Дзякуй за наведванне сайта Nature.com. Версія браўзера, якой вы карыстаецеся, мае абмежаваную падтрымку CSS. Для найлепшага карыстання рэкамендуем выкарыстоўваць абноўлены браўзер (або адключыць рэжым сумяшчальнасці ў Internet Explorer). Тым часам, каб забяспечыць бесперапынную падтрымку, мы будзем адлюстроўваць сайт без стыляў і JavaScript.
Мікробная карозія (МІК) з'яўляецца сур'ёзнай праблемай у многіх галінах прамысловасці, бо яна можа прывесці да велізарных эканамічных страт. Супердуплексная нержавеючая сталь 2707 (2707 HDSS) выкарыстоўваецца ў марскім асяроддзі дзякуючы сваёй выдатнай хімічнай устойлівасці. Аднак яе ўстойлівасць да МІК не была эксперыментальна прадэманстравана. У гэтым даследаванні даследаваліся паводзіны МІК 2707 HDSS, выкліканыя марской аэробнай бактэрыяй Pseudomonas aeruginosa. Электрахімічны аналіз паказаў, што ў прысутнасці біяплёнкі Pseudomonas aeruginosa ў асяроддзі 2216E назіралася станоўчае змяненне патэнцыялу карозіі і павелічэнне шчыльнасці току карозіі. Аналіз з дапамогай рэнтгенаўскай фотаэлектроннай спектраскапіі (РФЭС) паказаў зніжэнне ўтрымання хрому на паверхні ўзору пад біяплёнкай. Аналіз візуалізацыі ямак паказаў, што біяплёнка P. aeruginosa ўтварыла максімальную глыбіню ямак 0,69 мкм на працягу 14 дзён інкубацыі. Нягледзячы на ​​тое, што гэта невялікі паказчык, гэта сведчыць аб тым, што 2707 HDSS не цалкам імунная да МІК P. aeruginosa. біяплёнкі.
Дуплексныя нержавеючыя сталі (DSS) шырока выкарыстоўваюцца ў розных галінах прамысловасці дзякуючы ідэальнаму спалучэнню выдатных механічных уласцівасцей і каразійнай устойлівасці1,2. Аднак лакалізаванае кропкавае разбурэнне ўсё яшчэ адбываецца, і гэта ўплывае на цэласнасць гэтай сталі3,4. DSS не ўстойлівая да мікробнай карозіі (MIC)5,6. Нягледзячы на ​​шырокі спектр прымянення DSS, усё яшчэ існуюць асяроддзі, дзе каразійная ўстойлівасць DSS недастатковая для працяглага выкарыстання. Гэта азначае, што патрабуюцца больш дарагія матэрыялы з больш высокай каразійнай устойлівасцю. Jeon і інш.7 выявілі, што нават супердуплексныя нержавеючыя сталі (SDSS) маюць некаторыя абмежаванні з пункту гледжання каразійнай устойлівасці. Такім чынам, у некаторых выпадках патрабуюцца супердуплексныя нержавеючыя сталі (HDSS) з больш высокай каразійнай устойлівасцю. Гэта прывяло да распрацоўкі высокалегаваных HDSS.
Каразійная ўстойлівасць DSS залежыць ад суадносін альфа- і гама-фаз, а таксама ад абядненых Cr, Mo і W участкаў 8, 9, 10, якія прылягаюць да другой фазы. HDSS змяшчае высокае ўтрыманне Cr, Mo і N11, таму ён мае выдатную каразійную ўстойлівасць і высокае значэнне (45-50) эквівалентнага ліку супраціўлення кропкавай карозіі (PREN), якое вызначаецца як wt.% Cr + 3,3 (wt.% Mo + 0,5 wt.% W) + 16 wt.% N12. Яго выдатная каразійная ўстойлівасць абапіраецца на збалансаваны склад, які змяшчае прыблізна 50% ферытавых (α) і 50% аўстэнітных (γ) фаз. HDSS мае лепшыя механічныя ўласцівасці і больш высокую ўстойлівасць, чым звычайны DSS13. Хларыдныя каразійныя ўласцівасці. Палепшаная каразійная ўстойлівасць пашырае выкарыстанне HDSS у больш каразійных хларыдных асяроддзях, такіх як марское асяроддзе.
Мікракарозія (МІК) з'яўляецца сур'ёзнай праблемай у многіх галінах прамысловасці, такіх як нафтагазавая і водазабеспячальная прамысловасці14. МІК складае 20% усіх пашкоджанняў ад карозіі15. МІК - гэта біяэлектрахімічная карозія, якую можна назіраць у многіх асяроддзях. Біяплёнкі, якія ўтвараюцца на металічных паверхнях, змяняюць электрахімічныя ўмовы, тым самым уплываючы на ​​працэс карозіі. Шырока распаўсюджана меркаванне, што карозія МІК выклікана біяплёнкамі. Электрагенныя мікраарганізмы раз'ядаюць металы, каб атрымаць падтрымліваючую энергію для выжывання17. Нядаўнія даследаванні МІК паказалі, што ЭЭТ (пазаклеткавы перанос электронаў) з'яўляецца фактарам, які абмяжоўвае хуткасць МІК, выкліканай электрагеннымі мікраарганізмамі. Чжан і інш.18 паказалі, што электронныя медыятары паскараюць перанос электронаў паміж клеткамі Desulfovibrio sessificans і нержавеючай сталлю 304, што прыводзіць да больш сур'ёзнай атакі МІК. Энінг і інш.19 і Венцлаф і інш.20 паказалі, што біяплёнкі каразійных сульфат-аднаўляльных бактэрый (SRB) могуць непасрэдна паглынаць электроны з металічных падкладак, што прыводзіць да моцнай кропкавай карозіі.
Вядома, што DSS адчувальны да МІК у асяроддзях, якія змяшчаюць SRB, жалезааднаўляльныя бактэрыі (IRB) і г.д.21. Гэтыя бактэрыі выклікаюць лакалізаванае ўтварэнне кропак на паверхнях DSS пад біяплёнкамі22,23. У адрозненне ад DSS, МІК HDSS24 малавядомая.
Pseudomonas aeruginosa — гэта грам-адмоўная рухомая палачкападобная бактэрыя, шырока распаўсюджаная ў прыродзе25. Pseudomonas aeruginosa таксама з'яўляецца асноўнай мікробнай групай у марскім асяроддзі, выклікаючы мікраарганізмы сталі. Pseudomonas цесна ўдзельнічае ў працэсах карозіі і прызнана піянерам-каланізатарам падчас утварэння біяплёнкі. Махат і інш.28 і Юань і інш.29 паказалі, што Pseudomonas aeruginosa мае тэндэнцыю павялічваць хуткасць карозіі нізкавугляродзістай сталі і сплаваў у водных асяроддзях.
Асноўнай мэтай гэтай працы было даследаванне ўласцівасцей мікраканцэнтрацыі (МІК) нержавеючай сталі 2707 HDSS, выкліканай марской аэробнай бактэрыяй Pseudomonas aeruginosa, з выкарыстаннем электрахімічных метадаў, метадаў аналізу паверхні і аналізу прадуктаў карозіі. Для вывучэння паводзін МІК нержавеючай сталі 2707 HDSS былі праведзены электрахімічныя даследаванні, у тым ліку патэнцыял адкрытага ланцуга (OCP), лінейны палярызацыйны супраціў (LPR), электрахімічная імпедансная спектраскапія (EIS) і патэнцыяльна-дынамічная палярызацыя. Для выяўлення хімічных элементаў на пашкоджанай карозіяй паверхні быў праведзены аналіз з дапамогай энергетычнага дысперсійнага спектрометра (EDS). Акрамя таго, для вызначэння стабільнасці пасівацыі аксіднай плёнкі пад уздзеяннем марскога асяроддзя, якое змяшчае Pseudomonas aeruginosa, быў выкарыстаны аналіз з дапамогай рэнтгенаўскай фотаэлектроннай спектраскапіі (XPS). Глыбіня ямак вымяралася пад канфакальным лазерным сканіруючым мікраскопам (CLSM).
У табліцы 1 паказаны хімічны склад 2707 HDSS. У табліцы 2 паказана, што 2707 HDSS мае выдатныя механічныя ўласцівасці з мяжой цякучасці 650 МПа. На малюнку 1 паказана аптычная мікраструктура 2707 HDSS, апрацаванай на раствор. У мікраструктуры, якая змяшчае каля 50% аўстэніту і 50% ферыту, можна ўбачыць выцягнутыя палосы фаз аўстэніту і ферыту без другасных фаз.
На малюнку 2a паказаны дадзеныя аб залежнасці патэнцыялу адкрытага ланцуга (Eocp) ад часу экспазіцыі для 2707 HDSS у абіятычным асяроддзі 2216E і булёне P. aeruginosa на працягу 14 дзён пры тэмпературы 37 °C. Паказана, што найбольшая і значная змена Eocp адбываецца на працягу першых 24 гадзін. Значэнні Eocp у абодвух выпадках дасягнулі піка ў -145 мВ (у параўнанні з SCE) каля 16 гадзін, а затым рэзка знізіліся, дасягнуўшы -477 мВ (у параўнанні з SCE) і -236 мВ (у параўнанні з SCE) для абіятычнага ўзору і P адпаведна. Купоны Pseudomonas aeruginosa адпаведна. Праз 24 гадзіны значэнне Eocp 2707 HDSS для P. aeruginosa было адносна стабільным на ўзроўні -228 мВ (у параўнанні з SCE), у той час як адпаведнае значэнне для небіялагічных узораў складала прыблізна -442 мВ (у параўнанні з SCE). Eocp у прысутнасці P. aeruginosa быў даволі нізкім.
Электрахімічнае даследаванне 2707 узораў HDSS у абіятычным асяроддзі і булёне Pseudomonas aeruginosa пры тэмпературы 37 °C:
(a) Eocp як функцыя часу экспазіцыі, (b) крывыя палярызацыі на 14-ы дзень, (c) Rp як функцыя часу экспазіцыі і (d) icorr як функцыя часу экспазіцыі.
У табліцы 3 прыведзены значэнні параметраў электрахімічнай карозіі 2707 узораў HDSS, якія падвяргаліся ўздзеянню абіятычнага асяроддзя і асяроддзя, засеянага Pseudomonas aeruginosa, на працягу 14 дзён. Датычныя аноднай і катоднай крывых былі экстрапаляваны для атрымання перасячэнняў, што дае шчыльнасць току карозіі (icorr), патэнцыял карозіі (Ecorr) і нахілы Тафеля (βα і βc) у адпаведнасці са стандартнымі метадамі30,31.
Як паказана на малюнку 2b, зрух крывой P. aeruginosa ўверх прывёў да павелічэння Ecorr у параўнанні з абіятычнай крывой. Значэнне icorr, якое прапарцыйна хуткасці карозіі, павялічылася да 0,328 мкА см-2 ва ўзоры Pseudomonas aeruginosa, што ў чатыры разы больш, чым ва ўзоры без біялагічнай мутацыі (0,087 мкА см-2).
LPR — гэта класічны неразбуральны электрахімічны метад для хуткага аналізу карозіі. Ён таксама выкарыстоўваўся для вывучэння MIC32. На малюнку 2c паказана палярызацыйнае супраціўленне (Rp) як функцыя часу экспазіцыі. Больш высокае значэнне Rp азначае меншую карозію. На працягу першых 24 гадзін Rp 2707 HDSS дасягнуў максімальнага значэння 1955 кОм см2 для абіятычных узораў і 1429 кОм см2 для ўзораў Pseudomonas aeruginosa. На малюнку 2c таксама паказана, што значэнне Rp хутка знізілася праз адзін дзень, а затым заставалася адносна нязменным на працягу наступных 13 дзён. Значэнне Rp узору Pseudomonas aeruginosa складае каля 40 кОм см2, што значна ніжэй за значэнне 450 кОм см2 небіялагічнага ўзору.
Значэнне icorr прапарцыйнае раўнамернай хуткасці карозіі. Яго значэнне можна разлічыць па наступным ураўненні Штэрна-Гіры:
Згодна з працай Цзоу і інш.33, тыповае значэнне нахілу B крывой Тафеля ў гэтай працы было прынята роўным 26 мВ/дэк. На малюнку 2d паказана, што icorr небіялагічнага ўзору 2707 заставаўся адносна стабільным, у той час як узор P. aeruginosa значна вагаўся пасля першых 24 гадзін. Значэнні icorr узораў P. aeruginosa былі на парадак вышэйшымі, чым у небіялагічных кантрольных узорах. Гэтая тэндэнцыя адпавядае вынікам палярызацыйнага супраціўлення.
Электраімпедансны аналіз (ЭІС) — гэта яшчэ адзін неразбуральны метад, які выкарыстоўваецца для характарыстыкі электрахімічных рэакцый на пашкоджаных паверхнях. Спектры імпедансу і разлічаныя значэнні ёмістасці ўзораў, якія падвяргаліся ўздзеянню абіятычных асяроддзяў і раствора Pseudomonas aeruginosa, супраціўленне Rb пасіўнай плёнкі/біяплёнкі, якая ўтварылася на паверхні ўзору, супраціўленне пераносу зарада Rct, ёмістасць падвойнага электрычнага слоя (EDL) Cdl і параметры пастаяннага фазавага элемента QCPE (CPE). Гэтыя параметры былі дадаткова прааналізаваны шляхам апраксімацыі дадзеных з выкарыстаннем мадэлі эквівалентнай схемы (EEC).
На малюнку 3 паказаны тыповыя графікі Найквіста (a і b) і графікі Бодэ (a' і b') 2707 узораў HDSS у абіятычным асяроддзі і булёне P. aeruginosa для розных часоў інкубацыі. Дыяметр кольца Найквіста памяншаецца ў прысутнасці Pseudomonas aeruginosa. Графік Бодэ (мал. 3b') паказвае павелічэнне велічыні агульнага імпедансу. Інфармацыя аб пастаяннай часу рэлаксацыі можа быць атрымана з дапамогай фазавых максімумаў. На малюнку 4 паказаны фізічныя структуры на аснове монаслаёвай (a) і двухслаёвай (b) структуры і адпаведныя ім EEC. CPE ўводзіцца ў мадэль EEC. Яго адмітанс і імпеданс выражаюцца наступным чынам:
Дзве фізічныя мадэлі і адпаведныя эквівалентныя схемы для апраксімацыі спектру імпедансу ўзору 2707 HDSS:
дзе Y0 — велічыня CPE, j — уяўны лік або (-1)1/2, ω — вуглавая частата, а n — індэкс магутнасці CPE меншы за адзінку35. Адваротная велічыня супраціўлення пераносу зарада (г.зн. 1/Rct) адпавядае хуткасці карозіі. Меншы Rct азначае больш высокую хуткасць карозіі27. Пасля 14 дзён інкубацыі Rct узораў Pseudomonas aeruginosa дасягнуў 32 кОм см2, што значна менш за 489 кОм см2 небіялагічных узораў (табліца 4).
На выявах CLSM і SEM на малюнку 5 выразна відаць, што пакрыццё біяплёнкі на паверхні ўзору 2707 HDSS праз 7 дзён шчыльнае. Аднак праз 14 дзён пакрыццё біяплёнкай было рэдкім, і з'явіліся некаторыя мёртвыя клеткі. У табліцы 5 паказана таўшчыня біяплёнкі на ўзорах 2707 HDSS пасля ўздзеяння P. aeruginosa на працягу 7 і 14 дзён. Максімальная таўшчыня біяплёнкі змянілася з 23,4 мкм праз 7 дзён да 18,9 мкм праз 14 дзён. Сярэдняя таўшчыня біяплёнкі таксама пацвердзіла гэту тэндэнцыю. Яна знізілася з 22,2 ± 0,7 мкм праз 7 дзён да 17,8 ± 1,0 мкм праз 14 дзён.
(a) 3D-выява CLSM праз 7 дзён, (b) 3D-выява CLSM праз 14 дзён, (c) SEM-выява праз 7 дзён і (d) SEM-выява праз 14 дзён.
ЭДС выявіў хімічныя элементы ў біяплёнках і прадуктах карозіі ўзораў, якія падвяргаліся ўздзеянню P. aeruginosa на працягу 14 дзён. На малюнку 6 паказана, што ўтрыманне C, N, O і P у біяплёнках і прадуктах карозіі значна вышэйшае, чым у чыстых металах, паколькі гэтыя элементы звязаны з біяплёнкамі і іх метабалітамі. Мікробам патрэбныя толькі слядовыя колькасці хрому і жалеза. Высокі ўзровень Cr і Fe ў біяплёнцы і прадуктах карозіі на паверхні ўзораў сведчыць аб тым, што металічная матрыца страціла элементы з-за карозіі.
Праз 14 дзён у асяроддзі 2216E назіралася кропкавая ўстойлівасць з прысутнасцю і адсутнасцю P. aeruginosa. Да інкубацыі паверхня ўзору была гладкай і без дэфектаў (мал. 7a). Пасля інкубацыі і выдалення біяплёнкі і прадуктаў карозіі найбольш глыбокія кропкі на паверхні ўзораў былі даследаваны пад CLSM, як паказана на малюнках 7b і c. На паверхні небіялагічных кантрольных узораў відавочных кропак не выяўлена (максімальная глыбіня кропак 0,02 мкм). Максімальная глыбіня кропак, выкліканая Pseudomonas aeruginosa, складала 0,52 мкм праз 7 дзён і 0,69 мкм праз 14 дзён. Зыходзячы са сярэдняй максімальнай глыбіні кропак 3 узораў (для кожнага ўзору было выбрана 10 максімальных значэнняў глыбіні кропак), яна дасягнула 0,42 ± 0,12 мкм і 0,52 ± 0,15 мкм адпаведна (табліца 5). Гэтыя значэнні глыбіні кропак невялікія, але важныя.
(а) Да ўздзеяння, (б) 14 дзён у абіятычным асяроддзі і (в) 14 дзён у булёне Pseudomonas aeruginosa.
На малюнку 8 паказаны спектры XPS розных паверхняў узораў, а хімічны склад, прааналізаваны для кожнай паверхні, падсумаваны ў табліцы 6. У табліцы 6 атамныя працэнты Fe і Cr у прысутнасці P. aeruginosa (узоры A і B) былі значна ніжэйшымі, чым у кантрольных узорах без біялагічных узораў (узоры C і D). Для ўзору P. aeruginosa спектральная крывая ядра Cr2p была апраксімавана чатырма пікавымі кампанентамі са значэннямі энергіі сувязі (BE) 574,4, 576,6, 578,3 і 586,8 эВ, якія можна аднесці да Cr, Cr2O3, CrO3 і Cr(OH)3 адпаведна (мал. 9a і b). Для небіялагічных узораў спектр ядра Cr2p змяшчае два асноўныя пікі для Cr (573,80 эВ для BE) і Cr2O3 (575,90 эВ для BE) на мал. 9c і d адпаведна. Найбольш уражлівае адрозненне паміж У абіятычных узорах і ўзорах P. aeruginosa назіралася наяўнасць Cr6+ і больш высокая адносная доля Cr(OH)3 (BE 586,8 эВ) пад біяплёнкай.
Шырокія спектры XPS паверхні ўзору 2707 HDSS у двух асяроддзях складаюць 7 і 14 дзён адпаведна.
(a) 7 дзён уздзеяння P. aeruginosa, (b) 14 дзён уздзеяння P. aeruginosa, (c) 7 дзён у абіятычным асяроддзі і (d) 14 дзён у абіятычным асяроддзі.
HDSS дэманструе высокі ўзровень каразійнай устойлівасці ў большасці асяроддзяў. Кім і інш.2 паведамілі, што UNS S32707 HDSS быў вызначаны як высокалегаваны DSS з PREN больш за 45. Значэнне PREN узору 2707 HDSS у гэтай працы склала 49. Гэта звязана з высокім утрыманнем хрому і высокім утрыманнем малібдэна і нікеля, якія карысныя ў кіслых і высокахларыдных асяроддзях. Акрамя таго, добра збалансаваны склад і бездэфектная мікраструктура карысныя для структурнай стабільнасці і каразійнай устойлівасці. Аднак, нягледзячы на ​​выдатную хімічную ўстойлівасць, эксперыментальныя дадзеныя ў гэтай працы сведчаць аб тым, што 2707 HDSS не цалкам устойлівы да MIC біяплёнак P. aeruginosa.
Электрахімічныя вынікі паказалі, што хуткасць карозіі 2707 HDSS у булёне P. aeruginosa значна павялічылася праз 14 дзён у параўнанні з небіялагічным асяроддзем. На малюнку 2a назіралася зніжэнне Eocp як у абіятычным асяроддзі, так і ў булёне P. aeruginosa на працягу першых 24 гадзін. Пасля гэтага біяплёнка цалкам пакрывае паверхню ўзору, і Eocp становіцца адносна стабільным36. Аднак узровень біялагічнага Eocp быў значна вышэйшым, чым у небіялагічнага Eocp. Ёсць падставы меркаваць, што гэтае адрозненне звязана з утварэннем біяплёнкі P. aeruginosa. На малюнку 2d, у прысутнасці P. aeruginosa, значэнне icorr для 2707 HDSS дасягнула 0,627 мкА см-2, што на парадак вышэй, чым у абіятычным кантролі (0,063 мкА см-2), што адпавядала значэнню Rct, вымеранаму з дапамогай EIS. На працягу першых некалькіх дзён значэнні імпедансу ў P. Каразійная стойкасць у булёне P. aeruginosa павялічылася з-за прымацавання клетак P. aeruginosa і ўтварэння біяплёнак. Аднак, калі біяплёнка цалкам пакрывае паверхню ўзору, імпеданс памяншаецца. Ахоўны пласт падвяргаецца ўздзеянню спачатку з-за ўтварэння біяплёнак і іх метабалітаў. Такім чынам, каразійная стойкасць з часам зніжалася, а прымацаванне P. aeruginosa выклікала лакалізаваную карозію. Тэндэнцыі ў абіятычных асяроддзях былі іншымі. Каразійная стойкасць небіялагічнага кантролю была значна вышэйшай за адпаведнае значэнне ўзораў, якія падвяргаліся ўздзеянню булёна P. aeruginosa. Акрамя таго, для абіятычных узораў значэнне Rct 2707 HDSS дасягнула 489 кОм см2 на 14-ы дзень, што ў 15 разоў перавышала значэнне Rct (32 кОм см2) у прысутнасці P. aeruginosa. Такім чынам, 2707 HDSS мае выдатную каразійную стойкасць у стэрыльным асяроддзі, але не ўстойлівы да ўздзеяння MIC біяплёнак P. aeruginosa.
Гэтыя вынікі таксама можна назіраць на крывых палярызацыі на мал. 2b. Аноднае галінаванне было звязана з утварэннем біяплёнкі Pseudomonas aeruginosa і рэакцыямі акіслення металу. У той жа час катодная рэакцыя з'яўляецца рэакцыяй аднаўлення кіслароду. Прысутнасць P. aeruginosa значна павялічыла шчыльнасць току карозіі, прыблізна на парадак вышэй, чым у абіятычным кантролі. Гэта сведчыць аб тым, што біяплёнка P. aeruginosa павялічвае лакалізаваную карозію 2707 HDSS. Юань і інш.29 выявілі, што шчыльнасць току карозіі сплаву 70/30 Cu-Ni павялічвалася пад уздзеяннем біяплёнкі P. aeruginosa. Гэта можа быць звязана з біякаталізам аднаўлення кіслароду біяплёнкамі Pseudomonas aeruginosa. Гэта назіранне таксама можа растлумачыць мінімальную інгібіруючую канцэнтрацыю (МІК) 2707 HDSS у гэтай працы. Аэробныя біяплёнкі таксама могуць мець менш кіслароду пад сабой. Такім чынам, немагчымасць паўторнай пасівацыі паверхні металу кіслародам можа быць фактарам, які спрыяе МІК у гэтай працы.
Дыкінсан і інш.38 выказалі здагадку, што хуткасць хімічных і электрахімічных рэакцый можа непасрэдна залежаць ад метабалічнай актыўнасці сядзячых бактэрый на паверхні ўзору і характару прадуктаў карозіі. Як паказана на малюнку 5 і ў табліцы 5, колькасць клетак і таўшчыня біяплёнкі зменшыліся праз 14 дзён. Гэта можна разумна растлумачыць тым, што праз 14 дзён большасць сядзячых клетак на паверхні 2707 HDSS загінула з-за знясілення пажыўных рэчываў у асяроддзі 2216E або вызвалення таксічных іонаў металаў з матрыцы 2707 HDSS. Гэта з'яўляецца абмежаваннем пакетных эксперыментаў.
У гэтай працы біяплёнка P. aeruginosa спрыяла лакальнаму знясіленню Cr і Fe пад біяплёнкай на паверхні 2707 HDSS (мал. 6). У табліцы 6 паказана зніжэнне Fe і Cr ва ўзоры D у параўнанні з узорам C, што сведчыць аб тым, што раствораныя Fe і Cr, выкліканыя біяплёнкай P. aeruginosa, захоўваліся больш за першыя 7 дзён. Асяроддзе 2216E выкарыстоўваецца для мадэлявання марскога асяроддзя. Яно змяшчае 17700 ppm Cl-, што параўнальна з тым, што змяшчаецца ў натуральнай марской вадзе. Прысутнасць 17700 ppm Cl- была асноўнай прычынай зніжэння Cr у 7- і 14-дзённых абіятычных узорах, прааналізаваных з дапамогай XPS. У параўнанні з узорамі P. aeruginosa, растварэнне Cr у абіятычных узорах было значна меншым з-за моцнай устойлівасці 2707 HDSS да Cl- у абіятычных асяроддзях. На малюнку 9 паказана прысутнасць Cr6+ у пасівацыйнай плёнцы. Ён можа быць задзейнічаны ў выдаленні Cr са сталёвых паверхняў P. біяплёнкі aeruginosa, як прапанавалі Чэнь і Клейтан.
З-за росту бактэрый значэнні pH асяроддзя да і пасля культывавання складалі 7,4 і 8,2 адпаведна. Такім чынам, пад біяплёнкай P. aeruginosa карозія арганічнай кіслатой наўрад ці будзе фактарам, які спрыяе гэтай працы, з-за адносна высокага pH у асноўным асяроддзі. pH небіялагічнага кантрольнага асяроддзя істотна не змяніўся (з пачатковых 7,4 да канчатковых 7,5) на працягу 14-дзённага перыяду выпрабаванняў. Павелічэнне pH у асяроддзі для інакуляцыі пасля інкубацыі было абумоўлена метабалічнай актыўнасцю P. aeruginosa і, як было ўстаноўлена, аказвае такі ж уплыў на pH у адсутнасць тэставых палосак.
Як паказана на малюнку 7, максімальная глыбіня паглыбленняў, выкліканых біяплёнкай P. aeruginosa, складала 0,69 мкм, што значна больш, чым у абіятычным асяроддзі (0,02 мкм). Гэта адпавядае электрахімічным дадзеным, апісаным вышэй. Глыбіня паглыбленняў 0,69 мкм больш чым у дзесяць разоў меншая за значэнне 9,5 мкм, паведамленае для 2205 DSS пры тых жа ўмовах. Гэтыя дадзеныя паказваюць, што 2707 HDSS мае лепшую ўстойлівасць да MIC у параўнанні з 2205 DSS. Гэта не дзіўна, бо 2707 HDSS мае больш высокае ўтрыманне хрому, што забяспечвае больш працяглую пасівацыю дзякуючы збалансаванай фазавай структуры без шкодных другасных асадкаў, што ўскладняе для P. aeruginosa дэпасівацыю і пачатак зацьмення кропак.
У заключэнне, на паверхні 2707 HDSS у булёне P. aeruginosa было выяўлена кропкавае з'яўленне мікробнай інгібіруючай сталі (МІК) у параўнанні з нязначным кропкавым з'яўленнем у абіятычных асяроддзях. Гэтая праца паказвае, што 2707 HDSS мае лепшую ўстойлівасць да МІК, чым 2205 DSS, але ён не цалкам імунны да МІК з-за біяплёнкі P. aeruginosa. Гэтыя вынікі дапамагаюць у выбары прыдатных нержавеючых сталей і ацэнцы тэрміну службы для марскога асяроддзя.
Купон на сталь 2707 HDSS прадастаўлены Металургічнай школай Паўночна-Усходняга ўніверсітэта (NEU) у Шэньяне, Кітай. Элементны склад сталь 2707 HDSS паказаны ў Табліцы 1, аналіз якой быў праведзены аддзелам аналізу і выпрабаванняў матэрыялаў NEU. Усе ўзоры былі апрацаваны на раствор пры тэмпературы 1180 °C на працягу 1 гадзіны. Перад каразійнымі выпрабаваннямі сталь 2707 HDSS у форме манеты з плошчай верхняй адкрытай паверхні 1 см2 была адпаліравана да зерністасці 2000 з дапамогай паперы з карбіду крэмнію і дадаткова адпаліравана суспензіяй парашка Al2O3 з памерам 0,05 мкм. Бакі і дно абаронены інэртнай фарбай. Пасля высыхання ўзоры прамывалі стэрыльнай дэіянізаванай вадой і стэрылізавалі 75% (аб./аб.) этанолам на працягу 0,5 гадзіны. Затым іх сушылі на паветры пад ультрафіялетавым (УФ) выпраменьваннем на працягу 0,5 гадзіны перад выкарыстаннем.
Штам марской Pseudomonas aeruginosa MCCC 1A00099 быў набыты ў Цэнтры калекцыі марскіх культур Сямэня (MCCC), Кітай. Pseudomonas aeruginosa вырошчвалі аэробна пры тэмпературы 37°C у колбах аб'ёмам 250 мл і электрахімічных шкляных ячэйках аб'ёмам 500 мл з выкарыстаннем вадкага асяроддзя Marine 2216E (Qingdao Hope Biotechnology Co., Ltd., Ціндао, Кітай). Асяроддзе (г/л): 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, 0,016 NaH2PO4, 5,0 пептон, 1,0 дрожджавы экстракт і 0,1 цытрат жалеза. Аўтаклавуйце пры тэмпературы 121°C на працягу 20 хвілін перад інакуляцыяй. Падлічыце сядзячыя і планктонные клеткі з дапамогай гемацытометра пад светлавым мікраскопам пры павелічэнні 400X. Пачатковая канцэнтрацыя клетак планктоннай Pseudomonas aeruginosa адразу пасля інакуляцыі складала прыблізна 106 клетак/мл.
Электрахімічныя выпрабаванні праводзіліся ў класічнай трохэлектроднай шкляной ячэйцы з аб'ёмам асяроддзя 500 мл. Плацінавы ліст і насычаны каламельны электрод (НКЭ) былі падключаны да рэактара праз капіляры Лугіна, запоўненыя солевымі масткамі, якія служылі адпаведна супрацьэлектродамі і электродамі апоры. Для вырабу рабочых электродаў да кожнага ўзору быў прымацаваны гумаваны медны дрот і пакрыты эпаксіднай смалой, пакінуўшы каля 1 см2 адкрытай аднабаковай паверхні для рабочага электрода. Падчас электрахімічных вымярэнняў узоры змяшчалі ў асяроддзе 2216E і падтрымлівалі пры пастаяннай тэмпературы інкубацыі (37 °C) у вадзяной лазні. Дадзеныя OCP, LPR, EIS і дынамічнай палярызацыі патэнцыялу вымяраліся з дапамогай патэнцыястата Autolab (Reference 600TM, Gamry Instruments, Inc., ЗША). Тэсты LPR запісваліся пры хуткасці сканавання 0,125 мВ/с у дыяпазоне ад -5 да 5 мВ з Eocp і частатой дыскрэтызацыі 1 Гц. EIS праводзіўся з сінусоідай у дыяпазоне частот ад 0,01 да... 10 000 Гц пры прыкладзеным напружанні 5 мВ пры стацыянарным стане Eocp. Перад разгортваннем патэнцыялу электроды знаходзіліся ў рэжыме размыкання ланцуга, пакуль не было дасягнута стабільнае значэнне патэнцыялу свабоднай карозіі. Затым крывыя палярызацыі былі пабудаваныя ад -0,2 да 1,5 В у залежнасці ад Eocp са хуткасцю разгортвання 0,166 мВ/с. Кожны тэст паўтараўся 3 разы з P. aeruginosa і без яго.
Узоры для металаграфічнага аналізу былі механічна паліраваны вільготнай паперай з карбіду крэмнію з зернем 2000, а затым дадаткова паліраваны суспензіяй парашка Al2O3 з зернем 0,05 мкм для аптычнага назірання. Металаграфічны аналіз быў праведзены з дапамогай аптычнага мікраскопа. Узоры былі пратраўлены 10% растворам гідраксіду калію 43.
Пасля інкубацыі ўзоры тройчы прамывалі фасфатна-буферным фізіялагічным растворам (PBS) (pH 7,4 ± 0,2), а затым фіксавалі 2,5% (аб./аб.) глутаральдэгідам на працягу 10 гадзін для ўтварэння біяплёнак. Пасля гэтага ўзоры абязводжвалі з дапамогай градуяванага серыяла (50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95% і 100% аб./аб.) этанолу перад сушкай на паветры. Нарэшце, паверхню ўзору пакрывалі залатой плёнкай для забеспячэння праводнасці для назірання з дапамогай сканіруючай электроннай мікраскапіі (СЭМ). Выявы СЭМ былі сфакусаваны на плямах з найбольш сядзячымі клеткамі P. aeruginosa на паверхні кожнага ўзору. Правялі EDS-аналіз для выяўлення хімічных элементаў. Для вымярэння глыбіні ямак выкарыстоўвалі канфакальны лазерны сканіруючы мікраскоп Zeiss (CLSM) (LSM 710, Zeiss, Германія). Каб назіраць каразійныя ямкі пад біяплёнкай, выпрабавальны ўзор спачатку ачысцілі ў адпаведнасці з Кітайскім нацыянальным стандартам (CNS). GB/T4334.4-2000 для выдалення прадуктаў карозіі і біяплёнкі на паверхні выпрабавальнага ўзору.
Аналіз з дапамогай рэнтгенаўскай фотаэлектроннай спектраскапіі (XPS, сістэма аналізу паверхні ESCALAB250, Thermo VG, ЗША) быў праведзены з выкарыстаннем манахраматычнай крыніцы рэнтгенаўскага выпраменьвання (алюмініевая лінія Kα з энергіяй 1500 эВ і магутнасцю 150 Вт) у шырокім дыяпазоне энергій сувязі ад 0 да 1350 эВ пры стандартных умовах. Спектры высокага разрознення былі запісаны з выкарыстаннем энергіі прапускання 50 эВ і кроку 0,2 эВ.
Інкубаваныя ўзоры вымалі і акуратна прамывалі PBS (pH 7,4 ± 0,2) на працягу 15 секунд і 45 секунд. Каб назіраць за жыццяздольнасцю бактэрый у біяплёнках на ўзорах, біяплёнкі афарбоўвалі з выкарыстаннем набору LIVE/DEAD BacLight Bacterial Viability Kit (Invitrogen, Юджын, Арэгон, ЗША). Набор змяшчае два флуарэсцэнтныя фарбавальнікі: зялёны флуарэсцэнтны фарбавальнік SYTO-9 і чырвоны флуарэсцэнтны фарбавальнік прапідыю-ёдыду (PI). Пры CLSM кропкі з флуарэсцэнтным зялёным і чырвоным колерамі прадстаўляюць жывыя і мёртвыя клеткі адпаведна. Для афарбоўвання 1 мл сумесі, якая змяшчае 3 мкл раствора SYTO-9 і 3 мкл раствора PI, інкубавалі на працягу 20 хвілін пры пакаёвай тэмпературы (23 °C) у цемры. Пасля гэтага афарбаваныя ўзоры назіралі пры дзвюх даўжынях хваль (488 нм для жывых клетак і 559 нм для мёртвых клетак) з выкарыстаннем прылады Nikon CLSM (C2 Plus, Nikon, Японія). Таўшчыня біяплёнкі вымяралася ў рэжыме 3D-сканавання.
Як цытаваць гэты артыкул: Li, H. et al. Мікробная карозія супердуплекснай нержавеючай сталі 2707, выкліканая марской біяплёнкай Pseudomonas aeruginosa. science. Rep. 6, 20190; doi: 10.1038/srep20190 (2016).
Zanotto, F., Grassi, V., Balbo, A., Monticelli, C. & Zucchi, F. Каразійнае растрэскванне пад напружаннем дуплекснай нержавеючай сталі LDX 2101 у растворы хларыду ў прысутнасці тыясульфату.coros.science.80, 205–212 (2014).
Кім, С.Т., Джанг, С.Х., Лі, І.С. і Парк, Ю.С. Уплыў апрацоўкі на растворную тэрмічную апрацоўку і азоту ў ахоўным газе на ўстойлівасць да кропкавай карозіі зварных швоў з супердуплекснай нержавеючай сталі. coros.science.53, 1939–1947 (2011).
Шы, Х., Аўчы, Р., Гейзер, М. і Левандоўскі, З. Параўнальнае хімічнае даследаванне мікробнай і электрахімічна выкліканай кропкавай карозіі нержавеючай сталі 316L. coros.science.45, 2577–2595 (2003).
Luo, H., Dong, CF, Li, XG і Xiao, K. Электрахімічныя ўласцівасці дуплекснай нержавеючай сталі 2205 у шчолачных растворах з розным pH у прысутнасці хларыду. Electrochim.Journal.64, 211–220 (2012).
Літл, Б. Дж., Лі, Дж. С. і Рэй, Р. І. Уплыў марскіх біяплёнак на карозію: кароткі агляд. Electrochim.Journal.54, 2-7 (2008).