Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор 9
1.1. Коррозионно-активные микроорганизмы 9
1.1.1. Микрооганизмы, принимающие участие в коррозии стали 9
1.1.2. Краткая классификация и особенности СРБ 11
1.1.3. Молекулярная структура и функции клеточных мембран СРБ 15
1.1.4. Энергетический обмен в клетках сульфатредукторов 17
1.2. Биокоррозия стали 19
1.2.1. Особенности коррозии и наводороживания стали при участии микроорганизмов 19
1.2.2. Механизм коррозии и наводороживания стали в присутствии сероводорода 23
1.3. Способы предотвращения коррозионных повреждений, вызванных действием микроорганизмов 28
1.3.1. Физические методы защиты от биокоррозии 28
1.3.2. Ингибиторы - биоциды 30
1.3.3. Механизм ингибирующего действия 35
1.4. Установление связи между структурой ингибиторов и их активностью 39
1.4.1. Методы установления связи структура - активность 39
1.4.2. Квантовохимические методы расчета электронной структуры молекул 44
1.4.3. Корреляция биологической активности
с квантовохимическими параметрами 46
Глава 2. Экспериментальная часть 47
2.1. Объекты и методы исследования 47
2.1.1. Экспериментальное изучение СРБ-инициированной коррозии хромоникелевой стали 47
2.1.1.1. Приготовление образцов и обработка поверхности стали 47
2.1.1.2. Культивирование накопительной культуры СРБ и
проведение эксперимента 48
2.1.1.3. Определение количества микроорганизмов 49
2.1.1.4. Определение концентрации выделяемого србсероводорода в коррозионной среде 49
2.1.1.5. Определение рН и Eh коррозионной среды, и электродного потенциала образцов 50
2.1.1.6. Определение скорости коррозии стальных образцов и защитного эффекта ингибиторов 50
2.1.2. Определение наводороживания стальных образцов 51
2.1.3. Исследование взаимосвязи между противомикробной активностью и коэффициентом распределения ОС 54
2.1.3.1. Определение коэффициента распределения между двумя несмешивающимися жидкостями (водой и н-гексаном) 54
2.1.3.2. Определение противомикробной активности 55
Глава 3. Влияние исследуемых ОС на коррозию хромоникелевой стали в присутствии СРБ 56
3.1. Действие ОС как бактерицидов 60
3.2. Влияние ОС на концентрацию биогенного сероводорода в коррозионной среде с СРБ 65
3.3. Изменение водородного показателя среды в присутствии исследуемых ОС 69
3.4. Изменение окислительно-восстановительного потенциала коррозионной среды в ходе коррозионных испытаний 71
3.5. Изменение значений электродного потенциала стальных образцов, экспонируемых в коррозионной среде 73
3.6. Изменение скорости СРБ-инициированной коррозии в присутствии исследуемых ОС 76
3.7. Влияние исследуемых ОС на наводороживание образцов из хромоникелевой стали в ходе микробиологической коррозии 79
3.8. Анализ связи между бактерицидной и проникающей способностью исследуемых ОС 88
3.9. Корреляция между расчетными параметрами ОС и их ингибиторной способностью 91
Основные выводы по работе 97
Список цитированной литературы
- Молекулярная структура и функции клеточных мембран СРБ
- Экспериментальное изучение СРБ-инициированной коррозии хромоникелевой стали
- Изменение водородного показателя среды в присутствии исследуемых ОС
- Изменение значений электродного потенциала стальных образцов, экспонируемых в коррозионной среде
Введение к работе
Нержавеющие стали давно нашли применение во всех отраслях промышленности [1-7]. Являясь отличным конструкционным материалом, хромоникелевые стали используются при сооружении магистральных и промысловых нефте- и газотрубопроводов, изготовлении морского судового оборудования, в нефтехимическом і: машиностроении, авиамоторостроении, химической и медицинской промышленности. Стальные изделия, находясь в почве, влажной атмосфере, морской воде, неорганических и органических кислотах, способствующих развитию различных микрооганизмов, подвергаются коррозии, и в том числе биологической [8,9].
Бактериальные повреждения металлов и промышленных материалов составляют значительную часть в общем объёме биоповреждений, учитываемых в настоящее время. На практике обычно наблюдается комбинированное действие бактерий и грибов на тот или иной корродирующий материал, однако в ряде случаев основными коррозионными агентами являются бактерии из-за их высокой скорости развития и подвижности в химических преобразованиях [10,11].
Нефтедобывающая промышленность несет огромные потери, связанные с микробной электрохимической коррозией металлоконструкций [12]. При внутриконтурном заводнении нефтяных пластов с целью повышения нефтеотдачи содержащиеся в инжекционных водах (морская, речная, пластовая и др.) микроорганизмы, попадая в благоприятные экологические условия и довольно быстро адаптируясь, формируют биоценоз и начинают активно развиваться [13-16]. Коррозия оборудования для нефтяных скважин в 80% случаев вызывается жизнедеятельностью сульфатредуцирующих бактерий (СРБ). Скен и Эттербай наблюдали питтинговую коррозию со скоростью 1 мм/год стальных корпусов хранилищ нефтяного топлива под действием микрооганизмов, в особенности Desulfovibrio desulfuricans, которая значительно возрастала в летние месяцы [17]. Считают, что не менее 70% повреждений подземных трубопроводов Англии вызвано жизнедеятельностью микроорганизмов [18]. Учитывая известную роль СРБ в инициировании и стимулировании процессов биоповреждений металлов и материалов [19,20], следует признать, что по крайней мере около 20% повреждений трубопроводов в грунте, вызванных почвенной коррозией, связаны с деятельностью именно этих бактерий [21].
Развитие микроорганизмов в водно-топливных системах приводит к ухудшению физико-химических и эксплуатационных свойств топлив вследствие изменения их углеводородного состава, накопления микробных слизей и осадков, образования стойких эмульсий. Все это вызывает коррозию резервуаров и прочего оборудования, приводит к закупорке фильтров и насосов, и может быть причиной аварий [22,23].
Японские ученые установили, что причиной разрушения железобетонных стен подводного тоннеля являлись также СРБ. Продукты коррозии в виде особого ферромагнитного сульфида железа типа грейгита (Fe3S4), наличие сульфатов, поступающих из морской воды, и СРБ свидетельствуют об активном процессе микробиологической коррозии.
Известно, что 15-20% коррозионных повреждений морских судов приходится на долю бактериальной коррозии, причем количество их на нефтяных танкерах, содержащих внутри корпуса конденсат, благоприятствующий развитию СРБ, во много раз больше, чем на сухогрузах [24].
В замкнутых системах охлаждения двигателей развитие СРБ приводит к интенсивному разрушению стальных поверхностей. Например, чугунные гильзы цилиндров мощных судовых двигателей, охлаждаемые опресненной водой, циркулирующей по зарубашечному пространству, в результате развития на их поверхности СРБ подвергаются интенсивной язвенной коррозии с графитизацией чугуна и их приходится браковать (после нескольких токарных проточек по наружному диаметру) вследствие истончения стенок [25].
Биоповреждение смазочно-охлаждающих жидкостей сопровождается изменением окраски в процессе эксплуатации от опалово-синего до черного цвета с различными оттенками, которое связывают с образованием сульфида железа, а специфический гнилостный запах на фоне сероводорода является следствием совместного действия гетеротрофных бактерий Pseudomonas и анаэробных СРБ рода Desulfovibrio [26]. Установлено, что рост микроорганизмов рода Candida в охлаждающих маслах прокатных станов приводит к изменению их физико-химического состава, тем самым увеличивая их коррозионную агрессивность [27].
Значительный ущерб наносится биокоррозией строительным материалам и покрытиям, используемым в условиях целлюлознобумажной и пищевой отраслях промышленности, при переработке молока и мяса, при консервировании овощей, фруктов, рыбы и мяса. Специфические условия, создаваемые в силу технологических потребностей на молокозаводах, мясокомбинатах и кожевенных комбинатах (высокие влажность воздуха и температура, повышенное содержание в жидкостях консервирующих солей, серу- и азотсодержащих соединений, органических веществ), особенно способствуют активному размножению бактерий и, в частности, СРБ (до 1-Ю6 клеток на 1 грамм пробы).
Ежегодные потери от биоповреждений в ряде промышленно развитых стран исчисляются миллиардами долларов. На долю микроорганизмов приходится около 40% от общего числа биологических повреждений [28], а ведущее место по агрессивности действия на стали принадлежит СРБ. Поскольку основным метаболитом СРБ является H2S - опаснейший стимулятор как коррозии, так и водородного охрупчивания сталей, то становится понятной актуальность задачи прекращения или подавления жизнедеятельности СРБ.
Наиболее экономически и экологически оправданным способом борьбы с развитием СРБ в коррозионной среде и уменьшением коррозионного разрушения стали является использование органических ингибиторов коррозии, обладающих также биоцидным действием на СРБ.
Подбор ингибиторов анаэробной коррозии, вызываемой СРБ, ведется на основе обобщения практического опыта и результатов фундаментальных исследований. На кафедре физической и коллоидной химии Калининградского государственного университета с момента ее образования (1973) ведется планомерное исследование действия СРБ на разрушение металлических материалов (стали, сплавы алюминия). Получены результаты исследования действия замещенных фенолов на коррозию сплава алюминия Діб и рост клеток [29], сульфаниламидов и уреидов - на коррозию и наводороживание мягкой стали под действием СРБ и мицелиальных грибов [30], сульфаниламидов и нитрофуранов - в тех же условиях [31]. В последних двух работах, выполненных под руководством проф. СМ. Белоглазова, внимание было уделено возможности совмещения в одном веществе функций ингибитора коррозии (ИК), ингибитора наводороживания (ИН) и биоцида.
Настоящая работа посвящена исследованию органических N-содержащих соединений, относящихся к двум классам: производных антипирина и производных пирролина как ингибиторов коррозии хромоникелевой стали в водно-солевой среде под воздействием СРБ; экспериментальной оценке влияния органических N-содержащих соединений на физико-химические свойства системы сталь X5CrNil810 - водно-солевая среда для накопления СРБ; установлению влияния данных соединений на наводороживание хромоникелевой стали в присутствии СРБ; оценке биоцидного на СРБ действия производных антипирина и производных пирролина (при концентрации 1...10 мМоль/л) в коррозионной среде; квантовохимическому расчету параметров молекул исследуемых веществ с использованием неэмпирического (RHF) и полуэмпирических (MNDO и РМЗ) методов. нахождению корреляций между величинами защитных эффектов, коэффициента распределения и летальной дозы для 50% клеток СРБ с квантово-химическими параметрами исследуемых органических N-содержащих соединений
Молекулярная структура и функции клеточных мембран СРБ
Клетки D. Desulfuricans имеют типичную для грамотрицательных бактерий клеточную стенку с наружной складчатой мембраной. Эта мембрана связана, по-видимому, белковыми мостиками с тонким ригидным слоем стенки, в котором иногда удается обнаружить гранулярные субъединицы. В зонах адгезии внешняя мембрана контактирует с триплетной цитоплазматической мембраной. В матриксе цитоплазмы клеток находятся рибосомы, в некоторых особях выявляются внутриклеточные мембранные системы и полифосфатные гранулы. Нуклеоид клеток, в котором локализована ДНК - компактен [60].
Внешняя мембрана представляет собой липидную бислойную структуру, характерной особенностью которой является асимметричность верхнего и нижнего слоев. Верхний слой представлен в основном липополисахаридами, нижний -фосфолипидами. Белки локализованы в обеих половинах, как бы стягивая всю мембрану по толщине.
Молекула липополисахарида может содержать 6 или 7 жирных кислот. Фосфолипиды внешней мембраны (как и цитоплазматической) представлены в основном фосфатидилэтаноламином, фосфатидилглицеролом и кардиолипином.
Почти половина массы внешней мембраны приходится на долю белков. Доминируют обычно липопротеиды и белок Omp A (outer membrane protein), включенные в процесс стабилизации внешней мембраны, и пориновые белки, обеспечивающие неспецифический транспорт веществ. Во внешней мембране присутствуют также белки - ферменты гидролиза фосфолипидов и белков [61].
Мембраны играют ключевую роль как в структурной организации, так и в функционировании клеток. Мембраны формируют внутриклеточные компартменты (отсеки), с их помощью происходит разделение содержимого компартментов и окружающей их среды. Мембраны не только разделяют клетку на отдельные компартменты, но и участвуют в регулировании всех связей и взаимодействий, которые осуществляются между наружной и внутренней сторонами этих компартментов. Это может проявляться в виде физического переноса ионов или молекул через мембрану (внутрь компартмента или из него) или в форме информации при помощи конформационных изменений, индуцируемых в мембранных компонентах. Все те внешние стимулы, которые клетка воспринимает как информацию, должны либо проникать через мембрану, либо взаимодействовать с ней. Подобным же образом все воздействия клетки на окружающую среду либо передаются через мембрану, либо инициируются ею. Поэтому в мембране должен постоянно поддерживаться строго определенный диапазон механических напряжений, электрических и химических потенциалов, необходимых для жизнеобеспечения клетки. Кроме того, с мембранами связаны многие клеточные ферменты. С участием мембран в той или иной степени осуществляется большинство жизненно важных клеточных функций, например, протекают такие разные процессы, как репликация прокариотической ДНК и биосинтез белков.
Основная функция любой биологической мембраны состоит в создании барьера с селективной проницаемостью между разделяемыми ею водными компартментами. Тонкий гидрофобный центральный слой в мембране является очень эффективным барьером для неорганических ионов, но он в той или иной степени проницаем для неполярных веществ. Скорость проникновения неэлектролитов через бислой зависит от растворимости данного вещества в бислое, определяемой структурой его молекул, влияющей на межмолекулярные взаимодействия проникающих молекул с молекулами клеточных мембран. Как известно, гидрофобное взаимодействие (между неполярными атомными группами, входящими в состав органических молекул), обеспечивает специфическое взаимодействие ферментов с субстратами, самосборку и другие аспекты функционирования биомембран [62-67].
Энергетический обмен в клетках сульфатредукторов Восстановление сульфата в клетке начинается с его активации, на которую непосредственно затрачивается энергия АТР; с помощью АТР-сульфурилазы (сульфатаденилтрансферазы) дифосфатный остаток АТР обменивается на сульфат: АТР + S04 - Аденозин-5 -фосфосульфат + PPt. (1.2)
Дифосфат (пирофосфат) расщепляется пирофосфатазой. Продуктом активации является аденозин-5-фосфосульфат (АФС). Последующие реакции могут быть различными. На пути ассимиляционного восстановления сульфата АФС с помощью АФС-киназы и АТР фосфорилируется у ряда организмов с образованием фосфоаденозинфосфосульфата (ФАФС); лишь этот вдвойне активированный сульфат восстанавливается сначала до сульфита, а затем до сульфида. При диссимиляционной сульфатредукции АФС с помощью АФС-редуктазы восстанавливается до сульфита, что сопровождается образованием AMP. Реакции восстановления сульфата в сульфит могут быть суммированы следующими уравнениями:
Восстановление сульфита до сульфида происходит, видимо, у разных бактерий по-разному. С помощью сульфитредуктазы сульфит прямо восстанавливается до сульфида (на что затрачивается 6 электронов) без образования промежуточных продуктов: S032" + 2Н2 - S2- + ЗН20 (1.6)
В такого рода восстановлении — как и в ассимиляционной сульфитредукции — участвуют, по-видимому, железопорфириновые соединения (десульфовиридин, десульфорубидин). Второй механизм состоит в последовательном трехступенчатом восстановлении сульфита с образованием промежуточных продуктов, как тритионат и тиосульфат. Электроны для восстановления сульфита доставляются цитохромами. Цитохром с3 аутооксидабелен и обладает очень низким потенциалом (Е о= -205 мВ), в клетках Desulfovibrio он находится на внешней поверхности мембраны или в периплазмотическом пространстве в большом количестве и его физиологическая роль в энергетическом обмене СРБ не вызывает сомнений [68-70]. У Desulfotomaculum вместо цитохрома с з имеется протогемовый пигмент-цитохром
У хорошо узученых видов СРБ была обнаружена конститутивная гидрогеназа (Н2: цитохром сз -оксидоредуктаза), с помощью которой Нг может как поглощаться и активироваться, так и выделяться в окружающую среду. Некоторые СРБ растут в присутствии Н2 и сульфата как единственных источников энергии. Способность к восстановлению сульфата с помощью Н2 и к образованию больших количеств сероводорода, не связанная с заметным ростом, вероятно, характерна для большинства СРБ.
Перенос электронов с Н2 как донора, сопровождающийся восстановлением 1 моля сульфата до 1 моля сульфида, вероятно, сопряжен с регенерацией 3 молей АТР, из которых, однако, 2 моля расходуются на активацию сульфата. Синтез АТР за счет энергии транспорта электронов через мембрану называют окислительным фосфорилированием или фосфорилированием в дыхательной цепи.
Классические СРБ, которые были известны до 1975 года (например, Desulfovibrio vulgaris), окисляют органические субстраты не до Н20 и С02, а до уксусной кислоты. Эти бактерии не имеют полного цикла трикарбоновых кислот. Однако недавно было выделено несколько видов, способных окислять ацетат [71], высшие жирные кислоты [72-74], сульфонат [75] и бензоат [76].
Энергия, получаемая СРБ в результате окислительного фосфорилирования, делает возможным ассимиляцию органических веществ (органических кислот, аминокислот и т.п.). Некоторые штаммы способны синтезировать клеточные компоненты из ацетата и С02, если донором электронов служит Н2. Организмы, ассимилирующие органические вещества в процессе окисления неорганического донора электронов, можно называть хемолитогетеротрофами. Фиксация С02 в цикле Кальвина у данной группы микроорганизмов не обнаружена. На обмен СРБ сильный отпечаток накладывает развитие в резко восстановительных условиях [77].
Экспериментальное изучение СРБ-инициированной коррозии хромоникелевой стали
Согласно положениям квантовой механики, строение и свойства молекулы можно определить из ее волновой функции OF). Волновую функцию находят из решения основного уравнения квантовой механики - уравнения Шредингера. В современной квантовой химии благодаря развитию вычислительной техники реализованы достаточно точные методы решения уравнений Шредингера для стационарных состояний многоэлектронных и многоатомных систем. Наибольшее распространение получили квантовохимические методы, в которых Р записывают в виде антисимметризованного произведения спин-орбиталей, координатные части (МО) которых представляют в виде линейной комбинации атомных орбиталей (ЛКАО). Положение ядер считается замороженным (адиабатическое приближение). Квантовохимический расчет сводится к нахождению коэффициентов разложения МО и АО путем решения уравнений Хартри - Фока - Ругана, представляющих собой систему алгебраических уравнений [199-204].
Применение метода Хартри - Фока - Ругана, несмотря на лежащие в его основе приближения (в частности, пренебрежение энергией корреляции электронов), позволяет достаточно точно оценивать многие физико-химические характеристики многоэлектронных молекул [205,206]. Данный метод позволяет учесть большую часть полной энергии атома или молекулы (обычно 99,5%), вычислять длины связей с точностью 0,01А. К сожалению, погрешности расчетных данных, получаемых методом Хартри - Фока - Ругана, оказываются того же порядка величины, что и большинство энергетических характеристик, представляющих интерес для химии (энергии связи и ионизации, активационные барьеры и т.п.). Эти погрешности обусловлены неучетом корреляции в движениях индивидуальных электронов; проблеме устранения подобного недостатка посвящена книга Уилсона [207].
В зависимости от подходов к решению уравнений Хартри - Фока - Ругана квантовохимические методы делятся на неэмпирические (ab initio) и полуэмпирические.
Неэмпирические методы основываются на строгом решении уравнений Хартри - Фока - Ругана (ХФР). При расчете учитывают все электроны в молекуле и все интегралы межэлектронного взаимодействия. Ab initio методы не используют никаких дополнительных экспериментальных данных (потенциалы ионизации, энергии оптимизации и т.п.), кроме фундаментальных физических постоянных (скорость света, постоянная Планка, заряды, масса ядер и электронов), и получены на основе уравнения Шредингера через введение ряда физически оправданных приближений. Последовательно отказываясь от этих приближений, можно увеличивать строгость и точность этих расчетов.
Простейший вариант ab initio подхода заключается в решении системы уравнений ХФР: 2е/v (?V - etS,v)=0, где/ =7...и (1.33)
В этом подходе волновая функция берется в виде детерминанта Слейтера, и используется разложение молекулярных делокализованных орбиталей (МО) по одноцентровым атомным орбиталям (АО) и приближение самосогласованного поля: 4 =1 (1.34)
В настоящее время имеются уже десятки неэмпирических программ, реализующих метод ХФР. Среди зарубежных программ это GAUSSIAN, HONDO, IMBOL, POLYATOM, MOLECULE, DISCO и другие, среди отечественных можно отметить программы SPUSH (МГУ), КВАНТ (ИОХ АН СССР) и другие. В программы серии GAUSSIAN включены базисные наборы орбиталей гауссова типа с различным числом функций, аппроксимирующих АО.
Неэмпирические расчеты позволяют достичь химической точности, но стоимость наобходимого машинного времени при этом чрезвычайно высока. Поэтому в ходе развития вкантовой химии возникли различные приближенные методы нахождения волновой функции, называемые полуэмпирическими методами. В этих методах уравнение Хартри - Фока - Ругана решают с рядом упрощений в записи гамильтониана, которые основаны на учете взаимодействия только части электронов молекулы (я-электронов либо валентных электронов) и пренебрежении частью интегралов межэлектронного отталкивания. Введение таких упрощений компенсируется использованием при построении гамильтониана эмпирических параметров, выбираемых на основе экспериментальных данных. За счет корректного подбора параметров в полуэмпирических методах удается ф качественно правильно воспроизводить некоторые физико-химические свойства молекул, в особенности их изменения в рядах родственных соединений. Однако потеря строгости рассмотрения приводит к тому, что некоторые молекулярные характеристики энергии межмолекулярного взаимодействия полуэмпирические методы передают в принципе неверно. Поэтому, использование полуэмпирических расчетов требует в каждом случае оценки выбранного подхода для решения данной задачи.
Изменение водородного показателя среды в присутствии исследуемых ОС
Сероводород, выделяемый бактериями в процессе метаболизма, оказывает самое непосредственное влияние на весь коррозионный процесс. От концентрации его в системе зависят рН и окислительно-восстановительный потенциал среды, и электродный потенциал стальных образцов.
Биоцидное действие на СРБ исследованных ОС подтверждено не только не W только прямым счетом численности СРБ в присутствии 4-х концентраций ОС, но и ежедневным определением концентрации основного метаболита СРБ -сероводорода. Результаты определения H2S (методика описана в разделе 2.1.1.4.) представлены на рис. 3.7. и 3.8. как зависимости его содержания в коррозионной среде от времени экспозиции стальных образцов. Как видно из сравнения хода кривых на рис. 3.7 и З.1., 3.8 и 3.2, наблюдается соответствие хода зависимостей CH2S - х и N - т, как по относительному расположению графиков (исключения ф очень редки - например для ОСІ), так и по положению максимума во времени.
Через двое суток экспозиции образцов в среде, инокулированной СРБ концентрация сероводорода составляла в среднем 42 мг/л. Изменение содержания сероводорода в среде, инокулированной СРБ и не содержащей ОС, происходило следующим образом. На 3-4-е сутки наблюдали резкое повышение концентрации сероводорода, достигающее после 4-5-ти суток экспозиции максимальных значений 153-170 мг/л. В выбранных нами условиях максимум концентрации " сероводорода соответствовал максимуму численности СРБ. После 5-7-ми суток продолжительности эксперимента концентрация сероводорода постепенно снижается (рис. 3.7 и 3.8).
Зависимости CH2S - Х И N - Х, отражающие в динамике подавление жизнедеятельности СРБ добавленными в коррозионную среду ОС, характерны, конечно, только для популяции СРБ в замкнутой системе (примером которой может служить охлаждающая жидкость в тракте двигателя внутреннего сгорания или другого технологического устройства). В открытой системе стальная поверхность - водный раствор электролита с развивающимися в нем СРБ (наряду с другими микроорганизмами) в отсутствии биоцида (только в жидкой фазе коррозионной среды или в жидкой и твердой фазе, например, в перфорированном «питателе») нельзя ожидать спада численности бактерий за какой-либо период (в замкнутом объеме питательной среды - 170 ч), поскольку накопление продуктов метаболизма в ней и исчерпание питательных компонентов компенсируются поступлением к границе фаз металл/жидкость новых объемов среды.
В сериях с ОС наблюдали более активное по сравнению с контрольной серией снижение концентрации сероводорода, которое было тем больше, чем выше концентрация исследуемых веществ (рис. 3.9 и 3.10). Соединения ОС1-ОС9 (производные антипирина) вызывают уменьшение концентрации H2S на 4-е сутки, которая к завершению эксперимента принимает значения 8,5...110,5 мг/л (рис.3.7). В присутствии производных пиррол ина (ОС10-ОС14) наблюдается аналогичный характер изменения содержания H2S в среде, к окончанию экспозиции концентрация этого метаболита в среде составляет 8,5...68,0 мг/л (рис. 3.8).
Как следует из хода кривых, характеризующих зависимости N - Сое (рис. 3.3 и 3.5) и соответствующие им зависимости CH2S - Сое (рис. 3.9 и 3.10), уже весьма малые конценграции (1и 2 мМоль/л) ОС, введенных в коррозионную среду, приводят к резкому падению бактериального титра и продукции биогенного H2S. Особенно эффективно действуют ОС9, ОСЗ, ОС2 и ОС4 из ряда производных антипирина и ОС 14 и ОС 10 из ряда производных пирролина.
Кислотность среды Постгейта Б, инокулированной СРБ и содержащей ОС, обусловлена не только гидролитическими свойствами исследуемых веществ, но и накоплением в ней продуктов жизнедеятельности изучаемых микроорганизмов.
В контрольной серии наблюдали смещение значений рН в сторону более кислых значений на 3-4-е сутки эксперимента до 6,9 с последующим повышением, достигающим к 7-ым суткам значение рН = 8,7.
При рассмотрении характера изменения рН хорошо просматривается зависимость рН от концентрации биогенного сероводорода в коррозионой среде: ход кривых на рис. 3.11 и 3.12 обратен ходу кривых на рис. 3.1 и 3.2, причем максимуму кривых N - т соответствует минимум кривых рН - т, особенно резко выраженный в средах, содержащих производные пирролина. Являясь слабой кислотой, сероводород диссоциирует в среде, тем самым повышая концентрацию ионов водорода, что влечет за собой понижение рН.
В присутствии производных антипирина и пирролина наблюдали менее интенсивное снижение рН вследствие подавления ими метаболических процессов в клетках СРБ (уменьшение продукции ими H2S и органических кислот). Кроме того, поскольку исследованные нами производные антипирина и пирролина (ОС 1-ОС14) являются слабыми основаниями [226-228] можно предположить, что они способствуют нейтрализации коррозионной среды. После прохождения минимума, в конце экспозиции стальных образцов в пробах с ОС, значения рН монотонно смещаются в более щелочную область значений, так же как и в контрольной серии (рис. 3.11. и 3.12.).
В средах, как содержащих исследованные ОС, так и без них, наблюдается смещение Еь в сторону более отрицательных значений на 70-100 мВ в контрольной серии опытов. На 4-е сутки величина Eh достигает значения -400 мВ, а к завершению эксперимента становится менее отрицательной, так как в среде накапливаются коррозионно-активные вещества окислительной природы. Чем более высокими восстановительными свойствами обладает среда, тем отрицательнее значение Eh. Поскольку сероводород - довольно сильный восстановитель, накопление его в среде и обусловливает понижение ее окислительно-восстановительного потенциала [229]. Развитие бактерий, особенно анаэробов, сопровождается снижением Eh. Пока эти значения не достигнуты, условия для размножения клеток недостаточно благоприятны, их деление задерживается, а размеры, особенно длина, заметно увеличиваются [230]. Причина, по которой анаэробы не переносят высокого окислительно-восстановительного потенциала окружающей среды, разъяснена В.А. Энгельгардом (1944). Он показал, что некоторые жизненно важные ферменты инактивируются при высоком Eh . При этом анаэробный организм теряет способность к нормальному питанию, к важнейшим конструктивным процессам и погибает от голода, а не от отравления, как полагал Мак-Леод [231]. Это согласуется с полученными нами экспериментальными данными. Максимальному смещению Еь соответствует максимум численности СРБ, а в результате отмирания микроорганизмов, на 5-7-е сутки экспозиции значения Eh повышаются, принимая исходную величину.
При исследовании влияния производных антипирина на редокс-потенциал среды на 3-4-е сутки экспозиции наблюдали максимальное смещение Eh в сторону отрицательных значений до -350... -330 мВ (рис. 3.13). Затем следует постепенное повышение Eh до менее отрицательных значений, достигающих к 7-ым суткам экспозиции величины порядка -320... -245 мВ.
Изменение значений электродного потенциала стальных образцов, экспонируемых в коррозионной среде
В биомембранах типа клеточных оболочек имеются полипептидные трубки или каналы, пронизывающие липидные слои, через которые обычно осуществляется диффузия неорганических ионов. Одновременно органические молекулы проникают через межмолекулярные промежутки, причем проникающая способность таких соединений возрастает по мере увеличения их липофильности. Мембранная проницаемость при этом пропорциональна коэффициенту распределения в системе (масло/вода) [233]. В нашем случае - коэффициенту распределения (Кр) ОС в системе н-гексан/вода.
Биоцид, поступая в клетку, должен проникнуть через липофильную наружную мембрану, гидрофильный пептидогликан, липофильную клеточную мембрану и наконец попасть в цитоплазму. Диффузия с заметной скоростью может происходить только в том случае, если биоцид имеет «подходящую» степень липофильности. Поскольку молекулы биологически активных соединений содержат как полярные (гидрофильные), так и неполярные (липофильные) группы, т.е. являются амфифильными молекулами, то гидрофильно-лшюфильный баланс (ГЛБ) выступает в качестве важнейшего фактора, определяющие их физико-химические свойства и вид взаимодействия. Если биоцид слишком гидрофилен, он не пройдет через наружную мембрану; если он слишком липофилен, он будет концентрироваться в липофильном слое стенки и не будет диффундировать в более гидрофильную цитоплазму [234].
Как видно из рис. 3.31 и 3.32, между Кр исследуемых ОС и их токсичностью для 50% микробных клеток в условиях замкнутой анаэробной системы (коррозионная среда, инокулированная СРБ, с введенными ОС и погруженными в нее стальными образцами) существует .цря ая зависимость. Увеличение величины Кр между водной и неводной («-гексан) фазами соответствует уменьшению содержания биологически активного соединения (БАС) в водной фазе (коррозионной среде), необходимого для гибели 50% клеток СРБ (обозначаемого обычно ЛД50 - летальная доза БАС для 50% клеток микроорганизмов).
Таким образом, полученные нами результаты подтверждают предполагаемый нами механизм противомикробного действия исследованных ОС, связанный с нарушением целостности или функций субклеточных структур поступающими через клеточную стенку молекулами ОС. Не претендуя на роль специалистов в; области биохимии и физиологии микроорганизмов, мы полагаем, что полученные нами сведения о зависимости биологического действия исследуемых ОС -производных антипирина и пирролина (условно названного биоцидным, т.к. различение биоцидного от биостатического действия на клеточном уровне нами не проводилось) от структуры их молекул будет полезно микробиологам и цитологам для описания механизмов избирательности действия этих веществ на конкретные внутриклеточные процессы в клетках таких специфических организмов, как литотрофные анаэробы - СРБ. Рассчитанные по трем методам величины зарядов на азотах и карбонильном кислороде в гетероциклах антипирина и пирролинона имеют отрицательный заряд, т.е. обладают электронодонорной способностью. Однако, величины зарядов на кислороде отрицательнее величин зарядов на атомах N по меньшей мере на 0.1 е.э.п.з., что позволяет подтвердить предположение [226, 227] о том, что катион металла связывается с молекулой антипирина через карбонильный кислород, а не аминный азот. Вероятно, такое же взаимодействие происходит с молекулами производных пирролина, поскольку у антипирина и пирролина один источник синтеза - пиррол [235].
Значения энергий ВЗМО и НСМО изменяются в узких интервалах. По методу RHF значения энергии НСМО положительные, что характеризует преимущество в химической точности этого ab initio метода над полуэмпирическими MNDO и РМЗ [236].
Коэффициенты корреляции (табл. 3.6 и 3.7) между величинами НСМО оптимизированных молекул производных антипирина (по трем методам) и их защитными эффектами при коррозии Гіжор и наводороживании г „ав достаточно высокие (68...89 %). Для производных пирролина значимы только коэффициенты, расчитанные по методам MNDO и РМЗ - от 53 до 80 %. По методу RHF и РМЗ для производных пирролина получена лучшая корреляция с величинами энергий ВЗМО эффектов торможения процесса коррозии стали (от 77 до 92 %) и процесса ее наводороживания {rz„ae - 67-93 %). Эти результаты можно интерпретировать таким образом, что производные антипирина выступают при взаимодействии с поверхностью хромоникелевой стали в качестве акцепторов электронов металла, а в случае производных пирролина - в качестве доноров [237-239].
Расчеты величин дипольного момента, выполненные методами MNDO и РМЗ дали значения хорошо коррелирующие с защитным действием производных пирролина при коррозии и наводороживании стали, в то время как метод RHF таких значений не дал. Для производных антипирина коррелляции дипольного момента с защитными эффектами при коррозии и наводороживании не получено не по одному из использовавшихся расчетных методов.
