Кинетические закономерности формирования коррозионно активных биопленок и подходы к их элиминированию

• Автор: Азизов, Руфат Эйваз оглы
• Шифр специальности: 02.00.15, 03.00.23
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 157 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ .

1.1. Биокоррозия

1.1.1. Объекты, подверженные биокоррозии.

1.1.2. Участие сульфатвосстанавливающих бактерий в процессах биокоррозии

1.1.3. Другие бактерии, участвующие в процессах биокоррозии

1.2. Коррозионно активные биопленки.

1.2.1.Формирование коррозионно активных биопленок состав и взаимосвязь

с коррозионными процессами

1.2.2. Факторы, влияющие на формирование коррозионно активных биопленок

1.2.2.1. Влияние кислорода на развитие биопленок

1.2.2.2. Влияние протока на формирование коррозионно активных биопленок
1.2.2.3. Влияние химических свойств металла, на поверхности которого формируются биопленки
1.3. Методы исследования биокоррозии
1.3.1. Методы дифференцированного исследования планктонных культур.
1.3.1.1. Микробиологические методы.
1.3.1.2. Использование полимеразной цепной реакции ПЦР.
1.3.1.3. Косвенные методы определения клеток.
1.3.1.4. Флуоресцентные и иммунологические методы
1.3.2. Методы исследования коррозионно активных биопленок
1.4. Подходы к предотвращению процессов биокоррозии.
1.4.1. Применение ингибиторов коррозии с биоцидной активностью.
1.4.2. Биоцидные вещества в нефтяной промышленности
1.4.3. Ингибирущая роль биопленок в развитии коррозии
1.4.4. Применение лигированных сталей
1.4.5. Удаление накапливающихся загрязнений, нефтяные сорбенты.
1.5. Биолюминесцентный метод определения внутриклеточного АТФ.
1.5.1. Каталитические реакции, лежащие в основе биолюминесцентного метода
1.5.2. Практическое применение биолюминесцентного метода определения АТФ
2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
2.1. Материалы
2.1.1. Химические реактивы .
2.1.2. Ингибиторы коррозии
2.1.3. Пробы нефти.
2.1.4.ефтесорбент
2.1.5. Мегаллическис купоны
2.1.6. Приборы.
2.1.7. Микроорганизмы
2.2. Методы.
2.2.1. Хранение и культивирование бактерий.
2.2.2. Микробиологическое определение численности бактерий.
2.2.3. Определение концентрации внутриклеточного АТФ биолюминесцентным методом
2.2.4. Определение с помощью биолюминесцентного метода концентрации клеток в грунте, за1рязненном нефтью
2.2.5. Экстракция внутриклеточного АТФ из клеток в составе биопленок
2.2.6. Определение удельной скорости роста клеток.
2.2.7. Определение концентрации сульфида в среде и в составе биопленок.
2.2.8. Определение концентрации сульфата в среде.
2.2.9. Определение концентрации фосфатионов в среде.
2.2 Определение концентрации железа в среде
2.2 Определение массового показателя коррозии.
2.2 Покрытие металлической поверхности сульфидной пленкой.
2.2 Определение минимальных ингибирующих концентраций ингибиторов коррозии по отношению к планктонным клеткам и биопленкам.
2.2 Подготовка проб грунтапеска для экспериментов
2.2 Определение концентрации растворенного кислорода в среде.
2.2 Ультразвуковая дезинтеграция клеток для определения полноты экстракции АТФ.
2.2 Определение органических кислот в сточных водах
2.2 Проточная система
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ .
3.1. Применение биолюминесцентного метода определения АТФ для исследования кинетики роста и численности микроорганизмов, участвующих в
процессах биокоррозии.
3.1.1. Определение удельной концентрации внутриклеточного АТФ в
клетках, участвующих в процессах биокоррозии .
3.1.2. Применение биолюминесцентного метода для исследования кинетики
роста планктонных клеток, участвующих в процессах биокоррозии.
3.1.3. Оптимизация условий применения биолюминесцентного метода для исследования кинетики роста гетеротрофных бактерий в
загрязненных нефтью пробах песка и грунта.
3.1.3.1. Исследование удельной концентрации АТФ в клетках бактерий
с использованием хлороформа в качестве экстрагирующего агента
3.1.3.2. Определение численности бактерий в модельных системах на основе грунта, загрязненного нефтью.
3.1.3.3. Исследование кинетики роста бактерий в грунте, загрязненном нефтью.
3.1.4. Оптимизация условий применения биолюминесцентного метода для
исследования кинетики формирования коррозионно активных биопленок
3.1.5. Разработка дифференцированного метода анализа состава смешанных
бактериальных планктонных клеток и коррозионно активных биопленок
3.1.6. Применение разработанных методик для анализа численности коррозионно активных клеток в пробах из реальных объектов
3.2. Исследования закономерностей формирования и факторов, влияющих на формирование коррозионно активных биопленок.
3.2.1. Кинетические закономерности формирования биопленок в зависимости от микробного состава среды
3.2.2. Исследование кинетики накопления сульфида железа и анализ его
роли в формировании биопленок
3.2.3. Кинетические закономерности химической коррозии различных металлов в процессе формирования биопленок.
3.2.4. Влияние присутствия нефти в среде на кинетику формирования биопленок
3.2.5. Влияние скорости протока и типа системы на кинетику
формирования биопленок.
3.3. Разработка подходов к подавлению процессов биокоррозии.
3.3.1. Исследование возможности применения ингибиторов коррозии
для предотвращения биокоррозии.
3.3.1.1. Исследование влияния различных ингибиторов коррозии на кинетические параметры люциферазной реакции.
3.3.1.2. Определение биоцидной активности ингибиторов коррозии по отношению к планктонным клеткам биолюминесцентным методом
3.3.1.3. Определение биолюминесцентным методом биоцидной активности ингибиторов коррозии по отношению к биопленкам
3.3.2. Использование нефтяных волокнистопористых сорбентов для
снижения скорости биокоррозионных процессов
3.3.2.1. Исследование способности сорбента Мегасорб удалять сульфид
железа из среды
3.3.2.2. Исследование возможности удаления бактериальных клеток
из среды Мегасорбом.
3.3.2.3. Исследование влияния фильтрации модельных сточных вод Мегасорбом
на кинетику формирования биопленок.
3.3.2.4. Совместное использование Мегасорба и ингибиторов коррозии для элиминирования факторов, приводящих к развитию
коррозионно активных биопленок
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ВЫВОДЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


Процесс сульфатредукции интенсивно протекает в нефтяных пластах, подвергающихся заводнению. Наиболее благоприятные условия для протекания этих процессов наблюдаются в призабойной зоне нагнетательных скважин при внутриконтурном заводнении. В литературе существуют различные гипотезы относительно механизмов процессов биокоррозии, провоцируемых СВБ, основными из которых являются катодная и анодная деполяризация ,,. В основе коррозии металла лежат электрохимические процессы. Очевидно, что из двух катодных реакций наибольшей термодинамической движущей силой обладает последняя реакция, кроме того, эта реакция может дать более высокие скорости коррозии. Она протекает только в присугствии растворенного кислорода, поэтому в плохо или совсем неаэрируемых почвах и нейтральных водах процесс коррозии не может энергично протекать за счет катоднодеполяризующих процессов 5. Однако, обнаружены высокие скорости коррозии стальных труб в нейтральных неаэрируемых почвах, содержащих большое количество сульфатных солей. В анаэробных нейтральных водных средах при определенных условиях также наблюдались высокие скорости коррозии. В соответствии с общепринятой теорией этот вид коррозии связан с активностью СВБ . Все процессы биокоррозии увеличивают скорости электрохимических реакций, влияя на анодную или катодную реакцию коррозии. Как видно из реакции восстановления сульфата, бактерии используют водород или электроны, едва они появляются на катодных. Электроны идут на восстановление
сульфатов до сульфидов с последующим образованием сернистого железа. Возможность использования газообразного водорода предпологает наличие у бактерий СВБ ферментов гидрогеназ, ускоряющих или инициирующих восстановительные катодные процессы. Типичными видами СВБ, вызывающими биокоррозию являются йЛеЫипсат, Адеу . А i, и А аг кат. Таким образом, движующей силой катодной деполяризации является окисление водорода и формирование сульфида металла. Было изучено влияние целого ряда СВБ на кривые поляризации углеродистой стали. Эти исследования показали, что потери массы образцов малоуглеродистой стали, помещенных в суспензии клеток различных штаммов СВБ, коррелируют с уровнем активности фермента гидрогеназы в клетках микроорганизмов ,. Установлено, что в присутствии КАЭзависимой гидрогеназы клеток СВБ усиливается окисление Нг. Предложено три механизма для объяснения этой реакции Рис. Механизм А поддерживает теорию катодной деполяризации, так как, соответственно этому механизму, гидрогеназа окисляет Н2, который является продуктом катодной реакции. Остальные два механизма Б и В предполагают прямую трансформацию электронов между гидрогеназой и металлической поверхностью. В механизме Б гидрогеназа адсорбируется на поверхности металла, далее происходит прямой переход электронов между металлом и ферментом, а в механизме В переход электронов осуществляется с одновременным участием Нионов, фермента и атомов водорода на поверхности металла. Рис. Возможные механизмы гидрогеназной реакции . Различные реакции или факторы, уменьшающие активность ионов Ре2 увеличивают движущую силу анодной реакции, и соответственно, увеличивают скорость коррозии. Ионы Бе2 могут удаляться из реакционой среды при образовании осадка сульфида железа, а также при образовании комплексных соединений с полимерами, продуцируемыми микроорганизмами или в результате окисления . На первой стадии коррозии анодная деполяризация выражена сильнее. На более поздних стадиях она вновь возрастает, что обусловливает смещение потенциала катодной реакции в положительную область. Большое внимание исследователи уделяли изучению роли кислорода в процессах анаэробной биокоррозии. Теоретически кислород должен препятствовать развитию анаэробных клеток или биопленок и, соответственно, замедлять процессы биокоррозии, но эксперименты показали, что процессы биокоррозии толерантны к присутствию растворенного кислорода в питательной среде. Этот парадокс объясняется способностью кислорода играть роль терминального акцептора электронов . В частности.