14.07.2020

Dr. Andrea Koerdt (mitte) und ihr Team

Dr. Andrea Koerdt (mitte) und ihr Team untersuchen, wie verschiedenste Mikroben Korrosion verursachen.

Quelle: BAM

Korrosion durch Mikroorganismen verursacht jedes Jahr weltweit Schäden in Billionenhöhe. Bislang wirkt kein Mittel dauerhaft gegen sie. Ein Team an der BAM wählt einen neuen Weg, um die winzigen Organismen zu bekämpfen. Es simuliert im Labor reale Umweltbedingungen, um die Mechanismen der Überlebenskünstler zu entschlüsseln.

Stutzig gemacht hatte Andrea Koerdt die Sache mit der Pipeline in Nigeria: Die Biologin der BAM hatte in einer Publikation gelesen, dass im Boden des westafrikanischen Landes eine Ölleitung stark korrodiert war. Dabei gab es im Erdreich um das Rohr kaum Sulfat. Die Schwefelverbindung ist der wichtigste Nährstoff von bestimmten Mikroorganismen, sogenannten Sulfatreduzierern, die gewöhnlich für ein Zerstörungswerk dieser Art verantwortlich sind.

Dem Rätsel auf der Spur

Dass Mikroben Korrosion verursachen können, wissen viele Menschen nicht, obwohl gerade diese Form der Schädigung weitverbreitet ist. An der BAM forschen gleich mehrere Teams zur mikrobiell induzierten Korrosion, kurz MIC. Mikroben sind Einzeller, die mit dem bloßen Auge nicht zu erkennen sind. Abermillionen verschiedene Spezies gibt es - dazu zählen Bakterien und Archaea, aber auch bestimmte Pilze. Mikroben können Oberflächen auf zweierlei Art schädigen: Entweder fressen sie regelrechte Krater und Löcher in das Material, indem sie ihm Elektronen oder auch ganze Atome entziehen, oder sie produzieren durch ihren Stoffwechsel chemische Verbindungen, die im Zusammenspiel mit anderen Substanzen die Flächen, auf denen sie siedeln, angreifen. Sie entfalten ihr subtiles Zerstörungswerk im Kleinen – mit fatalen Folgen für das große Ganze: Sie attackieren Abwasserleitungen aus Beton, nagen Löcher in Dieseltanks, zersetzen die Fundamente von Windkraftanlagen. Kein Material, sei es aus Metall, Kunststoff oder Glas, ist vor ihnen sicher.

Jahr für Jahr bewirken die Einzeller so einen volkswirtschaftlichen Schaden, den die New Yorker World Corrosion Organization für die Industrieländer auf bis zu drei Prozent des Bruttosozialprodukts schätzt. Das wäre allein für Deutschland ein hoher Milliardenbetrag. Weltweit sollen die Kosten bei 3,3 Billionen Dollar liegen. Forscher*innen Bekämpfen lassen sich Mikroben mit toxischen Bioziden. Sie entwickeln Oberflächen, auf denen das Wasser abperlt, welches die Einzeller für ihren Haushalt dringend benötigen. „Doch Mikroben sind Überlebenskünstler“, sagt Andrea Koerdt. „Sie passen sich rasch den erschwerten Umweltbedingungen an.“

Noch etwas war der Biologin aufgefallen, als sie die Fallstudie über die Pipeline in den Ölfeldern Nigerias las: In den Erdschichten um die Rohrleitung wurden zwar keine Sulfatreduzierer nachgewiesen, die Stahl so gefährlich zusetzen können. Dafür aber hatte man Methanogene aufgespürt – anaerobe Einzeller, die allenfalls als moderat korrosiv gelten. Sollten diese Underdogs aus dem Reich der Mikroben für den desaströsen Lochfraß verantwortlich sein?

Ölpipeline und Mikroben

Auch Ölpipelines sind vor Mikroben nicht sicher: Einige Mikroben (gelb eingefärbt) können sogar Stahl zerfressen.

Quelle: BAM

Mikroben verstehen lernen

Andrea Koerdt entschloss sich, einen ganz neuen Weg im Kampf gegen Korrosion zu wählen: Sie wollte zunächst ganz grundsätzlich verstehen, wie Mikroben überhaupt funktionieren – um dann in einem zweiten Schritt Gegenmittel zu entwickeln. „Meine Strategie ist es, herauszufinden, wie Mikroorganismen etwas machen und warum“, erklärt sie. Um die Korrosionsrate, also die Gefährlichkeit eines Einzellers, zu klassifizieren, geht man bislang so vor: Kulturen des Bakteriums kommen zusammen mit einem Metallplättchen in eine Serumflasche. Nach einigen Wochen wird das Gefäß wieder geöffnet und das Metallstück gewogen. Aus dem Gewichtsverlust wird die Korrosionsrate des Mikroorganismus ermittelt.

Sulfatreduzierer etwa kommen so auf eine Rate von 0,7 Millimetern pro Jahr – sie würden also ein Rohr mit der Wandstärke von einem Zentimeter in rund 14 Jahren völlig zerfressen. Dieses Vorgehen, so glaubt Andrea Koerdt, ist mit zwei Fehlannahmen behaftet. Erstens: Mikroben entfalten ihr Zerstörungswerk nicht gleichmäßig. Sie können an einigen Stellen tiefe Krater ins Metall nagen, während sie andere Partien gänzlich unberührt lassen. Die Korrosionsrate bildet also ihr destruktives Potenzial nicht wirklichkeitsgetreu ab. Zweitens: Die Natur ist kein abgeschlossenes System, in ihr steht alles miteinander in Wechselwirkung.

Die Umwelt in einer Glassäule

Andrea Koerdt wählte deshalb einen anderen Versuchsaufbau, um die realen Umweltbedingungen im Labor zu simulieren: Sie befüllte eine etwa 20 Zentimeter hohe Glassäule schichtweise mit Kügelchen aus Metall und Glas. Dann gab Koerdt Kulturen eines Methanogens hinzu, jenen Außenseitern aus der Welt der Mikroben, denen man lediglich eine niedrige Korrosionsrate von maximal 0,06 Millimetern pro Jahr zuschreibt und die um die Pipeline in Nigeria nachgewiesen worden waren. Eine Zuleitung und ein Abfluss an der Glassäule erlaubten es Andrea Koerdt, den pH-Wert in dem kleinen Umweltsystem zu verändern. Zudem stauten sich in ihm nicht mehr Nährstoffe und Stoffwechselprodukte an, sondern sie konnten fortgespült werden – so wie in der freien Natur. Schon nach wenigen Wochen zeigte sich ein erstaunliches Resultat: Die durchschnittliche Korrosionsrate des Methanogens war auf gut 0,16 Millimeter in die Höhe geschnellt – fast eine Verdreifachung. Der Spitzenwert lag sogar bei rund 0,34 Millimetern.

Glassäulen sowie korrodierte und unkorrodierte Stahlkugeln

Links: Die Glassäulen simulieren reale Umweltbedingungen. Rechts: Korrodierte und unkorrodierte Stahlkugeln im Vergleich

Quelle: BAM

Nun war der Ehrgeiz der BAM-Biologin geweckt: Sie versuchte, die Korrosionsrate weiter zu steigern, änderte den pH-Wert erneut, modifizierte die Salzkonzentration und die Temperatur. Sie fügte dem flüssigen Medium, das sie durch die Säule leitete, Spurenelemente in unterschiedlichen Konzentrationen und Zusammensetzungen hinzu. Und so trieb sie die Rate eines anderen Methanogens um beinahe das Achtfache in die Höhe. „Das hätte man dem Einzeller nicht zugetraut“, sagt Koerdt heute. „Und wir sind noch lange nicht am Ende mit unseren Versuchen: Je mehr wir darüber wissen, wie Mikroben funktionieren, umso leichter wird es sein, in Zukunft Mittel gegen sie zu finden“, so die BAM-Biologin. Vielleicht wird es mit den Erkenntnissen aus ihren Versuchen eines Tages möglich sein, Metalllegierungen zu entwickeln, die besser gegen Lochfraß gefeit sind.

Andrea Koerdt plant, in ihren Glassäulen auch Materialien aus dem 3D-Drucker auf ihre Korrosionsanfälligkeit zu prüfen – ein noch weitgehend unerforschtes Feld. Sie möchte internationale Kooperationen knüpfen und ein Netzwerk mit der Industrie aufbauen, um künftig realitätsgetreuere Testverfahren anzubieten. Das Ziel ist, so irgendwann Pipelines wie die in Nigeria wirksam gegen Mikroben zu schützen.