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 tuen jatkuvuuden varmistamiseksi renderöimme sivuston ilman tyylejä ja JavaScriptiä.
Mikrobikorroosio (MIC) on vakava ongelma monilla teollisuudenaloilla, sillä se voi johtaa valtaviin taloudellisiin tappioihin. Superduplex-ruostumatonta terästä 2707 (2707 HDSS) käytetään meriympäristöissä sen erinomaisen kemikaalienkestävyyden vuoksi. Sen kestävyyttä MIC:lle ei kuitenkaan ole osoitettu kokeellisesti. Tässä tutkimuksessa tarkasteltiin meri-aerobisen bakteerin Pseudomonas aeruginosan aiheuttaman MIC 2707 HDSS:n käyttäytymistä. Sähkökemiallinen analyysi osoitti, että Pseudomonas aeruginosa -biofilmin läsnä ollessa 2216E-elatusaineessa tapahtui positiivinen muutos korroosiopotentiaalissa ja korroosiovirrantiheys kasvoi. Röntgenfotoelektronispektroskopian (XPS) analyysi osoitti Cr-pitoisuuden laskua näytteen pinnalla biofilmin alla. Kuoppien visuaalinen analyysi 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. aeruginosa -biofilmien MIC-arvolle.
Duplex-teräksiä (DSS) käytetään laajalti eri teollisuudenaloilla niiden erinomaisten mekaanisten ominaisuuksien ja korroosionkestävyyden täydellisen 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 ympäristöjä, joissa DSS:n korroosionkestävyys ei ole riittävä pitkäaikaiseen käyttöön. Tämä tarkoittaa, että tarvitaan kalliimpia, korroosionkestäviä materiaaleja. Jeon ym.7 havaitsivat, että jopa superduplex-teräksillä (SDSS) on joitakin rajoituksia korroosionkestävyyden suhteen. Siksi joissakin tapauksissa tarvitaan superduplex-teräksiä (HDSS), joilla on korkeampi korroosionkestävyys. Tämä johti erittäin seostettujen HDSS-terästen kehittämiseen.
DSS:n korroosionkestävyys riippuu alfa- ja gammafaasien suhteesta ja siinä on köyhdytetty Cr-, Mo- ja W-alueita 8, 9, 10 toisen faasin vieressä. HDSS sisältää runsaasti Cr-, Mo- ja N11-pitoisuuksia, joten sillä on erinomainen korroosionkestävyys ja korkea (45–50) vastaava pistekorroosionkestävyysluku (PREN), joka määritetään kaavalla painoprosentti Cr + 3,3 (painoprosentti Mo + 0,5 painoprosentti W) + 16 painoprosenttia N12. Sen erinomainen korroosionkestävyys riippuu tasapainoisesta koostumuksesta, joka sisältää noin 50 % ferriittistä (α) ja 50 % austeniittista (γ) faaseja. HDSS:llä on paremmat mekaaniset ominaisuudet ja parempi kloridikorroosionkestävyys. Parannettu korroosionkestävyys laajentaa HDSS:n käyttöä aggressiivisemmissa kloridiympäristöissä, kuten meriympäristöissä.
MIC-korroosiotekijät (MIC) ovat merkittävä ongelma monilla teollisuudenaloilla, kuten öljy- ja kaasu- sekä vesiteollisuudessa14. MIC aiheuttaa 20 % kaikista korroosiovaurioista15. MIC on biosähkökemiallinen korroosio, 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 syövät metalleja saadakseen selviytymiseen tarvittavan energian17. 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 elektronien siirtoa Desulfovibrio sessificans -solujen ja 304-ruostumattoman teräksen välillä, mikä johtaa vakavampaan MIC-hyökkäykseen. Anning ym.19 ja Wenzlaff ym.20 ovat osoittaneet, että syövyttävien sulfaattia pelkistävien bakteerien (SRB) biofilmit voivat absorboida elektroneja suoraan metallialustoista, mikä johtaa vakavaan pistekorroosioon.
DSS:n tiedetään olevan herkkä MIC:lle SRB:itä, rautaa pelkistäviä bakteereja (IRB) jne. sisältävissä elatusaineissa.21 Nämä bakteerit aiheuttavat paikallista syöpymistä DSS:n pinnalle biofilmien alla22,23. Toisin kuin DSS:n, HDSS24:n MIC-arvoa ei tunneta hyvin.
Pseudomonas aeruginosa on gramnegatiivinen, liikkuva, sauvanmuotoinen bakteeri, joka on levinnyt laajalle luonnossa25. Pseudomonas aeruginosa on myös merkittävä mikrobiryhmä meriympäristössä, ja se aiheuttaa kohonneita MIC-pitoisuuksia. Pseudomonas osallistuu aktiivisesti korroosioprosessiin ja sen tiedetään olevan biofilmin muodostumisen pioneerikolonisaattori. Mahat ym. 28 ja Yuan ym. 29 osoittivat, että Pseudomonas aeruginosa lisää usein pehmeän teräksen ja seosten korroosionopeutta vesiympäristöissä.
Tämän työn päätavoitteena oli tutkia meriaerobisen Pseudomonas aeruginosa -bakteerin aiheuttaman MIC 2707 HDSS:n ominaisuuksia sähkökemiallisten menetelmien, pinta-analyysimenetelmien ja korroosiotuoteanalyysin avulla. MIC 2707 HDSS:n käyttäytymisen tutkimiseksi suoritettiin sähkökemiallisia tutkimuksia, mukaan lukien avoimen piirin potentiaali (OCP), lineaarinen polarisaatioresistanssi (LPR), sähkökemiallinen impedanssispektroskopia (EIS) ja potentiaalinen dynaaminen polarisaatio. Energiadispersiivinen spektrometrinen analyysi (EDS) suoritettiin kemiallisten alkuaineiden havaitsemiseksi syöpyneellä pinnalla. Lisäksi röntgenfotoelektronispektroskopiaa (XPS) käytettiin oksidikalvon passivoitumisen stabiilisuuden määrittämiseen Pseudomonas aeruginosa -bakteeria sisältävän meriympäristön vaikutuksen alaisena. Kuoppien syvyys mitattiin konfokaalisella laserskannausmikroskoopilla (CLSM).
Taulukko 1 esittää 2707 HDSS:n kemiallisen koostumuksen. Taulukko 2 osoittaa, että 2707 HDSS:llä on erinomaiset mekaaniset ominaisuudet ja sen myötölujuus on 650 MPa. Kuva 1 esittää liuoslämpökäsitellyn 2707 HDSS:n optista mikrorakennetta. Noin 50 % austeniittia ja 50 % ferriittiä sisältävässä mikrorakenteessa näkyy pitkänomaisia ​​austeniitti- ja ferriittifaasien juovia ilman sekundäärifaaseja.
Kuvassa 2a on esitetty avoimen piirin potentiaali (Eocp) altistusajan funktiona 2707 HDSS:lle 2216E abioottisessa kasvatusalustassa ja P. aeruginosa -liemessä 14 päivän ajan 37 °C:ssa. Se osoittaa, että suurin ja merkittävin Eocp:n muutos tapahtuu ensimmäisten 24 tunnin aikana. Molemmissa tapauksissa Eocp-arvot saavuttivat huippunsa -145 mV:ssa (verrattuna SCE:hen) noin 16 tunnin kohdalla ja laskivat sitten jyrkästi saavuttaen -477 mV:n (verrattuna SCE:hen) ja -236 mV:n (verrattuna SCE:hen) abioottiselle näytteelle ja P. Pseudomonas aeruginosa -näytteille. 24 tunnin kuluttua P. aeruginosan Eocp 2707 HDSS -arvo oli suhteellisen vakaa -228 mV:ssa (verrattuna SCE:hen), kun taas vastaava arvo ei-biologisille näytteille oli noin -442 mV (verrattuna SCE:hen). Eocp oli P. aeruginosan läsnä ollessa melko alhainen.
2707 HDSS-näytteen sähkökemiallinen tutkimus 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 esitetään 2707 HDSS-näytteen sähkökemialliset korroosioparametrit, jotka altistettiin abioottisille ja Pseudomonas aeruginosa -inokuloiduille elatusaineille 14 päivän ajan. Anodi- ja katodikäyrien tangentit ekstrapoloitiin leikkauspisteiden saamiseksi, jotka antoivat korroosiovirrantiheyden (icorr), korroosiopotentiaalin (Ecorr) ja Tafelin kulmakertoimen (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 suurempi kuin ei-biologisessa näytteessä (0,087 µA cm⁻²).
LPR on klassinen ainetta rikkomaton sähkökemiallinen menetelmä nopeaan korroosioanalyysiin. Sitä on käytetty myös MIC32:n tutkimiseen. Kuvassa 2c on esitetty polarisaatioresistanssi (Rp) altistusajan funktiona. Korkeampi Rp-arvo tarkoittaa vähemmän korroosiota. Ensimmäisten 24 tunnin aikana Rp 2707 HDSS saavutti huippunsa arvossa 1955 kΩ cm2 abioottisilla näytteillä ja 1429 kΩ cm2 Pseudomonas aeruginosa -näytteillä. Kuva 2c osoittaa myös, että Rp-arvo laski nopeasti yhden päivän kuluttua ja pysyi sitten suhteellisen muuttumattomana seuraavien 13 päivän ajan. 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-Giri-yhtälöstä:
Zoen ym. 33 mukaan Tafelin kulmakertoimen B tyypilliseksi arvoksi tässä työssä otettiin 26 mV/des. Kuva 2d osoittaa, että ei-biologisen näytteen 2707 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 polarisaatioresistanssin tulosten kanssa.
EIS on toinen rikkomaton menetelmä, jota käytetään syöpyneillä pinnoilla tapahtuvien sähkökemiallisten reaktioiden karakterisointiin. Abioottiselle ympäristölle ja Pseudomonas aeruginosa -liuokselle altistettujen näytteiden impedanssispektrit ja lasketut kapasitanssiarvot, näytteen pinnalle muodostuneen passiivikalvon/biofilmin resistanssi Rb, varauksensiirtoresistanssi Rct, sähköinen kaksoiskerroskapasitanssi Cdl (EDL) ja vakiot QCPE-vaiheelementtiparametrit (CPE). Näitä parametreja analysoitiin edelleen sovittamalla tiedot käyttämällä ekvivalenttipiirimallia (EEC).
Kuvassa 3 on esitetty tyypillisiä Nyquist-kuvaajia (a ja b) ja Bode-kuvaajia (a' ja b') 2707 HDSS-näytteelle abioottisissa kasvualustoissa ja P. aeruginosa -liemessä eri inkubointiajoilla. Nyquist-renkaan halkaisija pienenee Pseudomonas aeruginosan läsnä ollessa. Bode-kuvaaja (kuva 3b') osoittaa kokonaisimpedanssin kasvun. Tietoa relaksaatioaikavakiosta voidaan saada vaihemaksimeista. Kuvassa 4 on esitetty fysikaaliset rakenteet, jotka perustuvat yksikerrokseen (a) ja kaksikerrokseen (b) sekä vastaaviin sähköekvivalensseihin (EEC). CPE on sisällytetty EEC-malliin. Sen admittanssi ja impedanssi ilmaistaan ​​seuraavasti:
Kaksi fyysistä mallia ja vastaavat vastinpiirit näytteen 2707 HDSS impedanssispektrin sovittamiseksi:
jossa Y0 on KPI-arvo, j on imaginääriluku eli (-1)1/2, ω on kulmataajuus ja n on KPI:n tehoindeksi, joka on pienempi kuin yksi35. Varauksensiirtoresistanssin inversio (eli 1/Rct) vastaa korroosionopeutta. Mitä pienempi Rct, sitä suurempi korroosionopeus27. 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 HDSS-näytteen 2707 pinnalla oleva biofilmipinnoite on tiheä 7 päivän kuluttua. 14 päivän kuluttua biofilmin peitto oli kuitenkin heikko ja joitakin kuolleita soluja ilmestyi. Taulukko 5 esittää 2707 HDSS-näytteen 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 keskimääräinen biofilmin 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.
Sähkömagneettinen kenttä paljasti kemiallisia alkuaineita biofilmeissä ja korroosiotuotteissa näytteissä, jotka altistettiin P. aeruginosalle 14 päivän ajan. Kuvassa 6 näkyy, että biofilmien ja korroosiotuotteiden hiili-, typpi-, happi- ja fosforipitoisuudet ovat huomattavasti korkeammat kuin puhtaissa metalleissa, 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 kuoppia, joissa oli ja ei ollut P. aeruginosaa. Ennen inkubointia näytteiden pinta oli sileä ja virheetön (kuva 7a). Inkuboinnin ja biofilmin sekä korroosiotuotteiden poistamisen jälkeen näytteiden pinnan syvimmät kuopat tutkittiin CLSM:llä, kuten kuvissa 7b ja c on esitetty. Ei-biologisten kontrollien pinnalla ei havaittu selviä kuoppia (suurin kuoppasyvyys 0,02 µm). P. aeruginosan aiheuttama suurin kuoppasyvyys oli 0,52 µm 7 päivän kohdalla ja 0,69 µm 14 päivän kohdalla, perustuen kolmen näytteen keskimääräiseen kuoppasyvyyteen (kullekin näytteelle valittiin 10 suurinta kuoppasyvyyttä). Saavutettiin 0,42 ± 0,12 µm ja 0,52 ± 0,15 µm (taulukko 5). Nämä kuoppasyvyyden arvot ovat pieniä, mutta tärkeitä.
(a) ennen altistusta, (b) 14 päivää abioottisessa ympäristössä ja (c) 14 päivää Pseudomonas aeruginosa -liemessä.
Kuvassa taulukossa 8 on esitetty eri näytepintojen XPS-spektrit, ja kunkin pinnan kemiallinen koostumus 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 kontrollien (näytteet C ja D). P. aeruginosa -näytteelle Cr2p-ytimen tasolla oleva spektrikäyrä sovitettiin neljään piikkikomponenttiin, joiden sitoutumisenergiat (BE) 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-biologisilla näytteillä Cr2p-päätason spektri sisältää kaksi pääpiikkiä: Cr:lle (573,80 eV BE:lle) ja Cr2O3:lle (575,90 eV BE:lle) kuvissa 9c ja d. Merkittävin ero abioottisten näytteiden ja P. aeruginosa -näytteiden välillä oli Cr6+:n läsnäolo ja Cr(OH)3:n (BE 586,8 eV) suurempi suhteellinen osuus biokalvon alla.
Näytteen 2707 HDSS pinnan laajat XPS-spektrit kahdessa väliaineessa ovat vastaavasti 7 ja 14 päivää.
(a) 7 päivän altistus P. aeruginosa -bakteerille, (b) 14 päivän altistus P. aeruginosa -bakteerille, (c) 7 päivää abioottisessa ympäristössä ja (d) 14 päivää abioottisessa ympäristössä.
HDSS:llä on korkea korroosionkestävyys useimmissa ympäristöissä. Kim ym.2 raportoivat, että HDSS UNS S32707 tunnistettiin erittäin seostuneeksi DSS:ksi, jonka PREN-arvo oli yli 45. Tässä työssä näytteen 2707 HDSS PREN-arvo oli 49. Tämä johtuu korkeasta kromipitoisuudesta sekä molybdeenin ja nikkelin pitoisuuksista, jotka ovat hyödyllisiä happamissa ympäristöissä ja ympäristöissä, joissa on korkea kloridipitoisuus. Lisäksi tasapainoinen koostumus ja virheetön mikrorakenne ovat hyödyllisiä rakenteelliselle vakaudelle ja korroosionkestävyydelle. Erinomaisesta kemikaalienkestävyydestään huolimatta tämän työn kokeelliset tiedot viittaavat siihen, että 2707 HDSS ei ole täysin immuuni P. aeruginosa -biofilmin MIC-arvoille.
Sähkökemialliset tulokset osoittivat, että 2707 HDSS:n korroosionopeus P. aeruginosa -liemessä kasvoi merkittävästi 14 päivän kuluttua verrattuna ei-biologiseen ympäristöön. Kuvassa 2a havaittiin Eocp:n lasku sekä abioottisessa väliaineessa että P. aeruginosa -liemessä ensimmäisten 24 tunnin aikana. Tämän jälkeen biofilmi peittää näytteen pinnan kokonaan ja Eocp:stä tulee suhteellisen vakaa36. Biologinen Eocp-taso oli kuitenkin paljon korkeampi kuin ei-biologinen Eocp-taso. On syytä uskoa, että tämä ero liittyy P. aeruginosa -biofilmien muodostumiseen. Kuvassa 2d P. aeruginosan läsnä ollessa icorr 2707 HDSS -arvo saavutti 0,627 μA cm-2, mikä on suuruusluokkaa korkeampi kuin abioottisella kontrollilla (0,063 μA cm-2) ja oli yhdenmukainen EIS:llä mitatun Rct-arvon kanssa. Muutaman ensimmäisen päivän aikana P. aeruginosa -liemessä impedanssiarvot nousivat P. aeruginosa -solujen kiinnittymisen ja biofilmien muodostumisen vuoksi. Kuitenkin, kun biofilm peittää näytteen pinnan kokonaan, impedanssi pienenee. Suojakerrosta hyökätään ensisijaisesti biofilmien ja biofilmin metaboliittien muodostumisen vuoksi. Tämän seurauksena korroosionkestävyys heikkeni ajan myötä ja P. aeruginosan kiinnittyminen aiheutti paikallista korroosiota. Abioottisissa ympäristöissä trendit olivat erilaiset. Ei-biologisen kontrollin korroosionkestävyys oli paljon korkeampi kuin P. aeruginosa -liemelle altistettujen näytteiden vastaava arvo. Lisäksi abioottisilla näytteillä Rct 2707 HDSS -arvo saavutti 489 kΩ cm2 päivänä 14, mikä on 15 kertaa korkeampi kuin Rct-arvo (32 kΩ cm2) P. aeruginosan läsnä ollessa. Siten 2707 HDSS:llä on erinomainen korroosionkestävyys steriilissä ympäristössä, mutta se ei ole resistentti P. aeruginosa -biofilmien MIC-arvoille.
Nämä tulokset voidaan havaita myös kuvioiden 2b polarisaatiokäyristä. Anodinen haarautuminen on yhdistetty Pseudomonas aeruginosa -biofilmin muodostumiseen ja metallien hapettumisreaktioihin. Tässä tapauksessa katodinen reaktio on hapen pelkistyminen. P. aeruginosan läsnäolo lisäsi merkittävästi korroosiovirrantiheyttä, noin kertaluokkaa korkeammalle kuin abioottisessa kontrollissa. Tämä osoittaa, että P. aeruginosa -biofilm tehostaa 2707 HDSS:n paikallista korroosiota. Yuan ym.29 havaitsivat, että Cu-Ni 70/30 -seoksen korroosiovirrantiheys kasvoi P. aeruginosa -biofilmin vaikutuksesta. Tämä voi johtua Pseudomonas aeruginosa -biofilmien hapenpelkistyksen biokatalyysistä. Tämä havainto voi myös selittää 2707 HDSS:n minimipitoisuusarvoa tässä työssä. Aerobisten biofilmien alla voi myös olla vähemmän happea. Siksi metallipinnan kieltäytyminen passivoimasta uudelleen hapella voi olla yksi minimipitoisuusarvoon vaikuttava tekijä 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, solujen lukumäärä ja biofilmin paksuus vähenivät 14 päivän kuluttua. Tämä 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 vaikutti paikallisesti kromin ja raudan (Fe) vähenemiseen biofilmin alla 2707 HDSS:n pinnalla (kuva 6). Taulukko 6 esittää Fe:n ja kromin vähenemisen näytteessä D verrattuna näytteeseen C, mikä osoittaa, että P. aeruginosa -biofilmin aiheuttama liuennut Fe ja Cr säilyivät ensimmäiset 7 päivää. 2216E-ympäristöä käytetään meriympäristön simulointiin. Se sisältää 17700 ppm Cl⁻:a, joka on verrattavissa sen pitoisuuteen luonnon merivedessä. 17700 ppm Cl⁻:n läsnäolo oli tärkein syy kromin vähenemiseen 7 ja 14 päivän abioottisissa näytteissä, jotka analysoitiin XPS:llä. Verrattuna P. aeruginosa -näytteisiin, kromin liukeneminen abioottisissa näytteissä oli paljon vähäisempää johtuen 2707 HDSS:n voimakkaasta kloorin kestävyydestä abioottisissa olosuhteissa. Kuva 9 osoittaa Cr6+:n läsnäolon passivointikalvossa. Se voi olla mukana poistamassa kromia teräspinnoilta P. aeruginosa -biofilmien avulla, kuten Chen ja Clayton ehdottavat.
Bakteerikasvun vuoksi viljelyalustan pH-arvot ennen viljelyä olivat 7,4 ja 8,2. Näin ollen P. aeruginosan biofilmin alapuolella orgaanisen hapon aiheuttama korroosio ei todennäköisesti vaikuta tähän työhön bulkkiviljelyalustan suhteellisen korkean pH:n vuoksi. Ei-biologisen kontrolliviljelyalustan pH ei muuttunut merkittävästi (alkuperäisestä 7,4:stä lopulliseen 7,5:een) 14 päivän testijakson aikana. Viljelyalustan pH:n nousu inkuboinnin jälkeen johtui P. aeruginosan metabolisesta aktiivisuudesta, ja sen havaittiin vaikuttavan pH:hon samalla tavalla ilman testiliuskoja.
Kuten kuvassa 7 on esitetty, P. aeruginosan biofilmin aiheuttama suurin kuoppasyvyys oli 0,69 µm, mikä on paljon suurempi kuin abioottisen väliaineen aiheuttama (0,02 µm). Tämä on yhdenmukaista edellä kuvattujen sähkökemiallisten tietojen kanssa. Kuopansyvyys 0,69 µm on yli kymmenen kertaa pienempi kuin 2205 DSS:lle samoissa olosuhteissa raportoitu 9,5 µm:n arvo. Nämä tiedot osoittavat, että 2707 HDSS kestää MIC-arvoja paremmin kuin 2205 DSS. Tämän ei pitäisi olla yllätys, koska 2707 HDSS:llä on korkeammat Cr-pitoisuudet, jotka mahdollistavat pidemmän passivoinnin, vaikeuttavat P. aeruginosan depassivointia ja aiheuttavat tasapainoisen faasirakenteensa vuoksi ilman haitallista sekundääristä saostumista kuoppautumista.
Yhteenvetona voidaan todeta, että P. aeruginosa -liemessä 2707 HDSS:n pinnalta löydettiin MIC-kuoppia verrattuna merkityksettömiin kuoppiin abioottisessa ympäristössä. Tämä työ osoittaa, että 2707 HDSS:llä on parempi vastustuskyky MIC:lle kuin 2205 DSS:llä, mutta se ei ole täysin immuuni MIC:lle P. aeruginosa -biofilmin vuoksi. Nämä tulokset auttavat sopivien ruostumattomien terästen valinnassa ja niiden käyttöiän pidentämisessä meriympäristössä.
Kuponki 2707 HDSS:lle toimitti Northeastern Universityn (NEU) metallurgian tiedekunta Shenyangissa, Kiinassa. Taulukossa 1 on esitetty 2707 HDSS:n alkuainekoostumus, jonka NEU:n materiaalianalyysi- ja testausosasto analysoi. Kaikkia näytteitä käsiteltiin kiinteän liuoksen saamiseksi 1180 °C:ssa yhden tunnin ajan. Ennen korroosiotestausta kolikonmuotoinen 2707 HDSS, jonka yläosan avoin pinta-ala oli 1 cm2, kiillotettiin piikarbidihiomapaperilla karkeuteen 2000 ja sitten 0,05 µm:n Al2O3-jauhelietteellä. Sivut ja pohja suojattiin inertillä maalilla. Kuivauksen jälkeen näytteet pestiin 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 -kanta MCCC 1A00099 hankittiin Xiamenin meriviljelykeskuksesta (MCCC), Kiinasta. Pseudomonas aeruginosaa kasvatettiin aerobisissa olosuhteissa 37 °C:ssa 250 ml:n pulloissa ja 500 ml:n lasisissa sähkökemiallisissa kennoissa käyttäen Marine 2216E -nestemäistä kasvatusalustaa (Qingdao Hope Biotechnology Co., Ltd., Qingdao, Kiina). Väliaine sisältää (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 6NH26NH3, 3,0016 NH3 5,0 peptonia, 1,0 hiivauutetta ja 0,1 rautasitraattia. Autoklavoi 121 °C:ssa 20 minuuttia ennen inokulaatiota. Laske istuma- ja planktonsolut hemosytometrillä valomikroskoopilla 400-kertaisella suurennuksella. Planktonisen Pseudomonas aeruginosan alkupitoisuus heti inokulaation jälkeen oli noin 106 solua/ml.
Sähkökemialliset testit suoritettiin klassisessa kolmielektrodisessa lasikammiossa, jonka väliaineen tilavuus oli 500 ml. Platinalevy ja kylläinen kalomelielektrodi (SAE) liitettiin reaktoriin suolasilloilla täytettyjen Luggin-kapillaarien kautta, jotka toimivat vastaavasti vasta- ja vertailuelektrodeina. Työelektrodien valmistamiseksi kuhunkin näytteeseen kiinnitettiin kumitettu kuparilanka, joka päällystettiin epoksihartsilla, jättäen noin 1 cm2 suojaamatonta aluetta työelektrodille toiselle puolelle. 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 - 5 mV Eocp:llä ja 1 Hz:n näytteenottotaajuudella. EIS suoritettiin siniaallolla taajuusalueella 0,01–10 000 Hz käyttäen 5 mV:n jännitettä vakiotilassa Eocp:llä. Ennen potentiaalipyyhkäisyä elektrodit olivat lepotilassa, kunnes vapaan korroosiopotentiaalin arvo saavutettiin vakaana. Polarisaatiokäyrät mitattiin sitten välillä -0,2–1,5 V Eocp:n funktiona pyyhkäisynopeudella 0,166 mV/s. Jokainen testi toistettiin kolme kertaa P. aeruginosan kanssa ja ilman sitä.
Metallografista analyysia varten näytteet kiillotettiin mekaanisesti kostealla 2000 karkeuden piikarbidipaperilla ja sitten edelleen 0,05 µm:n Al2O3-jauhesuspensiolla optista havainnointia varten. Metallografinen analyysi suoritettiin optisella mikroskoopilla. Näytteet etsattiin 10 painoprosenttisella kaliumhydroksidi 43 -liuoksella.
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 dehydroitiin eräetanolilla (50 %, 60 %, 70 %, 80 %, 90 %, 95 % ja 100 tilavuusprosenttia) ennen ilmakuivausta. Lopuksi näytteen pinnalle kerrostettiin kultakalvo SEM-havaintojen johtavuuden parantamiseksi. SEM-kuvat tarkennettiin kunkin näytteen pinnalla oleviin pisteisiin, joissa oli eniten paikallaan pysyviä P. aeruginosa -soluja. Kemiallisten alkuaineiden löytämiseksi suoritettiin EDS-analyysi. Kuopan syvyyden mittaamiseen käytettiin Zeissin konfokaalista laserskannausmikroskooppia (CLSM) (LSM 710, Zeiss, Saksa). Biofilmin alla olevien korroosiokuoppien havaitsemiseksi testinäyte puhdistettiin ensin Kiinan kansallisen standardin (CNS) GB/T4334.4-2000 mukaisesti korroosiotuotteiden ja biofilmin poistamiseksi testinäytteen pinnalta.
Röntgenfotoelektronispektroskopia (XPS, ESCALAB250 -pinta-analyysijärjestelmä, Thermo VG, USA) suoritettiin käyttämällä monokromaattista röntgenlähdettä (alumiini Kα-linja, jonka energia oli 1500 eV ja teho 150 W) laajalla sitoutumisenergioiden alueella 0 standardiolosuhteissa –1350 eV. Korkean resoluution spektrit tallennettiin käyttämällä 50 eV:n läpäisyenergiaa ja 0,2 eV:n askelta.
Inkuboidut näytteet poistettiin ja pestiin varovasti PBS:llä (pH 7,4 ± 0,2) 15 sekunnin ajan. Biofilmien bakteerien elinkykyisyyden havaitsemiseksi näytteissä biofilmit värjättiin LIVE/DEAD BacLight Bacterial Viability Kit -pakkauksella (Invitrogen, Eugene, OR, USA). Pakkaus sisältää kaksi fluoresoivaa väriainetta: vihreän fluoresoivan SYTO-9-väriaineen ja punaisen fluoresoivan propidiumjodidin (PI) väriaineen. CLSM-värjäyksessä fluoresoivat vihreät ja punaiset pisteet edustavat eläviä ja kuolleita soluja. Värjäystä varten 1 ml seosta, joka sisälsi 3 µl SYTO-9:ää ja 3 µl PI-liuosta, inkuboitiin 20 minuuttia huoneenlämmössä (23 °C) pimeässä. Sen jälkeen värjätyt näytteet tutkittiin 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. ym. Pseudomonas aeruginosa -bakteerin aiheuttama 2707 superduplex -ruostumattoman teräksen mikrobikorroosio. The Science. 6, 20190. doi: 10.1038/srep20190 (2016).
Zanotto, F., Grassi, V., Balbo, A., Monticelli, C. & Zucchi, F. LDX 2101 duplex -ruostumattoman teräksen jännityskorroosiohalkeilu kloridiliuoksissa tiosulfaatin läsnä ollessa. Zanotto, F., Grassi, V., Balbo, A., Monticelli, C. & Zucchi, F. LDX 2101 duplex -ruostumattoman teräksen jännityskorroosiohalkeilu kloridiliuoksissa tiosulfaatin läsnä ollessa. Zanotto, F., Grassi, V., Balbo, A., Monticelli, C. & Zucchi, F. растворах хлоридов в присутствии тиосульфата. Zanotto, F., Grassi, V., Balbo, A., Monticelli, C. & Zucchi, F. Duplex-ruostumattoman teräksen LDX 2101 jännityskorroosiohalkeilu kloridiliuoksissa tiosulfaatin läsnä ollessa. Zanotto, F., Grassi, V., Balbo, A., Monticelli, C. & Zucchi, F. LDX 2101双相不锈钢在硫代硫酸盐存在下氯化物溶液中的应力腐蚀开裂. Zanotto, F., Grassi, V., Balbo, A., Monticelli, C. & Zucchi, F. LDX 2101 双相 ruostumaton teräs在福代sulfate分下下南性性生于中姾像 Zanotto F., Grassi, V., Balbo, A., Monticelli, C. & Zucchi, F. хлорида в присутствии тиосульфата. Zanotto, F., Grassi, V., Balbo, A., Monticelli, C. & Zucchi, F. Duplex-ruostumattoman teräksen LDX 2101 jännityskorroosiohalkeilu kloridiliuoksessa tiosulfaatin läsnä ollessa.coros science 80, 205–212 (2014).
Kim, ST, Jang, SH, Lee, IS & Park, YS Liuoslämpökäsittelyn ja suojakaasun typen vaikutukset hyperduplex-ruostumattomasta teräksestä valmistettujen hitsien pistekorroosionkestävyyteen. Kim, ST, Jang, SH, Lee, IS & Park, YS Liuoslämpökäsittelyn ja suojakaasun typen vaikutukset hyperduplex-ruostumattomasta teräksestä valmistettujen hitsien pistekorroosionkestävyyteen.Kim, ST, Jang, SH, Lee, IS ja Park, YS Liuoslämpökäsittelyn ja suojakaasun typen vaikutus hyperduplex-ruostumattomasta teräksestä valmistettujen hitsien pistekorroosionkestävyyteen. Kim, ST, Jang, SH, Lee, IS & Park, YS固溶热处理和保护气体中的氮气对超双相不锈钢焊缝抗点蚀性能的影响。 Kim, ST, Jang, SH, Lee, IS ja Park, YSKim, ST, Jang, SH, Lee, IS ja Park, YS Liuoslämpökäsittelyn ja suojakaasun typen vaikutus superduplex-ruostumattomasta teräksestä valmistettujen hitsien pistekorroosionkestävyyteen.Koros. Tiede. 53, 1939–1947 (2011).
Shi, X., Avci, R., Geiser, M. & Lewandowski, Z. 316L-ruostumattoman teräksen mikrobien ja sähkökemiallisesti aiheuttaman pistekorroosion kemiallinen vertailututkimus. Shi, X., Avci, R., Geiser, M. & Lewandowski, Z. 316L-ruostumattoman teräksen mikrobien ja sähkökemiallisesti aiheuttaman pistekorroosion kemiallinen vertailututkimus.Shi, X., Avchi, R., Geyser, M. ja Lewandowski, Z. 316L-ruostumattoman teräksen mikrobiologisen ja sähkökemiallisen pistekorroosion vertaileva kemiallinen tutkimus. Shi, X., Avci, R., Geiser, M. & Lewandowski, Z. 微生物和电化学诱导的316L 不锈钢点蚀的化学比较炩炩 Shi, X., Avci, R., Geiser, M. ja Lewandowski, Z.Shi, X., Avchi, R., Geyser, M. ja Lewandowski, Z. Mikrobiologisesti ja sähkökemiallisesti aiheutetun pistekorroosion vertaileva kemiallinen tutkimus 316L-ruostumattomassa teräksessä.Koros. Tiede. 45, 2577–2595 (2003).
Luo, H., Dong, CF, Li, XG & Xiao, K. 2205 duplex -ruostumattoman teräksen sähkökemiallinen käyttäytyminen emäksisissä liuoksissa, joissa on eri pH kloridin läsnä ollessa. Luo, H., Dong, CF, Li, XG & Xiao, K. 2205 duplex -ruostumattoman teräksen sähkökemiallinen käyttäytyminen emäksisissä liuoksissa, joissa on eri pH kloridin läsnä ollessa.Luo H., Dong KF, Lee HG ja Xiao K. Duplex-ruostumattoman teräksen 2205 sähkökemiallinen käyttäytyminen emäksisissä liuoksissa, joissa on eri pH kloridin läsnä ollessa. Luo, H., Dong, CF, Li, XG & Xiao, K. 2205 双相不锈钢在氯化物存在下不同pH 碱性㺶液中的电匡液中的电匡 Luo, H., Dong, CF, Li, XG & Xiao, K. 2205 Ruostumattoman teräksen sähkökemiallinen käyttäytyminen kloridin läsnä ollessa eri pH-arvoissa emäksisessä liuoksessa.Luo H., Dong KF, Lee HG ja Xiao K. Duplex-ruostumattoman teräksen 2205 sähkökemiallinen käyttäytyminen emäksisissä liuoksissa, joissa on eri pH kloridin läsnä ollessa.Elektrokemia. Aikakauslehti. 64, 211–220 (2012).
Little, BJ, Lee, JS & Ray, RI Meribiofilmien vaikutus korroosioon: Tiivis katsaus. Little, BJ, Lee, JS & Ray, RI Meribiofilmien vaikutus korroosioon: Tiivis katsaus.Little, BJ, Lee, JS ja Ray, RI. Meribiofilmien vaikutukset korroosioon: lyhyt katsaus. Little, BJ, Lee, JS & Ray, RI 海洋生物膜对腐蚀的影响：简明综述. Little, BJ, Lee, JS ja Ray, RILittle, BJ, Lee, JS ja Ray, RI. Meribiofilmien vaikutukset korroosioon: lyhyt katsaus.Elektrokemia. Aikakauslehti. 54, 2–7 (2008).