Terima kasih kerana melayari Nature.com. Versi pelayar yang anda gunakan mempunyai sokongan CSS yang terhad. Untuk pengalaman terbaik, kami mengesyorkan anda menggunakan pelayar yang dikemas kini (atau mematikan mod keserasian dalam Internet Explorer). Sementara itu, untuk memastikan sokongan berterusan, kami akan memaparkan laman web tanpa gaya dan JavaScript.
Kakisan mikrob (MIC) merupakan masalah serius dalam banyak industri kerana ia boleh menyebabkan kerugian ekonomi yang besar. Keluli tahan karat super dupleks 2707 (2707 HDSS) telah digunakan dalam persekitaran marin kerana rintangan kimianya yang sangat baik. Walau bagaimanapun, rintangannya terhadap MIC belum ditunjukkan secara eksperimen. Dalam kajian ini, tingkah laku MIC 2707 HDSS yang disebabkan oleh bakteria aerobik marin Pseudomonas aeruginosa telah dikaji. Analisis elektrokimia menunjukkan bahawa dengan kehadiran biofilm Pseudomonas aeruginosa dalam medium 2216E, terdapat perubahan positif dalam potensi kakisan dan peningkatan ketumpatan arus kakisan. Analisis spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS) menunjukkan penurunan kandungan Cr pada permukaan spesimen di bawah biofilm. Analisis pengimejan lubang menunjukkan bahawa biofilm P. aeruginosa menghasilkan kedalaman lubang maksimum 0.69 μm semasa 14 hari pengeraman. Walaupun ini kecil, ia menunjukkan bahawa 2707 HDSS tidak sepenuhnya kebal terhadap MIC biofilm P. aeruginosa.
Keluli tahan karat dupleks (DSS) digunakan secara meluas dalam pelbagai industri kerana gabungan ideal sifat mekanikal dan rintangan kakisan yang sangat baik1,2. Walau bagaimanapun, lubang setempat masih berlaku dan ia menjejaskan integriti keluli ini3,4. DSS tidak tahan terhadap kakisan mikrob (MIC)5,6. Walaupun terdapat pelbagai aplikasi DSS, masih terdapat persekitaran di mana rintangan kakisan DSS tidak mencukupi untuk kegunaan jangka panjang. Ini bermakna bahan yang lebih mahal dengan rintangan kakisan yang lebih tinggi diperlukan. Jeon et al7 mendapati bahawa keluli tahan karat super dupleks (SDSS) pun mempunyai beberapa batasan dari segi rintangan kakisan. Oleh itu, keluli tahan karat super dupleks (HDSS) dengan rintangan kakisan yang lebih tinggi diperlukan dalam beberapa aplikasi. Ini membawa kepada pembangunan HDSS yang sangat dialoi.
Rintangan kakisan DSS bergantung pada nisbah fasa alfa dan gamma serta kawasan Cr, Mo dan W yang susut 8, 9, 10 bersebelahan dengan fasa kedua. HDSS mengandungi kandungan Cr, Mo dan N11 yang tinggi, jadi ia mempunyai rintangan kakisan yang sangat baik dan Nombor Setara Rintangan Lubang (PREN) bernilai tinggi (45-50), yang ditentukan oleh wt.% Cr + 3.3 (wt.% Mo + 0.5 wt% W) + 16 wt% N12. Rintangan kakisannya yang sangat baik bergantung pada komposisi seimbang yang mengandungi kira-kira 50% fasa ferit (α) dan 50% austenit (γ), HDSS mempunyai sifat mekanikal yang lebih baik dan rintangan yang lebih tinggi daripada DSS13 konvensional. Sifat kakisan klorida. Rintangan kakisan yang dipertingkatkan meluaskan penggunaan HDSS dalam persekitaran klorida yang lebih menghakis, seperti persekitaran marin.
MIC merupakan masalah utama dalam banyak industri seperti minyak dan gas serta utiliti air14. MIC menyumbang 20% ​​daripada semua kerosakan kakisan15. MIC ialah kakisan bioelektrokimia yang boleh diperhatikan dalam banyak persekitaran. Biofilem yang terbentuk pada permukaan logam mengubah keadaan elektrokimia, sekali gus menjejaskan proses kakisan. Adalah dipercayai secara meluas bahawa kakisan MIC disebabkan oleh biofilem. Mikroorganisma elektrogenik menghakis logam untuk mendapatkan tenaga yang berterusan untuk terus hidup17. Kajian MIC baru-baru ini menunjukkan bahawa EET (pemindahan elektron ekstraselular) ialah faktor pengehad kadar dalam MIC yang disebabkan oleh mikroorganisma elektrogenik. Zhang et al. 18 menunjukkan bahawa pengantara elektron mempercepatkan pemindahan elektron antara sel Desulfovibrio sessificans dan keluli tahan karat 304, yang membawa kepada serangan MIC yang lebih teruk. Enning et al. 19 dan Venzlaff et al. 20 menunjukkan bahawa biofilem bakteria pengurangan sulfat (SRB) yang menghakis boleh menyerap elektron secara langsung daripada substrat logam, mengakibatkan kakisan bopeng yang teruk.
DSS diketahui mudah terdedah kepada MIC dalam persekitaran yang mengandungi SRB, bakteria pengurang zat besi (IRB), dan sebagainya. 21. Bakteria ini menyebabkan lubang setempat pada permukaan DSS di bawah biofilem 22,23. Tidak seperti DSS, MIC HDSS24 kurang diketahui.
Pseudomonas aeruginosa ialah bakteria berbentuk rod motil gram-negatif yang tersebar luas di alam semula jadi25. Pseudomonas aeruginosa juga merupakan kumpulan mikrob utama dalam persekitaran marin, menyebabkan MIC kepada keluli. Pseudomonas terlibat rapat dalam proses kakisan dan diiktiraf sebagai penjajah perintis semasa pembentukan biofilm. Mahat et al. 28 dan Yuan et al. 29 menunjukkan bahawa Pseudomonas aeruginosa mempunyai kecenderungan untuk meningkatkan kadar kakisan keluli lembut dan aloi dalam persekitaran akueus.
Objektif utama kajian ini adalah untuk mengkaji sifat MIC 2707 HDSS yang disebabkan oleh bakteria aerobik marin Pseudomonas aeruginosa menggunakan kaedah elektrokimia, teknik analisis permukaan dan analisis produk kakisan. Kajian elektrokimia termasuk Potensi Litar Terbuka (OCP), Rintangan Pengkutuban Linear (LPR), Spektroskopi Impedans Elektrokimia (EIS), dan Potensi Pengkutuban Dinamik telah dijalankan untuk mengkaji kelakuan MIC 2707 HDSS. Analisis spektrometer serakan tenaga (EDS) telah dijalankan untuk mencari unsur kimia pada permukaan yang berkarat. Di samping itu, analisis spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS) telah digunakan untuk menentukan kestabilan pempasifan filem oksida di bawah pengaruh persekitaran marin yang mengandungi Pseudomonas aeruginosa. Kedalaman lubang diukur di bawah mikroskop pengimbasan laser confocal (CLSM).
Jadual 1 menyenaraikan komposisi kimia 2707 HDSS. Jadual 2 menunjukkan bahawa 2707 HDSS mempunyai sifat mekanikal yang sangat baik dengan kekuatan alah 650 MPa. Rajah 1 menunjukkan mikrostruktur optik larutan 2707 HDSS yang dirawat haba. Jalur memanjang fasa austenit dan ferit tanpa fasa sekunder boleh dilihat dalam mikrostruktur yang mengandungi kira-kira 50% fasa austenit dan 50% fasa ferit.
Rajah 2a menunjukkan potensi litar terbuka (Eocp) berbanding data masa pendedahan untuk 2707 HDSS dalam medium abiotik 2216E dan sup P. aeruginosa selama 14 hari pada suhu 37 °C. Ia menunjukkan bahawa perubahan terbesar dan ketara dalam Eocp berlaku dalam tempoh 24 jam pertama. Nilai Eocp dalam kedua-dua kes mencapai kemuncak pada -145 mV (vs. SCE) sekitar 16 jam dan kemudian menurun mendadak, masing-masing mencapai -477 mV (vs. SCE) dan -236 mV (vs. SCE) untuk sampel abiotik dan P). Kupon Pseudomonas aeruginosa, masing-masing. Selepas 24 jam, nilai Eocp 2707 HDSS untuk P. aeruginosa agak stabil pada -228 mV (berbanding SCE), manakala nilai yang sepadan untuk sampel bukan biologi adalah kira-kira -442 mV (berbanding SCE). Eocp dengan kehadiran P. aeruginosa agak rendah.
Ujian elektrokimia bagi 2707 spesimen HDSS dalam medium abiotik dan sup Pseudomonas aeruginosa pada suhu 37 °C:
(a) Eocp sebagai fungsi masa pendedahan, (b) lengkung pengkutuban pada hari ke-14, (c) Rp sebagai fungsi masa pendedahan dan (d) icorr sebagai fungsi masa pendedahan.
Jadual 3 menyenaraikan nilai parameter kakisan elektrokimia bagi 2707 sampel HDSS yang terdedah kepada medium abiotik dan medium yang diinokulasi Pseudomonas aeruginosa selama 14 hari. Tangen lengkung anodik dan katodik telah diekstrapolasi untuk sampai ke persilangan yang menghasilkan ketumpatan arus kakisan (icorr), potensi kakisan (Ecorr) dan cerun Tafel (βα dan βc) mengikut kaedah piawai 30, 31.
Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2b, anjakan ke atas lengkung P. aeruginosa mengakibatkan peningkatan Ecorr berbanding lengkung abiotik. Nilai icorr, yang berkadar terus dengan kadar kakisan, meningkat kepada 0.328 μA cm-2 dalam sampel Pseudomonas aeruginosa, empat kali ganda daripada sampel bukan biologi (0.087 μA cm-2).
LPR ialah kaedah elektrokimia tanpa pemusnah klasik untuk analisis kakisan pantas. Ia juga digunakan untuk mengkaji MIC32. Rajah 2c menunjukkan rintangan pengkutuban (Rp) sebagai fungsi masa pendedahan. Nilai Rp yang lebih tinggi bermakna kurang kakisan. Dalam tempoh 24 jam pertama, Rp bagi 2707 HDSS mencapai nilai maksimum 1955 kΩ cm2 untuk sampel abiotik dan 1429 kΩ cm2 untuk sampel Pseudomonas aeruginosa. Rajah 2c juga menunjukkan bahawa nilai Rp menurun dengan cepat selepas satu hari dan kemudian kekal agak tidak berubah untuk 13 hari berikutnya. Nilai Rp bagi sampel Pseudomonas aeruginosa adalah kira-kira 40 kΩ cm2, yang jauh lebih rendah daripada nilai 450 kΩ cm2 bagi sampel bukan biologi.
Nilai icorr adalah berkadar terus dengan kadar kakisan seragam. Nilainya boleh dikira daripada persamaan Stern-Geary berikut,
Mengikuti Zou et al. 33, nilai tipikal cerun Tafel B dalam kajian ini diandaikan sebagai 26 mV/dec. Rajah 2d menunjukkan bahawa icorr sampel bukan biologi 2707 kekal agak stabil, manakala sampel P. aeruginosa berubah-ubah dengan ketara selepas 24 jam pertama. Nilai icorr sampel P. aeruginosa adalah satu peringkat magnitud yang lebih tinggi daripada kawalan bukan biologi. Trend ini selaras dengan keputusan rintangan polarisasi.
EIS merupakan satu lagi teknik tanpa musnah yang digunakan untuk mencirikan tindak balas elektrokimia pada antara muka yang berkarat. Spektrum impedans dan nilai kapasitans yang dikira bagi spesimen yang terdedah kepada media abiotik dan larutan Pseudomonas aeruginosa, rintangan Rb filem/biofilm pasif yang terbentuk pada permukaan spesimen, rintangan pemindahan cas Rct, kapasitans lapisan berganda elektrik Cdl (EDL) dan parameter Unsur Fasa Malar QCPE (CPE). Parameter ini dianalisis selanjutnya dengan memadankan data menggunakan model litar setara (EEC).
Rajah 3 menunjukkan plot Nyquist tipikal (a dan b) dan plot Bode (a' dan b') bagi 2707 sampel HDSS dalam medium abiotik dan sup P. aeruginosa untuk masa pengeraman yang berbeza. Diameter cincin Nyquist berkurangan dengan kehadiran Pseudomonas aeruginosa. Plot Bode (Rajah 3b') menunjukkan peningkatan dalam magnitud impedans jumlah. Maklumat tentang pemalar masa pengenduran boleh diberikan oleh fasa maksimum. Rajah 4 menunjukkan struktur fizikal berasaskan monolayer (a) dan dwilayer (b) dan EEC yang sepadan. CPE diperkenalkan ke dalam model EEC. Kemasukan dan impedansnya dinyatakan seperti berikut:
Dua model fizikal dan litar setara yang sepadan untuk menyesuaikan spektrum impedans spesimen HDSS 2707:
di mana Y0 ialah magnitud CPE, j ialah nombor khayalan atau (-1)1/2, ω ialah frekuensi sudut, dan n ialah indeks kuasa CPE kurang daripada unit35. Songsangan rintangan pemindahan cas (iaitu 1/Rct) sepadan dengan kadar kakisan. Rct yang lebih kecil bermakna kadar kakisan yang lebih cepat27. Selepas 14 hari pengeraman, Rct sampel Pseudomonas aeruginosa mencapai 32 kΩ cm2, jauh lebih kecil daripada 489 kΩ cm2 sampel bukan biologi (Jadual 4).
Imej CLSM dan imej SEM dalam Rajah 5 jelas menunjukkan bahawa liputan biofilm pada permukaan spesimen HDSS 2707 selepas 7 hari adalah padat. Walau bagaimanapun, selepas 14 hari, liputan biofilm adalah jarang dan beberapa sel mati muncul. Jadual 5 menunjukkan ketebalan biofilm pada spesimen HDSS 2707 selepas terdedah kepada P. aeruginosa selama 7 dan 14 hari. Ketebalan biofilm maksimum berubah daripada 23.4 μm selepas 7 hari kepada 18.9 μm selepas 14 hari. Ketebalan biofilm purata juga mengesahkan trend ini. Ia menurun daripada 22.2 ± 0.7 μm selepas 7 hari kepada 17.8 ± 1.0 μm selepas 14 hari.
(a) Imej CLSM 3-D selepas 7 hari, (b) Imej CLSM 3-D selepas 14 hari, (c) Imej SEM selepas 7 hari dan (d) Imej SEM selepas 14 hari.
EDS mendedahkan unsur kimia dalam biofilm dan produk kakisan pada sampel yang terdedah kepada P. aeruginosa selama 14 hari. Rajah 6 menunjukkan bahawa kandungan C, N, O, dan P dalam biofilm dan produk kakisan adalah jauh lebih tinggi daripada logam terdedah, kerana unsur-unsur ini dikaitkan dengan biofilm dan metabolitnya. Mikrob hanya memerlukan sedikit kromium dan besi. Tahap Cr dan Fe yang tinggi dalam biofilm dan produk kakisan pada permukaan spesimen menunjukkan bahawa matriks logam telah kehilangan unsur akibat kakisan.
Selepas 14 hari, lubang dengan dan tanpa P. aeruginosa diperhatikan dalam medium 2216E. Sebelum pengeraman, permukaan spesimen licin dan bebas kecacatan (Rajah 7a). Selepas pengeraman dan penyingkiran biofilm dan produk kakisan, lubang terdalam pada permukaan spesimen diperiksa di bawah CLSM, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 7b dan c. Tiada lubang yang jelas ditemui pada permukaan sampel kawalan bukan biologi (kedalaman lubang maksimum 0.02 μm). Kedalaman lubang maksimum yang disebabkan oleh Pseudomonas aeruginosa ialah 0.52 μm selepas 7 hari dan 0.69 μm selepas 14 hari, berdasarkan purata kedalaman lubang maksimum 3 sampel (10 nilai kedalaman lubang maksimum dipilih untuk setiap sampel) masing-masing mencapai 0.42 ± 0.12 μm dan 0.52 ± 0.15 μm (Jadual 5). Nilai kedalaman lubang ini kecil tetapi penting.
(a) Sebelum pendedahan, (b) 14 hari dalam medium abiotik dan (c) 14 hari dalam sup Pseudomonas aeruginosa.
Rajah 8 menunjukkan spektrum XPS bagi permukaan sampel yang berbeza, dan komposisi kimia yang dianalisis untuk setiap permukaan diringkaskan dalam Jadual 6. Dalam Jadual 6, peratusan atom Fe dan Cr dengan kehadiran P. aeruginosa (sampel A dan B) adalah jauh lebih rendah daripada sampel kawalan bukan biologi (sampel C dan D). Bagi sampel P. aeruginosa, lengkung spektrum aras teras Cr 2p telah dipadankan dengan empat komponen puncak dengan nilai tenaga pengikat (BE) masing-masing sebanyak 574.4, 576.6, 578.3 dan 586.8 eV, yang boleh dikaitkan dengan Cr, Cr2O3, CrO3 dan Cr(OH)3 (Rajah 9a dan b). Bagi spesimen bukan biologi, spektrum aras teras Cr 2p mengandungi dua puncak utama untuk Cr (573.80 eV untuk BE) dan Cr2O3 (575.90 eV untuk BE) dalam Rajah. 9c dan d, masing-masing. Perbezaan paling ketara antara sampel abiotik dan P. aeruginosa ialah kehadiran Cr6+ dan pecahan relatif Cr(OH)3 (BE iaitu 586.8 eV) yang lebih tinggi di bawah biofilm.
Spektrum XPS luas permukaan spesimen HDSS 2707 dalam kedua-dua media masing-masing ialah 7 hari dan 14 hari.
(a) 7 hari pendedahan kepada P. aeruginosa, (b) 14 hari pendedahan kepada P. aeruginosa, (c) 7 hari dalam medium abiotik dan (d) 14 hari dalam medium abiotik.
HDSS mempamerkan tahap rintangan kakisan yang tinggi dalam kebanyakan persekitaran. Kim et al. 2 melaporkan bahawa UNS S32707 HDSS ditakrifkan sebagai DSS yang sangat aloi dengan PREN lebih daripada 45. Nilai PREN bagi spesimen HDSS 2707 dalam kajian ini ialah 49. Ini disebabkan oleh kandungan kromium yang tinggi dan tahap molibdenum dan Ni yang tinggi, yang bermanfaat dalam persekitaran berasid dan klorida yang tinggi. Di samping itu, komposisi yang seimbang dan mikrostruktur bebas kecacatan berguna untuk kestabilan struktur dan rintangan kakisan. Walau bagaimanapun, walaupun rintangan kimianya sangat baik, data eksperimen dalam kajian ini menunjukkan bahawa HDSS 2707 tidak sepenuhnya kebal terhadap MIC biofilm P. aeruginosa.
Keputusan elektrokimia menunjukkan bahawa kadar kakisan 2707 HDSS dalam sup P. aeruginosa meningkat dengan ketara selepas 14 hari berbanding medium bukan biologi. Dalam Rajah 2a, pengurangan Eocp diperhatikan dalam kedua-dua medium abiotik dan sup P. aeruginosa semasa 24 jam pertama. Selepas itu, biofilm telah selesai menutup permukaan spesimen dan Eocp menjadi agak stabil36. Walau bagaimanapun, tahap Eocp biologi adalah jauh lebih tinggi daripada Eocp bukan biologi. Terdapat sebab untuk mempercayai bahawa perbezaan ini disebabkan oleh pembentukan biofilm P. aeruginosa. Dalam Rajah 2d, dengan kehadiran P. aeruginosa, nilai icorr 2707 HDSS mencapai 0.627 μA cm-2, yang merupakan satu peringkat magnitud yang lebih tinggi daripada kawalan abiotik (0.063 μA cm-2), yang konsisten dengan nilai Rct yang diukur oleh EIS. Semasa beberapa hari pertama, nilai impedans dalam P. Kaldu aeruginosa meningkat disebabkan oleh pelekatan sel P. aeruginosa dan pembentukan biofilm. Walau bagaimanapun, apabila biofilm menutupi permukaan spesimen sepenuhnya, impedans berkurangan. Lapisan pelindung diserang terlebih dahulu disebabkan oleh pembentukan biofilm dan metabolit biofilm. Oleh itu, rintangan kakisan berkurangan dari semasa ke semasa, dan pelekatan P. aeruginosa menyebabkan kakisan setempat. Trend dalam media abiotik adalah berbeza. Rintangan kakisan kawalan bukan biologi adalah jauh lebih tinggi daripada nilai sepadan sampel yang terdedah kepada Kaldu P. aeruginosa. Tambahan pula, untuk sampel abiotik, nilai Rct 2707 HDSS mencapai 489 kΩ cm2 pada hari ke-14, iaitu 15 kali ganda nilai Rct (32 kΩ cm2) dengan kehadiran P. aeruginosa. Oleh itu, 2707 HDSS mempunyai rintangan kakisan yang sangat baik dalam persekitaran steril, tetapi tidak tahan terhadap serangan MIC oleh biofilm P. aeruginosa.
Keputusan ini juga boleh diperhatikan daripada lengkung polarisasi dalam Rajah 2b. Percabangan anodik dikaitkan dengan pembentukan biofilm Pseudomonas aeruginosa dan tindak balas pengoksidaan logam. Pada masa yang sama, tindak balas katodik adalah pengurangan oksigen. Kehadiran P. aeruginosa meningkatkan ketumpatan arus kakisan dengan ketara, kira-kira satu peringkat magnitud yang lebih tinggi daripada kawalan abiotik. Ini menunjukkan bahawa biofilm P. aeruginosa meningkatkan kakisan setempat 2707 HDSS. Yuan et al29 mendapati bahawa ketumpatan arus kakisan aloi 70/30 Cu-Ni meningkat di bawah cabaran biofilm P. aeruginosa. Ini mungkin disebabkan oleh biopemangkinan pengurangan oksigen oleh biofilm Pseudomonas aeruginosa. Pemerhatian ini juga boleh menjelaskan MIC 2707 HDSS dalam kajian ini. Biofilm aerobik juga mungkin mempunyai kurang oksigen di bawahnya. Oleh itu, kegagalan untuk memasifkan semula permukaan logam oleh oksigen mungkin merupakan faktor penyumbang kepada MIC dalam kajian ini.
Dickinson et al. 38 mencadangkan bahawa kadar tindak balas kimia dan elektrokimia boleh dipengaruhi secara langsung oleh aktiviti metabolik bakteria sessile pada permukaan spesimen dan sifat produk kakisan. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 5 dan Jadual 5, kedua-dua bilangan sel dan ketebalan biofilm menurun selepas 14 hari. Ini boleh dijelaskan secara munasabah bahawa selepas 14 hari, kebanyakan sel sessile pada permukaan 2707 HDSS mati akibat kekurangan nutrien dalam medium 2216E atau pembebasan ion logam toksik daripada matriks 2707 HDSS. Ini adalah batasan eksperimen kelompok.
Dalam kajian ini, biofilm P. aeruginosa menggalakkan pengurangan setempat Cr dan Fe di bawah biofilm pada permukaan HDSS 2707 (Rajah 6). Dalam Jadual 6, pengurangan Fe dan Cr dalam sampel D berbanding sampel C, menunjukkan bahawa Fe dan Cr terlarut yang disebabkan oleh biofilm P. aeruginosa berterusan melebihi 7 hari pertama. Medium 2216E digunakan untuk mensimulasikan persekitaran marin. Ia mengandungi 17700 ppm Cl-, yang setanding dengan yang terdapat dalam air laut semula jadi. Kehadiran 17700 ppm Cl- adalah sebab utama pengurangan Cr dalam sampel abiotik 7 dan 14 hari yang dianalisis oleh XPS. Berbanding dengan sampel P. aeruginosa, pembubaran Cr dalam sampel abiotik adalah jauh lebih rendah disebabkan oleh rintangan Cl− yang kuat bagi HDSS 2707 dalam persekitaran abiotik. Rajah 9 menunjukkan kehadiran Cr6+ dalam filem pasivasi. Ia mungkin terlibat dalam penyingkiran Cr daripada permukaan keluli oleh biofilm P. aeruginosa, seperti yang dicadangkan oleh Chen dan Clayton.
Disebabkan oleh pertumbuhan bakteria, nilai pH medium sebelum dan selepas penanaman masing-masing adalah 7.4 dan 8.2. Oleh itu, di bawah biofilm P. aeruginosa, kakisan asid organik tidak mungkin menjadi faktor penyumbang kepada kerja ini disebabkan oleh pH yang agak tinggi dalam medium pukal. pH medium kawalan bukan biologi tidak berubah dengan ketara (daripada 7.4 awal kepada 7.5 akhir) semasa tempoh ujian 14 hari. Peningkatan pH dalam medium inokulasi selepas pengeraman adalah disebabkan oleh aktiviti metabolik P. aeruginosa dan didapati mempunyai kesan yang sama pada pH tanpa jalur ujian.
Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 7, kedalaman lubang maksimum yang disebabkan oleh biofilm P. aeruginosa ialah 0.69 μm, yang jauh lebih besar daripada medium abiotik (0.02 μm). Ini selaras dengan data elektrokimia yang diterangkan di atas. Kedalaman lubang 0.69 μm adalah lebih daripada sepuluh kali lebih kecil daripada nilai 9.5 μm yang dilaporkan untuk 2205 DSS di bawah keadaan yang sama. Data ini menunjukkan bahawa 2707 HDSS mempamerkan rintangan MIC yang lebih baik berbanding 2205 DSS. Ini tidak mengejutkan, kerana 2707 HDSS mempunyai kandungan kromium yang lebih tinggi, memberikan pasivasi yang lebih tahan lama, disebabkan oleh struktur fasa yang seimbang tanpa mendakan sekunder yang berbahaya, menjadikannya lebih sukar untuk P. aeruginosa untuk menyahpasivasi dan melepasi titik permulaan.
Kesimpulannya, lubang MIC ditemui pada permukaan 2707 HDSS dalam sup P. aeruginosa berbanding lubang yang boleh diabaikan dalam media abiotik. Kajian ini menunjukkan bahawa 2707 HDSS mempunyai rintangan MIC yang lebih baik daripada 2205 DSS, tetapi ia tidak sepenuhnya kebal terhadap MIC disebabkan oleh biofilm P. aeruginosa. Penemuan ini membantu dalam pemilihan keluli tahan karat yang sesuai dan anggaran hayat perkhidmatan untuk persekitaran marin.
Kupon untuk 2707 HDSS disediakan oleh Sekolah Metalurgi Universiti Northeastern (NEU) di Shenyang, China. Komposisi unsur 2707 HDSS ditunjukkan dalam Jadual 1, yang dianalisis oleh Jabatan Analisis dan Pengujian Bahan NEU. Semua sampel dirawat dengan larutan pada suhu 1180 °C selama 1 jam. Sebelum ujian kakisan, 2707 HDSS berbentuk syiling dengan luas permukaan atas yang terdedah 1 cm2 digilap hingga 2000 grit dengan kertas silikon karbida dan digilap selanjutnya dengan suspensi serbuk Al2O3 0.05 μm. Bahagian sisi dan bawah dilindungi oleh cat lengai. Selepas pengeringan, spesimen dibilas dengan air deionisasi steril dan disterilkan dengan 75% (v/v) etanol selama 0.5 jam. Kemudian ia dikeringkan di bawah cahaya ultraungu (UV) selama 0.5 jam sebelum digunakan.
Strain Marin Pseudomonas aeruginosa MCCC 1A00099 telah dibeli daripada Pusat Pengumpulan Kultur Marin Xiamen (MCCC), China. Pseudomonas aeruginosa telah ditumbuhkan secara aerobik pada suhu 37°C dalam kelalang 250 ml dan sel kaca elektrokimia 500 ml menggunakan medium cecair Marin 2216E (Qingdao Hope Biotechnology Co., Ltd., Qingdao, China). Medium (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, 0016 NH3, 0016 NH3, 0016 NaH2PO4, 5.0 pepton, 1.0 ekstrak yis dan 0.1 ferik sitrat. Autoklaf pada suhu 121°C selama 20 minit sebelum inokulasi. Kira sel sessile dan planktonik menggunakan hemocytometer di bawah mikroskop cahaya pada pembesaran 400X. Kepekatan sel awal Pseudomonas aeruginosa planktonik sejurus selepas inokulasi adalah lebih kurang 106 sel/ml.
Ujian elektrokimia telah dijalankan dalam sel kaca tiga elektrod klasik dengan isipadu sederhana 500 ml. Satu kepingan platinum dan elektrod kalomel tepu (SCE) telah disambungkan ke reaktor melalui kapilari Luggin yang diisi dengan jambatan garam, masing-masing berfungsi sebagai elektrod kaunter dan elektrod rujukan. Untuk membuat elektrod kerja, dawai kuprum bersalut getah telah dilekatkan pada setiap spesimen dan ditutup dengan epoksi, meninggalkan kira-kira 1 cm2 luas permukaan satu sisi yang terdedah untuk elektrod kerja. Semasa pengukuran elektrokimia, sampel telah diletakkan dalam medium 2216E dan dikekalkan pada suhu pengeraman malar (37 °C) dalam mandian air. Data OCP, LPR, EIS dan polarisasi dinamik berpotensi telah diukur menggunakan potensiostat Autolab (Rujukan 600TM, Gamry Instruments, Inc., USA). Ujian LPR telah direkodkan pada kadar imbasan 0.125 mV s-1 dalam julat -5 dan 5 mV dengan Eocp dan frekuensi persampelan 1 Hz. EIS telah dijalankan dengan gelombang sinus dalam julat frekuensi. 0.01 hingga 10,000 Hz menggunakan voltan 5 mV yang dikenakan pada keadaan mantap Eocp. Sebelum sapuan potensi, elektrod berada dalam mod litar terbuka sehingga nilai potensi kakisan bebas yang stabil dicapai. Lengkung pengkutuban kemudiannya dijalankan dari -0.2 hingga 1.5 V berbanding Eocp pada kadar imbasan 0.166 mV/s. Setiap ujian diulang 3 kali dengan dan tanpa P. aeruginosa.
Spesimen untuk analisis metalografi digilap secara mekanikal dengan kertas SiC basah 2000 grit dan kemudian digilap lagi dengan ampaian serbuk Al2O3 0.05 μm untuk pemerhatian optik. Analisis metalografi dilakukan menggunakan mikroskop optik. Spesimen diukir dengan larutan kalium hidroksida 10 wt.% 43.
Selepas pengeraman, sampel dibasuh sebanyak 3 kali dengan larutan salin penimbal fosfat (PBS) (pH 7.4 ± 0.2) dan kemudian difiksasi dengan 2.5% (v/v) glutaraldehida selama 10 jam untuk mengikat biofilm. Ia kemudiannya dinyahhidratkan dengan siri bergred (50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95% dan 100% v/v) etanol sebelum pengeringan udara. Akhir sekali, permukaan sampel dicurahkan dengan filem emas untuk memberikan kekonduksian untuk pemerhatian SEM. Imej SEM difokuskan pada bintik-bintik dengan sel P. aeruginosa paling sesil pada permukaan setiap spesimen. Lakukan analisis EDS untuk mencari unsur kimia. Mikroskop Pengimbasan Laser Konfokal Zeiss (CLSM) (LSM 710, Zeiss, Jerman) digunakan untuk mengukur kedalaman lubang. Untuk memerhati lubang kakisan di bawah biofilm, kepingan ujian dibersihkan terlebih dahulu mengikut Piawaian Kebangsaan China. (CNS) GB/T4334.4-2000 untuk membuang produk kakisan dan biofilem pada permukaan kepingan ujian.
Analisis spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS, sistem analisis permukaan ESCALAB250, Thermo VG, USA) telah dilakukan menggunakan sumber sinar-X monokromatik (garis aluminium Kα pada tenaga 1500 eV dan kuasa 150 W) pada julat tenaga pengikatan yang luas 0 di bawah keadaan piawai –1350 eV. Spektrum resolusi tinggi telah direkodkan menggunakan tenaga hantaran 50 eV dan saiz langkah 0.2 eV.
Spesimen yang diinkubasi telah dikeluarkan dan dibilas perlahan-lahan dengan PBS (pH 7.4 ± 0.2) selama 15 saat 45. Untuk memerhatikan daya tahan bakteria biofilm pada sampel, biofilm telah diwarnakan menggunakan Kit Daya Tahan Bakteria LIVE/DEAD BacLight (Invitrogen, Eugene, OR, USA). Kit ini mempunyai dua pewarna pendarfluor, pewarna SYTO-9 pendarfluor hijau dan pewarna propidium iodida pendarfluor merah (PI). Di bawah CLSM, titik-titik dengan hijau pendarfluor dan merah masing-masing mewakili sel hidup dan mati. Untuk pewarnaan, campuran 1 ml yang mengandungi 3 μl larutan SYTO-9 dan 3 μl PI telah diinkubasi selama 20 minit pada suhu bilik (23 oC) dalam keadaan gelap. Selepas itu, sampel yang diwarnakan telah diperhatikan pada dua panjang gelombang (488 nm untuk sel hidup dan 559 nm untuk sel mati) menggunakan mesin Nikon CLSM (C2 Plus, Nikon, Jepun). Ketebalan biofilm diukur dalam mod pengimbasan 3-D.
Cara memetik artikel ini: Li, H. et al. Kakisan mikrob keluli tahan karat super dupleks 2707 oleh biofilm Pseudomonas aeruginosa marin.science.Rep. 6, 20190; doi: 10.1038/srep20190 (2016).
Zanotto, F., Grassi, V., Balbo, A., Monticelli, C. & Zucchi, F. Keretakan kakisan tegasan keluli tahan karat dupleks LDX 2101 dalam larutan klorida dengan kehadiran tiosulfat.coros.science.80, 205–212 (2014).
Kim, ST, Jang, SH, Lee, IS & Park, YS Kesan rawatan haba larutan dan nitrogen dalam gas pelindung terhadap rintangan kakisan bopeng kimpalan keluli tahan karat super dupleks.coros.science.53, 1939–1947 (2011).
Shi, X., Avci, R., Geiser, M. & Lewandowski, Z. Satu Kajian Kimia Perbandingan Kakisan Lubang Akibat Mikrob dan Elektrokimia dalam Keluli Tahan Karat 316L.coros.science.45, 2577–2595 (2003).
Luo, H., Dong, CF, Li, XG & Xiao, K. Tingkah laku elektrokimia keluli tahan karat dupleks 2205 dalam larutan alkali pH yang berbeza dengan kehadiran klorida.Electrochim.Journal.64, 211–220 (2012).
Little, BJ, Lee, JS & Ray, RI Kesan biofilm marin terhadap kakisan: ulasan ringkas.Electrochim.Journal.54, 2-7 (2008).