State of art of microbiologically induced corrosion of carbon steel and stainless steel in aqueous environments

Microbiologically induced corrosion (MIC) is a complex phenomenon and interdisciplinary approach is needed including biology, electrochemistry and material science. Rather than being an individual mechanism, MIC is generally act together with other abiotic corrosion mechanisms. Individual microorganisms are extensively studied to understand each bacterium type specific mechanisms. SRB is the most studied one among them. In general, there are two types of MIC; type I is direct contribution of microorganisms by either direct electron uptake from metallic material or involvement to cathodic or anodic reactions. Type II MIC is the secretion of corrosive metabolites. SRB exhibit both types of MIC, as the biocatalytic cathodic sulfate reduction theory suggests they can catalyze sulfate reduction reaction and so iron oxidation. It is showed that they can provide electrons directly from the metallic iron. SRB can produce corrosive metabolites especially when they present together with sulfur oxidizing bacteria (SOB), sulfuric acid production by establishing a sulfur cycle. Iron bacteria including iron oxidizing (IOB) and iron reducing bacteria (IRB) can participate in iron redox cycle directly. IOB can oxidize Fe(II) ion and resulting the formation of iron hydroxide products. They can provide anoxic niches which are very suitable environments for SRB growth. Acid producing bacteria (APB) is a general term define organisms secreting organic acid as their metabolites. They reduce organic acid which can be coupled to iron oxidation or they can modify the pH to very acidic values. When they present together with other organisms like SRB, the damage increases by their synergistic effect. Other corrosion related microorganisms are nitrate reducing bacteria (NRB), manganese oxidizing bacteria (MOB) and methane producing bacteria, methanogens. Real field applications, however, includes more than one bacteria specie presenting together in a biofilm. Biofilm is dynamic structure and can cause formation of differential aeration cells, pH modifications, chemical and surface modifications. Initial stages of biofilm formation can cause very severe localized corrosion attacks due to non-uniformity of the film. Carbon steel in aqueous environments suffers from corrosion and biotic contribution is always a concern especially in marine, freshwater environments or water distribution systems. IOB is the first surface colonizer of steel materials. Because of their action iron hydroxide corrosion products form. After depletion of oxygen and formation of anoxic niches, anaerobic type of microbes, like SRB, become to develop inside biofilm. At this stage an increase in corrosion rate is observed generally. At very long time exposures a dangerous type of corrosion, so called accelerated low water corrosion (ALWC) may occur. Sulfur cycle mechanism initiated by SRB and SOB lead to secretion of corrosive compounds like sulfuric acid. Because SOB is an aerobe while SRB is an anaerobe, special conditions are needed for this type. Stainless steels also show similar colonization patterns when they immersed in aqueous environments. However, their corrosion mechanism is different than carbon steel due to protective passive layer. Ennoblement is a positive shift of corrosion potential of stainless steel and increases pitting risk in the presence of chloride ions. Some mechanisms are proposed to understand ennoblement including pH decrease, peroxide formation, heavy metal influence, siderophores formation and the role of manganese dioxide and direct contribution of electroactive bacteria. Another MIC mechanism of stainless steels is formation CrO3 with the biologic activities consequently leads to breakdown of passive film and possible localized corrosion attacks. There are some models, mathematical or not, to predict MIC susceptibility of systems. They can be divided into two categories; bacteria specific and process specific. Bacteria specific ones pay attention on single species so their application on real field application can be problematic. Process specific models picture more general situation including abiotic corrosion mechanisms may act together with MIC. Almost all models make assessment on the risk of MIC rather than predicting corrosion rate.

La corrosione microbiologicamente indotta (MIC) è un fenomeno complesso ed è necessario un approccio interdisciplinare che include biologia, elettrochimica e scienza dei materiali. Invece di essere un meccanismo individuale, la MIC agisce generalmente insieme ad altri meccanismi di corrosione abiotici. I singoli microrganismi sono ampiamente studiati per comprendere ogni meccanismo specifico del batterio. SRB è il più studiato tra loro. In generale, ci sono due tipi di MIC; il tipo I è un contributo diretto di microrganismi mediante l'assorbimento diretto di elettroni da materiale metallico o il coinvolgimento in reazioni catodiche o anodiche. La MIC di tipo II è la secrezione di metaboliti corrosivi. SRB esibisce entrambi i tipi di MIC, dal momento che la teoria della riduzione del solfato catodico biocatalitico suggerisce che possono catalizzare la reazione di riduzione del solfato e quindi l'ossidazione del ferro. È dimostrato che possono fornire elettroni direttamente dal ferro metallico. SRB può produrre metaboliti corrosivi specialmente quando si presentano insieme a batteri ossidanti dello zolfo (SOB), produzione di acido solforico stabilendo un ciclo di zolfo. I batteri del ferro tra cui il ferro ossidante (IOB) e i batteri che riducono il ferro (IRB) possono partecipare direttamente al ciclo di riduzione del ferro. IOB può ossidare lo ione Fe (II) e provocare la formazione di prodotti di idrossido di ferro. Possono fornire nicchie anossiche che sono ambienti molto adatti per la crescita di SRB. Batteri che producono acido (APB) è un termine generico che definisce organismi che secernono acido organico come loro metaboliti. Riducono l'acido organico che può essere accoppiato all'ossidazione del ferro o possono modificare il pH a valori molto acidi. Quando si presentano insieme ad altri organismi come SRB, il danno aumenta con il loro effetto sinergico. Altri microrganismi correlati alla corrosione sono i batteri che riducono i nitrati (NRB), i batteri ossidanti del manganese (MOB) e i batteri produttori di metano, i metanogeni. Le applicazioni sul campo reali, tuttavia, includono più di una specie di batteri che si presentano insieme in un biofilm. Il biofilm è una struttura dinamica e può causare la formazione di cellule di aerazione differenziale, modificazioni del pH, modificazioni chimiche e di superficie. Le fasi iniziali della formazione del biofilm possono causare attacchi corrosivi localizzati molto gravi a causa della non uniformità del film. L'acciaio al carbonio in ambienti acquosi soffre di corrosione e il contributo biotico è sempre una preoccupazione soprattutto in ambienti marini, di acqua dolce o sistemi di distribuzione dell'acqua. IOB è il primo colonizzatore di superfici di materiali in acciaio. A causa della loro azione formano prodotti di corrosione di idrossido di ferro. Dopo l'esaurimento dell'ossigeno e la formazione di nicchie anossiche, i microbi di tipo anaerobico, come l'SRB, si sviluppano all'interno del biofilm. In questa fase si osserva generalmente un aumento del tasso di corrosione. A lungo tempo si può verificare un pericoloso tipo di corrosione, la cosiddetta accelerazione della corrosione a bassa acqua (ALWC). Il meccanismo del ciclo dello zolfo avviato da SRB e SOB porta alla secrezione di composti corrosivi come l'acido solforico. Poiché SOB è un aerobioso mentre SRB è un anaerobe, per questo tipo sono necessarie condizioni speciali. Gli acciai inossidabili mostrano anche modelli di colonizzazione simili quando sono immersi in ambienti acquosi. Tuttavia, il loro meccanismo di corrosione è diverso dall'acciaio al carbonio a causa dello strato passivo protettivo. La nobilitazione è uno spostamento positivo del potenziale di corrosione dell'acciaio inossidabile e aumenta il rischio di vaiolatura in presenza di ioni cloruro. Alcuni meccanismi sono proposti per comprendere la nobilitazione inclusa la diminuzione del pH, la formazione di perossido, l'influenza dei metalli pesanti, la formazione di siderofori e il ruolo del diossido di manganese e il contributo diretto dei batteri elettroattivi. Un altro meccanismo MIC degli acciai inossidabili è la formazione di CrO3 con le attività biologiche che portano conseguentemente alla rottura del film passivo e possibili attacchi di corrosione localizzati. Ci sono alcuni modelli, matematici o meno, per prevedere la suscettibilità MIC dei sistemi. Possono essere divisi in due categorie; batteri specifici e specifici del processo. I batteri specifici prestano attenzione alle singole specie, quindi la loro applicazione su applicazioni reali può essere problematica. I modelli specifici del processo illustrano una situazione più generale, compresi i meccanismi di corrosione abiotici che possono agire insieme alla MIC. Quasi tutti i modelli valutano il rischio di MIC piuttosto che prevedere il tasso di corrosione.