Mangan oksitleyen bakterilerin izolasyonu ve martenzitik çelik üzerine korozif etkilerinin incelenmesi

Abstract

Mangan (Mn); doğada bol miktarda bulunan ve biyojeokimyasal döngülerde kilit rol oynayan önemli bir geçiş metalidir. Mn`nın doğada en yaygın bulunan formu olan Mn-oksit; çeşitli organik/inorganik tür ve bileşiklerin redoks tepkimelerine katılan, yüksek emme kapasitesiyle birçok iyonu absorbe ederek toksik ve zorunlu elementlerin dağılımını ve biyoyararlamını kontrol eden yüksek reaktif bir mineraldir. Normal pH değerlerinde abiyotik olarak okside olabilen Mn, doğada çoğunlukla Mn okside eden bakteriler (MnOB) tarafından abiyotik oksidasyona kıyasla oldukça hızlı gerçekleşen tepkimeler ile biyotik olarak oksitlenirler. Bu tepkimeler sonucu açığa çıkan ve doğadaki en güçlü oksidanlardan olan Mn-oksitler, endüstriyel sistemlerin metalik yapı elamanlarında elektrokimyasal etkilerle aralık ve oyuklanma korozyonuna sebep olurlar. Mn-oksitlerin metal yüzeyi ile aralarında oluşan galvanik çiftin yarattığı elektrokimyasal etkiler, metali korozyona uğratmaktadır. MnOB ile ilişkili korozyon problemleri, başta hidroelektrik santrallerin yapı elemanları olmak üzere; içme suyu sistemleri, kağıt, petrol ve gıda gibi sektörlere ait endüstriyel sistemlerde daha önce rapor edilmiştir. Bu tez çalışmasında, Türkiye`de bulunan bir hidroelektrik santralden alınan biyofilm ve su örneklerinden bir MnOB türü izole ederek, bu türün martenzitik paslanmaz çeliğin mikrobiyolojik korozyon davranışı üzerine etkisinin incelenmesi amaçlanmıştır. Elazığ`da bulunan bir hidroelektrik santralden biyofilm ve su örnekleri alınmış, bu örneklerden 7 adet MnOB izolatı elde edilmiştir. Elde edilen izolatlar arasında en aktif olanın belirlenebilmesi için, her izolatın izolasyonda kullanılan besiyerlerindeki üreme ve Mn oksitleme aktivite eğrileri çizilerek birbirleri ile kıyaslanmıştır. En yüksek bakteri sayısına ulaşan ve en fazla Mn oksiti meydana getiren bakteri izolatı ile bu üreme şekline en uygun ortamı sağlayan besiyeri, korozyon deneyinde kullanılmak üzere seçilmiştir. Seçimi yapılan izolat, biyokimyasal ve moleküler yöntemler ile tür düzeyinde tanımlanmıştır. Biyokimyasal testler sonucunda Enterobacteriaceae ailesinden olduğu belirlenen bakteri izolatının, moleküler dizi analiz sonuçlarına göre %98 oranı ile Enterobacter tabaci YIM Hb-3 türüne uyumluluk gösterdiği tespit edilmiştir. Korozyon deneyinden önce, deney ortamı olarak kullanılacak besiyeri farklı Mn konsantrasyonlarında hazırlanarak Enterobacter tabaci YIM Hb-3 suşunun üremesini sınırlamayan en yüksek Mn konsantrasyonu belirlenmiş; korozyon deneyi, belirlenen Mn konsantrasyonunu içeren besiyeri, Enterobacter tabaci YIM Hb-3 suşu ve AISI 415 martenzitik paslanmaz çelik kuponlar kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Korozyonunun tespiti ağırlık kaybı yöntemi ile yapılmıştır. Gerçekleştirilen korozyon deneyi sonucunda, Enterobacter tabaci YIM Hb-3`nin hem planktonik hem de sesil formlarının difazik bir üreme şekli gösterdiği gözlemlenmiştir. Kültürdeki Mn+2 konsantrasyonunun anlamlı derece düştüğü tespit edilmiştir (p<0.01). Karbonhidrat ve protein analizleri ile bakterinin ürettiği karbonhidrat miktarının protein miktarından yüksek olduğunu, bakterinin kendi ürettiği karbonhidrat ve proteini tüketebildiği gösterilmiştir. SEM analizleri, Enterobacter tabaci YIM Hb-3 bakterisinin AISI 415 martenzitik paslanmaz çelik kuponların yüzeyinde biyofilm tabakası oluşturduğunu göstermiştir. Korozyon analizleri, Enterobacter tabaci YIM Hb-3 bakterisinin martenzitik paslanmaz çeliği mikrobiyolojik olarak korozyona uğrattığına işaret etmektedir. XRD analizi ile deney düzeneğinde Mn oksit bileşiklerinin tespiti de bu bulguyu doğrular niteliktedir. Sonuç olarak, bu tez çalışmasında ilk kez, Enterobacter tabaci YIM Hb-3 bakterisinin Mn oksitleyen bir bakteri türü olduğu ve martenzitik paslanmaz çeliği mikrobiyolojik olarak korozyana uğrattığı rapor edilmiştir.

Manganese (Mn) is an important transition metal that is very abundant in nature and plays a key role in biogeochemical cycles. Mn oxide, which is the most common form of Mn in nature; is a highly reactive mineral that participates in the redox reactions of various organic / inorganic species and compounds, also controls the distribution and bioavailability of toxic and essential elements by absorbing many ions with high absorption capacity. Mn, which can be oxidized abiotically at normal pH values, is biotically oxidized in nature by the reactions of Mn oxidizing bacteria (MnOB) that occur quite rapidly compared to abiotic oxidation. As a result of these reactions, Mn oxides, which are the most powerful oxidants in nature, cause crevice and pitting corrosion in the metallic structure components of industrial systems by electrochemical effects. The electrochemical effects of the galvanic couple formed between the metal surface and the Mn oxides corrode the metal. Corrosion problems associated with MnOB have been reported previously in drinking water systems, industrial systems such as paper, oil, food, and especially structural elements of hydroelectric power plants. The purpose of this study to isolate a MnOB strain from biofilm and water samples of a hydroelectric power plant located in Turkey and to determinate its corrosive effects on martensitic stainless steel by gravimetric method. Biofilm and water samples were taken from a hydroelectric power plant in Elazığ and seven MnOB strains were isolated from these samples. In order to determine the most active strain among the isolated MnOB, growth and Mn oxidation activity curves of each strain in all isolation media used during the study were compared with each other. As a result of the comparison, the bacterial strain that reached the highest number with the production of the most Mn oxides and the medium that provides the most suitable environment for this growth type were selected for use in corrosion experiment. The selected strain was identified by biochemical and molecular methods. As a result of biochemical tests, it was determined that bacterial strain belonging to Enterobacteriaceae family was compatible with the sequence analysis results that revealed the isolate showed 98% similarity with Enterobacter tabaci YIM Hb-3 strain. Prior to the corrosion experiment, the test system medium was prepared with different Mn concentrations and the highest Mn concentration which did not limit the growth of Enterobacter tabaci YIM Hb-3 strain was determinated. Corrosion experiment was carried out by use of the medium containing the maximum Mn concentration which did not limit the bacterial growth, Enterobacter tabaci YIM Hb-3 strain and AISI 415 martensitic stainless steel coupons. In results, it was observed that planctonic and sessile forms of Enterobacter tabaci YIM Hb-3 showed a diphasic growth pattern. The amount of Mn+2 in culture medium which used by bacteria decreased significantly (p<0.01). Carbohyrate and protein analyses revealed that the carbohydrate amount was higher than the protein amount which bacteria produced and bacteria had the ability to biodegrade the carbohydrate and protein produced by own. SEM results demonstrated that Enterobacter tabaci YIM Hb-3 cells formed a biyofilm layer on the AISI 415 martensitic stainless steel surfaces. Corrosion analysis pointed out that Enterobacter tabaci YIM Hb-3 correded AISI 415 martensitic stainless steel coupons microbiologically. Besides, the detection of Mn oxide compounds in the test sytem by XRD analysis also confirms this finding. As a result, for the first time in this thesis, Enterobacter tabaci YIM Hb-3 was reported to be an Mn oxidizing bacterium and microbiologically corrosive to martensitic stainless steel.