Kiitos käynnistäsi Nature.com-sivustolla. Käyttämäsi selainversio tukee CSS:ää rajoitetusti. Parhaan käyttökokemuksen saavuttamiseksi suosittelemme käyttämään päivitettyä selainta (tai poistamaan yhteensopivuustilan käytöstä Internet Explorerissa). Sillä välin näytämme sivuston ilman tyylejä ja JavaScriptiä jatkuvan tuen varmistamiseksi.
Mikrobikorroosio (MIC) on vakava ongelma monilla teollisuudenaloilla, koska se voi aiheuttaa valtavia taloudellisia tappioita. 2707 super duplex -ruostumatonta terästä (2707 HDSS) on käytetty meriympäristöissä sen erinomaisen kemikaalienkestävyyden vuoksi. Sen MIC-kestävyyttä ei kuitenkaan ole kokeellisesti osoitettu. Tässä tutkimuksessa tutkittiin meriaerobisen bakteerin Pseudomonas aeruginosan aiheuttamaa 2707 HDSS:n MIC-käyttäytymistä. Sähkökemiallinen analyysi osoitti, että Pseudomonas aeruginosa -biofilmin läsnä ollessa 2216E-elatusaineessa korroosiopotentiaalissa tapahtui positiivinen muutos ja korroosiovirran tiheys kasvoi. Röntgenfotoelektronispektroskopia (XPS) -analyysi osoitti Cr-pitoisuuden laskua näytteen pinnalla biofilmin alla. Kuoppien kuvantamisanalyysi osoitti, että P. aeruginosa -biofilmi tuotti enintään 0,69 μm:n kuopan syvyyden 14 päivän inkuboinnin aikana. Vaikka tämä on pieni, se osoittaa, että 2707 HDSS ei ole täysin immuuni P. aeruginosan MIC-arvolle. biofilmit.
Duplex-ruostumattomia teräksiä (DSS) käytetään laajalti eri teollisuudenaloilla niiden erinomaisten mekaanisten ominaisuuksien ja korroosionkestävyyden ihanteellisen yhdistelmän ansiosta1,2. Paikallista pistekorroosiota esiintyy kuitenkin edelleen, ja se vaikuttaa teräksen eheyteen3,4. DSS ei ole kestävä mikrobikorroosiolle (MIC)5,6. Huolimatta DSS:n laajasta käyttöalueesta, on edelleen olemassa ympäristöjä, joissa DSS:n korroosionkestävyys ei ole riittävä pitkäaikaiseen käyttöön. Tämä tarkoittaa, että tarvitaan kalliimpia materiaaleja, joilla on parempi korroosionkestävyys.Jeon ym.7 havaitsivat, että jopa superduplex-ruostumattomilla teräksillä (SDSS) on joitakin rajoituksia korroosionkestävyyden suhteen. Siksi joissakin sovelluksissa tarvitaan superduplex-ruostumattomia teräksiä (HDSS), joilla on parempi korroosionkestävyys. Tämä johti erittäin seostettujen HDSS-terästen kehittämiseen.
DSS:n korroosionkestävyys riippuu alfa- ja gammafaasien suhteesta sekä toisen faasin vieressä olevista Cr-, Mo- ja W-köyhistä alueista 8, 9, 10. HDSS sisältää runsaasti Cr-, Mo- ja N11-pitoisuuksia, joten sillä on erinomainen korroosionkestävyys ja korkea (45–50) pistekorroosionkestävyyden ekvivalenttiluku (PREN), joka määritetään kaavalla painoprosentti Cr + 3,3 (painoprosentti Mo + 0,5 painoprosentti W) + 16 painoprosenttia N12. Sen erinomainen korroosionkestävyys perustuu tasapainoiseen koostumukseen, joka sisältää noin 50 % ferriittiä (α) ja 50 % austeniittia (γ) faaseja. HDSS:llä on paremmat mekaaniset ominaisuudet ja suurempi kestävyys kuin perinteisellä DSS13:lla. Kloridikorroosio-ominaisuudet. Parannettu korroosionkestävyys laajentaa HDSS:n käyttöä syövyttävimmissä kloridiympäristöissä, kuten meriympäristöissä.
MIC-korroosio on merkittävä ongelma monilla teollisuudenaloilla, kuten öljy- ja kaasuteollisuudessa sekä vesilaitoksissa14. MIC aiheuttaa 20 % kaikista korroosiovaurioista15. MIC on bioelektrokemiallista korroosiota, jota voidaan havaita monissa ympäristöissä. Metallipinnoille muodostuvat biofilmit muuttavat sähkökemiallisia olosuhteita ja vaikuttavat siten korroosioprosessiin. Yleisesti uskotaan, että MIC-korroosion aiheuttavat biofilmit. Elektrogeeniset mikro-organismit syövyttävät metalleja saadakseen selviytymiseen tarvittavaa energiaa17. Viimeaikaiset MIC-tutkimukset ovat osoittaneet, että EET (solunulkoinen elektroninsiirto) on nopeutta rajoittava tekijä elektrogeenisten mikro-organismien aiheuttamassa MIC-korroosiossa. Zhang ym.18 osoittivat, että elektronivälittäjät kiihdyttävät elektroninsiirtoa Desulfovibrio sessificans -solujen ja 304-ruostumattoman teräksen välillä, mikä johtaa vakavampaan MIC-hyökkäykseen. Enning ym.19 ja Venzlaff ym.20 osoittivat, että syövyttävien sulfaattia pelkistävien bakteerien (SRB) biofilmit voivat absorboida elektroneja suoraan metallialustoista, mikä johtaa vakavaan pistekorroosioon.
DSS:n tiedetään olevan altis MIC:lle ympäristöissä, jotka sisältävät SRB:tä, rautaa pelkistäviä bakteereja (IRB) jne.21. Nämä bakteerit aiheuttavat paikallista syöpymistä DSS-pinnoille biofilmien alla22,23. Toisin kuin DSS, HDSS:n24 MIC on huonosti tunnettu.
Pseudomonas aeruginosa on gramnegatiivinen liikkuva, sauvamainen bakteeri, joka on levinnyt laajalle luonnossa25. Pseudomonas aeruginosa on myös merkittävä mikrobiryhmä meriympäristössä, ja se aiheuttaa teräkselle MIC-arvoja. Pseudomonas on tiiviisti mukana korroosioprosesseissa ja sen tunnustetaan olevan biofilmin muodostumisen pioneerikolonisaattori. Mahat ym. 28 ja Yuan ym. 29 osoittivat, että Pseudomonas aeruginosalla on taipumus lisätä lievän teräksen ja seosten korroosionopeutta vesipitoisissa ympäristöissä.
Tämän työn päätavoitteena oli tutkia meriaerobisen Pseudomonas aeruginosa -bakteerin aiheuttamaa 2707 HDSS:n MIC-ominaisuuksia sähkökemiallisten menetelmien, pinta-analyysitekniikoiden ja korroosiotuoteanalyysin avulla. 2707 HDSS:n MIC-käyttäytymisen tutkimiseksi suoritettiin sähkökemiallisia tutkimuksia, mukaan lukien avoimen piirin potentiaali (OCP), lineaarinen polarisaatioresistanssi (LPR), sähkökemiallinen impedanssispektroskopia (EIS) ja potentiaalinen dynaaminen polarisaatio. Energiadispersiivinen spektrometri (EDS) -analyysi suoritettiin kemiallisten alkuaineiden löytämiseksi korrodoituneelta pinnalta. Lisäksi röntgenfotoelektronispektroskopiaa (XPS) käytettiin oksidikalvon passivoitumisen stabiilisuuden määrittämiseen Pseudomonas aeruginosa -bakteeria sisältävän meriympäristön vaikutuksen alaisena. Kuopan syvyys mitattiin konfokaalisella laserskannausmikroskoopilla (CLSM).
Taulukossa 1 on lueteltu 2707 HDSS:n kemiallinen koostumus. Taulukko 2 osoittaa, että 2707 HDSS:llä on erinomaiset mekaaniset ominaisuudet ja sen myötölujuus on 650 MPa. Kuva 1 esittää liuoslämpökäsitellyn 2707 HDSS:n optisen mikrorakenteen. Mikrorakenteessa, joka sisältää noin 50 % austeniittia ja 50 % ferriittiä, näkyy austeniitti- ja ferriittifaasien pitkänomaisia ​​​​nauhoja ilman sekundäärisiä faaseja.
Kuva 2a esittää avoimen piirin potentiaalin (Eocp) suhdetta altistusaikaan 2707 HDSS:lle abioottisessa 2216E-elatusaineessa ja P. aeruginosa -liemessä 14 päivän ajan 37 °C:ssa. Se osoittaa, että suurin ja merkittävin Eocp-arvon muutos tapahtuu ensimmäisten 24 tunnin aikana. Molemmissa tapauksissa Eocp-arvot olivat huipussaan -145 mV:ssa (vs. SCE) noin 16 tunnin kohdalla ja laskivat sitten jyrkästi saavuttaen abioottiselle näytteelle -477 mV:n (vs. SCE) ja P:lle -236 mV:n (vs. SCE). Pseudomonas aeruginosa -kuponkeja. 24 tunnin kuluttua P. aeruginosan Eocp-arvo 2707 HDSS oli suhteellisen vakaa -228 mV:ssa (vs. SCE), kun taas vastaava arvo ei-biologisilla näytteillä oli noin -442 mV (vs. SCE). P. aeruginosan läsnä ollessa Eocp oli melko alhainen.
2707 HDSS-näytteen sähkökemiallinen testaus abioottisessa elatusaineessa ja Pseudomonas aeruginosa -liemessä 37 °C:ssa:
(a) Eocp valotusajan funktiona, (b) polarisaatiokäyrät päivänä 14, (c) Rp valotusajan funktiona ja (d) icorr valotusajan funktiona.
Taulukossa 3 luetellaan 2707 HDSS-näytteen sähkökemiallisten korroosioparametrien arvot, jotka altistettiin abioottiselle ja Pseudomonas aeruginosa -inokuloidulle alustalle 14 päivän ajan. Anodisten ja katodisten käyrien tangentit ekstrapoloitiin leikkauspisteiden löytämiseksi, jolloin saatiin korroosiovirrantiheys (icorr), korroosiopotentiaali (Ecorr) ja Tafelin kulmakertoimet (βα ja βc) standardimenetelmien30,31 mukaisesti.
Kuten kuvassa 2b on esitetty, P. aeruginosa -käyrän ylöspäin suuntautuva siirtymä johti Ecorr-arvon kasvuun abioottiseen käyrään verrattuna. icorr-arvo, joka on verrannollinen korroosionopeuteen, nousi Pseudomonas aeruginosa -näytteessä arvoon 0,328 μA cm⁻², mikä on neljä kertaa enemmän kuin ei-biologisessa näytteessä (0,087 μA cm⁻²).
LPR on klassinen ainetta rikkomaton sähkökemiallinen menetelmä nopeaan korroosioanalyysiin. Sitä käytettiin myös MIC32:n tutkimiseen. Kuva 2c esittää polarisaatioresistanssia (Rp) altistusajan funktiona. Korkeampi Rp-arvo tarkoittaa vähemmän korroosiota. Ensimmäisten 24 tunnin aikana 2707 HDSS:n Rp saavutti maksimiarvon 1955 kΩ cm2 abioottisille näytteille ja 1429 kΩ cm2 Pseudomonas aeruginosa -näytteille. Kuva 2c osoittaa myös, että Rp-arvo laski nopeasti yhden päivän jälkeen ja pysyi sitten suhteellisen muuttumattomana seuraavat 13 päivää. Pseudomonas aeruginosa -näytteen Rp-arvo on noin 40 kΩ cm2, mikä on paljon pienempi kuin ei-biologisen näytteen 450 kΩ cm2 -arvo.
icorr-arvo on verrannollinen tasaiseen korroosionopeuteen. Sen arvo voidaan laskea seuraavasta Stern-Geary-yhtälöstä:
Zoun ym. 33 mukaisesti Tafelin kulmakertoimen B tyypilliseksi arvoksi tässä työssä oletettiin 26 mV/des. Kuva 2d osoittaa, että ei-biologisen 2707-näytteen icorr-arvo pysyi suhteellisen vakaana, kun taas P. aeruginosa -näytteen icorr-arvot vaihtelivat suuresti ensimmäisten 24 tunnin jälkeen. P. aeruginosa -näytteiden icorr-arvot olivat suuruusluokkaa korkeammat kuin ei-biologisten kontrollien. Tämä suuntaus on yhdenmukainen polarisaatioresistanssitulosten kanssa.
EIS on toinen rikkomaton tekniikka, jota käytetään karakterisoimaan sähkökemiallisia reaktioita syöpyneillä rajapinnoilla. Abioottisille väliaineille ja Pseudomonas aeruginosa -liuokselle altistettujen näytteiden impedanssispektrit ja lasketut kapasitanssiarvot, näytteen pinnalle muodostuneen passiivikalvon/biofilmin Rb-resistanssi, Rct-varauksensiirtoresistanssi, Cdl-sähköinen kaksoiskerroskapasitanssi (EDL) ja QCPE-vakiofaasielementti (CPE). Näitä parametreja analysoitiin edelleen sovittamalla tiedot käyttämällä ekvivalenttipiirimallia (EEC).
Kuva 3 esittää tyypillisiä Nyquist-kuvaajia (a ja b) ja Bode-kuvaajia (a' ja b') 2707 HDSS-näytteestä abioottisessa elatusaineessa ja P. aeruginosa -liemessä eri inkubaatioajoilla. Nyquist-renkaan halkaisija pienenee Pseudomonas aeruginosan läsnä ollessa. Bode-kuvaaja (kuva 3b') osoittaa kokonaisimpedanssin suuruuden kasvua. Tietoa relaksaatioaikavakiosta voidaan saada vaihemaksimeista. Kuva 4 esittää yksikerrokseen (a) ja kaksikerrokseen (b) perustuvat fyysiset rakenteet ja niitä vastaavat sähköä eristävät elementit (EEC). CPE sisällytetään EEC-malliin. Sen admittanssi ja impedanssi ilmaistaan ​​seuraavasti:
Kaksi fyysistä mallia ja vastaavat vastinpiirit 2707 HDSS -näytteen impedanssispektrin sovittamiseksi:
jossa Y0 on CPE:n suuruus, j on imaginääriluku eli (-1)1/2, ω on kulmataajuus ja n on CPE:n tehoindeksi, joka on pienempi kuin yksi35. Varauksensiirtoresistanssin käänteisluku (eli 1/Rct) vastaa korroosionopeutta. Pienempi Rct tarkoittaa nopeampaa korroosionopeutta27. 14 päivän inkuboinnin jälkeen Pseudomonas aeruginosa -näytteiden Rct saavutti 32 kΩ cm2, mikä on paljon pienempi kuin ei-biologisten näytteiden 489 kΩ cm2 (taulukko 4).
Kuvassa 5 olevat CLSM- ja SEM-kuvat osoittavat selvästi, että 2707 HDSS -näytteen pinnalla oleva biofilmin paksuus on tiheä 7 päivän kuluttua. 14 päivän kuluttua biofilmin peitto oli kuitenkin harva ja joitakin kuolleita soluja ilmestyi. Taulukko 5 esittää 2707 HDSS -näytteiden biofilmin paksuuden P. aeruginosa -altistuksen jälkeen 7 ja 14 päivän ajan. Biofilmin enimmäispaksuus muuttui 23,4 μm:stä 7 päivän kuluttua 18,9 μm:iin 14 päivän kuluttua. Myös biofilmin keskimääräinen paksuus vahvisti tämän trendin. Se laski 22,2 ± 0,7 μm:stä 7 päivän kuluttua 17,8 ± 1,0 μm:iin 14 päivän kuluttua.
(a) 3D CLSM-kuva 7 päivän kuluttua, (b) 3D CLSM-kuva 14 päivän kuluttua, (c) SEM-kuva 7 päivän kuluttua ja (d) SEM-kuva 14 päivän kuluttua.
EDS paljasti kemiallisia alkuaineita biofilmeissä ja korroosiotuotteissa näytteissä, jotka altistettiin P. aeruginosalle 14 päivän ajan. Kuva 6 osoittaa, että biofilmien ja korroosiotuotteiden hiili-, typpi-, happi- ja fosforipitoisuudet ovat paljon korkeammat kuin paljaiden metallien, koska nämä alkuaineet liittyvät biofilmeihin ja niiden metaboliitteihin. Mikrobit tarvitsevat vain pieniä määriä kromia ja rautaa. Korkeat Cr- ja Fe-pitoisuudet biofilmissä ja näytteiden pinnalla olevissa korroosiotuotteissa osoittavat, että metallimatriisi on menettänyt alkuaineita korroosion vuoksi.
14 päivän kuluttua 2216E-elatusaineessa havaittiin syöpymistä P. aeruginosan kanssa ja ilman sitä. Ennen inkubointia näytteen pinta oli sileä ja virheetön (kuva 7a). Inkuboinnin ja biofilmin sekä korroosiotuotteiden poistamisen jälkeen näytteiden pinnan syvimmät syöpymät tutkittiin CLSM:llä, kuten kuvissa 7b ja c on esitetty. Ei-biologisten kontrollinäytteiden pinnalla ei havaittu selviä syöpymiä (suurin syöpymissyvyys 0,02 μm). Pseudomonas aeruginosan aiheuttama suurin syöpymissyvyys oli 0,52 μm 7 päivän kuluttua ja 0,69 μm 14 päivän kuluttua, kun kolmen näytteen keskimääräinen suurin syöpymissyvyys (jokaiselle näytteelle valittiin 10 suurinta syöpymissyvyysarvoa) oli 0,42 ± 0,12 μm ja 0,52 ± 0,15 μm (taulukko 5). Nämä syöpymissyvyysarvot ovat pieniä, mutta tärkeitä.
(a) Ennen altistusta, (b) 14 päivää abioottisessa elatusaineessa ja (c) 14 päivää Pseudomonas aeruginosa -liemessä.
Kuvassa 8 on esitetty eri näytepintojen XPS-spektrit, ja kullekin pinnalle analysoidut kemialliset koostumukset on esitetty yhteenvetona taulukossa 6. Taulukossa 6 Fe:n ja Cr:n atomiprosenttiosuudet P. aeruginosan läsnä ollessa (näytteet A ja B) olivat paljon alhaisemmat kuin ei-biologisten kontrollinäytteiden (näytteet C ja D). P. aeruginosa -näytteelle Cr 2p:n ydintason spektrikäyrä sovitettiin neljään piikkikomponenttiin, joiden sitoutumisenergian (BE) arvot olivat 574,4, 576,6, 578,3 ja 586,8 eV, jotka voidaan katsoa johtuvan Cr:stä, Cr2O3:sta, CrO3:sta ja Cr(OH)3:sta (kuva 9a ja b). Ei-biologisille näytteille Cr 2p:n ydintason spektri sisältää kaksi pääpiikkiä: Cr:lle (573,80 eV BE:lle) ja Cr2O3:lle (575,90 eV BE:lle) kuvassa 9c ja d. Merkittävin ero abioottisen ja P. aeruginosa -näytteissä havaittiin Cr6+:n läsnäolo ja suurempi suhteellinen Cr(OH)3:n osuus (BE 586,8 eV) biofilmin alla.
2707 HDSS -näytteen pinnan laajat XPS-spektrit kahdessa väliaineessa ovat vastaavasti 7 ja 14 päivää.
(a) 7 päivää altistusta P. aeruginosa -bakteerille, (b) 14 päivää altistusta P. aeruginosa -bakteerille, (c) 7 päivää abioottisessa kasvualustassa ja (d) 14 päivää abioottisessa kasvualustassa.
HDSS:llä on korkea korroosionkestävyys useimmissa ympäristöissä. Kim ym. 2 raportoivat, että UNS S32707 HDSS määriteltiin erittäin seosteiseksi DSS:ksi, jonka PREN-arvo on yli 45. Tässä työssä 2707 HDSS -näytteen PREN-arvo oli 49. Tämä johtuu sen korkeasta kromipitoisuudesta sekä korkeista molybdeeni- ja nikkelipitoisuuksista, jotka ovat hyödyllisiä happamissa ja runsaskloridisissa ympäristöissä. Lisäksi tasapainoinen koostumus ja virheetön mikrorakenne ovat hyödyllisiä rakenteellisen vakauden ja korroosionkestävyyden kannalta. Erinomaisesta kemikaalienkestävyydestään huolimatta tämän työn kokeelliset tiedot viittaavat kuitenkin siihen, että 2707 HDSS ei ole täysin immuuni P. aeruginosa -biofilmien MIC-arvolle.
Sähkökemialliset tulokset osoittivat, että 2707 HDSS:n korroosionopeus P. aeruginosa -liemessä oli merkittävästi noussut 14 päivän kuluttua verrattuna ei-biologiseen väliaineeseen. Kuvassa 2a havaittiin Eocp:n väheneminen sekä abioottisessa väliaineessa että P. aeruginosa -liemessä ensimmäisten 24 tunnin aikana. Tämän jälkeen biofilmi on peittänyt näytteen pinnan kokonaan ja Eocp:stä tulee suhteellisen vakaa36. Biologisen Eocp:n taso oli kuitenkin paljon korkeampi kuin ei-biologisen Eocp:n. On syytä uskoa, että tämä ero johtuu P. aeruginosan biofilmin muodostumisesta. Kuvassa 2d P. aeruginosan läsnä ollessa 2707 HDSS:n icorr-arvo saavutti 0,627 μA cm-2, mikä oli suuruusluokkaa korkeampi kuin abioottisen kontrollin (0,063 μA cm-2) ja oli yhdenmukainen EIS:llä mitatun Rct-arvon kanssa. Muutaman ensimmäisen päivän aikana P.:n impedanssiarvot... aeruginosa -liemessä lisääntyi P. aeruginosa -solujen kiinnittymisen ja biofilmien muodostumisen vuoksi. Kuitenkin, kun biofilm peittää näytteen pinnan kokonaan, impedanssi pienenee. Suojakerrokseen kohdistuu ensin hyökkäys biofilmien ja biofilmin metaboliittien muodostumisen vuoksi. Siksi korroosionkestävyys heikkeni ajan myötä, ja P. aeruginosan kiinnittyminen aiheutti paikallista korroosiota. Abioottisissa kasvualustoissa trendit olivat erilaiset. Ei-biologisen kontrollin korroosionkestävyys oli paljon korkeampi kuin P. aeruginosa -liemelle altistettujen näytteiden vastaava arvo. Lisäksi abioottisissa näytteissä 2707 HDSS:n Rct-arvo oli 489 kΩ cm2 päivänä 14, mikä oli 15 kertaa suurempi kuin Rct-arvo (32 kΩ cm2) P. aeruginosan läsnä ollessa. Siksi 2707 HDSS:llä on erinomainen korroosionkestävyys steriilissä ympäristössä, mutta se ei ole vastustuskykyinen P. aeruginosa -biofilmien MIC-hyökkäykselle.
Nämä tulokset voidaan havaita myös kuvan 2b polarisaatiokäyristä. Anodinen haarautuminen johtui Pseudomonas aeruginosan biofilmin muodostumisesta ja metallin hapettumisreaktioista. Samaan aikaan katodinen reaktio on hapen pelkistyminen. P. aeruginosan läsnäolo lisäsi huomattavasti korroosiovirrantiheyttä, noin kertaluokkaa korkeammalle kuin abioottisella kontrollilla. Tämä osoittaa, että P. aeruginosan biofilm lisää 2707 HDSS:n paikallista korroosiota. Yuan ym.29 havaitsivat, että 70/30 Cu-Ni-seoksen korroosiovirrantiheys kasvoi P. aeruginosan biofilmin altistamisen aikana. Tämä voi johtua Pseudomonas aeruginosan biofilmien hapenpelkistyksen biokatalyysistä. Tämä havainto voi myös selittää 2707 HDSS:n MIC-arvon tässä työssä. Aerobisissa biofilmeissä voi myös olla vähemmän happea alla. Siksi metallipinnan uudelleenpassivoinnin epäonnistuminen hapella voi olla osasyynä MIC-arvoon tässä työssä.
Dickinson ym. 38 ehdottivat, että kemiallisten ja sähkökemiallisten reaktioiden nopeuteen voivat vaikuttaa suoraan näytteen pinnalla olevien kiinnittyneiden bakteerien metabolinen aktiivisuus ja korroosiotuotteiden luonne. Kuten kuvassa 5 ja taulukossa 5 on esitetty, sekä solujen lukumäärä että biofilmin paksuus vähenivät 14 päivän kuluttua. Tämän voidaan kohtuullisesti selittää sillä, että 14 päivän kuluttua suurin osa 2707 HDSS:n pinnalla olevista kiinnittyneistä soluista kuoli ravinteiden ehtymisen vuoksi 2216E-elatusaineessa tai myrkyllisten metalli-ionien vapautumisen vuoksi 2707 HDSS-matriisista. Tämä on eräkokeiden rajoitus.
Tässä työssä P. aeruginosa -biofilmi edisti Cr:n ja Fe:n paikallista vähenemistä biofilmin alla 2707 HDSS -pinnalla (kuva 6). Taulukossa 6 on esitetty Fe:n ja Cr:n väheneminen näytteessä D verrattuna näytteeseen C, mikä osoittaa, että P. aeruginosa -biofilmin aiheuttama liuennut Fe ja Cr säilyivät yli 7 päivän. 2216E-elatusainetta käytetään meriympäristöjen simulointiin. Se sisältää 17700 ppm Cl⁻:a, joka on verrattavissa luonnollisessa merivedessä olevaan pitoisuuteen. 17700 ppm Cl⁻:n läsnäolo oli tärkein syy Cr:n vähenemiseen 7 ja 14 päivän abioottisissa näytteissä, jotka analysoitiin XPS:llä. Verrattuna P. aeruginosa -näytteisiin Cr:n liukeneminen abioottisiin näytteisiin oli paljon vähäisempää johtuen 2707 HDSS:n voimakkaasta Cl⁻-resistenssistä abioottisissa ympäristöissä. Kuva 9 osoittaa Cr6+:n läsnäolon passivointikalvossa. Se voi olla osallisena Cr:n poistamisessa teräspinnoilta P. aeruginosa -biofilmien avulla. kuten Chen ja Clayton ehdottivat.
Bakteerikasvun vuoksi kasvatusalustan pH-arvot ennen viljelyä ja sen jälkeen olivat vastaavasti 7,4 ja 8,2. Siksi P. aeruginosan biofilmin alapuolella orgaanisen hapon aiheuttama korroosio ei todennäköisesti ole osasyynä tähän työhön, koska kasvatusalustassa on suhteellisen korkea pH. Ei-biologisen kontrollialustan pH ei muuttunut merkittävästi (alkuperäisestä 7,4:stä lopulliseen 7,5:een) 14 päivän testijakson aikana. Inokulaatioalustan pH-arvon nousu inkuboinnin jälkeen johtui P. aeruginosan metabolisesta aktiivisuudesta, ja sen havaittiin vaikuttavan pH-arvoon samalla tavalla ilman testiliuskoja.
Kuten kuvassa 7 on esitetty, P. aeruginosan biofilmin aiheuttama suurin kuopan syvyys oli 0,69 μm, mikä oli paljon suurempi kuin abioottisen väliaineen (0,02 μm). Tämä on yhdenmukaista edellä kuvattujen sähkökemiallisten tietojen kanssa. 0,69 μm:n kuopan syvyys on yli kymmenen kertaa pienempi kuin 2205 DSS:lle samoissa olosuhteissa raportoitu 9,5 μm:n arvo. Nämä tiedot osoittavat, että 2707 HDSS:llä on parempi MIC-kestävyys verrattuna 2205 DSS:ään. Tämän ei pitäisi olla yllätys, sillä 2707 HDSS:llä on korkeampi kromipitoisuus, mikä tarjoaa pidempikestoista passivoitumista tasapainoisen faasirakenteen ansiosta ilman haitallisia sekundäärisiä saostumia, mikä vaikeuttaa P. aeruginosan depassivointia ja aloituspisteiden pimentymistä.
Yhteenvetona voidaan todeta, että MIC-pisteytystä havaittiin 2707 HDSS:n pinnalla P. aeruginosa -liemessä verrattuna merkityksettömään pisteytykseen abioottisissa kasvualustoissa. Tämä työ osoittaa, että 2707 HDSS:llä on parempi MIC-kestävyys kuin 2205 DSS:llä, mutta se ei ole täysin immuuni MIC:lle P. aeruginosa -biofilmin vuoksi. Nämä havainnot auttavat sopivien ruostumattomien terästen valinnassa ja niiden käyttöiän arvioinnissa meriympäristössä.
2707 HDSS -kuponki on toimittanut Northeastern Universityn (NEU) metallurgian laitos Shenyangissa, Kiinassa. Taulukossa 1 on esitetty 2707 HDSS:n alkuainekoostumus, jonka NEU:n materiaalianalyysi- ja testausosasto analysoi. Kaikki näytteet liuoskäsiteltiin 1180 °C:ssa yhden tunnin ajan. Ennen korroosiotestausta kolikonmuotoinen 2707 HDSS, jonka yläosan näkyvä pinta-ala oli 1 cm2, kiillotettiin 2000 karkeuteen piikarbidipaperilla ja edelleen 0,05 μm:n Al2O3-jauhesuspensiolla. Sivut ja pohja on suojattu inertillä maalilla. Kuivauksen jälkeen näytteet huuhdeltiin steriilillä deionisoidulla vedellä ja steriloitiin 75-prosenttisella (v/v) etanolilla 0,5 tuntia. Sen jälkeen ne kuivattiin ilmassa ultraviolettivalossa (UV) 0,5 tuntia ennen käyttöä.
Meribakteerin Pseudomonas aeruginosa MCCC 1A00099 -kanta hankittiin Xiamen Marine Culture Collection Centeristä (MCCC), Kiinasta. Pseudomonas aeruginosaa kasvatettiin aerobisesti 37 °C:ssa 250 ml:n pulloissa ja 500 ml:n sähkökemiallisissa lasikennoissa käyttäen Marine 2216E -nestemäistä kasvatusalustaa (Qingdao Hope Biotechnology Co., Ltd., Qingdao, Kiina). Kasvualusta (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 peptoni, 1,0 hiivauute ja 0,1 rauta(III)sitraatti. Autoklavoita 121 °C:ssa 20 minuuttia ennen inokulaatiota. Laske istumattomat ja planktoniset solut hemosytometrillä valomikroskoopilla 400-kertaisella suurennuksella. Planktonisen Pseudomonas aeruginosan alkusolupitoisuus heti inokulaation jälkeen oli noin 106 solua/ml.
Sähkökemialliset testit suoritettiin klassisessa kolmielektrodisessa lasikammiossa, jonka tilavuus oli 500 ml. Platinalevy ja kylläinen kalomelielektrodi (SCE) liitettiin reaktoriin suolasiltoja sisältävien Luggin-kapillaarien kautta, jotka toimivat vastaavasti vasta- ja vertailuelektrodeina. Työelektrodien valmistamiseksi jokaiseen näytteeseen kiinnitettiin kumipäällysteinen kuparilanka, joka päällystettiin epoksilla, jolloin työelektrodille jäi noin 1 cm2 paljaalle yksipuoliselle pinta-alalle. Sähkökemiallisten mittausten aikana näytteet asetettiin 2216E-väliaineeseen ja pidettiin vakiona inkubointilämpötilassa (37 °C) vesihauteessa. OCP-, LPR-, EIS- ja potentiaalidynaamisen polarisaation tiedot mitattiin Autolab-potentiostaatilla (Reference 600TM, Gamry Instruments, Inc., USA). LPR-testit tallennettiin 0,125 mV s-1:n skannausnopeudella alueella -5 ja 5 mV Eocp:llä ja 1 Hz:n näytteenottotaajuudella. EIS suoritettiin siniaallolla taajuusalueella 0,01–5 mV. 10 000 Hz käyttäen 5 mV:n jännitettä vakiotilassa Eocp. Ennen potentiaalipyyhkäisyä elektrodit olivat avoimen piirin tilassa, kunnes saavutettiin vakaa vapaan korroosion potentiaalin arvo. Polarisaatiokäyrät ajettiin sitten välillä -0,2 - 1,5 V Eocp:tä vastaan ​​skannausnopeudella 0,166 mV/s. Jokainen testi toistettiin kolme kertaa P. aeruginosan kanssa ja ilman sitä.
Metallografista analyysia varten näytteet kiillotettiin mekaanisesti 2000 karkeuden kostealla piikarbidipaperilla ja sitten edelleen 0,05 μm:n Al2O3-jauhesuspensiolla optista havainnointia varten. Metallografinen analyysi suoritettiin optisella mikroskoopilla. Näytteet etsattiin 10 painoprosenttisella kaliumhydroksidiliuoksella 43.
Inkuboinnin jälkeen näytteet pestiin kolme kertaa fosfaattipuskuroidulla suolaliuoksella (PBS) (pH 7,4 ± 0,2) ja fiksoitiin sitten 2,5-prosenttisella (v/v) glutaraldehydillä 10 tunnin ajan biofilmien kiinnittämiseksi. Sen jälkeen näytteet dehydratoitiin porrastetulla etanolisarjalla (50 %, 60 %, 70 %, 80 %, 90 %, 95 % ja 100 % v/v) ennen ilmakuivausta. Lopuksi näytteen pinta ruiskutetaan kultakalvolla SEM-havaintojen johtavuuden parantamiseksi. SEM-kuvat tarkennettiin kunkin näytteen pinnalla oleviin pisteisiin, joissa oli eniten paikallaan pysyviä P. aeruginosa -soluja. Suoritettiin EDS-analyysi kemiallisten alkuaineiden löytämiseksi. Kuopan syvyys mitattiin Zeissin konfokaalilaserskannausmikroskoopilla (CLSM) (LSM 710, Zeiss, Saksa). Biofilmin alla olevien korroosiokohojen havaitsemiseksi koekappale puhdistettiin ensin Kiinan kansallisen standardin (CNS) mukaisesti. GB/T4334.4-2000 korroosiotuotteiden ja biofilmin poistamiseksi testikappaleen pinnalta.
Röntgenfotoelektronispektroskopia (XPS, ESCALAB250 -pinta-analyysijärjestelmä, Thermo VG, USA) suoritettiin käyttämällä monokromaattista röntgenlähdettä (alumiini Kα-linja 1500 eV:n energialla ja 150 W:n teholla) laajalla sitoutumisenergia-alueella 0 standardiolosuhteissa –1350 eV. Korkean resoluution spektrit tallennettiin käyttämällä 50 eV:n läpäisyenergiaa ja 0,2 eV:n askelkokoa.
Inkuboidut näytteet poistettiin ja huuhdeltiin varovasti PBS:llä (pH 7,4 ± 0,2) 15 sekunnin ajan. Näytteiden biofilmien bakteerien elinkykyisyyden havaitsemiseksi biofilmit värjättiin LIVE/DEAD BacLight Bacterial Viability Kit -pakkauksella (Invitrogen, Eugene, OR, USA). Pakkauksessa on kaksi fluoresoivaa väriainetta, vihreä fluoresoiva SYTO-9-väriaine ja punainen fluoresoiva propidiumjodidi (PI) -väriaine. CLSM-värjäyksessä vihreät ja punaiset fluoresoivat pisteet edustavat eläviä ja kuolleita soluja. Värjäystä varten 1 ml seosta, joka sisälsi 3 μl SYTO-9- ja 3 μl PI-liuosta, inkuboitiin 20 minuuttia huoneenlämmössä (23 °C) pimeässä. Sen jälkeen värjäytyneitä näytteitä tarkasteltiin kahdella aallonpituudella (488 nm eläville soluille ja 559 nm kuolleille soluille) käyttämällä Nikon CLSM -laitetta (C2 Plus, Nikon, Japani). Biofilmin paksuus mitattiin 3D-skannaustilassa.
Artikkelin viittausohjeet: Li, H. et al. Meribakteerin Pseudomonas aeruginosa biofilmin aiheuttama 2707 super duplex -ruostumattoman teräksen mikrobikorroosio. science.Rep. 6, 20190; doi: 10.1038/srep20190 (2016).
Zanotto, F., Grassi, V., Balbo, A., Monticelli, C. & Zucchi, F. LDX 2101 duplex -ruostumattoman teräksen jännityskorroosiohalkeilu kloridiliuoksessa tiosulfaatin läsnä ollessa. coros.science.80, 205–212 (2014).
Kim, ST, Jang, SH, Lee, IS & Park, YS Liuoslämpökäsittelyn ja suojakaasun typen vaikutus superduplex-ruostumattomasta teräksestä valmistettujen hitsien pistekorroosionkestävyyteen. coros.science.53, 1939–1947 (2011).
Shi, X., Avci, R., Geiser, M. & Lewandowski, Z. Mikrobien ja sähkökemiallisesti indusoidun pistekorroosion vertaileva kemiallinen tutkimus 316L-ruostumattomassa teräksessä. coros.science.45, 2577–2595 (2003).
Luo, H., Dong, CF, Li, XG & Xiao, K. 2205 duplex -ruostumattoman teräksen sähkökemiallinen käyttäytyminen eri pH-arvoissa olevissa emäksisissä liuoksissa kloridin läsnä ollessa. Electrochim.Journal.64, 211–220 (2012).
Little, BJ, Lee, JS & Ray, RI Meribiofilmien vaikutus korroosioon: tiivis katsaus. Electrochim.Journal.54, 2-7 (2008).