التآكل الميكروبي

يحدث التآكل الميكروبي ، المعروف أيضاً بالتآكل المتأثر بالميكروبات (MIC) أو التآكل الناجم عن الميكروبات (MIC) أو التآكل الحيوي ، عندما تؤثر الميكروبات على البيئة الكهروكيميائية للسطح الذي تستقر عليه. يتضمن ذلك عادةً تكوين غشاء حيوي ، والذي قد يزيد من تآكل السطح أو، في عملية تُسمى تثبيط التآكل الميكروبي، يحمي السطح من التآكل.

بما أن كل سطح معرض للبيئة معرض بطريقة ما للميكروبات، ^{[ 1 ]} فإن التآكل الميكروبي يسبب أضرارًا بقيمة تريليونات الدولارات في جميع أنحاء العالم سنويًا.

تستطيع الميكروبات أن تُحدث ظروف نقص الأكسجين موضعيًا على سطح المعدن تحت طبقة حيوية، مما يُسهم في تكوين مواقع أنودية ( أكسدة ) وكاثودية ( اختزال )، مُسببةً فروقًا في الجهد الكهروكيميائي والتآكل الكهروكيميائي . كما يمكنها أن تعمل إما عن طريق إطلاق نواتج ثانوية من عملياتها الأيضية الخلوية تُؤدي إلى تآكل المعادن، أو عن طريق منع مثبطات التآكل الطبيعية من العمل، مما يجعل الأسطح عُرضةً لهجوم عوامل بيئية أخرى. ^{[ 2 ]}

تُنتج بعض البكتيريا المُختزلة للكبريتات كبريتيد الهيدروجين ، الذي قد يُسبب تشققات الإجهاد الكبريتي . تُنتج بكتيريا أسيديثيوباسيلوس حمض الكبريتيك ؛ وتُلحق بكتيريا أسيديثيوباسيلوس ثيوأوكسيدانز أضرارًا متكررة بأنابيب الصرف الصحي . تُؤكسد بكتيريا فيروباسيلوس فيروأوكسيدانز الحديد مباشرةً إلى أكاسيد وهيدروكسيدات الحديد ؛ وتُعزى الصدأات المُتكونة على حطام سفينة تيتانيك إلى النشاط البكتيري. تُنتج أنواع أخرى من البكتيريا أحماضًا مُختلفة ، عضوية ومعدنية، أو الأمونيا .

في وجود الأكسجين، تعد البكتيريا الهوائية مثل Acidithiobacillus thiooxidans و Thiobacillus thioparus و Thiobacillus concretivorus ، وكلها موجودة على نطاق واسع في البيئة، من العوامل الشائعة المسببة للتآكل والتي تؤدي إلى تآكل الكبريتيد الحيوي .

في غياب الأكسجين، تنتشر البكتيريا اللاهوائية ، وخاصةً جنسي Desulfovibrio و Desulfotomaculum . يتطلب وجود Desulfovibrio salixigens تركيزًا لا يقل عن 2.5% من كلوريد الصوديوم ، بينما يمكن لـ D. vulgaris و D. desulfuricans النمو في المياه العذبة والمالحة على حد سواء. يُعد D. africanus كائنًا دقيقًا آخر شائعًا مُسببًا للتآكل. يضم جنس Desulfotomaculum بكتيريا مُختزلة للكبريتات ومُكوِّنة للأبواغ؛ حيث يُشارك كل من Dtm. orientis و Dtm. nigrificans في عمليات التآكل. تتطلب مُختزلات الكبريتات بيئة مُختزلة؛  إذ يلزم جهد قطب كهربائي أقل من -100 ملي فولت لكي تنمو. مع ذلك، حتى كمية صغيرة من كبريتيد الهيدروجين المُنتَج كافية لتحقيق هذا التحول، لذا يميل النمو، بمجرد بدئه، إلى التسارع.

يمكن أن توجد طبقات من البكتيريا اللاهوائية في الأجزاء الداخلية من رواسب التآكل، بينما تسكن البكتيريا الهوائية الأجزاء الخارجية.

تستطيع بعض البكتيريا استخدام الهيدروجين المتكون أثناء عمليات التآكل الكاثودي.

يمكن أن تشكل المستعمرات البكتيرية والترسبات خلايا تركيز ، مما يتسبب في التآكل الجلفاني ويعززه . ^{[ 3 ]}

قد يظهر التآكل البكتيري على شكل تآكل نقري ، كما هو الحال في خطوط أنابيب صناعة النفط والغاز. ^{[ 4 ]} ويتجلى التآكل اللاهوائي في طبقات من كبريتيدات المعادن ورائحة كبريتيد الهيدروجين. أما في الحديد الزهر ، فقد ينتج عنه تآكل جرافيتي مع ترشيح انتقائي، حيث تستهلك البكتيريا الحديد، تاركةً مصفوفة جرافيتية ذات قوة ميكانيكية منخفضة.

يمكن استخدام مثبطات التآكل المختلفة لمكافحة التآكل الميكروبي. وتُعدّ التركيبات القائمة على كلوريد البنزالكونيوم شائعة في صناعة حقول النفط .

يمكن أن يحدث التآكل الميكروبي أيضاً في المواد البلاستيكية والخرسانية والعديد من المواد الأخرى. ومن الأمثلة على ذلك البكتيريا التي تتغذى على النايلون والبكتيريا التي تتغذى على البلاستيك.

تُسبب الفطريات تآكلًا ميكروبيًا للخرسانة. في ظل ظروف بيئية ملائمة، كالرطوبة ودرجة الحرارة ومصادر الكربون العضوي، تُكوّن الفطريات مستعمرات على الخرسانة. بعض الفطريات قادرة على التكاثر اللاجنسي، وهي عملية شائعة بين الفطريات تسمح للعديد من الأبواغ الفطرية الجديدة بالانتشار بسرعة إلى بيئات جديدة، مُكوّنةً مستعمرات كاملة في أماكن لم تكن موجودة فيها. تستخدم هذه المستعمرات والأبواغ الجديدة خيوطًا فطرية لامتصاص العناصر الغذائية من البيئة.

الخيوط الفطرية دقيقة للغاية، إذ يتراوح قطرها بين 2 و6 ميكرومترات فقط. تستخدم هذه الخيوط الفطرية للوصول إلى أعماق الثقوب والشقوق والتجاويف الصغيرة في الخرسانة، حيث تحتوي هذه المناطق على الرطوبة والمغذيات التي تتغذى عليها الفطريات. ومع ازدياد عدد الخيوط الفطرية التي تشق طريقها إلى هذه الشقوق والفجوات الصغيرة، يتسبب الضغط في اتساعها، تمامًا كما يتجمد الماء في الثقوب والشقوق الصغيرة، مما يؤدي إلى اتساعها. يُمكّن الضغط الميكانيكي الشقوق من التمدد، مما يسمح بدخول المزيد من الرطوبة، وبالتالي، تحصل الفطريات على المزيد من المغذيات، مما يسمح لها بالتغلغل أعمق في بنية الخرسانة. ومن خلال تغيير بيئتها، تُحلل الفطريات الخرسانة وطبقتها القلوية، مما يوفر ظروفًا مثالية للبكتيريا المسببة للتآكل لتفاقم تدهور هياكل الخرسانة.

تُسبب الفطريات تآكل الخرسانة بطريقة أخرى، وهي الأحماض العضوية التي تُنتجها طبيعيًا. تتفاعل هذه الأحماض كيميائيًا مع أيونات الكالسيوم (Ca2+) الموجودة في الخرسانة، مُنتجةً أملاحًا قابلة للذوبان في الماء. ثم تُطلق أيونات الكالسيوم، مُسببةً أضرارًا جسيمة للخرسانة مع مرور الوقت. ولأن الفطريات تُفرز عصارات هضمية للحصول على العناصر الغذائية، فإن الخرسانة التي تنمو عليها تبدأ بالذوبان. وينطبق هذا الأمر على الخرسانة أيضًا عندما تستوطنها فطريات مثل الفيوزاريوم . قارنت تجربةٌ تآكل بكتيريا تيوباسيلوس بتآكل فطر الفيوزاريوم. في هذه التجربة، وُفرت لكلا النوعين من الكائنات الحية ظروفٌ ملائمة للنمو، بالإضافة إلى قطعة خرسانية مُماثلة في كل تجربة. بعد 147 يومًا، تسببت بكتيريا تيوباسيلوس في انخفاض كتلة الخرسانة بنسبة 18%. في المقابل، تسبب فطر الفيوزاريوم في انخفاض كتلة الخرسانة بنسبة 24% خلال نفس الفترة، مما يُبرز قدرته على التآكل.

أجرى باتاتشاريا ^{[ 5 ]} دراسةً على ثلاثة أنواعٍ منفصلةٍ من الفطريات المعروفة بتسببها في تآكل الخرسانة: Aspergillus tamarii وAspergillus niger و Fusarium. كان  Aspergillus tamarii الأكثر تدميرًا بين هذه الفطريات الثلاثة، إذ يُسبب اتساع الشقوق وتعميقها، ويتجذر بسرعةٍ وكفاءةٍ عاليتين، ويُعزز ترسب أكسالات الكالسيوم . يؤدي ترسب أكسالات الكالسيوم إلى زيادة سرعة ترشيح أيونات الكالسيوم، مما يُقلل من قوة الخرسانة الإجمالية. في غضون 90 يومًا، أدى التعرض لهذا الفطر إلى انخفاض كتلة الخرسانة بنسبة 7.2%. كان Aspergillus niger ثاني أسوأ الفطريات الثلاثة، يليه Fusarium، الذي يُمكنه خفض كتلة الخرسانة بمقدار 6.2 غرام في عامٍ واحد، بالإضافة إلى خفض درجة الحموضة من 12 إلى 8 خلال نفس الفترة. ^{[ 6 ]}

تتواجد الكائنات الدقيقة المستهلكة للهيدروكربونات، وأهمها بكتيريا Cladosporium resinae و Pseudomonas aeruginosa وبكتيريا اختزال الكبريتات ، والمعروفة شعبياً باسم "حشرات HUM"، بشكل شائع في وقود الطائرات . تعيش هذه الكائنات في منطقة التماس بين الماء والوقود في قطرات الماء، مُكَوِّنةً طبقات هلامية داكنة اللون (أسود/بني/أخضر)، وتُسبب تآكلاً ميكروبياً للأجزاء البلاستيكية والمطاطية في نظام وقود الطائرة عن طريق استهلاكها، وللأجزاء المعدنية عن طريق نواتجها الأيضية الحمضية. كما يُطلق عليها خطأً اسم الطحالب بسبب مظهرها. يُضاف مُثَبِّط نمو FSII إلى الوقود. يوجد حوالي 250 نوعاً من البكتيريا التي يمكنها العيش في وقود الطائرات، ولكن أقل من اثني عشر نوعاً منها تُشكل ضرراً ذا دلالة. ^{[ 7 ]}

يمكن للكائنات الدقيقة أن تؤثر سلباً على العناصر المشعة الموجودة في النفايات النووية .

تُحفز عوامل بيئية متعددة تآكل الخرسانة وتدهورها، مثل ظروف التجمد، والتعرض للإشعاع، ودورات الحرارة المتكررة أو دورات التجمد والذوبان والجفاف والرطوبة. وتُعد الدورات التي تُسبب انهيارات ميكانيكية للخرسانة، كدورات التجمد والذوبان، مدمرة للغاية. كل هذه العوامل تُهيئ بيئةً مناسبةً لتكاثر الميكروبات، مما يُؤدي إلى مزيد من التآكل وإضعاف المنشآت الخرسانية. وقد دفع ازدياد الأضرار التي لحقت بشبكات الصرف الصحي في المدن الساحلية إلى البحث بشكل أعمق عن كيفية حماية الخرسانة من الميكروبات.

لإيقاف الضرر الذي تُسببه الميكروبات، لا بد من فهم شامل للميكروبات المُسببة للتآكل. يشمل ذلك معرفة مكونات كل ميكروب على حدة، وكيفية تحللها للخرسانة الإنشائية. غالبًا ما تُحفز العوامل البيئية الضاغطة على المنشآت التآكل الميكروبي الناتج عن البكتيريا، والعتائق، والطحالب، والفطريات. تعتمد هذه الكائنات الدقيقة على بيئتها لتوفير الرطوبة المناسبة، ومستويات الحموضة، والموارد اللازمة لتكاثرها.

يؤثر مستوى الرقم الهيدروجيني للخرسانة بشكل كبير على أنواع الميكروبات التي يمكنها التكاثر ومدى الضرر الذي يلحق بالخرسانة. سطح الخرسانة قلوي، مما يصعب على الميكروبات التكاثر فيه. ومع ذلك، تُحدث العمليات الكيميائية التي تقوم بها البيئة والكائنات الدقيقة نفسها تغييرات في الخرسانة. فالظروف البيئية، بالإضافة إلى عملية التفحم التي تُسببها بعض الميكروبات، تُؤدي إلى انخفاض الرقم الهيدروجيني للخرسانة. تستطيع هذه الميكروبات القليلة إفراز نواتج أيضية تُغير الرقم الهيدروجيني من 12 إلى 8. ومع انخفاض مستوى الرقم الهيدروجيني، يُمكن لعدد أكبر من الكائنات الدقيقة البقاء على قيد الحياة على الخرسانة، مما يُسرع من معدل التآكل. تُصبح هذه مشكلة خطيرة، حيث أن العديد من الميكروبات التي تُهاجم الخرسانة تعيش في ظروف لاهوائية. على سبيل المثال، تحتوي المجاري على مستويات منخفضة من الأكسجين ومستويات عالية من غازي النيتروجين والكبريت، مما يجعلها بيئة مثالية للميكروبات التي تُحلل هذه الغازات. ^{[ 5 ]}

تتعرض هياكل شبكات الصرف الصحي للتلف البيولوجي للمواد نتيجةً لنشاط بعض الكائنات الدقيقة المرتبطة بدورة الكبريت . وقد تكون هذه الظاهرة مدمرة للغاية، وقد وصفها أولمستيد وهاملين لأول مرة عام 1900 ^{[ 8 ]} في شبكة صرف صحي مبنية من الطوب في لوس أنجلوس. تفتت الملاط بين الطوب، وتعرضت الأجزاء الحديدية لصدأ شديد. وتضخمت فواصل الملاط إلى ضعفين أو ثلاثة أضعاف حجمها الأصلي، مما أدى إلى تدمير بعض الطوب أو انفصاله.

يمكن إرجاع حوالي 9% من الأضرار الموصوفة في شبكات الصرف الصحي إلى التأثير المتتابع لنوعين من الكائنات الدقيقة. ^{[ 9 ]} تنمو البكتيريا المختزلة للكبريتات (SRB) في طبقات سميكة نسبيًا من الحمأة الرسوبية والرمل (عادةً 1  مم) المتراكمة في قاع الأنابيب، والتي تتميز بظروف لاهوائية. وتنمو هذه البكتيريا باستخدام مركبات الكبريت المؤكسدة الموجودة في مياه الصرف كمستقبل للإلكترونات، وتفرز كبريتيد الهيدروجين (H₂S ₎ . ينبعث هذا الغاز بعد ذلك في الجزء الهوائي من الأنبوب، ويمكن أن يؤثر على البنية بطريقتين: إما مباشرةً عن طريق التفاعل مع المادة، مما يؤدي إلى انخفاض درجة الحموضة، أو بشكل غير مباشر من خلال استخدامه كمغذٍّ من قِبل البكتيريا المؤكسدة للكبريت (SOB)، التي تنمو في ظروف هوائية، والتي تنتج حمض الكبريتيك الحيوي. ^{[ 10 ]} عندئذٍ، تتعرض البنية لهجوم حمض الكبريتيك الحيوي. يمكن استبدال أنابيب الصرف الصحي الخرسانية أو الفولاذية العادية غير المقاومة في هذه البيئات بمواد مثل أسمنت ألومينات الكالسيوم ، أو أنابيب البولي فينيل كلوريد (PVC)، أو أنابيب الطين المزجج. وتقوم بكتيريا رودوتورولا موكيلاجينوزا (7) بتقليل تآكل الفولاذ الطري في الماء عن طريق امتصاص الأكسجين المذاب.

طُوِّرت العديد من الطرق للحد من التآكل الميكروبي. ويكمن التحدي الرئيسي في إيجاد سبل لمنع أو إيقاف نمو الميكروبات دون التأثير سلبًا على البيئة المحيطة. وتُقدِّم القائمة أدناه لمحة عامة عن بعض الأساليب التي استُخدمت أو التي لا تزال قيد التطوير.

• يُستخدم المبيد الحيوي (أي مادة كيميائية تُثبّط الحياة) لقتل الكائنات الدقيقة. ونظرًا لمقاومة الأغشية الحيوية الشديدة، يتطلب الأمر استخدام كميات كبيرة من المبيد الحيوي. وهذا مكلف، وله آثار سلبية على البيئة المحيطة، وقد يُؤدي في الواقع إلى زيادة تآكل الأسطح بسبب سميته. كما أن المبيدات الحيوية وغيرها من المعالجات الكيميائية المضادة للميكروبات تُشكل خطرًا على الأشخاص الذين يُحضّرونها ويُطبّقونها. ^{[ 11 ]}

قام راو ومولكي ^{[ 2 ]} بتطوير قائمة شاملة من الطرق للحد من نمو الميكروبات وبالتالي التآكل الميكروبي.

• قد تُساهم المنتجات النباتية في الحد من نمو الميكروبات. ستكون هذه المنتجات قابلة للتحلل الحيوي وآمنة للأشخاص الذين يستخدمونها، ولكنها لم تخضع لاختبارات واسعة النطاق حتى الآن.

• المواد الفعالة بالسطح، وتحديداً تلك التي تنتجها الكائنات الحية كنواتج أيضية ثانوية. وهي مفيدة لأنها تتوسط بين السائل المسبب للتآكل والسطح وتحافظ على انفصالهما.
• وضع طبقة فائقة الكراهية للماء على سطح ما. يمنع هذا الطبقة الحيوية من النمو، ولكنه حساس ويمكن أن يفقد خصائصه فائقة الكراهية للماء بسهولة.
• يمكن استخدام الأسطح ذاتية الإصلاح لمنع التآكل في الشقوق أو العيوب. ويمكن استخدام هذه التقنية مع سطح فائق الكراهية للماء، للحد من حساسيته.
• استخدام الأسطح المحبة للماء لإنشاء منطقة تمنع تطور البروتينات إلى طبقة تغطي السطح.
• استخدام مواد مصنعة كيميائياً تمنع التآكل بفضل تركيبها الكيميائي. قد يكون لهذا تأثير سلبي أقل على البيئة مقارنةً بالخيارات الأخرى.
• يتم استخدام الأغشية الحيوية التي تُزرع عمداً لتثبيط التآكل الميكروبي. ويتم ذلك عن طريق زراعة غشاء حيوي على سطح مصنوع من بكتيريا قادرة على إطلاق مركبات تقتل الميكروبات الأخرى وتمنع التآكل.
• استخدام الزيوت العطرية. لم يتم اختبار فعالية الزيوت العطرية ضد التآكل الميكروبي على نطاق واسع.
• طلاء سطح ما بمواد نانوية مختلفة أو بالأوزون لمنع التآكل الميكروبي.

على الرغم من أن الكائنات الدقيقة غالبًا ما تكون مسؤولة عن التآكل، إلا أنها قادرة أيضًا على حماية الأسطح منه. ^{[ 12 ]} فعلى سبيل المثال، يُعدّ التأكسد سببًا شائعًا للتآكل. إذا كان سطحٌ مُعرّضٌ للتآكل مُغطّى بغشاء حيوي يمتصّ الأكسجين ويستخدمه، فإن هذا السطح سيكون محميًا من التآكل الناتج عن التأكسد. كما يُمكن للأغشية الحيوية إطلاق مركبات مضادة للميكروبات، وهو أمرٌ مفيدٌ إذا لم يكن الغشاء الحيوي مُسبّبًا للتآكل، إذ يُمكنه ردع الميكروبات المُسبّبة للتآكل. تُشكّل الأغشية الحيوية حاجزًا بين السطح والنظام البيئي المُحيط به، لذا طالما لا تُسبّب الأغشية الحيوية أي آثار ضارة، فإنها تُمكن أن تُشكّل حمايةً من التآكل أيضًا. ^{[ 11 ]} ولأن الأغشية الحيوية لا تُؤثّر سلبًا على النظام البيئي، فإنها تُعتبر من أفضل آليات تثبيط التآكل. كما يُمكنها تغيير الظروف على سطح المعدن بحيث يقلّ احتمال تلفه، وبالتالي منع التآكل. ^{[ 2 ]}

• تآكل الكبريتيد الحيوي
• تآكل
• روستيكل
• التآكل اللاهوائي البكتيري

• أولمستيد، دبليو إم، وهاملين، إتش، 1900. "تحويل أجزاء من مجاري الصرف الصحي في لوس أنجلوس إلى خزان صرف صحي". أخبار الهندسة 44، 317-318.
• كامبفر، دبليو، بيرندت، إم، 1999. "تقدير العمر الافتراضي لأنابيب الخرسانة في شبكات الصرف الصحي". متانة مواد ومكونات البناء 8، 36-45.
• أيلاندر، آر إل، ديفيني، جيه إس، مانسفيلد، إف، بوستين، إيه، شيه، إتش، 1991. "علم البيئة الميكروبية لتآكل تاج المجاري". مجلة الهندسة البيئية 117، 751-770.
• روبرتس، دي جيه، نيكا، دي، زو، جي، ديفيس، جيه إل، 2002. "قياس التدهور الناجم عن الميكروبات في الخرسانة: دراسات أولية". التدهور البيولوجي والتحلل البيولوجي الدولي 49، 227-234.
• أوكابي، إس.، أوداغيري، إم.، إيتو، تي.، ساتوه، إتش.، 2007. "تتابع البكتيريا المؤكسدة للكبريت في المجتمع الميكروبي على الخرسانة المتآكلة في أنظمة الصرف الصحي". علم الأحياء الدقيقة التطبيقي والبيئي 73، 971-980.
• منصوري، ح.، علوي، س.أ.، وفوتوفات، م. "تآكل فولاذ كورتن المتأثر بالميكروبات مقارنة بالفولاذ الكربوني والفولاذ المقاوم للصدأ في مياه الصرف الزيتية بواسطة الزائفة الزنجارية" . مجلة المعادن ، 1-7.
• مادهوسودان ب. دابهول وك. ن. جويشي. 2003. "الحد من تآكل الفولاذ الطري في الماء عن طريق امتصاص الأكسجين المذاب بواسطة فطر رودوتورولا موكيلاجينوزا ". مجلة البحوث العلمية والصناعية . المجلد 62، العدد 7، الصفحات 683-689.

• الحوار حول الروائح والتآكل البيولوجي في مياه الصرف الصحي، وترتيبات هواء العادم، وترتيبات غاز التخمر

• Kobrin, G., "دليل عملي حول التآكل المتأثر بالميكروبات"، NACE ، هيوستن، تكساس، الولايات المتحدة الأمريكية، 1993.
• Heitz,E., Flemming HC., Sand, W., تآكل المواد المتأثر بالميكروبات ، Springer، برلين، هايدلبرغ، 1996.
• فيديلا، هـ.، دليل التآكل البيولوجي ، مطبعة سي آر سي، 1996.
• جافاهردشتي، ر.، التآكل المتأثر بالميكروبات - رؤية هندسية ، سبرينغر، المملكة المتحدة، 2008.
• تومي، ف. أ.، وميتشل، ر. (1986). "تطوير طريقة بديلة لدراسة دور البكتيريا المستهلكة للهيدروجين _في الأكسدة اللاهوائية للحديد". في: ديكستر، س. س. (محرر). وقائع المؤتمر الدولي حول التآكل الناجم عن الكائنات الحية . الرابطة الوطنية لمهندسي التآكل ، هيوستن، تكساس، 8: 309-320.
• D. Weismann، M. Lohse (Hrsg.): "Sulfid-Praxishandbuch der Abwassertechnik؛ Geruch، Gefahr، Korrosion verhindern und Kosten beherrschen!" 1. أوفلاج، VULKAN-Verlag، 2007، ISBN 978-3-8027-2845-7– الألمانية.
• منصوري، حميد رضا، سيد أبو الحسن علوي، وميثم فوتوفات. "تآكل فولاذ كورتن المتأثر بالميكروبات مقارنةً بالفولاذ الكربوني والفولاذ المقاوم للصدأ في مياه الصرف الزيتية بواسطة بكتيريا الزائفة الزنجارية " . مجلة JOM : 1-7.
• جي إف باريسوت (محرر)، تآكل وتغير المواد النووية ، سي إي إيه ساكلاي، باريس، 2010، ص 147-150