Volumen 22, N° 1, Páginas 29-34

IDESIA (Chile) Enero - Junio 2004

CORROSIÓN BACTERIANA EN METALES

BACTERIAL CORROSION IN METALS

Humberto R. Campos Ortega]; Claudio H. Campos Ortega2

RESUMEN

Bacterias aeróbicas y anaeróbicas son responsables de la corrosión de origen biológica que afectan elementos de uso urbano e

industrial. Los géneros Gallionella y Thiotrix sólo se desarrollan en agua de mar; en este trabajo se mencionan también de manera

simple bacterias quimiolitótrofas, fotolitótrofas, fotoorganótrofas, Thiobaci/lus al igual que microorganismos heterótrofos (hon-gos) y autótrofos (algas). Finalmente se describen bacterias sulfatorreductoras y sulfobacterias, presentándose de manera sucinta el

mecanismo de corrosión con sus respectivas reacciones de óxido reducción, despolarizaciones anódicas y catódicas de reaccionesautotróficas.

Palabras claves: Corrosión biológica, anaerobia, despolarización.

ABSTRACT

Aerobic and anaerobic bacteria are responsible for biological corrosion affecting urban and industrial elements. The Gallionella

and Thiotrix genus grow only in sea water. This paper also includes, in a simple way, chemolitothrophic, photoorganotrophic,

Thiobacillus as well as heterotrophic (fungi) and autotrophic microorganism (algae). Finally this paper describes sulfate-reducing

bacteria and sulfobacteria, briefly and succintly presenting the mechanism of corrosion with its respective oxidation-reduction

reactions, anodic and cathodic depolarizations of autotrophic reactions.

Key words: Biological corrosion, anaerobic, depolarizations.

l. INTRODUCCIÓN Y ANTECEDENTES

l. INTRODUCCIÓN

Generalmente las bacterias son descritas c1í-

nicamente por su actividad patógena para el serhumano, pero algunas no solamente lo atacan a élsino también a sus obras. En este grupo de orga-nismos existen las que sin ser patógenas son res-ponsables de la corrosión biológica, ya que algu-nas se desarrollan muy bien en presencia de salesminerales viviendo y sustentándose prácticamentede "aire" a falta de cualquier sustancia orgánica.Habitualmente estas bacterias se encuentran enmedio acuoso, por lo cual, previo al uso industrialdel agua, ésta es normalmente analizada desde unpunto de vista químico pero no microbiológico y,cuando este aspecto es considerado, sólo se hacecon la finalidad de detectar patógenos.

Las bacterias de la corrosión actúan en cual-

quier parte que haya Fe, Mn, SO42- o derivadosazufrados en presencia del agua, dentro o fuera delas tuberías o bien al aire libre en los depósitos, sinimportar que el agua sea dulce o salada. Por su grandiversidad, proliferan aún en las condiciones másdesfavorables si no se toman algunas precaucio-nes. Algunas de estas bacterias se desarrollan par-ticularmente en ciertos sitios del medio ambiente,los que son determinados por características espe-cíficas, como por ejemplo tensión de oxígeno,ambiente reductor, pH, etc.

El transporte bacterial se realiza junto conlos materiales afectados por ellas; por ejemplo,a Ferrobacilus se le encuentra preferentementeen las regiones mineras, pero ahora no es raroque esté en otras partes debido a que fue trans-portada a diferentes sitios con el carbón, asfal-to, brea, etc.

(1)Dpto. de Química, Facultad de Ciencias, Universidad de Tarapacá, Arica.

(2)Dpto. de Química y Biología, Facultad de Ciencias Naturales, Universidad de Atacama.

Fecha de Recepción: 29 julio 2004

Fecha de Aceptación: 31 agosto 2004

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Algunas bacterias se encuentran ampliamentedistribuidas en el suelo, agua y aire, pero tambiénse les encuentra en medios específicos como ocu-rre con diversas especies de Gallionella y Thiotrixque sólo de desarrollan en agua de mar.

Estas bacterias no provocan directamente lacorrosión, pero sí la aceleran porque inciden en lacinética del mecanismo de reacción. Además con-,tribuyen a la formación de Iodos y depósitos quepueden llegar a obstruir por completo las tuberías;las hay aerobias y anaerobias.

Por la incidencia e importancia que tienen lasbacterias en procesos urbanos, ambientales, mine-ros e industriales es conveniente considerar su ac-ción cuando se desarrollan proyectos de inversióno desarrollo.

2. ANTECEDENTES

En general, la literatura referida al tema es bas-tante amplia ya que en él se trabaja desde 1918. Entrelos trabajos más recientes, en términos generales, sepuede mencionar a McCoy et al. (1981) quienes ob-servaron la formación de biopelículas de adheren-cias; Trulear y Charaklis (1982) estudiaron la diná-mica de los procesos en las biopelículas; G. A.Birchahll (1979) estudió el control de adherenciasdentro de un sistema de enfriamiento por agua; J.Lichtenstein (1977) se preocupó de los fundamen-tos que causan corrosión y mitigación; King y Miller(1971) observaron la corrosión por las bacterias sul-fatorreductoras. Es más escasa esta información en

ambientes marinos, entre los cuales sólo se mencio-na el trabajo de Shtevneva et al. (1971) titulado "Bac-terial overgrowth as a factor in metal corrosion insea water", en el cual se concluye que todas lasmuestras probadas fueron expuestas a un crecimientobacterial más enérgico que los controles; que en la

zona de H2S el número de bacterias perifíticas so-bre la superficie de las placas fue 6 y 9 veces menos(en el caso de la aleación de Al) que en la zona oxi-genada, en la cual la población bacterial sobre losmateriales estudiados consistió principalmente debastones y cocos, mientras que los vibrios se incre-mentaron en la zona del ácido sulfhídrico.

Se estableció una muy buena relación entre elnúmero total de bacterias y la pérdida de peso delas placas, también que la corrosión bacterial enlas zonas óxicas y anóxicas es principalmente pro-ducida por las formas cocales y además que la pro-porción de corrosión en estas zonas depende igual-

mente de la concentración de oxígeno disuelto yde la densidad poblacional de bacterias, conside-

rándose al final que el efecto del H2S fue poco sig-nificante en esta acción. (Shtevneva op. cit.)

El trabajo de Efird (1975), "The interrelation ofCorrosion and Fouling for Metals in Sea Water", con-cluye que las variaciones de propiedades en este me-dio están influidas por sus características de corro-sión y pueden ser ubicadas en una de estas tres clases:

1.2.3.

Metales susceptibles a la corrosiónMetales pasivosMetales que forman películas tóxicas.

En aleaciones como el acero se producen ad-herencias que son fácilmente removidas con la pér-dida del producto de corrosión, desprendiéndolasa intervalos durante la exposición. En las aleacio-nes pasivas se adhieren rápidamente, las que se fi-jan con fuerza.

El efecto de corrosión se produce por las con-centraciones de oxígeno en el ambiente permitien-do el desarrollo de ciertas bacterias, aeróbicas oanaerobias según corresponda, y cuando el metalcorroído se agrieta, se afectan a los organismosanaerobios incrustados.

No todos los metales que podría esperarse for-man películas tóxicas; se ha observado que el beri-lio y plomo permanecen libres de incrustaciones.Las aleaciones en base a cobre son resistentes a la

incrustación debido a la formación de CU20que estóxico a los organismos, pero no afecta a las es-tructuras adyacentes. (Efird op. cit.)

11. FACTORES QUE INFLUYEN EN LACORROSIÓN BACTERIANA

l. ESTADO EN QUE SE ENCUENTRAEL MATERIAL:

La estructura, las alteraciones de la superficie,por mínimas que sean, o el deterioro mecánico delmetal son factores que permiten el inicio de la co-rrosión, la que una vez iniciada continúa con laacción que desempeñan las bacterias.

2. COMPOSICIÓN DEL MEDIO:

a. Contenido químico del agua: Los contenidos

de °2 y CO2 son muy importantes para la for-

Corrosión bacteriana en metales 31

b.

mación de óxidos y carbonatos, inicialmenteen los puntos que presentan deterioro. Ade-más el °2 favorece el desarrollo de los orga-nismos aerobios y por otra parte el CO2 ser-virá como fuente de carbono a las bacteriasautótrofas.

La presencia de N2, P, S, Fe, Mn, Ca, etc.coq¡.otambién N03-, POl-, SOl-, S2-apor-tan los oligoelementos necesarios para supropia síntesis y obtienen de sus transfor-maciones la energía necesaria para su meta-bolismo. Del mismo modo las bacterias qui-miorganótrofas utilizarán los compuestosorgánicos.Todas las aguas naturales sin alteración con-tienen sales minerales y materia orgánica quepermite el crecimiento de las bacterias.Temperatura: Cada microorganismo tiene unatemperatura óptima en la cual se acelera sudesarrollo, la cual generalmente es de 25°C a30°C, pero ciertas esporas pueden resistir tem-peraturas mucho más altas o bajas.pH: Es importante en el medio por su accióndirecta sobre el metal y por ser determinante enlos potenciales de reacción, para luego, comose presenten, favorecer o inhibir el desarrollobacterial. El pH óptimo está cercano a la neu-tralidad, a pesar de lo cual ciertas bacterias seadaptan muy bien al pH cercano a 1,como es elcaso de Thiobacillus, los que al secretar H2SO4cambian significativamenteel pH del medioha-ciéndolo muy corrosivo para el metal.Luz: Condiciona el desarrollo de las bacterias

fotolitótrofas y de las fotoorganótrofas.

c.

d.

3. OTROS MICROORGANISMOS

Se considera conveniente mencionar también a:

a. Hongos: Organismos heterótrofos que puedencausar daños importantes derivados de su ac-tividad enzimática, manifestándose por el de-terioro biológico de los derivados celulósicoso plásticos cuyos productos pueden servir paraalgunas bacterias. Secretan al medio muchosácidos orgánicos.Algas: Organismos autótrofos, se desarrollanen presencia de luz, proporcionan la materiaorgánica necesaria para el crecimiento de otrosmicroorganismos. También secretan enzimasque atacan numerosos sustratos como la ma-

b.

dera, papel, etc.; además pueden metabolizarsustancias ácidas corrosivas, incorporar meta-les y formar Iodos o sedimentos que puedenfavorecer el desarrollo de las bacterias anae-robias.

4. BACTERIAS

A. Quimiolitótrofas

Omiten toda sustancia orgánica como elementode construcción molecular. Obtienen su energía apartir de elementos no orgánicos, como de la trans-formación de los compuestos reducidos del S, Fe,

Mn, N2 e H2. Como tampoco son fotosintéticas, sepueden desarrollar en la oscuridad.

De éstas, las ferrobacterias obtienen la ener-

gía necesaria para su síntesis a partir de la trans-formación de las sales ferrosas en férricas, por loque tuberías con metal ferro so que estén desprote-gidas y en contacto con el agua son atacadas, for-mándose hidróxido ferroso que rápidamente setransforma en hidróxido y carbonato férrico por el

°2 y CO2 disueltos; generalmente el proceso sedetiene ahí.

La presencia de ferrobacterias en el punto deataque moviliza Fe2+ y su transformación en salesférricas, lo cual es muy rápido si el medio contieneion ferroso. Se observa la formación de consisten-

te "herrumbre", que contiene cuerpos bacteria-nos, a lo cual sigue la disolución ininterrumpidadel metal.

Por su parte, las sulfatorreductoras son bacte-rias que forman un solo grupo de Espiriláceas, re-presentadas por Desulfovibrio desulfuricans.

Son anaerobias obligadas, por lo que se les en-cuentra en las capas de herrumbre que están en con-tacto con el metal, allí donde no llega oxígeno. Ade-

más de afectar a los metales ferrosos, el H2S formadocorroe muy especialmente las tuberías de plomo,independientemente si están o no bajo tierra.

B. Sulfobacterias

a. Metabolizan el azufre a partir de compuestosazufrados reducidos y los almacenan o pasanal medio. Se forman Iodos.

b.- ° bien oxidan el azufre, lo mismo que a suscompuestos con formación de productos áci-dos (H2SO4).Se produce acción corrosiva conmodificación importante del pH del medio.

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Se ha observado que para prever dificultadesen procesos industriales se requiere que, previo ala distribución de las aguas, se determine la pre-sencia de estos tres grupos de bacterias.

111.MECANISMO DE CORROSIÓN

Se fundam~nta en la teoría electrónica, queexplica y satisface la mayor parte de los procesosde corrosión.

El ataque corrosivo se inicia por diferencia depotencial entre los puntos en los cuales el metalpresenta imperfecciones, produciéndose el paso decorriente a través del electrólito que se encuentraentre esas partes del metal. Se forman pequeñoselementos primarios.

En las zonas anódicas, la corriente pasa delmetal al líquido, en cambio en las catódicas el pasoes del líquido al metal. Se observa disolución delmetal en el ánodo y formación de hidrógeno en elcátodo.

En condiciones normales, al desprenderse elhidrógeno catódico, éste permanece suspendido enla superficie del metal formando una película a

A. REDUCCIÓN DE SULFATOS

SO 2- + SH+ + S e-4

escala molecular, creándose un potencial de opo-sición suficiente para neutralizar "la pila". Este fe-nómeno corresponde a la polarización.Inicialmentese produce una ligera corrosión anódica con diso-lución del hierro, como sales ferrosas que se oxi-dan por el oxígeno del agua.

Al polarizarse los elementos se suspende lacorrosión. En esta etapa del proceso se observa unaligera capa de herrumbre que no afecta al metal, esun estado de equilibrio que puede durar muchotiempo mientras el oxígeno no movilice al hidró-geno catódico, ya que de ser así se despolarizaríael sistema comenzando de nuevo la corrosión. Enesta etapa es cuando intervienen las ferrobacteriasy las sulfatorreductoras.

En el ánodo, las ferrobacterias obtienen suenergía de la transformación de sales ferrosas enférricas, formando aceleradamente la herrumbre,con lo cual se rompe en forma continua el equili-brio por despolarización anódica y catódica simul-táneamente. Este proceso produce la disolucióncontinua del metal llegando a perforarlo.

En el cátodo se produce despolarización porla movilización del hidrógeno que hacen las bacte-rias sulfatorreductoras.

> S2- + 4H O2

B. DISOCIACIÓN ELECTROLÍTICA DEL AGUA

H2O<

1. Despolarización anódica

4Feo

2. Despolarización catódica

SH++ S e-

H2S04 + SH

> H+ + OH-

> 4Fe2++ S e-

>SH

> H2S + 4H2O

Los iones sulfuro reaccionan a la altura del ánodo con una parte de los iones ferrosos puestos ensolución.

S2- + Fe2+Fe2+ + H S2

>FeS> FeS + 2H+

Corrosión bacteriana en metales 33

Otra parte de los Fe2+ se combina con los OH-

Fe2+ + 20H-Fe2+ + 60H-

Globalmente:

8Hp<4Feo + 8H <

Sulfatorreductor

H2S04 + 8HFe2+ + H S-23Fe2+ + 60R

4Feo + H2SO4 + 2H2O

NOTA: Se escribe H2SO4' pero en realidad se tiene

4Feo + M2S04 + 4H2O

Estas reacciones corresponden a la vida autó-trofa del Desulfovibrio desulfuricans, sin interven-ción de materia orgánica. Pero el átomo de S pue-de servir también como aceptor de e- para la

2CH3-CHOH-COOH + SOl2Fe(OH)2 + 1/2 O2+ HP2Fe(OH)34FeC03 + O2+ 6HP

El esquema presenta las reacciones debidas a lasferrobacterias y a las bacterias sulfatorreductoras, perolas reacciones provocadas por las sulfatobacterias nointervienen directamente en el proceso de corrosión,aunque sí modifican el medio ambiente.

LITERATURA CITADA

BIRCHALL, G.A. 1979. Control of fouling within cooling

water system. Effluent and Water Treatment Journal.

CHANTEREAU, J.1985. Corrosión Bacteriana. Ed. Limusa, S.A.

EFIRD, K. D. 1976. The inter-relation of Corrosion and Foulingfor Metals in Sea Water. Materials Performance. :16-25.

IVERSON, P. W. 1972. Biological Corrosion, In: Advances in

Corrosion Science and Technology. 2:1-42.

> Fe(OH)2

> 3Fe(OH)2

> 8H++ 80R> 4Fe2++ 8H++ 16 e-

> H2S+ 4H2O> FeS + 2H+

-> 3Fe(OH)2> 3Fe(OH)2+ FeS

> FeS + 3Fe(OH)2+ 2M(OH)

oxidación de ciertas sustancias orgánicas. Esta oxi-dación nunca es completa y conduce a la forma-ción de ácido acético, por lo que se dice que es unorganismo quimiorganótrofo.

> 2CH3-COOH + CO2 + H2S + 20R> 2Fe(OH)3

> Fe203 + 3HP + Q> 4Fe(OH)3 + 4C02 + 81 Kcal

De lo anterior, se puede pensar que, por el con-tenido iónico y de materia orgánica en agua de mar,estos procesos deben ser cinéticamente más rápi-dos, provocándose una mayor acción corrosiva so-bre metales en estos ambientes acuáticos.

KING, R. A. & J. D. A. MILLER. 1971. Corrosion by sulfa-te-reducing Bacteria. Nature (London). 233: 491-492.

KOBRIN, G. 1977. Corrosion by microbiological organism

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TRULEAR, M. G., W. G. CHARACKLIS. 1982. Dyna-mies of Biofilm Processes. Journal W. P. C. F.,54(9)1288-1301.