Bedankt voor uw bezoek aan Nature.com. De browserversie die u gebruikt, biedt beperkte ondersteuning voor CSS. Voor de beste ervaring raden we u aan een bijgewerkte browser te gebruiken (of de compatibiliteitsmodus in Internet Explorer uit te schakelen). In de tussentijd geven we de site weer zonder stijlen en JavaScript, om ondersteuning te blijven bieden.
Microbiële corrosie (MIC) is een ernstig probleem in veel industrieën, omdat het enorme economische verliezen kan veroorzaken. 2707 super duplex roestvast staal (2707 HDSS) is gebruikt in mariene omgevingen vanwege zijn uitstekende chemische bestendigheid. De bestendigheid ervan tegen MIC is echter niet experimenteel aangetoond. In deze studie werd het MIC-gedrag van 2707 HDSS, veroorzaakt door de mariene aerobe bacterie Pseudomonas aeruginosa, onderzocht. Elektrochemische analyse toonde aan dat in aanwezigheid van Pseudomonas aeruginosa-biofilm in 2216E-medium er een positieve verandering in corrosiepotentieel en een toename in corrosiestroomdichtheid optrad. XPS-analyse (röntgenfoto-elektronenspectroscopie) toonde een afname van het Cr-gehalte op het oppervlak van het specimen onder de biofilm. Beeldanalyse van de putjes toonde aan dat de P. aeruginosa-biofilm een ​​maximale putdiepte van 0,69 μm produceerde gedurende 14 dagen incubatie. Hoewel dit klein is, geeft het aan dat 2707 HDSS is niet volledig immuun voor de MIC van P. aeruginosa-biofilms.
Duplex roestvast staal (DSS) wordt veel gebruikt in verschillende industrieën vanwege de ideale combinatie van uitstekende mechanische eigenschappen en corrosiebestendigheid1,2. Er treedt echter nog steeds plaatselijke putcorrosie op, die de integriteit van het staal aantast3,4. DSS is niet bestand tegen microbiële corrosie (MIC)5,6. Ondanks het brede scala aan toepassingen van DSS zijn er nog steeds omgevingen waarin de corrosiebestendigheid van DSS niet voldoende is voor langdurig gebruik. Dit betekent dat duurdere materialen met een hogere corrosiebestendigheid nodig zijn. Jeon et al7 ontdekten dat zelfs super duplex roestvast staal (SDSS) enkele beperkingen hebben op het gebied van corrosiebestendigheid. Daarom zijn super duplex roestvast staal (HDSS) met een hogere corrosiebestendigheid nodig in sommige toepassingen. Dit leidde tot de ontwikkeling van hooggelegeerd HDSS.
De corrosiebestendigheid van DSS hangt af van de verhouding van de alfa- en gammafasen en de Cr-, Mo- en W-arme gebieden 8, 9, 10 grenzend aan de tweede fase. HDSS bevat een hoog gehalte aan Cr, Mo en N11 en heeft daardoor een uitstekende corrosiebestendigheid en een hoge waarde (45-50) Pitting Resistance Equivalent Number (PREN), bepaald door gew.% Cr + 3,3 (gew.% Mo + 0,5 gew.% W) + 16 gew.% N12. De uitstekende corrosiebestendigheid is gebaseerd op een uitgebalanceerde samenstelling met ongeveer 50% ferriet (α) en 50% austeniet (γ) fasen. HDSS heeft betere mechanische eigenschappen en een hogere bestendigheid dan conventioneel DSS13. Chloridecorrosie-eigenschappen. De verbeterde corrosiebestendigheid maakt HDSS breder inzetbaar in corrosievere chlorideomgevingen, zoals maritieme omgevingen.
MIC's vormen een groot probleem in veel industrieën, zoals de olie-, gas- en waterleidingbedrijven14. MIC is verantwoordelijk voor 20% van alle corrosieschade15. MIC is bio-elektrochemische corrosie die in veel omgevingen kan worden waargenomen. Biofilms die zich vormen op metalen oppervlakken veranderen de elektrochemische omstandigheden en beïnvloeden zo het corrosieproces. Er wordt algemeen aangenomen dat MIC-corrosie wordt veroorzaakt door biofilms. Elektrogene micro-organismen corroderen metalen om blijvende energie te verkrijgen om te overleven17. Recente MIC-onderzoeken hebben aangetoond dat EET (extracellulaire elektronenoverdracht) de beperkende factor is bij MIC die wordt geïnduceerd door elektrogene micro-organismen. Zhang et al. 18 hebben aangetoond dat elektronenmediatoren de elektronenoverdracht tussen Desulfovibrio sessificans-cellen en roestvrij staal 304 versnellen, wat leidt tot ernstiger MIC-aanvallen. Enning et al. 19 en Venzlaff et al. 20 toonde aan dat corrosieve biofilms van sulfaatreducerende bacteriën (SRB) elektronen rechtstreeks van metalen substraten kunnen absorberen, wat resulteert in ernstige putcorrosie.
Het is bekend dat DSS gevoelig is voor MIC in omgevingen met SRB, ijzerreducerende bacteriën (IRB), enz. 21. Deze bacteriën veroorzaken plaatselijke putcorrosie op DSS-oppervlakken onder biofilms22,23. In tegenstelling tot DSS is de MIC van HDSS24 slecht bekend.
Pseudomonas aeruginosa is een gramnegatieve, beweeglijke, staafvormige bacterie die wijdverspreid is in de natuur25. Pseudomonas aeruginosa is ook een belangrijke microbiële groep in het mariene milieu, die MIC in staal veroorzaakt. Pseudomonas is nauw betrokken bij corrosieprocessen en staat bekend als een pionierkolonisator tijdens de vorming van biofilms. Mahat et al. 28 en Yuan et al. 29 hebben aangetoond dat Pseudomonas aeruginosa de neiging heeft om de corrosiesnelheid van zacht staal en legeringen in waterige omgevingen te verhogen.
De belangrijkste doelstelling van dit werk was het onderzoeken van de MIC-eigenschappen van 2707 HDSS, veroorzaakt door de mariene aerobe bacterie Pseudomonas aeruginosa, met behulp van elektrochemische methoden, oppervlakte-analysetechnieken en corrosieproductanalyse. Elektrochemische studies, waaronder Open Circuit Potential (OCP), lineaire polarisatieweerstand (LPR), elektrochemische impedantiespectroscopie (EIS) en potentiële dynamische polarisatie, werden uitgevoerd om het MIC-gedrag van 2707 HDSS te bestuderen. Er werd een energiedispersieve spectrometer (EDS)-analyse uitgevoerd om chemische elementen op het gecorrodeerde oppervlak te vinden. Daarnaast werd röntgenfoto-elektronenspectroscopie (XPS)-analyse gebruikt om de stabiliteit van oxidefilmpassivering te bepalen onder invloed van een mariene omgeving met Pseudomonas aeruginosa. De putdiepte werd gemeten onder een confocale laserscanmicroscoop (CLSM).
In tabel 1 staat de chemische samenstelling van 2707 HDSS vermeld. Uit tabel 2 blijkt dat 2707 HDSS uitstekende mechanische eigenschappen heeft, met een vloeigrens van 650 MPa. Figuur 1 toont de optische microstructuur van oplossingswarmtebehandeld 2707 HDSS. In de microstructuur zijn langwerpige banden van austeniet- en ferrietfasen zonder secundaire fasen te zien, die ongeveer 50% austeniet- en 50% ferrietfasen bevatten.
Figuur 2a toont de open circuit potentiaal (Eocp) versus blootstellingstijdgegevens voor 2707 HDSS in abiotisch 2216E medium en P. aeruginosa bouillon gedurende 14 dagen bij 37 °C. Hieruit blijkt dat de grootste en meest significante verandering in Eocp plaatsvindt binnen de eerste 24 uur. De Eocp-waarden bereikten in beide gevallen een piek bij -145 mV (vs. SCE) rond 16 uur en daalden vervolgens scherp tot -477 mV (vs. SCE) en -236 mV (vs. SCE) voor respectievelijk het abiotische monster en P. Pseudomonas aeruginosa-coupons, respectievelijk. Na 24 uur was de Eocp-waarde van 2707 HDSS voor P. aeruginosa relatief stabiel op -228 mV (vs. SCE), terwijl de corresponderende waarde voor niet-biologische monsters ongeveer -442 mV was (vs. SCE). Eocp in aanwezigheid van P. aeruginosa was vrij laag.
Elektrochemische test van 2707 HDSS-monsters in abiotisch medium en Pseudomonas aeruginosa-bouillon bij 37 °C:
(a) Eocp als functie van de belichtingstijd, (b) polarisatiecurven op dag 14, (c) Rp als functie van de belichtingstijd en (d) icorr als functie van de belichtingstijd.
In tabel 3 staan ​​de elektrochemische corrosieparameterwaarden van 2707 HDSS-monsters die 14 dagen lang zijn blootgesteld aan abiotisch medium en Pseudomonas aeruginosa-geïnoculeerd medium. De raaklijnen van de anodische en kathodische curven werden geëxtrapoleerd om de snijpunten te verkrijgen die de corrosiestroomdichtheid (icorr), corrosiepotentiaal (Ecorr) en Tafel-hellingen (βα en βc) opleveren volgens standaardmethoden30,31.
Zoals weergegeven in Figuur 2b resulteerde de opwaartse verschuiving van de P. aeruginosa-curve in een toename van Ecorr vergeleken met de abiotische curve. De icorr-waarde, die evenredig is met de corrosiesnelheid, steeg tot 0,328 μA cm-2 in het monster van Pseudomonas aeruginosa, vier keer zo hoog als die van het niet-biologische monster (0,087 μA cm-2).
LPR is een klassieke niet-destructieve elektrochemische methode voor snelle corrosieanalyse. Deze werd ook gebruikt om MIC32 te bestuderen. Figuur 2c toont de polarisatieweerstand (Rp) als functie van de blootstellingstijd. Een hogere Rp-waarde betekent minder corrosie. Binnen de eerste 24 uur bereikte de Rp van 2707 HDSS een maximumwaarde van 1955 kΩ cm2 voor abiotische monsters en 1429 kΩ cm2 voor Pseudomonas aeruginosa-monsters. Figuur 2c laat ook zien dat de Rp-waarde na één dag snel afnam en vervolgens de volgende 13 dagen relatief onveranderd bleef. De Rp-waarde van het Pseudomonas aeruginosa-monster is ongeveer 40 kΩ cm2, wat veel lager is dan de waarde van 450 kΩ cm2 van het niet-biologische monster.
De icorr-waarde is evenredig met de uniforme corrosiesnelheid. De waarde kan worden berekend met de volgende Stern-Geary-vergelijking:
Volgens Zou et al. 33 werd in dit werk aangenomen dat een typische waarde van de Tafel-helling B 26 mV/dec was. Figuur 2d laat zien dat de icorr van het niet-biologische 2707-monster relatief stabiel bleef, terwijl het P. aeruginosa-monster na de eerste 24 uur sterk fluctueerde. De icorr-waarden van de P. aeruginosa-monsters waren een orde van grootte hoger dan die van de niet-biologische controles. Deze trend is consistent met de resultaten voor polarisatieresistentie.
EIS is een andere niet-destructieve techniek die wordt gebruikt om elektrochemische reacties op gecorrodeerde grensvlakken te karakteriseren. Impedantiespectra en berekende capaciteitswaarden van monsters die zijn blootgesteld aan abiotische media en Pseudomonas aeruginosa-oplossing, Rb-weerstand van passieve film/biofilm gevormd op het oppervlak van het monster, Rct-ladingsoverdrachtsweerstand, Cdl-elektrische dubbellaagcapaciteit (EDL) en QCPE-parameters (Constant Phase Element). Deze parameters werden verder geanalyseerd door de gegevens aan te passen met behulp van een equivalent circuit (EEC)-model.
Figuur 3 toont typische Nyquist-diagrammen (a en b) en Bode-diagrammen (a' en b') van 2707 HDSS-monsters in abiotisch medium en P. aeruginosa-bouillon voor verschillende incubatietijden. De diameter van de Nyquist-ring neemt af in de aanwezigheid van Pseudomonas aeruginosa. Het Bode-diagram (Fig. 3b') toont een toename in de grootte van de totale impedantie. Informatie over de relaxatietijdconstante kan worden verkregen door de fasemaxima. Figuur 4 toont de op monolaag (a) en bilaag (b) gebaseerde fysieke structuren en hun corresponderende EEC's. CPE wordt geïntroduceerd in het EEC-model. De admittantie en impedantie ervan worden als volgt uitgedrukt:
Twee fysieke modellen en bijbehorende equivalente circuits voor het aanpassen van het impedantiespectrum van het 2707 HDSS-exemplaar:
waarbij Y0 de grootte van de CPE is, j het imaginaire getal of (-1)1/2, ω de hoekfrequentie en n de CPE-vermogensindex kleiner dan één35. De inverse van de ladingsoverdrachtsweerstand (d.w.z. 1/Rct) komt overeen met de corrosiesnelheid. Een kleinere Rct betekent een snellere corrosiesnelheid27. Na 14 dagen incubatie bereikte de Rct van de Pseudomonas aeruginosa-monsters 32 kΩ cm2, veel kleiner dan de 489 kΩ cm2 van de niet-biologische monsters (tabel 4).
De CLSM-beelden en SEM-beelden in figuur 5 laten duidelijk zien dat de biofilmbedekking op het oppervlak van het 2707 HDSS-monster na 7 dagen dicht is. Na 14 dagen was de biofilmbedekking echter dun en verschenen er enkele dode cellen. Tabel 5 toont de dikte van de biofilm op 2707 HDSS-monsters na blootstelling aan P. aeruginosa gedurende 7 en 14 dagen. De maximale dikte van de biofilm veranderde van 23,4 μm na 7 dagen naar 18,9 μm na 14 dagen. De gemiddelde dikte van de biofilm bevestigde deze trend ook. Deze nam af van 22,2 ± 0,7 μm na 7 dagen naar 17,8 ± 1,0 μm na 14 dagen.
(a) 3-D CLSM-beeld na 7 dagen, (b) 3-D CLSM-beeld na 14 dagen, (c) SEM-beeld na 7 dagen en (d) SEM-beeld na 14 dagen.
EDS bracht chemische elementen aan het licht in biofilms en corrosieproducten van monsters die 14 dagen lang waren blootgesteld aan P. aeruginosa. Figuur 6 laat zien dat het gehalte aan C, N, O en P in biofilms en corrosieproducten veel hoger is dan dat in kale metalen, omdat deze elementen zijn gekoppeld aan biofilms en hun metabolieten. Microben hebben slechts sporen van chroom en ijzer nodig. Hoge gehaltes aan Cr en Fe in de biofilm en corrosieproducten op het oppervlak van de monsters geven aan dat de metaalmatrix elementen heeft verloren als gevolg van corrosie.
Na 14 dagen werd pitting met en zonder P. aeruginosa waargenomen in 2216E-medium. Vóór incubatie was het oppervlak van het specimen glad en vrij van defecten (Fig. 7a). Na incubatie en verwijdering van biofilm en corrosieproducten werden de diepste putten op het oppervlak van de specimens onderzocht onder CLSM, zoals weergegeven in Figuur 7b en c. Er werden geen duidelijke putten gevonden op het oppervlak van de niet-biologische controlemonsters (maximale putdiepte 0,02 μm). De maximale putdiepte veroorzaakt door Pseudomonas aeruginosa was 0,52 μm na 7 dagen en 0,69 μm na 14 dagen, gebaseerd op de gemiddelde maximale putdiepte van 3 monsters (10 maximale putdieptewaarden werden geselecteerd voor elk monster) bereikte respectievelijk 0,42 ± 0,12 μm en 0,52 ± 0,15 μm (Tabel 5). Deze De waarden voor de putdiepte zijn klein maar belangrijk.
(a) Vóór blootstelling, (b) 14 dagen in abiotisch medium en (c) 14 dagen in Pseudomonas aeruginosa-bouillon.
Figuur 8 toont de XPS-spectra van verschillende monsteroppervlakken en de chemische samenstellingen die voor elk oppervlak zijn geanalyseerd, worden samengevat in Tabel 6. In Tabel 6 waren de atomaire percentages van Fe en Cr in aanwezigheid van P. aeruginosa (monsters A en B) veel lager dan die van de niet-biologische controlemonsters (monsters C en D). Voor het P. aeruginosa-monster werd de Cr 2p-kernspectraalcurve aangepast aan vier piekcomponenten met bindingsenergiewaarden (BE) van 574,4, 576,6, 578,3 en 586,8 eV, die respectievelijk kunnen worden toegeschreven aan Cr, Cr2O3, CrO3 en Cr(OH)3 (Fig. 9a en b). Voor niet-biologische monsters bevat het Cr 2p-kernspectrum twee hoofdpieken voor Cr (573,80 eV voor BE) en Cr2O3 (575,90 eV voor BE) in respectievelijk figuur 9c en d. Het meest opvallende verschil tussen de abiotische en P. aeruginosa-monsters was de aanwezigheid van Cr6+ en een hogere relatieve fractie van Cr(OH)3 (BE van 586,8 eV) onder de biofilm.
De brede XPS-spectra van het oppervlak van het 2707 HDSS-monster in de twee media bedragen respectievelijk 7 dagen en 14 dagen.
(a) 7 dagen blootstelling aan P. aeruginosa, (b) 14 dagen blootstelling aan P. aeruginosa, (c) 7 dagen in abiotisch medium en (d) 14 dagen in abiotisch medium.
HDSS vertoont een hoge mate van corrosiebestendigheid in de meeste omgevingen. Kim et al. 2 meldden dat UNS S32707 HDSS werd gedefinieerd als een hoog gelegeerd DSS met een PREN van meer dan 45. De PREN-waarde van het 2707 HDSS-monster in dit werk was 49. Dit komt door het hoge chroomgehalte en de hoge molybdeen- en Ni-gehaltes, die gunstig zijn in zure en chloriderijke omgevingen. Daarnaast zijn een goed uitgebalanceerde samenstelling en een defectvrije microstructuur nuttig voor de structurele stabiliteit en corrosiebestendigheid. Ondanks de uitstekende chemische bestendigheid suggereren de experimentele gegevens in dit werk echter dat 2707 HDSS niet volledig immuun is voor de MIC van P. aeruginosa-biofilms.
Elektrochemische resultaten lieten zien dat de corrosiesnelheid van 2707 HDSS in P. aeruginosa-bouillon na 14 dagen aanzienlijk toenam in vergelijking met niet-biologisch medium. In figuur 2a werd een reductie in Eocp waargenomen in zowel abiotisch medium als P. aeruginosa-bouillon gedurende de eerste 24 uur. Daarna heeft de biofilm het oppervlak van het monster volledig bedekt en wordt de Eocp relatief stabiel36. Het niveau van biologische Eocp was echter veel hoger dan dat van niet-biologische Eocp. Er is reden om aan te nemen dat dit verschil te wijten is aan de vorming van P. aeruginosa-biofilm. In figuur 2d bereikte de icorr-waarde van 2707 HDSS in aanwezigheid van P. aeruginosa 0,627 μA cm-2, wat een orde van grootte hoger was dan die van de abiotische controle (0,063 μA cm-2), wat consistent was met de Rct-waarde gemeten door EIS. Tijdens de eerste paar dagen, impedantiewaarden in P. aeruginosa-bouillon namen toe als gevolg van de hechting van P. aeruginosa-cellen en de vorming van biofilms. Wanneer de biofilm echter het oppervlak van het monster volledig bedekt, neemt de impedantie af. De beschermlaag wordt als eerste aangetast door de vorming van biofilms en biofilmmetabolieten. Daarom nam de corrosiebestendigheid in de loop van de tijd af en veroorzaakte de hechting van P. aeruginosa lokale corrosie. De trends in abiotische media waren verschillend. De corrosiebestendigheid van de niet-biologische controle was veel hoger dan de overeenkomstige waarde van de monsters die waren blootgesteld aan P. aeruginosa-bouillon. Bovendien bereikte de Rct-waarde van 2707 HDSS voor abiotische monsters 489 kΩ cm2 op dag 14, wat 15 keer de Rct-waarde was (32 kΩ cm2) in aanwezigheid van P. aeruginosa. Daarom heeft 2707 HDSS een uitstekende corrosiebestendigheid in een steriele omgeving, maar is het niet bestand tegen MIC-aanval door P. aeruginosa-biofilms.
Deze resultaten kunnen ook worden waargenomen uit de polarisatiecurven in Fig. 2b. De anodische vertakking werd toegeschreven aan de vorming van biofilms van Pseudomonas aeruginosa en oxidatiereacties van metaal. Tegelijkertijd is de kathodische reactie de reductie van zuurstof. De aanwezigheid van P. aeruginosa verhoogde de corrosiestroomdichtheid aanzienlijk, ongeveer een orde van grootte hoger dan de abiotische controle. Dit geeft aan dat de biofilm van P. aeruginosa de lokale corrosie van 2707 HDSS verhoogt. Yuan et al29 ontdekten dat de corrosiestroomdichtheid van 70/30 Cu-Ni-legering toenam onder blootstelling aan de biofilm van P. aeruginosa. Dit kan te wijten zijn aan de biokatalyse van zuurstofreductie door biofilms van Pseudomonas aeruginosa. Deze observatie kan ook de MIC van 2707 HDSS in dit werk verklaren. Aerobe biofilms kunnen ook minder zuurstof onder zich hebben. Daarom kan het onvermogen om het metaaloppervlak opnieuw te passiveren door zuurstof een bijdragende factor zijn aan de MIC in dit werk werk.
Dickinson et al. 38 hebben gesuggereerd dat de snelheid van chemische en elektrochemische reacties direct beïnvloed kan worden door de metabolische activiteit van sessiele bacteriën op het oppervlak van het specimen en de aard van de corrosieproducten. Zoals getoond in Figuur 5 en Tabel 5, namen zowel het aantal cellen als de dikte van de biofilm af na 14 dagen. Dit kan redelijkerwijs verklaard worden door het feit dat na 14 dagen de meeste sessiele cellen op het oppervlak van 2707 HDSS stierven door uitputting van voedingsstoffen in het 2216E-medium of door de afgifte van giftige metaalionen uit de 2707 HDSS-matrix. Dit is een beperking van batch-experimenten.
In dit werk bevorderde de P. aeruginosa-biofilm de lokale uitputting van Cr en Fe onder de biofilm op het 2707 HDSS-oppervlak (Fig. 6). In Tabel 6 is de reductie van Fe en Cr in monster D vergeleken met monster C, wat aangeeft dat opgelost Fe en Cr veroorzaakt door P. aeruginosa-biofilm langer dan de eerste 7 dagen aanhield. Het 2216E-medium wordt gebruikt om mariene omgevingen te simuleren. Het bevat 17700 ppm Cl-, wat vergelijkbaar is met wat wordt gevonden in natuurlijk zeewater. De aanwezigheid van 17700 ppm Cl- was de belangrijkste reden voor de reductie van Cr in de abiotische monsters van 7 en 14 dagen die werden geanalyseerd door XPS. Vergeleken met P. aeruginosa-monsters was de oplosbaarheid van Cr in abiotische monsters veel minder vanwege de sterke Cl−-resistentie van 2707 HDSS in abiotische omgevingen. Figuur 9 toont de aanwezigheid van Cr6+ in de passivering film. Het zou betrokken kunnen zijn bij het verwijderen van Cr van staaloppervlakken door P. aeruginosa-biofilms, zoals gesuggereerd door Chen en Clayton.
Vanwege de bacteriegroei bedroegen de pH-waarden van het medium voor en na de kweek respectievelijk 7,4 en 8,2. Daarom is het onwaarschijnlijk dat corrosie door organische zuren een bijdragende factor is aan dit werk onder de P. aeruginosa-biofilm, vanwege de relatief hoge pH in het bulkmedium. De pH van het niet-biologische controlemedium veranderde niet significant (van een aanvankelijke 7,4 naar een uiteindelijke 7,5) gedurende de testperiode van 14 dagen. De stijging van de pH in het inoculatiemedium na incubatie werd veroorzaakt door de metabolische activiteit van P. aeruginosa en bleek hetzelfde effect op de pH te hebben bij afwezigheid van teststrips.
Zoals weergegeven in Afbeelding 7 bedroeg de maximale putdiepte veroorzaakt door P. aeruginosa-biofilm 0,69 μm, wat veel groter was dan die van het abiotische medium (0,02 μm). Dit komt overeen met de hierboven beschreven elektrochemische gegevens. De putdiepte van 0,69 μm is meer dan tien keer kleiner dan de waarde van 9,5 μm die voor de 2205 DSS onder dezelfde omstandigheden werd gerapporteerd. Deze gegevens tonen aan dat 2707 HDSS een betere MIC-bestendigheid vertoont in vergelijking met 2205 DSS. Dit mag geen verrassing zijn, aangezien 2707 HDSS een hoger chroomgehalte heeft, wat zorgt voor een langer durende passivering, vanwege de gebalanceerde fasestructuur zonder schadelijke secundaire precipitaten, waardoor het voor P. aeruginosa moeilijker is om te depassiveren en startpunten te verduisteren.
Concluderend werd er MIC-pitcorrosie aangetroffen op het oppervlak van 2707 HDSS in P. aeruginosa-bouillon, vergeleken met verwaarloosbare pitcorrosie in abiotische media. Dit werk toont aan dat 2707 HDSS een betere MIC-resistentie heeft dan 2205 DSS, maar niet volledig immuun is voor MIC vanwege P. aeruginosa-biofilm. Deze bevindingen helpen bij de selectie van geschikte roestvaste staalsoorten en bij de schatting van de levensduur voor het mariene milieu.
De coupon voor 2707 HDSS wordt verstrekt door de School of Metallurgy van de Northeastern University (NEU) in Shenyang, China. De elementaire samenstelling van 2707 HDSS wordt weergegeven in Tabel 1, die werd geanalyseerd door de afdeling Materials Analysis and Testing van de NEU. Alle monsters werden gedurende 1 uur opgelost behandeld bij 1180 °C. Vóór de corrosietest werd muntvormig 2707 HDSS met een blootgesteld oppervlak van 1 cm2 gepolijst tot korrel 2000 met siliciumcarbidepapier en verder gepolijst met een 0,05 μm Al2O3-poedersuspensie. De zijkanten en de onderkant worden beschermd door inerte verf. Na het drogen werden de monsters gespoeld met steriel gedeïoniseerd water en gesteriliseerd met 75% (v/v) ethanol gedurende 0,5 uur. Vervolgens werden ze gedurende 0,5 uur aan de lucht gedroogd onder ultraviolet (UV) licht vóór gebruik.
De mariene stam Pseudomonas aeruginosa MCCC 1A00099 werd gekocht bij het Xiamen Marine Culture Collection Center (MCCC), China. Pseudomonas aeruginosa werd aeroob gekweekt bij 37 °C in 250 ml-kolven en 500 ml elektrochemische glazen cellen met behulp van vloeibaar medium Marine 2216E (Qingdao Hope Biotechnology Co., Ltd., Qingdao, China). 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, 0,016 NH3, 0,016 NH3, 0016 NaH2PO4, 5,0 pepton, 1,0 gistextract en 0,1 ferricitraat. Autoclaveer bij 121°C gedurende 20 minuten vóór inoculatie. Tel sessiele en planktonische cellen met behulp van een hemocytometer onder een lichtmicroscoop met een vergroting van 400X. De initiële celconcentratie van planktonische Pseudomonas aeruginosa direct na inoculatie was ongeveer 106 cellen/ml.
Elektrochemische testen werden uitgevoerd in een klassieke drie-elektrode glazen cel met een medium volume van 500 ml. Een platina plaat en een verzadigde calomel elektrode (SCE) werden verbonden met de reactor via Luggin capillairen gevuld met zoutbruggen, die respectievelijk dienden als tegen- en referentie-elektroden. Om de werkelektroden te maken, werd een met rubber beklede koperdraad bevestigd aan elk monster en bedekt met epoxy, waardoor ongeveer 1 cm2 blootgesteld enkelzijdig oppervlak overbleef voor de werkelektrode. Tijdens elektrochemische metingen werden monsters geplaatst in 2216E medium en bewaard bij een constante incubatietemperatuur (37 °C) in een waterbad. OCP, LPR, EIS en potentiële dynamische polarisatiegegevens werden gemeten met behulp van een Autolab potentiostaat (Reference 600TM, Gamry Instruments, Inc., USA). LPR testen werden opgenomen met een scansnelheid van 0,125 mV s-1 over het bereik van -5 en 5 mV met Eocp en een bemonsteringsfrequentie van 1 Hz. EIS werd uitgevoerd met een sinusgolf in het frequentiebereik van 0,01 tot 10.000 Hz met een aangelegde spanning van 5 mV bij steady state Eocp. Vóór de potentiaalzwaai bevonden de elektroden zich in de open-circuitmodus totdat een stabiele waarde voor vrije corrosiepotentiaal was bereikt. Polarisatiecurven werden vervolgens uitgevoerd van -0,2 tot 1,5 V versus Eocp bij een scansnelheid van 0,166 mV/s. Elke test werd 3 keer herhaald met en zonder P. aeruginosa.
Specimens voor metallografische analyse werden mechanisch gepolijst met 2000-grit nat SiC-papier en vervolgens verder gepolijst met 0,05 μm Al2O3-poedersuspensie voor optische observatie. De metallografische analyse werd uitgevoerd met behulp van een optische microscoop. De specimens werden geëtst met 10 gew.% kaliumhydroxide-oplossing 43.
Na incubatie werden de monsters 3 keer gewassen met fosfaatgebufferde zoutoplossing (PBS) (pH 7,4 ± 0,2) en vervolgens gefixeerd met 2,5% (v/v) glutaraldehyde gedurende 10 uur om biofilms te fixeren. Het werd vervolgens gedehydrateerd met een gegradeerde serie (50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95% en 100% v/v) ethanol voordat het aan de lucht werd gedroogd. Ten slotte wordt het oppervlak van het monster gesputterd met een gouden film om geleidbaarheid te bieden voor SEM-observatie. De SEM-beelden werden gefocust op de plekken met de meeste sessiele P. aeruginosa-cellen op het oppervlak van elk specimen. Voer EDS-analyse uit om chemische elementen te vinden. Een Zeiss Confocal Laser Scanning Microscope (CLSM) (LSM 710, Zeiss, Duitsland) werd gebruikt om de putdiepte te meten. Om de corrosieputten onder de biofilm te observeren, Het teststuk werd eerst gereinigd volgens de Chinese nationale norm (CNS) GB/T4334.4-2000 om corrosieproducten en biofilm op het oppervlak van het teststuk te verwijderen.
Röntgenfoto-elektronenspectroscopie (XPS, ESCALAB250 oppervlakteanalysesysteem, Thermo VG, VS) werd uitgevoerd met behulp van een monochromatische röntgenbron (aluminium Kα-lijn bij 1500 eV energie en 150 W vermogen) over een breed bindingsenergiebereik van 0 onder standaardomstandigheden –1350 eV. Spectra met hoge resolutie werden opgenomen met behulp van 50 eV doorgangsenergie en een stapgrootte van 0,2 eV.
De geïncubeerde monsters werden verwijderd en voorzichtig gespoeld met PBS (pH 7,4 ± 0,2) gedurende 15 seconden. Om de bacteriële levensvatbaarheid van de biofilms op de monsters te observeren, werden de biofilms gekleurd met de LIVE/DEAD BacLight Bacterial Viability Kit (Invitrogen, Eugene, OR, VS). De kit bevat twee fluorescerende kleurstoffen: een groene fluorescerende SYTO-9-kleurstof en een rode fluorescerende propidiumjodide (PI)-kleurstof. Onder CLSM vertegenwoordigen stippen met fluorescerend groen en rood respectievelijk levende en dode cellen. Voor kleuring werd een mengsel van 1 ml met 3 μl SYTO-9 en 3 μl PI-oplossing gedurende 20 minuten bij kamertemperatuur (23 °C) in het donker geïncubeerd. Daarna werden de gekleurde monsters bekeken bij twee golflengten (488 nm voor levende cellen en 559 nm voor dode cellen) met behulp van een Nikon CLSM-machine (C2 Plus, Nikon, Japan). De dikte van de biofilm werd gemeten in 3D-scanmodus.
Hoe dit artikel te citeren: Li, H. et al. Microbiële corrosie van 2707 super duplex roestvrij staal door mariene Pseudomonas aeruginosa biofilm.science.Rep. 6, 20190; doi: 10.1038/srep20190 (2016).
Zanotto, F., Grassi, V., Balbo, A., Monticelli, C. & Zucchi, F. Spanningscorrosie van LDX 2101 duplex roestvast staal in chlorideoplossing in aanwezigheid van thiosulfaat.coros.science.80, 205–212 (2014).
Kim, ST, Jang, SH, Lee, IS & Park, YS Effect van oplossingswarmtebehandeling en stikstof in beschermgas op de weerstand tegen putcorrosie van super duplex roestvast staal. lassen.coros.science.53, 1939–1947 (2011).
Shi, X., Avci, R., Geiser, M. & Lewandowski, Z. Een vergelijkende chemische studie van microbiële en elektrochemisch geïnduceerde putcorrosie in roestvrij staal 316L.coros.science.45, 2577–2595 (2003).
Luo, H., Dong, CF, Li, XG en Xiao, K. Elektrochemisch gedrag van 2205 duplex roestvrij staal in alkalische oplossingen met verschillende pH-waarden in aanwezigheid van chloride. Electrochim.Journal.64, 211–220 (2012).
Little, BJ, Lee, JS en Ray, RI Het effect van mariene biofilms op corrosie: een beknopt overzicht. Electrochim.Journal.54, 2-7 (2008).