Zamiast chemii bakterie. Ochronią stal przed morzem

Bakterie na kadłubie statku zwykle oznaczają problem – coś, co trzeba zeskrobać, zmyć, usunąć, zanim zeżre metal. Izraelscy naukowcy postanowili odwrócić takie myślenie do góry nogami. Zebrali kilka gatunków mikroorganizmów i pozwolili im zbudować na stali zwartą mineralną tarczę – naturalną barierę, przez którą słona woda ma znacznie trudniejszą drogę do metalu. Zamiast niszczyć, chronią. Zamiast problemu, rozwiązanie.

Podstawą nowej powłoki jest Bacillus subtilis, dobrze poznana przez naukowców bakteria zdolna do tworzenia biofilmu. To cienka, lepka warstwa, dzięki której mikroorganizmy trzymają się powierzchni i tworzą wspólną kolonię. Sama bakteria nie zapewniała jednak najlepszej ochrony. Badacze dodali do niej kilka gatunków Vibrio występujących naturalnie w wodzie morskiej. Dopiero taka mieszana społeczność zaczęła działać jak sprawny zespół.

Bakterie Vibrio uruchamiały w Bacillus subtilis geny odpowiedzialne za produkcję ureazy, czyli enzymu rozkładającego mocznik. Ten zmieniał lokalne warunki chemiczne przy powierzchni metalu i ułatwiał wytrącanie minerałów. W biofilmie rosła gęsta warstwa bogata w magnez i aragonit – odmianę węglanu wapnia, z którego zbudowane są również muszle wielu morskich organizmów.

W efekcie stal nie była chroniona wyłącznie miękkim bakteryjnym śluzem. Na jej powierzchni powstawała prawdziwa mineralna skorupa, która ograniczała przepływ elektronów potrzebny do postępu korozji.

Ciekawe jest to, że żaden z użytych mikroorganizmów nie wykonywał całej pracy samodzielnie. Bacillus subtilis budował biofilm i produkował enzym, ale potrzebował sygnału od pozostałych bakterii. Gatunki Vibrio nie tworzyły natomiast równie dobrej warstwy ochronnej bez partnera. Dopiero razem zabezpieczały stal węglową i czarne żelazo wyraźnie skuteczniej niż pojedyncze szczepy oraz próbki pozbawione bakterii.

Wiele wcześniejszych eksperymentów szukało jednego idealnego mikroorganizmu. Lepiej jednak zaprojektować całą społeczność, w której każdy gatunek ma osobne zadanie. Podobną zasadę wykorzystują materiały budowlane. Jak pisaliśmy w tekście: Beton, który sam się naprawia. Zatrudnili miliony małych robotników, uśpione bakterie mogą po kontakcie z wodą produkować węglan wapnia i zasklepiać pęknięcia. Tutaj minerał nie łata gotowej szczeliny, lecz ma nie dopuścić do niszczenia odsłoniętego metalu.

Dzisiaj stal pracująca w wodzie chroniona jest przede wszystkim farbami, powłokami polimerowymi, metalami poświęcanymi oraz inhibitorami korozji. Wszystkie te zabezpieczenia zużywają się, pękają albo są wypłukiwane. Trzeba je odnawiać, a część stosowanych związków może szkodzić morskiemu środowisku.

Warstwa z bakterii ma przede wszystkim taką przewagę, że jest żywa. Jeżeli zostanie miejscowo uszkodzona, mikroorganizmy mogą ponownie zasiedlić odsłonięty fragment i odbudować osłonę. Autorzy mówią więc o samoodnawiającej się biopowłoce.

W przyszłości mogłaby zabezpieczać elementy portów, platformy wiertnicze, rurociągi, kadłuby statków i stalowe konstrukcje znajdujące się stale pod wodą. Nie chodzi przy tym jednak po prostu o wylanie wiadra bakterii do morza. Mikroorganizmy trzeba byłoby nanosić na przygotowaną powierzchnię albo zamykać w kontrolowanej warstwie zawierającej odpowiednie składniki odżywcze.

To o tyle przewrotne, że mikroby często działają dokładnie odwrotnie. Potrafią przyspieszać korozję, tworzyć agresywne chemicznie środowisko i dosłownie zjadać metal. Tajemnicza maź znaleziona na wraku statku pokazała, jak skomplikowane społeczności mogą rozwijać się w zakamarkach stalowych konstrukcji. Tym razem naukowcy próbują nie walczyć z biofilmem, lecz wybrać jego skład i zmusić go do pracy po swojej stronie.

Eksperymenty przeprowadzono w kontrolowanych warunkach. Nie wiadomo jeszcze, jak powłoka poradzi sobie z falami, zmianami temperatury, ścieraniem, osadami, paliwem, środkami czyszczącymi i konkurencją ze strony tysięcy innych mikroorganizmów. Trzeba też sprawdzić, jak długo bakterie pozostaną aktywne i czy da się kontrolować ich rozprzestrzenianie. Szczep, który zachowuje się wzorowo w niewielkim naczyniu, nie musi równie dobrze współpracować z całą społecznością żyjącą w porcie.

Przeczytaj także:

Nowa metoda nie zastępuje więc jeszcze farb ani ochrony katodowej. Pokazuje jednak, że przed korozją można bronić się inaczej, niż przez ciągłe nakładanie kolejnych warstw chemii.

Morze od zawsze wykorzystuje bakterie do niszczenia metalu. Naukowcy chcą teraz wykorzystać inne bakterie, żeby ten metal ratować. Zamiast bez końca usuwać życie ze stalowej powierzchni, pozwolą mu tam zamieszkać. Pod warunkiem, że wcześniej dokładnie ustalą, kto ma budować, a nie rdzewieć.

*Źródło grafiki wprowadzającej: Milacroft, Getty Images, Canva Pro / Canva Pro