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微生物腐食（微生物影響腐食（MIC）、微生物誘発腐食（MIC） 、または生物腐食とも呼ばれる）は、微生物が付着している表面の電気化学的環境に影響を与えることで発生します。これは通常、バイオフィルムの形成を伴い、バイオフィルムは表面の腐食を促進する場合もあれば、微生物腐食抑制と呼ばれるプロセスで表面を腐食から保護する場合もあります。
環境にさらされるあらゆる表面は、何らかの形で微生物にもさらされるため、[ 1 ]微生物腐食は世界中で毎年数兆ドルの損害を引き起こしています。
微生物は、バイオフィルムの下の金属表面に局所的に低酸素状態を作り出し、陽極（酸化）部位と陰極（還元）部位の形成に寄与し、電気化学的電位差と電気化学的腐食を開始させます。また、細胞代謝から金属を腐食させる副産物を放出したり、通常の腐食抑制剤の機能を阻害して表面を他の環境要因による攻撃にさらしたりすることによっても作用します。 [ 2 ]
硫酸還元細菌の中には硫化水素を生成するものがあり、これは硫化物応力割れを引き起こす可能性があります。アシディチオバチルス属細菌は硫酸を生成し、アシドチオバチルス・チオオキシダンスは下水管を損傷することがよくあります。フェロバチルス・フェロオキシダンスは鉄を直接酸化して酸化鉄と水酸化鉄を生成します。タイタニック号の残骸に形成された錆は、細菌の活動によって引き起こされます。その他の細菌は、有機酸と無機酸の両方、またはアンモニアなど、さまざまな酸を生成します。
酸素が存在する場合、環境中に広く存在するアシディチオバチルス・チオオキシダンス、チオバチルス・チオパルス、チオバチルス・コンクレティボラスなどの好気性細菌は、生物起源の硫化物腐食を引き起こす一般的な腐食原因因子である。
酸素が存在しない場合、嫌気性細菌、特にDesulfovibrio 属とDesulfotomaculum属が一般的です。Desulfovibrio salixigens は少なくとも 2.5% の塩化ナトリウム濃度を必要としますが、D. vulgarisとD. desulfuricans は淡水と海水の両方で生育できます。D . africanus は、腐食を引き起こす一般的な微生物です。Desulfotomaculum 属は硫酸還元胞子形成細菌で構成され、Dtm. orientisとDtm. nigrificans は腐食プロセスに関与しています。硫酸還元菌は還元環境を必要とし、 生育するには −100 mV より低い電極電位が必要です。しかし、生成された硫化水素が少量でもこの変化を引き起こすことができるため、一度始まると成長が加速する傾向があります。
腐食堆積物の内部には嫌気性細菌の層が存在する一方、外部には好気性細菌が生息している。
一部の細菌は、陰極腐食過程で生成される水素を利用することができる。
細菌のコロニーや堆積物は濃縮セルを形成し、ガルバニック腐食を引き起こしたり促進したりする可能性がある。[ 3 ]
細菌腐食は、例えば石油・ガス産業のパイプラインなどで孔食の形で現れることがあります。 [ 4 ]嫌気性腐食は、金属硫化物層と硫化水素臭として現れます。鋳鉄では、選択的浸出による黒鉛腐食 が発生する可能性があり、鉄が細菌によって消費され、機械的強度の低い黒鉛マトリックスが残ります。
微生物腐食対策には、様々な腐食抑制剤が用いられる。ベンザルコニウムクロリドを主成分とする製剤は、油田業界で広く用いられている。
微生物による腐食は、プラスチック、コンクリート、その他多くの材料にも起こり得る。その例として、ナイロンを分解する細菌やプラスチックを分解する細菌が挙げられる。
菌類はコンクリートの微生物腐食を引き起こす可能性があります。湿度、温度、有機炭素源などの適切な環境条件が揃えば、菌類はコンクリート上にコロニーを形成します。一部の菌類は無性生殖を行うことができます。この菌類に共通するプロセスにより、多くの新しい菌胞子が新しい環境に急速に広がり、何も存在しなかった場所にコロニーを形成することができます。これらのコロニーと新たに生成された胞子は、菌糸を用いて環境中の栄養分を吸収します。
菌糸は非常に小さく細く、直径はわずか2～6マイクロメートルです。菌糸は、コンクリートの微細な穴、ひび割れ、溝の奥深くまで伸びていきます。これらの隙間には、菌類が生存するために必要な水分と栄養分が含まれています。菌糸がこれらの微細なひび割れや隙間に侵入していくと、圧力によって隙間が広がります。これは、小さな穴やひび割れの中で水が凍って広がるのと似ています。機械的な圧力によってひび割れが広がり、内部に水分が入り込むことで、菌類はより多くの栄養分を得ることができ、コンクリート構造の奥深くまで進出できるようになります。菌類は環境を変化させることでコンクリートとそのアルカリ層を分解し、腐食を引き起こす細菌がコンクリート構造をさらに劣化させるのに理想的な環境を作り出します。
菌類がコンクリートを腐食させるもう一つの方法は、菌類が自然に生成する有機酸によるものです。これらの有機酸はコンクリート中のカルシウム2+と化学反応を起こし、水溶性の塩を生成します。カルシウム2+は放出され、時間の経過とともに構造物に大きな損傷を与えます。菌類は栄養を得るために消化液を排出するため、菌類が生育する構造物は溶解し始めます。フザリウムなどの菌類が根付くと、コンクリートも例外ではありません。ある実験では、細菌のTiobacillusとフザリウムと呼ばれる菌類の腐食を比較しました。この実験では、両方の生物群に生育に適した条件を与え、各実験で同じ量のコンクリート片を使用しました。147日後、Tiobacillus菌は18%の質量減少を引き起こしました。しかし、フザリウム菌は同じ期間で24%の質量減少を引き起こし、その腐食能力を示しました。
Bhattacharyya [ 5 ]は、コンクリートの腐食を引き起こすことが知られている 3 種類の真菌、Aspergillus tamarii、Aspergillus niger、およびFusarium について研究を行いました。Aspergillus tamarii は3 種類の真菌の中で最も破壊的でした。亀裂を広げて深くし、迅速かつ効率的に根付き、シュウ酸カルシウムを促進します。シュウ酸カルシウムを引き起こすことで、カルシウムイオンの溶出速度が増加し、コンクリート全体の強度が低下します。90 日で、この真菌に曝露された結果、コンクリートの質量が 7.2% 減少しました。Aspergillus niger は3 種類の中で 2 番目に悪質で、次にFusarium が続きます。Fusarium は、 1 年間でコンクリートの質量を 6.2 グラム減少させ、同じ期間で pH を 12 から 8 に低下させる可能性があります。[ 6 ]
ジェット燃料には、主にCladosporium resinaeやPseudomonas aeruginosaなどの炭化水素利用微生物や硫酸還元細菌（俗に「HUM バグ」と呼ばれる）が一般的に存在します。これらの微生物は、水滴の水と燃料の界面に生息し、黒/茶色/緑色のゲル状のマットを形成し、航空機燃料システムのプラスチックやゴム部品を消費することで微生物腐食を引き起こし、酸性の代謝産物によって金属部品を腐食させます。また、その外観から藻類と誤って呼ばれることもあります。FSIIは、成長抑制剤として燃料に添加されます。ジェット燃料には約 250 種類の細菌が生息できますが、実際に有害なのは 12 種類未満です。[ 7 ]
微生物は、核廃棄物に含まれる放射性元素に悪影響を与える可能性がある。
凍結、放射線被ばく、激しい温度変化、凍結融解サイクル、湿潤乾燥サイクルなど、環境要因によって生じる様々な要素がコンクリートの腐食と劣化を促進します。凍結融解サイクルなど、コンクリートの機械的破壊を引き起こすサイクルは、非常に破壊的です。これらの要因はすべて、微生物が繁殖する経路となり、コンクリート構造物の侵食と弱体化をさらに加速させます。都市部の下水道システムや沿岸都市における被害の増加は、コンクリートを微生物から保護する方法について、より深く検討せざるを得ない状況を生み出しています。
微生物による損傷を食い止めるには、腐食を引き起こす微生物について完全に理解する必要があります。これには、特定の微生物とその群集が何で構成されているか、そしてそれらがどのように構造用コンクリートを分解するかを知ることが含まれます。構造物に対する環境ストレスは、細菌、古細菌、藻類、真菌による微生物腐食を促進することがよくあります。これらの微生物は、適切な水分、pHレベル、および繁殖に必要な資源を環境から得ています。
コンクリートのpH値は、どのような微生物が繁殖できるか、またコンクリートにどれだけの損傷が生じるかに大きく影響します。コンクリート表面はアルカリ性であるため、微生物が発芽しにくいです。しかし、環境や微生物自体による化学反応によってコンクリートに変化が生じます。環境条件と特定の微生物による炭化が組み合わさることで、コンクリートのpH値に悪影響が生じます。これらの微生物は、pH値を12から8に変化させる代謝物を排出することができます。pH値が低いと、コンクリート上で生存できる微生物が増え、腐食速度が速くなります。コンクリートを攻撃する多くの微生物は嫌気性条件下で生存するため、これは深刻な問題となります。例えば、下水は酸素濃度が低く、窒素や硫黄ガスの濃度が高いため、これらのガスを代謝する微生物にとって最適な環境です。[ 5 ]
下水道網の構造物は、硫黄循環に関連する一部の微生物の作用により、材料の生物劣化を起こしやすい。これは深刻な損傷を引き起こす現象であり、1900年にオルムステッドとハムリンがロサンゼルスにあるレンガ造りの下水道について初めて記述した[ 8 ]。レンガ間の目地モルタルが崩壊し、鉄骨がひどく錆びていた。モルタル目地は元の体積の2～3倍に膨張し、一部のレンガの破壊や緩みにつながった。
下水道網で報告されている損傷の約 9% は、2 種類の微生物の連続的な作用に起因すると考えられます。[ 9 ]硫酸還元細菌(SRB) は、パイプの底に蓄積し、嫌気性条件を特徴とする比較的厚い堆積スラッジと砂の層 (通常 1 mm の厚さ) で増殖することができます。これらの細菌は、排水中に存在する酸化硫黄化合物を電子受容体として利用して増殖し、硫化水素(H 2 S) を排出します。このガスはパイプの地上部に放出され、2 つの方法で構造物に影響を与える可能性があります。1 つは、材料と直接反応して pH の低下を引き起こすこと、もう 1 つは、好気性条件下で増殖し、生物起源の硫酸を生成する硫黄酸化細菌 (SOB) が栄養源として利用することによって間接的に影響を与えることです。[ 10 ]その後、構造物は生物起源の硫酸による攻撃を受けます。これらの環境に耐えられない通常のコンクリートや鋼管の代わりに、アルミン酸カルシウムセメント、PVC、またはガラス質粘土管などの材料を使用することができます。水中での軟鋼の腐食は、溶存酸素の吸収によってRhodotorula mucilaginosa(7)によって抑制されます。
微生物腐食を抑制するための様々な方法が開発されてきました。主な課題は、周囲の環境に悪影響を与えることなく、微生物の増殖を防止または阻止する方法を見つけることです。以下に、これまで用いられてきた、あるいは現在開発中の対策の概要を示します。
RaoとMulky [ 2 ]は、微生物の増殖、ひいては微生物腐食を抑制するための広範な方法を開発した。
微生物は腐食の原因となることが多いが、表面を腐食から保護することもある。[ 12 ]例えば、酸化は腐食の一般的な原因である。腐食しやすい表面が、酸素を取り込んで利用するバイオフィルムで覆われている場合、その表面は酸化による腐食から保護される。バイオフィルムは抗菌性化合物を放出することもあり、バイオフィルムが腐食性でない場合、腐食性のある微生物を阻止するのに役立つ。バイオフィルムは表面と周囲の生態系との間にバリアを提供するので、バイオフィルムに悪影響がない限り、腐食からの保護としても機能する。[ 11 ]バイオフィルムは生態系に悪影響を与えないため、腐食抑制のための最良のメカニズムの1つとなる可能性がある。また、金属表面の状態を変化させて金属が損傷しにくくし、腐食を防ぐこともできる。[ 2 ]