# Corrosion localisée des aciers au carbone induite par des bactéries sulfato-réductrices. Développement d'un capteur spécifique.

Nicolas Monfort Moros

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Nicolas Monfort Moros. Corrosion localisée des aciers au carbone induite par des bactéries sulfato-réductrices. Développement d'un capteur spécifique. Chimie. Université Pierre et Marie Curie (Paris 6), 2001. Français. NNT: 2001PA066343. tel-04139077

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THESE de DOCTORAT de l'UNIVERSITE PARIS VI

Spécialité :

Electrochimie

Présentée par :

M. Nicolas MONFORT MOROS

pour obtenir le grade de DOCTEUR de l'UNIVERSITE PARIS VI

Sujet de la thèse :

Corrosion localisée des aciers au carbone
induite par des bactéries sulfato-réductrices.
Développement d'un capteur spécifique.

soutenue le 16 novembre 2001

devant le jury composé de :

M. Christian FIAUD, Professeur à l'Université de Paris VI, Président du Jury

M. Alain BERGEL, Directeur de Recherche au CNRS de Toulouse, Rapporteur

M. Günter SCHMITT, Professeur à la Märkische Fachhochschule d'Iserlohn, Rapporteur

M. Dominique FESTY, Ingénieur de Recherche à IFREMER Brest, Examinateur

M. Rémy MARCHAL, Ingénieur de Recherche à IFP Rueil-Malmaison, Examinateur

M. Dominique THIERRY, Professeur au Swedish Corrosion Institute de Stockholm, Examinateur

M. Bernard TRIBOLLET, Directeur de Recherche au CNRS Paris VI, Directeur de Thèse
à mes parents

à mes sœurs
Remerciements

Ce travail est le résultat d'une collaboration entre le Laboratoire de Physique des Liquides et Electrochimie (LPLE) – U.P.R. 15 du C.N.R.S., le Département de Microbiologie de l'Institut Français du Pétrole (IFP) et le Service Matériaux et Structures de l'Institut Français de Recherche pour l'Exploitation de la MER (IFREMER).

Les recherches ont été alors réalisées dans ces différents laboratoires : Paris, Rueil-Malmaison et Brest n'ont désormais plus de secrets pour moi.

Je tiens tout d'abord à remercier Monsieur Michel KEDDAM, directeur du LPLE, pour m'avoir accueillir au sein de son laboratoire. Ces remerciements s'adressent également à Monsieur Daniel BALLERINI, chef du Département de Microbiologie de l'IFP, qui m'a permis d'accéder au travail de microbiologiste dans les locaux des Clématites.

Mes sincères et profonds remerciements vont à Monsieur Bernard TRIBOLLET, mon directeur de thèse au LPLE, qui a fait preuve de disponibilité et d'attention tout au long de mon travail. Merci pour les conseils, les encouragements et les critiques qui me permettront de mieux appréhender mes prochaines responsabilités professionnelles.

Je tiens également à remercier Monsieur Rémy Marchal (IFP) pour ses connaissances en microbiologie, et Monsieur Dominique FESTY (IFREMER) pour son soutien et toutes les conversations téléphoniques fructueuses que nous avons eues tout au long de ce travail.

Toute ma reconnaissance va à Monsieur Alain BERGEL, Directeur de Recherche à l'Université Paul SABATIER de Toulouse et à Monsieur Günter SCHMITT de la Märkische Fachhochschule d'Iserlohn, qui m'ont fait l'honneur d'analyse ce travail et d'en être les rapporteurs.

Que Messieurs Christian FIAUD, professeur à l'Université de Paris VI, et Dominique THIERRY, Professeur au Swedish Corrosion Institute de Stockholm, trouvent ici l'expression de ma reconnaissance pour avoir accepté de participer au jury.

Enfin, je tiens à remercier tous ceux que j'ai eu l'occasion de côtoyer durant ces trois années ; je ne peux cependant tous les citer, et veux que les personnes omises ne considèrent pas ce geste comme une négligence.

Au LPLE, je tiens à remercier François H. et Ricardo N. pour leurs précieux conseils en bruit électrochimique, Stephan B. pour ses analyses en Microscopie Electronique, Véronique M., Karine G. et surtout Isabelle C. pour leur bonne humeur et leur disponibilité de tous les jours. Merci à vous tous et à toutes les personnes qui ont pris de leur temps pour m'aider dans les moments difficiles.
Je remercie grandement Véronique B., Bernard C. et Michel W. de l'IFP pour m'avoir
patiemment appris le travail de microbiologiste : que de questions posées ! Je n'oublierai pas
Isaura O., Martine B., Monia D. et Yann L.P. pour leur soutien permanent, et Marcel R. pour
sa bonne humeur matinale.

Merci enfin aux personnes rencontrées au cours de mes déplacements à Brest : Florence M., Chantal C., Luc R., Peter D., Nicolas L., Michel P. et Bertrand F. Bien que nos rencontres aient été brèves, votre accueil m'a fait apprécier l'atmosphère marine.

Une pensée particulière à mes amis thésards, Céline, Agnès, Sophie, Jean, René et Alan, en leur transmettant tous mes vœux de réussite pour l'avenir. Une pensée également pour tous les stagiaires que j'ai pu rencontrer lors de ces trois années, pour leurs courriers électroniques humoristiques et leur présence lors des mauvaises passes.

Je suis conscient d'oublier des noms : sachez que je garde à l'esprit toutes les personnes que
j'ai pu rencontrer au cours de mon travail. J'adresse aux 'oubliés' un remerciement
particulier.

Pour finir, toutes mes pensées vont à mes parents et à mes sœurs qui m'ont permis d'arriver
jusque là et qui n'ont cessé de croire en moi : merci, merci, merci.
# Glossaire

**Abiotique** : en absence d'activité biologique.

**Aérobie** : se dit d'un organisme qui nécessite de l'oxygène dans son métabolisme ou d'un environnement contenant de l'oxygène.

**Anaérobie** : se dit d'un organisme qui ne nécessite absolument pas d'oxygène dans son métabolisme ou d'un environnement dépourvu d'oxygène.

**Anode** : électrode où une réaction d'oxydation se déroule. La dissolution du métal est un processus anodique et les électrons sont donnés à la cathode, se déplaçant à travers le circuit externe alors que les ions métalliques rentrent dans la solution.

**Autotrophe** : se dit d'un organisme capable d'utiliser le dioxyde de carbone comme seule source de carbone.

**Bactérie** : micro-organisme procaryote constitué d'une membrane cellulaire sans un noyau parfaitement défini.

**Bactérie facultative** : organisme capable de se développer en présence ou en absence d'un certain facteur environnemental (par exemple les bactéries aérobies facultatives).

**Bactérie obligatoire** : organisme nécessitant un certain facteur environnemental pour sa croissance. **Antonyme** : facultative.

**Bactéries Sulfato-Réductrices (BSR)** : variété diversifiée de micro-organismes hétérotrophes caractérisés par leur réduction métabolique du sulfate en sulfure ou en hydrogène sulfuré.

**Biocide** : composé toxique capable d'arrêter ou de retarder la croissance bactérienne.

**Biocorrosion** : tout type de corrosion causé ou influencé par les micro-organismes ou leurs métabolites.

**Biofilm** : matrice gélatineuse de cellules microbiennes, de substances polymériques extracellulaires (SPE) composées de polysaccharides, de forte hydration (90% du poids) et de détritus inorganiques.

**Biofouling** : dépôts de nature biologique sur une surface.

**Biotique** : en présence d'activité biologique. **Antonyme** : abiotique.

**Cathode** : une des électrodes d'une cellule électrochimique sur laquelle une réduction se déroule. Les électrons produits à l'anode circulent vers la cathode à travers le circuit externe. Dans la corrosion, deux réactions cathodiques majeures sont la décharge du proton (à bas pH) et la réaction de l'oxygène (à pH neutre ou faiblement alcalin). Les micro-organismes peuvent procurer des réactions alternatives telles que la réduction de l'hydrogène sulfuré (par exemple les BSR).

**Cellule d'aération différentielle** : une cellule de concentration où la force motrice est due à la différence de concentration en oxygène dans le milieu.

**Cellule de concentration** : un type de cellule de corrosion où la force motrice vient de la différence dans la concentration d'un réactif (par exemple la cellule de concentration à oxygène).

**Cluster** : amas compact constitué d'une ou plusieurs entités microbiologiques.
**Colonie** : population de cellules se développant sur un milieu solide et étant issue d'une seule cellule.

**Comportement actif** : une électrode métallique qui se corrode facilement dans un milieu agressif. **Antonyme** : comportement passif.

**Consortium** : groupement d'entités microbiologiques dans lequel l'interaction des différents métabolismes participe au développement et à la croissance des espèces vivantes.

**Contaminant** : matériel indésirable dans un milieu.

**Corrosion** : détérioration d'un métal par réaction avec l'environnement.

**Corrosivité** : capacité d'un environnement à provoquer la corrosion sur une certaine surface de métal.

**Dépolarisation** : suppression des facteurs diminuant la vitesse d'une réaction électrochimique (par exemple, la dépolarisation cathodique).

**Electrolyte** : milieu conducteur (habituellement un liquide) d'une cellule électrochimique contenant les ions qui migrent dans un champ électrique.

**Enzyme** : catalyseur organique des réactions biochimiques dans les organismes vivants.

**Exopolymère** : matériau extracellulaire produit par les micro-organismes pour définir sa forme, pour s'accrocher à des surfaces solides ou pour piéger des nutriments.

**Hétérotrophe** : organisme capable d'utiliser le carbone présent dans les composés organiques.

**Métabolisme** : série complexe de réactions biologiques (soit anaboliques soit cataboliques) prenant place dans les cellules vivantes.

**Métabolite** : substance chimique produite par une cellule vivante à travers les réactions métaboliques catalysées par des enzymes.

**Micro-organisme** : dénomination généralement utilisée pour un organisme unicellulaire des règnes animal et végétal.

**Milieu de culture** : solution de nutriments organiques et inorganiques en concentrations adéquates pour faciliter la croissance des micro-organismes en laboratoire.

**Passivation** : une réduction de la vitesse de corrosion due à la formation d'un film protecteur sur la surface métallique.

**Piqûre** : type de corrosion localisée confiné à des zones restreintes en pénétrant ou en perforant l'épaisseur du métal.

**Planctonique** : se dit de micro-organismes circulant librement dans un milieu en mouvement.

**Polarisation** : transformation imposée dans le potentiel d'une électrode à partir de son potentiel de corrosion. La polarisation peut être cathodique (dans la direction négative ou active) ou anodique (dans la direction positive ou ennoblissante).

**Potentiel de corrosion ou potentiel libre** : potentiel d'un métal se corroding librement dans un milieu, mesuré par rapport à une électrode de référence appropriée.

**Protection cathodique** : méthode de protection contre la corrosion basée sur la réduction de la vitesse de corrosion par l'application d'un courant cathodique externe au métal pour déplacer son potentiel vers un potentiel moins oxydant.

**Résistance de corrosion** : capacité d'un métal à résister à la corrosion dans un milieu agressif.
Sessile : organisme attaché à une surface généralement à travers la production de substances polymériques extracellulaires (SPE). Antonyme : planctonique.

Souche : population microbienne de cellules génétiquement identiques.

Stérile : tout matériau dépourvu d'organismes vivants.

Substrat : matériel dans lequel un micro-organisme est inoculé ou se développe (par exemple, un milieu de culture, une surface solide).

Thermophile : micro-organisme capable de se développer à des températures supérieures à 50°C.

Vitesse de corrosion : vitesse à laquelle la réaction de corrosion se déroule sur la surface d'un métal exprimée soit en perte de poids, soit en flux de courant électrochimique ou en pénétration par unité de temps.
# SOMMAIRE

## INTRODUCTION GENERALE.................................................................................................................. 1

## PARTIE 1 : DEVELOPPEMENT D'UN CAPTEUR POUR LE SUIVI DE LA BIOCORROSION DES ACIERS AU CARBONE EN PRESENCE DE BACTERIES SULFATO-REDUCTRICES.................................................................................................................. 4

### CHAPITRE 1 : INTRODUCTION BIBLIOGRAPHIQUE A LA BIOCORROSION DES ACIERS AU CARBONE .... 5

#### 1.A - Définition électrochimique de la corrosion ........................................................................ 5

##### 1.A.1 - Le biofilm et ses interactions........................................................................................................ 6

###### 1.A.1.a - Formation de biofilm dans l'eau de mer.................................................................................. 8

###### 1.A.1.b - Structure du biofilm ........................................................................................................................ 9

###### 1.A.1.c - Techniques innovantes pour l'observation de biofilm................................................................ 10

###### 1.A.1.d - Le biofilm et ses effets .................................................................................................................. 11

##### 1.A.2 - Etat de l'art sur la biocorrosion, phénomène électrochimique localisé........................................ 15

###### 1.A.2.a - Les micro-organismes associés aux processus de biocorrosion.................................................. 15

###### 1.A.2.b - Cas particulier : Biocorrosion de l'acier au carbone dans des environnements anaérobies .................... 18

#### 1.B - Moyens de détection pour une recherche en laboratoire ou pour une application industrielle.................................................................................................................. 26

##### 1.B.1 - Méthodes électrochimiques pour évaluer la biocorrosion en laboratoire........................................ 26

###### 1.B.1.a - Potentiel libre ou potentiel de corrosion .................................................................................. 27

###### 1.B.1.b - Méthodes de polarisation en courant direct ........................................................................ 29

###### 1.B.1.c - Méthode en courant alternatif : la Spectroscopie à Impédance Electrochimique (SIE) .................... 31

###### 1.B.1.d - Analyse du bruit électrochimique................................................................................................. 32

###### 1.B.1.e - Technique de la bi-électrode........................................................................................................ 33

##### 1.B.2 - Détecter la biocorrosion dans un contexte industriel ........................................................................ 34

###### 1.B.2.a - Détection du biofilm par des méthodes électrochimiques................................................................. 35

###### 1.B.2.b - Détection du biofilm par des moyens physiques et/ou biologiques................................................ 40

### CHAPITRE 2 : BIOCORROSION AMORCEE ARTIFICIELLEMENT ET INVESTIGATIONS EN CONDITIONS STATIONNAIRES.................................................................................................................. 44

#### 2.A - Introduction aux mesures de biocorrosion amorcée artificiellement ........................................ 44

##### 2.A.1 - Notion de couplage galvanique ........................................................................................................ 44

##### 2.A.2 - Description du capteur de Biocorrosion à Electrodes Concentriques : le capteur BEC........................................ 45

##### 2.A.3 - Description du montage électrochimique .................................................................................. 48

###### 2.A.3.a - Suivi du courant de corrosion et des potentiels ........................................................................ 48

###### 2.A.3.b - Courbes courant/tension.................................................................................................................. 49

##### 2.A.4 - Description de la partie microbiologique.................................................................................. 50

###### 2.A.4.a - Montage microbiologique et paramètres de culture........................................................................ 51

###### 2.A.4.b - Contrôle des paramètres de culture .................................................................................. 54
<table><tbody><tr><td>2.A.5 - Description des réalisations d'expériences de biocorrosion</td><td>56</td></tr><tr><td>2.A.5.a - Développement du biofilm</td><td>56</td></tr><tr><td>2.A.5.b - Amorçage électrochimique de biocorrosion</td><td>57</td></tr><tr><td>2.A.5.c - Détection de la biocorrosion</td><td>58</td></tr><tr><td>2.A.6 - Description des méthodes d'analyses appliquées au cours des expériences de biocorrosion</td><td>59</td></tr><tr><td>2.B - Cas de la corrosion amorcée électrochimiquement</td><td>60</td></tr><tr><td>2.B.1 - Amorçage électrochimique de corrosion localisée en conditions biotiques</td><td>60</td></tr><tr><td>2.B.2 - Amorçage électrochimique de corrosion localisée en conditions abiotiques</td><td>63</td></tr><tr><td>2.B.3 - Corrosion amorcée électrochimiquement : courbes courant/tension, observations par MEB et dosages des espèces chimiques</td><td>65</td></tr><tr><td>2.B.3.a - Courbes courant/tension</td><td>65</td></tr><tr><td>2.B.3.b - Dosage des espèces chimiques</td><td>68</td></tr><tr><td>2.B.3.c - Observation par MEB</td><td>70</td></tr><tr><td>2.C - Cas de la corrosion amorcée mécaniquement</td><td>75</td></tr><tr><td>2.C.1 - Introduction</td><td>75</td></tr><tr><td>2.C.2 - Amorçage mécanique de la biocorrosion</td><td>75</td></tr><tr><td>2.C.3 - Amorçage mécanique de la corrosion localisée en conditions biotiques</td><td>76</td></tr><tr><td>2.C.4 - Amorçage mécanique de la corrosion localisée en conditions abiotiques</td><td>78</td></tr><tr><td>2.C.5 - Corrosion amorcée mécaniquement : courbes courant/tension, observations par MEB et dosages des espèces chimiques</td><td>80</td></tr><tr><td>2.C.5.a - Courbes courant/tension</td><td>80</td></tr><tr><td>2.C.5.b - Dosage des espèces chimiques</td><td>83</td></tr><tr><td>2.C.5.c - Corrosion induite par méthode mécanique MEB</td><td>84</td></tr><tr><td>2.D - Discussion et conclusions sur les expériences de biocorrosion amorcée artificiellement</td><td>88</td></tr></tbody></table>

CHAPITRE 3 : OPTIMISATION DU CAPTEUR ET DES PARAMETRES EXPERIMENTAUX 91

3.A - Simultanéité pour la formation du biofilm et du conditionnement 91

3.B - Durée et intensité du courant de conditionnement. 93

3.B.1 - Pulse électrochimique 93

3.B.2 - Conditionnement de courte durée 95

3.B.3 - Conditionnement de forte intensité 96

3.B.4 - Pas de conditionnement 97

3.C - Influence de la géométrie du capteur de corrosion 98

3.C.1 - Utilisation du capteur SBEC 100

3.C.2 - Utilisation du capteur CBEC 101

3.D - Réponse en courant de biocorrosion fonction de l'activité bactérienne 102

3.D.1 - Conditions abiotiques : que choisir ? 102

3.D.2 - Mise en évidence d'une participation bactérienne pour la biocorrosion 103

3.D.2.a - Injection d'un biocide organique : le glutaraldéhyde 103

3.D.2.b - Injection d'un biocide inorganique : l'hypochlorite de sodium ou eau de Javel 104

3.D.3 - Influence de la concentration en substrat sur le courant de corrosion 106

3.E - Conclusions 108

3.F - Application du capteur BEC pour un suivi de biocorrosion en environnement industriel 109
# PARTIE 2: ETUDE FONDAMENTALE DE LA BIOCORROSION PAR UTILISATION DU CAPTEUR A ELECTRODES CONCENTRIQUES .................................................... 111

## CHAPITRE 4: CARTOGRAPHIE DE DENSITE DE COURANT .................................................................................................................. 112

### 4.A - Introduction aux mesures de cartographies sur coupon métallique unique .................................................... 113

### 4.B - Descriptif de la méthode .................................................................................................................................................... 114

#### 4.B.1 - La sonde de mesure à micro-électrodes : la sonde MME.................................................................................... 114

#### 4.B.2 - Montage expérimental de cartographie de densité de courant .................................................................................... 116

### 4.C - Résultats de mise au point .................................................................................................................................................... 121

#### 4.C.1 - Etude qualitative des mesures lors d'une cartographie par sonde à micro-électrodes................................................ 122

##### 4.C.1.a - Polarité du signal de densité de courant en sortie de chaîne de mesure .................................................... 122

##### 4.C.1.b - Milieu anaérobie ou aérobie, choix du métal pour une sonde MME ................................................................. 122

#### 4.C.2 - Etude quantitative des mesures lors d'une cartographie par sonde MME................................................................. 124

##### 4.C.2.a - Stabilité de réponse d'une sonde MME à Ag/AgCl .................................................................................... 124

##### 4.C.2.b - Influence du niveau de base sur les mesures de densité de courant ................................................................. 124

### 4.D - Cartographies pour un amorçage mécanique de biocorrosion sur un coupon métallique .................................................... 127

#### 4.D.1 - Conditions expérimentales .................................................................................................................................................... 127

#### 4.D.2 - Résultats de biocorrosion amorcée artificiellement .................................................................................... 128

### 4.E - Conclusions.................................................................................................................................................................................... 132

## CHAPITRE 5: ETUDE PAR SPECTROSCOPIE D'IMPEDANCE ELECTROCHIMIQUE .................................................... 134

### 5.A - Introduction aux mesures d'impédance électrochimique .................................................................................... 135

### 5.B - Descriptif de la méthode .................................................................................................................................................... 137

### 5.C - Résultats d'impédance pour une biocorrosion avec conditionnement électrochimique .................................... 139

### 5.D - Résultats d'impédance électrochimique pour une expérience de biocorrosion avec grattage mécanique .................................................................................................................................................................................... 145

### 5.E - Résultats d'impédance électrochimique pour une expérience de biocorrosion avec grattage mécanique sur un coupon métallique unique .................................................................................................................... 149

### 5.F - Conclusions.................................................................................................................................................................................... 153

## CHAPITRE 6: ANALYSE DU BRUIT ELECTROCHIMIQUE .................................................................................................................... 154

### 6.A - Introduction aux mesures de bruit électrochimique .................................................................................... 155

### 6.B - Descriptif de la méthode .................................................................................................................................................... 157

### 6.C - Résultats préliminaires pour une biocorrosion amorcée artificiellement sur un capteur BEC en conditions biotiques et abiotiques .................................................................................................................... 161

### 6.D - Analyse du bruit électrochimique généré lors d'expériences de biocorrosion amorcée artificiellement en conditions biotiques.................................................................................................................... 162

#### 6.D.1 - Biocorrosion amorcée électrochimiquement sur capteur BEC .................................................................................... 163

#### 6.D.2 - Biocorrosion amorcée mécaniquement sur capteur BEC.................................................................................... 165

#### 6.D.3 - Biocorrosion amorcée mécaniquement sur un coupon métallique unique .................................................... 168
<table><tr><td>6.E - Conclusions</td><td>172</td></tr><tr><td>CONCLUSIONS GENERALES</td><td>174</td></tr><tr><td>REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES, LISTE DES SYMBOLES ET ABREVIATIONS, LISTE DES FIGURES ET TABLEAUX</td><td>177</td></tr></table>
INTRODUCTION

GENERALE
Lorsqu'un substrat métallique, un milieu liquide et une entité bactérienne sont présents simultanément, les conditions nécessaires à l'établissement d'un processus de biocorrosion sont réunies mais ne sont pas suffisantes pour que ce phénomène s'amorce et se développe. Pourtant, la corrosion influencée microbiologiquement est une préoccupation majeure pour les industries : en 1990, au Congo, le percement spectaculaire d'un pipe-line d'une épaisseur de 10 mm en moins d'un an impliquait des micro-organismes de type bactérien.

Pour contrer cette corrosion, l'utilisation de matériaux onéreux et la mise en œuvre de traitements anti-bactériens et anti-corrosifs sont habituellement les seules solutions envisagées. Le coût d'exploitation en est alors fortement augmenté pour un phénomène qui reste cependant statistiquement nul : compte tenu des surfaces disponibles sur une structure métallique, les sites potentiels et favorables au développement de cette corrosion ne représentent qu'un pourcentage infime. Aussi, les moyens mis en œuvre pour éviter la propagation d'une corrosion aussi discrète semblent surdimensionnés. Le moyen le plus pratique consisterait à développer une instrumentation dont les objectifs seraient de détecter mais surtout d'évaluer la biocorrosion dans une installation industrielle. C'est ce que propose le travail suivant par l'utilisation d'un capteur à électrodes concentriques et par la définition d'un protocole opératoire associé. L'objectif est également de pouvoir utiliser ce capteur pour une recherche fondamentale.

La première partie du manuscrit permet d'introduire les concepts relatifs à la biocorrosion et de conduire au développement d'un capteur. Ces différents points sont exprimés dans les chapitres suivants :

- Chapitre 1 : les principes de bases de l'électrochimie, de la microbiologie et du chevauchement de ces deux domaines, la biocorrosion, seront donnés à travers une introduction bibliographique. Dès lors, les méthodes mises en œuvre tant pour une investigation en laboratoire que pour un suivi en environnement industriel seront précisées.

- Chapitre 2 : les points principaux abordés au cours de ce chapitre consisteront à concevoir un capteur de biocorrosion et à définir le protocole opératoire en vue d'une utilisation industrielle. Ainsi, deux méthodes d'amorçage de biocorrosion seront décrites, les avantages et les inconvénients étant mis en évidence dans chaque cas.

- Chapitre 3 : une optimisation des méthodes mises en œuvre est réalisée par l'étude des paramètres expérimentaux appliqués au capteur. Les variations dans l'application du
protocole opératoire lié au capteur et dans la géométrie de ce dernier, mais également la participation des micro-organismes permettront de conclure sur la validité du capteur pour un suivi de biocorrosion.

La seconde partie du manuscrit est entièrement dédiée à la recherche fondamentale par utilisation du capteur développé. Les chapitres développés traiteront des différentes méthodes d'investigation électrochimique. Ces dernières sont :

- Chapitre 4 : la cartographie de densité de courant pour la localisation des zones anodiques et cathodiques sur une surface métallique, siège d'une biocorrosion. La répartition spatiale et la quantification du courant de biocorrosion seront par conséquent les paramètres étudiés.

- Chapitre 5 : la Spectroscopie d'Impédance Electrochimique pour étudier le mécanisme réactionnel régissant la corrosion influencée microbiologiquement. Cette technique sera dans un premier temps adaptée au travail en milieu biologique puis présentera les résultats pertinents à la compréhension du phénomène.

- Chapitre 6 : l'Analyse du Bruit Electrochimique, mettant en évidence les événements élémentaires de corrosion par traitement statistique des enregistrements consécutifs aux expériences de biocorrosion. La participation microbiologique et l'influence des paramètres expérimentaux sur le processus de biocorrosion constitueront les points d'étude de ce chapitre.

Les points essentiels émergeant de ce travail seront alors énoncés dans une conclusion générale. Ils concerneront la mise au point et la validité du capteur de biocorrosion développé, ainsi que son application pour un suivi de détérioration par corrosion influencée microbiologiquement en milieu industriel ou pour une investigation fondamentale en laboratoire.

Avant d'aborder les principes de base qui seront nécessaires à la compréhension du phénomène de biocorrosion, il est rappelé que l'étude ne concerna que la corrosion influencée microbiologiquement sur les aciers au carbone par des bactéries anaérobies sulfurogènes en milieu salin biotique : les trois éléments nécessaires à la biocorrosion sont ainsi mis en présence les uns avec les autres.
PARTIE 1 :

développement d'un capteur pour le
suivi de la biocorrosion des aciers au
carbone en présence de bactéries
sulfato-réductrices
# CHAPITRE 1 : INTRODUCTION BIBLIOGRAPHIQUE A LA BIOCORROSION DES ACIERS AU CARBONE

## 1.A - Définition électrochimique de la corrosion

La corrosion aqueuse de tout métal est de nature électrochimique, liée à la structure atomique et électrique de la matière. La phase métallique est constituée d'un empilement compact rigide d'ions métalliques M, le réseau cristallin. Des électrons libres, se comportant comme un gaz baignant les ions immobiles du réseau cristallin (les électrons de conduction), sont libres de se déplacer n'importe où dans le volume du métal.

Les ions métalliques M sont des constituants à la fois de la phase métallique et de la phase aqueuse. A l'interface entre les deux phases, ils peuvent passer de l'une à l'autre. Ce transfert correspond à un transport de charges électriques et donc à un courant électrique circulant d'une phase à l'autre.

En revanche, les électrons libres ne sont pas des constituants de la phase aqueuse. Un électron libre ne peut donc pas passer directement dans cette phase mais ne peut le faire que s'il est fixé sur une des particules élémentaires de la phase aqueuse qui verra alors sa charge électrique diminuée d'une charge élémentaire. Là encore, ce transfert de charges correspond à un courant électrique passant de l'une à l'autre phase.

En électrochimie, on appelle par définition 'courant anodique' un courant circulant dans le sens métal/solution, et 'courant cathodique' un courant circulant en sens inverse. Les réactions anodiques correspondent en terme de chimie à des oxydations et les réactions cathodiques à des réductions. La corrosion d'un métal en milieu aqueux peut donc être résumée par les deux réactions partielles, anodiques et cathodiques :

Réaction anodique (oxydation du métal) :

$$ (M)_{\text{métal}} \rightarrow (M^{n+})_{\text{solution}} + n e^{-} $$

Réactions cathodiques (réduction d'un composé du milieu aqueux) :

$$ O_2 + 2 H_2O + 4 e^{-} \rightarrow 4 HO^{-} \text{ en milieu aérobie} $$

$$ 2 H^{+} + 2 e^{-} \rightarrow H_2 \text{ en milieu acide} $$

$$ 2 H_2O + 2 e^{-} \rightarrow H_2 + 2 HO^{-} \text{ en milieu basique} $$

Dans des conditions dites favorables, la présence de micro-organismes vient perturber l'une des réactions cathodique ou anodique (ou les deux). Fondamentalement, la corrosion
bactérienne est donc de nature électrochimique et ne constitue de ce fait pas une forme différente des autres types de corrosion.

Il est donc primordial de savoir comment ces micro-organismes peuvent influencer ces réactions électrochimiques. La première étape réside en l'établissement d'un environnement adéquat et favorable à la croissance bactérienne : ce point est développé dans le chapitre suivant.

## 1.A.1 - Le biofilm et ses interactions

Le 'fouling' se définit par la formation indésirable de dépôts sur les structures industrielles, avec une réduction importante dans leurs performances et/ou leur durée de vie. Dans de nombreux environnements industriels, plusieurs types de fouling peuvent être observés : un fouling biologique (biofouling), de corrosion, particulaire et de précipitation.

Les foulings biologiques et de corrosion résultent de l'adhésion de micro-organismes sur les surfaces métalliques enrobés dans une matrice organique gélatineuse appelée biofilm. Un biofilm est donc le résultat d'une accumulation en surface qui n'est pas nécessairement uniforme dans le temps ou l'espace (Characklis et al., 1990a).

L'interaction entre les surfaces métalliques et l'environnement est alors modifiée non seulement dans les processus de biodégradation comme la corrosion, mais aussi dans plusieurs processus biologiques appliqués au traitement et à la récupération des matériaux. Ces processus sont de plus influencés par l'accumulation de substances polymériques extracellulaires (SPE) principalement constituées de polysaccharides. Ces substances sont produites par des contaminateurs microbiens capables de se développer dans le milieu pauvre en nutriments (Costerton et al., 1978).

L'accumulation de biofilm est le résultat final de plusieurs processus physiques, chimiques et biologiques qui se déroulent séquentiellement :

* les molécules organiques sont transportées du milieu vers le substrat où certaines d'entre elles sont adsorbées à la surface ;

* des cellules planctoniques sont transportées du milieu à la surface conditionnée par adsorption organique ;

* une fraction des cellules transportées s'adsorbe sur la surface conditionnée et se désorbe (adsorption réversible) ;

* la désorption est dépendante des forces engendrées par l'écoulement du milieu, mais également d'autres facteurs physiques, chimiques et biologiques qui peuvent influencer le processus de désorption ;
* une fraction des cellules est capable de rester adsorbée à la surface après un temps de résidence critique, conduisant à une adsorption irréversible ;

* les cellules irréversiblement adsorbées commencent à se développer en utilisant les nutriments du milieu et à la surface du métal, en augmentant l'épaisseur du biofilm et le nombres de cellules sessiles. Une production importante de SPE permet de maintenir une cohésion dans le biofilm ;

* de nouvelles cellules et des particules s'attachent au biofilm alors formé ;

* la partie externe du biofilm se détache et est emportée dans le milieu.

Un diagramme récapitulant ces séquences est présenté en figure 1 (Beardwood, 1995).

<figure><img src="image_2.png" /><figcaption>figure 1 : formation du biofilm (d'après Beardwood, 1995)</figcaption></figure>

Selon Characklis (1990b), le processus de formation et d'accumulation du biofilm est fréquemment composé de trois phases distinctes : les événements initiaux (liées au processus de transport du milieu vers la surface), une accumulation exponentielle (en liaison avec le transfert interfacial), et un état stationnaire (représenté par les processus de transformation au sein du biofilm). Dans le cadre d'une étude analytique de la biocorrosion, le processus de biofouling doit prendre en compte les processus électrochimiques et physiques se déroulant à la surface du métal (Videla et al., 1992). En particulier, plusieurs facteurs peuvent influencer la corrosion : l'hétérogénéité, la production et l'accumulation de produits extracellulaires à faible poids moléculaire, le rôle des SPE. Mais, le processus de corrosion peut de façon réciproque influencer la formation du biofilm, puisque les réactions de corrosion abiotiques influencent sans aucun doute l'accumulation du biofilm.
1.A.1.a - Formation de biofilm dans l'eau de mer

L'environnement marin présente des caractéristiques qui interviennent dans la corrosivité marquée des surfaces métalliques. Mis à part une concentration caractéristique de 3,4 % de sel, l'eau de mer est un milieu vital qui soutient une large variété d'organismes, des petites bactéries jusqu'aux grands mammifères. Immédiatement après son immersion dans l'eau de mer, une surface métallique subit une série de transformations biologiques et chimiques qui conduisent à la formation d'un biofilm pouvant recouvrir le métal. Le biofouling formé à partir d'un biofilm, de produits de corrosion et de débris divers est le résultat d'un processus d'accumulation. Ainsi, le biofouling est dû à l'arrivée de cellules planctoniques provenant du milieu extérieur : celles-ci deviennent des organismes sessiles restant attachés à la surface du métal et par la suite augmentent l'épaisseur du biofilm par croissance bactérienne et production de SPE.

Réciproquement, la passivité du métal résulte d'une série de changements qualifiés d'inorganiques qui commencent avec la dissolution du métal et la formation d'un film de produits de corrosion (Videla, 1991a).

Un système dynamique est alors formé à l'interface solution/métal et il est régi par les différents processus de transport prenant place à travers le biofilm. C'est une conséquence de la structure du biofilm, caractérisé par son haut degré d'hydratation, où l'eau représente presque 90 % de la composition du biofilm (Geesey, 1982).

En présence d'un biofilm, les couches de produits de corrosion et les nombreux composants inclus dans ce biofilm conditionnent de façon électrochimique ou biologique l'interface métal/solution. Ainsi, le comportement du substrat métallique face à la corrosion variera selon l'étendue de ce conditionnement.

Les biofilms dépendent à la fois du substrat et de la phase liquide. Les interactions entre les trois phases – substrat métallique, biofilm et milieu liquide – résultent des gradients de concentrations et d'autres hétérogénéités localisées à prendre en considération lors de l'étude de la corrosion.

Le biofouling des surfaces métalliques peut modifier le pouvoir protecteur des films de produits de corrosions et des films passifs inorganiques mais ce mécanisme n'est pas encore bien compris. Beaucoup d'essais cités dans la littérature ont été réalisés pour corréler le biofouling et la corrosion après qu'une accumulation substantielle de biomasse ait été détectée
sur la surface métallique, mais l'interprétation des interactions interfaciales est difficile
(Videla, 1989).

Durant les premiers temps de l'établissement du biofouling, la nature de la surface métallique joue un rôle primordial dans l'adsorption irréversible des micro-organismes, facilitant ou gênant le développement du biofilm (Videla, 1994). Un métal résistant à la corrosion tel que le titane ou l'acier inoxydable présente un substrat favorable à la colonisation bactérienne dû aux couches homogènes d'oxydes présentes à la surface de ces métaux. En revanche, sur une surface métallique non passive, tel que les alliages cuivre-nickel, l'adhésion est gênée par les nombreuses variétés de produits de corrosion et par les effets toxiques des ions cuivriques relâchés au niveau de la surface. Cependant, la chimie du milieu liquide peut faciliter la colonisation microbiologique et réduire le temps nécessaire à la formation des biofilms. En dépit du comportement du substrat métallique, les biofilms peuvent jouer un rôle important dans l'amorçage et la progression de l'attaque du métal.

A un stade plus avancé de l'accumulation de biofilm en environnement marin, les dépôts biologiques finissent par inclure des protozoaires, des mousses, des algues (dépendant de l'exposition à la lumière) et des organismes macroscopiques. Ce macro-fouling est réparti en deux catégories : le 'biofouling doux' (algues, coraux mous, éponges, anémones) et le 'biofouling dur' (algues incrustantes, moules et autres organismes).

1.A.1.b - Structure du biofilm

Dans un premier temps, des concepts classiques ont été adoptés pour décrire la morphologie et les processus prenant place au sein du biofilm. D'après Characklis (1986), les deux caractères principaux définissant cet assemblage microbiologique sont :

* des structures planaires avec une distribution de cellules globalement homogène,

* des transferts de masse à travers la couche frontière, mais également dans le biofilm, sont supposés diffusionnels et perpendiculaires au substrat (Lewandowski, 1994 ; Little et al., 1986 ; Videla et al., 1993).

L'observation d'un grand nombre de biofilms purs ou mixtes par microscopie confocale (Costerton, 1994 ; Lewandowski et al., 1995) a conduit à un nouveau modèle du biofilm bactérien : le biofilm n'apparaît pas comme une structure plane et la distribution des micro-organismes n'est pas uniforme (Revsbech, 1989 ; Trulear et al., 1982 ; Stewart et al., 1993).
Un schéma simplifié de ce nouveau modèle est donné en figure 2.
<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>figure 2 : structure du biofilm (d'après Costerton, 1994)</figcaption></figure>

L'hétérogénéité dans la phase liquide et dans la structure du biofilm et les répercussions sur le transport interne de matière régulent la réaction de corrosion se déroulant à l'interface métal/solution. Ainsi, le nouveau modèle décrit le biofilm (Lewandowski et al., 1995) comme :

* des clusters de cellules séparés par des espaces vides interstitiels,

* les espaces interstitiels facilitent le transport de matière convectif, favorisant une concentration plus élevée de constituants dans ces espaces,

* les métabolites cellulaires et les produits dérivés sont davantage concentrés sous les clusters de cellules.

Tous ces traits mettent en avant l'hétérogénéité du biofilm : cette caractéristique devra être prise en compte dans l'amorçage ou l'accélération de la corrosion.

Certains résultats sur l'action de biocides oxydants peuvent être compris en considérant le modèle de biofilm présenté ci-dessus. Les résultats obtenus avec de l'ozone dissous (Videla et al., 1995a; Videla et al., 1995b) sur des biofilms adhérant à différentes surfaces métalliques révèlent que seulement une réduction partielle du nombre de cellules bactériennes était obtenue pour des concentrations de biocides croissantes ou des temps de contact croissants. Ces résultats étaient similaires pour l'action du chlore sur les dépôts de biofouling d'après Characklis (1990c) et de Beer et al. (1994). Ils sont soutenus par une étude par microscopie confocale (Korber et al., 1994) de l'effet du biocide, la feroxacine, sur des biofilms de *Pseudomonas fluorescens* : les cellules situées près de l'interface liquide/biofilm subissaient plus de changements dans leur morphologie que les cellules proches du substrat solide.

### 1.A.1.c - Techniques innovantes pour l'observation de biofilm

Parmi les développements récents dans l'instrumentation microscopique, le microscope électronique à balayage environnemental, le microscope à force atomique et la microscopie
laser à balayage confocal sont parmi les techniques les plus intéressantes pour l'étude des biofilms.

Depuis la fin des années 1970, le MEB et le MET ont été largement utilisés dans les études sur la biocorrosion et le biofouling. Ce traitement introduit cependant des artefacts et perturbe l'interprétation des caractéristiques de surface, l'observateur devant mentalement réhydrater les images.

Le MEB environnemental permet d'obtenir rapidement des images précises d'un biofilm (Wagner et al., 1994), donnant la répartition spatiale de ce dernier sur le site de corrosion sans manipulation extensive de l'échantillon.

La microscopie confocale consiste à balayer la surface de l'échantillon par une source de lumière laser. Elle a permis l'observation de biofilms hydratés par une technique non-intrusive qui donne des images nettes, tridimensionnelles et en temps réel de biofilms physiologiquement actifs (Costerton, 1994). Cette technique a finalement montré que 75-95 % du volume de biofilm bactérien est occupé par une matrice de SPE hydratées. Les cellules bactériennes, quant à elles, peuvent être concentrées soit dans les hautes ou basses régions du biofilm, occupant seulement 2 à 25% du volume du biofilm.

La microscopie à force atomique a été inventée en 1986 pour visualiser les surfaces d'échantillons non-conducteurs à une échelle moléculaire. L'AFM opère par mesure des forces entre la sonde et l'échantillon pour générer des images de la surface de l'échantillon. Ces forces dépendent de la nature de l'échantillon, de la distance entre la sonde et l'échantillon, de la géométrie de la sonde et d'une éventuelle contamination de la surface de l'échantillon. Un récapitulatif du potentiel d'utilisation de l'AFM dans l'étude de la biocorrosion a récemment été publiée (Beech, 1996).

### 1.A.1.d - Le biofilm et ses effets

L'un des principes de l'altération de la surface métallique, et par conséquent de l'accélération ou du retardement de corrosion, est la formation du biofilm. La séquence exacte d'événements dans la formation d'un biofilm dépend de l'environnement et des organismes présents. Par une production et une accumulation de SPE, le biofilm peut rapidement atteindre des dimensions d'ordre macroscopique (environ 400 µm).

Les SPE stabilisent et protègent les micro-organismes en surface. La reproduction de chaque bactérie sessile créant une colonie, cette colonie possède les mêmes fonctions métaboliques que la cellule mère : une concentration d'actions chimiques et physiques s'effectue à cet
endroit. Ainsi, si d'autres cellules d'espèces différentes forment des colonies sur la même surface, un agrégat se développe, et si cet agrégat contient des espèces qui interagissent au niveau de leur métabolisme, un consortium microbien est formé. Ces consortia nécessitent la participation des différentes espèces bactériennes, mais peuvent également inclure des micro-mousses, des micro-algues et même des organismes macroscopiques.

Il y a des avantages considérables pour les micro-organismes à former des consortia dans une structure de biofilm. Certains de ces avantages incluent les interactions enzymatiques, la concentration et l'échange de nutriments, la protection contre le stress environnemental et les toxines, la résistance au lessivage et surtout le maintient de conditions stables. Les interactions dans les consortia sont très complexes et peuvent impliquer la consommation ou la production de substances telles que l'hydrogène et le sulfure d'hydrogène sans que ces interactions soient mises en évidence dans le milieu environnant (Edyvean et al., 1991).

## α – L'interface et ses effets

L'interaction entre le biofilm et le substrat métallique produit un nouvel environnement physique et chimique. Un système à trois phases est à présent obtenu : le métal, le biofilm et l'électrolyte. Le nouveau système peut notablement influencer les procédés industriels, comme l'efficacité d'un échangeur de chaleur, causant des pertes d'énergie dans les industries de productions chimiques ou énergétiques ; la réduction de la circulation de fluide, engendrant des pertes d'énergie dans les pipelines et dans l'industrie navale ; des transformations chimiques, par exemple, la corrosion, la détérioration de la qualité de l'eau potable, la baisse de qualité des produits industriels.

Characklis et al. (1983) a ainsi énuméré les effets suivants du biofilm sur l'interface métal/solution et par conséquent sur la corrosion :

* influence de l'activité microbienne sur le substrat (plus le biofilm est désordonné, plus l'influence est forte),

* influence des métabolites bactériens sur le substrat,

* réduction du passage d'entités chargées à travers la matrice polymérique du biofilm,

* modification du degré de conductivité de la matrice polymérique,

* chélation des ions métalliques par la matrice polymérique,

* modification importante de la résistance aux biocides,

* déstabilisation des inhibiteurs de corrosion.

Ainsi, les gradients de concentration et l'aspect désordonné comptent parmi les voies principales par lesquelles les biofilms influencent la corrosion. Les cellules adsorbées se
développent et se reproduisent, formant des colonies qui, du point de vue de la corrosion,
constituent des hétérogénéités physiques sur la surface métallique : cela revient à la formation
d'anodes et de cathodes. Un effet direct d'une colonisation non uniforme ou désordonnée est
la formation en conditions aérobies de cellules d'aération différentielle : des zones situées
sous les colonies respirantes sont épuisées en oxygène par rapport à des zones environnantes
non colonisées. Ainsi, la formation de colonie peut donner naissance à des différences de
potentiel et par conséquent à des courants de corrosion : sous conditions aérobies, les zones
situées sous les colonies deviennent anodiques, conduisant à la dissolution du métal. Ce type
de biocorrosion en présence d'oxygène constitue une des voies de détérioration des structures
métalliques.

β – Interactions entre les produits de corrosion et le biofilm

Les processus de corrosion abiotiques ont probablement une influence sur la vitesse, l'étendue et la distribution des espèces colonisantes, mais également sur la composition chimique et les propriétés physiques du biofilm. Une étude de Videla et al. (1987) affirme que le comportement d'un substrat métallique vis-à-vis de la corrosion modifie la vitesse de formation et la distribution des biofilms en milieu marin. La corrosion non uniforme favorise une adsorption désordonnée des micro-organismes, alors qu'un biofilm hétérogène augmente les effets d'aération différentielle : ce cas est observé sur de l'acier inoxydable ou sur des échantillons cuivre-nickel exposés dans un milieu marin (Videla et al., 1992). De la même façon, la présence de films protecteurs d'oxydes ou d'hydroxydes hydratés sur les surfaces métalliques procurent aux bactéries des sites favorables à l'établissement d'un biofilm (Kennedy et al., 1976).

Pour illustrer les différentes interactions entre les produits de corrosion et le biofilm, trois
surfaces métalliques différentes sont à présent traitées :

♦ *Les alliages résistants à la corrosion*

Les résultats d'un travail (Johnsen et al., 1986 ; Dexter et al., 1988 ; Mollica, 1992) sur l'influence des biofilms et des dépôts associés sur le comportement de corrosion des aciers inoxydables dans l'eau de mer indiquent que les paramètres environnementaux tels que l'oxygène dissous, le niveau de lumière, le pH, etc., peuvent modifier la composition microbienne du biofilm. Cette dernière va alors altérer la chimie de l'interface, orientant les réactions électrochimiques. Les interfaces aérobies subissent un ennoblissement du potentiel de corrosion (Dexter, 1995a), alors que les interfaces anaérobies au pH basique imposent au potentiel de corrosion un déplacement vers les potentiels plus négatifs.
## ♦ Les alliages moyennement résistants à la corrosion

Les alliages nickel-cuivre sont caractérisés par un comportement complexe vis-à-vis de la corrosion dans l'eau de mer. En plus des interactions biofilm/produits de corrosion, les alliages cuivre-nickel présentent une autre variable reliée aux propriétés toxiques des ions cuivriques sur plusieurs types de bactéries. Malgré les propriétés anti-fouling bien connues des alliages cuivre-nickel, Blunn (1986) indique qu'après des périodes d'exposition de plusieurs mois dans l'eau de mer, des bactéries peuvent être détectées entre les couches de produits de corrosion et les SPE. Des variations dans le pourcentage de fer dans les alliages cuivre-nickel 90-10 perturbent la composition du biofouling bactérien (Chamberlain et al., 1988). Les alliages avec des faibles teneurs en fer se corrodent plus facilement et présentent peu de colonisation.

## ♦ Les alliages faiblement résistants à la corrosion

L'acier doux est un bon exemple de corrosion active dans un environnement corrosif comme l'eau de mer. La dissolution du métal prend place immédiatement après immersion et des dépôts abondants de produits de corrosion de composition chimique différente peuvent être observés. Ainsi, la dissolution microbiologique par un Vibrio marin des couches inorganiques protectrices formées par les composées ferriques insolubles a été présentée par Gaylarde et al. (1987). Par l'action bactérienne, les composés ferriques insolubles étaient transformés en composés ferreux solubles : la surface métallique était alors librement exposée aux bactéries sulfato-réductrices.

Selon les précédents exemples, les interactions biofilm/produits de corrosion peuvent altérer le comportement de corrosion des métaux et alliages en :

* gênant le transport d'espèces chimiques nécessaires pour la passivation de la surface métallique

* facilitant l'enlèvement des couches protectrices alors que le détachement du biofilm se produit

* formant des cellules d'aération différentielles comme le résultat d'une distribution hétérogène du biofilm

* altérant les gradients d'oxygène, pH, et d'autres composés du milieu liquide

Il est donc maintenant intéressant de définir la biocorrosion, tant du point de vue des bactéries intervenant dans le processus que du point de vue état de l'art sur la corrosion des aciers au carbone. La section suivante présente les micro-organismes associés au processus de biocorrosion et traitera par la suite du cas particulier de la détérioration des aciers au carbone dans un environnement microbiologique hostile.
1.A.2 - Etat de l'art sur la biocorrosion, phénomène électrochimique localisé

1.A.2.a - Les micro-organismes associés aux processus de biocorrosion

Les bactéries sont des cellules simples qui peuvent se développer en présence d'eau et de nutriments.

Les bactéries sont des micro-organismes procaryotes présentant des cellules sans noyau défini. Leur reproduction est simplement accomplie par une partition binaire par laquelle une nouvelle cellule est formée à partir d'une cellule mère. Les caractéristiques générales de la structure cellulaire, de la taille et de la forme par rapport à d'autres cellules sont décrites dans de nombreux ouvrages (Schlegel, 1993 ; Brock et al., 1991 ; Alberts et al., 1990 ; Costerton et al., 1978 ; Characklis, 1981 ; Costerton, 1994).

Plusieurs des bactéries associées aux processus de biocorrosion ont une fonction commune : faire partie du cycle du soufre dans un environnement naturel (figure 3).

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>figure 3 : cycle du soufre dans la nature (d'après Booth, 1971)</figcaption></figure>

Selon ce schéma, le soufre élémentaire et plusieurs autres états d'oxydation de cet élément sont dus aux bactéries dites bactéries du soufre. Ces bactéries appartiennent à une large variété d'espèces qui incluent les chemo-autotrophes, les chemo-hétérotrophes et les photo-autotrophes. Dans le premier cas, le genre le plus connu est le genre *Thiobacillus*. Ce sont des organismes aérobies utilisant le CO₂ comme source de carbone principale. Une des espèces du genre *Thiobacillus*, *T. denitrificans*, est capable de se développer en environnement anaérobie par l'utilisation de nitrates comme accepteur final d'électron. Par les caractéristiques métaboliques des *Thiobacilli*, des conditions extrêmes d'acidité sont produites dans l'environnement (Booth, 1971).

Plusieurs réactions d'oxydation partielle participant à l'oxydation biologique du sulfure, du soufre élémentaire et des composés oxydés sont schématiquement représentées en figure 4.
<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>figure 4 : représentation non stæchiométrique de l'oxydation microbiologique des composés organiques du soufre (d'après Cragnolino et al., 1984)</figcaption></figure>

Le rôle des *Thiobacilli* dans la production de composés intermédiaires n'a pas encore été associé aux processus de corrosion aérobie, bien que certains de ces composés semblent être très importants dans la corrosion anaérobie de l'acier (Cragnolino et al., 1984 ; Newman et al., 1991).

Les bactéries sulfato-oxydantes, fréquemment associées aux processus de biocorrosion, sont les *Thiobacillus thioparus*, qui oxydent le thiosulfate en sulfate et en sulfure. L'espèce *T. concretivorus* oxyde le thiosulfate en utilisant le tétrathionate comme composé réactionnel intermédiaire et oxyde également le sulfure et le soufre élémentaire. Une autre espèce, *Thiobacillus ferroxidans*, est généralement associée à une bactérie ferro-oxydante par sa capacité à oxyder les composés ferreux inorganiques. Leurs habitats naturels sont des eaux acides avec de fortes concentrations en fer. Quelques souches thermophiles, capables de se développer pour des températures comprises entre 55 et 60°C, ont également été isolées (Cragnolino et al., 1984).

L'action corrosive de *Thiobacilli* est généralement accomplie par une acidification sévère de l'environnement, mais fréquemment l'agressivité est augmentée par la formation d'un consortium microbiologique avec des Bactéries Sulfato-Réductrices (BSR) anaérobies, pour lequel une partie ou la totalité du cycle du soufre intervient dans le processus métabolique (Hamilton, 1985). La détection de bactéries sulfato-oxydantes peut être effectuée en utilisant le milieu de Starkey (Cragnolino et al., 1984) et en contrôlant les variations de pH sur une période de temps allant de quelques jours à 2 semaines d'incubation.

Le cycle du sulfure est également formé par deux types de micro-organismes capables de réduire le sulfate :
* quand le sulfate est utilisé comme source de soufre pour sa réduction en sulfures organiques par un processus métabolique appelé réduction d'assimilation du sulfate ;

* quand le sulfate est utilisé comme accepteur final d'électron dans la respiration anaérobie, produisant du sulfure d'hydrogène par une réduction du sulfate.

A la base, les BSR sont classées par la taxonomie en deux genres : *Desulfovibrium* (bactéries non sporulantes) et *Desulfotomaculum* (bactéries sporulantes) selon Postgate (1984). Ces genres comprenaient 7 et 5 espèces respectivement. Le genre *Desulfovibrio* correspond à des bâtonnets incurvés et est anaérobie stricte, se développant entre 25 et 44°C pour un pH compris entre 5,5 et 9. Les dimensions approximatives vont de 0,5 à 1 µm de diamètre pour 3 à 5 µm de long. Certaines espèces, telles que *D. salexigens*, demande une concentration de 2,5% de chlorure de sodium dans le milieu. Le genre *Desulfotomaculum*, qui comprend les espèces sporulantes, se présente également sous la forme de bâtonnets : les bactéries anaérobies strictes peuvent exister sous forme singulière ou sous forme de chaînes de bactéries. Ces micro-organismes peuvent causer de sérieux problèmes de biofouling et de corrosion dans les conduites d'injection d'eau.

Les BSR sont des bactéries hétérotrophes, nécessitant une source externe de carbone organique, et l'énergie métabolique est pourvue par la réduction du sulfate en sulfure comme présenté en figure 5.

<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>figure 5 : cycle métabolique par réduction microbiologique du sulfate (d'après Cragnolino et al., 1984)</figcaption></figure>

Dans cette réaction, le sulfate est l'accepteur final d'électron. Comme résultat de cette réduction, des concentrations importantes de sulfure et/ou d'hydrogène sulfuré et des composés de sulfure sont produites. Ces derniers peuvent être corrosifs pour le fer et ses alliages, comme cela est mentionné dans la littérature (Cragnolino et al., 1984 ; Newman et al., 1991).
Par un travail réalisé par Widdel et al. (1977) et Pfenning et al. (1982), plusieurs nouveaux genres de BSR ont été identifiés.

Diverses espèces de BSR comme *Desulfovibrio vulgaris* ou *Desulfovibrio desulfuricans* peuvent utiliser l'oxydation de l'hydrogène comme source d'énergie pour la croissance. La croissance active de BSR demande des conditions de réduction dans le milieu généralement plus sévères que celles obtenues par simple désaération. Les conditions expérimentales au niveau de l'interface solide/liquide peuvent aussi être modifiées jusqu'à obtenir des conditions de réduction adaptées à la croissance bactérienne : elles sont conséquentes à la présence de sulfure d'hydrogène biogène ou à la présence de bactéries aérobies qui consomment l'oxygène du milieu, par exemple quand un consortia microbien est localisé dans l'épaisseur du biofilm.

D'autres micro-organismes associés aux processus de biocorrosion, les bactéries ferro-oxydantes (Chantereau, 1980 ; Davis, 1967), ont la capacité d'oxyder le $Fe^{2+}$ en $Fe^{3+}$, qui précipite alors sous la forme d'hydroxyde de fer. La diversité structurale des bactéries ferro-oxydantes et la difficulté expérimentale pour obtenir une croissance suffisante en laboratoire font partie des raisons qui expliquent le manque de classification de ces bactéries qui appartiennent à différentes familles et genres.

En plus des bactéries mentionnées auparavant, il existe une grande variété de micro-organismes procaryotes qui jouent différents rôles dans le processus de biocorrosion et ce dans différentes industries. Ils agissent généralement par l'intermédiaire de la formation des biofilms qui modifient les conditions à l'interface métal/solution dans des zones localisées de la surface. Comme exemple, il est noté que certaines bactéries de genre *Pseudomonas* facilitent l'action des BSR par l'élimination des films passifs protecteurs de la surface métallique (Westlake et al., 1986), et les bactéries du genre *Vibrio* augmentent l'action des BSR dans la corrosion des aciers doux (Gaylarde et al., 1987).

Dans certains cas, l'effet des bactéries peut mener à une diminution de l'attaque corrosive, favorisant la passivité du substrat métallique par une action tamponnante du pH du milieu (Guiamet et al., 1987 ; Videla, 1996).

### 1.A.2.b - Cas particulier : Biocorrosion de l'acier au carbone dans des environnements anaérobies

La biocorrosion de l'acier au carbone dans des environnements anaérobies impliquant des BSR a été particulièrement étudiée dans les recherches de biocorrosion. En partant de la théorie de la dépolarisation cathodique de von Wolzogen Kühr et de Van der Vlugt (1934),
une liste importante d'articles et de revues sur la corrosion anaérobie de l'acier a été publiée (Miller et al., 1970 ; Miller, 1981 ; Salvarezza et al., 1980a ; Cragnolino et al., 1984 ; Tiller, 1985 ; Iverson et al., 1986a ; Ringas et al., 1987 ; Weimer et al., 1988 ; Edyvean et al., 1991). Magot remet d'ailleurs en question la validité de cette théorie (1999). Un grand nombre de ces études considérait dans un premier temps des organismes planctoniques dans des expériences de laboratoire en systèmes continus, semi-continus ou de type batch. Cependant, l'influence des BSR sessiles dans le processus de biocorrosion a été mise en avant dans de récentes publications (Hamilton, 1985 ; Hamilton et al., 1986 ; Pankhania, 1988 ; Lee et al., 1995). Les effets microbiologiques peuvent être nettement augmentés par l'activité de consortia bactériens à l'interface métal/solution au sein de la structure interne du biofilm (Costerton et al., 1986 ; Gaylarde et al., 1987). Les biofilms peuvent alors développer des régions anaérobies, même dans un environnement aérobie (Videla et al., 1992), apportant ainsi aux BSR un milieu très favorable à leur croissance. Le résultat final de ces processus dans les biofilms est de produire une large variété de sites à la surface du métal qui sont nettement différents des sites environnants d'un point de vue physico-chimique, facilitant ainsi l'amorçage de corrosion localisée. Les BSR sont généralement trouvées dans les sols argileux pour des valeurs de pH neutre, dans l'eau de mer, dans les environnements pollués tels que ceux à proximité des ports et des industries piscicoles (Salvarezza et al., 1980b), et dans les consortia structurés au sein du biofilm où les bactéries aérobies et les mousses procurent les nutriments et les conditions anaérobies nécessaires aux BSR (Pope et al., 1983). La corrosion par piqûre est caractéristique (Pope et al., 1984) de l'action des BSR sur les aciers, avec des piqûres béantes et remplies de produits de corrosion noirs sous un type de sulfure de fer. Après enlèvement des produits de corrosion, le métal situé en dessous est brillant mais se corrode rapidement à l'air.

Dans les conduites corrodées ou sur d'autres installations industrielles, l'activité des BSR implique un nombre certain d'entités chimiques, en particulier des composés métastables du soufre tels que les thiosulfates et les polysulfures (Videla, 1988).

Quand ils sont exposés aux composés du soufre, l'acier et le fer développent dans un premier temps un film faiblement protecteur de mackinawite (sulfure de fer riche en fer) qui par la suite se transforme par différentes voies électrochimiques et chimiques pour atteindre un état plus stable de sulfure de fer (Shoesmith et al., 1980). Les interactions des sulfures de fer dans les solutions aqueuses et celles de leurs doubles biogènes ont été également décrites (Rickard, 1969). Dans tous les cas, ces sulfures de fer sont caractérisés par leurs effets cathodiques sur
la réaction de réduction de l'hydrogène qui mène indirectement à l'augmentation de la vitesse de corrosion. Dans une grande majorité des cas, le processus de biocorrosion est associé à la rupture de passivité par les produits métaboliques agressifs résultants de l'activité des BSR et qui sont dispersés dans le milieu. De la même manière, d'autres anions capables de faciliter la corrosion localisée sont fréquemment présents dans l'environnement, tels que les chlorures qui augmentent l'agressivité des composés sulfurés.

Selon la théorie de la dépolarisation cathodique, première approche rationnelle dans la compréhension de la corrosion de l'acier et du fer par des BSR en environnement anaérobie, l'attaque par biocorrosion peut être attribuée à la capacité des bactéries à enlever l'hydrogène par leurs systèmes enzymatiques (hydrogénase) qui obtiennent ainsi une nouvelle source d'énergie (Cord-Ruwisch et al., 1986). Ainsi, la réaction de corrosion serait indirectement accélérée par la dépolarisation de la cathode par le retrait de l'hydrogène atomique des zones cathodiques sur la surface du fer. Cette réaction serait couplée à la réduction du sulfate en sulfure, et les produits de corrosion résultants seraient le sulfate ferreux et l'hydroxyde de fer comme présenté dans le tableau 1.

<table><caption>tableau 1 : séquence réactionnelle de la théorie de la dépolarisation cathodique</caption><tr><td>Réaction globale</td><td colspan="3">4 Fe + SO<sub>4</sub><sup>2-</sup> + 4 H<sub>2</sub>O → 3 Fe(OH)<sub>2</sub> + FeS + 2 HO<sup>-</sup></td></tr><tr><td>Métal</td><td>4 Fe → 4 Fe<sup>2+</sup> + 8 e<sup>-</sup><br/>8 H<sup>+</sup> + 8 e<sup>-</sup> → 8 H<sub>adsorbés</sub></td><td>Anode</td><td>Cellule<br/>électrochimique</td></tr><tr><td>Solution</td><td>8 H<sub>2</sub>O → 8 H<sup>+</sup> + 8 HO<sup>-</sup></td><td>Cathode</td><td>Electrolyte<br/>Dépolarisation</td></tr><tr><td>Micro-organismes</td><td>SO<sub>4</sub><sup>2-</sup> + 8 H<sub>adsorbés</sub> → S<sup>2-</sup> + 4 H<sub>2</sub>O</td><td></td><td>microbiologique</td></tr><tr><td>Produits de corrosion</td><td>Fe + S<sup>2-</sup> → FeS</td><td colspan="2">3 Fe<sup>2+</sup> + 6 HO<sup>-</sup> → 3 Fe(OH)<sub>2</sub></td></tr></table>

Dans ce cas, le terme de dépolarisation n'était pas utilisé par les auteurs dans un sens strictement électrochimique, mais davantage pour indiquer qu'il existait une variation indéfinie dans le comportement électrochimique du métal. Les BSR, en utilisant l'hydrogène atomique dans la réaction de réduction du sulfate, devraient en fait augmenter la vitesse de corrosion en permettant à la réaction cathodique de se dérouler plus rapidement. La faisabilité de la dépolarisation cathodique a été expérimentalement démontrée par des expériences électrochimiques réalisées par Horvath (1960) et Booth et al. (1960,1962<sup>a</sup> et 1962<sup>b</sup>).

Un rôle indirect des BSR dans la corrosion a été proposé par Costello (1974) qui suggérait que la dépolarisation cathodique pouvait être la conséquence de la présence du sulfate d'hydrogène dissout. La réaction cathodique peut alors être exprimée par :

$$H_2S + e^- \Rightarrow HS^- + 0,5 H_2$$
Le rôle des bactéries dans la dépolarisation cathodique a été minimisé par King et al. (1973a) qui attribuaient cet effet au sulfure de fer. Un article (King et al., 1971) semble confirmer l'effet dépolarisant du sulfure de fer sur la réaction d'évolution de l'hydrogène. Un point faible de la théorie de la dépolarisation cathodique est le manque d'information sur le rôle des sulfures dans la stimulation de la réaction anodique. Comme la corrosion localisée et le processus de rupture sont dépendants de plusieurs facteurs expérimentaux, l'effet des sulfures a été étudié dans une série d'expériences de laboratoire en utilisant des solutions tamponnées basiques (Salvarezza et al., 1982) et neutres (Salvarezza et al., 1983) mais également des cultures de BSR en milieu salin (Videla, 1986a) avec des conditions expérimentales particulièrement bien définies. En analysant les résultats, une interprétation électrochimique du processus de biocorrosion sur l'acier au carbone en environnement anaérobie peut être résumée de la façon suivante (Videla, 1988) :

* l'effet des sulfures biogéniques sur la corrosion localisée de l'acier au carbone est similaire à celui des sulfures abiotiques ;

* en milieu neutre, les sulfures conduisent à la formation d'un film peu protecteur de mackinawite ;

* la rupture anodique de passivité serait la première étape dans le processus de biocorrosion. Ainsi, le rôle des BSR peut être indirect par la production d'espèces agressives comme les composés finaux ou intermédiaires de métabolisme. Les caractéristiques physico-chimiques de l'environnement liquide (pH, composition ionique, taux d'oxygène) peuvent modifier les effets des BSR en transformant la corrosion en passivation ;

* les effets de la dépolarisation cathodique attribuée à l'activité de l'hydrogènase ou aux films de sulfure de fer pourraient être développés après la rupture de passivité alors que le processus de biocorrosion se poursuit.

* l'action des sulfures biogéniques peut être augmentée par la présence d'anions dans l'environnement (Acosta et al., 1984) ou pour les consortia microbiens au sein des biofilms présents à la surface du métal (Costerton, 1984 ; Hamilton, 1991).

Plusieurs articles tentent de clarifier certains aspects de la biocorrosion de l'acier au carbone par les BSR. Crolet et al. (1993) suggèrent que les BSR sont capables de réguler le pH de leur environnement. Cette valeur de pH peut être altérée par des réactions secondaires impliquant des traces d'oxygène ou des ions ferreux. De même, Campaignolle et al. (1993) rapportent que les BSR sont capables de stabiliser la corrosion par piqûre de l'acier au carbone en milieu eau de mer désaérée, alors que d'autres bactéries telles que *Vibrio natriegens* apportent un effet protecteur contre la corrosion. Une autre étude (Crolet et al., 1995) sur les bactéries sulfurogènes non-BSR de conduites de production pétrolifère a permis d'isoler et de caractériser des bactéries strictement anaérobies qui réduisaient le thiosulfate en hydrogène sulfuré et induisaient une corrosion localisée à des vitesses anormalement élevées. Ces points
conduisent à l'hypothèse que la réduction du thiosulfate par des bactéries non-BSR peut être
la cause de plusieurs cas de biocorrosion sur site.

D'après le comportement vis-à-vis de la corrosion du fer, un mécanisme de piqûre microbienne sur de l'acier inoxydable a été par la suite publié (Newman et al., 1991). Les auteurs trouvaient que l'oxydation de solutions mixtes de sulfate et de sulfure produit un environnement qui est capable de piquer un acier inoxydable du type 304, même en absence de chlorures. Ainsi, les thiosulfates semblent être des agents de piqûre plus efficaces que les sulfures et ce à faible concentration.

Trois points importants associés à la biocorrosion de l'acier au carbone sont en rapport avec le rôle du soufre élémentaire, du fer soluble et de l'oxygène. Schaschl (1980) donne un mécanisme de cellules de concentration (similaires à une cellule à aération différentielle) où les bactéries ont un rôle actif pour isoler le métal des fortes concentrations de sulfure dissous dans les surfaces environnantes. Une interprétation plus récente du rôle du soufre dans la corrosion de l'acier au carbone (Schmitt, 1991) propose cinq étapes consécutives dans le processus global qui peut se résumer en deux étapes. Dans un premier temps, le sulfure de fer sur la surface métallique peut agir comme un film protecteur en limitant la diffusion d'ions ferreux à travers le film de sulfure. Dans un second temps, une fois le film protecteur rompu, le soufre agit comme un dépolarisant cathodique en créant une cellule électrochimique où le soufre est un accepteur d'électron.

Quand des techniques de cultures continues sont utilisées sur des périodes très longues (Tiller, 1982), il a été noté que de faibles vitesses de corrosion étaient observées quel que soit le moment où un film ferreux fin et adhérent recouvrait la surface métallique. Réciproquement, quand ce film était rompu après de longues périodes d'exposition, une augmentation importante de la corrosion était observée. Le même effet peut être obtenu en présence de fortes concentrations en fer soluble qui permettent la formation de précipités noirs en masse plutôt que la formation de films de sulfure de fer adhérents. De plus amples recherches dans le passage de la mackinawite à la greigite (Mara et al., 1972) produit dans un milieu pauvre en fer conduit à un effet similaire sur la vitesse de corrosion. Ainsi, trois conclusions principales peuvent être énoncées à la vue des résultats précédents :

* les fortes vitesses de corrosion sont indépendantes de l'activité bactérienne ;

* le type de sulfure de fer joue un rôle clé dans le processus ;

* ses effets peuvent aller de protecteur (quand des films adhérents et continus sont formés à la surface du métal en présence de faibles concentrations en fer soluble) à corrodant
(quand le film protecteur est rompu ou que des précipités importants et non adhérents sont présents pour de fortes concentrations en fer soluble dans le milieu).

Dans une série d'articles publiés dans les années 1970, King et al. (1973b, 1976) confirment le caractère protecteur du film de sulfure de fer de type mackinawite qui, par la suite, se désagrège physiquement en greigite ou en smythite et en pyrrhotite dans un milieu à forte concentration en fer soluble, conduisant dans tous les cas à une perte de protection. Selon l'état de l'art sur le sujet, il est admis que la biocorrosion de l'acier au carbone en environnement anaérobie était principalement développée par la stimulation cathodique des cellules électrochimiques établies entre les zones anodiques (l'acier) et les régions cathodiques de dépôts de sulfure de fer.

Lee et Characklis (1991, 1993a) ont étudié les processus de corrosion anaérobie de l'acier au carbone en présence et en absence de biofilms anaérobies. Les résultats montraient que dans un milieu sans fer, il n'y avait pas de corrosion notable et le biofilm ne contenait pas de fer. Réciproquement, quand la surface d'acier était préalablement recouverte d'un film de sulfure de fer avant que les bactéries ne s'attachent et ne développent un biofilm, la corrosion localisée était évidente là où le film de sulfure de fer ou le substrat métallique présentaient des imperfections. Ainsi, selon l'interprétation des auteurs, le sulfure de fer peu adhérent augmente le processus de corrosion par dépolarisation cathodique. Des biofilms de cultures mixtes de BSR semblent avoir un rôle indirect important dans le processus de biocorrosion en fournissant continuellement du sulfure d'hydrogène et en gardant les sulfures de fer cathodiquement actifs.

Une des caractéristiques frappantes de la corrosion anaérobie du fer par les BSR est la différence entre les vitesses de corrosion mesurées lors d'expériences en laboratoire et celles directement mesurées sur le terrain. Jusqu'au milieu des années 1980, l'un des rares cas où les vitesses de corrosion et la morphologie de l'attaque observées en laboratoire étaient pratiquement identiques à celles obtenues sur le terrain a été rapporté par Hardy et al. (1984). Dans ces expériences, les vitesses de corrosion étaient très faibles en conditions d'anaérobiose stricte, mais augmentaient singulièrement quand de l'oxygène était ajouté au milieu. Les caractéristiques de cet environnement sont souvent retrouvées dans les sédiments de fond marin associés à la production offshore, où des vitesses importantes de corrosion par piqûre sont trouvées quand les conditions aérobies sont prédominantes (tableau 2).
<table><caption>tableau 2 : vitesses de corrosion de l'acier doux par l'activité des BSR en absence et en présence d'oxygène</caption><thead><tr><th>Environnement</th><th></th><th>Vitesse de corrosion (mm/an)</th></tr></thead><tbody><tr><td>Fond marin</td><td>Anaérobie</td><td>0,7</td></tr><tr><td>Plate-forme sur fond marin</td><td>Aérobie</td><td>3,6-11,3</td></tr><tr><td>Colonne</td><td>Anaérobie</td><td>0,7</td></tr><tr><td>Colonne</td><td>Aérobie</td><td>10-17</td></tr><tr><td>Flacon</td><td>Anaérobie</td><td>1,2</td></tr><tr><td>Flacon</td><td>Aérobie</td><td>25,6</td></tr><tr><td>Géothermal</td><td>Anaérobie</td><td>5,9</td></tr><tr><td>Géothermal</td><td>Aérobie</td><td>13,8-53,1</td></tr></tbody></table>

Une série d'études réalisée par Lee et al. (1992, 1993a, 1993b, 1993c, 1994) avaient pour objectif de clarifier l'effet de l'oxygène sur la corrosion de l'acier au carbone quand des biofilms de culture mixte de BSR étaient formés. Les principaux résultats de ces expériences sont :

* de faibles concentrations d'oxygène dissous au sein du biofilm étaient atteintes au début des expériences du fait de l'activité bactérienne. Cette diminution de concentration en oxygène était accompagnée d'une diminution du courant cathodique.

* après une période d'environ 40 jours, avec de très faibles concentrations en oxygène dans le milieu, aucune trace d'oxygène n'était détectée à la base du biofilm. Cette constatation était accompagnée par une augmentation des courants cathodiques et anodiques. Une augmentation dans l'attaque par piqûre était également observée à ce moment de l'expérience, et les pics de soufre, de fer et d'oxygène étaient détectés par spectroscopie Auger.

* une corrélation était observée entre les pics de soufre et d'oxygène. Alors que le soufre coïncidait avec les piqûres, l'oxygène était associé aux surfaces entourant les piqûres.

Des expériences supplémentaires, incluant une évaluation chimique des sulfures de fer et du soufre élémentaire complétée par du MEB ou de la spectroscopie Auger sur la surface métallique, ont permis aux auteurs de conclure que la corrosion par piqûre influencée par les BSR était clairement dirigée par la présence de zones importantes recouvertes de sulfure de fer autour des piqûres et par la génération de cellules actives galvaniques avec le métal anodique à la base de la piqûre.

Il a été suggéré (Nielsen et al., 1993) que les BSR tout comme les produits de corrosion et le sulfure biogène sont capables d'augmenter la réaction cathodique en agissant comme transporteurs d'électrons entre le substrat métallique et l'interface oxique dans le biofilm. Cette hypothèse est confirmée par le travail de Newman (1991), suggérant que la principale action du sulfure d'hydrogène biogène serait de stimuler l'attaque localisée sur les sites anaérobies, alors que le courant cathodique serait fourni par la réduction de l'oxygène ou du soufre.
Les diagrammes schématiques (Lee et al., 1995) décrivant les processus de transport et de transformation associés à la biocorrosion de l'acier au carbone dans un biofilm strictement anaérobie et dans des biofilms anaérobie/aérobie sont respectivement présentés en figure 6 et en figure 7.

<figure><img src="image_7.png" /><figcaption>figure 6 : représentation des processus de transport et de transformation lors de la biocorrosion de l'acier au carbone dans un biofilm anaérobie stricte (d'après Lee et al., 1995)</figcaption></figure>

<figure><img src="image_8.png" /><figcaption>figure 7 : représentation des processus de transport et de transformation lors de la biocorrosion de l'acier au carbone dans un biofilm anaérobie/anaérobie (d'après Lee et al., 1995)</figcaption></figure>

Ainsi, le métabolisme des BSR amène à l'interface métal/solution plusieurs composés du soufre aux caractéristiques corrosives, qu'ils soient des composés intermédiaires ou finaux de métabolisme. Ces composés sont corrosifs pour l'acier au carbone principalement par la transformation des sulfures qui stimulent la corrosion par un mécanisme de dépolarisation anodique.
De plus, la biocorrosion des aciers au carbone est fortement influencée par la nature et la structure des films de sulfure produits durant le processus de corrosion. Les caractéristiques environnementales de l'interface métal/biofilm/solution et les paramètres physico-chimiques (pH, concentration ionique, taux d'oxygène) conditionnent fortement la nature chimique et physique des films de sulfure qui peuvent aller de protecteur à corrodant. L'action des sulfures dans la corrosion peut être augmentée par d'autres anions agressifs déjà présents dans le milieu.

Enfin, les films adhérents de sulfure de fer sont protecteurs, alors que les dépôts grossiers et peu adhérents augmentent les vitesses de corrosion. L'entrée d'oxygène dans le système augmente fortement les vitesses de corrosion principalement par la variation de la nature chimique des sulfures de fer et par la production de soufre. Ces deux composés peuvent procurer des réactifs cathodiques additionnels à la réaction de corrosion, en agissant comme des transporteurs d'électrons entre le métal et l'interface oxique au sein du biofilm.

# 1.B - Moyens de détection pour une recherche en laboratoire ou pour une application industrielle.

## 1.B.1 - Méthodes électrochimiques pour évaluer la biocorrosion en laboratoire

Les principes de base de la corrosion électrochimique sont valables pour la biocorrosion et peuvent être utilisés pour interpréter l'accélération du processus de corrosion par les micro-organismes dans différents milieux aqueux en conditions aérobies ou anaérobies.

La biocorrosion est rarement interprétée par un unique mécanisme ; elle n'est de plus pas uniquement causée par une seule espèce de micro-organismes (Videla, 1988 ; Westlake et al., 1986, Edyvean et al., 1983). De plus, il a été noté que la colonisation microbienne de métaux passifs peut radicalement changer leur résistance (Videla, 1991a) jusqu'à la rupture de passivité en changeant localement la concentration en ions, le pH et les gradients d'oxygène. Ces variations induiraient des modifications importantes dans le comportement électrochimique du métal et dans les constantes électrochimiques mesurées lors d'expériences en laboratoire.

Dans les études électrochimiques classiques, l'interface entre un métal et l'électrolyte environnant est caractérisée par une certaine distribution de charges donnant ainsi le jour à une couche dite double couche électrique (Bockris et al., 1970). Cependant, à la vue des nouvelles connaissances sur la biocorrosion, il peut être facilement déduit que ce comportement est très différent de celui correspondant à l'interface solution/métal associée à
la biocorrosion (Videla, 1989). Par conséquent, les concepts électrochimiques utilisés pour l'analyse de la corrosion inorganique devront être adaptés aux caractéristiques de l'interface biologiquement conditionnée.

Une grande variété de techniques électrochimiques telles que les mesures de potentiel de corrosion et de potentiel rédox, la polarisation potentiodynamique et de Tafel, les sondes de polarisation linéaire et de résistance électrique, et plusieurs techniques électrochimiques modernes telles que les méthodes en courant alternatif ou le bruit électrochimique ont été recensées par plusieurs auteurs en relation avec leur utilisation dans l'évaluation de la biocorrosion (Duquette, 1996 ; Dexter et al., 1991 ; Manslfeld et al., 1990a). Les paramètres et techniques électrochimiques utilisés dans l'étude de la biocorrosion seront brièvement décrites.

Ainsi, Schmitt a réalisé une liste des différentes méthodes électrochimiques pour suivre la formation du biofilm et de la corrosion microbienne (1997 et 1999). Les conclusions obtenues sur chacune des principales techniques sont décrites dans le tableau 3. Ce tableau est complété en indiquant les techniques secondaires ainsi que les domaines d'application de l'ensemble des outils électrochimiques cités.

### 1.B.1.a - Potentiel libre ou potentiel de corrosion

Le potentiel libre ou potentiel de corrosion d'un métal se mesure en déterminant la différence de tension entre le métal immergé dans un milieu corrosif et une électrode de référence adéquate (usuellement, une électrode de référence au calomel saturé, ECS). La grandeur et le signe du potentiel libre dépendent du métal lui-même, mais aussi de la composition, de la température et des données hydrodynamiques caractérisant l'électrolyte.

Le potentiel libre doit être mesuré en utilisant un circuit potentiométrique ou un voltmètre à haute impédance. Ces instruments de mesures sont capables de mesurer de faibles différences de potentiel sans générer de courant parasite. Si un voltmètre est utilisé, les polarités doivent être définies clairement.

**Avantages** : du fait de sa simplicité de mise en œuvre, la mesure du potentiel de corrosion a été utilisée pendant des années lors d'études de biocorrosion. Elle peut s'effectuer soit en laboratoire soit sur site et permet de faire la différence entre le comportement passif et la corrosion localisée pour un métal donné.

**Inconvénients** : il mesure à la fois les processus cathodiques et anodiques.
<table><caption>tableau 3 : méthodes de détection du biofilm et de la corrosion influencée microbiologiquement</caption><tr><td>Potentiel de corrosion (*)</td><td>Mesure facile mais difficilement interprétable dans le cas d'une corrosion microbienne.</td></tr><tr><td>Potentiel rédox</td><td>Très limité pour suivre les changements de la solution engendrés par l'activité bactérienne.<br/>Risque de corrosion par des BSR dans les sols (Starkey et al., 1945).<br/>Comportement de corrosion de l'aluminium, du nickel et du zinc dans des cultures de différentes bactéries (Guillaume et al., 1974).<br/>Rôle de différents contaminants de systèmes biphasiques essence/eau sur la corrosion des alliages d'aluminium (Salvarezza et al., 1981).</td></tr><tr><td>Polarisation de Tafel (*)</td><td>Interprétation facile des résultats mais incertitude sur l'identification des régions de Tafel.</td></tr><tr><td>Techniques de balayage potentiodynamique (*)</td><td>Evaluation du comportement des métaux passifs vis-à-vis de la corrosion mais influence des paramètres expérimentaux.</td></tr><tr><td>Résistance de polarisation (*)</td><td>Obtention d'informations sur la corrosion uniforme et non sur les piqûres occasionnées par le biofilm.</td></tr><tr><td>Technique de la cellule double</td><td>La mesure du courant galvanique pour mettre en évidence l'influence de l'activité microbiologique.<br/>Influence d'un <i>Pseudomonas</i> marin sur la corrosion du cuivre et l'effet de l'acide acétique biogénique sur la dépolarisation cathodique de l'acier inox (Little et al., 1986 et 1987).</td></tr><tr><td>Sondes de résistance électrique</td><td>Indication d'un changement dans la vitesse de corrosion générale mais interprétation difficile.<br/>Evaluation des risques de biocorrosion dans les industries pétrolières et dans les systèmes d'eau de refroidissement (Videla et al., 1990 et 1991b).</td></tr><tr><td>Impédance électrochimique (*)(**)</td><td>Nécessité d'une électrode en état stationnaire d'un point de vue de la corrosion et du biofilm.</td></tr><tr><td>Analyse de bruit électrochimique (*)(**)</td><td>Pas de perturbation du système de corrosion et de l'activité bactérienne.</td></tr><tr><td>Temps d'induction pour la nucléation de piqûre</td><td>Evaluation de la biocorrosion uniquement en laboratoire.<br/>Influence de différents métabolites de la mousse <i>H. resinae</i> sur le comportement des alliages d'aluminium vis-à-vis de la corrosion (Salvarezza et al., 1986 ; Videla, 1986b).</td></tr><tr><td>Technique de l'électrode vibrante</td><td>Méthode destructive du biofilm. Association nécessaire avec d'autres méthodes d'investigations.</td></tr><tr><td>Technique de la bi-électrode (*)(**)</td><td>Obtention d'une cartographie de densité de courant pour une corrosion localisée sur un coupon métallique. Application en laboratoire uniquement.</td></tr></table>

<footnote>(*) : ces techniques sont présentées dans ce chapitre.</footnote>

<footnote>(**) : ces techniques sont détaillées dans la deuxième partie du manuscrit</footnote>
**Applications** : cette méthode a été utilisée pour évaluer le comportement vis-à-vis de la corrosion d'échantillons d'acier enterrés dans les sols (Starkey et al., 1945) et lors d'expériences de laboratoire avec des cultures de BSR (Booth, 1971). La corrosivité de métabolites sur les aciers (Keresztes et al., 1998) et l'influence des biofilms et de la corrosion sur des aciers inoxydables dans l'eau de mer ont été étudiées (Dexter, 1995b).

### 1.B.1.b - Méthodes de polarisation en courant direct

Ces méthodes sont basées sur les diagrammes courant/tension d'Evans qui montrent graphiquement la relation entre le potentiel réversible des anodes et des cathodes et le comportement de polarisation des réactions anodiques et cathodiques. Ces deux réactions sont représentées par des courbes linéaires sur un graphique représentant le potentiel en fonction du log de courant : les valeurs obtenues au point d'intersection des deux courbes correspondent au potentiel de corrosion et au courant de corrosion.

#### α – Polarisation de Tafel

En pratique, les courbes courant/tension dérivent de la linéarité dans le voisinage du potentiel de corrosion ; elles possèderaient cependant une partie linéaire, appelée région de Tafel. L'extrapolation de ces segments linéaires des courbes anodiques et cathodiques jusqu'au potentiel de corrosion donne la densité de courant de corrosion (Dexter et al., 1991), et ce dans le cas d'une corrosion généralisée.

Dans ces conditions, la densité de courant de corrosion, mesurée par la technique d'extrapolation, peut être convertie en vitesse de corrosion selon l'équation 1 :

$$R = 0,13 \frac{i_{corr} \cdot k}{\rho_m} \qquad \text{équation 1}$$

où R est la vitesse de corrosion, $i_{corr}$ la densité de courant de corrosion, k la masse équivalente du métal et $\rho_m$ la densité du métal.

**Applications** : la polarisation galvanostatique a été fréquemment utilisée durant les années 60 pour l'étude de la biocorrosion de l'acier par des BSR afin d'évaluer l'influence de l'hydrogénase (Booth et al., 1960) ou du sulfure d'hydrogène (Costello, 1974) sur la dépolarisation cathodique du métal. Plus récemment, cette méthode a été utilisée pour estimer l'influence d'algues mortes lors du processus de corrosion d'acier 50D dans l'eau de mer (Edyvean et al., 1983) ou pour étudier le rôle des bactéries isolées de puits pétrolifères dans la biocorrosion de l'acier doux (Westlake et al., 1986).
## β – Techniques de balayage potentiodynamique.

Ces techniques sont utiles pour caractériser ou prédire le comportement électrochimique des métaux qui se passivent par la formation d'un film passivant ou protecteur.

Les micro-organismes peuvent induire un déplacement de la courbe cathodique : la consommation d'oxygène par respiration (Pedersen et al., 1989 et 1991) ou la production de métabolites acides (Thomas et al., 1988) changent le comportement du métal ou de l'alliage vis-à-vis de la corrosion. Les résultats de ces effets, causés par les biofilms se formant sur de l'acier inoxydable dans de l'eau de mer, indiquent que le mécanisme correspond à l'influence du biofilm sur la cinétique cathodique (Dexter et al., 1987). La technique de balayage rapide a été révisée par Siebert (1986) et les techniques de base utilisées pour effectuer ces tests peuvent être trouvées dans l'American Society for Testing and Materials (ASTM) Standard G3 et G5 (1981,1982).

L'investigation consiste en un ou plusieurs balayages, commençant du potentiel de corrosion jusqu'aux régions passive et transpassive et retour au potentiel de corrosion initial (Siebert, 1986).

**Applications** : ces méthodes ont été utilisées pour différencier l'effet de sulfures abiotiques et biogéniques sur le comportement de l'acier dans l'eau de mer vis-à-vis de la corrosion (Salvarezza et al., 1980b), pour différencier la corrosivité de différents contaminants microbiens de carburant aéronautique sur les alliages d'aluminium (Salvarezza et al., 1979) et pour étudier le rôle de biofilm de bactéries mixtes (Vibrio marin et BSR) sur le comportement électrochimique de l'acier au carbone en milieu salin (Gaylarde et al., 1987).

## χ – Méthode de résistance de polarisation

Cette méthode a été appliquée lors d'études de biocorrosion au cours des dernières années, soit en laboratoire, soit sur le terrain. La méthode est basée sur la relation linéaire entre les variations du potentiel appliqué et de la densité de courant résultante, quand les potentiels appliqués sont de 10 mV de part et d'autre du potentiel de corrosion. L'hypothèse utilisée pour cette technique est que l'interface métal/solution se comporte comme une simple résistance dont la grandeur est inversement proportionnelle au courant de corrosion (Stern et al., 1957). Ainsi, $i_{corr}$ est définie par l'équation 2 :

$$i_{corr} = \frac{\beta_a \beta_c}{2,3(\beta_a + \beta_c)} \cdot \frac{\Delta i}{\Delta E} \qquad \text{équation 2}$$
où βa et βc sont respectivement les pentes de Tafel anodique et cathodique. Généralement, il est accepté que le rapport $\frac{\beta_a\beta_c}{2,3.(\beta_a + \beta_c)}$ entre les pentes de Tafel est une constante et par conséquent, $i_{corr}$ peut être exprimée par l'équation 3 :

$$i_{corr} = B \cdot \frac{\Delta i}{\Delta E} \qquad \text{équation 3}$$

En pratique, les systèmes électrochimiques sont souvent plus complexes que le simple modèle pris comme hypothèse dans cette méthode. Les surfaces métalliques en contact avec les environnements aqueux naturels ou industriels sont souvent couvertes de films biologiques ou organiques ; ceux-ci peuvent mener à un comportement de polarisation non linéaire (Dexter et al., 1991).

**Applications** : des études de l'influence microbiologique sur la corrosion en laboratoire (Dowling et al., 1987) ont été réalisées. Différents travaux ont également complété les mesures de perte de poids et les données de polarisation en laboratoire pour évaluer la biocorrosion dans les industries pétrolières (Videla et al., 1991b).

### 1.B.1.c - Méthode en courant alternatif : la Spectroscopie à Impédance Electrochimique (SIE)

La méthode de spectroscopie d'impédance électrochimique mesure non seulement la composante résistive, mais également les composantes capacitive et inductive d'une impédance de surface globale. Cette particularité est utile en présence de films non ou semi-conducteurs comme les peintures organiques ou les films d'oxydes métalliques. Beaucoup de films microbiologiques adsorbés à la surface des métaux immergés dans des milieux aqueux naturels ou industriels sont non-conducteurs électroniques et les techniques de SIE sont potentiellement utiles en leur présence. Quoiqu'il en soit, les mesures de SIE sont particulièrement utiles pour les systèmes électrolyte/métal impliquant des films minces et continus dans des solutions de faible conductivité. Cette situation est rarement rencontrée dans les cas de biocorrosion où les films organiques et biologiques tendent à générer un recouvrement hétérogène plutôt que continu de la surface. De plus, les biofilms bactériens varient continuellement en épaisseur, et il est peu fréquent de trouver des biofilms qui sont à la fois minces et continus. Néanmoins, la SIE devrait fournir des informations sur les électrodes recouvertes de biofilm et peut aider à évaluer le degré de recouvrement.
**Avantages** : la SIE est capable de distinguer les réactions électrochimiques selon leur temps de relaxation. L'une des plus célèbres utilisations a été de déterminer la performance de différents types de revêtements organiques comme les peintures.

**Inconvénients** : une instrumentation coûteuse et complexe est nécessaire. Cette technique demande également une bonne connaissance électrochimique pour l'interprétation des données. Une modélisation de l'interface métal/solution est alors réalisée et peut se traduire sous la forme de circuits électriques équivalents. Ces modèles sont difficiles à appliquer dans le cas de surfaces recouvertes de biofilm, ce qui demande une extrapolation des données. Les biofilms sont des entités dynamiques changeant continuellement sous l'influence du métabolisme bactérien. De tels changements peuvent provoquer à court terme des fluctuations et une attaque localisée sous le biofilm ; la méthode classique de SIE n'est alors plus directement applicable.

**Applications** : plusieurs articles de Mansfeld et al. (1990b et 1994a) sur différentes applications de cette technique ont été présentés pour une étude de la biocorrosion. La revue de Mansfeld et al. (1994b) est également recommandée.

### 1.B.1.d - Analyse du bruit électrochimique

Cette technique, récemment appliquée à la biocorrosion pour des études en laboratoire et sur le terrain, suit aussi bien les fluctuations de potentiel que de courant en fonction du temps. L'analyse du bruit électrochimique ne nécessite pas de signal externe et est relativement simple à mettre en œuvre.

Théoriquement, plus la fréquence et l'amplitude des fluctuations de potentiel observées durant l'attaque du métal sont importantes, plus le nombre d'évènements participant au processus de corrosion et ainsi la vitesse de corrosion sont élevées.

Cette technique est utilisée pour des études de corrosion localisée et, bien que de nombreux articles se concentrent sur le bruit en potentiel seul, peu de chercheurs utilisent les mesures de bruit en courant en dépit du fait que ce dernier semble être plus proche du phénomène de corrosion localisé que le bruit en potentiel (Mansfeld et al., 1994b).

L'analyse du bruit est présentée comme une technique très prometteuse dans les études sur terrain et pour la détection de la corrosion. Son application au phénomène de biocorrosion a débuté au début des années 80 avec Iverson (1984) pour évaluer la biocorrosion anaérobie de l'acier par des BSR. Les fluctuations de potentiel accompagnant la rupture du film de sulfure
de fer produit par les BSR sur l'acier ont été enregistrées en laboratoire et sur des pipelines d'acier enterrés sur site naturel.

**Avantages** : cette technique est relativement facile à appliquer et ne demande pas de générateur de signal externe. Elle est spécialement adaptée à l'étude du phénomène de corrosion localisée. De part l'importance de l'attaque localisée dans la biocorrosion, l'analyse du bruit peut jouer un rôle important dans l'étude des participations microbiologiques. De plus, elle est applicable pour des investigations en laboratoire ou sur le terrain.

**Inconvénients** : elle nécessite une instrumentation particulière et une bonne connaissance en électrochimie et traitement du signal pour l'interprétation des résultats.

**Applications** : elle a été utilisée pour l'étude de corrosion anaérobie de l'acier par des BSR (Iverson, 1986b), pour étudier l'effet des BSR sur la corrosion du béton armé (Moosavi et al., 1986) et pour détecter la biocorrosion sur site (Winters et al., 1993).

### 1.B.1.e - Technique de la bi-électrode

Au cours des années 1990, des techniques expérimentales ont été développées pour faciliter l'étude de processus électrochimiques locaux : balayage par électrode vibrante (Isaacs et al., 1981), spectroscopie d'impédance électrochimique locale (Lillard et al., 1992), mesure par bi-électrode (Bayet et al., 1998). Ces méthodes sont basées sur la relation existant entre la différence de potentiel entre deux points voisins de la solution et la densité de courant local : celle-ci est donnée par l'équation 4.

$$i_{\text{local}} = \Delta\phi \cdot \frac{\kappa}{d} \qquad \text{équation 4}$$

où $\Delta\phi$ est la différence de potentiel mesurée entre les deux points séparés d'une distance d, $\kappa$ est la conductivité de l'électrolyte.

Par extension, l'impédance locale $Z_{\text{local}}$ peut être déterminée, en prenant en compte le potentiel de perturbation appliqué au système, selon l'équation 5:

$$Z_{\text{local}} = \frac{V_{\text{perturbation}}}{i_{\text{local}}} \qquad \text{équation 5}$$

où $V_{\text{perturbation}}$ est le potentiel de perturbation et $i_{\text{local}}$ la densité de courant local.

**Avantages** : une étude précise des caractéristiques électrochimiques locales est réalisable sur une électrode métallique, site d'une corrosion localisée notamment. Une cartographie des mesures rend compte des variations de valeurs.
**Inconvénients** : les résultats dépendent du diamètre des micro-électrodes et de la distance les séparant. Ces deux paramètres entraînent une limitation dans la résolution de la cartographie.

**Applications** : elle a été utilisée pour caractériser les défauts dans les revêtements organiques déposés à la surface de métaux (Wittman et al., 1995). Elle a été également associée à des mesures de pH local et de potentiel libre pour étudier la détérioration d'un alliage d'aluminium en environnement aqueux (Mierisch et al., 1998).

En conclusion, la biocorrosion est un processus électrochimique dû à la colonisation microbienne à la surfaces de métaux à travers des biofilms adhérents. La participation microbiologique dans la réaction de corrosion peut sévèrement altérer le comportement vis-à-vis de la corrosion et la résistance à la rupture du film passif en provoquant des variations localisées du pH, du gradient d'oxygène, de la concentration des ions au voisinage de l'interface métal/solution. Ces variations perturbent les paramètres électrochimiques utilisés dans les méthodes expérimentales d'évaluation de la biocorrosion.

Les méthodes électrochimiques peuvent être utilisées pour évaluer les effets microbiens sur la corrosion soit en laboratoire soit sur le terrain. Cependant, toutes ces méthodes sont des techniques efficaces lorsque les conditions électrochimiques et chimiques à la surface du métal sont uniformes et à l'équilibre. Réciproquement, les biofilms tendent à créer des conditions non uniformes et hors équilibre. Ainsi, toutes les techniques électrochimiques décrites dans ce chapitre devront être appliquées avec précaution au phénomène de biocorrosion pour éviter une mauvaise interprétation des résultats.

Une investigation optimale consistera, tant que possible, à associer plusieurs concepts et méthodes électrochimiques à des observations visuelles, à de la microscopie, à des techniques d'analyse de surface innovantes et à une analyse microbiologique solide pour parvenir à une caractérisation adéquate des micro-organismes responsables, de leurs interactions et des effets de leur activité et de leurs produits métaboliques sur la corrosion.

## 1.B.2 - Détecter la biocorrosion dans un contexte industriel

Une structure industrielle présente un environnement complexe dans lequel la biocorrosion peut potentiellement apparaître. Des exemples sont donnés par les circuits de refroidissement ou d'injection dans l'industrie des procédés ou de production pétrolière, les citernes de stockages, les équipements de traitements des eaux usées, les usines nucléaires, thermiques et hydroélectriques. Différentes conditions opérationnelles peuvent être présentes dans le
système : écoulement turbulent ou des eaux stagnantes, des surfaces lisses ou rugueuses et des matériaux de structure différente comme les métaux, les ciments et les plastiques.

Le contrôle et la détection de la corrosion inorganique ont été les deux objectifs majeurs des spécialistes du traitement de l'eau de refroidissement dans le passé. Malgré cela, un traitement d'inhibition de corrosion efficace seul ne garantit pas que les effets négatifs de la biocorrosion et du biofouling dans l'efficacité d'un échangeur de chaleur soient supprimés. Aujourd'hui, le point important est d'améliorer les méthodes pour maintenir les performances des échangeurs de chaleur en contrôlant les dépôts biologiques et en conservant l'inhibition de corrosion. Pour y parvenir, une compréhension adéquate des effets biologiques des biofilms sur le processus de corrosion est encore nécessaire pour garantir les traitements efficaces. Ainsi, la relation entre la corrosion inorganique et le biofouling de l'équipement d'échangeur de chaleur doit être contrôlée si une rentabilité à long terme est envisagée (Videla et al., 1992).

Les programmes de détection pour le biofouling et la biocorrosion ont été principalement dévolus à l'évaluation des populations planctoniques dans les échantillons d'eau et de la corrosion par des mesures de perte de poids, de résistance électrique. Les principales objections (Gilbert et al., 1987) à ce type d'approche de détection est que les populations planctoniques ne sont pas le reflet du type et du nombre d'organismes vivants dans le biofilm, cause d'un risque de biodégradation. Ainsi, les méthodes de détection adoptées doivent procurer des informations sur des biofilms bien établis comme ceux développés dans l'eau du système.

L'apparition de la biocorrosion est liée à la présence du biofilm. Comme il n'existe pas de capteur de biocorrosion, les industriels se sont tournés vers l'utilisation de capteurs de biofilm pour évaluer l'efficacité des traitements par biocide. Ceci explique le fréquent amalgame fait entre capteur de biofilm et capteur de biocorrosion.

### 1.B.2.a - Détection du biofilm par des méthodes électrochimiques

Un des inconvénients majeurs des programmes de détection de biocorrosion pour le suivi sur site a été l'incapacité d'évaluer la corrosion et les interactions du biofilm en temps réel. Dans ce sens, un développement récent dans l'évaluation en ligne du biofouling et de la corrosion basée sur un capteur de détection combiné pour la corrosion et le biofouling a été rapporté (Stokes et al., 1994; Winters et al., 1993). L'instrument est capable de procurer une indication de l'activité de corrosion sous les conditions de transfert de chaleur au niveau d'une paroi d'une conduite d'une unité d'échangeur de chaleur et est aussi capable d'évaluer
le risque de biocorrosion dans les mêmes conditions d'opération du système. Le détecteur combiné comprend un échangeur de chaleur miniature, une unité de contrôle électronique de chaleur et de circulation et un collecteur de données lié à un appareil électronique d'acquisition.

Trois techniques électrochimiques sont utilisées pour indiquer la tendance au biofouling et pour ainsi donner des informations sur la corrosion : le suivi du potentiel libre d'un coupon métallique, le bruit électrochimique en courant et la résistance de polarisation linéaire. Ces méthodes apportent une indication continue du comportement de corrosion à partir de dépôts de corrosion sous des conditions de transfert de chaleur. Selon les auteurs, le système de détection a été utile pour sélectionner, contrôler et optimiser les programmes de traitement par biocide et pour réduire les pertes de transfert de chaleur, diminuer les réparations et les coûts de maintenance.

Certaines de ces techniques sont largement utilisées pour suivre la formation du biofilm. Selon Salvago et al. (1994), une simple mesure électrochimique du courant et du potentiel lors de la réduction de l'oxygène permet de suivre la croissance du biofilm. Un film passif se forme à la surface des aciers inoxydables exposés en eau de mer. La mesure du potentiel et/ou du courant de réduction de l'oxygène est alors caractéristique de l'interface film passif/biofilm. En considérant le biofilm dans un état stationnaire, tout l'oxygène qui arrive à la surface du biofilm doit être réduit à l'interface film passif/biofilm selon un processus cathodique. Le biofilm peut alors influencer la valeur du courant obtenu par son épaisseur et sa capacité à permettre la diffusion de l'oxygène. L'activité biologique du biofilm peut également conduire à une modification de la nature des couches passives et du processus de réduction de l'oxygène (Lebozec, 2000).

Un autre appareil de détection en ligne pour l'activité du biofilm dans l'eau de refroidissement utilise un capteur électrochimique (BIOGEORGE) qui détecte les changements dans les réactions électrochimiques induites par les biofilms sur les électrodes en acier inox (Licina et al., 1992, 1993a et 1993b). Le capteur (figure 8) consiste en deux électrodes identiques montées dans un corps d'acier inox. Comme il peut être vu sur la figure, chaque électrode est faite d'une série de disques d'acier inox identiques. Un jeu de ces disques est polarisé par rapport à l'autre pendant approximativement 1 heure par jour en conservant la même polarité. Durant les périodes de mesures, les électrodes sont connectées par l'intermédiaire d'un ampèremètre à résistance nulle et les courants et les potentiels sont détectés en continu. En plus de l'acier inox type 316, des disques de cuivre-nickel 90-10 et de
titane étaient utilisés dans la conception des capteurs pour des milieux salins (Licina et al., 1995).

<figure><img src="image_9.png" /><figcaption>figure 8 : capteur BIoGEORGE™ (d'après Licina et al., 1993a)</figcaption></figure>

En résumé, les dépôts tels que les biofilms, qui induisent une augmentation dans le courant requis pour parvenir au potentiel appliqué, sont détectés par mesure du courant circulant durant le cycle de polarisation. Par exemple, les dépôts biologiques qui sont capables soit de catalyser la réduction de l'oxygène dans un environnement aéré soit de produire des réactions cathodiques alternatives devraient être plus faciles à détecter en mesurant les changements de courant. Selon les auteurs (Licina et al., 1994a), le faible niveau de polarisation de la cathode peut également encourager la colonisation microbienne. Scotto et al. (1993) ont également montré que l'accumulation des exopolymères est facilitée par la polarisation cathodique du métal dû à un enrichissement en ions bivalents. En revanche, pour Dowling et al. (1988), les fluctuations de potentiel peuvent interrompre ou perturber la formation du biofilm. Il semble donc difficile de maîtriser les conséquences d'une polarisation sur le développement du biofilm. Cette polarisation doit entraîner dans tous les cas une différence de comportement entre les surfaces du capteur BIoGEORGE et les surfaces des canalisations étudiées.

La présence ou la nature des films à la surface des métaux peut aussi être détectée en mesurant la résistance ohmique, procurant une méthode alternative pour la détection des films organiques ou inorganiques (Licina et al., 1994b). Le courant rémanent même après l'enlèvement du potentiel appliqué ou 'courant généré' procure une indication de l'activité du biofilm sur le métal.

L'appareil de détection peut aider l'opérateur du système en prenant des mesures préventives ou d'atténuation, tel que le départ d'ajout de biocide, les variations dans le dosage, la vérification de l'opération pour l'équipement d'ajout de biocide.
Une détection électrochimique de la croissance du biofilm et de la corrosion dans l'eau de mer (Mollica et al., 1993a) a été utilisée pour évaluer l'influence d'ajout de chlore (Mollica et al., 1993b). Cet appareil de détection utilise un couple galvanique entre un tube d'acier inox et une anode de fer. Le courant galvanique général entre le fer et plusieurs sections de l'acier inox, tout comme le courant galvanique et le potentiel de chaque section du tube, sont mesurés et collectés par un système d'acquisition de données. Les électrodes de zinc sont utilisées comme référence et les potentiels sont par la suite exprimés par rapport à une ECS. Les résultats de test sur le terrain montrent une augmentation du courant galvanique dans la première phase de la croissance du biofilm sur la surface d'acier inoxydable. L'appareillage permet l'optimisation des traitements anti-fouling en contrôlant les concentrations en chlore et la fréquence d'injection pour minimiser la vitesse de recouvrement par le biofilm. Les travaux de Mollica ont donné lieu à la réalisation d'un capteur : le BIOX, breveté par le Service de Recherche de la ENEL en Italie. Cependant, selon la STELAR S.N.C., société fabriquant et distribuant le BIOX, la détection du biofilm ne serait pas dépendante de la mesure du courant.

La méthode de signature est une nouvelle technique breveté par SINTEF SI dans les années 1985-1986 et maintenant disponible par CorrOcean (Strommen et al., 1993). La méthode par signature est non-intrusive et le suivi peut être directement réalisé par exemple sur la paroi d'une conduite sur une section relativement importante de la ligne de tube. La méthode peut détecter des attaques par corrosion dans une zone suffisamment importante pour que les électrodes détectent les attaques. La sensibilité est de 1/1000 de l'épaisseur de la paroi ou mieux pour la corrosion généralisée.

Le principe de la méthode de signature est le suivant : une matrice de petits capteurs sensibles, ou électrodes, est distribuée dans un réseau recouvrant la zone d'investigation. Un courant continu est appliqué à travers la matrice et la répartition du champ électrique est mesurée par la différence de potentiel entre les électrodes. La mesure du potentiel sur une paire A d'électrodes est calibrée par la mesure du potentiel entre une paire B d'électrodes de référence sur la section de référence et les valeurs initiales correspondantes quand le suivi est amorcé. Le coefficient d'empreinte (FC) est calculé selon l'équation 6 pour chaque jeu de mesures :

$$FC(A_i) = \frac{B_0}{A_0} \cdot \frac{A_i}{B_i} 1000ppt \qquad \text{équation 6}$$

où FC(Ai) est le coefficient d'empreinte au temps i pour une paire A d'électrodes, A₀ est la différence de potentiel pour la paire A d'électrodes à l'instant initial, B₀ est la différence de
potentiel pour la paire B de référence à l'instant initial, $A_i$ est la différence de potentiel pour la paire A au temps $i$ et $B_i$ est la différence de potentiel pour la paire B au temps $i$.

Le coefficient d'empreinte est exprimé en parties par milliers (ppt) et correspond directement à l'épaisseur de la paroi. La capacité à détecter les piqûres (Daaland, 1996) est dépendante de l'emplacement des électrodes, qui doivent être disposées suffisamment près des attaques pour pouvoir les détecter. La profondeur plus que la largeur d'une attaque modifie le coefficient d'empreinte. Ainsi, la distance entre les électrodes doit être inférieure à 12 mm pour donner un signal fort à partir d'une piqûre de 2x2x2 mm sur un échantillon de 24 mm d'épaisseur.

La formation de couches conductrices (sulfure de fer) peut engendrer des signaux qui ne sont pas facilement interprétables compte tenu de la profondeur des piqûres et de la vitesse de corrosion, mais ce point reste à vérifier.

Rosales (1994) a décrit un détecteur dénommé 'H₂O-X-MP', fournissant des informations rapides et faciles sur la présence des éléments dans l'eau et sur l'ampleur de la prolifération microbiologique dans les cuves des pétroliers. Ce détecteur permet de connaître l'agressivité de la phase aqueuse envers les alliages d'aluminium, donnant des informations non seulement sur la croissance microbiologique mais aussi sur le contenu en sel de l'eau. Le détecteur est constitué d'une sonde avec une bi-électrode et d'une commande électronique. La sonde est formée de deux électrodes concentriques métalliques, séparées par un matériau isolant, entre lesquelles circule un courant quand un potentiel est appliqué. Les caractéristiques de construction indiquent que le courant est proportionnel à la prolifération microbienne et à la quantité d'eau.

Dans le même esprit, la mesure par l'intermédiaire d'un ampèremètre à résistance nulle du courant galvanique entre deux électrodes de matériaux différents est traditionnellement utilisée pour déterminer le risque de corrosion galvanique ou l'entrée d'oxygène dans un environnement spécifique. Comme les attaques de biocorrosion sont caractérisées par des anodes et des cathodes locales, le même principe a été utilisé pour développer une technique, où des électrodes de même nature sont connectées pour amorcer artificiellement une piqûre sur l'anode (Chen et al., 1997 ; Campaignolle et al., 1997a et b). L'objectif de cette technique comme une technique de suivi est de donner une quantification du facteur de risque associé à une contamination bactérienne.

Les électrodes concentriques sont réalisées de sorte à avoir une cathode annulaire de grande surface qui entoure ou fait face à une anode circulaire de petite surface. Un courant faible
entre la cathode et l'anode est appliqué en utilisant un galvanostat qui impose une valeur de courant constant. L'utilisation d'une cathode de grande surface réduit la polarisation nécessaire entre l'anode et la cathode de sorte à ne pas trop perturber le biofilm par l'application du courant. Des changements dans le potentiel appliqué à l'anode sont enregistrés, et le courant galvanique entre la cathode et l'anode peut être mesuré par l'intermédiaire d'un ampèremètre à résistance nulle après que le courant imposé ait été coupé et que les deux électrodes du système aient été connectées.

Il y a un risque de court-circuit entre l'anode et la cathode par la génération de sulfures de fer et de produits de corrosion ; ceci peut être évité en plaçant les électrodes face à face plutôt que dans le même plan. Quoiqu'il en soit, l'utilisation d'électrodes concentriques se définit actuellement comme une technique d'investigation fondamentale.

Une méthode récente (Herbert-Guillou, 2000) permet la mesure in situ de l'épaisseur d'un biofilm pour des temps d'immersion de quelques jours à plusieurs mois. Elle est basée sur l'analyse du courant limite de réduction d'un traceur électrochimique (oxygène ou ferricyanure) et caractérise l'évolution du caractère élastique et de l'épaisseur moyenne des biofilms sur l'électrode d'investigation.

### 1.B.2.b - Détection du biofilm par des moyens physiques et/ou biologiques.

Un brevet américain, basé sur la capacité des micro-organismes à générer la fermentation, présente une certaine originalité (Cullimore et al., 1993). Le principe est le suivant : une cloche à base semi-perméable est placée dans un milieu de culture de micro-organismes. Lors de la formation d'un biofilm, des bactéries libèrent du gaz qui est piégé dans l'appareil qui est alors soulevé. Le temps de mise à flot donne une indication sur la quantité de biofilm formé.

Un autre système a été développé pour suivre la croissance de la biomasse par mesure de la pression dans un bio-réacteur aéré (Deront et al., 1998). Des billes servent de support au biofilm. La corrélation entre les mesures de pression et les nombres de Reynolds permet de déterminer la quantité de biomasse. L'activité biologique de la biomasse fixée est estimée à partir de la consommation d'oxygène et de la quantité de carbone organique total. Néanmoins, un tel capteur ne répond pas aux critères de précision, de sensibilité et de simplicité requis pour le suivi d'une biocorrosion.

Howsam et al. (1989) ont développé un petit réacteur dans lequel des prélèvements de biofilm sont réalisés et analysés par des méthodes microbiologiques. Cette méthode de suivi est en général destructive (Flemming, 1996) mais elle permet la détermination de paramètres
microbiologiques (morphologie et nombre de bactéries), de paramètres chimiques (composition de l'eau, quantité de carbone organique total, quantité d'azote et de phosphore), de paramètres biochimiques (protéines, carbohydrates, acide urique, lipides, ATP, activité respiratoire) et des paramètres physiques (masse, épaisseur, volume et propriétés spectroscopiques).

Un système de mesure de l'adénosine triphosphate ou ATP, appelé Bioscan™ (Chalut et al., 1995), permet d'identifier les biofilms et de contrôler l'utilisation de bio-dispersants (figure 9) par mesure spectrophotométrique UV-visible. Le détecteur repose sur la méthode classique de mesure de l'ATP. Il est peu destructif car seulement une petite partie du milieu est prélevée pour analyse. Le dispositif de la forme d'un stylo, utilisé dans le cadre du contrôle d'un biofilm, permet le prélèvement d'un échantillon de faible volume. Cet appareil présente deux inconvénients : d'une part, la mesure est fonction des cellules bactériennes et non du biofilm lui-même et d'autre part, il est sophistiqué et cher.

<figure><img src="image_10.png" /><figcaption>figure 9 : capteur Bioscan™ (d'après Chalut et al., 1995)</figcaption></figure>

Pour Chumkhunthod et al. (1998), les microscopies à épifluorescence et électronique à balayage sont des méthodes rapides pour connaître l'efficacité de biocides contre les *Pseudomonas* contenues dans le biofilm. L'observation des surfaces permet de mettre directement en évidence la présence ou non de bactéries. Cependant, ces techniques ne sont pas liées au biofilm mais aux bactéries, elles ne sont pas immédiates et nécessitent la préparation des échantillons.

L'analyse de coupons pour détecter et suivre la formation du biofilm est une technique classique et souvent décrite dans la littérature (Lutterbach et al., 1997 ; Nekoksa et al., 1993).
Le principe de détection est d'immerger les échantillons pendant plusieurs semaines puis de pratiquer diverses analyses de la surface : pertes de poids (la dégradation du matériau est dans ce cas non négligeable), résistance de polarisation, énumération de souches bactériennes, identification et mesures de l'activité biologique.

Le premier système de suivi avec des échantillons en dérivation ou en série est le Robbins Device (Ruseska et al., 1982) où les coupons ont la forme de clous (figure 10). Ses principaux inconvénients sont des temps d'expérience assez longs et une réalisation complexe. De plus, les petits échantillons entraînent une perte d'informations sur toute la surface. Cependant l'utilisation des systèmes en dérivation est plus flexible et interfère moins sur les installations. Ce type de capteur peut aussi être utilisé notamment dans le cadre du contrôle de l'efficacité d'un biocide.

<figure><img src="image_11.png" /><figcaption>figure 10 : système Robbins (d'après Ruseska et al., 1982)</figcaption></figure>

Un système développé plus récemment (RENAProbe™ soit Reusable, Non conventional Appliance) (Videla et al., 1990) est utilisé pour suivre les effets du biofouling et de la corrosion dans les circuits de refroidissement ou dans les conduites d'injection d'eau des gisements pétroliers.

Signalons l'existence d'un brevet américain concernant la détection du biofilm à partir de coupons (Peyton et al., 1997). Contrairement à la plupart des méthodes de coupons, il ne s'agit pas de métal mais de verre, pouvant ainsi être stérilisé avant toute utilisation. Le biofilm est analysé par les méthodes de microbiologie de façon à déterminer la quantité, le type et le taux de croissance des micro-organismes ainsi que les nutriments requis.

Mais les principaux inconvénients de ces méthodes de détection par coupon restent identiques : des temps de réponse très longs, des analyses ex situ, un personnel qualifié pour la mise en œuvre et l'interprétation des résultats.
La détection et le suivi du biofouling sont essentiels pour éviter les risques de biocorrosion dans les systèmes industriels. La biocorrosion peut bouleverser les performances des stratégies conventionnelles et efficaces de traitements de l'eau pour l'inhibition du biofouling et de la corrosion. A moins d'être contrôlée par des contre-mesures efficaces, la biocorrosion peut causer des attaques localisées sévères sous les biofilms, menant à des ruptures accélérées de métal.

Un suivi propre de l'influence de la biodétérioration sur les systèmes d'eau industriels demande une évaluation précise des paramètres biologiques et électrochimiques qui contribuent aux processus de biocorrosion et encouragent la croissance et la propagation de la population de bactéries sessiles.

Plusieurs outils valables sont disponibles pour identifier la nature des processus se mettant en place pour la biocorrosion et pour évaluer les résultats de programmes de contrôle. Des appareils multi-tâches facilitent la collection d'échantillons pour l'analyse des produits de corrosion et du biofilm, permettent la corrélation entre les données de laboratoire et celles du terrain pour une sélection de biocide et procurent une source utile d'information pour l'évaluation des traitements de contrôle.

Des techniques innovantes analytiques, microscopiques, microbiologiques et d'analyses de surface permettent le développement d'approches dignes de confiance des problèmes de biofouling. Elles représentent un progrès majeur dans la bataille contre la détérioration des matériaux et dans le suivi en ligne de l'évolution de la biocorrosion.

Aucun capteur n'existe actuellement pour une détection et un suivi de biocorrosion sur site industriel. Celui utilisé dans le présent travail permet de réaliser ces objectifs par une mesure du courant anodique généré par le développement d'une corrosion induite microbiologiquement.
# CHAPITRE 2 : BIOCORROSION AMORCEE ARTIFICIELLEMENT ET INVESTIGATIONS EN CONDITIONS STATIONNAIRES

Compte tenu de l'enjeu industriel dans la lutte contre la détérioration des structures métalliques par une corrosion induite microbiologiquement (20 à 30 % des cas de corrosion, dommages estimés à plusieurs milliards d'euros), un capteur de biocorrosion de nouvelle génération et le protocole associé se doivent d'être définis pour répondre aux attentes actuelles. L'idée première prend sa source dans le travail de thèse de Campaignolle (1997) et conduit à la conception d'un capteur de biocorrosion à électrodes concentriques en acier au carbone. Son atout principal est de détecter le courant de corrosion circulant entre les électrodes constitutives du capteur par un montage intégrant un ampèremètre à résistance nulle. Cette mesure est obtenue après un conditionnement électrochimique des surfaces métalliques : une piqûre est amorcée, le processus de biocorrosion est entretenu par l'activité métabolique du biofilm. Cependant, le courant enregistré constituait une mesure du facteur de risque de la corrosion bactérienne dans des conditions expérimentales spécifiques : il permettait de déceler un courant de corrosion dont la valeur s'avère plus importante que lors d'une corrosion simple.

## 2.A - Introduction aux mesures de biocorrosion amorcée artificiellement

### 2.A.1 - Notion de couplage galvanique

Un rappel est fait sur la notion de couplage galvanique entre deux électrodes métalliques dont les propriétés chimiques ou de surface sont différentes. Une circulation d'électrons entre une anode et une cathode conduit à la mesure d'un courant électrique, ce qui constitue un moyen de détection de corrosion. Les deux échantillons sont connectés par le biais d'un câble électrique et le circuit est complété à travers l'électrolyte. Il s'ensuit que tout couple de métaux non similaires en contact l'un avec l'autre dans un électrolyte produit une cellule galvanique : le couplage est alors réalisé et un courant circule entre les deux métaux considérés, de l'anode vers la cathode dans l'électrolyte. En considérant un métal $M_1$ dont le potentiel libre caractéristique de l'interface est $E_1$ et un métal $M_2$ dont le potentiel libre est $E_2$, avec $E_1>E_2$, un couplage galvanique impose un comportement cathodique au métal $M_1$ et un comportement anodique au métal $M_2$. Une schématisation est donnée en figure 11 décrivant les réactions anodiques et cathodiques dans une cellule électrochimique.
<figure><img src="image_12.png" /><figcaption>figure 11 : réactions anodiques et cathodiques lors d'un couplage galvanique dans une cellule électrochimique</figcaption></figure>

Ce principe d'électrochimie est représenté (figure 12) en considérant les courbes courant/tension des métaux M₁ et M₂. Il rend compte du couplage galvanique réalisé entre les deux électrodes, en définissant le potentiel de corrosion Ecorr et le courant de corrosion Icorr résultant du couplage. Ce dernier est égal au courant de corrosion anodique Ia et à la valeur absolue du courant de corrosion cathodique Ic, respectivement attribués à l'anode et à la cathode du couple de corrosion M₁-M₂.

<figure><img src="image_13.png" /><figcaption>figure 12 : représentation du couplage galvanique par les courbes courant/tension pour les métaux M₁ et M₂</figcaption></figure>

## 2.A.2 - Description du capteur de Biocorrosion à Electrodes Concentriques : le capteur BEC

Suite aux travaux de recherches doctorales de Campaignolle (1997), le principe du capteur développé par celui-ci est repris. Ce capteur est composé de deux anneaux et d'un disque métalliques concentriques. Le métal constitutif des électrodes est identique au métal de la
structure sur laquelle le futur capteur doit être installé. Après usinage des électrodes, les connexions électriques sont réalisées et l'ensemble est coulé dans une résine époxy marine. Un usinage final permet d'obtenir un capteur cylindrique pouvant être introduit dans une cellule d'électrochimie ou dans une structure métallique (figure 13). La dénomination des électrodes et leurs dimensions respectives sont données dans le tableau 4.

<table><caption>tableau 4 : caractéristiques géométriques des électrodes constitutives du capteur de biocorrosion à électrodes concentriques (capteur BEC)</caption><thead><tr><td></td><td>Diamètre interne (mm)</td><td>Diamètre externe (mm)</td><td>Surface (mm²)</td></tr></thead><tbody><tr><td>Anneau externe (AE)</td><td>22</td><td>30</td><td>326</td></tr><tr><td>Anneau intermédiaire (AI)</td><td>4</td><td>10</td><td>66</td></tr><tr><td>Disque central (DC)</td><td>-</td><td>2</td><td>3.2</td></tr></tbody></table>

<figure><img src="image_14.png" /><figcaption>figure 13 : capteur de biocorrosion à électrodes concentriques (capteur BEC)</figcaption></figure>

Dans cette étude, le métal est de l'acier au carbone API 5L, grade 50D. Sa composition est donnée en pourcentage élémentaire dans le tableau 5.

<table><caption>tableau 5 : pourcentages élémentaires de l'acier au carbone du capteur BEC</caption><tr><td>C</td><td>0,063</td><td>Cu</td><td>0,264</td></tr><tr><td>Mn</td><td>1,480</td><td>Al</td><td>0,052</td></tr><tr><td>Si</td><td>0,481</td><td>Ni</td><td>0,362</td></tr><tr><td>P</td><td>0,0039</td><td>Va</td><td>Traces</td></tr><tr><td>S</td><td>0,0006</td><td>Sn</td><td>0,0192</td></tr><tr><td>Cr</td><td>0,037</td><td>Ti</td><td>Traces</td></tr><tr><td>Mo</td><td>0,091</td><td>B</td><td>0,0004</td></tr></table>

La géométrie cylindrique est adoptée pour simplifier la modélisation des phénomènes électrochimiques ou électriques lors d'une expérience complète de biocorrosion. Dans le cadre d'une meilleure compréhension du phénomène de corrosion bactérienne, la séparation des réactions anodiques et cathodiques s'avère nécessaire et explique la présence de deux des électrodes lors de la conception du capteur. Ce point concerne le disque central et l'anneau externe, le premier jouant le rôle d'anode de biocorrosion et le secondee celui de cathode de
biocorrosion. Une troisième électrode, l'anneau intermédiaire, est intercalée afin de suivre la progression éventuelle d'un pont de sulfure de fer entre le disque central et l'anneau externe. La biocorrosion des aciers au carbone générant du sulfure de fer conducteur, le risque potentiel est l'établissement d'un court-circuit entre la cathode et l'anode de biocorrosion : la mesure du courant circulant librement entre les deux électrodes n'est alors plus possible par un montage électrique externe. Le contrôle systématique des potentiels des électrodes au cours d'une expérience de corrosion bactérienne permet de prévenir la formation de ce pont de sulfure de fer.

Pour convertir le courant de corrosion en vitesse de corrosion, l'équation 1 définie à la section 1.B.1 (page 29) peut être appliquée pour le calcul de vitesse de corrosion pour une corrosion se développant uniformément sur le disque central :

$$R = 1,1 \cdot \frac{I_{corr}}{S_{corr}} \qquad \text{équation 7}$$

où R est la vitesse de corrosion exprimée en mm/an, $I_{corr}$ (en µA) le courant de corrosion circulant au niveau d'une surface métallique de surface active $S_{corr}$ (en mm²).

Avant son introduction dans une cellule d'électrochimie pour des études en laboratoire, ou dans une structure industrielle pour un suivi de détérioration, le capteur BEC est poli sur des papiers abrasifs SiC de grades 180 à 800. Un nettoyage à l'eau puis à l'alcool à 90% précède sa mise en place.

La cellule d'électrochimie en Plexiglas® accueille une électrode de référence au calomel, une grille de platine et le capteur BEC (figure 14). Des ouvertures opposées assurent la circulation d'un milieu liquide à travers l'ensemble de la cellule d'électrochimie. L'étanchéité est réalisée par des joints toriques sur l'ensemble du montage. Les dimensions données dans le tableau 6 indiquent les dimensions internes de la cellule d'électrochimie.
<table><caption>tableau 6 : caractéristiques géométriques de la cellule d'électrochimie</caption><tr><td>Diamètre interne</td><td>3.5 cm</td></tr><tr><td>Longueur interne</td><td>8.5 cm</td></tr><tr><td>Volume interne</td><td>83 cm<sup>2</sup></td></tr></table>

<figure><img src="image_15.png" /><figcaption>figure 14 : montage expérimental pour le suivi de biocorrosion en laboratoire</figcaption></figure>

Avant la mise en place des différents accessoires et le démarrage d'une expérience de biocorrosion, la cellule d'électrochimie est soigneusement nettoyée à l'eau de Javel puis à l'eau déminéralisée stérile. La cellule équipée est placée dans une étuve régulée à 37,4°C : la disposition de la cellule d'électrochimie est telle que les électrodes du capteur BEC sont orientées vers le haut dans un plan horizontal. Un milieu 'eau de mer synthétique', dont la composition est donnée par la suite, est injecté dans la cellule avant que l'essai de biocorrosion ne soit commencé.

## 2.A.3 - Description du montage électrochimique

### 2.A.3.a - Suivi du courant de corrosion et des potentiels

Lors d'une expérience de biocorrosion, les potentiels des électrodes métalliques et le courant de corrosion circulant entre les électrodes lorsque le phénomène de biocorrosion est établi sont enregistrés. En considérant dans ce paragraphe l'aspect purement électrochimique du processus de corrosion induite microbiologiquement, un montage électrique est réalisé afin de collecter le maximum d'informations lors d'une expérience. Il comprend (figure 15) un multimètre (2000 multimeter, Keithley) qui permet d'enregistrer des potentiels simultanément sur 10 voies réparties en deux groupes de 5 voies entrée/sortie. Chaque groupe de voies est associé à un potentiel de référence. Compte tenu des quantités représentatives du phénomène
de biocorrosion, un groupe de voies est dédié à l'enregistrement des potentiels par rapport à une électrode de référence ; le second groupe de voies enregistre le courant circulant entre les électrodes de biocorrosion. Pour ce dernier, le signal de courant doit au préalable être converti en signal tension, ce qui est réalisé par l'ampèremètre à résistance nulle, le signal étant disponible sur la sortie $I_{out}$. L'ensemble des données est transféré sur ordinateur : l'application FRQM développée au Laboratoire des Physiques des Liquides et Electrochimie permet de représenter l'évolution au cours du temps des grandeurs électrochimiques (courant de biocorrosion $I_{corr}$, potentiels de l'anneau externe, de l'anneau intermédiaire et du disque central, respectivement notés $V_{AE}$, $V_{AI}$ et $V_{DC}$).

<figure><img src="image_16.png" /><figcaption>figure 15 : acquisition des grandeurs électrochimiques lors d'une expérience de biocorrosion</figcaption></figure>

### 2.A.3.b - Courbes courant/tension

Un second montage électrique est réalisé afin de tracer des courbes courant/tension au cours de l'expérience. Les courbes obtenues permettent de suivre l'évolution au cours du temps de la résistance de polarisation mais également d'expliquer les comportements électrochimiques des différentes électrodes métalliques. Un montage classique à trois électrodes est utilisé : une électrode de travail, une contre électrode (grille de platine) et une électrode de référence (électrode au calomel saturé, ECS) comme représenté figure 16. Les courbes sont tracées en régulation galvanostatique et le pilotage informatique du galvanostat (SI 1287 electrochemical interface, Solartron) se fait par l'application Ei-Mes développée au Laboratoire de Physique des Liquides et Electrochimie.
<figure><img src="image_17.png" /><figcaption>figure 16 : montage électrique pour l'obtention des courbes courant/tension</figcaption></figure>

La mise en œuvre de cette technique permet l'obtention des courbes courant/tension pour chaque électrode composant le capteur BEC. Le balayage est réalisé à une vitesse de 0.5 µA/s et l'amplitude de courant est de ±5 µA autour de la valeur du courant traversant l'électrode. Ce faible écart de courant évite une perturbation trop importante au sein du biofilm. Cependant, le domaine de courant balayé se limitera toujours au domaine de polarité imposé par le courant de corrosion à l'électrode.

Par traitement des courbes courant/tension, la résistance de polarisation est déterminée en appliquant l'équation 8 dans le domaine de réponse linéaire de la courbe considérée :

$$R_p = \frac{dV}{dI} \qquad \text{équation 8}$$

### 2.A.4 - Description de la partie microbiologique

La souche utilisée dans le cadre de l'étude de la biocorrosion des aciers au carbone est la souche Desulfovibrio gabonensis DSM 10636 (Tardy-Jacquenod et al., 1996). Il s'agit de bactéries sulfato-réductrices strictement anaérobies qui ont la capacité de réduire le sulfate en sulfure durant leur cycle métabolique (figure 17). Cette réduction nécessite un donneur d'électron qui, dans le cas présent, est le lactate. Les conditions initiales de culture en continu demandent une température de 37,4°C, un pH de 7,4, une atmosphère strictement anaérobie et un milieu de croissance répondant à la demande en nutriments des bactéries.
<figure><img src="image_18.png" /><figcaption>figure 17 : schématisation du métabolisme de la souche Desulfovibrio gabonensis (adaptation d'après Cragnolino et al., 1984)</figcaption></figure>

### 2.A.4.a - Montage microbiologique et paramètres de culture

Pour se rapprocher le plus possible des conditions réelles de biocorrosion, le milieu de croissance préparé a une composition proche de celle de l'eau de mer : une valeur de 3% de NaCl dans la solution et l'ajout d'autres sels minéraux permettent d'assimiler le milieu final à de l'eau de mer synthétique.

Cependant, pour éviter la précipitation de certains sels lors de la stérilisation du milieu de culture et une contamination possible au cours du temps, la préparation se fait dans deux barillets différents : les milieux sont donc complémentaires, la précipitation de sels est évitée et l'injection séparée supprime le développement de bactéries contaminantes au niveau des barillets d'alimentation. La composition du milieu 'eau de mer synthétique', noté par la suite EMS, est donnée en g/L dans les tableaux 7 et 8.

<table><caption>tableau 7 : composition en g/L du milieu contenu dans le barillet 1</caption><tr><td>Sulfate de sodium Na<sub>2</sub>SO<sub>4</sub></td><td>2</td></tr><tr><td>Hydrogénocarbonate de potassium KHCO<sub>3</sub></td><td>0,2</td></tr><tr><td>Sulfate de magnésium heptahydraté MgSO<sub>4</sub>, 7 H<sub>2</sub>O</td><td>4</td></tr><tr><td>Chlorure de sodium NaCl</td><td>30</td></tr><tr><td>Chlorure d'ammonium NH<sub>4</sub>Cl</td><td>1</td></tr><tr><td>Extrait de levure</td><td>0,25</td></tr><tr><td>Chlorure de calcium dihydraté CaCl<sub>2</sub>, 2 H<sub>2</sub>O</td><td>0,1</td></tr></table>

<table><caption>tableau 8 : composition en g/L du milieu contenu dans le barillet 2</caption><tr><td>Di-hydrogénophosphate de potassium K<sub>2</sub>HPO<sub>4</sub></td><td>0,5</td></tr><tr><td>Lactate de sodium</td><td>2,4</td></tr><tr><td>Sulfate de fer heptahydraté FeSO<sub>4</sub>, 7 H<sub>2</sub>O</td><td>0,15 x 10<sup>-3</sup></td></tr></table>
Le pH des milieux est ajusté par ajout d'acide chlorhydrique HCl 4N à une valeur de 6,2 pour le barillet 1 et à une valeur de 7,4 pour le barillet 2 avant stérilisation à 121 °C pendant 1 heure. Sortis de l'autoclave, les barillets sont mis à refroidir avec agitation magnétique sous flux d'azote afin d'éliminer l'oxygène et obtenir une anaérobiose relative des milieux.

L'injection simultanée des milieux dans un fermenteur de culture constitue le milieu EMS ; le débit est fixé à une valeur de 37,5 mL/h pour le milieu contenu dans le barillet 1 et à une valeur de 12,5 mL/h pour le milieu contenu dans le barillet 2.

La culture bactérienne est réalisée dans un fermenteur, élément central pour une production de biomasse importante. Le montage (figure 18) comprend une électrode de pH, une régulation par ajout d'acide sulfurique 0,2N, deux entrées permettant l'alimentation à partir de deux barillets, un piquage pour le soutirage, un piquage pour le prélèvement d'échantillons, une entrée d'azote et une sortie de gaz. Une double paroi permet la circulation d'un fluide de régulation dont la température est fixée à 37,4°C. Sur un volume total de 2 litres, le volume utile est fixé à 1 litre, correspondant à un taux de dilution de 0,05 compte tenu du débit d'alimentation. Avant démarrage de la culture bactérienne, le fermenteur et les accessoires sont stérilisés à 120°C pendant 20 minutes.
<figure><img src="image_19.png" /><figcaption>figure 18 : montage expérimental d’alimentation bactérienne et d’investigation électrochimique pour une expérience de biocorrosion</figcaption></figure>
Les tuyaux installés sur le fermenteur sont des tuyaux Pharmed® imperméables aux gaz ($H_2S$ en particulier) ; les milieux sont injectés et soutirés grâce à des pompes péristaltiques.

Afin de démarrer la culture bactérienne au sein du fermenteur, une fiole de préculture est préparée dans un flacon Wolff d'un litre équipé d'un septum. Le milieu de préculture est défini dans le tableau 9, pour lequel la composition est donnée en g/L.

<table><caption>tableau 9 : composition en g/L du milieu de préculture pour le démarrage de la culture bactérienne</caption><tr><td>Sulfate de sodium $Na_2SO_4$</td><td>2</td></tr><tr><td>Hydrogénocarbonate de potassium $KHCO_3$</td><td>0,2</td></tr><tr><td>Sulfate de magnésium heptahydraté $MgSO_4$, 7 $H_2O$</td><td>4</td></tr><tr><td>Chlorure de sodium $NaCl$</td><td>30</td></tr><tr><td>Chlorure d'ammonium $NH_4Cl$</td><td>1</td></tr><tr><td>Extrait de levure</td><td>1</td></tr><tr><td>Chlorure de calcium dihydraté $CaCl_2$, 2 $H_2O$</td><td>1</td></tr><tr><td>Di-hydrogénophosphate de potassium $KH_2PO_4$</td><td>0,5</td></tr><tr><td>Lactate de sodium</td><td>3,6</td></tr><tr><td>Sulfate de fer heptahydraté $FeSO_4$, 7 $H_2O$</td><td>16 x $10^{-3}$</td></tr></table>

Avant stérilisation, le pH de la solution est ajusté à 7,4 par ajout d'acide chlorhydrique $HCl$ 4N ou de soude $NaOH$ 2N. L'ensemble est stérilisé pendant 20 minutes à 120°C. Sorti de l'autoclave, le flacon est immédiatement introduit dans l'étuve régulée à 37°C d'une chambre anaérobie. Un culot décongelé de la souche *Desulfovibrio gabonensis* est introduit dans la chambre anaérobie et son contenu injecté dans le milieu de préculture. Un délai de 5 jours est nécessaire pour observer la coloration noire de sulfure de fer caractéristique de la croissance bactérienne.

La fiole de préculture est alors transvasée dans le fermenteur en conservant au mieux le caractère stérile et anaérobie. Le pH et la température du fluide de régulation sont vérifiés. Dès que la régulation par acide est amorcée, l'alimentation en milieu EMS est réalisée. Un délai de 4 jours est respecté pour obtenir, par relevé quotidien des paramètres, des conditions de culture stationnaires.

### 2.A.4.b - Contrôle des paramètres de culture

Afin de rendre compte de la croissance bactérienne et des conditions de stabilité de la culture au sein du fermenteur, différentes techniques de contrôle sont utilisées : densité optique, dosage des substrats et produits de métabolisme, identification. Les paramètres font l'objet d'un dosage quotidien et leur étude est effectuée à partir d'échantillons prélevés du fermenteur.
## α – Dosage qualitatif de la croissance bactérienne

La densité optique (DO) consiste à mesurer l'absorbance d'un échantillon de fermentation par spectrophotométrie à une longueur d'onde de 600 nm. Cette mesure est effectuée par référence à l'eau déminéralisée dans un spectrophotomètre UV-visible (UV-1601, Shimadzu). Elle est fonction de la concentration en bactéries dans l'échantillon par l'équation 9 :

$$Abs = C.l.ε \qquad \text{équation 9}$$

où C est la concentration en cellules, l la longueur du passage du faisceau à travers l'échantillon, ε le coefficient d'absorption du milieu. Cependant, la mesure relative est indicatrice d'une variation du nombre de cellules bactériennes au sein du milieu de fermentation : une augmentation de la DO indique une croissance bactérienne et donc un renouvellement continu de la population bactérienne planctonique dans le fermenteur. Une diminution de la mesure de DO démontre que les bactéries ne se multiplient pas.

## β – Dosage quantitatif des espèces chimiques

Le dosage des espèces chimiques, substrat ou produits de métabolisme, donne une estimation de l'activité microbiologique et indique quelles concentrations en espèces chimiques sont par la suite injectées au niveau du capteur BEC. La technique utilisée fait appel à la chromatographie liquide haute performance (HPLC pour High Performance Liquid Chromatography) en injectant un micro-volume d'échantillon par un passeur automatique (SP8880, Spectra-Physics) sur une colonne séparative cationique (HPX87H+, BioRad, Hercules). La détection des espèces chimiques se fait par réfractométrie différentielle (Waters 410, Millipore) : une analyse qualitative est réalisée. Par l'analyse d'une solution standard à 1 g/L de lactate et 1 g/L d'acétate dans de l'acide sulfurique 0,5 M, la comparaison avec les résultats obtenus sur un échantillon de fermentation permet un dosage quantitatif. Lors d'une analyse, les échantillons sont filtrés sur un filtre de 0,2 µm, dilués dans un rapport 1:1 avec une solution d'acide sulfurique 0,5 M puis placés dans le porte échantillons du passeur automatique. Cette technique est particulièrement utile pour doser les concentrations en lactate (donneur d'électrons), en acétate (produit de métabolisme découlant de l'oxydation du lactate) et en sulfate (accepteur final d'électrons) qui sont tous des produits intervenant directement dans le métabolisme bactérien.

Le dosage des sulfures comme produits de réduction du sulfate lors du cycle métabolique est effectué par deux méthodes différentes de part leur mise en œuvre : une méthode au bleu de méthylène (Lindsay et al., 1988) et une méthode au sulfate de cuivre (Cord-Ruwish, 1985).
Cependant, ces méthodes ne sont appliquées que pour un dosage semi-quantitif des sulfures présents dans les échantillons.

## χ – Contrôle de pureté de la culture bactérienne

Cette technique nécessite la préparation d'un milieu gélosé pour lequel le tableau 10 donne la composition en g/L.

<table><caption>tableau 10 : composition en g/L d'un milieu gélosé pour évaluation de la pureté d'une culture de bactéries sulfato-réductrices</caption><tr><td>Tripticase Soy Agar</td><td>40</td></tr><tr><td>Agar</td><td>2,5</td></tr><tr><td>Lactate de sodium</td><td>4</td></tr><tr><td>Sulfate de magnésium heptahydraté MgSO<sub>4</sub>, 7 H<sub>2</sub>O</td><td>2</td></tr><tr><td>Fer ammonium sulfate hexahydraté (NH<sub>4</sub>)<sub>2</sub>Fe(SO<sub>4</sub>)<sub>2</sub>, 6 H<sub>2</sub>O</td><td>0,5</td></tr></table>

Le milieu est préparé puis stérilisé pendant 20 minutes à 120°C. Sorti de l'autoclave, le milieu est introduit dans une chambre anaérobie. Les boîtes de Pétri sont alors coulées et stockées jusqu'à complet refroidissement. L'étalement de l'échantillon et le développement sur boîte se font entièrement sous atmosphère anaérobie. Après 4 jours d'incubation, les souches bactériennes se sont suffisamment développées pour évaluer la pureté ou la contamination de la culture bactérienne en fermenteur.

## 2.A.5 - Description des réalisations d'expériences de biocorrosion

Le principe fondamental pour l'étude de la biocorrosion est l'amorçage du processus à la surface d'une électrode d'acier au carbone. Cet amorçage correspond à l'établissement d'une piqûre de corrosion qui est supposée être par la suite maintenue par la présence de bactéries dans son environnement proche. La première étape consiste à mettre en place le matériel biologique à la surface du capteur pour créer un biofilm et avoir une participation microbiologique dans le phénomène de corrosion. La seconde étape permet de conditionner les électrodes, étape ayant pour but d'amorcer une piqûre de corrosion. Le courant résultant est détectable durant la troisième étape dont le principe est de court-circuiter les électrodes par l'intermédiaire d'un ampèremètre à résistance nulle. L'ensemble de ce protocole permet de lier étroitement l'électrochimie et la microbiologie et de créer un environnement propice pour une étude de biocorrosion d'acier au carbone par des bactéries sulfato-réductrices.

### 2.A.5.a - Développement du biofilm

Afin de mettre en place le matériel biologique à la surface du capteur BEC, un biofilm est développé par décantation des bactéries sulfato-réductrices planctoniques provenant du
fermenteur (figure 19). Les bactéries sont mises en contact avec les différentes électrodes et le développement classique du biofilm s'amorce. D'un point de vue électrochimique, les électrodes sont laissées à leur potentiel libre : V<sub>DC</sub>, V<sub>AI</sub> et V<sub>AE</sub> sont enregistrés par rapport à une électrode de référence au calomel saturé. Cette étape, dite de développement de biofilm, s'applique pendant une période de 5 jours environ.

<figure><img src="image_20.png" /><figcaption>figure 19 : développement de biofilm à la surface du capteur BEC</figcaption></figure>

### 2.A.5.b - Amorçage électrochimique de biocorrosion

Cette phase d'amorçage de biocorrosion consiste à conditionner les électrodes en modifiant les propriétés de surface afin de créer les conditions d'un couplage galvanique. Elle prend chronologiquement place après l'étape de développement du biofilm bactérien. Réalisable selon une méthode dite d'amorçage électrochimique ou conditionnement, elle est nécessaire pour amorcer et localiser une corrosion par piqûre, départ d'un processus de biocorrosion. Cette méthode fait appel à une technique électrochimique dont le principe est présenté ci-dessous.

Par l'intermédiaire d'un galvanostat (SI 1287 electrochemical interface, Solartron), un courant cathodique est injecté au niveau du disque central (figure 20). L'anneau externe est utilisé comme anode de conditionnement. La polarité du courant injecté sur le disque central se définit d'elle-même : en considérant la figure 12, il apparaît qu'une électrode au potentiel libre cathodique réagit comme une anode de corrosion lorsqu'elle est couplée à une électrode dont le potentiel libre est plus anodique. De ce fait, le disque central sur lequel le processus de biocorrosion est envisagé doit atteindre un potentiel libre plus cathodique que l'anneau externe : le conditionnement est appliqué dans ce sens. Ce conditionnement modifie les propriétés de surface par polarisation des électrodes et les évolutions de V<sub>AE</sub> et V<sub>DC</sub> sont enregistrées par rapport à une électrode de référence au calomel saturé. Cette phase s'applique pendant une durée d'environ 5 jours.
<figure><img src="image_21.png" /><figcaption>figure 20 : amorçage électrochimique de la biocorrosion sur le capteur BEC</figcaption></figure>

### 2.A.5.c - Détection de la biocorrosion

La dernière étape permet de détecter le courant de corrosion s'établissant entre le disque central et l'anneau externe et de déterminer le sens de circulation de ce courant. Le montage électrique (figure 21) consiste à court-circuiter le disque central et l'anneau externe par l'intermédiaire d'un potentiostat (SI 1287 electrochemical interface, Solartron) dont la valeur de consigne est de 0 µV. L'ampèremètre à résistance nulle (ZRA pour Zero Resistance Ammeter) ainsi obtenu joue ce rôle de court-circuit et permet l'enregistrement du courant de corrosion circulant librement entre les deux électrodes concernées. Cette étape est appelée par la suite 'mesure de courant de corrosion' ou 'couplage'. Parallèlement à la mesure de courant, le potentiel du couple disque central/anneau externe est enregistré durant l'expérience.

<figure><img src="image_22.png" /><figcaption>figure 21 : mesure du courant de corrosion circulant entre le disque central et l'anneau externe d'un capteur BEC</figcaption></figure>

Des changements de milieu d'alimentation de la cellule d'électrochimie sont réalisés durant l'étape de couplage. Il est possible d'étudier les variations de la valeur de courant de corrosion
en fonction de la composition du milieu injecté. De plus, un milieu issu de la culture bactérienne mais pour lequel les bactéries ont été enlevées par centrifugation est employé pour créer des conditions d'expérience en environnement abiotique.

Plusieurs milieux secondaires sont ainsi utilisés : leur dénomination, composition et préparation sont indiquées dans le tableau 11.

<table><caption>tableau 11 : milieux secondaires utilisés lors d'expériences de biocorrosion</caption><thead><tr><td>Dénomination du milieu</td><td>Symbole</td><td>Préparation</td><td>Composition</td></tr></thead><tbody><tr><td>Milieu 'eau de mer synthétique' à x g/L de lactate de sodium</td><td>MLS x g/L</td><td>Identique au milieu EMS</td><td>Composition identique à EMS avec x g/L de lactate de sodium</td></tr><tr><td>Milieu de fermentation avec bactéries</td><td>FAB</td><td>Milieu issu du fermenteur</td><td>Présence de produits de métabolisme bactérien et de bactéries planctoniques</td></tr><tr><td>Milieu de fermentation sans bactéries</td><td>FSB</td><td>Milieu FAB centrifugé</td><td>Identique à FAB mais sans bactéries</td></tr></tbody></table>

L'évolution du courant de corrosion est également étudiée lors de l'ajout de biocide dans le milieu d'alimentation de la cellule d'électrochimie. Un biocide organique, le glutaraldéhyde, ou un biocide minéral, l'hypochlorite de sodium ou eau de Javel, sont injectés durant l'étape de couplage et permettent de conclure sur la participation bactérienne au processus de biocorrosion.

## 2.A.6 - Description des méthodes d'analyses appliquées au cours des expériences de biocorrosion.

Durant le déroulement de l'expérience et à la fin de celle-ci, diverses méthodes sont mises en œuvre pour évaluer l'activité bactérienne et observer l'état de surface des électrodes métalliques.

Concernant l'activité bactérienne au sein du fermenteur lors d'une expérience de biocorrosion amorcée électrochimiquement, le dosage des substances résultantes du métabolisme de la souche *Desulfovibrio gabonensis* est réalisé par analyse quantitative du lactate, de l'acétate et du sulfure. Les techniques appliquées ne sont pas reportées dans cette partie : leur mise en œuvre est détaillée dans la section 2.C.2.

D'autre part, une analyse qualitative et quantitative de l'état de surface des électrodes s'effectue par observation au Microscope Electronique à Balayage (MEB, S 440, Leica) du capteur BEC. Il faut dans un premier temps fixer les bactéries au support par immersion de l'échantillon dans une solution aqueuse de cacodylate de sodium et de glutaraldéhyde à 2% pendant 2 heures. La deuxième étape consiste à déshydrater le biofilm par l'immersion de
l'échantillon dans des concentrations d'éthanol croissantes (de 60% à 100%). Finalement, une couche de carbone d'une épaisseur de 150 nm est déposée sur l'échantillon déshydraté, rendant ce dernier conducteur et permettant l'analyse élémentaire par Spectroscopie à Dispersion d'Energie de rayons X (SDEX, appareil type Voyager 1, TRACOR-NORAN).

## 2.B - Cas de la corrosion amorcée électrochimiquement

L'amorçage d'une corrosion induite microbiologiquement est réalisé sur le capteur BEC en conditions biotiques. Cette expérience est simple dans sa mise en œuvre et ne requiert aucune intervention de la part du manipulateur à l'intérieur de la cellule d'électrochimie durant l'essai. Ce genre de procédure doit conduire à l'obtention d'un courant de biocorrosion mesurable, en tenant compte des paramètres microbiologiques. Parallèlement, un essai en conditions abiotiques est réalisé. L'ensemble des étapes électrochimiques et de changements de milieux appliquées est défini dans le tableau 12 présenté ci-dessous.

<table><caption>tableau 12 : chronologie des changements de milieux et de paramètres électrochimiques lors d'un amorçage électrochimique de biocorrosion sur un capteur BEC</caption><thead><tr><th>Temps (jours)</th><th></th><th>0</th><th>5</th><th>10</th><th>12</th></tr></thead><tbody><tr><td rowspan="2">Abiotique</td><td>Milieu</td><td colspan="3">FSB</td><td>EMS</td></tr><tr><td>Electrochimie</td><td>Libre</td><td>Conditionnement</td><td>Couplage</td><td></td></tr><tr><td rowspan="2">Biotique</td><td>Milieu</td><td colspan="3">FAB</td><td>EMS</td></tr><tr><td>Electrochimie</td><td>Libre</td><td>Conditionnement</td><td>Couplage</td><td></td></tr></tbody></table>

Le courant appliqué pour le conditionnement est de 2 µA, ce qui correspond à une densité de courant sur le disque central de 0,63 µA/mm² et une densité de courant sur l'anneau externe de 6 nA/mm². Cette valeur sera par la suite discutée dans le chapitre 3. Durant cette période, le disque central est polarisé cathodiquement et l'anneau externe anodiquement. Ces paramètres sont identiques pour l'essai en conditions biotiques et abiotiques.

Les résultats sont commentés dans les paragraphes suivants en commençant par la biocorrosion amorcée électrochimiquement en milieu biotique.

### 2.B.1 - Amorçage électrochimique de corrosion localisée en conditions biotiques

Le suivi expérimental relatif à l'essai précédemment cité présente en figure 22 l'évolution des potentiels lors de l'étape de formation du biofilm.
<figure><img src="image_23.png" /><figcaption>figure 22 : grandeurs électrochimiques lors de la formation du biofilm sur un capteur BEC en conditions biotiques</figcaption></figure>

Au temps initial, les potentiels libres du disque central et de l'anneau externe sont de -700 mV/ECS. Dès l'introduction du milieu FAB pour le développement du biofilm, les potentiels libres sont déplacés vers des valeurs plus anodiques. L'observation visuelle du capteur BEC placé dans la cellule d'électrochimie permet de détecter l'apparition d'un dépôt noirâtre à la surface des électrodes : il s'agit de sulfure de fer provenant du milieu de fermentation mais aussi d'une possible réaction entre le soufre contenu dans le milieu de fermentation et le fer métallique des électrodes. Les potentiels augmentent pour atteindre après 5 jours de développement du biofilm la valeur de -505 mV/ECS. Durant cette première étape, des pics de potentiel sont observés pour le disque central vers des valeurs plus cathodiques : est-ce un premier signe de biocorrosion ? A la suite de cette étape, l'amorçage artificiel de corrosion localisée par électrochimie est appliqué sur les électrodes (figure 23).

<figure><img src="image_24.png" /><figcaption>figure 23 : grandeurs électrochimiques lors de l'amorçage électrochimique de corrosion localisée sur un capteur BEC en conditions biotiques</figcaption></figure>
Le potentiel du disque central polarisé cathodiquement passe en 5 jours de polarisation de -505 mV/ECS à une valeur de -684 mV/ECS, valeur relativement proche de la valeur initiale du potentiel libre du disque central en début d'expérience. L'anneau externe réagit immédiatement à la polarisation anodique en passant de -505 mV/ECS à une valeur plus anodique de -495 mV/ECS. En fin de phase de conditionnement électrochimique, le potentiel de l'anneau externe est de -506 mV/ECS. Le couplage est alors appliqué : les potentiels des deux électrodes sont donc identiques et d'une valeur de -524 mV/ECS, comme le montre la figure 24.

<figure><img src="image_25.png" /><figcaption>figure 24 : grandeurs électrochimiques lors de la mesure du courant de corrosion après conditionnement électrochimique sur un capteur BEC en conditions biotiques</figcaption></figure>

Le courant de corrosion circulant entre le disque central et l'anneau externe a une valeur de 1,6 µA. Un contrôle du sens de circulation de ce courant montre que le disque central réagit de façon anodique (dissolution métallique) alors que l'anneau externe a un comportement cathodique. Il y a donc une inversion de sens de circulation entre la phase de conditionnement et celle de couplage : le disque central polarisé cathodiquement durant la première de ces deux phases acquiert un comportement anodique lors de la seconde phase, et inversement pour l'anneau externe. Durant les 2 premiers jours de couplage, le potentiel du couple disque central/anneau externe n'évolue pratiquement pas : il passe de -524 mV/ECS à -513 mV/ECS. Le courant mesuré anodiquement sur le disque central fluctue quant à lui autour d'une valeur moyenne de 0,75 µA (0,3 mm/an) avec des pics anodiques atteignant des valeurs de 1 µA à 1,7 µA. Les deux jours suivant indiquent une augmentation du potentiel du couple de -513 mV/ECS à -501 mV/ECS. Parallèlement, le courant de corrosion moyen chute de 0,75 µA à 0,40 µA (0,1 mm/an), avec des pics de corrosion plus nombreux pouvant atteindre des valeurs de 1,9 µA. Ces fluctuations indiquent probablement une participation d'origine
bactérienne au processus de corrosion du disque central. Lorsque l'alimentation en milieu de la cellule d'électrochimie est remplacé par un milieu EMS, le potentiel du couple augmente de -501 mV/ECS à -475 mV/ECS dans les premières heures ; simultanément, le courant moyen chute de 0,30 µA à 0,20 µA (0,05 mm/an) anodique sur le disque central. Cependant, les pics sont encore plus nombreux et plus importants : les valeurs atteintes sont comprises entre 2,7 µA et 3,1 µA. Après 7 jours de mesure de biocorrosion, l'expérience est arrêtée. Une vérification du potentiel libre de l'anneau intermédiaire tout au long de l'essai n'a révélé aucun pont de sulfure de fer entre le disque central et l'anneau externe.

Un courant de corrosion est obtenu grâce au protocole expérimental appliqué. Un amorçage de biocorrosion est réalisée par une méthode électrochimique (conditionnement) consistant à imposer un courant cathodique sur le disque central. Les conditions alors obtenues créent un couplage galvanique entre l'anneau externe et le disque central lorsque les électrodes sont court-circuitées. L'enregistrement de la valeur du courant rend probable la participation des bactéries sulfato-réductrices au phénomène de biocorrosion en conditions anaérobies sur le disque central en acier au carbone.

## 2.B.2 - Amorçage électrochimique de corrosion localisée en conditions abiotiques

La corrosion induite microbiologiquement après conditionnement électrochimique en milieu abiotique est à présent abordée et les résultats en électrochimie présentent en figure 25 l'évolution des potentiels lors de l'étape équivalente à la formation du biofilm.

<figure><img src="image_26.png" /><figcaption>figure 25 : grandeurs électrochimiques lors de la phase équivalente à la formation de biofilm sur un capteur BEC en conditions abiotiques</figcaption></figure>

Au temps initial où les électrodes sont en contact avec le milieu EMS, les potentiels libres du disque central et de l'anneau externe ont une valeur identique de -703 mV/ECS. A la suite de ce relevé, le milieu FSB est injecté dans la cellule électrochimique et une augmentation du
potentiel libre des électrodes est observée : le potentiel du disque central passe de -703 mV/ECS à -498 mV/ECS, celui de l'anneau externe passe de -703 mV/ECS à -480 mV/ECS. De nombreux pics de potentiels anodiques ou cathodiques sont observés sur des périodes de 24 heures. Des dépôts de sulfure de fer FeS sont observés sur l'ensemble du capteur à électrodes concentriques. Après 5 jours, le conditionnement est amorcé (figure 26).

<figure><img src="image_27.png" /><figcaption>figure 26 : grandeurs électrochimiques lors de l'amorçage électrochimique de corrosion localisée sur un capteur BEC en conditions abiotiques</figcaption></figure>

Un courant cathodique appliqué sur le disque central entraîne une diminution rapide du potentiel de celui-ci à une valeur de -746 mV/ECS pour arriver en fin de conditionnement à une valeur de -776 mV/ECS. Cette valeur est très largement inférieure à celle du disque central à l'état initial. La valeur du potentiel de l'anneau externe de -480 mV/ECS en début de phase augmente régulièrement pour atteindre -402 mV/ECS en fin de phase. Le couplage est alors réalisé (figure 27).

<figure><img src="image_28.png" /><figcaption>figure 27 : grandeurs électrochimiques lors de la mesure de courant de corrosion après conditionnement électrochimique sur un capteur BEC en conditions abiotiques</figcaption></figure>
Le potentiel des deux électrodes court-circuitées est alors identique et égal à -487 mV/ECS.
La première valeur de courant de corrosion enregistrée est de 0,30 µA (0,1 mm/an) anodique
sur le disque central. Cette valeur décroît constamment au cours du temps pour atteindre une
valeur de 0,02 µA (0,01 mm/an) au bout de 4 jours de mesure de courant. Le milieu FSB est
remplacé par un milieu EMS : aucun changement n'est observé dans la valeur du potentiel du
couple disque central/anneau externe. En revanche, une augmentation de la valeur du courant
anodique sur le disque central est observée : une valeur de pic de 0,10 µA est enregistrée puis
elle décroît pour atteindre une valeur nulle à la fin de l'essai. Durant toute la durée de
l'expérience, la mesure du potentiel libre de l'anneau intermédiaire n'a pas mis en évidence
l'établissement d'un pont de sulfure de fer FeS entre le disque central et l'anneau externe.

En résumé, une expérience réalisée en conditions abiotique ne conduit pas à la mesure d'un
courant de corrosion significatif. Le protocole opératoire appliqué lors de cette expérience est
cependant identique à celui de l'expérience réalisée en présence de bactéries : ces dernières
sont donc à l'origine d'un courant de corrosion pour un processus amorcé par la méthode
électrochimique.

2.B.3 - Corrosion amorcée électrochimiquement : courbes courant/tension, observations par MEB et dosages des espèces chimiques.

2.B.3.a - Courbes courant/tension

α – Conditions biotiques

Les premiers résultats sont relatifs à l'expérience d'amorçage électrochimique de la corrosion localisée en présence de bactéries. La représentation de cette évolution pour le disque central est donnée dans la figure 28 pour toutes les étapes appliquées lors d'une expérience.

<figure><img src="image_29.png" /><figcaption>figure 28 : courbes courant/tension du disque central pour une expérience de corrosion localisée amorcée électrochimiquement sur un capteur BEC en conditions biotiques</figcaption></figure>
Les courbes courant/tension du disque central sont modifiées au cours de l'expérience. De l'état initial à la phase de formation du biofilm, la courbe est largement déplacée vers les potentiels plus anodiques. La variation des pentes indique une diminution de la résistance de polarisation de 630 Ω.cm² à 70 Ω.cm². Lorsque le conditionnement est appliqué, un retour de la courbe courant/tension vers les potentiels plus cathodiques est observé, mais la résistance de polarisation ne change pratiquement pas. Seule la partie cathodique de la courbe courant/tension du disque central après conditionnement est tracée afin de ne pas affecter la polarisation appliquée à cette électrode. Les variation des courbes courant/tension de l'anneau externe sont à présent considérées (figure 29).

<figure><img src="image_30.png" /><figcaption>figure 29 : courbes courant/tension de l'anneau externe pour une expérience de corrosion localisée amorcée électrochimiquement sur un capteur BEC en conditions biotiques</figcaption></figure>

Pour l'anneau externe, la courbe courant/tension est identique à celle du disque central à l'état initial. La différence de pente dans la représentation des courbes est due aux unités utilisées pour le tracé, à savoir Courant = f(Potentiel) en µA ; si les courbes étaient tracées dans le plan Densité de Courant = f(Potentiel) en µA/cm², les pentes seraient identiques. Lorsque le biofilm est développé à la surface du capteur, la courbe courant/tension est déplacée vers les potentiels plus anodiques. La résistance de polarisation diminue de 335 Ω.cm² à une valeur de 80 Ω.cm². Par la suite, un déplacement plus atténué de la courbe courant/tension vers les potentiels plus anodiques est de nouveau observé et une légère augmentation fait passer la valeur de la résistance de polarisation à 82 Ω.cm². De même que précédemment, seule la partie anodique de la courbe courant/tension de l'anneau externe est tracée pour ne pas perturber le système électrochimique établi sur cette électrode.
Il apparaît sur la figure 28 qu'au cours de l'expérience de biocorrosion en conditions biotiques, la valeur du potentiel libre du disque central avant que la phase de couplage ne soit amorcée (-677 mV/SCE) est proche de celle obtenue au temps initial de l'expérience (-717 mV/SCE). Pour l'anneau externe, la valeur de son potentiel libre ne cesse d'augmenter jusqu'à la fin du conditionnement. Cette valeur est d'ailleurs nettement plus anodique que celle du disque central. L'évolution des résistances de polarisation (décroissance des valeurs) précise le rôle du biofilm et des produits de corrosion : la corrosion généralisée des électrodes est favorisée.

## β - Conditions abiotiques

La figure 30 et la figure 31 considèrent respectivement les variations des courbes courant/tension du disque central et de l'anneau externe lors d'une corrosion localisée amorcée électrochimiquement en conditions abiotiques.

<figure><img src="image_31.png" /><figcaption>figure 30 : courbes courant/tension du disque central relatives à l'expérience de corrosion localisée amorcée électrochimiquement sur un capteur BEC en conditions abiotiques</figcaption></figure>

<figure><img src="image_32.png" /><figcaption>figure 31 : courbes courant/tension de l'anneau externe relatives à l'expérience de corrosion localisée</figcaption></figure>
### amorcée électrochimiquement sur un capteur BEC en conditions abiotiques

Les courbes initiales pour les deux électrodes sont comparables à celles obtenues lors de l'expérience en conditions bactériennes avec néanmoins des différences dans les valeurs de résistance de polarisation : le disque central a une résistance de polarisation de 660 Ω.cm² et la valeur pour l'anneau externe est de 480 Ω.cm². Un déplacement important des courbes vers les potentiels plus anodiques est noté lors de la phase équivalente à la formation du biofilm. La valeur de la résistance de polarisation évolue différemment selon l'électrode considérée : elle diminue pour le disque central à une valeur de 95 Ω.cm² et augmente pour l'anneau externe à une valeur de 124 Ω.cm². Le conditionnement influence les courbes courant/tension : celle du disque central est déplacée vers les potentiels plus cathodiques et celle de l'anneau externe est déplacée davantage vers les potentiels anodiques. Quant aux résistances de polarisation, la valeur pour le disque central augmente jusqu'à 110 Ω.cm² et la valeur de l'anneau externe augmente encore jusqu'à une valeur de 130 Ω.cm².

Les variations de potentiels libres sont beaucoup plus marquées dans le cas de l'expérience de biocorrosion en conditions abiotiques qu'en présence de bactéries. Pour le disque central, le potentiel libre à la fin de l'étape de conditionnement électrochimique est nettement inférieur à celui obtenu au temps initial de l'expérience. Pour l'anneau externe, un déplacement de la courbe courant/tension vers les potentiels plus anodiques est observé durant les 10 premiers jours de l'expérience. La corrosion généralisée semble favorisée par l'accumulation de sulfure de fer à la surface de l'anneau externe, ce phénomène étant ralenti pour le disque central par la protection cathodique appliquée.

### 2.B.3.b - Dosage des espèces chimiques

Le dosage des espèces chimiques donne l'évolution de l'activité bactérienne au sein de la cellule électrochimique. Pour l'essai de biocorrosion en présence de bactéries sulfato-réductrices (figure 32), le milieu FAB injecté dans la cellule d'électrochimie a une valeur initiale de concentration en lactate de 0,61 g/L, en acétate de 1,72 g/L et en sulfure de 11,8 mmol/L. En sortie de cellule, les valeurs de concentration en lactate, acétate et sulfure sont respectivement de 0,58 g/L, 1,83 g/L et 7,9 mmol/L. Ces valeurs sont représentatives d'une activité bactérienne au sein de la cellule d'électrochimie. Elles ne varient guère durant les phases de formation de biofilm, de conditionnement et de couplage. Lorsque le milieu FAB est remplacé par un milieu EMS dont seule la concentration en lactate est non nulle (2,40 g/L). Les valeurs en sortie de cellule indiquent une consommation du substrat organique et une production de métabolites.
<figure><img src="image_33.png" /><figcaption>figure 32 : concentrations en espèces chimiques avant et après passage dans la cellule d'électrochimie pour une corrosion localisée amorcée électrochimiquement en conditions biotiques</figcaption></figure>

Les résultats obtenus pour la même expérience en conditions abiotiques (figure 33) ne diffèrent pratiquement pas puisqu'une tendance à la stabilité est observée durant les trois premières étapes de l'expérience. L'injection du milieu EMS indique que l'activité bactérienne est nulle dans la cellule d'électrochimie, les concentrations en entrée et en sortie de cellule étant égales.

<figure><img src="image_34.png" /><figcaption>figure 33 : concentrations en espèces chimiques avant et après passage dans la cellule d'électrochimie pour une corrosion localisée amorcée électrochimiquement en conditions abiotiques</figcaption></figure>

Les résultats en conditions abiotiques sont en accord avec l'absence d'activité bactérienne. Cela est évident puisque aucune bactérie sulfato-réductrice n'est injectée dans la cellule d'électrochimie pour une expérience en conditions abiotiques. La présence des bactéries et l'activité métabolique qui leur est associée sont des facteurs à prendre en compte pour une étude de biocorrosion sur acier au carbone. Les corrélations entre les concentrations en
substrat et les courants de corrosion détectés par le capteur BEC seront davantage étudiées
dans le chapitre 3.

2.B.3.c - Observation par MEB

L'observation des capteurs BEC donne des indications sur les conséquences de la
biocorrosion au niveau des électrodes métalliques. Pour l'essai en conditions bactériennes,
l'analyse du disque central dans sa globalité (figure 34) met en évidence un dépôt important
dont l'analyse élémentaire indique une forte proportion de fer, de soufre et de chlorure. Une
observation rapprochée (figure 35) permet de détecter un biofilm bactérien. Le traitement
chimique ayant déshydraté le biofilm, l'ensemble de la structure exopolymérique décrite par
la littérature est par conséquent détruit.

<figure><img src="image_35.png" /><figcaption>figure 34 : disque central après une corrosion
localisée amorcée électrochimiquement en
conditions biotiques</figcaption></figure>

<figure><img src="image_36.png" /><figcaption>figure 35 : biofilm présent sur le disque central après une corrosion localisée amorcée électrochimiquement en conditions biotiques</figcaption></figure>

Une observation après suppression du dépôt par polissage doux révèle une forte dissolution du métal sur l'ensemble de la surface du disque central (figure 36). Cette dissolution est la conséquence d'un processus de corrosion auquel les bactéries semblent participer : la figure 37 est en accord avec cette hypothèse puisque des bactéries sont détectées sur le disque central. Une analyse élémentaire indique une fois de plus la présence de fer et de sulfure.
<figure><img src="image_37.png" /><figcaption>figure 36 : disque central après une corrosion localisée amorcée électrochimiquement en conditions biotiques</figcaption></figure>

<figure><img src="image_38.png" /><figcaption>figure 37 : détail de la piqûre de corrosion sur le disque central après une corrosion localisée amorcée électrochimiquement en conditions biotiques</figcaption></figure>

En considérant maintenant l'anneau externe, l'observation globale montre un dépôt uniforme et craquelé combinant des bactéries et des produits de corrosion type FeS (figure 38). Une observation plus rapprochée (figure 39) met en évidence un biofilm dont les caractéristiques sont identiques à celles du biofilm formé sur le disque central. L'enlèvement du biofilm expose un film compact sous forme de feuillets (figure 40) dont l'analyse élémentaire donne une composition proche du sulfure de fer.

<figure><img src="image_39.png" /><figcaption>figure 38 : détail de l'anneau externe par MEB après une corrosion localisée amorcée électrochimiquement en conditions biotiques</figcaption></figure>

<figure><img src="image_40.png" /><figcaption>figure 39 : biofilm présent sur l'anneau externe après une corrosion localisée amorcée électrochimiquement en conditions biotiques</figcaption></figure>
<figure><img src="image_41.png" /><figcaption>figure 40 : film de FeS présent sur l'anneau externe après une corrosion localisée amorcée électrochimiquement en conditions biotiques</figcaption></figure>

Une détérioration importante du disque central est observée après une expérience en conditions bactériennes, avec une présence marquée de sulfure de fer FeS. Un biofilm fortement développé est mis en évidence sur le disque central. Cette constatation est également valable sur l'anneau externe où un biofilm important est observé : lorsque celui-ci est supprimé par nettoyage doux, un film suffisamment compact de sulfure de fer FeS est révélé lors des investigations par MEB.

Pour le cas d'une corrosion localisée amorcée en conditions abiotiques, le disque central (figure 41) est recouvert d'un dépôt dont l'analyse élémentaire indique la présence majoritaire de fer, de soufre et de chlorure.

L'observation plus fine ne donne pas d'information supplémentaire, si ce n'est lorsque le dépôt de sulfure et chlorure de fer est enlevé par polissage doux. La figure 42 indique quelques points de dissolution du métal ; cette constatation n'est pas valable pour l'ensemble du disque central.

<figure><img src="image_42.png" /><figcaption>figure 41 : disque central après une corrosion localisée amorcée électrochimiquement en conditions abiotiques</figcaption></figure>

<figure><img src="image_43.png" /><figcaption>figure 42 : piqûres de corrosion du disque central après une corrosion localisée amorcée électrochimiquement en conditions abiotiques</figcaption></figure>
Concernant l'anneau externe, l'observation par MEB met en évidence une corrosion uniforme (figure 43). Une étude plus poussée indique en figure 44 des trous de dissolution dont la forme cubique est intrigante. Pour le moment, aucune conclusion ne peut être donnée en ce qui concerne cette morphologie de corrosion.

<figure><img src="image_44.png" /><figcaption>figure 43 : corrosion uniforme sur l'anneau externe après une corrosion localisée amorcée électrochimiquement en conditions abiotiques</figcaption></figure>

<figure><img src="image_45.png" /><figcaption>figure 44 : détail de l'anneau externe après une corrosion localisée amorcée électrochimiquement en conditions abiotiques</figcaption></figure>

Aucun développement de biofilm n'est détecté sur le capteur BEC après une expérience en conditions abiotiques. De nombreux dépôts, sulfure de fer FeS ou sels minéraux cristallisés, sont mis en évidence. Au niveau du disque central, quelques piqûres de corrosion de petite taille sont constatées, de même que sur l'anneau externe : aucune comparaison ne peut être faite avec les piqûres de corrosion consécutives à la corrosion localisée amorcée en conditions biotiques.

L'amorçage de corrosion localisée par conditionnement électrochimique des électrodes du capteur BEC conduit à l'établissement, à la détection et à la mesure d'un courant de corrosion. Par tracé des courbes courant/tension, le disque central a un potentiel libre plus cathodique que l'anneau externe avant la phase de mesure de courant : le principe du couplage galvanique permet de prévoir le sens de circulation du courant de corrosion. Le disque central, conditionné cathodiquement, est l'anode de corrosion lors de l'étape de couplage. Une participation microbiologique est mise en évidence lorsque des bactéries sont présentes, en comparaison d'une expérience où le protocole expérimental est appliqué en conditions abiotiques. Le courant de corrosion est alors assimilable à un courant de biocorrosion. De plus, l'activité bactérienne dans le cas d'une biocorrosion en conditions biotiques modifient les concentrations en espèces chimiques en sortie de réacteur alors que ces dernières restent inchangées lorsque l'expérience est menée en conditions stériles. L'observation du disque
central et de l'anneau externe par MEB en fin d'expérience rendent compte des conséquences
d'une biocorrosion sur une surface métallique.

Enfin, il apparaît qu'au cours de la formation du biofilm, le potentiel libre des surfaces métalliques est déplacé vers les potentiels plus anodiques. La présence d'un film de FeS ainsi que celle du biofilm sont donc à prendre en considération, d'autant plus qu'elles favorisent la corrosion généralisée des électrodes : cette constatation est déduite de l'évolution des valeurs de résistance de polarisation.
## 2.C - Cas de la corrosion amorcée mécaniquement.

### 2.C.1 - Introduction

Puisque la biocorrosion s'amorce sur le disque central dont le potentiel libre est plus cathodique que celui de l'anneau externe après un conditionnement électrochimique, pourquoi ne pas créer de nouveau cet état par un moyen mécanique ? En effet, les produits de corrosion associés au biofilm ennoblissent les surfaces métalliques : une méthode consistant à retirer ces produits de corrosion déplacerait le potentiel libre du disque central vers des valeurs plus cathodiques. Les conditions obtenues lors du conditionnement électrochimique seraient donc retrouvées. Ainsi, la méthode dite de grattage ou arrachage de biofilm est mise en place : la similitude avec un amorçage naturel est réaliste puisqu'il suffit de considérer une particule circulant à l'intérieur d'une conduite recouverte de biofilm. La particule, entraînée par le flux, arrache alors le biofilm et crée par la même occasion une disparité des propriétés de surface. Ce type d'essai en laboratoire nécessite l'intervention du manipulateur car il convient de gratter la surface du disque central. Une étude comparative est menée entre une expérience de corrosion localisée en conditions abiotiques et une expérience de corrosion localisée en présence de bactéries, un amorçage par grattage étant appliquée sur le disque central du capteur BEC.

### 2.C.2 - Amorçage mécanique de la biocorrosion

Suite à la phase de formation du biofilm sur le capteur BEC, la phase de grattage consiste à supprimer le biofilm présent sur le disque central (figure 45) au moyen d'une spatule. Les propriétés de surface du disque central à cet instant sont sensiblement identiques à celles obtenues avant application de la phase de formation du biofilm.

<figure><img src="image_46.png" /><figcaption>figure 45 amorçage mécanique de biocorrosion par grattage sur le capteur BEC</figcaption></figure>

Le protocole expérimental est défini dans le tableau 13 et celui appliqué lors d'une expérience de corrosion localisée avec amorçage électrochimique est donné en guise de comparaison.
<table><caption>tableau 13 :chronologie des changements de milieux et paramètres électrochimiques pour un amorçage mécanique de corrosion localisée sur capteur à électrodes concentriques</caption><thead><tr><th>Temps (jours)</th><th></th><th></th><th>0</th><th>5</th><th>12</th><th>12+ε</th><th>15</th></tr></thead><tbody><tr><td rowspan="4">Mécanique</td><td rowspan="2">Abiotique</td><td>Milieu</td><td colspan="2">FSB</td><td></td><td></td><td>EMS</td></tr><tr><td>Electroch.</td><td>Libre</td><td></td><td>Grattage</td><td>Couplage</td><td></td></tr><tr><td rowspan="2">Biotique</td><td>Milieu</td><td colspan="2">FAB</td><td></td><td></td><td>EMS</td></tr><tr><td>Electroch.</td><td>Libre</td><td></td><td>Grattage</td><td>Couplage</td><td></td></tr><tr><td>Electrochimique</td><td>Biotique/abiotique</td><td>Libre</td><td>Conditionnement</td><td></td><td></td><td>Couplage</td></tr></tbody></table>

Les résultats commentés dans le paragraphe suivant concernent en premier lieu l'expérience de corrosion bactérienne amorcée mécaniquement en présence de bactéries sulfato-réductrices.

### 2.C.3 - Amorçage mécanique de la corrosion localisée en conditions biotiques.

Le suivi d'expérience (figure 46) traite d'une corrosion localisée en présence de bactéries pour laquelle l'amorçage est réalisé de façon mécanique. Cette figure présente les résultats obtenus durant la phase dite de formation du biofilm.

<figure><img src="image_47.png" /><figcaption>figure 46 : grandeurs électrochimiques lors de la formation du biofilm sur un capteur BEC en conditions biotiques</figcaption></figure>

Le potentiel du disque central et de l'anneau externe sont respectivement de -683 mV/ECS et de -695 mV/ECS lors de la première mesure et avant injection du milieu FAB au sein de la cellule d'électrochimie. Durant les 5 premiers jours correspondant à la formation du biofilm sur le capteur BEC, le potentiel libre des électrodes augmente de façon régulière pour atteindre la valeur de -520 mV/ECS pour le disque central et -590 mV/ECS pour celui de l'anneau externe. Les potentiels libres oscillent autour de ces valeurs durant les 5 jours suivants : ces derniers sont équivalents aux 5 jours de conditionnement électrochimique lors des expériences précédemment décrites dans la section 2.B. Cependant, à la fin de cette phase,
les potentiels libres sont respectivement de -513 mV/ECS pour le disque central et de -492 mV/ECS pour l'anneau externe. Le grattage est alors réalisé sur le disque central (figure 47).

<figure><img src="image_48.png" /><figcaption>figure 47 : grandeurs électrochimiques lors de la mesure de corrosion localisée sur un capteur BEC en conditions biotiques après amorçage mécanique</figcaption></figure>

La mesure du potentiel libre du disque central immédiatement après cette intervention donne une valeur de -637 mV/ECS : l'enlèvement du biofilm et des produits de corrosion et de métabolisme entraîne un retour du potentiel libre vers les potentiels plus négatifs. Dès lors, le couplage est amorcé et la première mesure électrochimique indique un courant de 8,5 µA (3,0 mm/an) circulant entre le disque central et l'anneau externe ; le sens de circulation de ce courant est vérifié et indique clairement que le disque central réagit comme une anode. Le potentiel du couple disque central/anneau externe est de -515 mV/ECS. Dans les heures suivant cette mesure, la valeur du courant de corrosion diminue rapidement jusqu'à une valeur de 0,38 µA (0,1 mm/an). Mais cet état est instable puisqu'un deuxième pic de courant de corrosion d'une intensité maximale de 3,4 µA est enregistré. La décroissance du signal est tout aussi rapide que pour le premier pic observé. Un troisième et dernier pic de forte intensité est alors noté avec une valeur de 7,4 µA. La relaxation de ce signal est identique à celle du premier pic. Lorsque le milieu EMS est injecté, de nombreux pics sont enregistrés avec des valeurs maximales comprises entre 1,5 µA et 2,3 µA et une valeur minimale moyenne de l'ordre de 0,31 µA (1 mm/an). Au cours de cet essai, des vérifications régulières du potentiel de l'anneau intermédiaire indiquent que le disque central et l'anneau externe ne sont pas court-circuités par l'établissement d'un pont de sulfure de fer.

Une expérience complémentaire est également réalisée pour l'étude d'un amorçage de corrosion localisée par voie mécanique : une électrode fraîchement polie d'acier au carbone est introduite dans la cellule et connectée à l'anneau externe par l'intermédiaire du ZRA après
formation du biofilm sur le capteur BEC. La mesure du courant de corrosion indique qu'un courant galvanique s'établit entre l'électrode (anode de corrosion) et l'anneau, mais ce courant ne se maintient pas. La proximité immédiate du biofilm par rapport à l'anode de corrosion apparaît comme une condition indispensable pour la poursuite de la biocorrosion, en créant un environnement chimique et biologique favorable au niveau de l'anode.

La méthode dite d'amorçage mécanique de la biocorrosion permet l'obtention d'un courant de corrosion anodique sur le disque central. Cette localisation de courant est possible par l'enlèvement des produits de corrosion et du biofilm qui s'y sont déposés : le potentiel du disque central, après s'être ennobli, est fortement déplacé vers les potentiels plus cathodiques lors du grattage. Des conditions de couplage galvanique ont ainsi été obtenues entre l'anneau externe et le disque central, ce dernier réagissant comme une anode lors du couplage. De plus, la proximité du matériel biologique semble nécessaire pour le maintien du processus de biocorrosion.

### 2.C.4 - Amorçage mécanique de la corrosion localisée en conditions abiotiques

L'expérience de corrosion localisée amorcée par la méthode mécanique doit être étudiée en conditions abiotiques pour déterminer la participation des bactéries dans ce processus. La figure 48 présente les variations des potentiels lors de la phase équivalente à la formation du biofilm.

<figure><img src="image_49.png" /><figcaption>figure 48 : grandeurs électrochimiques lors de l'étape équivalente à la formation du biofilm sur un capteur BEC en conditions abiotiques</figcaption></figure>

Au temps initial de l'expérience, les potentiels libres ont des valeurs égales à -699 mV/ECS pour l'anneau externe et à -695 mV/ECS pour le disque central. Dès l'injection du milieu FSB, le potentiel libre de chaque électrode augmente. Après 8 jours d'essai, le potentiel libre du disque central est de -550 mV/ECS et celui de l'anneau externe et de -482 mV/ECS.
L'amorçage de la corrosion est réalisée par grattage de la surface du disque central et la figure 49 indique les variations de potentiels et de courant de corrosion relatifs à cette étape.

<figure><img src="image_50.png" /><figcaption>figure 49 : enregistrement des constantes électrochimiques lors de la mesure du courant de corrosion sur un capteur BEC en conditions abiotiques après amorçage mécanique</figcaption></figure>

Le potentiel libre du disque central est mesuré immédiatement après le grattage : la valeur est de -601 mV/ECS. Le couplage effectué, un courant de corrosion de 0,21 µA (0,1 mm/an) est enregistré ; le contrôle de sens de circulation de ce courant indique que le disque central est assimilable à une anode de corrosion. Cette valeur de courant augmente légèrement jusqu'à une valeur de 0,26 µA dans les premières 24 heures de la phase de couplage puis diminue très rapidement à une valeur de 0,07 µA (sensiblement 0 mm/an). Après 3 jours de couplage, le milieu FSB est remplacé par un milieu EMS : aucun changement notable n'est observé pour le potentiel du couple d'électrodes et le courant de corrosion diminue toujours. Aucun court-circuit par établissement d'un pont de sulfure de fer n'est détecté durant l'ensemble de l'essai.

Lorsque l'expérience est menée en conditions abiotiques, une augmentation des valeurs de potentiels est enregistrée : celle-ci ne peut être que le résultat de l'accumulation de sulfure de fer FeS à la surface des électrodes du capteur de biocorrosion. Après plus de 7 jours correspondant à la formation du biofilm, la mesure du courant de corrosion donne une valeur faible : quelques centaines de nA sont détectées lorsque le disque central et l'anneau externe sont court-circuités. Une fois de plus, la présence d'un matériel biologique semble nécessaire pour entretenir un courant de corrosion et mener ainsi à un phénomène de biocorrosion.
## 2.C.5 - Corrosion amorcée mécaniquement : courbes courant/tension, observations par MEB et dosages des espèces chimiques

### 2.C.5.a - Courbes courant/tension

#### α - Conditions biotiques

Le premier cas traite de l'influence du matériel biologique sur les électrodes constitutives du capteur BEC et les résultats de la figure 50 donnent les courbes courant/tension du disque central pour une expérience réalisée en conditions biotiques.

<figure><img src="image_51.png" /><figcaption>figure 50 : courbes courant/tension du disque central relatives à une expérience de corrosion localisée amorcée mécaniquement sur un capteur BEC en conditions biotiques</figcaption></figure>

Les courbes courant/tension associées au disque central se déplacent vers les potentiels plus anodiques durant toute la durée de l'expérience. Pendant les 11 jours correspondant à la phase de formation de biofilm, la valeur de la résistance de polarisation passe de 630 Ω.cm² à une valeur plus faible de 95 Ω.cm². Une variation très remarquable prend place lorsque l'amorçage mécanique est réalisée sur le disque central par grattage : la courbe courant/tension est largement déplacé vers les potentiels plus cathodiques, sans toutefois aller en deçà de la courbe initiale. La résistance de polarisation qui lui est associée à une valeur de 345 Ω.cm².

La figure 51 donne l'évolution des courbes courant/tension de l'anneau externe pour la même expérience.
<figure><img src="image_52.png" /><figcaption>figure 51 : courbes courant/tension de l'anneau externe relatives à une expérience de corrosion localisée amorcée mécaniquement sur un capteur BEC en conditions biotiques</figcaption></figure>

Pour l'anneau externe, la courbe courant/tension initiale a une pente correspondant à une valeur de résistance de polarisation de 465 Ω. cm². Lorsque le milieu FAB est injecté, la courbe se déplace vers les potentiels plus anodiques, et ce durant les 11 premiers jours d'expérience. Quant à la résistance de polarisation, elle diminue jusqu'à une valeur avant couplage de 70 Ω.cm².

En présence de bactéries, le suivi des courbes courant/tension au cours du temps montre que le potentiel libre du disque central, après que l'amorçage mécanique ait été appliqué, a une valeur légèrement plus anodique que celle du potentiel libre au temps initial de l'expérience. Le potentiel final de l'anneau externe (-500 mV/ECS) est, quant à lui, très anodique en comparaison du potentiel du disque central. La conséquence du grattage mécanique est d'abaisser la valeur du potentiel libre du disque central par l'enlèvement des produits de corrosion ennoblissants comme le sulfure de fer FeS, ce qui permet d'obtenir une configuration idéale de couplage galvanique. La diminution des résistances de polarisation met en avant une augmentation de la corrosion généralisée des différentes électrodes durant la formation du biofilm. Le grattage sur le disque central permet d'abaisser l'action de la corrosion généralisée par élimination du biofilm et des produits de corrosion associés.

## β – Conditions abiotiques

Pour une expérience de corrosion localisée en conditions abiotiques, les figures 52 et 53 présentent les résultats obtenus par tracé des courbes courant/tension du disque central et de l'anneau externe au cours de l'expérience.