הימצאות חיידקים גורמי קורוזיה במי ים והשפעתם על מערכות טכנולוגיות אחדות הקשורות לתעשייה בישראל

ד"ר ז'אנה סטרוסבצקי¹, ד"ר דוד סטרוסבצקי² וד"ר רוברט ארמון¹

ביוקורוזיה היא חלק נכבד מתהליכי הקורוזיה הכלליים המתבצעת בהשפעת מיקרואורגניזמים. במדע הקורוזיה ענף הביוקורוזיה הינו הצעיר ביותר והפחות נחקר, למרות, שמאמר ראשון בתחום הזה הופיע בשנת 1934. עוד לפני כעשרים שנה רוב אנשי המקצוע לא רצו להאמין שפעילות חיידקים יכולה לגרום לנזקים כלכליים המוערכים במיליארדי דולר לשנה. התעניינות בהשפעתם של חיידקים הנפוצים במים, בקרקע ובתעשייה התחילה רק בתחילת שנות ה-70 במקביל להופעת קורוזיה של ציוד תקשורת תת-קרקעית ללא הסבר באותה העת.

לקראת סוף שנות ה-60 עם ההתפתחות התעשייתית בעולם נגרמה הצטברות מזהמים אורגניים ואנאורגניים בסביבה. זיהום זה הגביר את הפעילות של חיידקים המצויים בסביבה הטבעית וגרם להתרבותם ופיזורם במקומות לא רצויים כגון: בנפט גולמי ותוצריו.

כעת סוג זה של קורוזיה מתגלה בתעשיות שונות ביניהן התעשייה הכימית, תעשיית המים, התעשייה הפטרו-כימית, בייצור נייר, תחנות כוח, תעופה, חקלאות, ציוד רפואי וציוד אלקטרוני. התעשיות הקשורות בהפקה, זיקוק, הובלה ושמירה של נפט ותוצריו סובלות באופן כרוני מביוקורוזיה. אפשר לקבוע בוודאות שכל הנפט הגולמי המגיע ממקומות הפקה שונים לתעשייה מזוהם בחיידקים מחזרי סולפט - sulphate reducing bacteria (SRB), שמספרם עלה בו כתוצאה משיטת ההפקה המיוחדת שהוחל בה בשנות ה-60 (1). גם תהליכי זיקוק והפרדה של מוצרי הנפט הגולמי אינם מספיקים, כדי להיפטר מהחיידקים הנ"ל. חיידקי ה-SRB צורכים נפט ותוצריו כמקור פחמן ומהווים סכנה גדולה מבחינת קורוזיה, בהיותם יצרני H₂S בסדר גודל של 300-350 mg/l (2). כידוע H₂S הינו חומר מאוד אגרסיבי כלפי רוב המתכות והסגסוגות, המשמשות כחומרי בנייה.

בנוסף, ביוקורוזיה מהווה בעיה רצינית מאוד בתעשיית המים ובתעשיות אשר משתמשות בתהליכי קירור (3). מערכות הובלת מים אינן סטריליות מטבען ועל כן אפילו מערכות אשר עובדות עם מים מאוד נקיים כדוגמת מערכות עיבוי, נפגעות מפעילות חיידקים. תוך זמן קצר החיידקים המצויים במים באופן טבעי, נצמדים על פני שטח צינורות עד להיווצרות ריריות (Biofilms). התופעה נפוצה במיוחד במחליפי חום. במחליפי חום מתקיימים התנאים הטובים ביותר להתפתחות חיידקים (טמפרטורות בין 30-60°C ותנאים אארוביים ואנאארוביים).

ההיבטים השליליים של היווצרות ריריות ידועים כיום היטב והם כדלקמן: ירידה באיכות המים הגדלת הסיכון התברואתי, הצטברות חומרים לא רצויים, הגדלת חיכוך הנוזל, הפסדי אנרגיה וכתוצאה מכל אלה ירידה ביעילות המערכת.

כמו כן תופעה זו של ריריות מהווה את הגורם העיקרי אשר מביא לזירוז תהליכי ביוקורוזיה בציוד הובלת מים או מחליפי חום שהם מרכיבים חשובים בתעשיות מודרניות (4).

לדעת אנשי מקצוע, פעילות חיידקים המצויים בסביבתם הטבעית ובסביבה טכנולוגית אחראית על לפחות 20% מנזקי הקורוזיה הכללית בעולם. חלק מהחוקרים גם טוענים שבתעשיות מסוימות הנזק הנגרם על ידי סוג קורוזיה בקטריאלית יכול להגיע עד 40-50% (2).

הערכת נזקי הקורוזיה הנגרמים על ידי מיני חיידקים שונים אינה דבר פשוט, מכיוון שלמעשה ביוקורוזיה מתגלה באותן צורות שקורוזיה רגילה מתגלה - general corrosion, crevice corrosion, intergranular corrosion, pitting corrosion.

כדי להבדיל בין קורוזיה מיקרוביאלית לבין קורוזיה מהסוג האחר בראש ובראשונה יש לאתר בסביבה הנתונה ובתוצרי הקורוזיה, נוכחות של חיידקים גורמי קורוזיה.

החיידקים השייכים למעגל הגופרית נחשבים כמסוכנים ביותר בין החיידקים גורמי קורוזיה, למשל: חיידקים מחזרי סולפט (SRB) שהם חיידקים אנאארוביים וחיידקים מחמצני גופרית (oxidizing bacteria) - שהם חיידקים אארוביים (3).

כיום חיידקים מחזרי סולפט משמשים כאינדיקציה לתוקפנות סביבה מסוימת מבחינת התפתחות תהליך הביוקורוזיה (5). לעומתם חיידקים מחמצני גופרית תוך כדי המטבוליזם שלהם מייצרים חומצה גופרתית, בתנאים מסוימים כגון: אוורור חזק ונוכחות של מקור גופרית. חיידקים מחמצני גופרית מסוגלים להוריד את ה-pH של הסביבה המימית לערכים חומציים ביותר (עד 0.5) (2,3). תוקפנותה של החומצה הגופרתית כלפי מתכות וסגסוגות תעשייתיות ידועה היטב. כמו כן מבחינת תהליך הקורוזיה יש חשיבות רבה בהגדרת נוכחות חיידקי ברזל בסביבה, במיוחד על גבי ציוד עשוי מברזל וסגסוגותיו. לחיידקי ברזל שייכים חיידקים מחמצני ומחזרי ברזל (iron oxidizing and iron reducing bacteria). חיידקים מהסוג זה מנצלים כמקור אנרגיה את האנרגיה המופקת מחיזור או מחימצון יוני ברזל ומבחינה זו מסוגלים לזרז את קצב הריאקציה האנודית, שבעצם הינו קצב המסת המתכת.

בנוסף, במקור המים חשוב למצוא את ריכוז החיידקים האארוביים ההטרוטרופיים, השייכים לקבוצת ה-slime-forming bacteria. חיידקים אלו לא משפיעים באופן ישיר על תהליכי הקורוזיה אבל הם בעלי יכולת ליצור ריריות על שטח פני ציוד מתכתי, ולשמש כמאגר מזון ומסתור לחיידקי קורוזיה. חיידקים אלו גורמים לתנאים אנאארוביים מאוד רצויים לחיידקי ה-SRB וגם מפרישים מטבוליטים אשר חיידקים גורמי קורוזיה יכולים לנצל כמקור פחמן, חנקן, זרחן וכדומה (3).

עובדת נוכחותם של החיידקים הנ"ל בסביבה הנבדקת או בתוצרי הקורוזיה באזור הפגום בציוד, מאפשרת לזהות את הסיבה לפגיעה קורוזיבית ולחזות את רמת הסיכון להתחלה או זירוז תהליך קורוזיה בסביבה מימית.

מטרת המחקר הנוכחי היתה להגדיר (על ידי בידוד וספירה) את החיידקים הגורמים להתחלה ומזרזים תהליכי קורוזיה של ציוד מתכתי במי ים טבעיים ובכמה סביבות תעשייתיות.

דוגמאות מי ים נלקחו משלושה אזורים שונים:

1. מקרבת המזח של תחנת הכוח בחדרה.
2. מאזור נמל חיפה. בנמל חיפה נדגמו מי ים בשני מקומות: באזור הרציף ובבריכת המספנות. המקומות האלו נבדלו ברמת הזיהום על ידי תוצרי נפט לפי הסתכלות חיצונית. מי הים בבריכת המספנות נראו יותר מזוהמים על ידי תוצרי נפט בהשוואה למי הים באזור הרציף.
3. מאזור בחוף הים בחדרה. האזור הזה נבחר כמקום נקי יחסית מבחינת זיהומי נפט.

מי ים באזור המזח של תחנת הכוח בחדרה נדגמו באופן שיטתי מעומקים שונים: מ-0 מ' עד 29 מ'. דוגמאות מים אחדות נלקחו יחד עם תוצרי קורוזיה שגורדו ממספר עמודי מזח אשר טבולים במי ים. מדוגמאות אלו בודדו ונספרו חיידקים מחזרי סולפט.

תוצאות הדיגום (טבלה מס' 1) הראו ש-90% מדוגמאות מי הים אשר נבדקו, הכילו חיידקי SRB. מספר חיידקי ה-SRB הגבוה ביותר התקבל בדוגמאות מי ים המכילות תוצרי קורוזיה שחורים, כנראה סולפידים של ברזל. בדוגמאות אלו ריכוז חיידקי ה-SRB הגיע ל-4x10⁴ CFU/100 ml (בעומק - 0 מ') עד 0 CFU/100 ml (בעומק - 27 מ') בהתאם לירידה בריכוז המומס במי הים.

באזור נמל חיפה וחוף הים בחדרה במקביל לספירה כללית של חיידקים אארוביים הטרוטרופיים והגדרת מספר חיידקי ה-SRB, בודדו גם חיידקי Thiobacillus spp וסוגים שונים של Iron bacteria. ההרכב הכמותי והאיכותי של חיידקי קורוזיה בדוגמאות מי הים אשר נבדקו מוצג בטבלה מס' 2. כפי שמוצג בטבלה מס' 2, חיידקים גורמי קורוזיה נמצאים בכל הדוגמאות אשר נבדקו, אבל ההרכב המיקרוביאלי שלהם תלוי במקום הדיגום.


ניתן לראות שבדוגמאות מי הים שנדגמו באזור נמל חיפה, ריכוז רוב החיידקים המבודדים היה בכמה סדרי גודל יותר גבוה מאשר בחוף הים בחדרה. למשל, ריכוז חיידקי ה-SRB במי הים שנלקחו מנמל חיפה היה בשני סדרי גודל גבוה יותר בהשוואה עם מי הים בחדרה.

בדוגמאות מי הים שנלקחו מבריכת המספנות, מספר חיידקי ה-SRB עלה והגיע ל-4x10⁴ CFU/100 ml. מי הים שנלקחו מבריכת המספנות (המקום המזוהם ביותר בתוצרי נפט לפי תצפית ויזואלית) הכילו ריכוז גבוה ביותר של החיידקים הנ"ל. למרות שההבדל בריכוז החיידקים בין הדוגמאות האלו לבין הדוגמאות שנלקחו מרציף הנמל היה קטן יחסית ניתן לראות, שבכל דוגמאות מי הים אשר נלקחו מאזור נמל חיפה בודדו חיידקים מסוג Thiobacillus thiooxidans בריכוזים גבוהים עד 3.5x10⁴ CFU/100 ml, כאשר במי הים מאזור חדרה לא בודדו חיידקים אלו. ספירה כללית של קבוצת ה-Iron bacteria הראתה נוכחות חיידקים מהסוג הזה בכל הדוגמאות אשר נבדקו, כאשר חיידקים מהסוג Iron oxidizing bacteria, המעניינים יותר מבחינת תהליך הקורוזיה, בודדו רק חיידקים מהסוג Sphaerotillus בריכוזים יחסית נמוכים.

השערתנו היא שחוסר זה של Iron oxidizing bacteria יכול להיות מוסבר על ידי ריכוזים נמוכים של יוני ברזל ומנגן שהתקבלו מדוגמאות מי הים אשר נבדקו גם מבחינה כימית. אפשר להניח שריכוז יוני הברזל ומנגן המצוי במים אלו אינו מספיק להישרדותם של חיידקים אלו.

שינוי בהרכב המיקרוביאלי של דוגמאות מי הים אשר נבדקו כתלות במקום הדיגום, יכול להיות מוסבר כנראה על ידי רמת זיהומם השונה בתוצרי נפט.

חשוב לציין שרוב החיידקים גורמי קורוזיה שבודדו בבדיקות אלו, חוץ מחיידקי Thiobacillus thiooxidans הינם חיידקים הטרוטרופיים, כלומר כמקור פחמן משמשים חומרים אורגניים. יכולתם של חיידקים הטרוטרופיים להשתמש בנפט ותוצריו כמקור פחמן ידועה בספרות המקצועית.

מעניין לציין, שחיידקי ה-Thiobacillus thiooxidans הינם אוטוטרופיים, כלומר לא זקוקים למקור פחמן אורגני כדוגמת נפט, אף על פי כן הם בודדו רק בדוגמאות מי הים שנלקחו באזור מזוהם בתוצרי נפט (רציף ובריכת מספנות של נמל חיפה).

כידוע, נפט ותוצריו מכילים כמות די גבוהה של גופרית, כך שחיידקים מהסוג Thiobacillus thiooxisans מסוגלים לנצל כמקור אנרגיה תוך כדי המטבוליזם המיוחד שלהם.

חלק מהמחקר הוקדש לבידוד וספירת חיידקים גורמי קורוזיה כחיידקי - SRB וחיידקים יוצרי ביופילמים כחיידקים אארוביים הטרוטרופיים בסביבות תעשייתיות אחדות כמו בתי הזיקוק בחיפה. בפרט, החיידקים הנ"ל נבדקו במזוט, מי כיבוי אש, מי קירור ובתוך ביופילמים וטוברקולים שגורדו משטח פני מחליף חום עשוי מאלומיניום. במערכת הבדיקות שביצענו, נמצאו חיידקי SRB בכל המקומות אשר נבדקו במספרים משתנים (טבלה מס' 3).

בחומרי המזוט ריכוז ה-SRB היה בין 1.4x10³ל-5.9x10³ CFU/100 ml תלוי במרחק הדיגום מהקיר הפנימי של המיכל. בדוגמאות המזוט ריכוזי ה-SRB היו כנראה ברמות יותר גבוהות בכמה סדרי גודל, היות ובשלב הבדיקה על ידי אלוציה לא הצלחנו להוריד את כל החיידקים הספוחים, עקב מגבלות השיטה. חיידקי ה-SRB בודדו במי כיבוי אש (4.6x10¹ CFU/100 ml) וכמו כן במי מעבה, שמשמשים כמי קירור (1.8x10¹ CFU/100 ml). מספר החיידקים הנ"ל בתוך ביופילמים וטוברקולות נע בין 1.7x10² ל-9.9x10³ חיידקים לגרם. בספירה כללית נמצאו בכל הדוגמאות הנבדקות חיידקים הטרוטרופיים אארוביים בריכוזים בין1,2x10⁴ ל-3x10⁶ חיידקים לגרם או למ"ל. כמובן שחומרי מזוט הכילו ריכוזים הרבה יותר גבוהים של החיידקים הנ"ל, בהיותו מקור פחמן עשיר לחיידקים הטרוטרופיים. בציור מס' 2 מוצג צילום של מחליף חום פתוח עשוי מאלומיניום, לאחר חודשיים עבודה. בצילום רואים שטח הפנים הפנימי של מחליף החום. ניתן לראות כי כל השטח מכוסה בביופילם. בחלק התחתון של מחליף החום נוצר ביופילם עבה במיוחד, שחלקו התחתון בצבע שחור, אשר נובע מריכוז גבוה של חיידקי SRB. בחלק העליון של מחליף החום ניתן להבחין בנקודות בהירות, שהן tubercules.

מתוך התוצאות אשר התקבלו בחקירה זו ניתן להסיק את המסקנות הבאות:

מי ים טבעיים מכילים סוגים שונים של חיידקים גורמי קורוזיה ובעלי פוטנציאל ליצור ביופילמים.

ריכוז החיידקים האלו תלוי ברמת הזיהום של מקור המים בחומרים אורגניים כנפט ותוצריו.

הבדיקות הראו שגם מקורות מים תעשייתיים שונים והן חומרי מזוט, מזוהמים בחיידקים גורמי קורוזיה וחיידקים יוצרי ביופילמים, אשר בתורם יוצרים טוברקולים על פני שטח ציוד מתכתי הטבול במים אלו. הצטברות חיידקים גורמי קורוזיה בתוך ביופילמים וטוברקולות מביא לאתחול וזירוז תהליכי קורוזיה ובכך לנזקים בלתי הפיכים לציוד זה.

מסקנה אופרטיבית לממצאים הנ"ל היא התייחסות ראשונית לאיתור החיידקים המוזכרים מעלה כשלב ראשון בטיפול להקטנת הבעיה או אפילו מניעתה.

ספרות:

• סטרוסבצקי ז. (1994) ביוקורוזיה: פן בלתי מוכר של הקורוזיה. כימיה, 18 23-33.

• Flemming, H-C. (1995) Eating away the infrastructure - the heavy cost of microbial corrosion. Water Quality International, 4: 16-19.
• Borenstein, S.W. (1994) Microbiologically influenced corrosion Handbook, 288 pp. Woodhead Publishing Ltd., Cambridge, London.
• Jack, T.R., Bramhill, B.J., Francis, M. McD. (1986) SRB monitoring using isotopic analysis. pp. 1-12, Canadian Region Western Conference, NACE, February, Calgary.
• Characklis, W.G. (1990) Microbial fouling. In: Biofilms (Eds. Characklis, W.G. and Marshal, K.C.) p. 523. John Wiley & Sons, Inc., New York.