнаруженных при обследовании теплосетей сульфатредуцирующих бактерий. Установлено, что штаммы сульфатредуцирующих бактерий отличались морфологически (рисунок). Клетки штамма ТС1, ТС5 и ТС6 имели форму вибрионов, иногда соединены попарно, с пучком жгутиков, расположенных полярно. Штамм ТС2 имел форму палочек. Размер клеток штаммов ТС1 и ТС2, ТС5 варьировал в диапазоне 1,76–1,85?0,59–0,67мкм. Клетки штамма ТС6 имели размер 2,30?0,71мкм (рисунок).
     Клетки штамма ТС3 представлены палочками, способными к образованию терминально расположенных спор (видно на срезе (?8000 раз)). Размер клеток варьировал в диапазоне 2,31?0,65 мкм. Клетки штамма ТС4 имеют сигмовидную или серповидную форму. Размер клеток варьировал в пределах 2,06?0,6 мкм (рисунок).
     По ряду физиолого-биохимических признаков сульфатредуцирующие бактерии можно охарактеризовать следующим образом (табл. 3). Все выделенные штаммы являются грамотрицательными, мезофильными, факультативными анаэробами, кроме штамма ТС3, который оказался грамположительным и спорообразующим. В качестве донора электронов и источника углерода все штаммы использовали ряд простых органических кислот и спиртов, таких как лактат, этанол, бутанол, ацетат, пируват, сукцинат, аланин, лизин, триптофан, совсем не использовали формиат, оксалоацетат, малеат, глутамат и аспарагинат. Акцепторами электронов служили такие соединения серы как сульфат, сульфит и тиосульфат. Исследованные штаммы, кроме ТС5 и ТС6, использовали также нитрат.
     
     Рисунок. Электронная микроскопия штаммов сульфатредуцирующих бактерий, длина масштабной метки – 500 нм: Desulfovibrio sp. ТС1, ТС2, ТС5, ТС6, Desulfotomaculum sp. ТС3, Desulfomicobium sp. ТС4.
     
     Штаммы ТС1, ТС2, ТС5, ТС6 оказались подобными по физиолого-биохимическим свойствам. За исключением того, что штамм ТС2 в качестве акцептора электронов мог использовать элементную серу и нитрат, не использовал ацетон как донор электронов и источник углерода, а штамм ТС5 использовал в качестве донора электронов фенол. По морфологическим и физиолого-биохимическим признакам штаммы сульфатредуцирующих бактерий ТС1, ТС2, ТС5 и ТС6, согласно Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology [11], близки к представителям рода Desulfovibrio.
     Штамм ТС3 как донор электронов и источник углерода использовал лактат, этанол, бутанол, ацетат, ацетон, сукцинат, пируват, аланин, лизин, триптофан, аргинин, фенол. Не ассимилировал серин и аспарагин. Согласно «Определителю бактерий Берджи» [6], оказался близким к представителям рода Desulfotomaculum.
     Таблица 3
     Физиолого-биохимическая характеристика штаммов СРБ, выделенных из теплосетей.
При-
знак
Характеристика
ТС1
ТС2
ТС5
ТС6
ТС3
ТС4
Морфология
клеток
Окраска по Граму
-
-
-
-
+
-

Форма клеток
вибрионы
палочки
вибрионы
вибрионы
палочки
палочки

Размер клеток
1,85?0,67
1,76?0,59
1,79?0,59
2,30?0,71
2,31?0,65
2,06?0,60

Подвижность
+
+
+
+
+
+

Спорообразование
-
-
-
-
+
-
Отношение к кислороду
Факультативные анаэробы
Акцептор
электронов
Сульфат
+
+
+
+
+
+

Сульфит
+
+
+
+
+
+

Тиосульфат
+
+
+
+
+
+

Сера элементная
-
+
-
-
-
-

Нитрат
+
+
-
-
+
+
Донор электронов и источник углерода
Лактат
+
+
+
+
+
+

Этанол
+
+
+
+
+
+

Бутанол
+
+
+
+
+
+

Ацетон
+
-
+
+
+
+

Ацетат
+
+
+
+
+
+

Сукцинат
+
+
+
+
+
+

Пируват
+
+
+
+
+
+

Аланин
+
+
+
+
+
+

Серин
+
+
+
+
-
+

Лизин
+
+
+
+
+
+

Триптофан
+
+
+
+
+
+

Аспарагин
+
+
+
+
-
+

Аргинин
+
+
+
+
+
-

Фенол
-
-
+
-
+
-

Формиат
-
-
-
-
-
-

Бутират
-
-
-
-
-
-

Оксалоацетат
-
-
-
-
-
-

Малеат
-
-
-
-
-
-

Глутамат
-
-
-
-
-
-

Аспарагинат
-
-
-
-
-
-
Примечание:
«+» - наличие роста,
«-» - рост отсутствует.
Desulfovibrio
sp.ТС1

Desulfovibrio
sp.ТС2

Desulfovibrio
sp. ТС5

Desulfovibrio
sp. ТС6

Desulfotomaculum
sp.
ТС3

Desulfomicrobium
sp.
ТС4
     
     Штамм ТС4 в качестве донора электронов и источника углерода использовал также серин, аспарагин, ацетон, но не ассимилировал фенол, аргинин. По морфологическим и физиологическим признакам штамм сульфатредуцирующих бактерий ТС4, согласно Bergey's Manual of Systematic Bacteriology [11], оказался близким к представителям рода Desulfomicrobium.
     Для дальнейшей идентификации нами проведен частичный сиквенс участков ДНК штаммов ТС2, ТС3 и ТС4, кодирующих ген 16S рРНК.
     По данным сиквенса гена 16S рРНК оказалось, что нуклеотидная последовательность штамма ТС2 имеет 100 % гомологию с депонированной в GenBank нуклеотидной последовательностью Desulfovibrio sp. DSM 12803 (AJ251630.1), нуклеотидная последовательность штамма ТС3 имеет 92 % гомологию с депонированной в GenBank нуклеотидной последовательностью Desulfotomaculum sp. ECP-C-5 (AF529223.1), а нуклеотидная последовательность штамма ТС4 обнаружила 99% подобие последовательности Desulfomicrobium baculatum DSM 2555 (AY464939.1) (табл. 4.) Итак, с помощью молекулярно-генетических исследований была подтверждена принадлежность штамма ТС2 к роду Desulfovibrio, штамма ТС3 к роду Desulfotomaculum, а штамма ТС4 к роду Desulfomicrobium. Следует подчеркнуть, что определение структуры коротких фрагментов генов, кодирующих рибосомальную ДНК пригодно для идентификации бактерий, но требует определения структуры длиной не менее 200 оснований [2].
     Таблица 4
     Уровень гомологии нуклеотидных последовательностей гена 16S рРНК штаммов сульфатредуцирующих бактерий из техногенных зон 
     
Штамм
Вид, номер и код доступа референт-штамма в базе данных GenBank
Идентичность
последовательностей, %
Desulfovibrio
sp ТС2
Desulfovibrio sp. DSM 12803 (AJ251630.1)
100

Desulfovibrio sp. H1 (FJ225426.1)

Desulfotomaculum
sp. ТС3
Desulfotomaculum sp. ECP-C5 (AF529223.1)
92

Desulfotomaculum sp. DSM 7440 (Y11579.1)
90
Desulfomicrobium
sp. ТС4
Desulfomicrobium baculatum strain DSM 2555 (AY464939.1)

99

Desulfomicrobium sp. La1.1 (AF228113.1)

     
     Таким образом, впервые было установлено, что на участках теплосетей Киева, эксплуатируемых при различных температурах, развиваются сульфатредуцирующие бактерии, отличающиеся по морфолого-физиологическим свойствам. При этом на участках, эксплуатируемых при температурах 35-45°С обнаружены бактерии рода Desulfovibrio, а на участках с температурой эксплуатации 60°С развиваются сульфатредуцирующие бактерии родов Desulfotomaculum и Desulfomicrobium.
     Полученные нами результаты свидетельствуют о филогенетическом разнообразии сообщества сульфатредуцирующих бактерий, развивающихся на отдельных участках трубопроводов и других объектах теплосети. Доминирующей группой сульфатредукторов в этой эконише были бактерии рода Desulfovibrio, обладающие многообразными физиологическими и адаптативными способностями. Известно, что они широко распространены во многих экосистемах, в том числе отмечено их распространение в зонах прокладки и эксплуатации газопроводов, где эта группа бактерий является инициатором микробной коррозии стали [1, 14]. При проведении микробиологического обследования отдельных участков стальных трубопроводов и других объектов теплосети г. Москвы были обнаружены термофильные сульфатредуцирующие бактерии Desulfotomaculum nigrifi cans. Показано, что в этой тепловой сети протекает интенсивная внутренняя коррозия трубопроводов магистралей, связанная с развитием именно этой группы бактерий [9, 10]. D. nigrificans был найден также и в продуктах подземной коррозии наружных стенок колодцев теплосети, а также в прогреваемых теплопроводами грунтах [3]. Широкое распространение сульфатредуцирующих бактерий в коррозионных отложениях свидетельствует в пользу развития биогенных процессов сульфатредукции в трубопроводах тепловой сети.
     Вывод:
1. Согласно исследованиям, в системах теплоснабжения находятся сульфатредуцирующие бактерии  следующих родов  Desulfovibrio, Desulfotomaculum, Desulfomicrobium. С нашей точки зрения наибольшую опасность представляют спорообразующих бактерий рода Desulfotomaculum, так как они могут сохраняться в течение длительного времени в широком диапазоне температур и при благоприятных условиях становиться очагом микробной коррозии.
2. Изучение распространения и функционирования сульфатредуцирующих бактерий в системах теплоснабжения имеет  важное значение, поскольку такие исследования необходимы для предупреждения отрицательного влияния на качество сетевой и подпиточной воды систем теплоснабжения, замедления процессов внутренней коррозии.

















1.2. Механизм биологической коррозии
     Процесс биологической коррозии под действием сульфатредуцирующих бактерий достаточно сложен, поскольку  зависит от большого количества факторов (скорость потока воды, перманганатная окисляемость, pH, количество растворенного кислорода в воде и т.д.), параллельно протекает в несколько многостадийных этапов образования и влияет на другие виды коррозии.
     В настоящее время существует несколько гипотез относительно механизма анаэробной коррозии стали, железа и алюминия под действием сульфатредуцирующих бактерий, из которых представляют интерес следующие:
* катодная деполяризация, проявляющаяся в стимуляции катодного участка коррозирующего металла путем перемещения и потребления бактериями поляризованного водорода;
* стимуляция катодной деполяризации твердыми сульфидами железа, образующимися в результате взаимодействия ионов железа с сульфид-ионами, которые являются конечным продуктом бактериального восстановления сульфатов. (http://voda.na.by/index.files/14.htm)
     Процесс коррозии, вызванной влиянием микроорганизмов, начинается с их адгезии на поверхности металла, что приводит к образованию биопленки [1]. На первой стадии происходит прикрепление микроорганизмов из окружающей среды к поверхности металла за счет наличия электростатических сил и условий для адгезии, таких как свободная энергия металлической поверхности, шероховатость и гидрофобность, наличие границ зерен металла [2]. Такая адгезия в дальнейшем становится необратимой благодаря синтезу бактериями экзополимеров (ЭПМ). В состав экзополимеров входят белки, нуклеиновые кислоты, липиды, экзополисахариды, содержащие разные функциональные группы, которые могут связывать металлы и, кроме этого, взаимодействуя между собой, образовывать новые структуры.
     Как микроорганизмы, так и их экзополимеры могут приводить к коррозии на внутренней границе биопленки со сталью. В этом отношении наибольший интерес представляют сульфатвосстанавливающие бактерии (СВБ), как наиболее агрессивные. Производимые СВБ сульфиды обусловливают катодную деполяризацию водорода и нарушают инертность стали путем усиления анодного взаимодействия [3]. В то же время и экзополимеры, выделяемые СВБ, могут создавать комплексы с ионами металла и тем самым влиять на коррозию стали вследствие их кислотной природы [2]. Разделить вклад в процессы адгезии и коррозии, вносимый бактериями и синтезируемыми ими экзополимерами, сложно, поэтому (статья стали и полимеров) и  возникли вышеперечисленные гипотезы.
     Предварительные исследования [4] по определению скорости и механизма коррозии тонких пленок стали ВСт3сп, вызываемой данными бактериями, подтвердили возможность использования тонкопленочных матриц в качестве модели поверхности металла при экспресс-анализе коррозионных процессов, а также то, что скорость коррозии является универсальным критерием, который позволяет сравнить вклады, вносимые различными штаммами бактерий в коррозионный процесс.
     На рис. 1 представлена зависимость скорости коррозии в присутствии СВБ Desulfovibrio sp. Киев-10 и Desulfovibrio desulfuricans Киев-45, а также питательной среды Постгейта “Б” от времени воздействия на пленку стали. Установлено, что скорость коррозии, вызванной СВБ Desulfovibrio sp. Киев-10 и Desulfovibrio desulfuricans Киев-45, имеет величину порядка 10-6 г/см2·мин.
     
     Рис. 1. Зависимость скорости v биокоррозии, стимули-рованной культурами Desulfovibrio sp. Киев-10 (1) и Desulfovibrio desulfuricans Киев-45 (2) и средой Постгейта “Б” (3), от времени t воздействия растворов на пленку стали.
     На рис. 1 также видно, что скорость коррозии, вызываемая СВБ Desulfovibrio sp. Киев-10, больше, чем вызываемая Desulfovibrio desul-furicans Киев-45.
     Скорость коррозии стали в питательной среде Постгейта “Б” (рис. 1) намного меньше, чем в присутствии бактерий. Это свидетельствует о том, что коррозия вызвана бактериями.
     На рис. 2 приведена концентрационная зависимость скорости коррозии, вызванной экзополимерами СВБ Desulfovibrio sp. Киев-10 и Desulfovibrio desulfuricans Киев-45 на пленках стали. При низких уровнях разведения (1 : 10) скорость коррозии у данных экзополимеров составляет менее 10-7 г/см2·мин. При более сильном разбавлении (1 : 100) скорость коррозии резко возрастает до 3·10-6 г/см2·мин у экзополимеров СВБ Desul-fovibrio sp. Киев-10 и до 1·10-6 г/см2·мин у экзополимеров СВБ Desulfovibrio desulfuricans Киев-45. При дальнейшем разбавлении (1 : 1000) скорость коррозии снова снижается.
     
     
      Рис. 2. Зависимость скорости v коррозии, вызванной растворами экзополимеров Desulfovibrio sp. Киев-10 (а) и Desulfovibrio desulfuricans Киев-45 (б) от времени t воздействия на пленку стали при отношениях разведения раствора в воде 1 : 10 (1), 1 : 100 (2), 1 : 1000 (3).
      
     Концентрационная зависимость скорости коррозии на тонких пленках стали ВСт3сп под воздействием экзополимеров, возможно, обусловлена их полимерной структурой. Можно предположить, что при слабом разведении (1 : 10) экзополимеры, оседая в растворе на поверхность металла, создают сплошную защитную пленку, препятствующую взаимодействию ионов Fe с окружающей средой. Реакционноспособные группы самих экзополимеров, такие как карбоксильные и аминогруппы [2], участвуют либо в меж-молекулярных взаимодействиях в массе биопленки, либо в взаимодействии с поверхностью металла. Возможно, продукты коррозии не могут выйти из-под экзополимерной пленки и поэтому сами становятся частью защитного покрытия. При более сильном разбавлении (1 : 100) молекул экзополимеров становится недостаточно для создания защитной пленки. Вероятно, может происходить взаимодействие ионов Fe с функциональными группами экзополимеров, поэтому скорость коррозии стали увеличивается. При очень сильном разбавлении (1 : 1000) защитная пленка, возможно, не образуется и скорость коррозии снова уменьшается.
     Из сравнения рис. 1 и 2 следует, что скорости коррозии, обусловленные СВБ и растворами экзополимеров этих бактерий, имеют один порядок величин. Такая схожесть скоростей позволяет предположить, что экзополимеры также являются коррозионно-агрессивными по отношению к тонким пленкам стали ВСт3сп. Максимальная скорость коррозии, наблюдаемая при разведении 1:100 и вызываемая экзополимерами Desulfovibrio sp. Киев-10, в 2—3 раза выше, чем вызываемая экзополимерами Desulfovibrio desulfuricans Киев-45, так же, как это имело место и при коррозии, вызванной самими культурами СВБ.
     Таким образом, как СВБ Desulfovibrio sp. Киев-10, так и их экзополимеры вызывают коррозию стали с более высокой скоростью, чем аналогичные компоненты СВБ Desulfovibrio desulfuricans Киев-45.
     При сравнении рис. 1 и 2 следует отметить, что при некоторых условиях наблюдается совпадение величин скоростей коррозии, вызванной как культурами СВБ, так и их экзополимерами. При данных условиях коррозия тонких пленок стали ВСт3сп обусловлена действием экзополимеров сульфатвосстанавливаю-щих бактерий. Концентрация экзополимеров, при которой происходит данное совпадение, является граничной.
     Суммарно процесс микробиологической коррозии с участием бактерий рода Desulfovibrio описывается следующим выражением:
     4Fe2+ + SO42- + 2H+ + 2H2O ? Fe(OH)2 + FeS
     При этом на катоде протекает реакция
     SO42- + Me2+ + 4H2 ? S2- + Me2+ + 4H2O
     где Me2+ — щелочной или щелочноземельный металл, компенсирующий ион SO42-.
     Из уравнения видно, что на восстановление одного моля сульфат-иона требуется восемь атомов водорода, которые можно получить с катодного участка металлической поверхности. Ферментативный процесс переноса электронов в этой реакции с участием сульфатредуцирующих бактерий идет (по данным Бункера) в 19,5 раза быстрее, чем при обычной коррозии, поэтому катодная деполяризация протекает чрезвычайно интенсивно, и скорость процесса коррозии серьезно возрастает. Процесс сопровождается образованием вторичных продуктов коррозии:
     S2- + Fe2+ ? FeS; 
     3Fe2+ + 6OH- ? 3Fe(OH)2
     Сульфатредуцирующие бактерии часто развиваются под массой железобактерий, обеспечивающих им строго анаэробные условия. В этом случае выделяющийся при восстановлении сульфатов сероводород вступает во взаимодействие с гидроксидом трехвалентного железа — продуктом жизнедеятельности железобактерий:
     3H2S + 2Fe(OH)3 ? 2FeS + S + 6H2O
     Тем самым увеличивая скорость коррозии и нанося больший вред системам теплоснабжения.
     
     Выводы
1. Сульфатредуцирующие бактерии и их экзополимеры являются коррозионно-агрессивной средой.
2. Вклад, вносимый экзополимерами СВБ Desulfovibrio sp. и Desulfovibrio desulfuricans в коррозию стали, зависит от их концентрации в растворе.
3. При концентрации экзополимеров в соотношении 1:10, они выполняют функцию защитной пленки.

     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
1.3.  Сульфатредуцирующие бактерии в грунтах
     Сульфидогенные микробные сообщества присутствуют во многих техногенных и природных экотопах, например, подземных пластовых водах [4], высокотемпературных нефтяных пластах [2] и прочее [9]. Выполняя важные биосферные функции трансформации соединений серы и железа, данные сообщества являются одним из агентов биокоррозионных процессов. 
     Микробиологические исследования техногенных регионов показали, что состав и соотношение отдельных компонентов сульфидогенного микробного сообщества являются важными критериями оценки коррозионной активности среды [9, 12], в связи с чем актуальной задачей является микробиологический мониторинг сульфидогенных микробных сообществ различных экотопов, находящихся под воздействием техногенной нагрузки.
     Значения рН вытяжки грунтовых образцов отобранных из техногенно-трансформированных участков колебались в пределах от нейтральных до слабощелочных (6,8–8,9). Содержание сульфатов, основного акцептора электронов для сульфатредуцирующих бактерий, в большинстве исследованных образцов, колебалось в пределах 0,55–1,95 мг/г грунта, однако в некоторых грунтах, например, в зоне газопровода в Полтавской области, содержание сульфатов было высоким ? до 4,80 мг/г грунта, а в зоне строительства метрополитена, наоборот – низким (0,13–0,59 мг/г грунта). Самым низким содержанием сульфатов характеризовались контрольные грунты Киевской области (менее 0,001 мг/г).
     В результате микробиологического анализа отобранных образцов грунтов определено количество бактерий основных физиологических групп, входящих в состав сульфидогенных микробных сообществ: сульфатредуцирующих, тионовых, железовосстанавливающих, денитрифицирующих, аммонифицирующих и азотфиксирующих бактерий.
     Известно, что наиболее интенсивные процессы микробной коррозии наблюдаются в глинистых грунтах с нейтральным рН, низким окислительно-восстановительным потенциалом и высокой численностью сульфатредуцирующих бактерий [9]. Распространённые в грунтах такого типа сульфидогенные сообщества могут изменять свои свойства от потенциально опасных до коррозионно агрессивных. Характерной чертой этих изменений является возрастание метаболической активности сульфидогенных микробных сообществ, в частности, увеличение продуцирования сероводорода, одного из факторов, ускоряющих процессы коррозии.
     Как указывали выше, сульфаты являются акцептором электронов для сульфатредуцирующих бактерий, поэтому важно было определить их содержание и сравнить с продуцированием сероводорода, как конечного продукта метаболизма исследуемых бактерий. Усредненные значения содержания сульфатов для исследованных техногенных и контрольных экотопов были различными.
     В техногенно трансформированных экотопах (зоны газопровода в Полтавской области, прокладки линии метрополитена и полигон захоронения отходов химического предприятия) количество растворимых сульфатов превышало таковое в соответствующих образцах контрольных грунтов.
     Полученные результаты свидетельствуют, что исследованные нами экотопы значительно отличались как по условиям существования, так и по количественным характеристикам микробных сообществ.
     Для анализа связей между численностью микроорганизмов различных эколого-трофических групп сульфидогенного сообщества и некоторыми экологическими параметрами среды их существования нами был проведен факторный анализ методом главных компонент (Principal Component Analysis?РСА).
     В исходную матрицу полученных нами переменных были включены такие параметры грунтов как глубина отбора, влажность, рН и содержание растворимых сульфатов в почве, температура в период отбора, а также микробиологические показатели, характеризующие численность бактерий эколого-трофических групп и продуцирование сероводорода накопительными культурами. Главные компоненты, характеризующие влияние переменных на микробные сообщества грунтов, приведены в таблице 2. Наиболее значимыми выделены главные компоненты с собственными значениями (eigenvalue) превышающими 1
     
Факторы среды
Главные компоненты

РС 1
РС 2
РС 3
РС 4
РС 5
Глубина отбора
–*
–
–
–
–
Температура отбора
–
–
-0,60
–
–
Влажность
–
–
–
–
0,41
рН
–
-0,42
–
–
-0,40
Содержание растворимых сульфатов
–
–
-0,54
–
–
Продуцирование сероводорода
–
–
–
–
-0,63
Сульфатредуцирующие бактерии
–
–
–
0,72
–
Железовосстанавливающие бактерии
0,58
–
–
–
–
Тионовые бактерии
–
–
–
–
–
Денитрифицирующие бактерии
–
-0,43**
–
–
–
Аммонифицирующие бактерии
0,59
–
–
–
–
Азотфиксирующие бактерии
–
-0,51
–
–
–
Объясненная вариация, %
21,5
18,5
14,1
11,4
10,5
Собственные значения
2,58
2,21
1,68
1,36
1,24
       Примечание: * «–» означает, что нагрузка данного фактора незначительна и составляет менее 0,4; ** ? отрицательные значения компонент указывают на положение точки в системе координат главных компонент (PC).
       
     Для проанализированной системы с 12 переменными, по значениям объяснённой дисперсии выявлено 5 главных компонент, объясняющих до 76% вариаций. Первая главная компонента (РС1), куда вошли такие переменные как количество железовосстанавливающих и аммонифицирующих бактерий объясняет до 21,5% вариации. Вторая главная компонента (РС2) объясняет 18,5% вариаций и содержит такие переменные как рН, количество азотфиксирующих и денитрифицирующих бактерий. Третья компонента (РС3) объясняет до 14,1% вариаций, нагрузку на неё осуществляют температурный фактор и содержание растворимых сульфатов. Численность сульфатредуцирующих бактерий объясняет до 11,4% вариаций (компонента РС4). Исключение составляет переменная «количество сульфатвосстанавливающих бактерий», для которой величина нагрузки на РС4 составила 0,72, а потому с высокой степенью вероятности можно говорить о важной роли этих бактерий в сульфидогенном сообществе.
     Следовательно, переменными, объясняющими вариации в исследуемых
сообществах, являются: количество сульфатредуцирующих, железовосстанавливающих, аммонифицирующих, азотфиксирующих, денитрифицирующих бактерий, а также рН грунтов, температура отбора и содержание растворимых сульфатов.
     График распределения нагрузок визуализирует роль исследуемых переменных сульфидогенных сообществ и степень их зависимости друг отдруга, отражает выявленные связи между переменными в сообществе (рис.3).
     На графике исследованные переменные сформировали четыре группы (кластеры). В кластер І вошли такие параметры грунтов как влажность и глубина отбора. Отдельным кластером II выделяется группа, в которую входят численность азотфиксирующих, денитрифицирующих бактерий и рН. Кластер ІІІ объединяет такие показатели как содержание сульфатов, температура, количество сульфатредуцирующих бактерий и продуцирование сероводорода. Это подтверждает основные физиологические и экологические функции сульфидогенного микробного сообщества, развитие которого в значительной степени зависит от наличия сульфатов, а результатом его жизнедеятельности является продуцирование сероводорода. Также наблюдается взаимосвязь между количеством аммонифицирующих и железовосстанавливающих бактерий (кластер IV). 
     
      (СУЛЬ ФИДОГЕНН ЫЕ МИКРО БНЫЕ СОО БЩЕСТВА
         ТЕ ХНОГЕННО)
     
         
         
         
         
         
         
         

Рис. 3. Распределение исследуемых физико-химических и микробиологических
параметров по величине их нагрузки для главных компонент РС 1 и РС 2
Примечания: СРБ – сульфатредуцирующие, ЖВБ – железовосстанавливающие, ТБ – тио-
новые, ДНБ – денитрифицирующие, АзБ – азотфиксирующие, АБ – аммонифицирующие
       бактерии, H2S – продуцирование сероводорода.
     
     Значения объясненной дисперсии были невысокими и колебались в пределах 10,4–21,5%. Следует, однако учитывать, что микробное сообщество грунта – это многокомпонентная система, на которую оказывает влияние комплекс факторов, среди которых были не учтенные в наших исследованиях: тип почвы, её механический состав, содержание гумуса, наличие питательных веществ и прочее. В данной работе мы ограничились только изучением микроорганизмов сульфидогенных сообществ, и не учитывали их взаимодействие с микроорганизмами других эколого-физиологических групп. Кроме того, были отобраны образцы различных типов грунтов.
     Выводы
1. Техногенно трансформированные экотопы по сравнению с природными, характеризуются более широким диапазоном численности сульфатредуцирующих, железовосстанавливающих, и денитрифицирующих бактерий. В результате использования факторного анализа методом главных компонент были выделены переменные, объясняющие 76% вариаций в сульфидогенных м.......................