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Mikrobielle Korrosion (MIC) ist in vielen Branchen ein ernstes Problem, da sie zu enormen wirtschaftlichen Verlusten führen kann.Super-Duplex-Edelstahl 2707 (2707 HDSS) wird aufgrund seiner hervorragenden chemischen Beständigkeit in Meeresumgebungen verwendet.Die Resistenz gegenüber MIC wurde jedoch nicht experimentell nachgewiesen.Diese Studie untersuchte das Verhalten von MIC 2707 HDSS, das durch das marine aerobe Bakterium Pseudomonas aeruginosa verursacht wird.Die elektrochemische Analyse zeigte, dass es bei Anwesenheit von Pseudomonas aeruginosa-Biofilm im 2216E-Medium zu einer positiven Änderung des Korrosionspotentials und einer Erhöhung der Korrosionsstromdichte kommt.Die Analyse der Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) zeigte eine Abnahme des Cr-Gehalts auf der Oberfläche der Probe unter dem Biofilm.Die visuelle Analyse der Grübchen zeigte, dass der P. aeruginosa-Biofilm während der 14-tägigen Inkubation eine maximale Grübchentiefe von 0,69 µm erzeugte.Obwohl dies gering ist, weist es darauf hin, dass 2707 HDSS nicht vollständig immun gegen die MIC von P. aeruginosa-Biofilmen ist.
Duplex-Edelstähle (DSS) werden aufgrund der perfekten Kombination aus hervorragenden mechanischen Eigenschaften und Korrosionsbeständigkeit in verschiedenen Branchen häufig verwendet1,2.Es kommt jedoch immer noch zu örtlicher Lochfraßbildung, die die Integrität dieses Stahls beeinträchtigt3,4.DSS ist nicht beständig gegen mikrobielle Korrosion (MIC)5,6.Trotz des breiten Einsatzspektrums von DSS gibt es immer noch Umgebungen, in denen die Korrosionsbeständigkeit von DSS für den Langzeiteinsatz nicht ausreicht.Dies bedeutet, dass teurere Materialien mit höherer Korrosionsbeständigkeit erforderlich sind.Jeon et al.7 fanden heraus, dass selbst Super-Duplex-Edelstähle (SDSS) einige Einschränkungen hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit aufweisen.Daher sind in manchen Fällen Super-Duplex-Edelstähle (HDSS) mit höherer Korrosionsbeständigkeit erforderlich.Dies führte zur Entwicklung von hochlegiertem HDSS.
Die Korrosionsbeständigkeit DSS hängt vom Verhältnis der Alpha- und Gammaphasen ab und ist in den Cr-, Mo- und W-Regionen 8, 9, 10 neben der zweiten Phase abgereichert.HDSS enthält einen hohen Gehalt an Cr, Mo und N11 und weist daher eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und einen hohen Wert (45-50) der äquivalenten Lochfraßwiderstandszahl (PREN) auf, bestimmt durch Gew.-% Cr + 3,3 (Gew.-% Mo + 0,5 Gew.-% W) ​​+ 16 Gew.-%.N12.Seine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit hängt von einer ausgewogenen Zusammensetzung ab, die etwa 50 % ferritische (α) und 50 % austenitische (γ) Phasen enthält.HDSS verfügt über bessere mechanische Eigenschaften und eine höhere Beständigkeit gegen Chloridkorrosion.Die verbesserte Korrosionsbeständigkeit erweitert den Einsatz von HDSS in aggressiveren Chloridumgebungen wie Meeresumgebungen.
MICs sind in vielen Branchen wie der Öl-, Gas- und Wasserindustrie ein großes Problem14.MIC ist für 20 % aller Korrosionsschäden verantwortlich15.MIC ist eine 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 zerfressen Metalle, um die Energie zu gewinnen, die sie zum Überleben benötigen17.Aktuelle MIC-Studien haben gezeigt, dass EET (extrazellulärer Elektronentransfer) der geschwindigkeitsbestimmende Faktor bei der durch elektrogene Mikroorganismen induzierten MIC ist.Zhang et al.18 zeigte, dass Elektronenvermittler den Elektronentransfer zwischen Desulfovibrio sessificans-Zellen und Edelstahl 304 beschleunigen, was zu einem schwerwiegenderen MIC-Angriff führt.Anning et al.19 und Wenzlaff et al.20 haben gezeigt, dass Biofilme aus korrosiven sulfatreduzierenden Bakterien (SRBs) Elektronen direkt von Metallsubstraten absorbieren können, was zu starker Lochfraßbildung führt.
Es ist bekannt, dass DSS in Medien, die SRBs, eisenreduzierende Bakterien (IRBs) usw. enthalten, anfällig für MIC ist. 21 .Diese Bakterien verursachen lokale Lochfraßbildung auf der Oberfläche von DSS unter Biofilmen22,23.Im Gegensatz zu DSS ist das HDSS24 MIC nicht sehr bekannt.
Pseudomonas aeruginosa ist ein gramnegatives, bewegliches, stäbchenförmiges Bakterium, das in der Natur weit verbreitet ist25.Pseudomonas aeruginosa ist ebenfalls eine wichtige Mikrobengruppe in der Meeresumwelt und verursacht erhöhte MHK-Konzentrationen.Pseudomonas ist aktiv am Korrosionsprozess 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 Gewässern zu erhöhen.
Das Hauptziel dieser Arbeit bestand darin, die Eigenschaften von MIC 2707 HDSS, verursacht durch das marine aerobe Bakterium Pseudomonas aeruginosa, mithilfe elektrochemischer Methoden, Methoden der Oberflächenanalyse und Analyse von Korrosionsprodukten zu untersuchen.Elektrochemische Studien, einschließlich Leerlaufpotential (OCP), linearer Polarisationswiderstand (LPR), elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) und potenzielle dynamische Polarisation, wurden durchgeführt, um das Verhalten des MIC 2707 HDSS zu untersuchen.Um chemische Elemente auf einer korrodierten Oberfläche nachzuweisen, wurde eine energiedispersive spektrometrische Analyse (EDS) durchgeführt.Darüber hinaus wurde Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) verwendet, um die Stabilität der Oxidfilmpassivierung unter dem Einfluss einer Meeresumgebung mit Pseudomonas aeruginosa zu bestimmen.Die Tiefe der Vertiefungen wurde unter einem konfokalen Laser-Scanning-Mikroskop (CLSM) gemessen.
Tabelle 1 zeigt die chemische Zusammensetzung von 2707 HDSS.Tabelle 2 zeigt, dass 2707 HDSS hervorragende mechanische Eigenschaften mit einer Streckgrenze von 650 MPa aufweist.Auf Abb.1 zeigt die optische Mikrostruktur von lösungsgeglühtem 2707 HDSS.In der Mikrostruktur, die etwa 50 % Austenit- und 50 % Ferritphasen enthält, sind längliche Bänder aus Austenit- und Ferritphasen ohne Sekundärphasen sichtbar.
Auf Abb.2a zeigt das Leerlaufpotential (Eocp) gegenüber der Expositionszeit für 2707 HDSS in abiotischem 2216E-Medium und P. aeruginosa-Brühe für 14 Tage bei 37 °C.Es zeigt, dass die größte und bedeutendste 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 (im Vergleich zu SCE) und fielen dann stark ab und erreichten -477 mV (im Vergleich zu SCE) und -236 mV (im Vergleich zu SCE) für die abiotische Probe.bzw. P Pseudomonas aeruginosa-Gutscheine).Nach 24 Stunden lag der Eocp 2707 HDSS-Wert für P. aeruginosa relativ stabil bei -228 mV (im Vergleich zu SCE), während der entsprechende Wert für nichtbiologische Proben bei etwa -442 mV (im Vergleich zu SCE) lag.Eocp war in Gegenwart von P. aeruginosa recht niedrig.
Elektrochemische Untersuchung 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.
Tabelle 3 zeigt die elektrochemischen Korrosionsparameter von 2707 HDSS-Proben, die über einen Zeitraum von 14 Tagen abiotischen und mit Pseudomonas aeruginosa inokulierten Medien ausgesetzt waren.Die Tangenten der Anoden- und Kathodenkurven wurden extrapoliert, um Schnittpunkte zu erhalten, die die Korrosionsstromdichte (icorr), das Korrosionspotential (Ecorr) und die Tafel-Steigung (βα und βc) gemäß Standardmethoden ergeben30,31.
Wie in Abb. gezeigt.2b führte eine 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 und ist damit viermal höher als in der nicht-biologischen Probe (0,087 µA cm-2).
LPR ist eine klassische zerstörungsfreie elektrochemische Methode zur schnellen Korrosionsanalyse.Es wurde auch zur Untersuchung von MIC32 verwendet.Auf Abb.2c zeigt den Polarisationswiderstand (Rp) als Funktion der Belichtungszeit.Ein höherer Rp-Wert bedeutet weniger Korrosion.Innerhalb der ersten 24 Stunden erreichte Rp 2707 HDSS einen Spitzenwert von 1955 kΩ cm2 für abiotische Proben und 1429 kΩ cm2 für Pseudomonas aeruginosa-Proben.Abbildung 2c zeigt auch, dass der Rp-Wert nach einem Tag schnell abnahm und dann über die nächsten 13 Tage relativ unverändert blieb.Der Rp-Wert einer Pseudomonas aeruginosa-Probe beträgt etwa 40 kΩ cm2 und ist damit viel niedriger als der 450 kΩ cm2-Wert einer nichtbiologischen Probe.
Der Wert von icorr ist proportional zur gleichmäßigen Korrosionsrate.Sein Wert kann aus der folgenden Stern-Giri-Gleichung berechnet werden:
Laut Zoe et al.33 wurde der typische Wert der Tafel-Steigung B in dieser Arbeit mit 26 mV/Dez angenommen.Abbildung 2d zeigt, dass der Ikorr der nicht-biologischen Probe 2707 relativ stabil blieb, während die P. aeruginosa-Probe nach den ersten 24 Stunden stark schwankte.Die Icorr-Werte der P. aeruginosa-Proben waren um eine Größenordnung höher als die der nichtbiologischen Kontrollen.Dieser Trend steht im Einklang mit den Ergebnissen des Polarisationswiderstands.
EIS ist eine weitere zerstörungsfreie Methode zur Charakterisierung elektrochemischer Reaktionen auf korrodierten Oberflächen.Impedanzspektren und berechnete Kapazitätswerte von Proben, die abiotischer Umgebung und Pseudomonas aeruginosa-Lösung ausgesetzt sind, passiver Film-/Biofilmwiderstand Rb, der auf der Probenoberfläche gebildet wird, Ladungsübertragungswiderstand Rct, elektrische Doppelschichtkapazität Cdl (EDL) und konstante QCPE-Phasenelementparameter (CPE).Diese Parameter wurden weiter analysiert, indem die Daten mithilfe eines Ersatzschaltkreismodells (EEC) angepasst wurden.
Auf Abb.3 zeigt typische Nyquist-Diagramme (a und b) und Bode-Diagramme (a' und b') für 2707 HDSS-Proben in abiotischen Medien und P. aeruginosa-Brühe für verschiedene Inkubationszeiten.Der Durchmesser des Nyquist-Rings nimmt bei Anwesenheit von Pseudomonas aeruginosa ab.Das Bode-Diagramm (Abb. 3b') zeigt den Anstieg der Gesamtimpedanz.Informationen über die Relaxationszeitkonstante können aus Phasenmaxima gewonnen werden.Auf Abb.4 zeigt die physikalischen Strukturen basierend auf einer Monoschicht (a) und einer Doppelschicht (b) und den entsprechenden EECs.CPE wird in das EEC-Modell eingeführt.Seine Admittanz und Impedanz werden wie folgt ausgedrückt:
Zwei physikalische Modelle und entsprechende Ersatzschaltungen zur Anpassung des Impedanzspektrums der Probe 2707 HDSS:
Dabei ist Y0 der KPI-Wert, j die imaginäre Zahl oder (-1)1/2, ω die Kreisfrequenz und n der KPI-Leistungsindex kleiner als eins35.Die Ladungsübertragungswiderstandsumkehr (dh 1/Rct) entspricht der Korrosionsrate.Je kleiner Rct, desto höher ist die Korrosionsrate27.Nach 14 Tagen Inkubation erreichte der Rct von Pseudomonas aeruginosa-Proben 32 kΩ cm2, was viel weniger ist als die 489 kΩ cm2 nichtbiologischer Proben (Tabelle 4).
Die CLSM-Bilder und SEM-Bilder in Abbildung 5 zeigen deutlich, dass die Biofilmbeschichtung auf der Oberfläche der HDSS-Probe 2707 nach 7 Tagen dicht ist.Nach 14 Tagen war die Biofilmbedeckung jedoch schlecht und es traten einige tote Zellen auf.Tabelle 5 zeigt die Biofilmdicke von 2707 HDSS-Proben nach 7- und 14-tägiger Exposition gegenüber P. aeruginosa.Die maximale Biofilmdicke veränderte sich von 23,4 µm nach 7 Tagen auf 18,9 µm nach 14 Tagen.Auch die durchschnittliche Biofilmdicke bestätigte diesen Trend.Sie sank 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.
EMF zeigte chemische Elemente in Biofilmen und Korrosionsprodukten in Proben, die 14 Tage lang P. aeruginosa ausgesetzt waren.Auf Abb.Abbildung 6 zeigt, dass der Gehalt an C, N, O und P in Biofilmen und Korrosionsprodukten deutlich höher ist als in reinen Metallen, da diese Elemente mit Biofilmen und deren Metaboliten assoziiert sind.Mikroben benötigen nur Spuren von Chrom und Eisen.Hohe Cr- und Fe-Werte im Biofilm und Korrosionsprodukte auf der Oberfläche der Proben weisen darauf hin, dass die Metallmatrix durch Korrosion Elemente verloren hat.
Nach 14 Tagen wurden im Medium 2216E Tüpfel mit und ohne P. aeruginosa beobachtet.Vor der Inkubation war die Oberfläche der Proben glatt und fehlerfrei (Abb. 7a).Nach der Inkubation und Entfernung von Biofilm und Korrosionsprodukten wurden die tiefsten Vertiefungen auf der Oberfläche der Proben mit CLSM untersucht, wie in Abb. 7b und c dargestellt.Auf der Oberfläche nichtbiologischer Kontrollen wurde keine offensichtliche Lochfraßbildung festgestellt (maximale Lochfraßtiefe 0,02 µm).Die durch P. aeruginosa verursachte maximale Grübchentiefe betrug 0,52 µm nach 7 Tagen und 0,69 µm nach 14 Tagen, basierend auf der durchschnittlichen maximalen Grübchentiefe aus 3 Proben (für jede Probe wurden 10 maximale Grübchentiefen ausgewählt).Erzielung von 0,42 ± 0,12 µm bzw. 0,52 ± 0,15 µm (Tabelle 5).Diese Lochtiefenwerte sind klein, aber wichtig.
(a) vor der Exposition, (b) 14 Tage in einer abiotischen Umgebung und (c) 14 Tage in Pseudomonas aeruginosa-Brühe.
Auf Abb.Tabelle 8 zeigt die XPS-Spektren verschiedener Probenoberflächen, und die für jede Oberfläche analysierte chemische Zusammensetzung ist 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 Kontrollen.(Proben C und D).Für eine P. aeruginosa-Probe wurde die Spektralkurve auf der Ebene des Cr 2p-Kerns an vier Peakkomponenten mit Bindungsenergien (BE) von 574,4, 576,6, 578,3 und 586,8 eV angepasst, die Cr, Cr2O3, CrO3 zugeordnet werden können.bzw. Cr(OH)3 (Abb. 9a und b).Bei nicht-biologischen Proben enthält das Spektrum des Haupt-Cr-2p-Gehalts zwei Hauptpeaks für Cr (573,80 eV für BE) und Cr2O3 (575,90 eV für BE) in den Abbildungen.9c bzw. d.Der auffälligste Unterschied zwischen abiotischen Proben und P. aeruginosa-Proben war das Vorhandensein von Cr6+ und einem höheren relativen Anteil von Cr(OH)3 (BE 586,8 eV) unter dem Biofilm.
Die breiten XPS-Spektren der Oberfläche der Probe 2707 HDSS in zwei Medien betragen 7 bzw. 14 Tage.
(a) 7 Tage Exposition gegenüber P. aeruginosa, (b) 14 Tage Exposition gegenüber P. aeruginosa, (c) 7 Tage in einer abiotischen Umgebung und (d) 14 Tage in einer abiotischen Umgebung.
HDSS weist in den meisten Umgebungen eine hohe Korrosionsbeständigkeit auf.Kim et al.2 berichteten, dass HDSS UNS S32707 als hochlegiertes DSS mit einem PREN von mehr als 45 identifiziert wurde. Der PREN-Wert der Probe 2707 HDSS betrug in dieser Arbeit 49. Dies ist auf den hohen Chromgehalt und den hohen Gehalt an Molybdän und Nickel zurückzuführen, die in sauren Umgebungen nützlich sind.und Umgebungen mit hohem Chloridgehalt.Darüber hinaus wirken sich eine ausgewogene Zusammensetzung und eine fehlerfreie Mikrostruktur positiv auf die Strukturstabilität und Korrosionsbeständigkeit aus.Trotz seiner hervorragenden chemischen Beständigkeit legen die experimentellen Daten in dieser Arbeit jedoch nahe, dass 2707 HDSS nicht vollständig immun gegen MICs von P. aeruginosa-Biofilmen ist.
Elektrochemische Ergebnisse zeigten, dass die Korrosionsrate von 2707 HDSS in P. aeruginosa-Brühe im Vergleich zur nichtbiologischen Umgebung nach 14 Tagen deutlich anstieg.In Abbildung 2a wurde während der ersten 24 Stunden ein Rückgang des Eocp sowohl im abiotischen Medium als auch in der P. aeruginosa-Brühe beobachtet.Danach bedeckt der Biofilm die Oberfläche der Probe vollständig und Eocp wird relativ stabil36.Der biologische Eocp-Wert war jedoch viel höher als der nicht-biologische Eocp-Wert.Es gibt Gründe zu der Annahme, dass dieser Unterschied mit der Bildung von P. aeruginosa-Biofilmen zusammenhängt.Auf Abb.2d in Gegenwart von P. aeruginosa erreichte der icorr 2707 HDSS-Wert 0,627 μA cm-2, was eine Größenordnung höher ist als der der abiotischen Kontrolle (0,063 μA cm-2), was mit dem durch EIS gemessenen Rct-Wert übereinstimmte.In den ersten Tagen stiegen die Impedanzwerte in der P. aeruginosa-Brühe aufgrund der Anlagerung von P. aeruginosa-Zellen und der Bildung von Biofilmen an.Wenn der Biofilm jedoch die Probenoberfläche vollständig bedeckt, nimmt die Impedanz ab.Der Angriff der Schutzschicht erfolgt vor allem durch die Bildung von Biofilmen und Biofilmmetaboliten.Folglich nahm die Korrosionsbeständigkeit mit der Zeit ab und die Anlagerung von P. aeruginosa verursachte örtliche Korrosion.Die Trends in abiotischen Umgebungen waren unterschiedlich.Die Korrosionsbeständigkeit der nichtbiologischen Kontrolle war viel höher als der entsprechende Wert der Proben, die P. aeruginosa-Brühe ausgesetzt waren.Darüber hinaus erreichte der Rct 2707 HDSS-Wert bei abiotischen Akzessionen am 14. Tag 489 kΩ cm2, was 15-mal höher ist als der Rct-Wert (32 kΩ cm2) in Gegenwart von P. aeruginosa.Somit weist 2707 HDSS eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit in einer sterilen Umgebung auf, ist jedoch nicht resistent gegen MICs aus P. aeruginosa-Biofilmen.
Diese Ergebnisse können auch anhand der Polarisationskurven in den Abbildungen beobachtet werden.2b.Anodische Verzweigung wurde mit der Bildung von Pseudomonas aeruginosa-Biofilmen und Metalloxidationsreaktionen in Verbindung gebracht.In diesem Fall ist die kathodische Reaktion die Reduktion von Sauerstoff.Das Vorhandensein von P. aeruginosa erhöhte die Korrosionsstromdichte deutlich, etwa eine Größenordnung höher als bei der abiotischen Kontrolle.Dies weist darauf hin, dass der P. aeruginosa-Biofilm die lokale Korrosion von 2707 HDSS verstärkt.Yuan et al.29 fanden heraus, dass die Korrosionsstromdichte der Cu-Ni 70/30-Legierung unter der Wirkung des P. aeruginosa-Biofilms zunahm.Dies kann auf die Biokatalyse der Sauerstoffreduktion durch Pseudomonas aeruginosa-Biofilme zurückzuführen sein.Diese Beobachtung könnte auch das MIC 2707 HDSS in dieser Arbeit erklären.Unter aeroben Biofilmen kann es auch zu weniger Sauerstoff kommen.Daher könnte die Weigerung, die Metalloberfläche erneut mit Sauerstoff zu passivieren, ein Faktor sein, der zur MIC in dieser Arbeit beiträgt.
Dickinson et al.38 schlugen vor, dass die Geschwindigkeit chemischer und elektrochemischer Reaktionen direkt durch die Stoffwechselaktivität sessiler Bakterien auf der Probenoberfläche und die Art der Korrosionsprodukte beeinflusst werden kann.Wie in Abbildung 5 und Tabelle 5 dargestellt, nahmen die Zellzahl und die Biofilmdicke nach 14 Tagen ab.Dies kann vernünftigerweise durch die Tatsache 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 toxischer Metallionen aus der 2707 HDSS-Matrix abstarben.Dies ist eine Einschränkung von Batch-Experimenten.
In dieser Arbeit trug ein P. aeruginosa-Biofilm zur lokalen Verarmung von Cr und Fe unter dem Biofilm auf der Oberfläche von 2707 HDSS bei (Abb. 6).Tabelle 6 zeigt die Verringerung von Fe und Cr in Probe D im Vergleich zu Probe C, was darauf hinweist, dass das durch den P. aeruginosa-Biofilm verursachte gelöste Fe und Cr in den ersten 7 Tagen bestehen blieb.Die 2216E-Umgebung wird zur Simulation der Meeresumwelt verwendet.Es enthält 17700 ppm Cl-, was mit dem Gehalt in natürlichem Meerwasser vergleichbar ist.Das Vorhandensein von 17700 ppm Cl- war der Hauptgrund für den Rückgang von Cr in abiotischen 7- und 14-Tage-Proben, die mit XPS analysiert wurden.Im Vergleich zu P. aeruginosa-Proben war die Auflösung von Cr in abiotischen Proben aufgrund der starken Resistenz von 2707 HDSS gegenüber Chlor unter abiotischen Bedingungen viel geringer.Auf Abb.9 zeigt das Vorhandensein von Cr6+ im Passivierungsfilm.Es könnte an der Entfernung von Chrom von Stahloberflächen durch P. aeruginosa-Biofilme beteiligt sein, 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 aufgrund des relativ hohen pH-Werts im Hauptmedium unwahrscheinlich, dass Korrosion durch organische Säure unterhalb des P. aeruginosa-Biofilms zu dieser Arbeit beiträgt.Der pH-Wert des nichtbiologischen Kontrollmediums veränderte sich während des 14-tägigen Testzeitraums nicht wesentlich (von anfänglichen 7,4 auf endgültige 7,5).Der Anstieg des pH-Werts im Saatmedium nach der Inkubation war auf die Stoffwechselaktivität von P. aeruginosa zurückzuführen und hatte den gleichen Effekt auf den pH-Wert, wenn keine Teststreifen vorhanden waren.
Wie in Abbildung 7 dargestellt, betrug die maximale Grubentiefe, die durch den P. aeruginosa-Biofilm verursacht wurde, 0,69 µm, was viel größer ist als die des abiotischen Mediums (0,02 µm).Dies steht im Einklang mit den oben beschriebenen elektrochemischen Daten.Die Pittiefe von 0,69 µm ist mehr als zehnmal kleiner als der 9,5 µm-Wert, der für 2205 DSS unter den gleichen Bedingungen angegeben wurde.Diese Daten zeigen, dass 2707 HDSS eine bessere Beständigkeit gegen MICs aufweist als 2205 DSS.Dies sollte nicht überraschen, da 2707 HDSS einen höheren Cr-Gehalt aufweist, der eine längere Passivierung ermöglicht, die Depassivierung von P. aeruginosa erschwert und aufgrund seiner ausgewogenen Phasenstruktur ohne schädliche Sekundärausfällung Lochfraß verursacht.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass auf der Oberfläche von 2707 HDSS in P. aeruginosa-Brühe MIC-Gruben im Vergleich zu unbedeutenden Gruben in der abiotischen Umgebung gefunden wurden.Diese Arbeit zeigt, dass 2707 HDSS eine bessere Resistenz gegen MIC aufweist als 2205 DSS, aber aufgrund des P. aeruginosa-Biofilms nicht vollständig immun gegen MIC ist.Diese Ergebnisse helfen bei der Auswahl geeigneter Edelstähle und der Lebenserwartung für die Meeresumwelt.
Gutschein für 2707 HDSS, bereitgestellt von der Northeastern University (NEU) School of Metallurgy in Shenyang, China.Die Elementzusammensetzung von 2707 HDSS ist in Tabelle 1 dargestellt, die von der NEU-Abteilung für Materialanalyse und -prüfung analysiert wurde.Alle Proben wurden 1 Stunde lang bei 1180 °C zur festen Lösung behandelt.Vor dem Korrosionstest wurde ein münzenförmiges 2707 HDSS mit einer oberen offenen Oberfläche von 1 cm2 mit Siliziumkarbid-Schleifpapier auf Körnung 2000 poliert und anschließend mit einer 0,05 µm Al2O3-Pulveraufschlämmung poliert.Die Seiten und der Boden sind mit inerter Farbe geschützt.Nach dem Trocknen wurden die Proben mit sterilem entionisiertem Wasser gewaschen 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 marine Pseudomonas aeruginosa-Stamm MCCC 1A00099 wurde vom Xiamen Marine Culture Collection Center (MCCC), China, erworben.Pseudomonas aeruginosa wurde unter aeroben Bedingungen bei 37 °C in 250-ml-Kolben und 500-ml-elektrochemischen Glaszellen unter Verwendung des Flüssigmediums Marine 2216E (Qingdao Hope Biotechnology Co., Ltd., Qingdao, China) gezüchtet.Medium enthält (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 6NH26NH3, 3,0016 NH3 5,0 Pepton, 1,0 Hefeextrakt und 0,1 Eisencitrat.Vor der Beimpfung 20 Minuten lang bei 121 °C autoklavieren.Zählen Sie sitzende und planktonische Zellen mit einem Hämozytometer unter einem Lichtmikroskop bei 400-facher Vergrößerung.Die anfängliche Konzentration des planktonischen 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.Das Platinblech und die gesättigte Kalomelelektrode (SAE) waren über mit Salzbrücken gefüllte Luggin-Kapillaren mit dem Reaktor verbunden, die als Gegen- bzw. Referenzelektroden dienten.Zur Herstellung der Arbeitselektroden wurde an jeder Probe ein gummierter Kupferdraht befestigt und mit Epoxidharz bedeckt, so dass auf einer Seite etwa 1 cm2 ungeschützter Bereich für die Arbeitselektrode übrig blieb.Während der elektrochemischen Messungen wurden die Proben in das 2216E-Medium gegeben und in einem Wasserbad bei einer konstanten Inkubationstemperatur (37 °C) gehalten.OCP-, LPR-, EIS- und potenzielle dynamische Polarisationsdaten wurden mit einem Autolab-Potentiostat (Reference 600TM, Gamry Instruments, Inc., USA) gemessen.LPR-Tests wurden mit einer Abtastrate von 0,125 mV s-1 im Bereich von -5 bis 5 mV mit Eocp und einer Abtastrate von 1 Hz aufgezeichnet.EIS wurde mit einer Sinuswelle über einen Frequenzbereich von 0,01 bis 10.000 Hz unter Verwendung einer angelegten Spannung von 5 mV bei stationärem Eocp durchgeführt.Vor dem Potentialdurchlauf befanden sich die Elektroden im Leerlaufmodus, bis ein stabiler Wert des freien Korrosionspotentials erreicht war.Anschließend wurden die Polarisationskurven von -0,2 bis 1,5 V als Funktion von Eocp bei einer Scanrate von 0,166 mV/s gemessen.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 einer 10 Gew.-%igen Lösung von Kaliumhydroxid 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 wurde es vor der Lufttrocknung mit diskontinuierlichem Ethanol (50, 60, 70, 80, 90, 95 und 100 Vol.-%) dehydriert.Schließlich wird ein Goldfilm auf der Oberfläche der Probe abgeschieden, um Leitfähigkeit für die REM-Beobachtung bereitzustellen.SEM-Bilder wurden auf Stellen mit den am stärksten sessilen P. aeruginosa-Zellen auf der Oberfläche jeder Probe fokussiert.Führen Sie eine EDS-Analyse durch, um chemische Elemente zu finden.Zur Messung der Pittiefe wurde ein konfokales Laser-Scanning-Mikroskop (CLSM) von Zeiss (LSM 710, Zeiss, Deutschland) verwendet.Um Korrosionsgruben unter dem Biofilm zu beobachten, wurde die Testprobe zunächst gemäß dem chinesischen Nationalstandard (CNS) GB/T4334.4-2000 gereinigt, um Korrosionsprodukte und Biofilm von der Oberfläche der Testprobe zu entfernen.
Die Analyse der Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS, Oberflächenanalysesystem ESCALAB250, Thermo VG, USA) wurde unter Verwendung einer monochromatischen Röntgenquelle (Aluminium-Kα-Linie mit einer Energie von 1500 eV und einer Leistung von 150 W) in einem weiten Bereich von Bindungsenergien 0 unter Standardbedingungen von –1350 eV durchgeführt.Hochauflösende Spektren wurden mit einer Transmissionsenergie von 50 eV und einer Schrittweite von 0,2 eV aufgenommen.
Die inkubierten Proben wurden entnommen und 15 s45 vorsichtig mit PBS (pH 7,4 ± 0,2) gewaschen.Um die bakterielle Lebensfähigkeit von Biofilmen auf Proben zu beobachten, wurden Biofilme mit dem LIVE/DEAD BacLight Bacterial Viability Kit (Invitrogen, Eugene, OR, USA) gefärbt.Das Kit enthält zwei Fluoreszenzfarbstoffe: den grünen Fluoreszenzfarbstoff SYTO-9 und den roten Fluoreszenzfarbstoff Propidiumiodid (PI).Bei CLSM repräsentieren fluoreszierende grüne und rote Punkte lebende bzw. tote Zellen.Zur Färbung wurde 1 ml einer Mischung, die 3 µl SYTO-9 und 3 µl PI-Lösung enthielt, 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) untersucht.Die Biofilmdicke wurde im 3D-Scanmodus gemessen.
Zitierweise für diesen Artikel: Li, H. et al.Mikrobielle Korrosion von 2707 Super-Duplex-Edelstahl durch Pseudomonas aeruginosa marinen Biofilm.die Wissenschaft.6, 20190. doi: 10.1038/srep20190 (2016).
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