Influence of ferrous ions, pH and H₂S at the interface on the corrosion mechanism of iron by Sulfate-Reducing Bacteria.

Lisseth Ocando¹*, Matilde Fernández de Romero¹, Orlando Pérez¹, Oladis T. de Rincón¹, Zoilabet Duque¹, Ennery León¹, Laura Atencio¹ y Reynaldo Ortiz²

¹Centro de Estudios de Corrosión, Facultad de Ingeniería, Universidad del Zulia. Maracaibo, Venezuela. *liocando@luz.edu.ve

²Laboratorio de Electroquímica, Facultad de Ciencias, Universidad de Los Andes. Mérida, Venezuela.

Abstract

Microbiologically Influenced Corrosion (MIC) by Sulfate-Reducing Bacteria (SRB) has been the subject of extensive studies for the past five decades and several theories have been proposed to explain the mechanisms governing MIC. Recently, a corrosion mechanism for the action of SRB on iron was proposed, which seeks to explain the initiation of this kind of corrosion in order to improve prevention and mitigation techniques. This mechanism was supported on the fact that there should be a local pH decrease at the metal/solution interface. So, the principal aim of this work was to prove this theory by evaluating an iron interface exposed to a culture medium rich in nutrients and SRB. The H₂S concentration produced was also evaluated to establish its relation with the pH at the interface. To measure these parameters during 24 hours, pH and H₂S microelectrodes with tip diameters of 10 µm were used. A SRB pure culture of Desulfovibrio desulfuricans subs. desulfuricans was used, grown as batch culture in modified ATCC 1249 medium with and without ferrous ions, in order to determine their influence on the pH and H₂S behavior. Attack morphology and biofilm structure in both mediums were also determined by scanning electron microscopy (SEM). The results showed that pH into the biofilm decreased depending on the ferrous ions presence. Also, it was confirmed the influence of ferrous ions and ferrous sulfides aggressiveness in the corrosion process established in the mechanism.

Key words: MIC, SRB, Microelectrodes, pH, H₂S, ferrous ions.

Efecto de los iones ferrosos, el pH y el H₂S a nivel de interfase en el mecanismo de corrosión del hierro por bacterias sulfato-reductoras

Resumen

La Corrosión Inducida Microbiológicamente (MIC) por Bacterias Sulfato-Reductoras (BSR) es un fenómeno que acarrea graves daños para muchas industrias y sistemas. Numerosas teorías se han formulado para explicar los mecanismos que gobiernan MIC y, recientemente, ha sido propuesto un mecanismo de corrosión del hierro por estas bacterias. En este mecanismo se ha establecido que los sulfuros de hierro precipitados son los que propician el proceso corrosivo del acero, junto con el H₂S generado por las BSR, y supone que, por la actividad metabólica de las mismas, en la interfase metal/solución ocurre un descenso del pH que acelera el proceso corrosivo de forma localizada. Por tanto, el objetivo principal de esta investigación consistió en evaluar el pH a nivel de interfase metal/solución, tanto en medios con iones ferrosos (al igual que en el mecanismo) como en ausencia de ellos, con el propósito de verificar la ocurrencia de esta acidificación y determinar la influencia de estos iones en el proceso corrosivo. También, evaluar la concentración deH₂S a nivel de interfase y determinar su relación con el pH. Para medir estos dos parámetros durante 24 horas en ambos medios, se utilizó microelectrodos de pH y H₂S. Por otro lado, se determinó la morfología de biopelícula y de ataque en los dos medios de cultivo mediante microscopía electrónica de barrido (MEB). Los resultados arrojaron que el pH disminuye a nivel de interfase metal/solución dependiendo de la presencia de iones ferrosos. Adicionalmente, con esta investigación se confirmó la influencia adversa de los iones Fe⁺⁺ y la agresividad de los sulfuros de hierro en el proceso corrosivo.

Palabras clave: MIC, BSR, microelectrodos, pH, H₂S, iones ferrosos.

Recibido el 30 de Junio de 2006 En forma revisada el 30 de Julio de 2007

Introducción

La participación de los microorganismos en el proceso de la corrosión, comúnmente denominada Corrosión Inducida Microbiológicamente (MIC), es un tema ampliamente estudiado a nivel mundial debido a los grandes problemas que envuelve, donde destacan las pérdidas económicas y de producción ocurridas en numerosas industrias y sistemas que utilizan aguas de estuarios naturales (petrolera, eléctrica, etc.) [1, 2].

Los microorganismos comúnmente asociados a daños por corrosión son las Bacterias Sulfato-Reductoras (BSR) [2, 3]; las cuales utilizan el sulfato del ambiente como aceptor terminal de electrones reduciéndolo a H2S, un metabolito altamente corrosivo. Estas bacterias, al igual que muchos otros microorganismos, forman biopelículas adherentes sobre los sustratos metálicos que facilitan el desarrollo de consorcios estructurados y aumentan, generalmente, el efecto nocivo de sus metabolismos. Las biopelículas están formadas por grupos o consorcios de células separados por vacíos intersticiales, los cuales facilitan el transporte de masa por convección y favorecen una mayor concentración de los constituyentes del seno del líquido en estos sitios [3]. Este hecho conlleva a una modificación importante de la interfase metal/solución e induce cambios en el tipo y concentración de iones, pH, niveles de oxígeno, velocidad de flujo y capacidad búfer del microambiente en la interfase, destacando la importancia del estudio a este nivel y no en el seno del fluido, sobre todo desde el punto de vista de corrosión, el cual es un fenómeno interfacial.

Debido a todos los problemas que envuelven estas bacterias, y con el fin de esclarecer el inicio de este proceso para mejorar así sus técnicas de mitigación y control, numerosas investigaciones se han avocado a determinar los mecanismos que lo gobiernan [4]. Recientemente, F. de Romero [5] propuso un mecanismo de corrosión por BSR para aleaciones base hierro expuestas a medios contaminados con estas bacterias y con una concentración de iones ferrosos de, aproximadamente, 200 mg/L, por ser una característica habitual de muchos sistemas industriales comúnmente afectados por MIC. En este mecanismo se establece que los sulfuros de hierro formados por la acción de estas bacterias, son los que favorecen o propician el proceso corrosivo del acero. Adicionalmente, el mismo está basado en la suposición de que en la interfase metal/solución ocurre un descenso del pH, lo cual origina una serie de reacciones de transformación de los sulfuros de hierro precipitados sobre el sustrato metálico, de protectores a no protectores, acelerando el proceso corrosivo de forma localizada.

En tal sentido, el objetivo principal de este trabajo consistió en corroborar la posible disminución del pH indicada en tal mecanismo, evaluando el comportamiento en el tiempo de este parámetro en la interfase a través de microelectrodos. Estos, por su diminuto tamaño de punta, permiten obtener resultados con alta resolución espacial sin perturbar la formación normal de la biopelícula. Adicionalmente, por tratarse de BSR, en esta investigación se contempló como objetivo principal evaluar la concentración de H₂S, también en la interfase, para determinar su relación con el pH y el proceso corrosivo. 

Es importante resaltar que el mecanismo fue evaluado utilizando un medio de cultivo con una concentración de iones ferrosos de 200 mg/L. Por tanto, esta investigación fue realizada utilizando medios de cultivo con la misma carga de Fe⁺⁺ del mecanismo (200 mg/L) y en ausencia de ellos, para determinar la influencia de los iones ferrosos en la corrosión y en el comportamiento del pH y del H₂S.

Procedimiento Experimental

La medición del pH y de la concentración de H₂S en la interfase metal/solución se llevó a cabo a través de microelectrodos potenciométricos y amperométricos comerciales, respectivamente; ambos con diámetros de puntas de 10 µm. Estos microelectrodos tienen una muy alta resolución espacial y son capaces de detectar mínimos cambios localizados en muchos ambientes, sin perturbar la libre formación de las biopelículas [6, 7]. Por otra parte, debido a su diminuto tamaño, estos dispositivos son muy susceptibles a daños y fracturas, por lo que en un principio fue necesario diseñar una celda experimental (reactor) y un procedimiento de trabajo adecuado para realizar las mediciones deseadas sin que se fracturaran.

En la Figura 1 se presenta el reactor diseñado con todos sus implementos y equipos necesarios para la medición. La celda fue diseñada con una chaqueta o doble pared para mantener la temperatura óptima de crecimiento de las BSR, 37 ± 1°C, mediante recirculación de agua tibia a través de la misma. Adicionalmente, se mantuvo las condiciones de anaerobiosis mediante el burbujeo mínimo de nitrógeno (N₂) gaseoso de alta pureza.

Los microelectrodos de pH y de H₂S se colocaron juntos en un micromanipulador, y fueron posicionados, utilizando una lupa estereoscópica, lo más cerca posible entre ellos, así como de una lámina de hierro puro (99,99%) colocada en el fondo del reactor (Figura 1). Los datos fueron recolectados tanto para el medio estéril (por 10 horas mínimo) como para el medio inoculado (por 24 horas) a través de un programa comercial de adquisición de datos.

Para mantener la esterilidad en cada ensayo, los componentes de la celda diseñada, las mangueras, conexiones, filtros de aire, y el medio de cultivo fueron esterilizados por autoclave a 121°C durante 15 minutos. La lámina de hierro, con su superficie previamente preparada mediante lijas de diferentes granulometrías hasta grado 600, fue desengrasada con acetona en un baño ultrasónico y luego colocada en luz ultravioleta por un mínimo de 12 horas. Antes de cada ensayo, los microelectrodos calibrados fueron enjuagados con etanol al 96% y agua destilada estéril y luego de posicionados en el reactor, el mismo fue sellado con parafina líquida estéril.

Medio de cultivo y cepa bacteriana

Con el propósito de dar continuidad a las investigaciones que dieron lugar al mecanismo propuesto por F. de Romero [5], se utilizó la misma cepa pura de BSR denominada Desulfovibrio desulfuricans subs. desulfuricans, caracterizada por la American Type Culture Collection como ATCC 1757.

El medio de cultivo utilizado fue el recomendado por la ATCC para estas bacterias, identificado con el código ATCC 1249, con la siguiente composición: 2,0 g de sulfato de magnesio (MgSO₄), 5,0 g de citrato de sodio (C₆H₅Na₃O₇), 1,0 g de sulfato de calcio (CaSO₄), 1,0 g de cloruro de amonio (NH₄Cl), 0,5 g de fosfato hidrógeno de di-potasio (K₂HPO₄), 3,5 g de lactato de sodio (C₃H₅NaO₃), 1,0 g de extracto de levadura, 20 mL de sulfato de amonio ferroso (Fe(NH₄)₂(SO₄)₂) al 5%, 1 mL de resazurina (C₁₂H₇NO₄) al 0,2%, 10 mL de ascorbato de sodio (C₆H₇NaO₆) al 5%, 10 mL de tioglicolato de sodio (C₂H₃NaO₂S) al 5%, 1 L de agua destilada (H₂O). Cabe destacar que este medio posee una concentración de iones ferrosos de aproximadamente 200 mg/L. Los ensayos sin iones ferrosos se realizaron con el mismo medio, sustituyendo el sulfato de amonio ferroso por sulfato de amonio ((NH₄)₂SO₄) también al 5%. De esta forma se eliminó el hierro soluble, pero sin variar la carga iónica del mismo, sobretodo para evitar una menor cantidad de sulfatos.

Se prepararon los inóculos de BSR en una relación de 1:10 con 24 horas de incubación, con el fin de que la concentración bacteriana estuviese en el orden de 10⁶-10⁷ cel/mL. El contaje bacteriano se llevó a cabo a través de las técnicas de dilución seriada y contaje directo de células vivas y muertas por microscopía de epifluorescencia (con los fluorocromos Syto 9 y Yoduro de Propidio), antes de cada ensayo y a las 24 horas de exposición, tanto a nivel planctónico como sésil. Esto último se realizó desprendiendo las células adheridas a la superficie mediante un desmembrador ultrasónico. El procedimiento seguido para el contaje sésil ha sido reportado con más detalle en artículos anteriores [8].

Calibración de los microelectrodos

Antes de cada experimento, los microelectrodos de pH y de H₂S fueron calibrados, a la misma temperatura experimental (37°C) en otro reactor de doble pared. Los microelectrodos de pH fueron calibrados usando soluciones búfer estándares de pH 4, 7 y 10; mientras que los microelectrodos de H₂S fueron calibrados en una solución de búfer fosfato (pH = 3) anaerobia con diversas concentraciones de H₂S, preparadas diluyendo en el búfer cantidades medidas de una solución madre (anaerobia) de sulfuro del sodio (Na₂S) 0.01M.

Determinación de la morfología de biopelícula y de ataque

La estructura de la biopelícula y la morfología de ataque también fueron determinadas para ambos medios de cultivo utilizando microscopía electrónica de barrido (MEB). Esto se realizó colocando cupones de hierro puro (99,99%) en el fondo de viales conteniendo los medios de cultivo estériles (con y sin iones ferrosos) anaerobios. Luego, los viales fueron inoculados en una relación 1:10 con los inóculos respectivos e incubados a la temperatura de 37°C durante 24 horas. Como control, algunos viales fueron mantenidos bajo condiciones estériles y sometidos a las mismas condiciones de temperatura y tiempo de exposición. Luego de las 24 horas, varios cupones fueron extraídos y sumergidos en una solución de glutaraldehído al 2.5%, por un mínimo de 3 horas, posteriormente deshidratados con acetona a diferentes concentraciones (20, 30, 50, 70 y el 90%), cubiertos con 15 nm de oro y, finalmente, llevados al MEB para caracterizar la biopelícula. El resto de los cupones fueron extraídos y preparados para su observación al microscopio siguiendo la norma ASTM G1-90 (morfología de ataque).

Es importante resaltar que aquí los cupones de hierro fueron colocados en posición horizontal, la misma posición en la cual se colocó la lámina de hierro en los ensayos con microelectrodos. Sin embargo, como el mecanismo de corrosión del hierro por BSR propuesto por F. de Romero [5] se realizó con láminas en posición vertical, se realizaron algunos ensayos de morfología de ataque y biopelícula colocando cupones en posición vertical, colgando los mismos dentro de los viales mediante hilos de nylon estériles. Todo esto con el fin de determinar si la posición de la lámina influye en el proceso corrosivo.

Resultados y Discusión Resultados de las mediciones con microelectrodos Calibraciones

Tanto los microelectrodos de pH como los de H₂S presentaron curvas de calibración reproducibles antes y después de cada ensayo. Las curvas para los microelectrodos de pH presentaron una respuesta lineal, con pendientes que oscilaron entre 50 y 54 mV por unidad de pH. Por su parte, los microelectrodos de H₂S respondieron linealmente para un amplio rango de concentraciones (0-1000 µM).

Medios de cultivo estériles 

El pH en ambos medios de cultivo estériles estuvo cercano a la neutralidad (oscilando entre 6.5 y 7.5), mientras que la concentración de H₂S alcanzó estabilidad en valores ligeramente diferentes: 2 µM ( 0.13 ppm) en el medio con iones ferrosos y 60 µM ( 2 ppm) en el medio sin iones ferrosos. La diferencia fue atribuida precisamente a la presencia de estos iones Fe⁺⁺, los cuales pueden reaccionar con ciertos componentes del medio de cultivo, especialmente con el tioglicolato de sodio (que pudo haberse disociado en una pequeña cantidad de H₂S); y, por lo tanto, podrían aumentar ligeramente el pH y disminuir la concentración del sulfuro de hidrógeno al reaccionar con una pequeña cantidad de H₂S.

Mediciones de pH y concentración de H₂S en el medio de cultivo sin iones ferrosos inoculado con D. desulfuricans

En la Figura 2 se muestra el comportamiento del pH y de la concentración del H₂S para el medio de cultivo sin iones Fe⁺⁺ inoculado con D. desulfuricans durante 24 horas, determinados mediante los microelectrodos.

En la figura anterior se muestran los resultados de estos dos parámetros para dos ensayos con diferentes concentraciones del inóculo bacteriano (10⁵ y 10⁷ cel/mL). Se puede apreciar que ambas curvas presentan un comportamiento muy parecido, independientemente de la concentración bacteriana. El pH disminuye pronunciadamente (entre 0 y 4) como se esperaba al inicio de esta investigación. Por su parte, ambas curvas de H₂S tienen una forma similar, alcanzando un pico o máxima concentración, para luego disminuir hasta mantenerse en un valor estable. Es evidente que en la segunda prueba (Figura 2B) hubo una mayor actividad bacteriana, reflejada por el pico de concentración de H₂S tan alto (aproximadamente 6000 µM, @ 192 ppm), lo que produjo una disminución muy drástica del pH (valores menores a 1). Esta mayor actividad bacteriana también se reflejó en el crecimiento sésil a las 24 horas de exposición: Para el Ensayo 1 el número de células totales (vivas y muertas) fue de 4.07×10⁶ cel/cm² y para el Ensayo 2, fue de 1.42×107 cel/cm2.

Mediciones de pH y concentración de H₂S en el medio de cultivo con iones ferrosos inoculado con D. desulfuricans

El comportamiento típico del pH y de la concentración de H₂S para un medio con iones ferrosos (200 mg/L) inoculado con D. desulfuricans durante 24 horas se presenta en la Figura 3. En ella se puede apreciar que el pH en la interfase no disminuye como fue observado en el medio sin iones ferrosos, por el contrario, tiende ligeramente a aumentar en el tiempo, a partir de 6,8, que era el valor inicial hasta 7,5 a las 24 horas. Por otra parte, la curva de concentración de H₂S presentó un comportamiento similar a los ensayos anteriores (sin Fe⁺⁺), alcanzando un pico o máxima concentración de 500 µM (@ 17 ppm) a las 8,5 horas, aproximadamente; siendo este valor mucho más bajo que el reportado para el medio sin iones ferrosos (6000 µM, que es la concentración para el ensayo con un inóculo similar al de la Figura 3: 1×10⁷ cel/mL).

Cabe destacar que en ambos medios de cultivo, la concentración de H₂S disminuye a pesar de tener una alta concentración bacteriana sésil al final del ensayo (aproximadamente, 1×10⁷ cel/cm² a las 24 horas). Sin embargo, para el caso del medio ce cultivo con iones Fe⁺⁺ , la concentración de H₂S fue mucho más baja y casi alcanzó valores de línea base (cero µM). Esto indica que el H₂S pudo haber sufrido un proceso de transformación a partir de las 9 horas, hecho que no sucede en el medio sin Fe⁺⁺, donde la concentración del H₂S se estabilizó en valores más altos (2000 µM).

Comparando las Figuras 2 y 3, se puede apreciar que existen otras diferencias en el comportamiento del pH y de la concentración de H₂S relacionadas con la presencia de iones ferrosos disueltos en el medio. La discusión presentada a continuación permite explicar lo que le sucede a la superficie metálica expuestas a las BSR en ambos medios de cultivo.

Medio de cultivo sin Fe⁺⁺ (Figura 2)

Durante las primeras horas, donde el pH no cambia, el H₂S se concentra en la interfase metal/solución manteniendo el equilibrio con sus iones y ocasionando la corrosión inicial del metal, de acuerdo a las siguientes reacciones:

H₂S ® HS^–+ H⁺    (1)

Fe ® Fe⁺⁺ + 2e^–    (2)

2H⁺ + 2e^– ® H2     (3)

Fe⁺⁺ + HS^– ® FeS¯ + H⁺.  (4)

De acuerdo con estas ecuaciones, el consumo de H⁺ evita que el pH disminuya y, además, desplaza el equilibrio hacia el lado derecho de la ecuación 1, con la subsiguiente disminución de la concentración de H₂S. Sin embargo, debido a que la bacteria, que fue inoculada a una alta concentración y por lo tanto en las tempranas horas esta se encuentra en su fase de crecimiento exponencial, pareciera que la velocidad de producción de H₂S bacteriano fuese mayor a la velocidad de consumo. Esta es la razón por la cual se observa en la Figura 2B una acumulación de H₂S hasta alcanzar un máximo de 6000 µM a las 8 horas, aproximadamente. La disminución del H₂S desde la hora 8 en adelante podría ser debida a su reacción con los iones ferrosos disueltos por la corrosión de la lámina de hierro (observada por el ennegrecimiento de la misma a las 24 horas). Por lo tanto, a partir de este momento, la velocidad de consumo del H₂S debería ser mayor a la de la producción (por la ecuación 4). Pareciera que esta reacción generase un película de sulfuros de hierro adherentes entremezcladas con las sustancias extracelulares poliméricas (EPS), disminuyendo la velocidad de corrosión y evitando el consumo de los iones hidrónios. Este proceso origina que el pH disminuya tan drásticamente (<1) y consuma una gran cantidad de H₂S hasta que el equilibrio se alcanza nuevamente (@ 2000 µM). 

Medio de cultivo con Fe⁺⁺ (Figura 3)

Cuando en el medio de cultivo está presente una alta concentración de iones ferrosos, el comportamiento del pH y de la concentración de H₂S cambia, debido a la masiva precipitación de sulfuros de hierro (de acuerdo a las ecuaciones l-4). En las primeras horas de exposición, el HS^– y el H⁺ son rápidamente consumidos por una reacción química y electroquímica, respectivamente. Es por esto que la concentración de H₂S permanece constante durante las primeras 4,5 horas, aproximadamente, y el pH es casi constante. En este proceso, aparentemente hay dos tipos de sulfuros de hierro depositados sobre la interfase, uno que proviene de un proceso de precipitación, que no es adherente, y otro que resulta de la corrosión del metal. Consecuentemente, la película formada en este caso sobre la superficie del metal no es ni uniforme ni adherente. Desde la hora 5 en adelante, se observa un incremento repentino de la concentración de H₂S hasta alcanzar un pico de 500 µM alas 8,5 horas, valor mucho más pequeño que la concentración reportada para el medio sin iones ferrosos (6000 µM). Luego, se aprecia que el H₂S disminuye hasta casi cero, pero no el pH, el cual fue más o menos estable durante el ensayo. Este comportamiento se debe, probablemente, a una mayor velocidad de corrosión del metal, de acuerdo a los siguientes pasos: 

H₂S Û HS^–+ H⁺    (1)

Fe⁺⁺ + HS^– ® FeS¯ + H⁺   (4)

Fe ®  Fe⁺⁺ + 2e^–   (2)

2H⁺ + 2e^– ®  H2­  . (3)

Es importante mencionar que todos estos ensayos se realizaron con la lámina de hierro en posición horizontal, debido a la forma de los microelectrodos y a sualta susceptibilidad a daños, mientras que el mecanismo propuesto por F. de Romero [5] fue evaluado con láminas en posición vertical, donde, en lugar de sulfuros de hierro precipitados ocurre un proceso de adhesión. Bajo estas condiciones, pudiera ser posible que el pH en una interfase vertical en presencia de iones ferrosos si disminuya, porque el proceso corrosivo en este caso no es tan severo como el generado en posición horizontal, así como se discutirá más adelante al presentar los resultados de morfología de ataque.

Comparación entre el pH en el seno del líquido y el de la interfase metal/solución

Como fue mencionado en la parte experimental, el pH en el seno del fluido también fue medido para compararlo con el pH a nivel de interfase determinado a través de microelectrodos. Las curvas promedio resultante para ambos medios se presenta en la Figura 4. 

Como se puede observar, el pH se mantuvo casi constante y cerca de la neutralidad en ambos medios, sin importar la presencia o ausencia de los iones ferrosos, debido a la capacidad búfer del medio de cultivo (el cual contiene K₂HPO₄ como búfer). Sólo en el caso del medio de cultivo con iones ferrosos se pudo apreciar una ligera disminución del pH (hasta, aproximadamente, 5,5) en las primeras 3 horas de exposición. Esto se debe a la reacción de los iones HS^– con los iones Fe⁺⁺ del medio, la cual deja libre a una mayo concentración de H⁺.

Estos resultados demuestran que las biopelículas y los sulfuros de hierro precipitados modifican la interfase y, en algunos casos, producen una acidificación local que solo puede ser detectada a través de dispositivos sensibles como los microelectrodos. Por lo tanto, es muy importante estudiar el fenómeno de MIC desde un punto de vista interfacial, porque los resultados en el seno del fluido y en la interfase son muy diferentes entre sí.

Resultados con Microscopía Electrónica de Barrido (MEB) Morfología de biopelícula

En la Figura 5 se presentan las fotomicrografías tomadas con el MEB de las biopelículas desarrollas durante 24 horas sobre cupones colocados en posición horizontal en ambos medios de cultivo: sin Fe⁺⁺ (A) y con Fe⁺⁺ (B), a una magnificación de 250X.

En la figura anterior se aprecia la gran diferencia entre ambas biopelículas en cuanto a densidad y tamaño de los sulfuros de hierro precipitados, debido a la presencia de iones ferrosos, favorecidos por la posición horizontal de la lámina. En el medio sin iones ferrosos, la biopelícula es delgada y más o menos uniforme, mientras que en el medio con iones ferrosos, ésta es muy densa.

También en posición vertical, hubo grandes diferencias en la biopelícula entre ambos medios de cultivo, tal y como se presenta en la Figura 6. Sin embargo, las biopelículas no son tan densas ni robustas como las observadas en el medio con iones ferrosos en posición horizontal. Comparando las Figuras 5 y 6, pareciera que el medio con iones ferrosos y cupones en posición vertical estuviese en una posición intermedia, respecto al medio sin iones ferrosos y posición horizontal y al medio con iones ferrosos también en posición horizontal.

Mayores magnificaciones de la Figura 5A (medio de cultivo sin iones ferrosos y lámina en posición horizontal) se muestran en la Figura 7 en donde se observan las bacterias distribuidas sobre la superficie y, en algunos casos, mezcladas con los sulfuros de hierro.

Por otro lado, las imágenes de las biopelículas formadas en el medio con iones ferrosos en posición horizontal, no muestran las bacterias tan claramente como en la Figura 7. Por el contrario, sólo se observa una masa densa de productos amorfos compuesta, principalmente por sulfuros de hierro (Figura 8). Se realizó un intento para detectar las bacterias en estas condiciones, observando con el microscopio una zona donde la biopelícula fue accidentalmente removida con una pinza durante la preparación de la muestra (Figuras 8B y 8C). En este caso, las bacterias pudieron ser observadas con facilidad, también, entremezcladas con los sulfuros de hierro. Por lo tanto, es posible decir que las bacterias colonizan la superficie junto con una masiva precipitación de los sulfuros, estando este proceso favorecido por la posición horizontal, incrementando el espesor de la biopelícula y evitando la formación de una biopelícula limpia como la formada en el medio sin adición de iones ferrosos.

No obstante, en las imágenes de las biopelículas sobre las láminas colocadas en posición vertical en presencia de iones ferrosos, las bacterias si pudieron ser observadas claramente, mezcladas con EPS y sulfuros de hierro (Figura 9).

Morfología de ataque

En la Figura 10 se muestra microfotografías características de la morfología de ataque tomadas mediante el MEB, para los cupones expuestos durante 24 horas a los medios de cultivo con y sin iones ferrosos, inoculados con D. desulfuricans, tanto en posición vertical como horizontal.

De manera general, el tipo de ataque fue localizado, caracterizado por la formación de hoyuelos aislados y en algunos casos coalescentes, sobre toda la superficie. Sin embargo, dependiendo de la posición de la lámina y de la presencia de iones ferrosos la severidad de la corrosión fue diferente en cada caso. El mayor ataque fue observado en los cupones colocados en posición horizontal y en presencia de iones ferrosos, donde se observó grandes daños localizados dentro de áreas de corrosión uniforme (Figura 10B). En este caso, los sulfuros de hierro fueron difíciles de eliminar mediante el decapado de la muestra y se observó que la superficie presentó líneas que parecían ser límites de grano (Figura 11). También se notó que estas líneas coincidían con los sulfuros de hierro precipitados que fueron difíciles de remover.

La alta agresividad de este medio corresponde con la explicación mencionada previamente sobre el consumo de iones hidrónios que impidió la disminución del pH. Por otra parte, en el medio sin hierro soluble, aunque el pH disminuyó drásticamente en un punto, no se observó un ataque severo, lo que confirma el enunciado mencionado con anterioridad de que en este medio, se forma una capa protectora. 

Según estos resultados, la suposición de que el pH disminuye a nivel de interfase en el medio con iones ferrosos en posición vertical (mecanismo propuesto por F. de Romero [5]) podría ser posible porque la severidad de la corrosión bajo estas condiciones fue más alta que la observada en el medio sin iones ferrosos, pero más baja que en la posición horizontal. Adicionalmente, con esta investigación se confirma la influencia adversa de los iones de Fe++en el proceso corrosivo y de la agresividad de los sulfuros de hierro, propuestas en varias investigaciones [7, 9], así como en el referido mecanismo.

Conclusiones

El pH sobre la superficie de hierro en posición horizontal en un medio de cultivo sin iones ferrosos inoculado con D. desulfuricans disminuyó pronunciadamente hasta valores muy bajos (<1), debido a la formación de una biopelícula compleja protegió al material e impidió el consumo de los iones hidrónios por el proceso corrosivo.

En el medio de cultivo con iones ferrosos, el pH en la interfase metal/solución en posición horizontal, permaneció casi constante y cercano a la neutralidad debido a un proceso corrosivo severo que consume los iones HS^– y los H⁺ originado por la precipitación masiva de los sulfuros de hierro.

Las fotomicrografías tomadas con MEB demostraron que el daño de MIC es de tipo localizado, caracterizado por la formación de hoyuelos aislados y/o coalescentes. La condición más severa para el metal ocurrió cuando éste estaba en posición horizontal y los iones ferrosos estaban presentes. En este caso, se observó grandes hoyuelos aislados dentro de áreas con corrosión uniforme.

Las bacterias y los productos de corrosión (sulfuros de hierro en este caso) se encontraron mezclados formando una biopelícula compleja que cubrió la superficie del hierro, siendo en algunos casos protectora, dependiendo de la presencia de iones Fe⁺⁺.

El pH dentro de la biopelícula disminuyó dependiendo de la presencia de iones ferrosos. La suposición de que el pH disminuye en una interfase en posición vertical en medios con iones ferrosos, clamada por F. de Romero en su mecanismo, podría ser posible porque la severidad de la corrosión en esta clase de medio fue más alta que la observada en el medio sin iones ferrosos, pero más baja que en la posición horizontal. 

La influencia adversa de los iones ferrosos y de la agresividad de los sulfuros de hierro en el proceso corrosivo fueron confirmadas con los resultados de esta investigación.

Agradecimiento

Esta investigación fue financiada por el Fondo Nacional para la Ciencia y Tecnología de Venezuela (FONACIT), bajo el número de proyecto G-2000001606. 

Un gran agradecimiento a la compañía UNISENSE por el entrenamiento ofrecido sobre manejo y calibración de los microelectrodos.

Referencias Bibliográficas

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