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सूक्ष्मजीवीय संक्षारण (एमआईसी) कई उद्योगों में एक गंभीर समस्या है क्योंकि इससे भारी आर्थिक नुकसान हो सकता है। 2707 सुपर डुप्लेक्स स्टेनलेस स्टील (2707 एचडीएसएस) का उपयोग समुद्री वातावरण में इसकी उत्कृष्ट रासायनिक प्रतिरोधकता के कारण किया जाता रहा है। हालांकि, एमआईसी के प्रति इसकी प्रतिरोधकता को प्रयोगात्मक रूप से प्रदर्शित नहीं किया गया है। इस अध्ययन में, समुद्री वायवीय जीवाणु स्यूडोमोनास एरुगिनोसा द्वारा उत्पन्न 2707 एचडीएसएस के एमआईसी व्यवहार की जांच की गई। विद्युत रासायनिक विश्लेषण से पता चला कि 2216ई माध्यम में स्यूडोमोनास एरुगिनोसा बायोफिल्म की उपस्थिति में, संक्षारण क्षमता में सकारात्मक परिवर्तन और संक्षारण धारा घनत्व में वृद्धि हुई। एक्स-रे फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी (एक्सपीएस) विश्लेषण ने बायोफिल्म के नीचे नमूने की सतह पर क्रोमियम (Cr) की मात्रा में कमी दिखाई। गड्ढों के इमेजिंग विश्लेषण से पता चला कि पी. एरुगिनोसा बायोफिल्म ने 14 दिनों के ऊष्मायन के दौरान अधिकतम 0.69 μm की गड्ढे की गहराई उत्पन्न की। हालांकि यह कम है, यह इंगित करता है कि 2707 एचडीएसएस, पी. एरुगिनोसा बायोफिल्म के एमआईसी के प्रति पूरी तरह से प्रतिरक्षित नहीं है।
उत्कृष्ट यांत्रिक गुणों और संक्षारण प्रतिरोध के आदर्श संयोजन के कारण डुप्लेक्स स्टेनलेस स्टील (डीएसएस) का उपयोग विभिन्न उद्योगों में व्यापक रूप से किया जाता है1,2। हालांकि, इसमें अभी भी स्थानीयकृत गड्ढे बन जाते हैं और यह स्टील की अखंडता को प्रभावित करता है3,4। डीएसएस सूक्ष्मजीव संक्षारण (एमआईसी) के प्रति प्रतिरोधी नहीं है5,6। डीएसएस के अनुप्रयोगों की व्यापक श्रृंखला के बावजूद, अभी भी ऐसे वातावरण हैं जहां डीएसएस का संक्षारण प्रतिरोध दीर्घकालिक उपयोग के लिए पर्याप्त नहीं है। इसका अर्थ है कि उच्च संक्षारण प्रतिरोध वाली अधिक महंगी सामग्रियों की आवश्यकता है। जियोन एट अल7 ने पाया कि सुपर डुप्लेक्स स्टेनलेस स्टील (एसडीएसएस) में भी संक्षारण प्रतिरोध के मामले में कुछ सीमाएं हैं। इसलिए, कुछ अनुप्रयोगों में उच्च संक्षारण प्रतिरोध वाले सुपर डुप्लेक्स स्टेनलेस स्टील (एचडीएसएस) की आवश्यकता होती है। इसी से उच्च मिश्रित एचडीएसएस का विकास हुआ।
डीएसएस का संक्षारण प्रतिरोध अल्फा और गामा चरणों के अनुपात और दूसरे चरण से सटे Cr, Mo और W की कमी वाले क्षेत्रों 8, 9, 10 पर निर्भर करता है। एचडीएसएस में Cr, Mo और N11 की उच्च मात्रा होती है, इसलिए इसमें उत्कृष्ट संक्षारण प्रतिरोध और उच्च पिटिंग प्रतिरोध समतुल्य संख्या (PREN) (45-50) होती है, जो wt.% Cr + 3.3 (wt.% Mo + 0.5 wt% W) + 16 wt% N12 द्वारा निर्धारित होती है। इसका उत्कृष्ट संक्षारण प्रतिरोध लगभग 50% फेराइट (α) और 50% ऑस्टेनाइट (γ) चरणों वाली संतुलित संरचना पर निर्भर करता है। एचडीएसएस में पारंपरिक डीएसएस13 की तुलना में बेहतर यांत्रिक गुण और उच्च प्रतिरोध होता है। क्लोराइड संक्षारण गुण। बेहतर संक्षारण प्रतिरोध समुद्री वातावरण जैसे अधिक संक्षारक क्लोराइड वातावरण में एचडीएसएस के उपयोग को बढ़ाता है।
तेल, गैस और जल उपयोगिताओं जैसे कई उद्योगों में एमआईसी एक प्रमुख समस्या है।14 सभी संक्षारण क्षति का 20% एमआईसी के कारण होता है।15 एमआईसी जैव-विद्युत रासायनिक संक्षारण है जो कई वातावरणों में देखा जा सकता है। धातु की सतहों पर बनने वाली जैव-फिल्में विद्युत रासायनिक स्थितियों को बदल देती हैं, जिससे संक्षारण प्रक्रिया प्रभावित होती है। यह व्यापक रूप से माना जाता है कि एमआईसी संक्षारण जैव-फिल्मों के कारण होता है। विद्युतजनित सूक्ष्मजीव जीवित रहने के लिए ऊर्जा प्राप्त करने हेतु धातुओं का संक्षारण करते हैं।17 हाल के एमआईसी अध्ययनों से पता चला है कि ईईटी (बाह्यकोशिकीय इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण) विद्युतजनित सूक्ष्मजीवों द्वारा प्रेरित एमआईसी में दर-सीमित कारक है। झांग एट अल.18 ने प्रदर्शित किया कि इलेक्ट्रॉन मध्यस्थ डेसल्फोविब्रियो सेसिफिकन्स कोशिकाओं और 304 स्टेनलेस स्टील के बीच इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण को तेज करते हैं, जिससे एमआईसी का हमला और भी गंभीर हो जाता है। एनिंग एट अल.19 और वेन्ज़लाफ एट अल.20 ने दिखाया कि संक्षारक सल्फेट-कम करने वाले बैक्टीरिया (एसआरबी) जैव-फिल्में धातु सब्सट्रेट से सीधे इलेक्ट्रॉनों को अवशोषित कर सकती हैं, जिसके परिणामस्वरूप गंभीर पिटिंग संक्षारण होता है।
डीएसएस को एसआरबी, आयरन-रिड्यूसिंग बैक्टीरिया (आईआरबी), आदि युक्त वातावरण में एमआईसी के प्रति संवेदनशील माना जाता है। 21 ये बैक्टीरिया बायोफिल्म के तहत डीएसएस सतहों पर स्थानीयकृत गड्ढे का कारण बनते हैं। 22,23 डीएसएस के विपरीत, एचडीएसएस 24 का एमआईसी खराब तरीके से ज्ञात है।
स्यूडोमोनास एरुगिनोसा एक ग्राम-ऋणात्मक गतिशील छड़ के आकार का जीवाणु है जो प्रकृति में व्यापक रूप से वितरित है।25 स्यूडोमोनास एरुगिनोसा समुद्री वातावरण में भी एक प्रमुख सूक्ष्मजीव समूह है, जो स्टील में एमआईसी का कारण बनता है। स्यूडोमोनास संक्षारण प्रक्रियाओं में गहराई से शामिल है और बायोफिल्म निर्माण के दौरान एक अग्रणी उपनिवेशक के रूप में पहचाना जाता है। महात एट अल. 28 और युआन एट अल. 29 ने प्रदर्शित किया कि स्यूडोमोनास एरुगिनोसा में जलीय वातावरण में हल्के स्टील और मिश्र धातुओं की संक्षारण दर को बढ़ाने की प्रवृत्ति होती है।
इस अध्ययन का मुख्य उद्देश्य समुद्री वायवीय जीवाणु स्यूडोमोनास एरुगिनोसा द्वारा उत्पन्न 2707 एचडीएसएस के एमआईसी गुणों का विद्युत रासायनिक विधियों, सतही विश्लेषणात्मक तकनीकों और संक्षारण उत्पाद विश्लेषण का उपयोग करके अध्ययन करना था। 2707 एचडीएसएस के एमआईसी व्यवहार का अध्ययन करने के लिए ओपन सर्किट पोटेंशियल (ओसीपी), लीनियर पोलराइजेशन रेजिस्टेंस (एलपीआर), इलेक्ट्रोकेमिकल इम्पीडेंस स्पेक्ट्रोस्कोपी (ईआईएस) और पोटेंशियल डायनेमिक पोलराइजेशन सहित विद्युत रासायनिक अध्ययन किए गए। संक्षारित सतह पर रासायनिक तत्वों का पता लगाने के लिए एनर्जी डिस्पर्सिव स्पेक्ट्रोमीटर (ईडीएस) विश्लेषण किया गया। इसके अतिरिक्त, स्यूडोमोनास एरुगिनोसा युक्त समुद्री वातावरण के प्रभाव में ऑक्साइड फिल्म पैसिवेशन की स्थिरता निर्धारित करने के लिए एक्स-रे फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी (एक्सपीएस) विश्लेषण का उपयोग किया गया। गड्ढे की गहराई को कन्फोकल लेजर स्कैनिंग माइक्रोस्कोप (सीएलएसएम) के तहत मापा गया।
तालिका 1 में 2707 एचडीएसएस की रासायनिक संरचना दी गई है। तालिका 2 से पता चलता है कि 2707 एचडीएसएस में उत्कृष्ट यांत्रिक गुण हैं और इसकी उपज सामर्थ्य 650 एमपीए है। चित्र 1 में विलयन ऊष्मा उपचारित 2707 एचडीएसएस की प्रकाशीय सूक्ष्म संरचना दर्शाई गई है। लगभग 50% ऑस्टेनाइट और 50% फेराइट अवस्थाओं वाली इस सूक्ष्म संरचना में द्वितीयक अवस्थाओं के बिना ऑस्टेनाइट और फेराइट अवस्थाओं के लंबे बैंड देखे जा सकते हैं।
चित्र 2a में 37 डिग्री सेल्सियस पर 14 दिनों के लिए अजैविक 2216E माध्यम और P. aeruginosa ब्रोथ में 2707 HDSS के लिए ओपन सर्किट पोटेंशियल (Eocp) बनाम एक्सपोज़र समय डेटा दर्शाया गया है। इससे पता चलता है कि Eocp में सबसे बड़ा और महत्वपूर्ण परिवर्तन पहले 24 घंटों के भीतर होता है। दोनों मामलों में Eocp मान लगभग 16 घंटे पर -145 mV (vs. SCE) पर चरम पर पहुंच गया और फिर तेजी से गिरकर अजैविक नमूने के लिए -477 mV (vs. SCE) और P. aeruginosa ब्रोथ के लिए -236 mV (vs. SCE) तक पहुंच गया। क्रमशः स्यूडोमोनास एरुगिनोसा कूपन। 24 घंटे के बाद, पी. एरुगिनोसा के लिए 2707 एचडीएसएस का ईओसीपी मान -228 एमवी (बनाम एससीई) पर अपेक्षाकृत स्थिर था, जबकि गैर-जैविक नमूनों के लिए संबंधित मान लगभग -442 एमवी (बनाम एससीई) था। पी. एरुगिनोसा की उपस्थिति में ईओसीपी काफी कम था।
37 डिग्री सेल्सियस पर अजैविक माध्यम और स्यूडोमोनास एरुगिनोसा ब्रोथ में 2707 एचडीएसएस नमूनों का विद्युत रासायनिक परीक्षण:
(a) एक्सपोज़र समय के फलन के रूप में Eocp, (b) 14वें दिन ध्रुवीकरण वक्र, (c) एक्सपोज़र समय के फलन के रूप में Rp और (d) एक्सपोज़र समय के फलन के रूप में icorr।
तालिका 3 में 2707 एचडीएसएस नमूनों के विद्युतरासायनिक संक्षारण पैरामीटर मान सूचीबद्ध हैं जिन्हें 14 दिनों के लिए अजैविक माध्यम और स्यूडोमोनास एरुगिनोसा से संक्रमित माध्यम में रखा गया था। एनोडिक और कैथोडिक वक्रों की स्पर्शरेखाओं को मानक विधियों30,31 के अनुसार संक्षारण धारा घनत्व (icorr), संक्षारण क्षमता (Ecorr) और टैफेल ढलान (βα और βc) प्राप्त करने वाले प्रतिच्छेदन बिंदुओं तक विस्तारित किया गया था।
जैसा कि चित्र 2b में दिखाया गया है, स्यूडोमोनास एरुगिनोसा वक्र के ऊपर की ओर खिसकने से अजैविक वक्र की तुलना में इकोर में वृद्धि हुई। संक्षारण दर के समानुपाती इकोर का मान स्यूडोमोनास एरुगिनोसा नमूने में बढ़कर 0.328 μA cm-2 हो गया, जो कि गैर-जैविक नमूने (0.087 μA cm-2) के मान से चार गुना अधिक है।
एलपीआर तीव्र संक्षारण विश्लेषण के लिए एक क्लासिक गैर-विनाशकारी विद्युत रासायनिक विधि है। इसका उपयोग एमआईसी32 के अध्ययन के लिए भी किया गया था। चित्र 2सी ध्रुवीकरण प्रतिरोध (आरपी) को एक्सपोज़र समय के फलन के रूप में दर्शाता है। उच्च आरपी मान का अर्थ है कम संक्षारण। पहले 24 घंटों के भीतर, 2707 एचडीएसएस का आरपी अजैविक नमूनों के लिए 1955 kΩ cm2 और स्यूडोमोनास एरुगिनोसा नमूनों के लिए 1429 kΩ cm2 के अधिकतम मान तक पहुँच गया। चित्र 2सी यह भी दर्शाता है कि आरपी मान एक दिन के बाद तेजी से घट गया और फिर अगले 13 दिनों तक अपेक्षाकृत अपरिवर्तित रहा। स्यूडोमोनास एरुगिनोसा नमूने का आरपी मान लगभग 40 kΩ cm2 है, जो गैर-जैविक नमूने के 450 kΩ cm2 मान से काफी कम है।
संक्षारण दर एकसमान होती है। इसका मान स्टर्न-गियरी समीकरण से निकाला जा सकता है।
ज़ू एट अल. 33 के अनुसार, इस अध्ययन में टैफेल स्लोप बी का विशिष्ट मान 26 mV/dec माना गया। चित्र 2d दर्शाता है कि गैर-जैविक 2707 नमूने का icorr अपेक्षाकृत स्थिर रहा, जबकि P. aeruginosa नमूने का मान पहले 24 घंटों के बाद काफी उतार-चढ़ाव दिखाता है। P. aeruginosa नमूनों का icorr मान गैर-जैविक नियंत्रणों की तुलना में एक परिमाण अधिक था। यह प्रवृत्ति ध्रुवीकरण प्रतिरोध परिणामों के अनुरूप है।
EIS संक्षारित सतहों पर विद्युत रासायनिक प्रतिक्रियाओं के लक्षण वर्णन के लिए उपयोग की जाने वाली एक अन्य गैर-विनाशकारी तकनीक है। अजैविक माध्यमों और स्यूडोमोनास एरुगिनोसा विलयन के संपर्क में आए नमूनों के प्रतिबाधा स्पेक्ट्रा और परिकलित धारिता मान, नमूने की सतह पर निर्मित निष्क्रिय फिल्म/बायोफिल्म का Rb प्रतिरोध, Rct आवेश स्थानांतरण प्रतिरोध, Cdl विद्युत द्विपरत धारिता (EDL) और QCPE स्थिर चरण तत्व (CPE) पैरामीटर हैं। इन मापदंडों का आगे समतुल्य परिपथ (EEC) मॉडल का उपयोग करके डेटा को फिट करके विश्लेषण किया गया।
चित्र 3 में विभिन्न इनक्यूबेशन समयों के लिए अजैविक माध्यम और स्यूडोमोनास एरुगिनोसा ब्रोथ में 2707 एचडीएसएस नमूनों के विशिष्ट नाइक्विस्ट प्लॉट (ए और बी) और बोडे प्लॉट (ए' और बी') दिखाए गए हैं। स्यूडोमोनास एरुगिनोसा की उपस्थिति में नाइक्विस्ट रिंग का व्यास घट जाता है। बोडे प्लॉट (चित्र 3बी') कुल प्रतिबाधा के परिमाण में वृद्धि दर्शाता है। चरण अधिकतम द्वारा विश्राम समय स्थिरांक के बारे में जानकारी प्रदान की जा सकती है। चित्र 4 में मोनोलेयर (ए) और बाइलेयर (बी) आधारित भौतिक संरचनाएं और उनके संबंधित ईईसी दिखाए गए हैं। सीपीई को ईईसी मॉडल में शामिल किया गया है। इसकी प्रवेश्यता और प्रतिबाधा को निम्नानुसार व्यक्त किया गया है:
2707 एचडीएसएस नमूने के प्रतिबाधा स्पेक्ट्रम को फिट करने के लिए दो भौतिक मॉडल और संबंधित समतुल्य परिपथ:
जहां Y0 CPE का परिमाण है, j काल्पनिक संख्या या (-1)1/2 है, ω कोणीय आवृत्ति है, और n इकाई से कम CPE शक्ति सूचकांक है35। आवेश स्थानांतरण प्रतिरोध का व्युत्क्रम (अर्थात 1/Rct) संक्षारण दर के अनुरूप होता है। छोटा Rct तीव्र संक्षारण दर का अर्थ है27। 14 दिनों के ऊष्मायन के बाद, स्यूडोमोनास एरुगिनोसा नमूनों का Rct 32 kΩ cm2 तक पहुँच गया, जो गैर-जैविक नमूनों के 489 kΩ cm2 से काफी छोटा है (तालिका 4)।
चित्र 5 में CLSM और SEM छवियों से स्पष्ट रूप से पता चलता है कि 7 दिनों के बाद 2707 HDSS नमूने की सतह पर बायोफिल्म का आवरण घना था। हालांकि, 14 दिनों के बाद, बायोफिल्म का आवरण विरल हो गया और कुछ मृत कोशिकाएं दिखाई देने लगीं। तालिका 5 में 2707 HDSS नमूनों पर P. aeruginosa के संपर्क में 7 और 14 दिनों के बाद बायोफिल्म की मोटाई दर्शाई गई है। बायोफिल्म की अधिकतम मोटाई 7 दिनों के बाद 23.4 μm से घटकर 14 दिनों के बाद 18.9 μm हो गई। बायोफिल्म की औसत मोटाई ने भी इस प्रवृत्ति की पुष्टि की। यह 7 दिनों के बाद 22.2 ± 0.7 μm से घटकर 14 दिनों के बाद 17.8 ± 1.0 μm हो गई।
(a) 7 दिन बाद 3-डी सीएलएसएम छवि, (b) 14 दिन बाद 3-डी सीएलएसएम छवि, (c) 7 दिन बाद एसईएम छवि और (d) 14 दिन बाद एसईएम छवि।
ईडीएस ने 14 दिनों तक पी. एरुगिनोसा के संपर्क में रहे नमूनों पर बायोफिल्म और संक्षारण उत्पादों में रासायनिक तत्वों का खुलासा किया। चित्र 6 दर्शाता है कि बायोफिल्म और संक्षारण उत्पादों में C, N, O और P की मात्रा नंगी धातुओं की तुलना में कहीं अधिक है, क्योंकि ये तत्व बायोफिल्म और उनके मेटाबोलाइट्स से जुड़े होते हैं। सूक्ष्मजीवों को क्रोमियम और आयरन की केवल थोड़ी मात्रा की आवश्यकता होती है। नमूनों की सतह पर बायोफिल्म और संक्षारण उत्पादों में Cr और Fe के उच्च स्तर यह दर्शाते हैं कि संक्षारण के कारण धातु मैट्रिक्स ने तत्वों को खो दिया है।
14 दिनों के बाद, 2216E माध्यम में P. aeruginosa की उपस्थिति और अनुपस्थिति दोनों स्थितियों में गड्ढे देखे गए। इनक्यूबेशन से पहले, नमूने की सतह चिकनी और दोषरहित थी (चित्र 7a)। इनक्यूबेशन और बायोफिल्म तथा संक्षारण उत्पादों को हटाने के बाद, नमूनों की सतह पर मौजूद सबसे गहरे गड्ढों की CLSM के अंतर्गत जांच की गई, जैसा कि चित्र 7b और c में दिखाया गया है। गैर-जैविक नियंत्रण नमूनों की सतह पर कोई स्पष्ट गड्ढे नहीं पाए गए (गड्ढे की अधिकतम गहराई 0.02 μm)। 3 नमूनों की औसत अधिकतम गड्ढे की गहराई (प्रत्येक नमूने के लिए 10 अधिकतम गड्ढे की गहराई के मान चुने गए) के आधार पर, स्यूडोमोनास एरुगिनोसा के कारण गड्ढे की अधिकतम गहराई 7 दिनों के बाद 0.52 μm और 14 दिनों के बाद 0.69 μm थी, जो क्रमशः 0.42 ± 0.12 μm और 0.52 ± 0.15 μm तक पहुंच गई (तालिका 5)। गड्ढे की गहराई के मान छोटे होते हैं लेकिन महत्वपूर्ण होते हैं।
(a) एक्सपोजर से पहले, (b) अजैविक माध्यम में 14 दिन और (c) स्यूडोमोनास एरुगिनोसा ब्रोथ में 14 दिन।
चित्र 8 विभिन्न नमूना सतहों के XPS स्पेक्ट्रा को दर्शाता है, और प्रत्येक सतह के लिए विश्लेषित रासायनिक संरचनाओं को तालिका 6 में संक्षेपित किया गया है। तालिका 6 में, P. aeruginosa (नमूने A और B) की उपस्थिति में Fe और Cr के परमाणु प्रतिशत गैर-जैविक नियंत्रण नमूनों (नमूने C और D) की तुलना में काफी कम थे। P. aeruginosa नमूने के लिए, Cr 2p कोर-स्तरीय स्पेक्ट्रल वक्र को 574.4, 576.6, 578.3 और 586.8 eV के बंधन ऊर्जा (BE) मानों के साथ चार शिखर घटकों में फिट किया गया था, जिन्हें क्रमशः Cr, Cr2O3, CrO3 और Cr(OH)3 के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है (चित्र 9a और b)। गैर-जैविक नमूनों के लिए, Cr 2p कोर-स्तरीय स्पेक्ट्रम में Cr (BE के लिए 573.80 eV) और Cr2O3 (BE के लिए 575.90 eV) के लिए दो मुख्य शिखर शामिल हैं। चित्र 9सी और डी, क्रमशः। अजैविक और पी. एरुगिनोसा नमूनों के बीच सबसे उल्लेखनीय अंतर Cr6+ की उपस्थिति और बायोफिल्म के नीचे Cr(OH)3 (586.8 eV का BE) का उच्च सापेक्ष अंश था।
दो माध्यमों में 2707 एचडीएसएस नमूने की सतह के व्यापक एक्सपीएस स्पेक्ट्रा क्रमशः 7 दिन और 14 दिन के हैं।
(a) पी. एरुगिनोसा के संपर्क में 7 दिन, (b) पी. एरुगिनोसा के संपर्क में 14 दिन, (c) अजैविक माध्यम में 7 दिन और (d) अजैविक माध्यम में 14 दिन।
एचडीएसएस अधिकांश वातावरणों में उच्च स्तर का संक्षारण प्रतिरोध प्रदर्शित करता है। किम एट अल. 2 ने बताया कि यूएनएस एस32707 एचडीएसएस को 45 से अधिक के पीआरईएन के साथ एक उच्च मिश्रित डीएसएस के रूप में परिभाषित किया गया था। इस कार्य में 2707 एचडीएसएस नमूने का पीआरईएन मान 49 था। यह इसकी उच्च क्रोमियम सामग्री और उच्च मोलिब्डेनम और निकेल स्तरों के कारण है, जो अम्लीय और उच्च क्लोराइड वातावरण में लाभकारी होते हैं। इसके अलावा, एक सुव्यवस्थित संरचना और दोषरहित सूक्ष्म संरचना संरचनात्मक स्थिरता और संक्षारण प्रतिरोध के लिए उपयोगी हैं। हालांकि, इसके उत्कृष्ट रासायनिक प्रतिरोध के बावजूद, इस कार्य में प्रयोगात्मक आंकड़े बताते हैं कि 2707 एचडीएसएस पी. एरुगिनोसा बायोफिल्म के एमआईसी के प्रति पूरी तरह से प्रतिरोधी नहीं है।
इलेक्ट्रोकेमिकल परिणामों से पता चला कि गैर-जैविक माध्यम की तुलना में 14 दिनों के बाद पी. एरुगिनोसा ब्रोथ में 2707 एचडीएसएस की संक्षारण दर में उल्लेखनीय वृद्धि हुई। चित्र 2ए में, पहले 24 घंटों के दौरान अजैविक माध्यम और पी. एरुगिनोसा ब्रोथ दोनों में ईओसीपी में कमी देखी गई। इसके बाद, बायोफिल्म ने नमूने की सतह को पूरी तरह से ढक लिया और ईओसीपी अपेक्षाकृत स्थिर हो गया।36 हालांकि, जैविक ईओसीपी का स्तर गैर-जैविक ईओसीपी की तुलना में काफी अधिक था। यह मानने का कारण है कि यह अंतर पी. एरुगिनोसा बायोफिल्म निर्माण के कारण है। चित्र 2डी में, पी. एरुगिनोसा की उपस्थिति में, 2707 एचडीएसएस का icorr मान 0.627 μA cm-2 तक पहुंच गया, जो अजैविक नियंत्रण (0.063 μA cm-2) की तुलना में परिमाण का एक क्रम अधिक था, जो ईआईएस द्वारा मापा गया आरसीटी मान के अनुरूप था। पहले कुछ दिनों के दौरान, पी. एरुगिनोसा ब्रोथ में प्रतिबाधा मान पी. एरुगिनोसा कोशिकाओं के जुड़ने और बायोफिल्म के निर्माण के कारण बढ़ गए। हालांकि, जब बायोफिल्म नमूने की सतह को पूरी तरह से ढक लेती है, तो प्रतिबाधा कम हो जाती है। बायोफिल्म और बायोफिल्म मेटाबोलाइट्स के निर्माण के कारण सुरक्षात्मक परत पर सबसे पहले हमला होता है। इसलिए, समय के साथ संक्षारण प्रतिरोध कम हो गया, और पी. एरुगिनोसा के जुड़ने से स्थानीय संक्षारण हुआ। अजैविक माध्यमों में रुझान अलग थे। गैर-जैविक नियंत्रण का संक्षारण प्रतिरोध पी. एरुगिनोसा ब्रोथ के संपर्क में आए नमूनों के संबंधित मान से काफी अधिक था। इसके अलावा, अजैविक नमूनों के लिए, 2707 एचडीएसएस का आरसीटी मान 14वें दिन 489 kΩ cm2 तक पहुंच गया, जो पी. एरुगिनोसा की उपस्थिति में आरसीटी मान (32 kΩ cm2) से 15 गुना अधिक था। इसलिए, 2707 एचडीएसएस में एक रोगाणुहीन वातावरण में उत्कृष्ट संक्षारण प्रतिरोध है, लेकिन यह एमआईसी हमले के प्रति प्रतिरोधी नहीं है। पी. एरुगिनोसा बायोफिल्म।
ये परिणाम चित्र 2b में ध्रुवीकरण वक्रों से भी देखे जा सकते हैं। एनोडिक शाखाकरण का कारण स्यूडोमोनास एरुगिनोसा बायोफिल्म निर्माण और धातु ऑक्सीकरण अभिक्रियाएँ थीं। साथ ही, कैथोडिक अभिक्रिया ऑक्सीजन का अपचयन है। पी. एरुगिनोसा की उपस्थिति ने संक्षारण धारा घनत्व को काफी बढ़ा दिया, जो अजैविक नियंत्रण की तुलना में लगभग दस गुना अधिक था। इससे संकेत मिलता है कि पी. एरुगिनोसा बायोफिल्म 2707 एचडीएसएस के स्थानीय संक्षारण को बढ़ाती है। युआन एट अल29 ने पाया कि पी. एरुगिनोसा बायोफिल्म की चुनौती के तहत 70/30 Cu-Ni मिश्र धातु का संक्षारण धारा घनत्व बढ़ गया। यह स्यूडोमोनास एरुगिनोसा बायोफिल्म द्वारा ऑक्सीजन अपचयन के जैवउत्प्रेरण के कारण हो सकता है। यह अवलोकन इस कार्य में 2707 एचडीएसएस के एमआईसी की व्याख्या भी कर सकता है। वायवीय बायोफिल्म के नीचे ऑक्सीजन की मात्रा भी कम हो सकती है। इसलिए, ऑक्सीजन द्वारा धातु की सतह को पुनः निष्क्रिय करने में विफलता इस एमआईसी में योगदान देने वाला एक कारक हो सकता है। काम।
डिकिंसन एट अल. 38 ने सुझाव दिया कि रासायनिक और विद्युत रासायनिक प्रतिक्रियाओं की दरें नमूने की सतह पर स्थिर जीवाणुओं की चयापचय गतिविधि और संक्षारण उत्पादों की प्रकृति से सीधे प्रभावित हो सकती हैं। जैसा कि चित्र 5 और तालिका 5 में दिखाया गया है, 14 दिनों के बाद कोशिका संख्या और बायोफिल्म की मोटाई दोनों में कमी आई। इसका उचित स्पष्टीकरण यह है कि 14 दिनों के बाद, 2216E माध्यम में पोषक तत्वों की कमी या 2707 HDSS मैट्रिक्स से विषाक्त धातु आयनों के निकलने के कारण 2707 HDSS की सतह पर अधिकांश स्थिर कोशिकाएं मर गईं। यह बैच प्रयोगों की एक सीमा है।
इस अध्ययन में, पी. एरुगिनोसा बायोफिल्म ने 2707 एचडीएसएस सतह पर बायोफिल्म के नीचे Cr और Fe के स्थानीय क्षरण को बढ़ावा दिया (चित्र 6)। तालिका 6 में, नमूना C की तुलना में नमूना D में Fe और Cr की कमी दर्शाई गई है, जो इंगित करता है कि पी. एरुगिनोसा बायोफिल्म के कारण घुलित Fe और Cr पहले 7 दिनों के बाद भी बने रहे। समुद्री वातावरण का अनुकरण करने के लिए 2216E माध्यम का उपयोग किया जाता है। इसमें 17700 ppm Cl- होता है, जो प्राकृतिक समुद्री जल में पाए जाने वाले Cl- के बराबर है। 17700 ppm Cl- की उपस्थिति XPS द्वारा विश्लेषण किए गए 7- और 14-दिन के अजैविक नमूनों में Cr की कमी का मुख्य कारण थी। पी. एरुगिनोसा नमूनों की तुलना में, अजैविक नमूनों में Cr का विघटन बहुत कम था, क्योंकि 2707 एचडीएसएस में अजैविक वातावरण में Cl- के प्रति प्रबल प्रतिरोध होता है। चित्र 9 में पैसिवेशन फिल्म में Cr6+ की उपस्थिति दिखाई गई है। यह इसमें शामिल हो सकता है। चेन और क्लेटन द्वारा सुझाए गए अनुसार, पी. एरुगिनोसा बायोफिल्म द्वारा स्टील की सतहों से क्रोमियम को हटाना।
जीवाणु वृद्धि के कारण, संवर्धन से पहले और बाद में माध्यम का पीएच मान क्रमशः 7.4 और 8.2 था। अतः, पी. एरुगिनोसा बायोफिल्म के नीचे, कार्बनिक अम्ल क्षरण इस कार्य में योगदान देने वाला कारक होने की संभावना नहीं है, क्योंकि मुख्य माध्यम का पीएच अपेक्षाकृत उच्च है। 14 दिनों की परीक्षण अवधि के दौरान गैर-जैविक नियंत्रण माध्यम का पीएच महत्वपूर्ण रूप से नहीं बदला (प्रारंभिक 7.4 से अंतिम 7.5 तक)। ऊष्मायन के बाद इनोक्यूलेशन माध्यम में पीएच में वृद्धि पी. एरुगिनोसा की चयापचय गतिविधि के कारण हुई और परीक्षण स्ट्रिप्स की अनुपस्थिति में भी पीएच पर इसका समान प्रभाव पाया गया।
चित्र 7 में दर्शाए अनुसार, पी. एरुगिनोसा बायोफिल्म द्वारा निर्मित गड्ढे की अधिकतम गहराई 0.69 μm थी, जो अजैविक माध्यम (0.02 μm) की तुलना में काफी अधिक थी। यह ऊपर वर्णित विद्युत रासायनिक आंकड़ों के अनुरूप है। 0.69 μm गड्ढे की गहराई समान परिस्थितियों में 2205 डीएसएस के लिए रिपोर्ट किए गए 9.5 μm मान से दस गुना से भी कम है। ये आंकड़े दर्शाते हैं कि 2707 एचडीएसएस, 2205 डीएसएस की तुलना में बेहतर एमआईसी प्रतिरोध प्रदर्शित करता है। इसमें कोई आश्चर्य की बात नहीं है, क्योंकि 2707 एचडीएसएस में क्रोमियम की मात्रा अधिक होती है, जो हानिकारक द्वितीयक अवक्षेपों के बिना संतुलित चरण संरचना के कारण लंबे समय तक चलने वाला निष्क्रियकरण प्रदान करता है, जिससे पी. एरुगिनोसा के लिए निष्क्रियकरण को समाप्त करना और ग्रहण बिंदु स्थापित करना कठिन हो जाता है।
निष्कर्षतः, P. aeruginosa ब्रोथ में 2707 HDSS की सतह पर MIC पिटिंग पाई गई, जबकि अजैविक माध्यमों में यह नगण्य थी। यह अध्ययन दर्शाता है कि 2707 HDSS में 2205 DSS की तुलना में MIC प्रतिरोध क्षमता बेहतर है, लेकिन P. aeruginosa बायोफिल्म के कारण यह MIC से पूरी तरह प्रतिरक्षित नहीं है। ये निष्कर्ष समुद्री वातावरण के लिए उपयुक्त स्टेनलेस स्टील के चयन और अनुमानित सेवा जीवन में सहायक हैं।
2707 एचडीएसएस का कूपन चीन के शेनयांग स्थित पूर्वोत्तर विश्वविद्यालय (एनईयू) के धातु विज्ञान संकाय द्वारा प्रदान किया गया है। 2707 एचडीएसएस की मौलिक संरचना तालिका 1 में दर्शाई गई है, जिसका विश्लेषण एनईयू के सामग्री विश्लेषण और परीक्षण विभाग द्वारा किया गया था। सभी नमूनों को 1180 डिग्री सेल्सियस पर 1 घंटे के लिए विलयन उपचारित किया गया। संक्षारण परीक्षण से पहले, 1 सेमी² के शीर्ष उजागर सतह क्षेत्र वाले सिक्के के आकार के 2707 एचडीएसएस को सिलिकॉन कार्बाइड पेपर से 2000 ग्रिट तक पॉलिश किया गया और फिर 0.05 μm Al₂O₃ पाउडर सस्पेंशन से पॉलिश किया गया। किनारों और तल को अक्रिय पेंट से संरक्षित किया गया। सुखाने के बाद, नमूनों को रोगाणुरहित विआयनीकृत जल से धोया गया और 75% (v/v) इथेनॉल से 0.5 घंटे के लिए रोगाणुरहित किया गया। उपयोग से पहले उन्हें पराबैंगनी (यूवी) प्रकाश के नीचे 0.5 घंटे के लिए हवा में सुखाया गया।
समुद्री स्यूडोमोनास एरुगिनोसा MCCC 1A00099 स्ट्रेन को ज़ियामेन समुद्री संवर्धन संग्रह केंद्र (MCCC), चीन से खरीदा गया था। स्यूडोमोनास एरुगिनोसा को 37°C पर 250 मिलीलीटर फ्लास्क और 500 मिलीलीटर इलेक्ट्रोकेमिकल ग्लास सेल में समुद्री 2216E तरल माध्यम (किंगदाओ होप बायोटेक्नोलॉजी कंपनी लिमिटेड, किंगदाओ, चीन) का उपयोग करके वायवीय रूप से उगाया गया था। माध्यम (ग्राम/लीटर): 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 पेप्टोन, 1.0 यीस्ट एक्सट्रेक्ट और 0.1 फेरिक साइट्रेट। इनोक्यूलेशन से पहले 121°C पर 20 मिनट के लिए ऑटोक्लेव करें। 400X आवर्धन पर प्रकाश माइक्रोस्कोप के नीचे हीमोसाइटोमीटर का उपयोग करके स्थिर और प्लवक कोशिकाओं की गणना करें। इनोक्यूलेशन के तुरंत बाद प्लवक स्यूडोमोनास एरुगिनोसा की प्रारंभिक कोशिका सांद्रता लगभग 106 कोशिकाएं/मिलीलीटर थी।
इलेक्ट्रोकेमिकल परीक्षण 500 मिलीलीटर के मध्यम आयतन वाले एक क्लासिक तीन-इलेक्ट्रोड ग्लास सेल में किए गए। प्लैटिनम शीट और संतृप्त कैलोमेल इलेक्ट्रोड (एससीई) को लवण सेतुओं से भरी लुगिन केशिकाओं के माध्यम से रिएक्टर से जोड़ा गया, जो क्रमशः काउंटर और संदर्भ इलेक्ट्रोड के रूप में कार्य करते थे। कार्यशील इलेक्ट्रोड बनाने के लिए, प्रत्येक नमूने से एक रबर-लेपित तांबे का तार जोड़ा गया और उसे एपॉक्सी से ढक दिया गया, जिससे कार्यशील इलेक्ट्रोड के लिए लगभग 1 सेमी² का खुला एकल-पक्षीय सतह क्षेत्र बचा रहा। इलेक्ट्रोकेमिकल मापन के दौरान, नमूनों को 2216E माध्यम में रखा गया और जल स्नान में एक स्थिर ऊष्मायन तापमान (37 डिग्री सेल्सियस) पर बनाए रखा गया। ओसीपी, एलपीआर, ईआईएस और संभावित गतिशील ध्रुवीकरण डेटा को ऑटोलैब पोटेंशियोस्टेट (रेफरेंस 600टीएम, गैमरी इंस्ट्रूमेंट्स, इंक., यूएसए) का उपयोग करके मापा गया। एलपीआर परीक्षण -5 और 5 एमवी की सीमा में 0.125 एमवी s⁻¹ की स्कैन दर पर ईओसीपी के साथ और 1 की नमूना आवृत्ति पर रिकॉर्ड किए गए। Hz.EIS को 0.01 से 10,000 Hz की आवृत्ति सीमा में साइन तरंग का उपयोग करके, स्थिर अवस्था Eocp पर 5 mV अनुप्रयुक्त वोल्टेज के साथ किया गया था। विभव स्वीप से पहले, इलेक्ट्रोड को ओपन-सर्किट मोड में रखा गया था जब तक कि एक स्थिर मुक्त संक्षारण विभव मान प्राप्त नहीं हो गया। इसके बाद, ध्रुवीकरण वक्रों को -0.2 से 1.5 V बनाम Eocp तक 0.166 mV/s की स्कैन दर पर चलाया गया। प्रत्येक परीक्षण को P. aeruginosa के साथ और उसके बिना 3 बार दोहराया गया।
धातुवैज्ञानिक विश्लेषण के लिए नमूनों को 2000 ग्रिट वेट SiC पेपर से यांत्रिक रूप से पॉलिश किया गया और फिर ऑप्टिकल अवलोकन के लिए 0.05 μm Al2O3 पाउडर सस्पेंशन से आगे पॉलिश किया गया। धातुवैज्ञानिक विश्लेषण एक ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप का उपयोग करके किया गया। नमूनों को 10 wt.% पोटेशियम हाइड्रॉक्साइड घोल 43 से एच किया गया।
इनक्यूबेशन के बाद, नमूनों को फॉस्फेट-बफर्ड सलाइन (पीबीएस) घोल (पीएच 7.4 ± 0.2) से 3 बार धोया गया और फिर बायोफिल्म को स्थिर करने के लिए 2.5% (v/v) ग्लूटराल्डिहाइड के साथ 10 घंटे के लिए स्थिर किया गया। इसके बाद, हवा में सुखाने से पहले इसे इथेनॉल की एक श्रेणीबद्ध श्रृंखला (50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95% और 100% v/v) के साथ निर्जलित किया गया। अंत में, एसईएम अवलोकन के लिए चालकता प्रदान करने के लिए नमूने की सतह पर सोने की परत चढ़ाई गई। एसईएम छवियों को प्रत्येक नमूने की सतह पर सबसे अधिक स्थिर पी. एरुगिनोसा कोशिकाओं वाले स्थानों पर केंद्रित किया गया था। रासायनिक तत्वों का पता लगाने के लिए ईडीएस विश्लेषण किया गया। गड्ढे की गहराई मापने के लिए ज़ीस कन्फोकल लेजर स्कैनिंग माइक्रोस्कोप (सीएलएसएम) (एलएसएम 710, ज़ीस, जर्मनी) का उपयोग किया गया। परीक्षण के दौरान, परीक्षण के नमूने की सतह पर मौजूद संक्षारण उत्पादों और बायोफिल्म को हटाने के लिए, परीक्षण के नमूने को पहले चीनी राष्ट्रीय मानक (सीएनएस) जीबी/टी4334.4-2000 के अनुसार साफ किया गया था।
मानक परिस्थितियों में 0-1350 eV की विस्तृत बंधन ऊर्जा सीमा पर एकवर्णी एक्स-रे स्रोत (1500 eV ऊर्जा और 150 W शक्ति पर एल्यूमीनियम Kα रेखा) का उपयोग करके एक्स-रे फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी (XPS, ESCALAB250 सतह विश्लेषण प्रणाली, थर्मो VG, USA) विश्लेषण किया गया। उच्च-रिज़ॉल्यूशन स्पेक्ट्रा को 50 eV पास ऊर्जा और 0.2 eV स्टेप आकार का उपयोग करके रिकॉर्ड किया गया।
इनक्यूबेट किए गए नमूनों को निकालकर 15 सेकंड के लिए पीबीएस (पीएच 7.4 ± 0.2) से धीरे से धोया गया। नमूनों पर बायोफिल्म की जीवाणु व्यवहार्यता का अवलोकन करने के लिए, बायोफिल्म को LIVE/DEAD BacLight बैक्टीरियल वायबिलिटी किट (इनविट्रोजन, यूजीन, ओरेगन, यूएसए) का उपयोग करके रंगा गया। किट में दो फ्लोरोसेंट डाई हैं, एक हरा फ्लोरोसेंट SYTO-9 डाई और एक लाल फ्लोरोसेंट प्रोपिडियम आयोडाइड (PI) डाई। CLSM के तहत, फ्लोरोसेंट हरे और लाल रंग के बिंदु क्रमशः जीवित और मृत कोशिकाओं को दर्शाते हैं। रंगाई के लिए, 3 μl SYTO-9 और 3 μl PI घोल वाले 1 मिलीलीटर मिश्रण को कमरे के तापमान (23°C) पर अंधेरे में 20 मिनट के लिए इनक्यूबेट किया गया। इसके बाद, रंगे हुए नमूनों को निकॉन CLSM का उपयोग करके दो तरंग दैर्ध्य (जीवित कोशिकाओं के लिए 488 एनएम और मृत कोशिकाओं के लिए 559 एनएम) पर देखा गया। मशीन (C2 Plus, Nikon, Japan) का उपयोग करके बायोफिल्म की मोटाई को 3-D स्कैनिंग मोड में मापा गया।
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