Σας ευχαριστούμε που επισκεφθήκατε το Nature.com. Η έκδοση του προγράμματος περιήγησης που χρησιμοποιείτε έχει περιορισμένη υποστήριξη για CSS. Για την καλύτερη δυνατή εμπειρία, συνιστούμε να χρησιμοποιήσετε ένα ενημερωμένο πρόγραμμα περιήγησης (ή να απενεργοποιήσετε τη λειτουργία συμβατότητας στον Internet Explorer). Εν τω μεταξύ, για να διασφαλίσουμε τη συνεχή υποστήριξη, θα εμφανίζουμε τον ιστότοπο χωρίς στυλ και JavaScript.
Η μικροβιακή διάβρωση (MIC) αποτελεί σοβαρό πρόβλημα σε πολλές βιομηχανίες, καθώς μπορεί να προκαλέσει τεράστιες οικονομικές απώλειες. Ο ανοξείδωτος χάλυβας 2707 super duplex (2707 HDSS) έχει χρησιμοποιηθεί σε θαλάσσια περιβάλλοντα λόγω της εξαιρετικής χημικής αντοχής του. Ωστόσο, η αντοχή του στην MIC δεν έχει αποδειχθεί πειραματικά. Σε αυτή τη μελέτη, διερευνήθηκε η συμπεριφορά MIC του 2707 HDSS που προκαλείται από το θαλάσσιο αερόβιο βακτήριο Pseudomonas aeruginosa. Η ηλεκτροχημική ανάλυση έδειξε ότι παρουσία βιοφίλμ Pseudomonas aeruginosa σε μέσο 2216E, υπήρξε θετική αλλαγή στο δυναμικό διάβρωσης και αύξηση στην πυκνότητα ρεύματος διάβρωσης. Η ανάλυση φασματοσκοπίας φωτοηλεκτρονίων ακτίνων Χ (XPS) έδειξε μείωση της περιεκτικότητας σε Cr στην επιφάνεια του δείγματος κάτω από το βιοφίλμ. Η ανάλυση απεικόνισης των κοιλοτήτων έδειξε ότι το βιοφίλμ P. aeruginosa παρήγαγε μέγιστο βάθος κοιλότητας 0,69 μm κατά τη διάρκεια 14 ημερών επώασης. Αν και αυτό είναι μικρό, δείχνει ότι το 2707 HDSS δεν είναι πλήρως άνοσο στην MIC του P. βιοφίλμ Aeruginosa.
Οι ανοξείδωτοι χάλυβες διπλής όψης (DSS) χρησιμοποιούνται ευρέως σε διάφορες βιομηχανίες για τον ιδανικό συνδυασμό εξαιρετικών μηχανικών ιδιοτήτων και αντοχής στη διάβρωση1,2. Ωστόσο, εξακολουθούν να εμφανίζονται τοπικές οπές και να επηρεάζουν την ακεραιότητα αυτού του χάλυβα3,4. Το DSS δεν είναι ανθεκτικό στη μικροβιακή διάβρωση (MIC)5,6. Παρά το ευρύ φάσμα εφαρμογών του DSS, εξακολουθούν να υπάρχουν περιβάλλοντα όπου η αντοχή στη διάβρωση του DSS δεν είναι επαρκής για μακροχρόνια χρήση. Αυτό σημαίνει ότι απαιτούνται πιο ακριβά υλικά με υψηλότερη αντοχή στη διάβρωση. Οι Jeon et al7 διαπίστωσαν ότι ακόμη και οι ανοξείδωτοι χάλυβες super duplex (SDSS) έχουν ορισμένους περιορισμούς όσον αφορά την αντοχή στη διάβρωση. Επομένως, σε ορισμένες εφαρμογές απαιτούνται ανοξείδωτοι χάλυβες super duplex (HDSS) με υψηλότερη αντοχή στη διάβρωση. Αυτό οδήγησε στην ανάπτυξη HDSS υψηλής περιεκτικότητας σε κράματα.
Η αντοχή στη διάβρωση του DSS εξαρτάται από την αναλογία των φάσεων άλφα και γάμμα και τις περιοχές 8, 9, 10 που είναι γειτονικές της δεύτερης φάσης, όπου δεν υπάρχουν Cr, Mo και W. Το HDSS περιέχει υψηλή περιεκτικότητα σε Cr, Mo και N11, επομένως έχει εξαιρετική αντοχή στη διάβρωση και υψηλή τιμή (45-50) Ισοδύναμου Αριθμού Αντίστασης σε Βαθουλώματα (PREN), που καθορίζεται από το wt.% Cr + 3,3 (wt.% Mo + 0,5 wt% W) + 16 wt% N12. Η εξαιρετική αντοχή του στη διάβρωση βασίζεται σε μια ισορροπημένη σύνθεση που περιέχει περίπου 50% φάσεις φερρίτη (α) και 50% ωστενίτη (γ). Το HDSS έχει καλύτερες μηχανικές ιδιότητες και υψηλότερη αντοχή από το συμβατικό DSS13. Ιδιότητες διάβρωσης χλωριούχων ενώσεων. Η βελτιωμένη αντοχή στη διάβρωση διευρύνει τη χρήση του HDSS σε πιο διαβρωτικά περιβάλλοντα χλωρίου, όπως τα θαλάσσια περιβάλλοντα.
Τα MIC αποτελούν σημαντικό πρόβλημα σε πολλές βιομηχανίες, όπως οι εταιρείες κοινής ωφέλειας πετρελαίου, φυσικού αερίου και ύδρευσης14. Η MIC ευθύνεται για το 20% όλων των ζημιών από διάβρωση15. Η MIC είναι βιοηλεκτροχημική διάβρωση που μπορεί να παρατηρηθεί σε πολλά περιβάλλοντα. Τα βιοφίλμ που σχηματίζονται σε μεταλλικές επιφάνειες μεταβάλλουν τις ηλεκτροχημικές συνθήκες, επηρεάζοντας έτσι τη διαδικασία διάβρωσης. Πιστεύεται ευρέως ότι η διάβρωση MIC προκαλείται από βιοφίλμ. Οι ηλεκτρογενείς μικροοργανισμοί διαβρώνουν τα μέταλλα για να αποκτήσουν ενέργεια διατήρησης για να επιβιώσουν17. Πρόσφατες μελέτες MIC έχουν δείξει ότι η EET (εξωκυτταρική μεταφορά ηλεκτρονίων) είναι ο παράγοντας που περιορίζει την ταχύτητα στην MIC που προκαλείται από ηλεκτρογενείς μικροοργανισμούς. Οι Zhang et al. 18 απέδειξαν ότι οι μεσολαβητές ηλεκτρονίων επιταχύνουν τη μεταφορά ηλεκτρονίων μεταξύ των κυττάρων Desulfovibrio sessificans και του ανοξείδωτου χάλυβα 304, οδηγώντας σε πιο σοβαρή επίθεση MIC. Οι Enning et al. 19 και Venzlaff et al. 20 έδειξαν ότι τα βιοφίλμ διαβρωτικών βακτηρίων που μειώνουν τα θειικά άλατα (SRB) μπορούν να απορροφήσουν άμεσα ηλεκτρόνια από μεταλλικά υποστρώματα, με αποτέλεσμα σοβαρή διάβρωση με οπές.
Το DSS είναι γνωστό ότι είναι ευαίσθητο στην MIC σε περιβάλλοντα που περιέχουν SRB, βακτήρια που μειώνουν τον σίδηρο (IRB) κ.λπ. 21. Αυτά τα βακτήρια προκαλούν εντοπισμένες κοιλότητες στις επιφάνειες των DSS κάτω από τα βιοφίλμ 22,23. Σε αντίθεση με το DSS, η MIC του HDSS 24 είναι ελάχιστα γνωστή.
Η Pseudomonas aeruginosa είναι ένα Gram-αρνητικό κινητό ραβδόμορφο βακτήριο που είναι ευρέως διαδεδομένο στη φύση25. Η Pseudomonas aeruginosa είναι επίσης μια σημαντική μικροβιακή ομάδα στο θαλάσσιο περιβάλλον, προκαλώντας MIC (ανασταλτική διάβρωση) στον χάλυβα. Η Pseudomonas εμπλέκεται στενά στις διεργασίες διάβρωσης και αναγνωρίζεται ως πρωτοπόρος αποικιστής κατά τη διάρκεια του σχηματισμού βιοφίλμ. Οι Mahat et al. 28 και Yuan et al. 29 απέδειξαν ότι η Pseudomonas aeruginosa έχει την τάση να αυξάνει τον ρυθμό διάβρωσης του μαλακού χάλυβα και των κραμάτων σε υδατικά περιβάλλοντα.
Ο κύριος στόχος αυτής της εργασίας ήταν η διερεύνηση των ιδιοτήτων MIC (Ελαφρύ Διάλυμα Ανοικτού Κυκλώματος) του 2707 HDSS που προκαλούνται από το θαλάσσιο αερόβιο βακτήριο Pseudomonas aeruginosa χρησιμοποιώντας ηλεκτροχημικές μεθόδους, τεχνικές επιφανειακής ανάλυσης και ανάλυση προϊόντων διάβρωσης. Πραγματοποιήθηκαν ηλεκτροχημικές μελέτες, συμπεριλαμβανομένου του Δυναμικού Ανοικτού Κυκλώματος (OCP), της Αντίστασης Γραμμικής Πόλωσης (LPR), της Φασματοσκοπίας Ηλεκτροχημικής Σύνθετης Αντίστασης (EIS) και της Δυναμικής Πόλωσης Δυναμικού για τη μελέτη της συμπεριφοράς MIC του 2707 HDSS. Πραγματοποιήθηκε ανάλυση φασματόμετρου ενεργειακής διασποράς (EDS) για την εύρεση χημικών στοιχείων στην διαβρωμένη επιφάνεια. Επιπλέον, χρησιμοποιήθηκε ανάλυση φασματοσκοπίας φωτοηλεκτρονίων ακτίνων Χ (XPS) για τον προσδιορισμό της σταθερότητας της παθητικοποίησης της μεμβράνης οξειδίου υπό την επίδραση ενός θαλάσσιου περιβάλλοντος που περιέχει Pseudomonas aeruginosa. Το βάθος του λάκκου μετρήθηκε με ομοεστιακό μικροσκόπιο σάρωσης λέιζερ (CLSM).
Ο Πίνακας 1 παραθέτει τη χημική σύνθεση του 2707 HDSS. Ο Πίνακας 2 δείχνει ότι το 2707 HDSS έχει εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες με όριο διαρροής 650 MPa. Το Σχήμα 1 δείχνει την οπτική μικροδομή του 2707 HDSS που έχει υποστεί θερμική επεξεργασία σε διάλυμα. Επιμήκεις ζώνες φάσεων ωστενίτη και φερρίτη χωρίς δευτερογενείς φάσεις μπορούν να παρατηρηθούν στη μικροδομή που περιέχει περίπου 50% ωστενίτη και 50% φάσεις φερρίτη.
Το Σχήμα 2α δείχνει δεδομένα δυναμικού ανοιχτού κυκλώματος (Eocp) έναντι χρόνου έκθεσης για το 2707 HDSS σε αβιοτικό μέσο 2216E και ζωμό P. aeruginosa για 14 ημέρες στους 37 °C. Δείχνει ότι η μεγαλύτερη και σημαντική αλλαγή στο Eocp εμφανίζεται εντός των πρώτων 24 ωρών. Οι τιμές Eocp και στις δύο περιπτώσεις κορυφώθηκαν στα -145 mV (έναντι SCE) περίπου στις 16 ώρες και στη συνέχεια μειώθηκαν απότομα, φτάνοντας τα -477 mV (έναντι SCE) και -236 mV (έναντι SCE) για το αβιοτικό δείγμα και το P, αντίστοιχα. Κουπόνια Pseudomonas aeruginosa, αντίστοιχα. Μετά από 24 ώρες, η τιμή Eocp 2707 HDSS για το P. aeruginosa ήταν σχετικά σταθερή στα -228 mV (έναντι SCE), ενώ η αντίστοιχη τιμή για μη βιολογικά δείγματα ήταν περίπου -442 mV (έναντι SCE). Η Eocp παρουσία P. aeruginosa ήταν μάλλον χαμηλή.
Ηλεκτροχημική δοκιμή 2707 δειγμάτων HDSS σε αβιοτικό μέσο και ζωμό Pseudomonas aeruginosa στους 37 °C:
(α) Eocp ως συνάρτηση του χρόνου έκθεσης, (β) καμπύλες πόλωσης την 14η ημέρα, (γ) Rp ως συνάρτηση του χρόνου έκθεσης και (δ) icorr ως συνάρτηση του χρόνου έκθεσης.
Ο Πίνακας 3 παραθέτει τις τιμές των παραμέτρων ηλεκτροχημικής διάβρωσης 2707 δειγμάτων HDSS που εκτέθηκαν σε αβιοτικό μέσο και μέσο εμβολιασμένο με Pseudomonas aeruginosa για 14 ημέρες. Οι εφαπτομένες των ανοδικών και καθοδικών καμπυλών υποβλήθηκαν σε παρέκταση για να προκύψουν οι τομές που αποδίδουν την πυκνότητα ρεύματος διάβρωσης (icorr), το δυναμικό διάβρωσης (Ecorr) και τις κλίσεις Tafel (βα και βc) σύμφωνα με πρότυπες μεθόδους30,31.
Όπως φαίνεται στο Σχήμα 2b, η ανοδική μετατόπιση της καμπύλης του P. aeruginosa είχε ως αποτέλεσμα την αύξηση του Ecorr σε σύγκριση με την αβιοτική καμπύλη. Η τιμή icorr, η οποία είναι ανάλογη με τον ρυθμό διάβρωσης, αυξήθηκε σε 0,328 μA cm-2 στο δείγμα Pseudomonas aeruginosa, τέσσερις φορές μεγαλύτερη από αυτή του μη βιολογικού δείγματος (0,087 μA cm-2).
Η LPR είναι μια κλασική μη καταστροφική ηλεκτροχημική μέθοδος για την ταχεία ανάλυση διάβρωσης. Χρησιμοποιήθηκε επίσης για τη μελέτη του MIC32. Το Σχήμα 2c δείχνει την αντίσταση πόλωσης (Rp) ως συνάρτηση του χρόνου έκθεσης. Μια υψηλότερη τιμή Rp σημαίνει λιγότερη διάβρωση. Εντός των πρώτων 24 ωρών, η Rp του 2707 HDSS έφτασε σε μέγιστη τιμή 1955 kΩ cm2 για αβιοτικά δείγματα και 1429 kΩ cm2 για δείγματα Pseudomonas aeruginosa. Το Σχήμα 2c δείχνει επίσης ότι η τιμή Rp μειώθηκε ραγδαία μετά από μία ημέρα και στη συνέχεια παρέμεινε σχετικά αμετάβλητη για τις επόμενες 13 ημέρες. Η τιμή Rp του δείγματος Pseudomonas aeruginosa είναι περίπου 40 kΩ cm2, η οποία είναι πολύ χαμηλότερη από την τιμή 450 kΩ cm2 του μη βιολογικού δείγματος.
Η τιμή icorr είναι ανάλογη με τον ομοιόμορφο ρυθμό διάβρωσης. Η τιμή της μπορεί να υπολογιστεί από την ακόλουθη εξίσωση Stern-Geary,
Σύμφωνα με τους Zou et al. 33, μια τυπική τιμή της κλίσης Tafel B σε αυτή την εργασία θεωρήθηκε ότι είναι 26 mV/dec. Το Σχήμα 2d δείχνει ότι η icorr του μη βιολογικού δείγματος 2707 παρέμεινε σχετικά σταθερή, ενώ το δείγμα P. aeruginosa παρουσίασε μεγάλες διακυμάνσεις μετά τις πρώτες 24 ώρες. Οι τιμές icorr των δειγμάτων P. aeruginosa ήταν μια τάξη μεγέθους υψηλότερες από τις τιμές των μη βιολογικών μαρτύρων. Αυτή η τάση είναι σύμφωνη με τα αποτελέσματα αντίστασης πόλωσης.
Η Ηλεκτροχημική Υπερβολική Υπερβολική (EIS) είναι μια άλλη μη καταστροφική τεχνική που χρησιμοποιείται για τον χαρακτηρισμό ηλεκτροχημικών αντιδράσεων σε διαβρωμένες διεπιφάνειες. Φάσματα σύνθετης αντίστασης και υπολογισμένες τιμές χωρητικότητας δειγμάτων που εκτέθηκαν σε αβιοτικά μέσα και διάλυμα Pseudomonas aeruginosa, αντίσταση Rb της παθητικής μεμβράνης/βιοφίλμ που σχηματίζεται στην επιφάνεια του δείγματος, αντίσταση μεταφοράς φορτίου Rct, ηλεκτρική διπλής στρώσης χωρητικότητα Cdl (EDL) και παράμετροι του Στοιχείου Σταθερής Φάσης QCPE (CPE). Αυτές οι παράμετροι αναλύθηκαν περαιτέρω προσαρμόζοντας τα δεδομένα χρησιμοποιώντας ένα μοντέλο ισοδύναμου κυκλώματος (EEC).
Το Σχήμα 3 δείχνει τυπικά διαγράμματα Nyquist (a και b) και διαγράμματα Bode (a' και b') 2707 δειγμάτων HDSS σε αβιοτικό μέσο και ζωμό P. aeruginosa για διαφορετικούς χρόνους επώασης. Η διάμετρος του δακτυλίου Nyquist μειώνεται παρουσία Pseudomonas aeruginosa. Το διάγραμμα Bode (Εικ. 3b') δείχνει αύξηση στο μέγεθος της συνολικής σύνθετης αντίστασης. Πληροφορίες σχετικά με τη σταθερά χρόνου χαλάρωσης μπορούν να δοθούν από τα μέγιστα φάσης. Το Σχήμα 4 δείχνει τις φυσικές δομές που βασίζονται σε μονοστρωματική (a) και διπλοστιβάδα (b) και τις αντίστοιχες EECs τους. Το CPE εισάγεται στο μοντέλο EEC. Η αγωγιμότητα και η σύνθετη αντίσταση του εκφράζονται ως εξής:
Δύο φυσικά μοντέλα και αντίστοιχα ισοδύναμα κυκλώματα για την προσαρμογή του φάσματος σύνθετης αντίστασης του δείγματος HDSS 2707:
όπου Y0 είναι το μέγεθος του CPE, j είναι ο φανταστικός αριθμός ή (-1)1/2, ω είναι η γωνιακή συχνότητα και n είναι ο δείκτης ισχύος του CPE μικρότερος από τη μονάδα35. Το αντίστροφο της αντίστασης μεταφοράς φορτίου (δηλαδή 1/Rct) αντιστοιχεί στον ρυθμό διάβρωσης. Μικρότερο Rct σημαίνει ταχύτερο ρυθμό διάβρωσης27. Μετά από 14 ημέρες επώασης, το Rct των δειγμάτων Pseudomonas aeruginosa έφτασε τα 32 kΩ cm2, πολύ μικρότερο από τα 489 kΩ cm2 των μη βιολογικών δειγμάτων (Πίνακας 4).
Οι εικόνες CLSM και οι εικόνες SEM στο Σχήμα 5 δείχνουν ξεκάθαρα ότι η κάλυψη βιοφίλμ στην επιφάνεια του δείγματος 2707 HDSS μετά από 7 ημέρες είναι πυκνή. Ωστόσο, μετά από 14 ημέρες, η κάλυψη βιοφίλμ ήταν αραιή και εμφανίστηκαν κάποια νεκρά κύτταρα. Ο Πίνακας 5 δείχνει το πάχος του βιοφίλμ σε δείγματα 2707 HDSS μετά από έκθεση σε P. aeruginosa για 7 και 14 ημέρες. Το μέγιστο πάχος του βιοφίλμ άλλαξε από 23,4 μm μετά από 7 ημέρες σε 18,9 μm μετά από 14 ημέρες. Το μέσο πάχος του βιοφίλμ επιβεβαίωσε επίσης αυτή την τάση. Μειώθηκε από 22,2 ± 0,7 μm μετά από 7 ημέρες σε 17,8 ± 1,0 μm μετά από 14 ημέρες.
(α) Τρισδιάστατη εικόνα CLSM μετά από 7 ημέρες, (β) Τρισδιάστατη εικόνα CLSM μετά από 14 ημέρες, (γ) Εικόνα SEM μετά από 7 ημέρες και (δ) Εικόνα SEM μετά από 14 ημέρες.
Η EDS αποκάλυψε χημικά στοιχεία σε βιοφίλμ και προϊόντα διάβρωσης σε δείγματα που εκτέθηκαν σε P. aeruginosa για 14 ημέρες. Το Σχήμα 6 δείχνει ότι η περιεκτικότητα σε C, N, O και P σε βιοφίλμ και προϊόντα διάβρωσης είναι πολύ υψηλότερη από αυτή στα γυμνά μέταλλα, επειδή αυτά τα στοιχεία σχετίζονται με βιοφίλμ και τους μεταβολίτες τους. Τα μικρόβια χρειάζονται μόνο ίχνη χρωμίου και σιδήρου. Τα υψηλά επίπεδα Cr και Fe στο βιοφίλμ και τα προϊόντα διάβρωσης στην επιφάνεια των δειγμάτων υποδεικνύουν ότι η μεταλλική μήτρα έχει χάσει στοιχεία λόγω διάβρωσης.
Μετά από 14 ημέρες, παρατηρήθηκε σχηματισμός οπών με και χωρίς P. aeruginosa στο μέσο 2216E. Πριν από την επώαση, η επιφάνεια του δείγματος ήταν λεία και χωρίς ελαττώματα (Εικ. 7α). Μετά την επώαση και την απομάκρυνση του βιοφίλμ και των προϊόντων διάβρωσης, οι βαθύτερες οπές στην επιφάνεια των δειγμάτων εξετάστηκαν υπό CLSM, όπως φαίνεται στο Σχήμα 7β και γ. Δεν βρέθηκαν εμφανείς οπές στην επιφάνεια των μη βιολογικών δειγμάτων ελέγχου (μέγιστο βάθος οπών 0,02 μm). Το μέγιστο βάθος οπών που προκλήθηκε από Pseudomonas aeruginosa ήταν 0,52 μm μετά από 7 ημέρες και 0,69 μm μετά από 14 ημέρες, με βάση το μέσο μέγιστο βάθος οπών 3 δειγμάτων (επιλέχθηκαν 10 μέγιστες τιμές βάθους οπών για κάθε δείγμα) έφτασε τα 0,42 ± 0,12 μm και 0,52 ± 0,15 μm, αντίστοιχα (Πίνακας 5). Αυτές οι τιμές βάθους οπών είναι μικρές αλλά σημαντικές.
(α) Πριν από την έκθεση, (β) 14 ημέρες σε αβιοτικό μέσο και (γ) 14 ημέρες σε ζωμό Pseudomonas aeruginosa.
Το Σχήμα 8 δείχνει τα φάσματα XPS διαφορετικών επιφανειών δειγμάτων και οι χημικές συνθέσεις που αναλύθηκαν για κάθε επιφάνεια συνοψίζονται στον Πίνακα 6. Στον Πίνακα 6, τα ατομικά ποσοστά Fe και Cr παρουσία P. aeruginosa (δείγματα A και B) ήταν πολύ χαμηλότερα από αυτά των μη βιολογικών δειγμάτων ελέγχου (δείγματα C και D). Για το δείγμα P. aeruginosa, η φασματική καμπύλη Cr2p σε επίπεδο πυρήνα προσαρμόστηκε σε τέσσερα συστατικά κορυφής με τιμές ενέργειας σύνδεσης (BE) 574,4, 576,6, 578,3 και 586,8 eV, οι οποίες μπορούν να αποδοθούν στα Cr, Cr2O3, CrO3 και Cr(OH)3, αντίστοιχα (Εικ. 9a και b). Για μη βιολογικά δείγματα, το φάσμα Cr2p σε επίπεδο πυρήνα περιέχει δύο κύριες κορυφές για Cr (573,80 eV για BE) και Cr2O3 (575,90 eV για BE) στο Σχήμα 6. 9c και d, αντίστοιχα. Η πιο εντυπωσιακή διαφορά μεταξύ των αβιοτικών δειγμάτων και των δειγμάτων P. aeruginosa ήταν η παρουσία Cr6+ και ενός υψηλότερου σχετικού κλάσματος Cr(OH)3 (BE 586,8 eV) κάτω από το βιοφίλμ.
Τα ευρεία φάσματα XPS της επιφάνειας του δείγματος 2707 HDSS στα δύο μέσα είναι 7 ημέρες και 14 ημέρες, αντίστοιχα.
(α) 7 ημέρες έκθεσης σε P. aeruginosa, (β) 14 ημέρες έκθεσης σε P. aeruginosa, (γ) 7 ημέρες σε αβιοτικό μέσο και (δ) 14 ημέρες σε αβιοτικό μέσο.
Το HDSS παρουσιάζει υψηλά επίπεδα αντοχής στη διάβρωση στα περισσότερα περιβάλλοντα. Οι Kim et al. 2 ανέφεραν ότι το UNS S32707 HDSS ορίστηκε ως ένα DSS υψηλής περιεκτικότητας σε κράμα με PREN μεγαλύτερο από 45. Η τιμή PREN του δείγματος 2707 HDSS σε αυτή την εργασία ήταν 49. Αυτό οφείλεται στην υψηλή περιεκτικότητά του σε χρώμιο και στα υψηλά επίπεδα μολυβδαινίου και νικελίου, τα οποία είναι ευεργετικά σε όξινα και υψηλά χλωριούχα περιβάλλοντα. Επιπλέον, μια καλά ισορροπημένη σύνθεση και μια μικροδομή χωρίς ελαττώματα είναι χρήσιμα για τη δομική σταθερότητα και την αντοχή στη διάβρωση. Ωστόσο, παρά την εξαιρετική χημική του αντοχή, τα πειραματικά δεδομένα σε αυτή την εργασία υποδηλώνουν ότι το 2707 HDSS δεν είναι πλήρως άτρωτο στην MIC των βιοφίλμ P. aeruginosa.
Τα ηλεκτροχημικά αποτελέσματα έδειξαν ότι ο ρυθμός διάβρωσης του 2707 HDSS σε ζωμό P. aeruginosa αυξήθηκε σημαντικά μετά από 14 ημέρες σε σύγκριση με το μη βιολογικό μέσο. Στο Σχήμα 2α, παρατηρήθηκε μείωση του Eocp τόσο στο αβιοτικό μέσο όσο και στο ζωμό P. aeruginosa κατά τη διάρκεια των πρώτων 24 ωρών. Στη συνέχεια, το βιοφίλμ έχει ολοκληρώσει την κάλυψη της επιφάνειας του δείγματος και το Eocp γίνεται σχετικά σταθερό36. Ωστόσο, το επίπεδο του βιολογικού Eocp ήταν πολύ υψηλότερο από αυτό του μη βιολογικού Eocp. Υπάρχουν λόγοι να πιστεύουμε ότι αυτή η διαφορά οφείλεται στον σχηματισμό βιοφίλμ P. aeruginosa. Στο Σχήμα 2δ, παρουσία P. aeruginosa, η τιμή icorr του 2707 HDSS έφτασε τα 0,627 μA cm-2, η οποία ήταν μια τάξη μεγέθους υψηλότερη από αυτή του αβιοτικού ελέγχου (0,063 μA cm-2), η οποία ήταν σύμφωνη με την τιμή Rct που μετρήθηκε με EIS. Κατά τη διάρκεια των πρώτων ημερών, οι τιμές σύνθετης αντίστασης στο P. Η συγκέντρωση του ζωμού aeruginosa αυξήθηκε λόγω της προσκόλλησης των κυττάρων P. aeruginosa και του σχηματισμού βιοφίλμ. Ωστόσο, όταν το βιοφίλμ καλύπτει πλήρως την επιφάνεια του δείγματος, η σύνθετη αντίσταση μειώνεται. Το προστατευτικό στρώμα δέχεται πρώτη επίθεση λόγω του σχηματισμού βιοφίλμ και μεταβολιτών του βιοφίλμ. Επομένως, η αντοχή στη διάβρωση μειώθηκε με την πάροδο του χρόνου και η προσκόλληση του P. aeruginosa προκάλεσε εντοπισμένη διάβρωση. Οι τάσεις στα αβιοτικά μέσα ήταν διαφορετικές. Η αντοχή στη διάβρωση του μη βιολογικού μάρτυρα ήταν πολύ υψηλότερη από την αντίστοιχη τιμή των δειγμάτων που εκτέθηκαν σε ζωμό P. aeruginosa. Επιπλέον, για τα αβιοτικά δείγματα, η τιμή Rct του 2707 HDSS έφτασε τα 489 kΩ cm2 την 14η ημέρα, η οποία ήταν 15 φορές η τιμή Rct (32 kΩ cm2) παρουσία P. aeruginosa. Επομένως, το 2707 HDSS έχει εξαιρετική αντοχή στη διάβρωση σε αποστειρωμένο περιβάλλον, αλλά δεν είναι ανθεκτικό στην προσβολή από MIC από βιοφίλμ P. aeruginosa.
Αυτά τα αποτελέσματα μπορούν επίσης να παρατηρηθούν από τις καμπύλες πόλωσης στο Σχήμα 2b. Η ανοδική διακλάδωση αποδόθηκε στον σχηματισμό βιοφίλμ Pseudomonas aeruginosa και στις αντιδράσεις οξείδωσης μετάλλων. Ταυτόχρονα, η καθοδική αντίδραση είναι η αναγωγή του οξυγόνου. Η παρουσία του P. aeruginosa αύξησε σημαντικά την πυκνότητα ρεύματος διάβρωσης, περίπου μια τάξη μεγέθους υψηλότερη από τον αβιοτικό έλεγχο. Αυτό δείχνει ότι το βιοφίλμ P. aeruginosa αυξάνει την εντοπισμένη διάβρωση του 2707 HDSS. Οι Yuan et al29 διαπίστωσαν ότι η πυκνότητα ρεύματος διάβρωσης του κράματος 70/30 Cu-Ni αυξήθηκε υπό την επίδραση του βιοφίλμ P. aeruginosa. Αυτό μπορεί να οφείλεται στη βιοκατάλυση της αναγωγής οξυγόνου από βιοφίλμ Pseudomonas aeruginosa. Αυτή η παρατήρηση μπορεί επίσης να εξηγήσει την MIC του 2707 HDSS σε αυτή την εργασία. Τα αερόβια βιοφίλμ μπορεί επίσης να έχουν λιγότερο οξυγόνο από κάτω τους. Επομένως, η αποτυχία επαναπαθητικοποίησης της μεταλλικής επιφάνειας από οξυγόνο μπορεί να είναι ένας παράγοντας που συμβάλλει στην MIC σε αυτή την εργασία.
Οι Dickinson et al. 38 υπέδειξαν ότι οι ρυθμοί των χημικών και ηλεκτροχημικών αντιδράσεων μπορούν να επηρεαστούν άμεσα από τη μεταβολική δραστηριότητα των άμισχων βακτηρίων στην επιφάνεια του δείγματος και τη φύση των προϊόντων διάβρωσης. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 5 και στον Πίνακα 5, τόσο ο αριθμός των κυττάρων όσο και το πάχος του βιοφίλμ μειώθηκαν μετά από 14 ημέρες. Αυτό μπορεί εύλογα να εξηγηθεί ότι μετά από 14 ημέρες, τα περισσότερα από τα άμισχα κύτταρα στην επιφάνεια του 2707 HDSS πέθαναν λόγω εξάντλησης των θρεπτικών συστατικών στο μέσο 2216E ή της απελευθέρωσης τοξικών μεταλλικών ιόντων από τη μήτρα 2707 HDSS. Αυτός είναι ένας περιορισμός των πειραμάτων παρτίδας.
Σε αυτή την εργασία, το βιοφίλμ P. aeruginosa προώθησε την τοπική εξάντληση του Cr και του Fe κάτω από το βιοφίλμ στην επιφάνεια του 2707 HDSS (Εικ. 6). Στον Πίνακα 6, η μείωση του Fe και του Cr στο δείγμα D σε σύγκριση με το δείγμα C, υποδεικνύοντας ότι ο διαλυμένος Fe και το Cr που προκλήθηκαν από το βιοφίλμ P. aeruginosa παρέμειναν πέρα ​​από τις πρώτες 7 ημέρες. Το μέσο 2216E χρησιμοποιείται για την προσομοίωση θαλάσσιων περιβαλλόντων. Περιέχει 17700 ppm Cl-, το οποίο είναι συγκρίσιμο με αυτό που βρίσκεται στο φυσικό θαλασσινό νερό. Η παρουσία 17700 ppm Cl- ήταν ο κύριος λόγος για τη μείωση του Cr στα αβιοτικά δείγματα 7 και 14 ημερών που αναλύθηκαν με XPS. Σε σύγκριση με τα δείγματα P. aeruginosa, η διάλυση του Cr σε αβιοτικά δείγματα ήταν πολύ μικρότερη λόγω της ισχυρής αντοχής στο Cl− του 2707 HDSS σε αβιοτικά περιβάλλοντα. Το Σχήμα 9 δείχνει την παρουσία Cr6+ στην μεμβράνη παθητικοποίησης. Μπορεί να εμπλέκεται στην απομάκρυνση του Cr από χαλύβδινες επιφάνειες από βιοφίλμ P. aeruginosa, όπως προτείνεται από τους Chen και Clayton.
Λόγω της βακτηριακής ανάπτυξης, οι τιμές pH του μέσου πριν και μετά την καλλιέργεια ήταν 7,4 και 8,2, αντίστοιχα. Επομένως, κάτω από το βιοφίλμ του P. aeruginosa, η διάβρωση από οργανικά οξέα είναι απίθανο να αποτελεί παράγοντα που συμβάλλει σε αυτή την εργασία λόγω του σχετικά υψηλού pH στο μέσο. Το pH του μη βιολογικού μέσου ελέγχου δεν άλλαξε σημαντικά (από αρχικό 7,4 σε τελικό 7,5) κατά τη διάρκεια της 14ήμερης περιόδου δοκιμής. Η αύξηση του pH στο μέσο εμβολιασμού μετά την επώαση οφειλόταν στη μεταβολική δραστηριότητα του P. aeruginosa και βρέθηκε να έχει την ίδια επίδραση στο pH απουσία δοκιμαστικών ταινιών.
Όπως φαίνεται στο Σχήμα 7, το μέγιστο βάθος κοιλότητας που προκλήθηκε από το βιοφίλμ του P. aeruginosa ήταν 0,69 μm, το οποίο ήταν πολύ μεγαλύτερο από αυτό του αβιοτικού μέσου (0,02 μm). Αυτό συμφωνεί με τα ηλεκτροχημικά δεδομένα που περιγράφονται παραπάνω. Το βάθος κοιλότητας των 0,69 μm είναι περισσότερο από δέκα φορές μικρότερο από την τιμή των 9,5 μm που αναφέρθηκε για το 2205 DSS υπό τις ίδιες συνθήκες. Αυτά τα δεδομένα καταδεικνύουν ότι το 2707 HDSS παρουσιάζει καλύτερη αντοχή στην MIC σε σύγκριση με το 2205 DSS. Αυτό δεν πρέπει να αποτελεί έκπληξη, καθώς το 2707 HDSS έχει υψηλότερη περιεκτικότητα σε χρώμιο, παρέχοντας παθητικοποίηση μεγαλύτερης διάρκειας, λόγω της ισορροπημένης δομής φάσεων χωρίς επιβλαβή δευτερογενή ιζήματα, καθιστώντας πιο δύσκολο για το P. aeruginosa να αποπαθητικοποιηθεί και να εμφανίσει σημεία έναρξης έκλειψης.
Συμπερασματικά, εντοπίστηκαν οπές MIC στην επιφάνεια του 2707 HDSS σε ζωμό P. aeruginosa σε σύγκριση με αμελητέα οπές σε αβιοτικά μέσα. Αυτή η εργασία δείχνει ότι το 2707 HDSS έχει καλύτερη αντοχή στην MIC από το 2205 DSS, αλλά δεν είναι πλήρως άτρωτο στην MIC λόγω του βιοφίλμ του P. aeruginosa. Αυτά τα ευρήματα βοηθούν στην επιλογή κατάλληλων ανοξείδωτων χαλύβων και στην εκτιμώμενη διάρκεια ζωής για το θαλάσσιο περιβάλλον.
Το κουπόνι για το 2707 HDSS παρέχεται από τη Σχολή Μεταλλουργίας του Πανεπιστημίου Northeastern (NEU) στο Shenyang της Κίνας. Η στοιχειακή σύνθεση του 2707 HDSS παρουσιάζεται στον Πίνακα 1, ο οποίος αναλύθηκε από το Τμήμα Ανάλυσης και Δοκιμών Υλικών του NEU. Όλα τα δείγματα υποβλήθηκαν σε επεξεργασία διαλύματος στους 1180 °C για 1 ώρα. Πριν από τη δοκιμή διάβρωσης, το 2707 HDSS σε σχήμα νομίσματος με επιφάνεια άνω εκτεθειμένης επιφάνειας 1 cm2 γυαλίστηκε σε κόκκωση 2000 με χαρτί καρβιδίου του πυριτίου και περαιτέρω γυαλίστηκε με εναιώρημα σκόνης Al2O3 0,05 μm. Οι πλευρές και ο πυθμένας προστατεύονται από αδρανή βαφή. Μετά την ξήρανση, τα δείγματα ξεπλύθηκαν με αποστειρωμένο απιονισμένο νερό και αποστειρώθηκαν με αιθανόλη 75% (v/v) για 0,5 ώρα. Στη συνέχεια ξηράνθηκαν στον αέρα υπό υπεριώδη ακτινοβολία (UV) για 0,5 ώρες πριν από τη χρήση.
Το στέλεχος Pseudomonas aeruginosa MCCC 1A00099 της θαλάσσιας Pseudomonas aeruginosa αγοράστηκε από το Κέντρο Συλλογής Θαλάσσιων Καλλιεργειών Xiamen (MCCC), Κίνα. Η Pseudomonas aeruginosa αναπτύχθηκε αερόβια στους 37°C σε φιάλες των 250 ml και ηλεκτροχημικά γυάλινα κύτταρα των 500 ml χρησιμοποιώντας υγρό μέσο Marine 2216E (Qingdao Hope Biotechnology Co., Ltd., Qingdao, Κίνα). Μέσο (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, 0,016 NaH2PO4. , 5,0 πεπτόνη, 1,0 εκχύλισμα ζύμης και 0,1 κιτρικό σίδηρο. Αποστειρώστε σε αυτόκαυστο στους 121°C για 20 λεπτά πριν από τον ενοφθαλμισμό. Καταμετρήστε τα άμισχα και τα πλαγκτονικά κύτταρα χρησιμοποιώντας αιμοκυτταρόμετρο υπό οπτικό μικροσκόπιο με μεγέθυνση 400X. Η αρχική συγκέντρωση κυττάρων πλαγκτονικού Pseudomonas aeruginosa αμέσως μετά τον ενοφθαλμισμό ήταν περίπου 106 κύτταρα/ml.
Οι ηλεκτροχημικές δοκιμές πραγματοποιήθηκαν σε ένα κλασικό γυάλινο κελί τριών ηλεκτροδίων με μέσο όγκο 500 ml. Ένα φύλλο πλατίνας και ένα κορεσμένο ηλεκτρόδιο καλομέλανος (SCE) συνδέθηκαν στον αντιδραστήρα μέσω τριχοειδών Luggin γεμάτων με γέφυρες άλατος, που χρησίμευαν ως ηλεκτρόδια αντιστάθμισης και αναφοράς, αντίστοιχα. Για την κατασκευή των ηλεκτροδίων εργασίας, ένα σύρμα χαλκού επικαλυμμένο με καουτσούκ προσαρτήθηκε σε κάθε δείγμα και καλύφθηκε με εποξειδική ρητίνη, αφήνοντας περίπου 1 cm2 εκτεθειμένης μονής πλευράς επιφάνειας για το ηλεκτρόδιο εργασίας. Κατά τη διάρκεια των ηλεκτροχημικών μετρήσεων, τα δείγματα τοποθετήθηκαν σε μέσο 2216E και διατηρήθηκαν σε σταθερή θερμοκρασία επώασης (37 °C) σε υδατόλουτρο. Τα δεδομένα OCP, LPR, EIS και δυναμικής πόλωσης μετρήθηκαν χρησιμοποιώντας ένα ποτενσιοστάτη Autolab (Reference 600TM, Gamry Instruments, Inc., USA). Οι δοκιμές LPR καταγράφηκαν με ρυθμό σάρωσης 0,125 mV s-1 στην περιοχή -5 και 5 mV με Eocp και συχνότητα δειγματοληψίας 1 Hz. Η EIS πραγματοποιήθηκε με ημιτονοειδές κύμα στην περιοχή συχνοτήτων 0,01 έως 10.000 Hz χρησιμοποιώντας εφαρμοζόμενη τάση 5 mV σε σταθερή κατάσταση Eocp. Πριν από τη σάρωση δυναμικού, τα ηλεκτρόδια βρίσκονταν σε λειτουργία ανοιχτού κυκλώματος μέχρι να επιτευχθεί μια σταθερή τιμή δυναμικού ελεύθερης διάβρωσης. Στη συνέχεια, οι καμπύλες πόλωσης εκτελέστηκαν από -0,2 έως 1,5 V έναντι Eocp με ρυθμό σάρωσης 0,166 mV/s. Κάθε δοκιμή επαναλήφθηκε 3 φορές με και χωρίς P. aeruginosa.
Τα δείγματα για μεταλλογραφική ανάλυση γυαλίστηκαν μηχανικά με υγρό χαρτί SiC 2000 grit και στη συνέχεια γυαλίστηκαν περαιτέρω με εναιώρημα σκόνης Al2O3 0,05 μm για οπτική παρατήρηση. Η μεταλλογραφική ανάλυση πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας οπτικό μικροσκόπιο. Τα δείγματα χαράχτηκαν με διάλυμα υδροξειδίου του καλίου 10% κ.β. 43.
Μετά την επώαση, τα δείγματα πλύθηκαν 3 φορές με διάλυμα φυσιολογικού ορού με φωσφορικό ρυθμιστικό διάλυμα (PBS) (pH 7,4 ± 0,2) και στη συνέχεια σταθεροποιήθηκαν με 2,5% (v/v) γλουταραλδεΰδη για 10 ώρες για τη σταθεροποίηση των βιοφίλμ. Στη συνέχεια, αφυδατώθηκαν με μια διαβαθμισμένη σειρά (50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95% και 100% v/v) αιθανόλης πριν από την ξήρανση στον αέρα. Τέλος, η επιφάνεια του δείγματος ψεκάζεται με μια χρυσή μεμβράνη για την παροχή αγωγιμότητας για παρατήρηση SEM. Οι εικόνες SEM εστιάστηκαν στις κηλίδες με τα πιο άμισχα κύτταρα P. aeruginosa στην επιφάνεια κάθε δείγματος. Εκτελέστε ανάλυση EDS για να βρείτε χημικά στοιχεία. Χρησιμοποιήθηκε ένα Zeiss Confocal Laser Scanning Microscope (CLSM) (LSM 710, Zeiss, Γερμανία) για τη μέτρηση του βάθους του λάκκου. Για την παρατήρηση των λάκκων διάβρωσης κάτω από το βιοφίλμ, το δοκίμιο καθαρίστηκε πρώτα σύμφωνα με το Εθνικό Κινεζικό Πρότυπο. (CNS) GB/T4334.4-2000 για την αφαίρεση των προϊόντων διάβρωσης και του βιοφίλμ από την επιφάνεια του δοκιμίου.
Η ανάλυση φασματοσκοπίας φωτοηλεκτρονίων ακτίνων Χ (XPS, σύστημα ανάλυσης επιφάνειας ESCALAB250, Thermo VG, ΗΠΑ) πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας μονοχρωματική πηγή ακτίνων Χ (γραμμή αλουμινίου Ka με ενέργεια 1500 eV και ισχύ 150 W) σε ένα ευρύ φάσμα ενέργειας σύνδεσης 0 υπό τυπικές συνθήκες –1350 eV. Καταγράφηκαν φάσματα υψηλής ανάλυσης χρησιμοποιώντας ενέργεια διέλευσης 50 eV και μέγεθος βήματος 0,2 eV.
Τα επωασμένα δείγματα αφαιρέθηκαν και ξεπλύθηκαν απαλά με PBS (pH 7,4 ± 0,2) για 15 δευτερόλεπτα και 45 λεπτά. Για να παρατηρηθεί η βακτηριακή βιωσιμότητα των βιοφίλμ στα δείγματα, τα βιοφίλμ χρωματίστηκαν χρησιμοποιώντας το κιτ βιωσιμότητας βακτηρίων LIVE/DEAD BacLight (Invitrogen, Eugene, OR, ΗΠΑ). Το κιτ έχει δύο φθορίζουσες χρωστικές, μια πράσινη φθορίζουσα χρωστική SYTO-9 και μια κόκκινη φθορίζουσα χρωστική ιωδιούχου προπιδίου (PI). Υπό CLSM, οι κουκκίδες με φθορίζον πράσινο και κόκκινο αντιπροσωπεύουν ζωντανά και νεκρά κύτταρα, αντίστοιχα. Για τη χρώση, ένα μείγμα 1 ml που περιείχε 3 μl διαλύματος SYTO-9 και 3 μl διαλύματος PI επωάστηκε για 20 λεπτά σε θερμοκρασία δωματίου (23 oC) στο σκοτάδι. Στη συνέχεια, τα χρωματισμένα δείγματα παρατηρήθηκαν σε δύο μήκη κύματος (488 nm για ζωντανά κύτταρα και 559 nm για νεκρά κύτταρα) χρησιμοποιώντας μια μηχανή Nikon CLSM (C2 Plus, Nikon, Ιαπωνία). Το πάχος του βιοφίλμ μετρήθηκε σε λειτουργία τρισδιάστατης σάρωσης.
Πώς να αναφέρετε αυτό το άρθρο: Li, H. et al. Μικροβιακή διάβρωση ανοξείδωτου χάλυβα super duplex 2707 από θαλάσσιο Pseudomonas aeruginosa biofilm.science.Rep. 6, 20190; doi: 10.1038/srep20190 (2016).
Zanotto, F., Grassi, V., Balbo, A., Monticelli, C. & Zucchi, F. Ρωγμή λόγω διάβρωσης λόγω τάσης σε ανοξείδωτο χάλυβα διπλής όψης LDX 2101 σε διάλυμα χλωριδίου παρουσία θειοθειικού.coros.science.80, 205–212 (2014).
Kim, ST, Jang, SH, Lee, IS & Park, YS Επίδραση της θερμικής επεξεργασίας διαλύματος και του αζώτου στο αέριο θωράκισης στην αντοχή στη διάβρωση με οπές συγκολλήσεων από ανοξείδωτο χάλυβα super duplex.coros.science.53, 1939–1947 (2011).
Shi, X., Avci, R., Geiser, M. & Lewandowski, Z. Συγκριτική Χημική Μελέτη Μικροβιακής και Ηλεκτροχημικά Προκαλούμενης Διάβρωσης από Βάθος σε Ανοξείδωτο Χάλυβα 316L.coros.science.45, 2577–2595 (2003).
Luo, H., Dong, CF, Li, XG & Xiao, K. Ηλεκτροχημική συμπεριφορά ανοξείδωτου χάλυβα διπλής όψης 2205 σε αλκαλικά διαλύματα διαφορετικού pH παρουσία χλωριδίου. Electrochim.Journal.64, 211–220 (2012).
Little, BJ, Lee, JS & Ray, RI Η επίδραση των θαλάσσιων βιοφίλμ στη διάβρωση: μια συνοπτική ανασκόπηση. Electrochim.Journal.54, 2-7 (2008).