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Mikrobielle Korrosion (MIC) stellt in vielen Branchen ein ernstes Problem dar, da sie enorme wirtschaftliche Verluste verursachen kann. Superduplex-Edelstahl 2707 (2707 HDSS) wird aufgrund seiner ausgezeichneten chemischen Beständigkeit in maritimen Umgebungen eingesetzt. Seine Beständigkeit gegenüber MIC wurde jedoch bisher nicht experimentell nachgewiesen. In dieser Studie wurde das MIC-Verhalten von 2707 HDSS, hervorgerufen durch das marine aerobe Bakterium Pseudomonas aeruginosa, untersucht. Elektrochemische Analysen zeigten, dass in Gegenwart eines Pseudomonas-aeruginosa-Biofilms im Medium 2216E eine positive Veränderung des Korrosionspotenzials und ein Anstieg der Korrosionsstromdichte auftraten. Röntgenphotoelektronenspektroskopische (XPS) Analysen ergaben eine Abnahme des Chromgehalts auf der Probenoberfläche unterhalb des Biofilms. Bildgebende Analysen der Korrosionsgruben zeigten, dass der P.-aeruginosa-Biofilm innerhalb von 14 Tagen Inkubation eine maximale Grubentiefe von 0,69 μm erzeugte. Obwohl dieser Wert gering ist, deutet er darauf hin, dass … 2707 HDSS ist nicht vollständig immun gegen die MHK von P. aeruginosa Biofilmen.
Duplex-Edelstähle (DSS) werden aufgrund ihrer idealen Kombination aus hervorragenden mechanischen Eigenschaften und Korrosionsbeständigkeit in verschiedenen Industrien weit verbreitet eingesetzt^1,2. Dennoch tritt Lochfraß auf, der die Integrität dieses Stahls beeinträchtigt^3,4. DSS ist nicht beständig gegen mikrobielle Korrosion (MIC)^5,6. Trotz der vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten von DSS gibt es Umgebungen, in denen die Korrosionsbeständigkeit von DSS für den Langzeiteinsatz nicht ausreicht. Dies erfordert teurere Werkstoffe mit höherer Korrosionsbeständigkeit. Jeon et al.⁷ stellten fest, dass selbst Superduplex-Edelstähle (SDSS) hinsichtlich ihrer Korrosionsbeständigkeit gewisse Einschränkungen aufweisen. Daher werden in einigen Anwendungen Superduplex-Edelstähle (HDSS) mit höherer Korrosionsbeständigkeit benötigt. Dies führte zur Entwicklung hochlegierter HDSS.
Die Korrosionsbeständigkeit von Duplex-Edelstahl (DSS) hängt vom Verhältnis der α- und γ-Phasen sowie den an Cr, Mo und W verarmten Bereichen 8, 9, 10 in der Nähe der zweiten Phase ab. Hochdosierter Edelstahl (HDSS) enthält einen hohen Gehalt an Cr, Mo und N11 und weist daher eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit sowie einen hohen Wert (45–50) der Lochfraßbeständigkeits-Äquivalentzahl (PREN) auf, die sich wie folgt berechnet: Gew.-% Cr + 3,3 (Gew.-% Mo + 0,5 Gew.-% W) ​​+ 16 Gew.-% N12. Seine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit beruht auf einer ausgewogenen Zusammensetzung mit ca. 50 % Ferrit (α) und 50 % Austenit (γ). HDSS besitzt bessere mechanische Eigenschaften und eine höhere Beständigkeit als herkömmlicher DSS13. Chloridkorrosionseigenschaften: Die verbesserte Korrosionsbeständigkeit erweitert den Einsatzbereich von HDSS in stärker korrosiven chloridhaltigen Umgebungen, wie z. B. in Meeresumgebungen.
MIC (Mikrobiell induzierte Korrosion) stellt in vielen Branchen, wie der Öl- und Gasindustrie sowie der Wasserwirtschaft, ein gravierendes Problem dar.¹⁴ MIC ist für 20 % aller Korrosionsschäden verantwortlich.¹⁵ MIC ist bioelektrochemische Korrosion, die in vielen Umgebungen beobachtet werden kann. Biofilme, die sich auf Metalloberflächen bilden, verändern die elektrochemischen Bedingungen und beeinflussen dadurch den Korrosionsprozess. Es gilt als allgemein anerkannt, dass MIC-Korrosion durch Biofilme verursacht wird. Elektrogene Mikroorganismen korrodieren Metalle, um Energie für ihr Überleben zu gewinnen.¹⁷ Jüngste MIC-Studien haben gezeigt, dass der extrazelluläre Elektronentransfer (EET) der geschwindigkeitsbestimmende Faktor bei MIC ist, die durch elektrogene Mikroorganismen induziert wird. Zhang et al.¹⁸ zeigten, dass Elektronenmediatoren den Elektronentransfer zwischen Desulfovibrio sessificans-Zellen und Edelstahl 304 beschleunigen, was zu einem stärkeren MIC-Angriff führt. Enning et al.¹⁹ und Venzlaff et al. 20 zeigte, dass korrosive sulfatreduzierende Bakterien (SRB)-Biofilme Elektronen direkt von Metallsubstraten absorbieren können, was zu starker Lochkorrosion führt.
Es ist bekannt, dass DSS in Umgebungen mit SRB, eisenreduzierenden Bakterien (IRB) usw. anfällig für MIC ist. 21 . Diese Bakterien verursachen unter Biofilmen lokale Lochfraßbildung auf DSS-Oberflächen.22,23. Im Gegensatz zu DSS ist die MIC von HDSS24 nur unzureichend bekannt.
Pseudomonas aeruginosa ist ein gramnegatives, bewegliches, stäbchenförmiges Bakterium, das in der Natur weit verbreitet ist.²⁵ Pseudomonas aeruginosa ist auch eine wichtige mikrobielle Gruppe im marinen Milieu und verursacht mikrobiell induzierte Korrosion (MIC) an Stahl. Pseudomonas ist eng in Korrosionsprozesse involviert und gilt als Pionierkeim bei der Biofilmbildung. Mahat et al.²⁸ und Yuan et al.²⁹ zeigten, dass Pseudomonas aeruginosa die Korrosionsrate von Baustahl und Legierungen in wässrigen Umgebungen erhöht.
Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung der mikrobiell induzierten Korrosionseigenschaften (MIC) von 2707 HDSS, verursacht durch das marine aerobe Bakterium Pseudomonas aeruginosa. Hierzu wurden elektrochemische Methoden, oberflächenanalytische Verfahren und die Analyse von Korrosionsprodukten eingesetzt. Elektrochemische Untersuchungen, darunter die Messung des Ruhepotenzials (OCP), des linearen Polarisationswiderstands (LPR), der elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) und der dynamischen Potentialpolarisation, dienten der Untersuchung des MIC-Verhaltens von 2707 HDSS. Mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDS) wurden die chemischen Elemente auf der korrodierten Oberfläche bestimmt. Zusätzlich wurde die Stabilität der Oxidschichtpassivierung unter dem Einfluss einer marinen Umgebung mit Pseudomonas aeruginosa mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) untersucht. Die Lochtiefe wurde mit einem konfokalen Laserscanning-Mikroskop (CLSM) gemessen.
Tabelle 1 listet die chemische Zusammensetzung von 2707 HDSS auf. Tabelle 2 zeigt, dass 2707 HDSS ausgezeichnete mechanische Eigenschaften mit einer Streckgrenze von 650 MPa aufweist. Abbildung 1 zeigt das optische Mikrogefüge von lösungsgeglühtem 2707 HDSS. Im Mikrogefüge, das etwa 50 % Austenit und 50 % Ferrit enthält, sind längliche Bänder aus Austenit- und Ferritphasen ohne Sekundärphasen zu erkennen.
Abbildung 2a zeigt die Daten zum Leerlaufpotenzial (Eocp) in Abhängigkeit von der Expositionszeit für 2707 HDSS in abiotischem 2216E-Medium und P. aeruginosa-Bouillon über 14 Tage bei 37 °C. Die größte und signifikante Änderung des Eocp tritt innerhalb der ersten 24 Stunden auf. Die Eocp-Werte erreichten in beiden Fällen nach etwa 16 Stunden ein Maximum von -145 mV (vs. SCE) und fielen dann rapide ab auf -477 mV (vs. SCE) bzw. -236 mV (vs. SCE) für die abiotische Probe bzw. P. aeruginosa. Die Eocp-Werte der Proben mit Pseudomonas aeruginosa lagen nach 24 Stunden bei -228 mV (vs. SCE), während der entsprechende Wert für nicht-biologische Proben bei etwa -442 mV (vs. SCE) lag. In Gegenwart von P. aeruginosa war der Eocp-Wert relativ niedrig.
Elektrochemische Prüfung von 2707 HDSS-Proben in abiotischem Medium und Pseudomonas aeruginosa-Bouillon bei 37 °C:
(a) Eocp als Funktion der Belichtungszeit, (b) Polarisationskurven am 14. Tag, (c) Rp als Funktion der Belichtungszeit und (d) icorr als Funktion der Belichtungszeit.
Tabelle 3 listet die Werte der elektrochemischen Korrosionsparameter von 2707 HDSS-Proben auf, die 14 Tage lang einem abiotischen Medium und einem mit Pseudomonas aeruginosa beimpften Medium ausgesetzt waren. Die Tangenten der anodischen und kathodischen Kurven wurden extrapoliert, um die Schnittpunkte zu ermitteln, aus denen die Korrosionsstromdichte (icorr), das Korrosionspotential (Ecorr) und die Tafel-Steigungen (βα und βc) gemäß Standardmethoden30,31 berechnet wurden.
Wie in Abbildung 2b dargestellt, führte die Verschiebung der P. aeruginosa-Kurve nach oben zu einem Anstieg des Ecorr-Wertes 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 an, das Vierfache des Wertes der nicht-biologischen Probe (0,087 μA cm-2).
Die LPR-Methode ist eine klassische, zerstörungsfreie elektrochemische Methode zur schnellen Korrosionsanalyse. Sie wurde auch zur Untersuchung von MIC32 eingesetzt. Abbildung 2c zeigt den Polarisationswiderstand (Rp) in Abhängigkeit von der Expositionszeit. Ein höherer Rp-Wert bedeutet geringere Korrosion. Innerhalb der ersten 24 Stunden erreichte der Rp-Wert von 2707 HDSS einen Maximalwert von 1955 kΩ cm² für abiotische Proben und 1429 kΩ cm² für Pseudomonas-aeruginosa-Proben. Abbildung 2c zeigt außerdem, dass der Rp-Wert nach einem Tag rapide abfiel und sich dann für die folgenden 13 Tage kaum veränderte. Der Rp-Wert der Pseudomonas-aeruginosa-Probe liegt bei etwa 40 kΩ cm², was deutlich unter dem Wert von 450 kΩ cm² der nicht-biologischen Probe liegt.
Der Wert von icorr ist proportional zur gleichmäßigen Korrosionsrate. Sein Wert kann mit der folgenden Stern-Geary-Gleichung berechnet werden:
In Anlehnung an Zou et al.³³ wurde in dieser Arbeit ein typischer Wert für die Tafel-Steigung B von 26 mV/Dekade angenommen. Abbildung 2d zeigt, dass der icorr-Wert der nicht-biologischen Probe 2707 relativ stabil blieb, während der Wert der 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 nicht-biologischen Kontrollen. Dieser Trend stimmt mit den Ergebnissen der Polarisationswiderstandsmessungen überein.
Die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) ist eine weitere zerstörungsfreie Methode zur Charakterisierung elektrochemischer Reaktionen an korrodierten Grenzflächen. Gemessen wurden Impedanzspektren und berechnete Kapazitätswerte von Proben, die abiotischen Medien und einer Pseudomonas-aeruginosa-Lösung ausgesetzt waren, der Widerstand Rb des auf der Probenoberfläche gebildeten Passivierungsfilms/Biofilms, der Ladungstransferwiderstand Rct, die elektrische Doppelschichtkapazität Cdl (EDL) sowie die Parameter des konstanten Phasenelements (CPE) QCPE. Diese Parameter wurden anschließend durch Anpassung der Daten an ein Ersatzschaltbildmodell (EEC) analysiert.
Abbildung 3 zeigt typische Nyquist-Diagramme (a und b) und Bode-Diagramme (a' und b') von 2707 HDSS-Proben in abiotischem Medium und P. aeruginosa-Bouillon für verschiedene Inkubationszeiten. Der Durchmesser des Nyquist-Rings verringert sich in Gegenwart von Pseudomonas aeruginosa. Das Bode-Diagramm (Abb. 3b') zeigt einen Anstieg der Gesamtimpedanz. Informationen zur Relaxationszeitkonstante lassen sich aus den Phasenmaxima gewinnen. Abbildung 4 zeigt die physikalischen Strukturen basierend auf Monoschichten (a) und Doppelschichten (b) sowie die zugehörigen 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 2707 HDSS-Probe:
Dabei ist Y0 die Stärke des CPE, j der Imaginärteil bzw. (-1)^1/2, ω die Kreisfrequenz und n der CPE-Exponent kleiner als eins³⁵. Der Kehrwert des Ladungstransferwiderstands (d. h. 1/R_ct) entspricht der Korrosionsrate. Ein kleinerer Wert für R_ct bedeutet eine höhere Korrosionsrate²⁷. Nach 14 Tagen Inkubation erreichte der R_ct-Wert der Pseudomonas-aeruginosa-Proben 32 kΩ cm², deutlich weniger als die 489 kΩ cm² der nicht-biologischen Proben (Tabelle 4).
Die CLSM- und SEM-Aufnahmen in Abbildung 5 zeigen deutlich, dass die Biofilmbedeckung auf der Oberfläche der 2707 HDSS-Probe nach 7 Tagen dicht ist. Nach 14 Tagen war die Biofilmbedeckung jedoch spärlich, und es traten einige abgestorbene Zellen auf. Tabelle 5 zeigt die Biofilmdicke auf 2707 HDSS-Proben nach 7- und 14-tägiger Exposition gegenüber P. aeruginosa. Die maximale Biofilmdicke verringerte sich von 23,4 μm nach 7 Tagen auf 18,9 μm nach 14 Tagen. 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.
Die energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDS) identifizierte chemische Elemente in Biofilmen und Korrosionsprodukten von Proben, die 14 Tage lang P. aeruginosa ausgesetzt waren. Abbildung 6 zeigt, dass der Gehalt an C, N, O und P in Biofilmen und Korrosionsprodukten deutlich höher ist als in unbeschichteten Metallen, da diese Elemente an Biofilme und deren Metaboliten gebunden sind. Mikroorganismen benötigen lediglich Spuren von Chrom und Eisen. Hohe Chrom- und Eisenkonzentrationen in den Biofilmen und Korrosionsprodukten auf der Probenoberfläche deuten darauf hin, dass die Metallmatrix durch Korrosion Elemente verloren hat.
Nach 14 Tagen wurde in 2216E-Medium Lochfraß mit und ohne P. aeruginosa beobachtet. Vor der Inkubation war die Probenoberfläche glatt und fehlerfrei (Abb. 7a). Nach der Inkubation und der Entfernung von Biofilm und Korrosionsprodukten wurden die tiefsten Lochfraßstellen auf der Probenoberfläche mittels CLSM untersucht (Abb. 7b und c). Auf der Oberfläche der nicht-biologischen Kontrollproben wurden keine deutlichen Lochfraßstellen gefunden (maximale Lochfraßtiefe 0,02 μm). Die maximale Lochfraßtiefe, verursacht durch Pseudomonas aeruginosa, betrug nach 7 Tagen 0,52 μm und nach 14 Tagen 0,69 μm. Diese Werte basieren auf der durchschnittlichen maximalen Lochfraßtiefe von 3 Proben (für jede Probe wurden 10 maximale Lochfraßtiefenwerte ausgewählt) und erreichten 0,42 ± 0,12 μm bzw. 0,52 ± 0,15 μm (Tabelle 5). Die Werte für die Gruben-Tiefe sind gering, aber wichtig.
(a) Vor der Exposition, (b) 14 Tage in abiotischem Medium und (c) 14 Tage in Pseudomonas aeruginosa-Bouillon.
Abbildung 8 zeigt die XPS-Spektren verschiedener Probenoberflächen. Die für jede Oberfläche analysierten chemischen Zusammensetzungen sind in Tabelle 6 zusammengefasst. In Tabelle 6 ist ersichtlich, dass die Atomprozente von Fe und Cr in Gegenwart von P. aeruginosa (Proben A und B) deutlich niedriger waren als in den nicht-biologischen Kontrollproben (Proben C und D). Für die P. aeruginosa-Probe wurde die Cr 2p-Kernniveau-Spektralkurve mit vier Peakkomponenten mit Bindungsenergien (BE) von 574,4, 576,6, 578,3 und 586,8 eV angepasst, die Cr, Cr₂O₃, CrO₃ bzw. Cr(OH)₃ zugeordnet werden können (Abb. 9a und b). Bei den nicht-biologischen Proben weist das Cr 2p-Kernniveau-Spektrum zwei Hauptpeaks für Cr (573,80 eV BE) und Cr₂O₃ (575,90 eV BE) auf (Abb. 9c). d bzw. Der auffälligste Unterschied zwischen den abiotischen und den P. aeruginosa-Proben war das Vorhandensein von Cr6+ und ein höherer relativer Anteil von Cr(OH)3 (BE von 586,8 eV) unterhalb des Biofilms.
Die breiten XPS-Spektren der Oberfläche der 2707 HDSS-Probe in den beiden Medien betragen 7 Tage bzw. 14 Tage.
(a) 7 Tage Exposition gegenüber P. aeruginosa, (b) 14 Tage Exposition gegenüber P. aeruginosa, (c) 7 Tage in abiotischem Medium und (d) 14 Tage in abiotischem Medium.
HDSS weist in den meisten Umgebungen eine hohe Korrosionsbeständigkeit auf. Kim et al.² berichteten, dass UNS S32707 HDSS als hochlegierter Duplex-Edelstahl mit einem PREN-Wert von über 45 definiert wurde. Der PREN-Wert der in dieser Arbeit untersuchten 2707 HDSS-Probe betrug 49. Dies ist auf den hohen Chromgehalt sowie die hohen Molybdän- und Nickelgehalte zurückzuführen, die in sauren und chloridreichen Umgebungen vorteilhaft sind. Darüber hinaus tragen eine ausgewogene Zusammensetzung und ein fehlerfreies Mikrogefüge zur strukturellen Stabilität und Korrosionsbeständigkeit bei. Trotz seiner ausgezeichneten chemischen Beständigkeit deuten die experimentellen Daten dieser Arbeit jedoch darauf hin, dass 2707 HDSS nicht vollständig immun gegen die mikrobiell induzierte Korrosion (MIC) durch Biofilme von Pseudomonas aeruginosa ist.
Elektrochemische Untersuchungen zeigten, dass die Korrosionsrate von 2707 HDSS in P. aeruginosa-Bouillon nach 14 Tagen im Vergleich zu nicht-biologischem Medium signifikant erhöht war. In Abbildung 2a wurde sowohl im abiotischen Medium als auch in P. aeruginosa-Bouillon während der ersten 24 Stunden eine Reduktion des elektrochemischen Potenzials (Eocp) beobachtet. Anschließend bedeckte der Biofilm die Probenoberfläche vollständig, und das Eocp stabilisierte sich relativ. Der Eocp-Wert im biologischen Medium war jedoch deutlich höher als im nicht-biologischen. Es ist anzunehmen, dass dieser Unterschied auf die Biofilmbildung von P. aeruginosa zurückzuführen ist. In Abbildung 2d erreichte der Wert für i_corr von 2707 HDSS in Gegenwart von P. aeruginosa 0,627 μA cm^-2, was um eine Größenordnung höher war als der Wert der abiotischen Kontrolle (0,063 μA cm^-2) und mit dem mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie (EIS) gemessenen Wert für R_ct übereinstimmte. In den ersten Tagen wurden Impedanzwerte gemessen. In P. aeruginosa-Bouillon stieg der Widerstand aufgrund der Anhaftung von P. aeruginosa-Zellen und der Bildung von Biofilmen. Sobald der Biofilm die Probenoberfläche vollständig bedeckte, sank der Widerstand jedoch. Die Schutzschicht wurde durch die Bildung von Biofilmen und Biofilmmetaboliten zuerst angegriffen. Daher nahm die Korrosionsbeständigkeit mit der Zeit ab, und die Anhaftung von P. aeruginosa verursachte lokale Korrosion. In abiotischen Medien verliefen die Trends anders. Die Korrosionsbeständigkeit der nicht-biologischen Kontrollprobe war deutlich höher als der entsprechende Wert der Proben, die P. aeruginosa-Bouillon ausgesetzt waren. Darüber hinaus erreichte der Rct-Wert von 2707 HDSS bei abiotischen Proben am 14. Tag 489 kΩ cm², was dem 15-Fachen des Rct-Wertes (32 kΩ cm²) in Gegenwart von P. aeruginosa entsprach. Daher weist 2707 HDSS in steriler Umgebung eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit auf, ist jedoch nicht resistent gegen mikrobiell induzierte Korrosion durch P. aeruginosa. aeruginosa-Biofilme.
Diese Ergebnisse lassen sich auch anhand der Polarisationskurven in Abb. 2b beobachten. Die anodische Verzweigung wurde auf die Biofilmbildung von Pseudomonas aeruginosa und Metalloxidationsreaktionen zurückgeführt. Gleichzeitig findet bei der kathodischen Reaktion die Sauerstoffreduktion statt. Die Anwesenheit von P. aeruginosa erhöhte die Korrosionsstromdichte erheblich, etwa um eine Größenordnung höher als in der abiotischen Kontrolle. Dies deutet darauf hin, dass P. aeruginosa-Biofilme die lokale Korrosion von 2707 HDSS verstärken. Yuan et al.²⁹ stellten fest, dass die Korrosionsstromdichte einer 70/30 Cu-Ni-Legierung unter dem Einfluss von P. aeruginosa-Biofilmen anstieg. Dies könnte auf die Biokatalyse der Sauerstoffreduktion durch Pseudomonas aeruginosa-Biofilme zurückzuführen sein. Diese Beobachtung könnte auch die mikrobiell induzierte Korrosion (MIC) von 2707 HDSS in dieser Arbeit erklären. Aerobe Biofilme weisen möglicherweise auch einen geringeren Sauerstoffgehalt unter sich auf. Daher könnte die fehlende Repassivierung der Metalloberfläche durch Sauerstoff ein mitwirkender Faktor für die MIC in diesem Fall sein. arbeiten.
Dickinson et al.³⁸ vermuteten, dass die Geschwindigkeit chemischer und elektrochemischer Reaktionen direkt von der Stoffwechselaktivität sessiler Bakterien auf der Probenoberfläche und der Art der Korrosionsprodukte beeinflusst werden kann. Wie Abbildung 5 und Tabelle 5 zeigen, nahmen sowohl die Zellzahl als auch die Biofilmdicke nach 14 Tagen ab. Dies lässt sich plausibel dadurch erklären, dass nach 14 Tagen die meisten sessilen Zellen auf der Oberfläche von 2707 HDSS aufgrund von Nährstoffmangel im Medium 2216E oder der Freisetzung toxischer Metallionen aus der 2707 HDSS-Matrix abgestorben sind. Dies ist eine Einschränkung von Batch-Experimenten.
In dieser Arbeit förderte der P. aeruginosa-Biofilm die lokale Verarmung an Cr und Fe unterhalb des Biofilms auf der Oberfläche des 2707 HDSS (Abb. 6). Tabelle 6 zeigt die Reduktion von Fe und Cr in Probe D im Vergleich zu Probe C. Dies deutet darauf hin, dass das durch den P. aeruginosa-Biofilm gelöste Fe und Cr über die ersten 7 Tage hinaus bestehen blieb. Das Medium 2216E dient zur Simulation mariner Umgebungen. Es enthält 17700 ppm Cl⁻, was mit dem Gehalt in natürlichem Meerwasser vergleichbar ist. Das Vorhandensein von 17700 ppm Cl⁻ war der Hauptgrund für die Reduktion von Cr in den mittels XPS analysierten abiotischen Proben nach 7 und 14 Tagen. Im Vergleich zu den P. aeruginosa-Proben war die Cr-Lösung in den abiotischen Proben aufgrund der hohen Cl⁻-Resistenz des 2707 HDSS in abiotischen Umgebungen deutlich geringer. Abbildung 9 zeigt das Vorhandensein von Cr⁶⁺ im Passivierungsfilm. Dieses könnte an der Entfernung von Cr aus dem Stahl beteiligt sein. Oberflächen werden von Biofilmen von P. aeruginosa besiedelt, wie Chen und Clayton vermuten.
Aufgrund des Bakterienwachstums betrugen die pH-Werte des Mediums vor und nach der Kultivierung 7,4 bzw. 8,2. Daher ist es unwahrscheinlich, dass die Korrosion durch organische Säuren unterhalb des P. aeruginosa-Biofilms aufgrund des relativ hohen pH-Werts im umgebenden Medium zu diesem Ergebnis beiträgt. Der pH-Wert des nicht-biologischen Kontrollmediums veränderte sich während des 14-tägigen Testzeitraums nicht signifikant (von anfänglich 7,4 auf 7,5). Der Anstieg des pH-Werts im Inokulationsmedium nach der Inkubation war auf die Stoffwechselaktivität von P. aeruginosa zurückzuführen und zeigte denselben Effekt auf den pH-Wert auch ohne Teststreifen.
Wie in Abbildung 7 dargestellt, betrug die maximale Lochtiefe, die durch den Biofilm von P. aeruginosa verursacht wurde, 0,69 μm und war damit deutlich größer als die des abiotischen Mediums (0,02 μm). Dies stimmt mit den oben beschriebenen elektrochemischen Daten überein. Die Lochtiefe von 0,69 μm ist mehr als zehnmal geringer als der für 2205 DSS unter denselben Bedingungen gemessene Wert von 9,5 μm. Diese Daten belegen, dass 2707 HDSS eine bessere MIC-Beständigkeit aufweist als 2205 DSS. Dies ist nicht überraschend, da 2707 HDSS einen höheren Chromgehalt besitzt, der aufgrund der ausgewogenen Phasenstruktur ohne schädliche Sekundärausfällungen eine länger anhaltende Passivierung bewirkt. Dadurch wird es P. aeruginosa erschwert, zu depassivieren und Startpunkte zu überdecken.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass auf der Oberfläche von 2707 HDSS in P. aeruginosa-Bouillon mikrobiell induzierte Korrosionsschäden (MIC) festgestellt wurden, während in abiotischen Medien nur vernachlässigbare Korrosionsschäden auftraten. Diese Arbeit zeigt, dass 2707 HDSS eine bessere MIC-Resistenz als 2205 DSS aufweist, jedoch aufgrund von P. aeruginosa-Biofilm nicht vollständig immun gegen MIC ist. Diese Ergebnisse tragen zur Auswahl geeigneter Edelstähle und zur Abschätzung der Lebensdauer im maritimen Umfeld bei.
Der Prüfkörper für 2707 HDSS wurde von der Fakultät für Metallurgie der Northeastern University (NEU) in Shenyang, China, bereitgestellt. Die Elementzusammensetzung von 2707 HDSS ist in Tabelle 1 dargestellt und wurde von der Abteilung für Materialanalyse und -prüfung der NEU analysiert. Alle Proben wurden 1 Stunde lang bei 1180 °C lösungsgeglüht. Vor der Korrosionsprüfung wurde eine münzförmige Probe aus 2707 HDSS mit einer exponierten Oberfläche von 1 cm² mit Siliciumcarbidpapier bis zu einer Körnung von 2000 poliert und anschließend mit einer 0,05 μm Al₂O₃-Pulversuspension nachpoliert. Die Seiten und der Boden wurden mit inerter Farbe geschützt. Nach dem Trocknen wurden die Proben mit sterilem deionisiertem Wasser gespült und 0,5 Stunden lang mit 75 % (v/v) Ethanol sterilisiert. Anschließend wurden sie vor der Verwendung 0,5 Stunden lang unter UV-Licht luftgetrocknet.
Der marine Pseudomonas aeruginosa-Stamm MCCC 1A00099 wurde vom Xiamen Marine Culture Collection Center (MCCC), China, bezogen. Pseudomonas aeruginosa wurde aerob bei 37 °C in 250-ml-Kolben und 500-ml-Elektrochemiezellen aus Glas mit dem flüssigen Medium Marine 2216E (Qingdao Hope Biotechnology Co., Ltd., Qingdao, China) kultiviert. Zusammensetzung des Mediums (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 M NaH₂PO₄, 5,0 M Pepton, 1,0 M Hefeextrakt und 0,1 M Eisen(III)-citrat. Vor der Beimpfung 20 Minuten bei 121 °C autoklavieren. Sessile und planktonische Zellen mit einer Zählkammer unter einem Lichtmikroskop bei 400-facher Vergrößerung auszählen. Die Ausgangskonzentration planktonischer Pseudomonas aeruginosa unmittelbar nach der Beimpfung betrug ca. 10⁶ Zellen/ml.
Elektrochemische Tests wurden in einer klassischen Drei-Elektroden-Glasküvette mit einem mittleren Volumen von 500 ml durchgeführt. Eine Platinfolie und eine gesättigte Kalomelelektrode (SCE) wurden über mit Salzbrücken gefüllte Luggin-Kapillaren an den Reaktor angeschlossen und dienten als Gegen- bzw. Referenzelektrode. Zur Herstellung der Arbeitselektroden wurde an jeder Probe ein gummierter Kupferdraht befestigt und mit Epoxidharz umhüllt, sodass eine einseitige Oberfläche von ca. 1 cm² für die Arbeitselektrode frei blieb. Während der elektrochemischen Messungen wurden die Proben in 2216E-Medium platziert und in einem Wasserbad bei einer konstanten Inkubationstemperatur von 37 °C gehalten. OCP-, LPR-, EIS- und dynamische Polarisationsdaten wurden mit einem Autolab-Potentiostaten (Reference 600™, Gamry Instruments, Inc., USA) gemessen. LPR-Tests wurden mit einer Scanrate von 0,125 mV s⁻¹ im Bereich von -5 bis 5 mV mit Eocp und einer Abtastfrequenz von 1 Hz aufgezeichnet. EIS wurde mit einem Eine Sinuswelle im Frequenzbereich von 0,01 bis 10.000 Hz wurde mit einer angelegten Spannung von 5 mV bei stationärem Eocp angelegt. Vor dem Potentialdurchlauf befanden sich die Elektroden im Leerlauf, bis ein stabiler Wert des freien Korrosionspotentials erreicht war. Anschließend wurden Polarisationskurven von -0,2 bis 1,5 V vs. Eocp mit einer Scanrate von 0,166 mV/s aufgenommen. Jeder Test wurde dreimal mit und ohne P. aeruginosa wiederholt.
Proben für die metallographische Analyse wurden mechanisch mit 2000er-Körnung-SiC-Nassschleifpapier poliert und anschließend mit einer 0,05 μm Al₂O₃-Pulversuspension für die optische Untersuchung weiter poliert. Die metallographische Analyse erfolgte mit einem Lichtmikroskop. Die Proben wurden mit 10 Gew.-%iger Kaliumhydroxidlösung geätzt.
Nach der Inkubation wurden die Proben dreimal mit phosphatgepufferter Salzlösung (PBS, pH 7,4 ± 0,2) gewaschen und anschließend 10 Stunden lang mit 2,5 % (v/v) Glutaraldehyd fixiert, um die Biofilme zu sichern. Danach wurden sie mit einer aufsteigenden Ethanolreihe (50 %, 60 %, 70 %, 80 %, 90 %, 95 % und 100 % v/v) entwässert und anschließend luftgetrocknet. Abschließend wurde die Probenoberfläche mit einem Goldfilm besputtert, um die Leitfähigkeit für die REM-Untersuchung zu gewährleisten. Die REM-Aufnahmen wurden auf die Stellen mit den meisten sessilen P. aeruginosa-Zellen auf der Oberfläche jeder Probe fokussiert. Zur Bestimmung der chemischen Elemente wurde eine EDS-Analyse durchgeführt. Die Lochtiefe wurde mit einem konfokalen Laserscanning-Mikroskop (CLSM) (LSM 710, Zeiss, Deutschland) gemessen. Um die Korrosionsgruben unter dem Biofilm zu beobachten, wurde das Prüfstück wurde zunächst gemäß der chinesischen nationalen Norm (CNS) GB/T4334.4-2000 gereinigt, um die Korrosionsprodukte und den Biofilm auf der Oberfläche des Prüfstücks zu entfernen.
Die Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS, ESCALAB250 Oberflächenanalysesystem, Thermo VG, USA) wurde mit einer monochromatischen Röntgenquelle (Aluminium-Kα-Linie bei 1500 eV Energie und 150 W Leistung) über einen weiten Bindungsenergiebereich von 0 bis 1350 eV unter Standardbedingungen durchgeführt. Hochauflösende Spektren wurden mit einer Durchlassenergie von 50 eV und einer Schrittweite von 0,2 eV aufgenommen.
Die inkubierten Proben wurden entnommen und 15 s lang vorsichtig mit PBS (pH 7,4 ± 0,2) gespült. Um die bakterielle Lebensfähigkeit der Biofilme auf den Proben zu untersuchen, wurden diese mit dem LIVE/DEAD BacLight Bacterial Viability Kit (Invitrogen, Eugene, OR, USA) angefärbt. Das Kit enthält zwei Fluoreszenzfarbstoffe: den grün fluoreszierenden Farbstoff SYTO-9 und den rot fluoreszierenden Farbstoff Propidiumiodid (PI). Unter dem konfokalen Laserscanning-Mikroskop (CLSM) repräsentieren grün und rot fluoreszierende Punkte lebende bzw. tote Zellen. Für die Färbung wurde eine 1 ml Mischung aus 3 μl SYTO-9- und 3 μl PI-Lösung 20 Minuten lang bei Raumtemperatur (23 °C) im Dunkeln inkubiert. Anschließend wurden die angefärbten Proben mit einem Nikon CLSM (C2 Plus, Nikon, Japan) bei zwei Wellenlängen (488 nm für lebende Zellen und 559 nm für tote Zellen) untersucht. Die Dicke wurde im 3D-Scanmodus gemessen.
So zitieren Sie diesen Artikel: 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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