Образование кластеров меди в процессе биокоррозии сплавов алюминия микроскопическими грибами
Д.В. Белов1,2, С.Н. Беляев1,2, П.А. Юнин2, А.А. Назаров2
1 ФГБНУ «Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова Российской академии наук»
2 Институт физики микроструктур – филиал ИПФ РАН
DOI: 10.26456/pcascnn/2023.15.888
Оригинальная статья
Аннотация: В работе исследована биокоррозия сплавов алюминия Д16Т и АМг6 в условиях воздействия микроскопических грибов. Показано, что микромицеты продуцируют активные формы кислорода – супероксидный анион-радикал, пероксид водорода, инициирующие биокоррозию металлов. Методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии определен состав продуктов биокоррозии Д16Т и АМг6 после экспозиции сплавов на газоне консорциума микромицетов. Проведено рентгенофазовое исследование продуктов биокоррозии сплавов. Сканирующей электронной микроскопией и рентгенодифракционным анализом показано образование наноразмерных и субмикронных кластеров меди. Предложен физико-химический механизм биокоррозии сплавов алюминия микроскопическими грибами. Высказано предположение о механизме работы систем «нульвалентный металл – пероксид водорода», которые могут запускать каскад реакций, ведущих к деструктивному окислению металлов. В работе дана попытка объяснения роли биопленок сообщества микроскопических грибов как основного фактора микологической коррозии металлов.
Ключевые слова: биокоррозия, микробиологическая коррозия, сплавы алюминия Д16Т, АМг6, нульвалентный алюминий, нульвалентная медь, микроскопические грибы, активные формы кислорода, супероксидный анион-радикал, пероксид водорода, кластеры меди
- Белов Денис Владимирович – к.х.н., доцент, с.н.с, ФГБНУ «Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова Российской академии наук», ведущий технолог, Институт физики микроструктур – филиал ИПФ РАН
- Беляев Сергей Николаевич – к.х.н., научный сотрудник, заведующий лабораторией,, ФГБНУ «Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова Российской академии наук», ведущий технолог Институт физики микроструктур – филиал ИПФ РАН
- Юнин Павел Андреевич – к.ф.-м.н., научный сотрудник, заведующий лабораторией, Институт физики микроструктур – филиал ИПФ РАН
- Назаров Артем Александрович – лаборант отдела технологии, наноструктур и приборов, Институт физики микроструктур – филиал ИПФ РАН
Ссылка на статью:
Белов, Д.В. Образование кластеров меди в процессе биокоррозии сплавов алюминия микроскопическими грибами / Д.В. Белов, С.Н. Беляев, П.А. Юнин, А.А. Назаров // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. — 2023. — Вып. 15. — С. 888-912. DOI: 10.26456/pcascnn/2023.15.888.
Полный текст: загрузить PDF файл
Библиографический список:
1. Zhao, J. Biocorrosion of copper metal by Aspergillus niger / J. Zhao, L. Csetenyi, G.M. Gadd // International Biodeterioration and Biodegradation. – 2020. – V. 154. – Art. № 105081. – 10 p. DOI: 10.1016/j.ibiod.2020.105081.
2. Horeh, N.B. Bioleaching of valuable metals from spent lithium-ion mobile phone batteries using Aspergillus niger / N.B. Horeh, S.M. Mousavi, S.A. Shojaosadati // Journal of Power Sources. – 2016. – V. 320. – P. 257-266. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2016.04.104.
3. Lekbach, Y. Microbial corrosion of metals: The corrosion microbiome / Y. Lekbach, T. Liu, Y. Li et al. // Advances in Microbial Physiology. – 2021. – V. 78. – P. 317-390. DOI: 10.1016/bs.ampbs.2021.01.002.
4. Tang, H.Y. Stainless steel corrosion via direct iron-to-microbe electron transfer by Geobacter species / H.Y. Tang, C. Yang, T. Ueki et al. // The ISME Journal. – 2021. – V. 15. – № 10. – P. 3084-3093. DOI: 10.1038/s41396-021-00990-2.
5. Li, S. Extracellular electron transfer of Bacillus cereus biofilm and its effect on the corrosion behaviour of 316L stainless steel / S. Li, L. Li, Q. Qu et al. // Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. – 2019. – V. 173. – P. 139-147. DOI: 10.1016/j.colsurfb.2018.09.059.
6. Costerton, J.W. How Bacteria Stick / J.W. Costerton, G.G. Geesey, K.J. Cheng // Scientific American. – 1978. – V. 238. – I. 1. – P. 86-95. DOI: 10.1038/scientificamerican0178-86.
7. Lamin, A. Quorum sensing inhibitors applications: A new prospect for mitigation of microbiologically influenced corrosion / A. Lamin, A.H. Kaksonen, I.S. Cole, X.-B. Chen // Bioelectrochemistry. – 2022. – V. 145. – Art. № 108050. – 10 p. DOI: 10.1016/j.bioelechem.2022.108050.
8. Huang, S. Field testing of an enzymatic quorum quencher coating additive to reduce biocorrosion of steel / S. Huang, C. Bergonzi, S. Smith et al. // bioRxiv. – 2022. – Art. № 518914. – 31 p. DOI: 10.1101/2022.12.02.518914.
9. Mehmood, A. Fungal quorum-sensing molecules and inhibitors with potential antifungal activity: A review / A. Mehmood, G. Liu, X. Wang et al. // Molecules. – 2019. – V. 24. – I 10. – Art. № 1950. 18 p. DOI: 10.3390/molecules24101950.
10. Wang, Y. Extracellular polymeric substances and biocorrosion/biofouling: Recent advances and future perspectives / Y. Wang, R. Zhang, J. Duan et al. // International Journal of Molecular Sciences. – 2022. – V. 23. – I. 10. – Art. no. 5566. – 20 p. DOI: 10.3390/ijms23105566.
11. Pal, M.K. Microbial influenced corrosion: Understanding bioadhesion and biofilm formation / M.K. Pal, M. Lavanya // Journal of Bio- and Tribo-Corrosion. – 2022. – V. 8. – Art. № 76. – 13 p. DOI: 10.1007/s40735-022-00677-x.
12. Belozerskaya, T.A. Reactive oxygen species and the strategy of antioxidant defense in fungi: A review / T.A. Belozerskaya, N.N. Gessler // Applied Biochemistry and Microbiology. – 2007. – V. 43. – I. 5. – P. 506-515. DOI: 10.1134/S0003683807050031.
13. Sies, H. Reactive oxygen species (ROS) as pleiotropic physiological signalling agents / H. Sies, D.P. Jones // Nature Reviews Molecular Cell Biology. – 2020. – V. 21. – I. 7. – P. 363-383. DOI: 10.1038/s41580-020-0230-3.
14. Gessler, N.N. Reactive oxygen species in regulation of fungal development / N.N. Gessler, A.A. Aver'yanov, T.A. Belozerskaya // Biochemistry (Moscow). – 2007. – V. 72. – I. 10. – P. 1091-1109. DOI: 10.1134/S0006297907100070.
15. Aslanidi, K.B. Resistance of microscopic fungi to oxidative stress / K.B. Aslanidi, A.E. Ivanova, Y.V. Blazheevskaya et al. // Doklady Biochemistry and Biophysics. – 2003. – V. 392. – I. 1. – P. 241-243. DOI: 10.1023/a:1026178410988.
16. Hedison, T.M. Insights into the H2O2‐driven catalytic mechanism of fungal lytic polysaccharide monooxygenases / T.M. Hedison, E. Breslmayr, M. Shanmugam et al. // The FEBS Journal. – 2021. – V. 288. – I. 13. – P. 4115-4128. DOI: 10.1111/febs.15704.
17. Bissaro, B. Oxidative cleavage of polysaccharides by monocopper enzymes depends on H2O2 / B. Bissaro, Å.K. Røhr, G. Müller et al. // Nature Chemical Biology. – 2017. – V. 13. – I. 10. – P. 1123-1128. DOI: 10.1038/nchembio.2470.
18. Sideri, M. Differentiation and hydrogen peroxide production in Sclerotium rolfsii are induced by the oxidizing growth factors, light and iron / m. sideri, c.d. georgiou // Mycologia. – 2000. – V. 92. – I. 6. – P. 1033-1042. DOI: 10.2307/3761468.
19. Zhang, J. Guttation capsules containing hydrogen peroxide: an evolutionarily conserved NADPH oxidase gains a role in wars between related fungi / J. Zhang, Y. Miao, M.J. Rahimi et al. // Environmental Microbiology. – 2019. – V. 21. –№ 8. – P. 2644-2658. DOI: 10.1111/1462-2920.14575.
20. Wiberth, C.-C. Oxidative enzymes activity and hydrogen peroxide production in white-rot fungi and soilborne micromycetes co cultures / C.-C. Wiberth, A.-Z. C. Casandra, F. Zhiliang, H. Gabriela // Annals of Microbiology. – 2018. – V. 69. – I. 2. – P. 171-181. DOI: 10.1007/s13213-018-1413-4.
21. Xu, W. Accelerated corrosion of 316L stainless steel in simulated body fluids in the presence of H2O2 and albumin / W. Xu, F. Yu, L. Yang et al. // Materials Science and Engineering: C. – 2018. – V. 92. – P. 11-19. DOI: 10.1016/j.msec.2018.06.023.
22. Dong, C. Coupling mechanism between wear and oxidation processes of 304 stainless steel in hydrogen peroxide environments / C. Dong, C. Yuan, X. Bai et al. // Scientific Reports. – 2017. – V. 7. – I. 1. – Art. № 2327. 9 p. – DOI: 10.1038/s41598-017-02530-5.
23. Gong, Z. Oxidation towards enrofloxacin degradation over nanoscale zero-valent copper: mechanism and products / Z. Gong, J. Xie, J. Liu et al. // Environmental Science and Pollution Research. – 2023. – V. 30. – I. 13. – P. 38700-38712. DOI: 10.1007/s11356-022-24984-5.
24. Kumar, S. Nanoscale zerovalent copper (nZVC) catalyzed environmental remediation of organic and inorganic contaminants: A review / S. Kumar, P. Kaur, R.S. Brar, J.N. Babu // Heliyon. – 2022. – V. 8. – I. 8. – Art. № e10140. – 21 р. DOI: 10.1016/j.heliyon.2022.e10140.
25. Белов, Д.В. О роли активных форм кислорода в инициировании коррозии металлов микроскопическими грибами / Д.В. Белов, М.В. Челнокова, Т.Н. Соколова, В.Р. Карташов // Коррозия: материалы, защита. – 2009. – № 11. – С. 43-48.
26. Белов, Д.В. Генерация супероксидного анион-радикала микромицетами и его роль в коррозии металлов / Д.В. Белов, М.В. Челнокова, Т.Н. Соколова и др. // Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология. – 2011. – Т. 54. – № 10. – C. 133-136.
27. Bielski, B.H.J. Reactivity of HO2/O2− radicals in aqueous solution / B.H.J. Bielski, D.E. Cabelli, R.L. Arudi, A.B. Ross // Journal of Physical and Chemical Reference Data. – 1985. – V. 14. – I. 4. – P. 1041-1100. DOI: 10.1063/1.555739.
28. Winterbourn, C.C. Biological chemistry of superoxide radicals / C.C. Winterbourn // ChemTexts. – 2020. – V. 6. – I. 1. – Art. № 7. 13 p. DOI: 10.1007/s40828-019-0101-8.
29. Khudyakov, I.V. Oxidation-reduction reactions of free radicals / I.V. Khudyakov, V.A. Kuz’min // Russian Chemical Reviews. – 1978. – V. 47. – I. 1. – P. 22-42. DOI: 10.1070/rc1978v047n01abeh002201.
30. Meisel, D. Hydroperoxyl radical reactions. II. Cupric ions in modulated photolysis. Electron paramagnetic resonance experiments / D. Meisel, H. Levanon, G. Czapski // The Journal of Physical Chemistry. – 1974. – V. 78. – I. 8. – P. 779-782. DOI: 10.1021/j100601a004.
31. Pham, A.N. Fenton-like copper redox chemistry revisited: Hydrogen peroxide and superoxide mediation of copper-catalyzed oxidant production / A.N. Pham, G. Xing, C.J. Miller, T.D. Waite // Journal of Catalysis. – 2013. – V. 301. – P. 54-64. DOI: 10.1016/j.jcat.2013.01.025.
32. Belov, D.V. Research of corrosion cracking of D16T and Amg6 aluminum alloys exposed to microscopic fungi / D.V. Belov, S.N. Belyaev, M.V. Maksimov, G.A. Gevorgyan // Inorganic Materials: Applied Research. – 2022. – V. 13. – I. 6. – P. 1640-1651. DOI: 10.1134/s2075113322060028.
33. Коваль, Э.З. Микодеструкторы промышленных материалов / Э.З. Коваль, Л.П. Сидоренко. – Киев: Наукова думка, 1989. – 192 с.
34. Ринальди, М. Определитель патогенных и условно патогенных грибов / М. Ринальди, Д. Саттон, А. Фотергилл. – М.: Мир, 2001. – 486 с.
35. Berridge, M.V. Tetrazolium dyes as tools in cell biology: New insights into their cellular reduction / M.V. Berridge, P.M. Herst, A.S. Tan // Biotechnology Annual Review. – 2005. – V. 11. – P. 127-152. DOI: 10.1016/s1387-2656(05)11004-7.
36. Seidler, E. The tetrazolium-fomazan system: design and histochemistry / E. Seidler // Progress in Histochemistry and Cytochemistry. – 1991. – V. 24. – I. 1. – P. 3-79. DOI: 10.1016/s0079-6336(11)80060-4.
37. Fridovich, I. Superoxide radical and superoxide dismutases / I. Fridovich // Annual Review of Biochemistry. – 1995. – V. 64. – I. 1. – P. 97-112. DOI: 10.1146/annurev.bi.64.070195.000525.
38. Burns, J.M. Methods for reactive oxygen species (ROS) detection in aqueous environments / J.M. Burns, W.J. Cooper, J.L. Ferry et al. // Aquatic Sciences. – 2012. – V. 74. – I. 4. – P. 683-734. DOI: 10.1007/s00027-012-0251-x.
39. Pobiner, H. Determination of hydroperoxides in hydrocarbon by conversion to hydrogen peroxide and measurement by titanium complexing / H. Pobiner // Analytical Chemistry. – 1961. – V. 33. – I. 10. – P. 1423- 1426. 10.1021/ac60178a045.
40. Белов, Д.В. О механизме биокоррозии сплавов алюминия Д16Т и АМг6 (обзор) / Д.В. Белов, С.Н. Беляев, М.В. Максимов, Г.А. Геворгян // Коррозия: материалы, защита. – 2021. – Т. 10. – С. 1-22. DOI: 10.31044/1813-7016-2021-0-10-1-22.
41. Belov, D.V. Physicoсhemical features of the mechanism of the biocorrosion of D16T duralumin by microscopic fungi / D.V. Belov, S.N. Belyaev, G.A. Gevorgyan, M.V. Maksimov // Russian Journal of Physical Chemistry A. – 2022. – V. 96. – I. 8. – P. 1599-1614. DOI: 10.1134/S0036024422080052.
42. Merkel, T.H. General corrosion of copper in domestic drinking water installations: scientific background and mechanistic understanding / T.H. Merkel, S.O. Pehkonen // Corrosion Engineering, Science and Technology. – 2006. – V. 41. – I. 1. – P. 21-37. DOI: 10.1179/174327806X94009.
43. Крымский, C.В. Межкристаллитная коррозия криопрокатанного и состаренного алюминиевого сплава Д16 / С.В. Крымский, Р.Р. Ильясов, Е.В. Автократова и др. // Физикохимия поверхности и защита материалов. – 2017. – Т. 53. – № 6. – C. 646-655. DOI: 10.7868/S0044185617060158.