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Mikrobielle Korrosion (MIC) ist in vielen Branchen ein ernstes Problem, da sie enorme wirtschaftliche Verluste verursachen kann. 2707-Superduplex-Edelstahl (2707 HDSS) wurde aufgrund seiner hervorragenden chemischen Beständigkeit in Meeresumgebungen verwendet Im Uginosa-Biofilm im 2216E-Medium kam es zu einer positiven Änderung des Korrosionspotentials und einem Anstieg der Korrosionsstromdichte. Die Analyse mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) zeigte eine Abnahme des Cr-Gehalts auf der Oberfläche der Probe unter dem Biofilm. Die bildgebende Analyse der Vertiefungen zeigte, dass der P. aeruginosa-Biofilm während der 14-tägigen Inkubation eine maximale Vertiefungstiefe von 0,69 μm erzeugte. Obwohl dies gering ist, weist es darauf hin, dass dies bei 2707 HDSS nicht der Fall ist völlig immun gegen die MIC von P. aeruginosa-Biofilmen.
Duplex-Edelstähle (DSS) werden aufgrund ihrer idealen Kombination aus hervorragenden mechanischen Eigenschaften und Korrosionsbeständigkeit in verschiedenen Industriezweigen häufig verwendet1,2. Lokale Lochfraßbildung tritt jedoch immer noch auf und beeinträchtigt die Integrität dieses Stahls3,4.DSS ist nicht beständig gegen mikrobielle Korrosion (MIC)5,6.Trotz des breiten Anwendungsspektrums von DSS reicht die Korrosionsbeständigkeit von DSS immer noch nicht für den langfristigen Einsatz aus. Dies bedeutet, dass teurere Materialien mit höherer Korrosionsbeständigkeit erforderlich sind.Jeon et al.7 fanden heraus, dass sogar super du Plex-Edelstähle (SDSS) weisen einige Einschränkungen hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit auf. Daher sind in einigen Anwendungen Super-Duplex-Edelstähle (HDSS) mit höherer Korrosionsbeständigkeit erforderlich. Dies führte zur Entwicklung hochlegierter HDSS.
Die Korrosionsbeständigkeit von DSS hängt vom Verhältnis der Alpha- und Gamma-Phasen und den an Cr, Mo und W verarmten Regionen 8, 9, 10 neben der zweiten Phase ab. HDSS enthält einen hohen Gehalt an Cr, Mo und N11, daher weist es eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und einen hohen Wert (45-50) Pitting Resistance Equivalent Number (PREN) auf, bestimmt durch Gew.-% Cr + 3,3 (Gew.-% Mo + 0,5 Gew.-% W) ​​+ 16 Gew.-% N1 2. Seine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit beruht auf einer ausgewogenen Zusammensetzung mit etwa 50 % Ferrit- (α) und 50 % Austenit- (γ) Phasen. HDSS verfügt über bessere mechanische Eigenschaften und eine höhere Beständigkeit als herkömmliches DSS13.Chlorid-Korrosionseigenschaften. Die verbesserte Korrosionsbeständigkeit erweitert den Einsatz von HDSS in korrosiveren Chlorid-Umgebungen, wie z. B. Meeresumgebungen.
MICs sind ein großes Problem in vielen Branchen wie der Öl-, Gas- und Wasserversorgung14. MIC ist für 20 % aller Korrosionsschäden verantwortlich15. MIC ist bioelektrochemische Korrosion, die in vielen Umgebungen beobachtet werden kann. Biofilme, die sich auf Metalloberflächen bilden, verändern die elektrochemischen Bedingungen und beeinflussen dadurch den Korrosionsprozess. Es wird allgemein angenommen, dass MIC-Korrosion durch Biofilme verursacht wird. Elektrogene Mikroorganismen korrodieren Metalle, um nachhaltige Energie zum Überleben zu erhalten17. Aktuelle MIC-Studien haben dies gezeigt EET (extrazellulärer Elektronentransfer) ist der geschwindigkeitsbestimmende Faktor bei der durch elektrogene Mikroorganismen induzierten MIC. Zhang et al.18 zeigte, dass Elektronenmediatoren den Elektronentransfer zwischen Desulfovibrio sessificans-Zellen und Edelstahl 304 beschleunigen, was zu einem schwereren MIC-Angriff führt. Enning et al.19 und Venzlaff et al.20 zeigte, dass Biofilme korrosiver sulfatreduzierender Bakterien (SRB) Elektronen direkt von Metallsubstraten absorbieren können, was zu schwerer Lochfraßkorrosion führt.
Es ist bekannt, dass DSS in Umgebungen, die SRB, eisenreduzierende Bakterien (IRB) usw. enthalten, anfällig für MIC ist. 21 Diese Bakterien verursachen lokalisierte Lochfraßbildung auf DSS-Oberflächen unter Biofilmen22,23. Im Gegensatz zu DSS ist die MIC von HDSS24 kaum bekannt.
Pseudomonas aeruginosa ist ein gramnegatives, bewegliches, stäbchenförmiges Bakterium, das in der Natur weit verbreitet ist25.Pseudomonas aeruginosa ist auch eine wichtige mikrobielle Gruppe in der Meeresumwelt, die zur Bildung von MIC führt.Pseudomonas ist eng an Korrosionsprozessen beteiligt und gilt als Pionierbesiedler bei der Biofilmbildung.Mahat et al.28 und Yuan et al.29 zeigte, dass Pseudomonas aeruginosa dazu neigt, die Korrosionsrate von Weichstahl und Legierungen in wässrigen Umgebungen zu erhöhen.
Das Hauptziel dieser Arbeit war die Untersuchung der MIC-Eigenschaften von 2707 HDSS, die durch das marine aerobe Bakterium Pseudomonas aeruginosa verursacht werden, mithilfe elektrochemischer Methoden, Oberflächenanalysetechniken und Korrosionsproduktanalyse. Elektrochemische Studien einschließlich Leerlaufpotential (OCP), linearer Polarisationswiderstand (LPR), elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) und potenzielle dynamische Polarisation wurden durchgeführt, um das MIC-Verhalten von 2707 HDSS zu untersuchen. Energiedispersives Spektrometer (EDS) Es wurde eine Analyse durchgeführt, um chemische Elemente auf der korrodierten Oberfläche zu finden. Darüber hinaus wurde eine Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS)-Analyse verwendet, um die Stabilität der Oxidfilmpassivierung unter dem Einfluss einer Meeresumgebung mit Pseudomonas aeruginosa zu bestimmen. Die Grubentiefe wurde unter einem konfokalen Laser-Scanning-Mikroskop (CLSM) gemessen.
Tabelle 1 listet die chemische Zusammensetzung von 2707 HDSS auf. Tabelle 2 zeigt, dass 2707 HDSS hervorragende mechanische Eigenschaften mit einer Streckgrenze von 650 MPa aufweist. Abbildung 1 zeigt die optische Mikrostruktur von lösungsgeglühtem 2707 HDSS. In der Mikrostruktur sind längliche Bänder aus Austenit- und Ferritphasen ohne Sekundärphasen zu erkennen, die etwa 50 % Austenit- und 50 % Ferritphasen enthalten.
Abbildung 2a zeigt Daten zum Potenzial des offenen Kreislaufs (Eocp) im Vergleich zur Expositionszeit für 2707 HDSS in abiotischem 2216E-Medium und P. aeruginosa-Brühe für 14 Tage bei 37 °C. Es zeigt, dass die größte und signifikante Änderung des Eocp innerhalb der ersten 24 Stunden auftritt. Die Eocp-Werte erreichten in beiden Fällen etwa 16 Stunden lang ihren Höhepunkt bei -145 mV (gegenüber SCE) und fielen dann stark ab und erreichten -477 mV ( vs. SCE) und -236 mV (vs. SCE) für die abiotische Probe bzw. P).Pseudomonas aeruginosa-Gutscheine. Nach 24 Stunden war der Eocp-Wert von 2707 HDSS für P. aeruginosa relativ stabil bei -228 mV (gegenüber SCE), während der entsprechende Wert für nicht-biologische Proben etwa -442 mV (gegenüber SCE) betrug. Eocp in Gegenwart von P. aeruginosa war eher niedrig.
Elektrochemische Prüfung von 2707 HDSS-Proben in abiotischem Medium und Pseudomonas aeruginosa-Brühe bei 37 °C:
(a) Eocp als Funktion der Expositionszeit, (b) Polarisationskurven am Tag 14, (c) Rp als Funktion der Expositionszeit und (d) icorr als Funktion der Expositionszeit.
In Tabelle 3 sind die elektrochemischen Korrosionsparameterwerte von 2707 HDSS-Proben aufgeführt, die 14 Tage lang abiotischem Medium und mit Pseudomonas aeruginosa inokuliertem Medium ausgesetzt waren. Die Tangenten der anodischen und kathodischen Kurven wurden extrapoliert, um zu den Schnittpunkten zu gelangen, die Korrosionsstromdichte (icorr), Korrosionspotential (Ecorr) und Tafel-Steigungen (βα und βc) gemäß Standardmethoden ergaben30,31.
Wie in Abbildung 2b dargestellt, führte die Aufwärtsverschiebung der P. aeruginosa-Kurve zu einem Anstieg von Ecorr im Vergleich zur abiotischen Kurve. Der Icorr-Wert, der proportional zur Korrosionsrate ist, stieg in der Pseudomonas aeruginosa-Probe auf 0,328 μA cm-2, viermal so hoch wie in der nicht-biologischen Probe (0,087 μA cm-2).
LPR ist eine klassische zerstörungsfreie elektrochemische Methode zur schnellen Korrosionsanalyse. Sie wurde auch zur Untersuchung von MIC32 verwendet. Abbildung 2c zeigt den Polarisationswiderstand (Rp) als Funktion der Expositionszeit. Ein höherer Rp-Wert bedeutet weniger Korrosion. Innerhalb der ersten 24 Stunden erreichte der Rp von 2707 HDSS einen Maximalwert von 1955 kΩ cm2 für abiotische Proben und 1429 kΩ cm2 für Pseudomonas aeruginosa-Proben. Abbildung 2c ebenfalls zeigt, dass der Rp-Wert nach einem Tag schnell abnahm und dann für die nächsten 13 Tage relativ unverändert blieb. Der Rp-Wert der Pseudomonas aeruginosa-Probe beträgt etwa 40 kΩ cm2, was viel niedriger ist als der 450 kΩ cm2-Wert der nicht-biologischen Probe.
Der Icorr-Wert ist proportional zur gleichmäßigen Korrosionsrate. Sein Wert kann aus der folgenden Stern-Geary-Gleichung berechnet werden:
Nach Zou et al.33, ein typischer Wert der Tafel-Steigung B wurde in dieser Arbeit mit 26 mV/dec angenommen. Abbildung 2d zeigt, dass der Icorr der nicht-biologischen 2707-Probe relativ stabil blieb, während der P. aeruginosa-Probe nach den ersten 24 Stunden stark schwankte.
EIS ist eine weitere zerstörungsfreie Technik zur Charakterisierung elektrochemischer Reaktionen an korrodierten Grenzflächen. Impedanzspektren und berechnete Kapazitätswerte von Proben, die abiotischen Medien und Pseudomonas aeruginosa-Lösung ausgesetzt waren, Rb-Widerstand des auf der Oberfläche der Probe gebildeten Passivfilms/Biofilms, Rct-Ladungsübertragungswiderstand, elektrische Doppelschichtkapazität (EDL) von Cdl und QCPE-Konstantphasenelement (CPE)-Parameter. Diese Parameter wurden weiter analysiert, indem die Daten mithilfe eines Ersatzschaltkreismodells (EEC) angepasst wurden .
Abbildung 3 zeigt typische Nyquist-Diagramme (a und b) und Bode-Diagramme (a' und b') von 2707 HDSS-Proben in abiotischem Medium und P. aeruginosa-Brühe für unterschiedliche Inkubationszeiten. Der Durchmesser des Nyquist-Rings nimmt in Gegenwart von Pseudomonas aeruginosa ab. Das Bode-Diagramm (Abb. 3b') zeigt einen Anstieg der Größe der Gesamtimpedanz. Informationen über die Relaxationszeitkonstante können durch die Phasenmaxima bereitgestellt werden. Abbildung 4 zeigt die auf Monoschicht (a) und Doppelschicht (b) basierenden physikalischen Strukturen und ihre entsprechenden EECs. CPE wird in das EEC-Modell eingeführt. Seine Admittanz und Impedanz werden wie folgt ausgedrückt:
Zwei physikalische Modelle und entsprechende Ersatzschaltkreise zur Anpassung des Impedanzspektrums der 2707 HDSS-Probe:
Dabei ist Y0 die Größe des CPE, j die imaginäre Zahl oder (-1)1/2, ω die Kreisfrequenz und n der CPE-Leistungsindex kleiner als Eins35. Der Kehrwert des Ladungsübertragungswiderstands (d. h. 1/Rct) entspricht der Korrosionsrate. Ein kleinerer Rct bedeutet eine schnellere Korrosionsrate27. Nach 14 Tagen Inkubation erreichte der Rct der Pseudomonas aeruginosa-Proben 32 kΩ cm2, viel kleiner als die 489 kΩ cm2 der nicht-biologischen Proben (Tabelle 4).
Die CLSM-Bilder und SEM-Bilder in Abbildung 5 zeigen deutlich, dass die Biofilmbedeckung auf der Oberfläche der 2707 HDSS-Probe nach 7 Tagen dicht ist. Nach 14 Tagen war die Biofilmbedeckung jedoch spärlich und es traten einige tote Zellen auf. Tabelle 5 zeigt die Biofilmdicke auf 2707 HDSS-Proben nach 7- und 14-tägiger Exposition gegenüber P. aeruginosa. Die maximale Biofilmdicke änderte sich von 23,4 μm nach 7 Tagen auf 1 8,9 μm nach 14 Tagen. Auch die durchschnittliche Biofilmdicke bestätigte diesen Trend. Sie verringerte sich von 22,2 ± 0,7 μm nach 7 Tagen auf 17,8 ± 1,0 μm nach 14 Tagen.
(a) 3D-CLSM-Bild nach 7 Tagen, (b) 3D-CLSM-Bild nach 14 Tagen, (c) SEM-Bild nach 7 Tagen und (d) SEM-Bild nach 14 Tagen.
EDS zeigte chemische Elemente in Biofilmen und Korrosionsprodukten an Proben, die 14 Tage lang P. aeruginosa ausgesetzt waren. Abbildung 6 zeigt, dass der Gehalt an C, N, O und P in Biofilmen und Korrosionsprodukten viel höher ist als der in blanken Metallen, da diese Elemente mit Biofilmen und ihren Metaboliten verbunden sind. Mikroben benötigen nur Spuren von Chrom und Eisen. Hohe Mengen an Cr und Fe im Biofilm und in Korrosionsprodukten auf der Oberfläche der Proben weisen darauf hin, dass die Metallmatrix durch Elemente verloren gegangen ist Korrosion.
Nach 14 Tagen wurde im 2216E-Medium Lochfraß mit und ohne P. aeruginosa beobachtet. Vor der Inkubation war die Probenoberfläche glatt und fehlerfrei (Abb. 7a). Nach der Inkubation und Entfernung von Biofilm und Korrosionsprodukten wurden die tiefsten Grübchen auf der Oberfläche der Proben mit CLSM untersucht, wie in Abbildung 7b und c dargestellt. Auf der Oberfläche der nichtbiologischen Kontrollproben wurden keine offensichtlichen Grübchen gefunden (maximale Grübchentiefe 0,0). 2 μm).Die durch Pseudomonas aeruginosa verursachte maximale Grübchentiefe betrug 0,52 μm nach 7 Tagen und 0,69 μm nach 14 Tagen, basierend auf der durchschnittlichen maximalen Grübchentiefe von 3 Proben (10 maximale Grübchentiefenwerte wurden für jede Probe ausgewählt) erreichte 0,42 ± 0,12 μm bzw. 0,52 ± 0,15 μm (Tabelle 5). Diese Grübchentiefenwerte sind klein, aber wichtig.
(a) Vor der Exposition, (b) 14 Tage in abiotischem Medium und (c) 14 Tage in Pseudomonas aeruginosa-Brühe.
Abbildung 8 zeigt die XPS-Spektren verschiedener Probenoberflächen und die für jede Oberfläche analysierten chemischen Zusammensetzungen sind in Tabelle 6 zusammengefasst. In Tabelle 6 waren die Atomprozentsätze von Fe und Cr in Gegenwart von P. aeruginosa (Proben A und B) viel niedriger als die der nichtbiologischen Kontrollproben (Proben C und D). Für die P. aeruginosa-Probe wurde die Spektralkurve auf Cr 2p-Kernebene an vier Peakkomponenten mit Bindungsenergiewerten (BE) angepasst von 574,4, 576,6, 578,3 und 586,8 eV, die jeweils Cr, Cr2O3, CrO3 und Cr(OH)3 zugeschrieben werden können (Abb. 9a und b). Für nicht-biologische Proben enthält das Cr 2p-Kernspektrum zwei Hauptpeaks für Cr (573,80 eV für BE) und Cr2O3 (575,90 eV für BE) in Abb. 9c bzw. d. Der auffälligste Unterschied zwischen den abiotischen und P. aeruginosa-Proben war das Vorhandensein von Cr6+ und einem höheren relativen Anteil von Cr(OH)3 (BE von 586,8 eV) unter dem Biofilm.
Die breiten XPS-Spektren der Oberfläche der 2707 HDSS-Probe in den beiden Medien betragen 7 Tage bzw. 14 Tage.
(a) 7 Tage Exposition gegenüber P. aeruginosa, (b) 14 Tage Exposition gegenüber P. aeruginosa, (c) 7 Tage in abiotischem Medium und (d) 14 Tage in abiotischem Medium.
HDSS weist in den meisten Umgebungen eine hohe Korrosionsbeständigkeit auf. Kim et al.2 berichtete, dass UNS S32707 HDSS als hochlegiertes DSS mit einem PREN von mehr als 45 definiert wurde. Der PREN-Wert der 2707 HDSS-Probe in dieser Arbeit betrug 49. Dies ist auf den hohen Chromgehalt und die hohen Molybdän- und Ni-Gehalte zurückzuführen, die in sauren und chloridreichen Umgebungen von Vorteil sind. Darüber hinaus sind eine ausgewogene Zusammensetzung und eine fehlerfreie Mikrostruktur nützlich für die strukturelle Stabilität und Korrosionsbeständigkeit Die experimentellen Daten in dieser Arbeit legen nahe, dass 2707 HDSS nicht vollständig immun gegen die MIC von P. aeruginosa-Biofilmen ist.
Elektrochemische Ergebnisse zeigten, dass die Korrosionsrate von 2707 HDSS in P. aeruginosa-Brühe nach 14 Tagen im Vergleich zu nicht-biologischem Medium deutlich erhöht war. In Abbildung 2a wurde in den ersten 24 Stunden sowohl im abiotischen Medium als auch in P. aeruginosa-Brühe eine Verringerung des Eocp beobachtet. biologisches Eocp. Es gibt Grund zu der Annahme, dass dieser Unterschied auf die Bildung von P. aeruginosa-Biofilmen zurückzuführen ist. In Abb. 2d erreichte der Icorr-Wert von 2707 HDSS in Gegenwart von P. aeruginosa 0,627 μA cm-2, was eine Größenordnung höher war als der der abiotischen Kontrolle (0,063 μA cm-2), was mit dem von EIS gemessenen Rct-Wert übereinstimmte. In den ersten Tagen wurden Impedanzwerte gemessen in P. aeruginosa-Brühe erhöhte sich aufgrund der Anheftung von P. aeruginosa-Zellen und der Bildung von Biofilmen. Wenn der Biofilm jedoch die Oberfläche der Probe vollständig bedeckt, nimmt die Impedanz ab höher als der entsprechende Wert der Proben, die P. aeruginosa-Brühe ausgesetzt waren. Darüber hinaus erreichte der Rct-Wert von 2707 HDSS bei abiotischen Proben am Tag 14 489 kΩ cm2, was dem 15-fachen des Rct-Werts (32 kΩ cm2) in Gegenwart von P. aeruginosa entsprach. Daher weist 2707 HDSS eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit in einer sterilen Umgebung auf, ist jedoch nicht resistent gegen MIC-Angriffe durch P. aerugin osa-Biofilme.
Diese Ergebnisse können auch anhand der Polarisationskurven in Abb. 2b beobachtet werden. Die anodische Verzweigung wurde auf die Bildung von Pseudomonas aeruginosa-Biofilmen und Metalloxidationsreaktionen zurückgeführt. Gleichzeitig ist die kathodische Reaktion die Reduktion von Sauerstoff. Die Anwesenheit von P. aeruginosa erhöhte die Korrosionsstromdichte erheblich, etwa eine Größenordnung höher als die abiotische Kontrolle. Dies weist darauf hin, dass der P. aeruginosa-Biofilm die lokale Korrosion von 2707 HDSS erhöht. Yuan et al.29 fanden das heraus Die Korrosionsstromdichte der 70/30 Cu-Ni-Legierung erhöhte sich unter Belastung durch P. aeruginosa-Biofilm. Dies kann auf die Biokatalyse der Sauerstoffreduktion durch Pseudomonas aeruginosa-Biofilme zurückzuführen sein. Diese Beobachtung erklärt möglicherweise auch die MHK von 2707 HDSS in dieser Arbeit. Unter aeroben Biofilmen befindet sich möglicherweise auch weniger Sauerstoff. Daher kann das Versäumnis, die Metalloberfläche durch Sauerstoff erneut zu passivieren, ein Faktor sein, der zur MHK in dieser Arbeit beiträgt.
Dickinson et al.38 schlugen vor, dass die Geschwindigkeiten chemischer und elektrochemischer Reaktionen direkt von der Stoffwechselaktivität sessiler Bakterien auf der Oberfläche der Probe und der Art der Korrosionsprodukte beeinflusst werden können. Wie in Abbildung 5 und Tabelle 5 gezeigt, nahmen sowohl die Zellzahl als auch die Biofilmdicke nach 14 Tagen ab. Dies kann vernünftigerweise dadurch erklärt werden, dass nach 14 Tagen die meisten sessilen Zellen auf der Oberfläche von 2707 HDSS aufgrund von Nährstoffmangel im 2216E-Medium oder der Freisetzung von abstarben giftige Metallionen aus der 2707 HDSS-Matrix. Dies ist eine Einschränkung von Batch-Experimenten.
In dieser Arbeit förderte der P. aeruginosa-Biofilm die lokale Abreicherung von Cr und Fe unter dem Biofilm auf der 2707 HDSS-Oberfläche (Abb. 6). In Tabelle 6 ist die Verringerung von Fe und Cr in Probe D im Vergleich zu Probe C zu sehen, was darauf hindeutet, dass durch den P. aeruginosa-Biofilm gelöstes Fe und Cr über die ersten 7 Tage hinaus anhielt. Das 2216E-Medium wird zur Simulation von Meeresumgebungen verwendet. Es enthält 17700 ppm Cl-, was damit vergleichbar ist in natürlichem Meerwasser gefunden. Das Vorhandensein von 17700 ppm Cl- war der Hauptgrund für die Verringerung von Cr in den 7- und 14-tägigen abiotischen Proben, die mit XPS analysiert wurden. Im Vergleich zu P. aeruginosa-Proben war die Auflösung von Cr in abiotischen Proben aufgrund der starken Cl−-Resistenz von 2707 HDSS in abiotischen Umgebungen viel geringer. Abbildung 9 zeigt das Vorhandensein von Cr6+ im Passivierungsfilm. Es könnte an der Entfernung von Cr von Stahloberflächen durch P beteiligt sein . aeruginosa-Biofilme, wie von Chen und Clayton vorgeschlagen.
Aufgrund des Bakterienwachstums betrugen die pH-Werte des Mediums vor und nach der Kultivierung 7,4 bzw. 8,2. Daher ist es unwahrscheinlich, dass Korrosion durch organische Säure unterhalb des P. aeruginosa-Biofilms aufgrund des relativ hohen pH-Werts im Hauptmedium zu dieser Arbeit beiträgt. Der pH-Wert des nichtbiologischen Kontrollmediums änderte sich während des 14-tägigen Testzeitraums nicht wesentlich (von anfänglich 7,4 auf endgültig 7,5). Der Anstieg des pH-Werts im Inokulationsmedium nach in Die Kubation war auf die Stoffwechselaktivität von P. aeruginosa zurückzuführen und hatte ohne Teststreifen den gleichen Effekt auf den pH-Wert.
Wie in Abbildung 7 dargestellt, betrug die maximale Grübchentiefe, die durch den P. aeruginosa-Biofilm verursacht wurde, 0,69 μm und war damit viel größer als die des abiotischen Mediums (0,02 μm). 2205 DSS. Dies sollte nicht überraschen, da 2707 HDSS einen höheren Chromgehalt hat und aufgrund der ausgewogenen Phasenstruktur ohne schädliche Sekundärausfällungen eine länger anhaltende Passivierung ermöglicht, was es für P. aeruginosa schwieriger macht, zu depassivieren und Punkte zu verfinstern.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass auf der Oberfläche von 2707 HDSS in P. aeruginosa-Brühe MIC-Lochfraß festgestellt wurde, im Vergleich zu vernachlässigbarem Lochfraß in abiotischen Medien. Diese Arbeit zeigt, dass 2707 HDSS eine bessere MIC-Resistenz aufweist als 2205 DSS, aber aufgrund des P. aeruginosa-Biofilms nicht vollständig immun gegen MIC ist. Diese Ergebnisse helfen bei der Auswahl geeigneter rostfreier Stähle und der geschätzten Lebensdauer für die Meeresumwelt.
Der Gutschein für 2707 HDSS wird von der School of Metallurgy der Northeastern University (NEU) in Shenyang, China, zur Verfügung gestellt. Die Elementzusammensetzung von 2707 HDSS ist in Tabelle 1 aufgeführt, die von der NEU-Abteilung für Materialanalyse und -prüfung analysiert wurde. Alle Proben wurden 1 Stunde lang bei 1180 °C lösungsbehandelt. Vor dem Korrosionstest wurde münzförmiges 2707 HDSS mit einer freiliegenden Oberfläche von 1 cm2 auf Körnung 2000 poliert mit Siliziumkarbidpapier und weiter poliert mit einer 0,05 μm Al2O3-Pulversuspension. Die Seiten und der Boden sind durch inerte Farbe geschützt. Nach dem Trocknen wurden die Proben mit sterilem entionisiertem Wasser gespült und mit 75 % (v/v) Ethanol 0,5 Stunden lang sterilisiert. Anschließend wurden sie vor der Verwendung 0,5 Stunden lang unter ultraviolettem (UV) Licht an der Luft getrocknet.
Der Stamm Marine Pseudomonas aeruginosa MCCC 1A00099 wurde vom Xiamen Marine Culture Collection Center (MCCC), China, erworben. Pseudomonas aeruginosa wurde aerob bei 37 °C in 250-ml-Flaschen und 500-ml-elektrochemischen Glaszellen unter Verwendung des Flüssigmediums Marine 2216E (Qingdao Hope Biotechnology Co., Ltd., Qingdao, China) gezüchtet. Medium (g/L): 19. 45 NaCl, 5,98 MgCl2, 3,24 Na2SO4, 1,8 CaCl2, 0,55 KCl, 0,16 Na2CO3, 0,08 KBr, 0,034 SrCl2, 0,08 SrBr2, 0,022 H3BO3, 0,004 NaSiO3, 0016 NH3, 0016 NH3, 0016 NaH2PO4, 5,0 Pepton, 1,0 Hefeextrakt und 0,1 Eisencitrat. Vor der Inokulation 20 Minuten lang bei 121 °C autoklavieren. Sitzende und planktonische Zellen mit einem Hämozytometer unter einem Lichtmikroskop bei 400-facher Vergrößerung zählen. Die anfängliche Zellkonzentration von planktonischem Pseudomonas aeruginosa unmittelbar nach der Inokulation betrug etwa 106 Zellen/ml.
Elektrochemische Tests wurden in einer klassischen Drei-Elektroden-Glaszelle mit einem mittleren Volumen von 500 ml durchgeführt. Eine Platinplatte und eine gesättigte Kalomelelektrode (SCE) wurden über mit Salzbrücken gefüllte Luggin-Kapillaren mit dem Reaktor verbunden und dienten als Gegen- bzw. Referenzelektroden. Zur Herstellung der Arbeitselektroden wurde an jeder Probe ein gummibeschichteter Kupferdraht befestigt und mit Epoxidharz bedeckt, so dass etwa 1 cm2 freiliegende einseitige Oberfläche für die Arbeitselektrode übrig blieb. Während der elektrochemischen Messungen wurden die Proben in 2 platziert 216E-Medium und bei einer konstanten Inkubationstemperatur (37 °C) in einem Wasserbad gehalten. OCP-, LPR-, EIS- und potenzielle dynamische Polarisationsdaten wurden mit einem Autolab-Potentiostat (Reference 600TM, Gamry Instruments, Inc., USA) gemessen Sinuswelle im Frequenzbereich von 0,01 bis 10.000 Hz unter Verwendung einer angelegten Spannung von 5 mV bei stationärem Eocp. Vor dem Potentialdurchlauf befanden sich die Elektroden im Leerlaufmodus, bis ein stabiler Wert des freien Korrosionspotentials erreicht wurde. Anschließend wurden Polarisationskurven von -0,2 bis 1,5 V vs. Eocp mit einer Abtastrate von 0,166 mV/s durchgeführt. Jeder Test wurde dreimal mit und ohne P. aeruginosa wiederholt.
Proben für die metallografische Analyse wurden mechanisch mit nassem SiC-Papier der Körnung 2000 poliert und anschließend zur optischen Beobachtung mit einer 0,05 μm Al2O3-Pulversuspension weiter poliert. Die metallografische Analyse wurde unter Verwendung eines optischen Mikroskops durchgeführt. Die Proben wurden mit 10 Gew.-%iger Kaliumhydroxidlösung 43 geätzt.
Nach der Inkubation wurden die Proben dreimal mit phosphatgepufferter Kochsalzlösung (PBS) (pH 7,4 ± 0,2) gewaschen und dann 10 Stunden lang mit 2,5 % (v/v) Glutaraldehyd fixiert, um Biofilme zu fixieren. Anschließend wurden sie zuvor mit einer abgestuften Reihe (50 %, 60 %, 70 %, 80 %, 90 %, 95 % und 100 % v/v) Ethanol dehydriert Lufttrocknung. Abschließend wird die Oberfläche der Probe mit einem Goldfilm besputtert, um Leitfähigkeit für die REM-Beobachtung bereitzustellen. Die REM-Bilder wurden auf die Stellen mit den am stärksten sitzenden P. aeruginosa-Zellen auf der Oberfläche jeder Probe fokussiert. Führen Sie eine EDS-Analyse durch, um chemische Elemente zu finden. Ein konfokales Laser-Scanning-Mikroskop (CLSM) von Zeiss (LSM 710, Zeiss, Deutschland) wurde zur Messung der Lochtiefe verwendet. Um die Korrosionslöcher unter dem Biofilm, dem Teststück, zu beobachten wurde zunächst gemäß dem Chinese National Standard (CNS) GB/T4334.4-2000 gereinigt, um die Korrosionsprodukte und den Biofilm auf der Oberfläche des Teststücks zu entfernen.
Die Analyse der Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS, Oberflächenanalysesystem ESCALAB250, Thermo VG, USA) wurde unter Verwendung einer monochromatischen Röntgenquelle (Aluminium-Kα-Linie bei 1500 eV Energie und 150 W Leistung) über einen weiten Bindungsenergiebereich von 0 –1350 eV unter Standardbedingungen durchgeführt. Hochauflösende Spektren wurden mit einer Durchgangsenergie von 50 eV und einer Schrittgröße von 0,2 eV aufgezeichnet.
Die inkubierten Proben wurden entnommen und vorsichtig mit PBS (pH 7,4 ± 0,2) 15 s lang gespült45. Um die bakterielle Lebensfähigkeit der Biofilme auf den Proben zu beobachten, wurden die Biofilme mit dem LIVE/DEAD BacLight Bacterial Viability Kit (Invitrogen, Eugene, OR, USA) gefärbt. Das Kit enthält zwei fluoreszierende Farbstoffe, einen grün fluoreszierenden SYTO-9-Farbstoff und einen rot fluoreszierenden Propidiumiodid (PI)-Farbstoff. Unter CL SM, Punkte mit fluoreszierendem Grün und Rot repräsentieren lebende bzw. tote Zellen. Zur Färbung wurde eine 1-ml-Mischung mit 3 μl SYTO-9 und 3 μl PI-Lösung 20 Minuten lang bei Raumtemperatur (23 °C) im Dunkeln inkubiert. Anschließend wurden die gefärbten Proben bei zwei Wellenlängen (488 nm für lebende Zellen und 559 nm für tote Zellen) mit einem Nikon CLSM-Gerät (C2 Plus, Nikon, Japan) beobachtet. Die Biofilmdicke wurde in 3D gemessen Scanmodus.
Zitierweise für diesen Artikel: Li, H. et al.Mikrobielle Korrosion von 2707 Super-Duplex-Edelstahl durch marinen Pseudomonas aeruginosa-Biofilm.science.Rep.6, 20190;doi: 10.1038/srep20190 (2016).
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