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Mikrobielle Korrosion (MIC) stellt in vielen Branchen ein ernstes Problem dar, da sie zu enormen wirtschaftlichen Verlusten führen 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 Verhalten von 2707 HDSS unter MIC-Bedingungen durch das marine aerobe Bakterium Pseudomonas aeruginosa untersucht. Elektrochemische Analysen zeigten, dass in Gegenwart eines Pseudomonas-aeruginosa-Biofilms im Medium 2216E eine positive Änderung des Korrosionspotenzials und eine Erhöhung der Korrosionsstromdichte auftreten. Röntgenphotoelektronenspektroskopische (XPS) Analysen ergaben eine Abnahme des Chromgehalts an der Probenoberfläche unter dem Biofilm. Die visuelle Analyse der Korrosionsgruben zeigte, dass der P.-aeruginosa-Biofilm innerhalb von 14 Tagen Inkubation eine maximale Grubentiefe von 0,69 µm erzeugte. Auch wenn dieser Wert gering ist, deutet er darauf hin, dass 2707 HDSS gegenüber der minimalen Hemmkonzentration (MHK) von P. aeruginosa-Biofilmen nicht vollständig immun ist.
Duplex-Edelstähle (DSS) finden aufgrund der idealen Kombination aus hervorragenden mechanischen Eigenschaften und Korrosionsbeständigkeit breite Anwendung in verschiedenen Industrien^1,2. Dennoch tritt Lochfraß auf, der die Integrität dieser Stähle beeinträchtigt^3,4. DSS ist nicht beständig gegen mikrobielle Korrosion (MIC)^5,6. Trotz der vielfältigen Einsatzmöglichkeiten 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 sind in manchen Fällen Superduplex-Edelstähle (HDSS) mit höherer Korrosionsbeständigkeit erforderlich. Dies führte zur Entwicklung hochlegierter HDSS.
Die Korrosionsbeständigkeit von Duplex-Edelstahl (DSS) hängt vom Verhältnis der α- und γ-Phasen sowie von den an Cr, Mo und W verarmten Bereichen 8, 9 und 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 äquivalenten Lochfraßbeständigkeitszahl (PREN) auf, die sich aus der Formel Gew.-% Cr + 3,3 (Gew.-% Mo + 0,5 Gew.-% W) ​​+ 16 Gew.-% N12 ergibt. Seine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit beruht auf einer ausgewogenen Zusammensetzung mit etwa 50 % ferritischen (α) und 50 % austenitischen (γ) Phasen. HDSS besitzt bessere mechanische Eigenschaften und eine höhere Beständigkeit gegenüber Chloridkorrosion. Die verbesserte Korrosionsbeständigkeit erweitert den Einsatzbereich von HDSS auf aggressivere chloridhaltige Umgebungen wie beispielsweise Meeresumgebungen.
MIK-Korrosion stellt in vielen Branchen, wie der Öl-, Gas- und Wasserwirtschaft, ein gravierendes Problem dar¹⁴. Sie ist für 20 % aller Korrosionsschäden verantwortlich¹⁵. MIK ist eine bioelektrochemische Korrosion, die in vielen Umgebungen beobachtet werden kann. Biofilme, die sich auf Metalloberflächen bilden, verändern die elektrochemischen Bedingungen und beeinflussen dadurch den Korrosionsprozess. Es gilt als allgemein anerkannt, dass MIK-Korrosion durch Biofilme verursacht wird. Elektrogene Mikroorganismen zersetzen Metalle, um die für ihr Überleben notwendige Energie zu gewinnen¹⁷. Neuere Studien zu MIK haben gezeigt, dass der extrazelluläre Elektronentransfer (EET) der geschwindigkeitsbestimmende Faktor bei durch elektrogene Mikroorganismen induzierter MIK ist. Zhang et al.¹⁸ demonstrierten, dass Elektronenintermediäre den Elektronentransfer zwischen Desulfovibrio sessificans-Zellen und Edelstahl 304 beschleunigen, was zu einem stärkeren MIK-Angriff führt. Anning et al.¹⁹ und Wenzlaff et al. 20 haben gezeigt, dass Biofilme von korrosiven sulfatreduzierenden Bakterien (SRBs) Elektronen direkt von Metallsubstraten absorbieren können, was zu starker Lochfraßkorrosion führt.
Es ist bekannt, dass DSS in Medien mit sulfatreduzierenden Bakterien (SRB), eisenreduzierenden Bakterien (IRB) usw. gegenüber minimaler Hemmkonzentration (MHK) empfindlich ist.²¹ Diese Bakterien verursachen unter Biofilmen eine lokale Lochfraßbildung auf der Oberfläche von DSS.^22,23 Im Gegensatz zu DSS ist die MHK von HDSS²⁴ nicht genau bekannt.
Pseudomonas aeruginosa ist ein gramnegatives, bewegliches, stäbchenförmiges Bakterium, das in der Natur weit verbreitet ist²⁵. Es stellt auch eine wichtige mikrobielle Gruppe im marinen Milieu dar und verursacht dort erhöhte mikrobielle Korrosionskonzentrationen (MIC). Pseudomonas ist aktiv am Korrosionsprozess beteiligt 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 aquatischen Umgebungen erhöht.
Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung der Eigenschaften von MIC 2707 HDSS, verursacht durch das marine aerobe Bakterium Pseudomonas aeruginosa, mittels elektrochemischer Methoden, Oberflächenanalysen und Korrosionsproduktanalysen. Elektrochemische Untersuchungen, darunter die Messung des Ruhepotenzials (OCP), des linearen Polarisationswiderstands (LPR), der elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) und der dynamischen Potentialpolarisation, wurden durchgeführt, um das Verhalten von MIC 2707 HDSS zu untersuchen. 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 Tiefe der Korrosionsgruben wurde mit einem konfokalen Laserscanning-Mikroskop (CLSM) gemessen.
Tabelle 1 zeigt die chemische Zusammensetzung von 2707 HDSS. 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 Nebenphasen sichtbar.
Abbildung 2a zeigt das Leerlaufpotenzial (Eocp) in Abhängigkeit von der Expositionszeit für 2707 HDSS in abiotischem Medium 2216E und P. aeruginosa-Bouillon über 14 Tage bei 37 °C. Die größte und signifikanteste 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 (bezogen auf SCE) und fielen dann rapide ab auf -477 mV (bezogen auf SCE) bzw. -236 mV (bezogen auf SCE) für die abiotische Probe bzw. die Pseudomonas aeruginosa-Proben. Nach 24 Stunden war der Eocp-Wert für 2707 HDSS in P. aeruginosa mit -228 mV (bezogen auf SCE) relativ stabil, während der entsprechende Wert für die nicht-biologischen Proben bei etwa -442 mV (bezogen auf SCE) lag. Eocp war in Gegenwart von P. aeruginosa recht niedrig.
Elektrochemische Untersuchung 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 zeigt die elektrochemischen Korrosionsparameter von 2707 HDSS-Proben, die über einen Zeitraum von 14 Tagen abiotischen und mit Pseudomonas aeruginosa beimpften Medien ausgesetzt waren. Die Tangenten der Anoden- und Kathodenkurven wurden extrapoliert, um Schnittpunkte zu erhalten, die die Korrosionsstromdichte (icorr), das Korrosionspotential (Ecorr) und die Tafel-Steigung (βα und βc) gemäß Standardmethoden^30,31 liefern.
Wie in Abb. 2b dargestellt, führte eine Verschiebung der P. aeruginosa-Kurve nach oben zu einem Anstieg von Ecorr im Vergleich zur abiotischen Kurve. Der icorr-Wert, der proportional zur Korrosionsrate ist, stieg in der Pseudomonas aeruginosa-Probe auf 0,328 µA cm⁻², was dem Vierfachen des Wertes in der nicht-biologischen Probe (0,087 µA cm⁻²) entspricht.
Die LPR-Methode ist ein klassisches, zerstörungsfreies elektrochemisches Verfahren 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 bei abiotischen Proben einen Spitzenwert von 1955 kΩ cm² und bei Proben mit Pseudomonas aeruginosa einen Wert von 1429 kΩ cm². Abbildung 2c zeigt außerdem, dass der Rp-Wert nach einem Tag rapide abfiel und sich dann über die folgenden 13 Tage kaum veränderte. Der Rp-Wert einer Pseudomonas-aeruginosa-Probe liegt bei etwa 40 kΩ cm², was deutlich niedriger ist als der Wert von 450 kΩ cm² einer nicht-biologischen Probe.
Der Wert von icorr ist proportional zur gleichmäßigen Korrosionsrate. Er kann mithilfe der folgenden Stern-Giri-Gleichung berechnet werden:
Laut Zoe et al.³³ wurde der typische Wert der Tafel-Steigung B in dieser Arbeit mit 26 mV/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 Polarisationswiderstandsmessung überein.
Die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) ist eine weitere zerstörungsfreie Methode zur Charakterisierung elektrochemischer Reaktionen auf korrodierten Oberflächen. Untersucht wurden Impedanzspektren und berechnete Kapazitätswerte von Proben, die einer abiotischen Umgebung und einer Lösung von Pseudomonas aeruginosa ausgesetzt waren, sowie der Widerstand des auf der Probenoberfläche gebildeten Passivfilms/Biofilms Rb, der Ladungstransferwiderstand Rct, die elektrische Doppelschichtkapazität Cdl (EDL) und die Phasenparameter des konstanten QCPE-Elements (CPE). 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') für 2707 HDSS-Proben in abiotischen Medien 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 den Anstieg der Gesamtimpedanz. Informationen über die Relaxationszeitkonstante können aus den Phasenmaxima gewonnen werden. Abbildung 4 zeigt die physikalischen Strukturen basierend auf einer Monoschicht (a) und einer Doppelschicht (b) sowie die entsprechenden EECs. CPE wird in das EEC-Modell eingeführt. Seine Admittanz und Impedanz werden wie folgt ausgedrückt:
Zwei physikalische Modelle und entsprechende Ersatzschaltungen zur Anpassung des Impedanzspektrums der Probe 2707 HDSS:
Dabei ist Y0 der KPI-Wert, j die imaginäre Einheit oder (-1)^1/2, ω die Kreisfrequenz und n der KPI-Potenzindex kleiner als eins³⁵. Die Inversion des Ladungstransferwiderstands (d. h. 1/R_ct) entspricht der Korrosionsrate. Je kleiner R_ct, desto höher die Korrosionsrate²⁷. Nach 14 Tagen Inkubation erreichte der R_ct-Wert der Pseudomonas-aeruginosa-Proben 32 kΩ cm², was deutlich unter dem Wert von 489 kΩ cm² der nicht-biologischen Proben liegt (Tabelle 4).
Die CLSM- und SEM-Aufnahmen in Abbildung 5 zeigen deutlich, dass die Biofilmbeschichtung auf der Oberfläche der HDSS-Probe 2707 nach 7 Tagen dicht ist. Nach 14 Tagen war die Biofilmbedeckung jedoch gering, und es traten einige abgestorbene Zellen auf. Tabelle 5 zeigt die Biofilmdicke auf den HDSS-Proben 2707 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 elektromagnetische Analyse (EMF) zeigte 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 reinen Metallen, da diese Elemente an Biofilme und deren Metaboliten gebunden sind. Mikroorganismen benötigen nur Spuren von Chrom und Eisen. Hohe Cr- und Fe-Konzentrationen im Biofilm und in den Korrosionsprodukten auf der Probenoberfläche deuten darauf hin, dass die Metallmatrix durch Korrosion Elemente verloren hat.
Nach 14 Tagen wurden in Medium 2216E sowohl mit als auch ohne P. aeruginosa Lochfraßkorrosion 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 Lochfraßkorrosionen auf der Probenoberfläche mittels CLSM untersucht (Abb. 7b und c). Auf der Oberfläche der nicht-biologischen Kontrollen war kein deutlicher Lochfraß zu erkennen (maximale Lochfraßtiefe 0,02 µm). Die maximale Lochfraßtiefe, verursacht durch P. aeruginosa, betrug nach 7 Tagen 0,52 µm und nach 14 Tagen 0,69 µm. Diese Werte basieren auf dem Mittelwert der maximalen Lochfraßtiefe von 3 Proben (pro Probe wurden 10 maximale Lochfraßtiefen ausgewählt). Die erreichten Werte lagen bei 0,42 ± 0,12 µm bzw. 0,52 ± 0,15 µm (Tabelle 5). Diese Bohrlochtiefenwerte sind zwar gering, aber wichtig.
(a) vor der Exposition, (b) 14 Tage in einer abiotischen Umgebung und (c) 14 Tage in Pseudomonas aeruginosa-Bouillon.
Abbildung 8 zeigt die XPS-Spektren verschiedener Probenoberflächen, und die für jede Oberfläche analysierte chemische Zusammensetzung ist 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 Kontrollen (Proben C und D). Für eine P. aeruginosa-Probe wurde die Spektralkurve auf dem Niveau des Cr 2p-Kerns 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 nicht-biologischen Proben zeigt das Spektrum des Haupt-Cr-2p-Niveaus zwei Hauptpeaks für Cr (573,80 eV BE) und Cr₂O₃ (575,90 eV BE) (Abb. 9c bzw. d). Der auffälligste Unterschied zwischen abiotischen Proben und P.-aeruginosa-Proben war das Vorhandensein von Cr⁶⁺ und ein höherer relativer Anteil an Cr(OH)₃ (BE 586,8 eV) unter dem Biofilm.
Die breiten XPS-Spektren der Oberfläche der Probe 2707 HDSS in zwei Medien betragen 7 bzw. 14 Tage.
(a) 7 Tage Exposition gegenüber P. aeruginosa, (b) 14 Tage Exposition gegenüber P. aeruginosa, (c) 7 Tage in einer abiotischen Umgebung und (d) 14 Tage in einer abiotischen Umgebung.
HDSS weist in den meisten Umgebungen eine hohe Korrosionsbeständigkeit auf. Kim et al.² berichteten, dass HDSS UNS S32707 als hochlegierter Duplex-Edelstahl mit einem PREN-Wert von über 45 identifiziert wurde. Der PREN-Wert der Probe 2707 HDSS in dieser Arbeit betrug 49. Dies ist auf den hohen Chromgehalt sowie den hohen Gehalt an Molybdän und Nickel zurückzuführen, die in sauren und chloridreichen Umgebungen von Vorteil 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 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 zur nicht-biologischen Umgebung signifikant anstieg. Abbildung 2a zeigt einen Abfall des Eocp-Wertes sowohl im abiotischen Medium als auch in P. aeruginosa-Bouillon während der ersten 24 Stunden. Anschließend bedeckte der Biofilm die Probenoberfläche vollständig, und der Eocp-Wert stabilisierte sich relativ³⁶. Der biologische Eocp-Wert war jedoch deutlich höher als der nicht-biologische. Es gibt Hinweise darauf, dass dieser Unterschied mit der Bildung von P. aeruginosa-Biofilmen zusammenhängt. In Abb. 2d erreichte der icorr-Wert von 2707 HDSS in Gegenwart von P. aeruginosa 0,627 μA cm^-2, was eine Größenordnung höher ist als der Wert der abiotischen Kontrolle (0,063 μA cm^-2) und mit dem mittels EIS gemessenen Rct-Wert übereinstimmt. In den ersten Tagen stiegen die Impedanzwerte in der P. aeruginosa-Bouillon aufgrund der Anhaftung von P. aeruginosa-Zellen und der Bildung von Biofilmen an. Sobald der Biofilm die Probenoberfläche vollständig bedeckte, sank die Impedanz jedoch wieder. Die Schutzschicht wurde primär durch die Bildung von Biofilmen und Biofilmmetaboliten angegriffen. Folglich nahm die Korrosionsbeständigkeit mit der Zeit ab, und die Anhaftung von P. aeruginosa verursachte lokale Korrosion. In abiotischen Umgebungen verliefen die Trends anders. Die Korrosionsbeständigkeit der nicht-biologischen Kontrollprobe war deutlich höher als der entsprechende Wert der Proben, die der P. aeruginosa-Bouillon ausgesetzt waren. Darüber hinaus erreichte der Rct-Wert (Rct 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 entspricht. Somit weist 2707 HDSS eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit in einer sterilen Umgebung auf, ist jedoch nicht resistent gegen MICs aus P. aeruginosa Biofilmen.
Diese Ergebnisse lassen sich auch anhand der Polarisationskurven in Abb. 2b beobachten. Anodische Verzweigungen werden mit der Biofilmbildung von Pseudomonas aeruginosa und Metalloxidationsreaktionen in Verbindung gebracht. Die kathodische Reaktion ist in diesem Fall die Sauerstoffreduktion. Die Anwesenheit von P. aeruginosa erhöhte die Korrosionsstromdichte signifikant, etwa um eine Größenordnung höher als in der abiotischen Kontrolle. Dies deutet darauf hin, dass der P. aeruginosa-Biofilm die lokale Korrosion von 2707 HDSS verstärkt. Yuan et al.²⁹ stellten fest, dass die Korrosionsstromdichte der Cu-Ni-Legierung 70/30 unter dem Einfluss eines P. aeruginosa-Biofilms 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. Unter aeroben Biofilmen könnte zudem weniger Sauerstoff vorhanden sein. Daher könnte die Weigerung, die Metalloberfläche erneut mit Sauerstoff zu passivieren, ein Faktor sein, der in dieser Arbeit zur MIC beiträgt.
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 die Zellzahl und 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 abstarben. Dies ist eine Einschränkung von Batch-Experimenten.
In dieser Arbeit trug ein Biofilm von P. aeruginosa zu einer lokalen Verarmung an Chrom (Cr) und Eisen (Fe) unter dem Biofilm auf der Oberfläche von 2707 HDSS bei (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 die ersten 7 Tage persistierte. Die Umgebung 2216E simuliert die Meeresumwelt. Sie enthält 17700 ppm Cl⁻, was dem Gehalt in natürlichem Meerwasser entspricht. Das Vorhandensein von 17700 ppm Cl⁻ war der Hauptgrund für die Abnahme 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 Chlorresistenz von 2707 HDSS unter abiotischen Bedingungen deutlich geringer. Abbildung 9 zeigt das Vorhandensein von Cr⁶⁺ im Passivierungsfilm. Möglicherweise ist es an der Entfernung von Chrom von Stahloberflächen durch P. aeruginosa-Biofilme beteiligt, 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 dieser Arbeit beiträgt. Der pH-Wert des nicht-biologischen Kontrollmediums veränderte sich während des 14-tägigen Testzeitraums nicht signifikant (von anfänglich 7,4 auf am Ende 7,5). Der Anstieg des pH-Werts im Anzuchtmedium nach der Inkubation war auf die Stoffwechselaktivität von P. aeruginosa zurückzuführen und hatte denselben Effekt auf den pH-Wert auch ohne Teststreifen.
Wie in Abbildung 7 dargestellt, betrug die maximale Lochfraßtiefe durch den Biofilm von P. aeruginosa 0,69 µm und war damit deutlich größer als die des abiotischen Mediums (0,02 µm). Dies deckt sich mit den oben beschriebenen elektrochemischen Daten. Die Lochfraßtiefe von 0,69 µm ist mehr als zehnmal geringer als der unter denselben Bedingungen für 2205 DSS gemessene Wert von 9,5 µm. Diese Daten zeigen, dass 2707 HDSS eine bessere Beständigkeit gegenüber mikrobiell induzierten Korrosionsnebenwirkungen (MIC) aufweist als 2205 DSS. Dies ist nicht überraschend, da 2707 HDSS höhere Chromkonzentrationen besitzt, die eine längere Passivierung und eine schwierigere Depassivierung von P. aeruginosa bewirken. Zudem verhindert die ausgewogene Phasenstruktur schädliche Sekundärausfällungen, die zu Lochfraß führen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass auf der Oberfläche von 2707 HDSS in P. aeruginosa-Bouillon mikrobiell induzierte Korrosionsnarben (MIC) gefunden wurden, während in der abiotischen Umgebung keine nennenswerten Narben 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 Bestimmung ihrer Lebensdauer im marinen Umfeld bei.
Der Coupon 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 offenen Oberfläche von 1 cm² mit Siliciumcarbid-Schleifpapier der Körnung 2000 und anschließend mit einer 0,05 µm Al₂O₃-Pulversuspension poliert. Die Seiten und der Boden wurden mit inerter Farbe geschützt. Nach dem Trocknen wurden die Proben mit sterilem deionisiertem Wasser gewaschen und 0,5 h lang mit 75 % (v/v) Ethanol sterilisiert. Anschließend wurden sie vor der Verwendung 0,5 h 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 unter aeroben Bedingungen bei 37 °C in 250-ml-Kolben und 500-ml-Glas-Elektrochemiezellen mit dem flüssigen Medium Marine 2216E (Qingdao Hope Biotechnology Co., Ltd., Qingdao, China) kultiviert. Das Medium enthält (g/l): 19,45 NaCl, 5,98 MgCl₂, 3,24 Na₂SO₄, 1,8 CaCl₂, 0,55 KCl, 0,16 Na₂CO₃, 0,08 KBr, 0,034 SrCl₂, 0,08 SrBr₂, 0,022 H₃BO₃, 0,004 NaSiO₃, 0,016 6NH₂, 3,0016 NH₃, 5,0 Pepton, 1,0 Hefeextrakt und 0,1 Eisencitrat. 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 Inokulation betrug ungefähr 10⁶ Zellen/ml.
Elektrochemische Tests wurden in einer klassischen Drei-Elektroden-Glasküvette mit einem mittleren Volumen von 500 ml durchgeführt. Die Platinfolie und die gesättigte Kalomelelektrode (SAE) wurden über mit Salzbrücken gefüllte Luggin-Kapillaren an den Reaktor angeschlossen und dienten als Gegen- bzw. Referenzelektrode. Zur Herstellung der Arbeitselektroden wurde an jede Probe ein gummierter Kupferdraht angebracht und mit Epoxidharz ummantelt, wobei auf einer Seite eine Fläche von ca. 1 cm² für die Arbeitselektrode frei blieb. Während der elektrochemischen Messungen wurden die Proben in das Medium 2216E eingebracht 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 Scangeschwindigkeit von 0,125 mV s⁻¹ im Bereich von -5 bis 5 mV mit Eocp und einer Abtastrate von 1 Hz aufgezeichnet. Die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) wurde mit einer Sinuswelle im Frequenzbereich von 0,01 bis 10.000 Hz bei einer angelegten Spannung von 5 mV im stationären Zustand des freien Korrosionspotenzials (Eocp) durchgeführt. Vor dem Potentialdurchlauf befanden sich die Elektroden im Ruhezustand, bis ein stabiler Wert des freien Korrosionspotenzials erreicht war. Anschließend wurden die Polarisationskurven in Abhängigkeit von Eocp im Bereich von -0,2 bis 1,5 V mit einer Scanrate von 0,166 mV/s gemessen. Jeder Test wurde dreimal mit und ohne P. aeruginosa wiederholt.
Proben für die metallographische Analyse wurden zunächst mechanisch mit nassem 2000er-SiC-Schleifpapier poliert und anschließend mit einer 0,05 µm Al₂O₃-Pulversuspension für die optische Untersuchung nachpoliert. Die metallographische Analyse erfolgte mit einem Lichtmikroskop. Die Proben wurden mit einer 10 Gew.-%igen 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 ein Goldfilm auf die Probenoberfläche aufgebracht, um die Leitfähigkeit für die REM-Untersuchung zu gewährleisten. Die REM-Aufnahmen wurden auf die Bereiche mit den meisten sessilen P. aeruginosa-Zellen auf der Probenoberfläche fokussiert. Zur Bestimmung der chemischen Elemente wurde eine EDS-Analyse durchgeführt. Die Gruben-Tiefe wurde mit einem konfokalen Laserscanning-Mikroskop (CLSM) (LSM 710, Zeiss, Deutschland) gemessen. Um Korrosionsgruben unter dem Biofilm zu beobachten, wurde die Testprobe zunächst gemäß der chinesischen nationalen Norm (CNS) GB/T4334.4-2000 gereinigt, um Korrosionsprodukte und Biofilm von der Oberfläche der Testprobe zu entfernen.
Die Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS, ESCALAB250 Oberflächenanalysesystem, Thermo VG, USA) wurde mit einer monochromatischen Röntgenquelle (Aluminium-Kα-Linie mit einer Energie von 1500 eV und einer Leistung von 150 W) in einem breiten Bereich von Bindungsenergien Δλ unter Standardbedingungen (–1350 eV) durchgeführt. Hochauflösende Spektren wurden mit einer Transmissionsenergie von 50 eV und einer Schrittweite von 0,2 eV aufgenommen.
Die inkubierten Proben wurden entnommen und 15 s 45 s lang vorsichtig mit PBS (pH 7,4 ± 0,2) gewaschen. Zur Untersuchung der bakteriellen Lebensfähigkeit der Biofilme auf den Proben wurden diese mit dem LIVE/DEAD BacLight Bacterial Viability Kit (Invitrogen, Eugene, OR, USA) angefärbt. Das Kit enthält zwei Fluoreszenzfarbstoffe: den grünen Farbstoff SYTO-9 und den roten Farbstoff Propidiumiodid (PI). Im konfokalen Laserscanning-Mikroskop (CLSM) repräsentieren grüne und rote Fluoreszenzpunkte lebende bzw. tote Zellen. Für die Färbung wurde 1 ml einer 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-Gerät (C2 Plus, Nikon, Japan) bei zwei Wellenlängen (488 nm für lebende Zellen und 559 nm für tote Zellen) untersucht. Die Dicke des Biofilms wurde im 3D-Scanmodus gemessen.
So zitieren Sie diesen Artikel: Li, H. et al. Mikrobielle Korrosion von 2707 Superduplex-Edelstahl durch marinen Biofilm von Pseudomonas aeruginosa. The Science. 6, 20190. doi: 10.1038/srep20190 (2016).
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