HAL Id: jpa-00249605
https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00249605
Submitted on 1 Jan 1997
HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.
L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.
Corrosion influencée par les micro-organismes : influence du biofilm sur la corrosion des aciers, techniques et
résultats recents
F. Feugeas, J. Magnin, A. Cornet, J. Rameau
To cite this version:
F. Feugeas, J. Magnin, A. Cornet, J. Rameau. Corrosion influencée par les micro-organismes : influence du biofilm sur la corrosion des aciers, techniques et résultats recents. Journal de Physique III, EDP Sciences, 1997, 7 (3), pp.631-663. �10.1051/jp3:1997147�. �jpa-00249605�
J. Phi-s III FYance 7 (1997) 631-663 MARCH 1997, PAGE 631
Corrosion influenc4e par les micro-organismes : influence du biofilm sur la corrosion des aciers, techniques et r4sultats r4cents
F. Feugeas (~.*), J-P- Magnin (~), A. Cornet (~) et J-J- Rameau (~)
(~) ENSAIS, Laboratoire de MAtallurgie, Corrosion et MatAriaux, 24 boulevard de la Victoire, 67084 Strasbourg Cedex, France
(~) LEPMI, Laboratoire d'ilectrochimie et de Physico-Chimie des MatAriaux et des Interfaces,
Domaine Universitaire, l130 rue de la Piscine, BP 75, 38402 Saint Martin D'HAres, France
(Regu le 13 fAvrier 1996, rAvisA le 19 noiembre 1996, acceptd le 5 ddcembre 1996)
PACS.01.30 Tt Bibliographies
PACS 82.65 Yh Other surface and interface chemical processes PACS.89.90 +n Other areas of general interest to physicists
R4sum4. La Corrosion InfluencAe par les Micro-organismes ICI M
ou biocorrosion, phA-
nomAne AtudiA depuis le dAbut du siAcle, est responsable de la dAgradation d'un grand nombre d'ouvrages m4talliques. Cette Atude a pour but de faire le point des connaissances sur la cor-
rosion influencAe microbiologiquement de divers types d'aciers au carbone, d'aciers inoxydables,
d'assemblages soudAs et d'aciers rev@tus La C.I.M. n'apparait qu'en prAsence d'un biofilm. La premiAre partie de cette dtude dAcrit les facteurs physico-chimiques impliquAs dans la formation du biofilm, ces moyens d'4tudes ainsi que son action dans le processus de biocorrosion. La se-
conde partie est consacrAe h la description des cas de biocorrosion class4s en fonction de la nature des m4taux et des milieux avec lesquels ils sont en contact. La dernibre partie de ce document
passe en revue les pnncipaux mAcanismes de biocorrosion dAcrits
Abstract. Microbiologically Influenced Corrosion (M.I.C studied since the beginning of
this century, is responsible for the degradation of many metallic equipments This study is a
review ofresults dealing with M-I-C-
on several types of steels as; carbon steels, stainless steels, welded steels and covered steels M I C. occurs only in presence of a biofilm The first part of this study describes chemical and physical factors involved in its development, technical methods for studying biofilms, and its contribution in the corrosion process. The second part is devoted to the study of M I C cases linked with metal nature and different aqueous environments and the last part reviews the mainly mecanisms of biocorrosion.
1. Introduction
La Corrosion InfluencAe Microbiologiquement (C.I.M.) ou biocorrosion est un phAnomAne Alec-
trochimique de dissolution d'un mAtal qui touche toutes [es industries off peuvent se dAve-
lopper des micro-organismes et notamment des bactAries. Elle a fait l'objet de nombreuses
revues [1-11] La premiAre (tape de la biocorrosion consiste obligatoirement en la formation
(*) Auteur auquel doit Atre adress4e la correspondance
© Les Editions de Physique 1997
632 JOURNAL DE PHYSIQUE III N°3
d'un biofilm sur la surface mAtallique. Cependant l'inverse n'est pas vrai un processus de biocorrosion n'est pas toujours associ4 h la pr4sence d'un biofilm [12-14].
Sur [es aciers inoxydables, un des premiers cas industriels d4crit remonte au d6but des ann4es 70. Des fuites sont apparues aux endroits des soudures quelques mois aprAs la mise en service de r6servoirs d'eau r4alis4s en nuances 304L et 316L [15]. Il semble que l'importance des facteurs biologiques dans la corrosion des aciers inoxydables soit une notion rAcente. Les
raisons de cet (tat de fait sont h rechercher, non pas dans le dAveloppement d'un phAnomAne
nouveau, mais dans [es applications nouvelles de ces aciers. En effet, h l'origine mis au point
pour des utilisations en milieux s4vAres, ils ont connu des d4veloppements importants pour des
applications en milieu naturel. C'est en effet le cas de la construction nud4aire qui a largement
fait appel h ces aciers pour la r4alisation de certains r4seaux De nombreuses publications
traitent des problAmes particuliers de C-I-M- rencontrAs dans ce secteur [3,16-21j. Beaucoup
d'autres secteurs industriels sont confrontAs h des problAme de C-I-M- Parmi ceux-ci on peut citer
l'industrie du pAtrole [22-24]
;
l'industne de la fabrication de la phte h papier [25,26],
l'industrie alimentaire [27],
[es industries mAcaniques au travers de la contamination des fluides de coupe [28], [es exploitants de l'aAronautique pour [es problAmes des rAservoirs de carburant [15], [es industriels de traitement des eaux [29, 30].
Certaines installations semblent plus particuliArement expos4es. C'est le cas par exemple
des Achangeurs de chaleur [15,31], ou des r4seaux incendie lorsque ceux-ci restent au contact d'eau stagnante [32] La plupart des matAriaux mAtalliques sont susceptibles d'Atre affect4s par la biocorrosion et, historiquement, ce fut dans le cas du plomb [33] que [es micro-organismes
furent mis en cause pour la premiAre fois. Les mAtaux ne sont pas [es seuls concemAs
,
l'exemple
le plus douloureux de biodAgradation Atant sans aucun doute la carie dentaire [15]. Concemant [es aciers inoxydables, un certain nombre de cas particuliArement spectaculaires sont dAcrits
en dAtail dans la littArature [18,23,25,28-30,34-36]. La pr4sente Atude a pour but de faire le point des connaissances sur la Corrosion Influencde par les Micro-organismes (C.I.M. au biocorrosion) des aciers au carbone et inoxydables ainsi que des assemblages soudAs en acier
inoxydable.
2. Biofilm et corrosion en milieu vivant
La biocorrosion est un phAnomAne Alectrochimique de dissolution d'un mAtal. Les rAactions Alec-
trochimiques s'effectuent h l'interface mAtal/matAriel biologique, ce demier formant une struc- ture particuliAre le biofilm. Le biofilm conceme une agrAgation d'organismes indApendants ou
interd4pendants fonctionnellement, en gAnAral des micro-organismes. I
ces micro-organismes,
sont associAs les Substances Extra-PolymAriques IS-E-P ). L'hAtArogAn4it4 biologique du biofilm induit une h4tArogAnAitA dans son action corrosive par rapport au mAtal notamment lorsqu'il apparjit un gradient dans la concentration en oxygAne h l'interface mAtal/biofilm [37].
La iremiAre (tape de la biocorrosion consiste obligatoirement en la formation de ce biofilm
sur la surface mAtallique. Il est cependant important de noter que l'inverse n'est pas vrai h un biofilm ne correspond pas toujours une biocorrosion. Il n'y a pas de corrAlation entre corrosion
N°3 CORROSION INFLUENCEE PAR LES MICRO~ORGANISMES 633
et biomasse, entre corrosion et type ou consortium bactArien ou entre corrosion et nombre de bactAries constituant le biofilm [38-40]. iiidela et al. [13] constatent la formation et l'Avolution du biofilm sur la surface d'un acier inoxydable de type 316 et n'observent aucune rupture de la couche passive recouvrant l'acier. De mAme, dans le cas d'un acier inoxydable 304 [12],
Pseudomonas fluorescens forme rapidement un biofilm (en 48 heures), constituA de bactAries et des substances extra-polymAriques. Les zones non recouvertes par [es bactAries le sont par une
couche uniforme d'oxydes Aucune corrosion n'apparait ni en pr4sence de Pseudomonas ni en additionnant Desulfombr~o vulgar~s P. aerugmosa forme en milieu synthAtique un biofilm sur
un acier 304 [41]. Cependant en pr#sence de Nacl, une corrosion par "~iqfiration",apparait, indiquant de fait que la nature du milieu est un paramAtre important dans la biocorrosion.
Lee et Characklis [42] ont notA l'Avolution d'un biofilm de D. desulfur~cans sur un acier doux
(AISI 1018) dans un systAme h flux continu anaArobie, n'aboutissant pas h une corrosion de l'acier. En pr4sence d'oxygAne dissous, de fer dissDus ou de particules de FeS, une corrosion
intergranulaire apparait sur le matAriau.
2.I. FORMATION Du BIOFILM. La formation du biofilm, son hAtArogAnAitA (temporelle, structurale), le devenir des bactAries ont AtA trait4s dans de nombreuses revues [37, 43j
L'Atablissement et le dAveloppement d'un biofilm, phAnomAne biologique, nAcessite une (tape prAalable d'adh4sion des micro-organismes h une interface correspondant h un phAnomAne
phy.sicochimique [37, 43].
DiffArentes thAories sur [es m4canismes d'adhAsion existent selon la discipline scientifique impliqu4e [44]. Cependant, le processus d'adhAsion s'effectuerait selon un processus en deux
(tapes [45]. La premiAre (tape serait une phase rAversible, consistant en une attraction instan- tanAe des bactAnes sur la surface. Elle est dAcrite comme une adhAsion minimale secondaire selon l'approche physico-chimique des colloides [46]. La seconde (tape serait une phase irrA-
versible correspondant h une adhAsion ferme des bactAries sur la surface et apparaitrait aprAs plusieurs heures. Les polymAres (S.E.P.) seraient impliqu4s dans cette seconde (tape.
Quatre (tapes successives physicochimique puis biologiques interviennent dans la formation du biofilm
Une modification de l'Atat de la surface mAtallique due h une adsorption chimique de molAcules organiques :les organismes ne sont pas directement inipliqu4s darts cette (tape.
Une colonisation progressme de la surface cette (tape peut apparaitre h des temps variables selon le milieu et le matAriau quelques heures dans l'eau de mer pour l'acier
inoxydable AISI 304 [47-49], quelques jours pour l'acier AISI 316 [48,50], 7 jours pour
un acier doux dans un systAme de circulation d'eau [51j h quelques mois dans l'eau douce [52]. Il n'y a pas de distribution uniforme du biofilm h la surface du matAriau [51]. Les micro-organismes isolAs du biofilm peuvent reprAsenter plusieurs centaines de types Pope
et al. [16] dAterminent que 60 % des micro~organismes produisent des acides organiques,
60 % sont aptes h rAduire [es nitrates et notent la prAsence de bactAries thermophiles (45 °C) dans des biofilms d6veloppAs sur des Achangeurs de chaJeur en acier inoxydable
304L. Les facteurs influenqant l'adhAsion des micro-organismes sur [es surfaces ont AtA
rAcapitulAs par Little et al. [53].
Une synthise de S-E-P- par [es bactAries aboutissant h une structure h multi-Atages.
Le ddveloppement du biofilm mature dans le cas de sa formation en milieux aqueux
(eau de mer, eau douce), le biofilm peut comporter des protozoaires, des bernacles, des algues...
634 JOURNAL DE PHYSIQUE III N°3
2.2 FACTEURS IMPLIQULS DANS LA FORMATION Du BIOFILM. La premiAre (tape de la
formation du biofilm, l'adhAsion des micro-organismes sur un substrat, est soumise h plusieurs facteurs [54]
la tension superficielle du mAtal plus la tension de surface du solide augmente, plus la colonisation augmente [55]
la toxicitA de la surface la colonisation de la surface d'un alliage CuNi par une bactAne thermophile Thermus sp. est trAs lente, suite h une adaptation des bactAries h la toxicitA du Cu et/ou du Ni h l'opposA cette colonisation est trAs rapide sur l'acier inoxydable
316L [29]. Il y a une diffArence de colonisation selon la nature du matAriau [50,55, 56]
des facteurs provenant des conditions de dAveloppement cellulaire tels que la concentra- tion en nutriments [es produits extra-cellulaires sont diffArents selon [es conditions de
croissance
des facteurs provenant des conditions environnementales [57] pH, tempArature, ions,
vitesse d'Acoulement du fluide...
Par exemple la bactArie Pseudomonas lorsqu'elle se trouve dans un pipeline forme un biofilm d'une Apaisseur de 150 ~tm, alors qu'en r4acteur cette Apaisseur n'est que de 50 ~tm [37]. Dans
un autre cas, l'Apaisseur du biofilm est fonction du dAbit lors de la corrosion d'un acier doux
(AISI 1018) dans un rAacteur h flux continu ensemencA avec des B-S-R. [42, 58] h faible dAbit (0,04 lh~~), l'4paisseur du biofilm est de 5 ~tm h fort dAbit (0,75 lh~~) le biofilm atteint
une Apaisseur de 1000 ~tm. Cependant aucune corr61ation directe entre Apaisseur du biofilm et corrosion n'a pu Atre Atablie en absence de fer ferreux.
La rugositA de la surface ne semble pas Atre un facteur impliquA dans la formation du biofilm [59j. Pourtant I'(tat de surface de divers aciers autosoudAs (304, 316, 316L, 317LX, AL6X, AL6XN, AL6XNt) a At4 AtudiA dans une eau potable microbiologiquement contamin4e
[60j. L'attachement bactArien s'effectue au hasard mais la colonisation est favorisAe par [es
irrAgularitAs les colonies microbiennes se d4veloppent plus rapidement (4-12 heures) sur la Zone AffectAe Thermiquement (ZAT), puis dans la zone de liaison et la zone fondue. Les auteurs constatent que le polissage de la surface diminue la sensibilitA h la C-I-M- par rapport h la surface brute, tandis que le grattage mAtallique de la surface (nature de la brosse inconnue)
augmente cette sensibilitA.
Tatnal [61j, lors de la biocorrosion d'un acier inoxydable 304L en milieu papetier, note que le biofilm est composA de rAsidus inorganiques et d'organismes aArobies (Pseudomonas, Aerobacter, Flavobacter~um, Bacillus) ainsi que d'organismes ana4robies (Desulfombr~o, De-
sulfatomaculum, Clostndium). La richesse du milieu circulant (eau douce, eau polluAe) est la
cause de la multitude des micro-organismes rencontr4s dans le biofilm
Le contenu polluant d'une eau de mer intervient comme facteur dans la formation du biofilm
il augmente la colonisation des surfaces mAtalliques et augmente de fait le biofilm [49].
L'Apaisseur du biofilm n'est pas directement liAe h la nature du substrat (acier, bois, pierre, plastique) [37j. La nature et la composition du biofilm 4voluent dans le temps et selon la
composition du mAtal [56j De Mele et al. [56j ont comparA la colonisation d'une surface d'acier
inoxydable, de verre et d'un alliage CuNife en eau de mer naturelle. Au bout de 15 jours, le biofilm ayant pris place sur l'acier et sur le verre est constituA de protozoaires, de diatomAes et de nombreuses bact4ries. Quatre semaines plus tard, des bernades iso14es se fixent, signe d'un
"macrofouling". I l'opposA et au bout de quinze yours, sur le matAriau CuNife, le biofilm est
uniquement composA de bactAries isolAes de type Vibr~o algmolyt~cus et de bactAries de type Gram positif non identifiAes. Au bout de quatre semaines, des diatomAes iso14es et des algues
N°3 CORROSION INFLUENCEE PAR LES MICRO-ORGANISMES 635
se sont fixAes sur le biofilm. Aucune bernade n'est rAvAlAe. Ces diffArences dans l'4volution et la composition du biofilm sont attribuAes h la nature toxique du cuivre, prAsent dans l'alliage.
La morphologie du biofilm change avec son hge [62j. Agostini et Young (1990) Atudiant la biocorrosion d'aciers dans un systAme d'injection d'eau, notent qu'au bout de 2 h 4 semaines,
il existe un biofilm uniforme composA d'une population mixte et prAsentant plusieurs morpho-
logies. Au bout de huit semaines, une forme filamenteuse pr4domine.
La fixation cellulaire ne semble pas Atre influencAe par le dAp6t calco-magn4sien obtenu lors de la polarisation cathodique d'un acier inoxydable 316L immergA dans l'eau de mer ou en milieu synthAtique ensemencA tous deux avec Vibr~o natriegiens [63j cependant dans le milieu synthAtique, la formation du biofilm est favonsAe alors qu'en eau de mer, la formation du dAp6t calco-magnAsien est favorisAe
La formation d'un biofilm de Pseudomonas fluorescens et de Desulfombr~o vulgar~s [64j sur
un acier doux (C1020 SAE) en milieu synthAtique interfAre avec la formation du film d'oxyde passivant. Ce film est discontinu, moins adhArent h la surface et semble Atre moins protecteur
que celui form4 en l'absence de bactAries.
2.3. AcTioN Du BIOFILM D'aprAs Videla et al. [49] l'action du biofilm est
de faire obstacle au transport des espAces chimiques nAcessaires h la passivation de la surface mAtallique
d'entrainer le dAtachement de la couche passive lorsque le biofilm se dAtache de crAer des cellules d'aAration diffArentielle
de modifier [es conditions de diffusion de l'oxygAne en agissant comme barriAre diffusio- nelle ou en consommant l'oxygAne.
Les S-E-P-, de part leur nature de polymires catiomques (polysacchar~des) :
interviennent dans la fixation initiale des cellules et dans la formation du biofilm jouent le role d'une rAsine Achangeuse d'ions et de ce fait, interviennent dans la capture
d'ions mAtalliques prAsents en solution.
Ainsi des cellules libres de Klebsiellae marina, fixent [es cations mAtalliques selon l'ordre
~ln > Cu > Ni > Fe [65]. Des cellules libres de Klebsiella aerogienes [66; 67] fixent selon l'ordre Cd, Mn > Co > Ni en prAsence des S-E-P- l'ordre est Cd > Co > Ni > Mn.
Une bactArie type "Pseudomonas" S-E-P- fixe le Cu [68] alors que Thermus sp. S-E-P fixe Cu, Mn, Cd [69]. Enfin Pedomicrobium mangamcum et P, ferrugmeum, bactAries, dAposant du fer et du manganbse en eau douce ou en eau de mer, fixent Mn [70].
Des concentrations Alev4es en fer, aluminium, manganAse et silicium et de faibles concentra- tions en chlorure sont contenues dans le biofilm formA sur un Achangeur de chaleur (Savanah
River Plant) [16]. Les teneurs en mAtaux trouvAs dans [es biofilms varient selon leur nature Tatnal [61,71] trouve peu ou pas de Mn~+, S~~ et Cl~ dans le biofilm formA h la surface d'un acier 304 ou 304L
Par ces propr~Atds fizatr~ces de mdtauz, les S-E-P- ant la capac~tA d'influencer la distribution et la prdsence des mAtaux d l'mterface mdtal corrodd~biofilm.
Elles protAgent le biofilm contre [es produits chimiques (biocides), [es virus, [es amibes, [es an- tibiotiques [58]. Une Atude concemant l'influence d'un traitement par NaCIO ou NaCIO+NaBr [72] sur la formation d'un biofilm (consortium de cinq bactAries Pseudomonas, Erwmiae,
Ac~tenobacter, B-S-R
,
Bacillus) en milieu circulant sur un acier doux (C1020) montre que [es
B.S.R., bact4nes ana4robies, peuvent se reproduire dans
un biofilm aArobie et sont capables de survivre pendant 26 heures h ces traitements.
636 JOURNAL DE PHYSIQUE III N°3
2.4. #voLuTIoN Du
BIOFILM. En milieu complexe (ex. eau de mer), l'4tablissement
du biofilm microbien (microfouling) est la premiAre (tape de la colonisation de la surface mAtallique En raison de la richesse de la flore et de la composition de l'eau de mer, il existe
une seconde (tape, le macrofouling, qui consiste en une fixation d'organismes macroscopiques tels que [es mollusques, huitres, bernades, etc. [57].
2.5. &IOYENS D'LTUDES Du BIOFILM. La caractArisation du biofilm et des bactAries peut
se faire grhce h des techniques d'observation du biofilm, des mAthodes de caractArisation des micro-organismes et des mises en Avidence de l'activit4 mAtabolique. Un certain nombre de ces
mAthodes, leur utilisation et leurs limites ont At4 rAcapitulAs par Pope [73].
2.5.1. l~tude du l~iofilm. La
microscopie optique couplAe avec des techniques biochimiques
ou immunologiques est couramment utilisAe pour la dAtection de micro-organismes [38-40, 74j.
Les techniques d'Apifluorescence permettent la numAration des bactAries. Une mAthode de numAration directe des bactAries viables (D.V.C a 4tA utilisAe par Yu et al. [75j pour (valuer l'effet des mAthodes de dAsinfection sur
un biofilm Les bactAries Klebsiella pneumomae Kp1 ont formA un biofilm sur des Achantillons en acier inoxydable. Leur mAthode a permis la num4ration des bactAries viables dans le biofilm, l'effet des biocides sur [es bactAries planctoniques a AtA
ainsi mis en Avidence.
L'observation, la rApartition h la surface d'un Achantillon, la cinAtique de formation du biofilm sont habituellement suivis par la technique de la Microscopie (lectronique h Balayage (M.E B.
[48,51, 55,76-78j. Les bact#ries, [es S-E-P- ainsi que [es produits de corrosion et [es produits non biologiques constituant le biofilm peuvent ainsi Atre observAs. Il n'est cependant pas possible d'identifier [es bactAnes, la forme de celles-ci n'Atant pas caractAnstique de leur genre. De
plus, seule la surface du biofilm est analysAe
: [es bactAries sous-jacentes, notamment celles se trouvant h l'interface mAtal/biofilm ne sont pas observables.
La Microscopie (lectronique h Transmission (M.E.T.) permet l'analyse en profondeur du biofilm [es consortiums bactAriens, [es S-E-P-, [es produits de corrosion sont observables en
coupe. La figure I montre ~un biofilm sur acier au carbone plongA dans la nappe phrAatique
de Strasbourg observA au ME-B-, la figure 2 montre une coupe observAe au M-E-T- de ce mAme biofilm, on distingue des bactAries et des produits de corrosion [52j. Aldrich et al. [79]
ont dAveloppA une mAthode qui leur permet d'observer par M-E-B- et M-E-T- des colonies de Desulfombrio desulfuricans prAs de piqfires sur un mAtal de nature n(n prAcisAe plongA
un mois dans un milieu synthAtique ensemencA. Costerton et al. [80], grici
aux observations par M-E-T
,
ont constatA l'ineflicacitA des biocides h tuer [es bactAries sessiles (notamment [es bactAries sulfato-rAductrices B.S.R.) dans u~l biofilm Apais qui constitue une barriAre protectrice pour [es bactAnes situAes en profondeur dans celui-ci.
La microscopie confocale est une technique optique de plus en plus utilisAe car elle permet d'observer le biofilm sans le dAtruire. L'image du biofilm en Apaisseur obtenue a permis h Cos- terton et al. [81j de mettre en Avidence l'existence de micro-i10ts bactAriens dont [es propriAtAs
sont dApendantes de la structure du biofilm, de ses propriAtAs de diffusion et de l'activitA phy- siologique des organismes voisins. La prAsence de canaux permettant une circulation de fluide
autour des micro-i10ts bactAriens a Agalement AtA dAmontrAe.
La technique de Microscopie h Force Atomique (A.F M.) nAcessite peu de prAparation des Achantillons biologiques et permet l'observation des bactAries et leurs exopolymAres dans leur (tat hydratA. Steele et al [82j ont utilisA cette technique pour observer la corrosion d'aciers
inoxydables (316) liAe au dAveloppement de biofilms formAs h partir de cultures de Pseudomonas aeruginosa et de Desulfimbrio gigas pures ou mixtes et d'un consortium prAlevA sur une conduite
en fonte contenant de l'eau potable. La corrosion la plus importante a AtA observAe sous forme de piqfires en prAsence du consortium.
