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La corrosion microbienne (MIC) est un problème sérieux dans de nombreuses industries car elle peut entraîner d'énormes pertes économiques. L'acier inoxydable super duplex 2707 (2707 HDSS) a été utilisé dans les environnements marins en raison de son excellente résistance chimique. Cependant, sa résistance au MIC n'a pas été démontrée expérimentalement. aeruginosa dans le milieu 2216E, il y a eu un changement positif du potentiel de corrosion et une augmentation de la densité du courant de corrosion. L'analyse par spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS) a montré une diminution de la teneur en Cr à la surface de l'échantillon sous le biofilm. pas totalement immunisé contre la CMI des biofilms de P. aeruginosa.
Les aciers inoxydables duplex (DSS) sont largement utilisés dans diverses industries pour leur combinaison idéale d'excellentes propriétés mécaniques et de résistance à la corrosion1,2.Cependant, des piqûres localisées se produisent toujours et affectent l'intégrité de cet acier3,4.Le DSS n'est pas résistant à la corrosion microbienne (MIC)5,6.Malgré le large éventail d'applications du DSS, il existe encore des environnements où la résistance à la corrosion du DSS n'est pas suffisante pour une utilisation à long terme. les aciers inoxydables (SDSS) ont certaines limites en termes de résistance à la corrosion. Par conséquent, des aciers inoxydables super duplex (HDSS) avec une résistance à la corrosion plus élevée sont nécessaires dans certaines applications. Cela a conduit au développement de HDSS fortement alliés.
La résistance à la corrosion du DSS dépend du rapport des phases alpha et gamma et des régions appauvries en Cr, Mo et W 8, 9, 10 adjacentes à la deuxième phase. Le HDSS contient une teneur élevée en Cr, Mo et N11, il a donc une excellente résistance à la corrosion et un nombre équivalent de résistance aux piqûres (PREN) de valeur élevée (45-50), déterminé par % en poids Cr + 3,3 (% en poids Mo + 0,5 % en poids W) + 16 % en poids N12. Son excellente résistance à la corrosion repose sur une composition équilibrée contenant environ 50% de phases de ferrite (α) et 50% d'austénite (γ), HDSS a de meilleures propriétés mécaniques et une résistance plus élevée que le DSS13 conventionnel.Propriétés de corrosion des chlorures. L'amélioration de la résistance à la corrosion étend l'utilisation du HDSS dans des environnements de chlorure plus corrosifs, tels que les environnements marins.
Les MIC sont un problème majeur dans de nombreuses industries telles que le pétrole, le gaz et les services publics d'eau14. Le MIC représente 20 % de tous les dommages dus à la corrosion. est le facteur limitant la vitesse de la CMI induite par les micro-organismes électrogéniques. Zhang et al.18 ont démontré que les médiateurs d'électrons accélèrent le transfert d'électrons entre les cellules de Desulfovibrio sessificans et l'acier inoxydable 304, conduisant à une attaque MIC plus sévère. Enning et al.19 et Venzlaff et al.20 ont montré que les biofilms corrosifs de bactéries sulfato-réductrices (SRB) peuvent absorber directement les électrons des substrats métalliques, entraînant une corrosion par piqûres sévère.
Le DSS est connu pour être sensible au MIC dans les environnements contenant des SRB, des bactéries réductrices de fer (IRB), etc. 21. Ces bactéries provoquent des piqûres localisées sur les surfaces du DSS sous des biofilms22,23.
Pseudomonas aeruginosa est une bactérie gram-négative motile en forme de bâtonnet qui est largement distribuée dans la nature25. Pseudomonas aeruginosa est également un groupe microbien majeur dans l'environnement marin, provoquant l'acier MIC. Pseudomonas est étroitement impliqué dans les processus de corrosion et est reconnu comme un colonisateur pionnier lors de la formation du biofilm. Mahat et al.28 et Yuan et al.29 ont démontré que Pseudomonas aeruginosa a tendance à augmenter la vitesse de corrosion de l'acier doux et des alliages en milieu aqueux.
L'objectif principal de ce travail était d'étudier les propriétés MIC du 2707 HDSS causées par la bactérie aérobie marine Pseudomonas aeruginosa à l'aide de méthodes électrochimiques, de techniques d'analyse de surface et d'analyse des produits de corrosion. une analyse a été effectuée pour trouver des éléments chimiques sur la surface corrodée. En outre, une analyse par spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS) a été utilisée pour déterminer la stabilité de la passivation du film d'oxyde sous l'influence d'un environnement marin contenant des Pseudomonas aeruginosa. La profondeur de la fosse a été mesurée sous un microscope confocal à balayage laser (CLSM).
Le tableau 1 répertorie la composition chimique du HDSS 2707. Le tableau 2 montre que le HDSS 2707 a d'excellentes propriétés mécaniques avec une limite d'élasticité de 650 MPa. La figure 1 montre la microstructure optique du HDSS 2707 traité thermiquement en solution.
La figure 2a montre le potentiel de circuit ouvert (Eocp) par rapport aux données de temps d'exposition pour 2707 HDSS dans un milieu abiotique 2216E et un bouillon P. aeruginosa pendant 14 jours à 37 °C. Il montre que le changement le plus important et le plus significatif de l'Eocp se produit dans les premières 24 heures. Les valeurs de l'Eocp dans les deux cas ont culminé à -145 mV (vs. vs. SCE) et -236 mV (vs. SCE) pour l'échantillon abiotique et P, respectivement).Coupons Pseudomonas aeruginosa, respectivement.Après 24 heures, la valeur Eocp de 2707 HDSS pour P. aeruginosa était relativement stable à -228 mV (vs. SCE), tandis que la valeur correspondante pour les échantillons non biologiques était d'environ -442 mV (vs. SCE).Eocp en présence de P. aeruginosa était plutôt faible.
Test électrochimique de 2707 échantillons HDSS en milieu abiotique et bouillon Pseudomonas aeruginosa à 37 °C :
(a) Eocp en fonction du temps d'exposition, (b) courbes de polarisation au jour 14, (c) Rp en fonction du temps d'exposition et (d) icorr en fonction du temps d'exposition.
Le tableau 3 répertorie les valeurs des paramètres de corrosion électrochimique de 2707 échantillons HDSS exposés au milieu abiotique et au milieu inoculé de Pseudomonas aeruginosa pendant 14 jours. Les tangentes des courbes anodique et cathodique ont été extrapolées pour arriver aux intersections donnant la densité de courant de corrosion (icorr), le potentiel de corrosion (Ecorr) et les pentes de Tafel (βα et βc) selon les méthodes standards30,31.
Comme le montre la figure 2b, le déplacement vers le haut de la courbe de P. aeruginosa a entraîné une augmentation de Ecorr par rapport à la courbe abiotique. La valeur icorr, qui est proportionnelle au taux de corrosion, a augmenté à 0,328 μA cm-2 dans l'échantillon de Pseudomonas aeruginosa, soit quatre fois celle de l'échantillon non biologique (0,087 μA cm-2).
La LPR est une méthode électrochimique non destructive classique pour l'analyse rapide de la corrosion. Elle a également été utilisée pour étudier MIC32. La figure 2c montre la résistance de polarisation (Rp) en fonction du temps d'exposition. Une valeur Rp plus élevée signifie moins de corrosion. La figure 2c montre également que la valeur Rp a diminué rapidement après un jour, puis est restée relativement inchangée pendant les 13 jours suivants. La valeur Rp de l'échantillon de Pseudomonas aeruginosa est d'environ 40 kΩ cm2, ce qui est bien inférieur à la valeur de 450 kΩ cm2 de l'échantillon non biologique.
La valeur icorr est proportionnelle au taux de corrosion uniforme. Sa valeur peut être calculée à partir de l'équation Stern-Geary suivante,
Suivant Zou et al.33, une valeur typique de la pente de Tafel B dans ce travail a été supposée être de 26 mV/déc.
EIS est une autre technique non destructive utilisée pour caractériser les réactions électrochimiques à des interfaces corrodées. Spectres d'impédance et valeurs de capacité calculées des échantillons exposés aux médias abiotiques et à la solution de pseudomonas aeruginosa, RB Résistance à un film / biofilm passif formé sur la surface de l'élément de transfert de charge RCT (CDL (CDL Double Capacite (CDL Capacitation (CDL CONSULTATION CONSTRUSTION, CDL (CADPACTION DE COMPOSITION Q PAR) Paramètres. Ces paramètres ont été analysés plus en détail en ajustant les données à l'aide d'un modèle de circuit équivalent (CEE).
La figure 3 montre des parcelles de Nyquist typiques (a et b) et des parcelles de Bode (a 'et b') de 2707 échantillons HDSS dans un milieu abiotique et un bouillon P. aeruginosa pour différents temps d'incubation. Le diamètre de l'anneau de Nyquist diminue en présence de Pseudomonas aeruginosa. La figure 4 montre les structures physiques basées sur la monocouche (a) et la bicouche (b) et leurs EEC correspondantes. Le CPE est introduit dans le modèle EEC. Son admittance et son impédance sont exprimées comme suit :
Deux modèles physiques et circuits équivalents correspondants pour adapter le spectre d'impédance de l'échantillon HDSS 2707 :
où Y0 est l'amplitude du CPE, j est le nombre imaginaire ou (-1)1/2, ω est la fréquence angulaire, et n est l'indice de puissance CPE inférieur à l'unité35. L'inverse de la résistance de transfert de charge (ie 1/Rct) correspond au taux de corrosion. que les 489 kΩ cm2 des échantillons non biologiques (tableau 4).
Les images CLSM et les images MEB de la figure 5 montrent clairement que la couverture du biofilm à la surface de l'échantillon 2707 HDSS après 7 jours est dense. Cependant, après 14 jours, la couverture du biofilm était clairsemée et des cellules mortes sont apparues. 18,9 μm après 14 jours. L'épaisseur moyenne du biofilm a également confirmé cette tendance. Elle a diminué de 22,2 ± 0,7 μm après 7 jours à 17,8 ± 1,0 μm après 14 jours.
(a) Image CLSM 3D après 7 jours, (b) Image CLSM 3D après 14 jours, (c) Image SEM après 7 jours et (d) Image SEM après 14 jours.
L'EDS a révélé des éléments chimiques dans les biofilms et les produits de corrosion sur des échantillons exposés à P. aeruginosa pendant 14 jours. .
Après 14 jours, des piqûres avec et sans P. aeruginosa ont été observées dans le milieu 2216E. Avant l'incubation, la surface de l'échantillon était lisse et sans défaut (Fig. 7a). Après incubation et élimination du biofilm et des produits de corrosion, les piqûres les plus profondes à la surface des spécimens ont été examinées sous CLSM, comme le montrent les figures 7b et c. m). La profondeur maximale des fosses causée par Pseudomonas aeruginosa était de 0,52 μm après 7 jours et de 0,69 μm après 14 jours, sur la base de la profondeur maximale moyenne des fosses de 3 échantillons (10 valeurs maximales de profondeur des fosses ont été sélectionnées pour chaque échantillon) atteignant 0,42 ± 0,12 μm et 0,52 ± 0,15 μm, respectivement (tableau 5). Ces valeurs de profondeur des fosses sont faibles mais importante.
(a) Avant exposition, (b) 14 jours en milieu abiotique et (c) 14 jours en bouillon Pseudomonas aeruginosa.
La figure 8 montre les spectres XPS de différentes surfaces d'échantillons et les compositions chimiques analysées pour chaque surface sont résumées dans le tableau 6. Dans le tableau 6, les pourcentages atomiques de Fe et Cr en présence de P. aeruginosa (échantillons A et B) étaient bien inférieurs à ceux des échantillons témoins non biologiques (échantillons C et D). 74,4, 576,6, 578,3 et 586,8 eV, qui peuvent être attribués respectivement à Cr, Cr2O3, CrO3 et Cr(OH)3 (Fig. 9a et b). d, respectivement. La différence la plus frappante entre les échantillons abiotiques et P. aeruginosa était la présence de Cr6+ et une fraction relative plus élevée de Cr(OH)3 (BE de 586,8 eV) sous le biofilm.
Les larges spectres XPS de la surface de l'échantillon HDSS 2707 dans les deux milieux sont de 7 jours et 14 jours, respectivement.
(a) 7 jours d'exposition à P. aeruginosa, (b) 14 jours d'exposition à P. aeruginosa, (c) 7 jours en milieu abiotique et (d) 14 jours en milieu abiotique.
HDSS présente des niveaux élevés de résistance à la corrosion dans la plupart des environnements. Kim et al.2 ont rapporté que le HDSS UNS S32707 était défini comme un DSS hautement allié avec un PREN supérieur à 45. La valeur PREN de l'échantillon HDSS 2707 dans ce travail était de 49. Cela est dû à sa teneur élevée en chrome et à ses niveaux élevés de molybdène et de Ni, qui sont bénéfiques dans les environnements acides et à forte teneur en chlorure. De plus, une composition bien équilibrée et une microstructure sans défaut sont utiles pour la stabilité structurelle et la résistance à la corrosion. les données expérimentales de ce travail suggèrent que 2707 HDSS n'est pas complètement immunisé contre la CMI des biofilms de P. aeruginosa.
Les résultats électrochimiques ont montré que le taux de corrosion de 2707 HDSS dans le bouillon P. aeruginosa était significativement augmenté après 14 jours par rapport au milieu non biologique. Dans la figure 2a, une réduction de l'Eocp a été observée à la fois dans le milieu abiotique et dans le bouillon P. aeruginosa au cours des premières 24 heures. Ensuite, le biofilm a fini de recouvrir la surface de l'échantillon et l'Eocp devient relativement stable. Eocp biologique.Il y a des raisons de croire que cette différence est due à la formation de biofilm de P. aeruginosa.Sur la Fig. 2d, en présence de P. aeruginosa, la valeur icorr de 2707 HDSS a atteint 0,627 μA cm-2, ce qui était un ordre de grandeur supérieur à celui du témoin abiotique (0,063 μA cm-2), ce qui était cohérent avec la valeur Rct mesurée par EIS.Au cours des premiers jours , les valeurs d'impédance dans le bouillon de P. aeruginosa ont augmenté en raison de la fixation des cellules de P. aeruginosa et de la formation de biofilms. Cependant, lorsque le biofilm recouvre complètement la surface de l'échantillon, l'impédance diminue. -le contrôle biologique était beaucoup plus élevé que la valeur correspondante des échantillons exposés au bouillon P. aeruginosa. De plus, pour les échantillons abiotiques, la valeur Rct de 2707 HDSS a atteint 489 kΩ cm2 au jour 14, soit 15 fois la valeur Rct (32 kΩ cm2) en présence de P. aeruginosa. par les biofilms de P. aeruginosa.
Ces résultats peuvent également être observés à partir des courbes de polarisation de la Fig. 2b. La ramification anodique a été attribuée à la formation de biofilm de Pseudomonas aeruginosa et aux réactions d'oxydation des métaux. En même temps, la réaction cathodique est la réduction de l'oxygène. La présence de P. aeruginosa a considérablement augmenté la densité de courant de corrosion, environ un ordre de grandeur supérieur au contrôle abiotique. 29 ont constaté que la densité de courant de corrosion de l'alliage Cu-Ni 70/30 augmentait sous l'action du biofilm de P. aeruginosa. Cela peut être dû à la biocatalyse de la réduction de l'oxygène par les biofilms de Pseudomonas aeruginosa. ce travail.
Dickinson et al.38 ont suggéré que les taux de réactions chimiques et électrochimiques peuvent être directement affectés par l'activité métabolique des bactéries sessiles à la surface de l'échantillon et la nature des produits de corrosion. Comme le montrent la Figure 5 et le Tableau 5, le nombre de cellules et l'épaisseur du biofilm ont diminué après 14 jours. Matrice HDSS 2707. Il s'agit d'une limitation des expériences par lots.
Dans ce travail, le biofilm de P. aeruginosa a favorisé l'épuisement local de Cr et Fe sous le biofilm sur la surface HDSS 2707 (Fig. 6). dans l'eau de mer naturelle. La présence de 17700 ppm de Cl- était la principale raison de la réduction de Cr dans les échantillons abiotiques de 7 et 14 jours analysés par XPS. Par rapport aux échantillons de P. aeruginosa, la dissolution de Cr dans les échantillons abiotiques était beaucoup moins importante en raison de la forte résistance au Cl− du 2707 HDSS dans les environnements abiotiques. La figure 9 montre la présence de Cr6+ dans le film de passivation. biofilms aeruginosa, comme suggéré par Chen et Clayton.
En raison de la croissance bactérienne, les valeurs de pH du milieu avant et après la culture étaient respectivement de 7,4 et 8,2. Par conséquent, en dessous du biofilm de P. aeruginosa, il est peu probable que la corrosion par les acides organiques soit un facteur contributif à ce travail en raison du pH relativement élevé dans le milieu en vrac. l'incubation était due à l'activité métabolique de P. aeruginosa et s'est avérée avoir le même effet sur le pH en l'absence de bandelettes réactives.
Comme le montre la figure 7, la profondeur maximale de la fosse causée par le biofilm de P. aeruginosa était de 0,69 μm, ce qui était beaucoup plus grand que celui du milieu abiotique (0,02 μm). Ceci est cohérent avec les données électrochimiques décrites ci-dessus. présente une meilleure résistance MIC par rapport au 2205 DSS. Cela ne devrait pas surprendre, car le 2707 HDSS a une teneur en chrome plus élevée, offrant une passivation plus durable, en raison de la structure de phase équilibrée sans précipités secondaires nocifs, ce qui rend plus difficile la dépassivation de P. aeruginosa et l'éclipse des points de départ.
En conclusion, des piqûres MIC ont été trouvées à la surface de 2707 HDSS dans un bouillon P. aeruginosa par rapport à des piqûres négligeables dans des milieux abiotiques.
Le coupon pour le HDSS 2707 est fourni par la School of Metallurgy of Northeastern University (NEU) à Shenyang, en Chine. poncer avec du papier de carbure de silicium et ensuite polir avec une suspension de poudre d'Al2O3 de 0,05 μm. Les côtés et le fond sont protégés par une peinture inerte. Après séchage, les spécimens ont été rincés à l'eau déionisée stérile et stérilisés avec de l'éthanol à 75 % (v/v) pendant 0,5 h. Ils ont ensuite été séchés à l'air sous lumière ultraviolette (UV) pendant 0,5 heure avant utilisation.
La souche marine Pseudomonas aeruginosa MCCC 1A00099 a été achetée auprès du Xiamen Marine Culture Collection Center (MCCC), Chine. Pseudomonas aeruginosa a été cultivé en aérobiose à 37 °C dans des flacons de 250 ml et des cellules électrochimiques en verre de 500 ml en utilisant le milieu liquide Marine 2216E (Qingdao Hope Biotechnology Co., Ltd., Qingdao, Chine). Milieu (g/L) : 19 0,45 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, 0 016 NaH2PO4, 5,0 peptone, 1,0 extrait de levure et 0,1 citrate ferrique. Autoclave à 121°C pendant 20 minutes avant l'inoculation.
Des tests électrochimiques ont été effectués dans une cellule en verre classique à trois électrodes d'un volume moyen de 500 ml.Une feuille de platine et une électrode au calomel saturé (SCE) ont été connectées au réacteur via des capillaires de Luggin remplis de ponts salins, servant respectivement de compteur et d'électrodes de référence. dans un milieu 2216E et maintenu à une température d'incubation constante (37 °C) dans un bain-marie. OCP, LPR, EIS et les données de polarisation dynamique potentielle ont été mesurées à l'aide d'un potentiostat Autolab (référence 600TM, Gamry Instruments, Inc., USA). onde sinusoïdale dans la gamme de fréquences de 0,01 à 10 000 Hz en utilisant une tension appliquée de 5 mV à l'état stable Eocp. Avant le balayage de potentiel, les électrodes étaient en mode circuit ouvert jusqu'à ce qu'une valeur de potentiel de corrosion libre stable soit atteinte.
Les échantillons pour l'analyse métallographique ont été polis mécaniquement avec du papier SiC humide de grain 2000, puis polis avec une suspension de poudre d'Al2O3 de 0,05 μm pour l'observation optique. L'analyse métallographique a été réalisée à l'aide d'un microscope optique. Les échantillons ont été gravés avec une solution d'hydroxyde de potassium à 10 % en poids 43.
Après incubation, les échantillons ont été lavés 3 fois avec une solution saline tamponnée au phosphate (PBS) (pH 7,4 ± 0,2) puis fixés avec du glutaraldéhyde à 2,5 % (v/v) pendant 10 heures pour fixer les biofilms. Ils ont ensuite été déshydratés avec une série graduée (50 %, 60 %, 70 %, 80 %, 90 %, 95 % et 100 % v/v) d'éthanol avant séchage à l'air. .Enfin, la surface de l'échantillon est pulvérisée avec un film d'or pour fournir une conductivité pour l'observation SEM.Les images SEM ont été focalisées sur les points avec les cellules P. aeruginosa les plus sessiles à la surface de chaque spécimen.Effectuer une analyse EDS pour trouver des éléments chimiques.Un microscope confocal à balayage laser Zeiss (CLSM) (LSM 710, Zeiss, Allemagne) a été utilisé pour mesurer la profondeur nettoyé conformément à la norme nationale chinoise (CNS) GB/T4334.4-2000 pour éliminer les produits de corrosion et le biofilm à la surface de l'éprouvette.
L'analyse par spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS, système d'analyse de surface ESCALAB250, Thermo VG, États-Unis) a été réalisée à l'aide d'une source de rayons X monochromatique (ligne Kα en aluminium à une énergie de 1500 eV et une puissance de 150 W) sur une large plage d'énergie de liaison 0 dans des conditions standard -1350 eV. Les spectres à haute résolution ont été enregistrés en utilisant une énergie de passage de 50 eV et une taille de pas de 0,2 eV.
Les échantillons incubés ont été retirés et rincés délicatement avec du PBS (pH 7,4 ± 0,2) pendant 15 s45. Pour la coloration, un mélange de 1 ml contenant 3 μl de SYTO-9 et 3 μl de solution PI a été incubé pendant 20 minutes à température ambiante (23 oC) dans l'obscurité. Ensuite, les échantillons colorés ont été observés à deux longueurs d'onde (488 nm pour les cellules vivantes et 559 nm pour les cellules mortes) à l'aide d'un appareil Nikon CLSM (C2 Plus, Nikon, Japon). l'épaisseur du film a été mesurée en mode de balayage 3D.
Comment citer cet article : Li, H. et al.Microbial corrosion of 2707 super duplex stainless steel by marine Pseudomonas aeruginosa biofilm.science.Rep.6, 20190 ;doi : 10.1038/srep20190 (2016).
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