Bedankt voor uw bezoek aan Nature.com. De browserversie die u gebruikt, biedt beperkte ondersteuning voor CSS. Voor de beste ervaring raden we u aan een bijgewerkte browser te gebruiken (of de compatibiliteitsmodus in Internet Explorer uit te schakelen). Om de ondersteuning te blijven garanderen, tonen we de site in de tussentijd zonder stijlen en JavaScript.
Microbiële corrosie (MIC) is een ernstig probleem in veel industrieën, omdat het enorme economische verliezen kan veroorzaken. 2707 superduplex roestvast staal (2707 HDSS) wordt vanwege zijn uitstekende chemische bestendigheid in maritieme omgevingen gebruikt. De weerstand tegen MIC is echter nog niet experimenteel aangetoond. In deze studie werd het MIC-gedrag van 2707 HDSS, veroorzaakt door de mariene aerobe bacterie Pseudomonas aeruginosa, onderzocht. Elektrochemische analyse toonde aan dat in aanwezigheid van een Pseudomonas aeruginosa-biofilm in 2216E-medium een ​​positieve verandering in de corrosiepotentiaal en een toename in de corrosiestroomdichtheid optrad. Röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS) analyse toonde een afname van het Cr-gehalte aan het oppervlak van het monster onder de biofilm. Beeldanalyse van de putjes toonde aan dat de P. aeruginosa-biofilm een ​​maximale putdiepte van 0,69 μm produceerde gedurende 14 dagen incubatie. Hoewel dit klein is, geeft het aan dat 2707 HDSS is niet volledig immuun voor de MIC van P. aeruginosa-biofilms.
Duplex roestvrij staal (DSS) wordt veel gebruikt in diverse industrieën vanwege de ideale combinatie van uitstekende mechanische eigenschappen en corrosiebestendigheid1,2. Er kan echter nog steeds putcorrosie optreden, wat de integriteit van dit staal aantast3,4. DSS is niet bestand tegen microbiële corrosie (MIC)5,6. Ondanks het brede scala aan toepassingen van DSS zijn er nog steeds omgevingen waar de corrosiebestendigheid van DSS onvoldoende is voor langdurig gebruik. Dit betekent dat duurdere materialen met een hogere corrosiebestendigheid nodig zijn. Jeon et al.7 ontdekten dat zelfs superduplex roestvrij staal (SDSS) beperkingen heeft op het gebied van corrosiebestendigheid. Daarom is in sommige toepassingen superduplex roestvrij staal (HDSS) met een hogere corrosiebestendigheid vereist. Dit leidde tot de ontwikkeling van hooggelegeerd HDSS.
De corrosiebestendigheid van DSS hangt af van de verhouding tussen de alfa- en gammafasen en de Cr-, Mo- en W-arme gebieden 8, 9, 10 grenzend aan de tweede fase. HDSS bevat een hoog gehalte aan Cr, Mo en N11, waardoor het een uitstekende corrosiebestendigheid heeft en een hoge Pitting Resistance Equivalent Number (PREN) waarde (45-50), bepaald door gew.% Cr + 3,3 (gew.% Mo + 0,5 gew.% W) + 16 gew.% N12. De uitstekende corrosiebestendigheid is te danken aan een evenwichtige samenstelling met ongeveer 50% ferriet (α) en 50% austeniet (γ) fasen. HDSS heeft betere mechanische eigenschappen en een hogere weerstand dan conventioneel DSS13. De verbeterde corrosiebestendigheid vergroot het gebruik van HDSS in meer corrosieve chlorideomgevingen, zoals maritieme omgevingen.
MIC's vormen een groot probleem in veel industrieën, zoals de olie- en gasindustrie en waterbedrijven14. MIC is verantwoordelijk voor 20% van alle corrosieschade15. MIC is bio-elektrochemische corrosie die in veel omgevingen kan worden waargenomen. Biofilms die zich op metalen oppervlakken vormen, veranderen de elektrochemische omstandigheden en beïnvloeden zo het corrosieproces. Er wordt algemeen aangenomen dat MIC-corrosie wordt veroorzaakt door biofilms. Elektrogene micro-organismen corroderen metalen om de energie te verkrijgen die nodig is om te overleven17. Recente MIC-studies hebben aangetoond dat EET (extracellulaire elektronenoverdracht) de snelheidsbeperkende factor is bij MIC die wordt veroorzaakt door elektrogene micro-organismen. Zhang et al. 18 toonden aan dat elektronenmediatoren de elektronenoverdracht tussen Desulfovibrio sessificans-cellen en 304 roestvrij staal versnellen, wat leidt tot een ernstigere MIC-aanval. Enning et al. 19 en Venzlaff et al. Uit onderzoek 20 bleek dat corrosieve sulfaatreducerende bacteriën (SRB) biofilms rechtstreeks elektronen kunnen absorberen van metalen substraten, wat resulteert in ernstige putcorrosie.
Het is bekend dat DSS gevoelig is voor MIC in omgevingen die SRB, ijzerreducerende bacteriën (IRB), enz. bevatten. 21. Deze bacteriën veroorzaken plaatselijke putjes op DSS-oppervlakken onder biofilms22,23. In tegenstelling tot DSS is de MIC van HDSS24 slecht bekend.
Pseudomonas aeruginosa is een gramnegatieve, beweeglijke, staafvormige bacterie die wijdverspreid voorkomt in de natuur25. Pseudomonas aeruginosa is ook een belangrijke microbiële groep in het mariene milieu en veroorzaakt MIC (microbieel geïnduceerde corrosie) van staal. Pseudomonas is nauw betrokken bij corrosieprocessen en wordt erkend als een pionierkolonisator tijdens biofilmvorming. Mahat et al. 28 en Yuan et al. 29 hebben aangetoond dat Pseudomonas aeruginosa de neiging heeft om de corrosiesnelheid van zacht staal en legeringen in waterige omgevingen te verhogen.
Het hoofddoel van dit onderzoek was het bestuderen van de microbiologisch geïnduceerde corrosie (MIC) van 2707 HDSS, veroorzaakt door de mariene aerobe bacterie Pseudomonas aeruginosa, met behulp van elektrochemische methoden, oppervlakteanalysetechnieken en corrosieproductanalyse. Elektrochemische studies, waaronder Open Circuit Potential (OCP), Linear Polarization Resistance (LPR), Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) en Potential Dynamic Polarization, werden uitgevoerd om het MIC-gedrag van 2707 HDSS te onderzoeken. Energie-dispersieve spectroscopie (EDS) werd gebruikt om chemische elementen op het gecorrodeerde oppervlak te bepalen. Daarnaast werd röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS) toegepast om de stabiliteit van de oxidefilmpassivering te bepalen onder invloed van een mariene omgeving met Pseudomonas aeruginosa. De putdiepte werd gemeten met een confocale laserscanmicroscoop (CLSM).
Tabel 1 geeft de chemische samenstelling van 2707 HDSS weer. Tabel 2 laat zien dat 2707 HDSS uitstekende mechanische eigenschappen heeft met een vloeigrens van 650 MPa. Figuur 1 toont de optische microstructuur van oplossingswarmtebehandeld 2707 HDSS. In de microstructuur, die ongeveer 50% austeniet en 50% ferriet bevat, zijn langwerpige banden van austeniet- en ferrietfasen zonder secundaire fasen te zien.
Figuur 2a toont de open-circuitpotentiaal (Eocp) versus blootstellingstijd voor 2707 HDSS in abiotisch 2216E-medium en P. aeruginosa-bouillon gedurende 14 dagen bij 37 °C. Het laat zien dat de grootste en meest significante verandering in Eocp optreedt binnen de eerste 24 uur. De Eocp-waarden bereikten in beide gevallen een piek van -145 mV (vs. SCE) rond 16 uur en daalden vervolgens scherp tot -477 mV (vs. SCE) voor het abiotische monster en -236 mV (vs. SCE) voor het P. aeruginosa-bouillon. Pseudomonas aeruginosa-coupons, respectievelijk. Na 24 uur was de Eocp-waarde van 2707 HDSS voor P. aeruginosa relatief stabiel op -228 mV (vs. SCE), terwijl de overeenkomstige waarde voor niet-biologische monsters ongeveer -442 mV (vs. SCE) was. De Eocp in aanwezigheid van P. aeruginosa was vrij laag.
Elektrochemische testen van 2707 HDSS-monsters in een abiotisch medium en Pseudomonas aeruginosa-bouillon bij 37 °C:
(a) Eocp als functie van de belichtingstijd, (b) polarisatiecurven op dag 14, (c) Rp als functie van de belichtingstijd en (d) icorr als functie van de belichtingstijd.
Tabel 3 toont de elektrochemische corrosieparameterwaarden van 2707 HDSS-monsters die gedurende 14 dagen werden blootgesteld aan een abiotisch medium en een met Pseudomonas aeruginosa geïnoculeerd medium. De raaklijnen van de anodische en kathodische curven werden geëxtrapoleerd om de snijpunten te bepalen, waaruit de corrosiestroomdichtheid (icorr), het corrosiepotentiaal (Ecorr) en de Tafel-hellingen (βα en βc) werden verkregen volgens standaardmethoden30,31.
Zoals weergegeven in figuur 2b, resulteerde de opwaartse verschuiving van de P. aeruginosa-curve in een toename van Ecorr in vergelijking met de abiotische curve. De icorr-waarde, die evenredig is met de corrosiesnelheid, steeg tot 0,328 μA cm-2 in het Pseudomonas aeruginosa-monster, vier keer zo hoog als die van het niet-biologische monster (0,087 μA cm-2).
LPR is een klassieke, niet-destructieve elektrochemische methode voor snelle corrosieanalyse. Deze methode werd ook gebruikt om MIC32 te bestuderen. Figuur 2c toont de polarisatieweerstand (Rp) als functie van de blootstellingstijd. Een hogere Rp-waarde betekent minder corrosie. Binnen de eerste 24 uur bereikte de Rp van 2707 HDSS een maximale waarde van 1955 kΩ cm² voor abiotische monsters en 1429 kΩ cm² voor Pseudomonas aeruginosa-monsters. Figuur 2c laat ook zien dat de Rp-waarde na één dag snel daalde en vervolgens gedurende de volgende 13 dagen relatief constant bleef. De Rp-waarde van het Pseudomonas aeruginosa-monster is ongeveer 40 kΩ cm², wat veel lager is dan de waarde van 450 kΩ cm² van het niet-biologische monster.
De icorr-waarde is evenredig met de uniforme corrosiesnelheid. De waarde ervan kan worden berekend met behulp van de volgende Stern-Geary-vergelijking:
Volgens Zou et al. 33 werd in dit werk een typische waarde van de Tafel-helling B aangenomen van 26 mV/dec. Figuur 2d laat zien dat de icorr van het niet-biologische 2707-monster relatief stabiel bleef, terwijl het P. aeruginosa-monster na de eerste 24 uur sterk fluctueerde. De icorr-waarden van de P. aeruginosa-monsters waren een orde van grootte hoger dan die van de niet-biologische controles. Deze trend komt overeen met de resultaten van de polarisatieweerstand.
EIS is een andere niet-destructieve techniek die wordt gebruikt om elektrochemische reacties aan gecorrodeerde grensvlakken te karakteriseren. Impedantiespectra en berekende capaciteitswaarden van monsters die zijn blootgesteld aan abiotische media en een Pseudomonas aeruginosa-oplossing, Rb-weerstand van de passieve film/biofilm die op het oppervlak van het monster is gevormd, Rct-ladingsweerstand, Cdl-capaciteit van de elektrische dubbellaag (EDL) en QCPE-parameters (Constant Phase Element). Deze parameters werden verder geanalyseerd door de gegevens te fitten met behulp van een equivalent circuit (EEC)-model.
Figuur 3 toont typische Nyquist-diagrammen (a en b) en Bode-diagrammen (a' en b') van 2707 HDSS-monsters in abiotisch medium en P. aeruginosa-bouillon voor verschillende incubatietijden. De diameter van de Nyquist-ring neemt af in aanwezigheid van Pseudomonas aeruginosa. Het Bode-diagram (fig. 3b') toont een toename in de grootte van de totale impedantie. Informatie over de relaxatietijdconstante kan worden verkregen uit de fasemaxima. Figuur 4 toont de op monolaag (a) en bilaag (b) gebaseerde fysieke structuren en hun corresponderende EEC's. CPE wordt geïntroduceerd in het EEC-model. De admittantie en impedantie ervan worden als volgt uitgedrukt:
Twee fysische modellen en bijbehorende equivalente schakelingen voor het aanpassen van het impedantiespectrum van het 2707 HDSS-exemplaar:
waarbij Y0 de grootte van de CPE is, j het imaginaire getal of (-1)1/2, ω de hoekfrequentie en n de CPE-vermogensindex kleiner dan één35. De inverse van de ladings-overdrachtsweerstand (d.w.z. 1/Rct) komt overeen met de corrosiesnelheid. Een kleinere Rct betekent een snellere corrosiesnelheid27. Na 14 dagen incubatie bereikte de Rct van de Pseudomonas aeruginosa-monsters 32 kΩ cm2, veel kleiner dan de 489 kΩ cm2 van de niet-biologische monsters (Tabel 4).
De CLSM- en SEM-afbeeldingen in Figuur 5 laten duidelijk zien dat de biofilmbedekking op het oppervlak van het 2707 HDSS-monster na 7 dagen dicht is. Na 14 dagen was de biofilmbedekking echter schaars en waren er enkele dode cellen zichtbaar. Tabel 5 toont de biofilmdikte op 2707 HDSS-monsters na blootstelling aan P. aeruginosa gedurende 7 en 14 dagen. De maximale biofilmdikte veranderde van 23,4 μm na 7 dagen naar 18,9 μm na 14 dagen. De gemiddelde biofilmdikte bevestigde deze trend. Deze nam af van 22,2 ± 0,7 μm na 7 dagen naar 17,8 ± 1,0 μm na 14 dagen.
(a) 3D CLSM-afbeelding na 7 dagen, (b) 3D CLSM-afbeelding na 14 dagen, (c) SEM-afbeelding na 7 dagen en (d) SEM-afbeelding na 14 dagen.
EDS onthulde chemische elementen in biofilms en corrosieproducten op monsters die gedurende 14 dagen waren blootgesteld aan P. aeruginosa. Figuur 6 laat zien dat het gehalte aan C, N, O en P in biofilms en corrosieproducten veel hoger is dan dat in onbewerkt metaal, omdat deze elementen geassocieerd zijn met biofilms en hun metabolieten. Microben hebben slechts sporen van chroom en ijzer nodig. Hoge concentraties Cr en Fe in de biofilm en corrosieproducten op het oppervlak van de monsters wijzen erop dat de metaalmatrix elementen heeft verloren als gevolg van corrosie.
Na 14 dagen werd putcorrosie met en zonder P. aeruginosa waargenomen in 2216E-medium. Vóór incubatie was het oppervlak van het monster glad en vrij van defecten (Fig. 7a). Na incubatie en verwijdering van biofilm en corrosieproducten werden de diepste putjes op het oppervlak van de monsters onderzocht met behulp van CLSM, zoals weergegeven in Figuur 7b en c. Er werden geen duidelijke putjes gevonden op het oppervlak van de niet-biologische controlemonsters (maximale putdiepte 0,02 μm). De maximale putdiepte veroorzaakt door Pseudomonas aeruginosa was 0,52 μm na 7 dagen en 0,69 μm na 14 dagen, gebaseerd op de gemiddelde maximale putdiepte van 3 monsters (10 maximale putdieptewaarden werden voor elk monster geselecteerd) die respectievelijk 0,42 ± 0,12 μm en 0,52 ± 0,15 μm bedroeg (Tabel 5). Deze putdieptewaarden zijn klein maar belangrijk.
(a) Vóór blootstelling, (b) 14 dagen in een abiotisch medium en (c) 14 dagen in een Pseudomonas aeruginosa-bouillon.
Figuur 8 toont de XPS-spectra van verschillende monsteroppervlakken, en de chemische samenstellingen die voor elk oppervlak zijn geanalyseerd, worden samengevat in Tabel 6. In Tabel 6 waren de atomaire percentages van Fe en Cr in aanwezigheid van P. aeruginosa (monsters A en B) veel lager dan die van de niet-biologische controlemonsters (monsters C en D). Voor het P. aeruginosa-monster werd de Cr 2p-kernniveauspectrale curve aangepast aan vier piekcomponenten met bindingsenergie (BE)-waarden van 574,4, 576,6, 578,3 en 586,8 eV, die respectievelijk kunnen worden toegeschreven aan Cr, Cr2O3, CrO3 en Cr(OH)3 (Fig. 9a en b). Voor niet-biologische monsters bevat het Cr 2p-kernniveauspectrum twee hoofdpieken voor Cr (573,80 eV voor BE) en Cr2O3 (575,90 eV voor BE). eV voor BE) in respectievelijk figuur 9c en d. Het meest opvallende verschil tussen de abiotische en P. aeruginosa-monsters was de aanwezigheid van Cr6+ en een hogere relatieve fractie van Cr(OH)3 (BE van 586,8 eV) onder de biofilm.
De brede XPS-spectra van het oppervlak van het 2707 HDSS-monster in de twee media bedragen respectievelijk 7 dagen en 14 dagen.
(a) 7 dagen blootstelling aan P. aeruginosa, (b) 14 dagen blootstelling aan P. aeruginosa, (c) 7 dagen in een abiotisch medium en (d) 14 dagen in een abiotisch medium.
HDSS vertoont een hoge corrosiebestendigheid in de meeste omgevingen. Kim et al.² rapporteerden dat UNS S32707 HDSS werd gedefinieerd als een sterk gelegeerd DSS met een PREN van meer dan 45. De PREN-waarde van het 2707 HDSS-monster in dit onderzoek was 49. Dit is te danken aan het hoge chroomgehalte en de hoge molybdeen- en nikkelgehaltes, die gunstig zijn in zure en chloriderijke omgevingen. Daarnaast dragen een evenwichtige samenstelling en een defectvrije microstructuur bij aan structurele stabiliteit en corrosiebestendigheid. Ondanks de uitstekende chemische bestendigheid suggereren de experimentele gegevens in dit onderzoek echter dat 2707 HDSS niet volledig immuun is voor de MIC van P. aeruginosa-biofilms.
Elektrochemische resultaten toonden aan dat de corrosiesnelheid van 2707 HDSS in P. aeruginosa-bouillon na 14 dagen significant was toegenomen in vergelijking met een niet-biologisch medium. In figuur 2a werd een afname van Eocp waargenomen in zowel het abiotische medium als de P. aeruginosa-bouillon gedurende de eerste 24 uur. Daarna had de biofilm het oppervlak van het monster volledig bedekt en werd de Eocp relatief stabiel36. Het niveau van biologische Eocp was echter veel hoger dan dat van niet-biologische Eocp. Er is reden om aan te nemen dat dit verschil te wijten is aan de biofilmvorming van P. aeruginosa. In figuur 2d bereikte de icorr-waarde van 2707 HDSS in aanwezigheid van P. aeruginosa 0,627 μA cm⁻², wat een orde van grootte hoger was dan die van de abiotische controle (0,063 μA cm⁻²), wat consistent was met de Rct-waarde gemeten met EIS. Gedurende de eerste paar dagen was de impedantie De Rct-waarden in P. aeruginosa-bouillon namen toe als gevolg van de hechting van P. aeruginosa-cellen en de vorming van biofilms. Wanneer de biofilm echter het oppervlak van het monster volledig bedekt, neemt de impedantie af. De beschermende laag wordt als eerste aangetast door de vorming van biofilms en biofilmmetabolieten. Daarom nam de corrosiebestendigheid in de loop van de tijd af en veroorzaakte de hechting van P. aeruginosa gelokaliseerde corrosie. De trends in abiotische media waren anders. De corrosiebestendigheid van de niet-biologische controle was veel hoger dan de overeenkomstige waarde van de monsters die aan P. aeruginosa-bouillon waren blootgesteld. Bovendien bereikte de Rct-waarde van 2707 HDSS voor abiotische monsters 489 kΩ cm² op dag 14, wat 15 keer hoger was dan de Rct-waarde (32 kΩ cm²) in aanwezigheid van P. aeruginosa. Daarom heeft 2707 HDSS een uitstekende corrosiebestendigheid in een steriele omgeving, maar is het niet bestand tegen MIC-aantasting door P. aeruginosa. aeruginosa biofilms.
Deze resultaten zijn ook af te lezen aan de polarisatiecurven in figuur 2b. De anodische vertakking werd toegeschreven aan de vorming van een biofilm van Pseudomonas aeruginosa en metaaloxidatiereacties. Tegelijkertijd is de kathodische reactie de reductie van zuurstof. De aanwezigheid van P. aeruginosa verhoogde de corrosiestroomdichtheid aanzienlijk, ongeveer een orde van grootte hoger dan de abiotische controle. Dit duidt erop dat de biofilm van P. aeruginosa de gelokaliseerde corrosie van 2707 HDSS verhoogt. Yuan et al.29 vonden dat de corrosiestroomdichtheid van een 70/30 Cu-Ni-legering toenam onder invloed van een biofilm van P. aeruginosa. Dit kan te wijten zijn aan de biokatalytische zuurstofreductie door biofilms van Pseudomonas aeruginosa. Deze observatie kan ook de MIC van 2707 HDSS in dit onderzoek verklaren. Aërobe biofilms hebben mogelijk ook minder zuurstof eronder. Daarom kan het niet opnieuw passiveren van het metaaloppervlak door zuurstof een bijdragende factor zijn voor de MIC in dit onderzoek.
Dickinson et al. 38 suggereerden dat de snelheden van chemische en elektrochemische reacties direct beïnvloed kunnen worden door de metabolische activiteit van sessiele bacteriën op het oppervlak van het monster en de aard van de corrosieproducten. Zoals weergegeven in Figuur 5 en Tabel 5, namen zowel het aantal cellen als de biofilmdikte na 14 dagen af. Dit kan redelijkerwijs verklaard worden doordat na 14 dagen de meeste sessiele cellen op het oppervlak van 2707 HDSS stierven als gevolg van uitputting van voedingsstoffen in het 2216E-medium of de vrijgave van toxische metaalionen uit de 2707 HDSS-matrix. Dit is een beperking van batchexperimenten.
In dit onderzoek bevorderde de P. aeruginosa-biofilm de lokale afname van Cr en Fe onder de biofilm op het 2707 HDSS-oppervlak (Fig. 6). In Tabel 6 is de afname van Fe en Cr in monster D vergeleken met monster C weergegeven, wat aangeeft dat opgelost Fe en Cr, veroorzaakt door de P. aeruginosa-biofilm, langer dan de eerste 7 dagen aanhielden. Het 2216E-medium wordt gebruikt om mariene omgevingen te simuleren. Het bevat 17700 ppm Cl-, wat vergelijkbaar is met de concentratie in natuurlijk zeewater. De aanwezigheid van 17700 ppm Cl- was de belangrijkste reden voor de afname van Cr in de abiotische monsters van 7 en 14 dagen, geanalyseerd met XPS. Vergeleken met P. aeruginosa-monsters was de oplossing van Cr in abiotische monsters veel minder, vanwege de sterke Cl−-resistentie van 2707 HDSS in abiotische omgevingen. Figuur 9 toont de aanwezigheid van Cr6+ in de passiveringsfilm. Het kan betrokken zijn bij de verwijdering van chroom van stalen oppervlakken door P. aeruginosa-biofilms, zoals gesuggereerd door Chen en Clayton.
Door de bacteriegroei waren de pH-waarden van het medium vóór en na de kweek respectievelijk 7,4 en 8,2. Daarom is het onwaarschijnlijk dat corrosie door organische zuren onder de P. aeruginosa-biofilm een ​​bijdragende factor is in dit onderzoek, vanwege de relatief hoge pH in het bulkmedium. De pH van het niet-biologische controlemedium veranderde niet significant (van een initiële waarde van 7,4 naar een uiteindelijke waarde van 7,5) gedurende de testperiode van 14 dagen. De pH-stijging in het inoculatiemedium na incubatie was te wijten aan de metabolische activiteit van P. aeruginosa en bleek hetzelfde effect op de pH te hebben in afwezigheid van teststrips.
Zoals weergegeven in figuur 7, bedroeg de maximale putdiepte veroorzaakt door P. aeruginosa-biofilm 0,69 μm, wat veel groter was dan die van het abiotische medium (0,02 μm). Dit komt overeen met de hierboven beschreven elektrochemische gegevens. De putdiepte van 0,69 μm is meer dan tien keer kleiner dan de waarde van 9,5 μm die werd gerapporteerd voor 2205 DSS onder dezelfde omstandigheden. Deze gegevens tonen aan dat 2707 HDSS een betere MIC-weerstand vertoont in vergelijking met 2205 DSS. Dit is niet verrassend, aangezien 2707 HDSS een hoger chroomgehalte heeft, wat zorgt voor een langdurigere passivering dankzij de evenwichtige fasestructuur zonder schadelijke secundaire neerslagen, waardoor het voor P. aeruginosa moeilijker wordt om te depassiveren en nieuwe eclips te vormen.
Concluderend werd MIC-putcorrosie aangetroffen op het oppervlak van 2707 HDSS in P. aeruginosa-bouillon, in tegenstelling tot verwaarloosbare putcorrosie in abiotische media. Dit onderzoek toont aan dat 2707 HDSS een betere MIC-bestendigheid heeft dan 2205 DSS, maar niet volledig immuun is voor MIC als gevolg van P. aeruginosa-biofilm. Deze bevindingen dragen bij aan de selectie van geschikte roestvrijstalen en de geschatte levensduur voor het maritieme milieu.
Het proefstuk voor 2707 HDSS is afkomstig van de School voor Metallurgie van de Northeastern University (NEU) in Shenyang, China. De elementaire samenstelling van 2707 HDSS is weergegeven in Tabel 1, die is geanalyseerd door de afdeling Materiaalanalyse en -testen van de NEU. Alle monsters werden gedurende 1 uur oplossingsgegloeid bij 1180 °C. Voorafgaand aan de corrosietest werd een muntvormig stuk 2707 HDSS met een blootgesteld bovenoppervlak van 1 cm² gepolijst tot korrelgrootte 2000 met siliciumcarbidepapier en vervolgens verder gepolijst met een suspensie van 0,05 μm Al₂O₃-poeder. De zijkanten en de onderkant werden beschermd met een inerte verf. Na het drogen werden de monsters gespoeld met steriel gedeïoniseerd water en gesteriliseerd met 75% (v/v) ethanol gedurende 0,5 uur. Vervolgens werden ze 0,5 uur aan de lucht gedroogd onder ultraviolet (UV) licht alvorens te worden gebruikt.
De mariene Pseudomonas aeruginosa MCCC 1A00099-stam werd aangeschaft bij het Xiamen Marine Culture Collection Center (MCCC), China. Pseudomonas aeruginosa werd aeroob gekweekt bij 37 °C in erlenmeyers van 250 ml en elektrochemische glazen cellen van 500 ml met behulp van Marine 2216E vloeibaar medium (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, 0,016 NH3, 0,016 NH3, 0,016 NaH2PO4, 5,0 peptone, 1,0 gistextract en 0,1 ijzer(III)citraat. Autoclaveer gedurende 20 minuten bij 121 °C vóór inoculatie. Tel sessiele en planktonische cellen met behulp van een hemocytometer onder een lichtmicroscoop bij 400x vergroting. De initiële celconcentratie van planktonische Pseudomonas aeruginosa direct na inoculatie was ongeveer 10⁶ cellen/ml.
Elektrochemische testen werden uitgevoerd in een klassieke glazen drieelektrodecel met een mediumvolume van 500 ml. Een platina plaat en een verzadigde calomel-elektrode (SCE) werden via Luggin-capillairen gevuld met zoutbruggen met de reactor verbonden en dienden respectievelijk als tegenelektrode en referentie-elektrode. Om de werkelektroden te maken, werd een met rubber beklede koperdraad aan elk monster bevestigd en bedekt met epoxy, waarbij ongeveer 1 cm² aan enkelzijdig blootgesteld oppervlak overbleef voor de werkelektrode. Tijdens elektrochemische metingen werden de monsters in 2216E-medium geplaatst en op een constante incubatietemperatuur (37 °C) gehouden in een waterbad. OCP-, LPR-, EIS- en potentiaaldynamische polarisatiegegevens werden gemeten met behulp van een Autolab-potentiostaat (Reference 600TM, Gamry Instruments, Inc., USA). LPR-testen werden geregistreerd met een scansnelheid van 0,125 mV s⁻¹ over het bereik van -5 en 5 mV met Eocp en een bemonsteringsfrequentie van 1 Hz. EIS werd uitgevoerd met een Een sinusgolf in het frequentiebereik van 0,01 tot 10.000 Hz werd gebruikt met een aangelegde spanning van 5 mV bij een stabiele Eocp-waarde. Vóór de potentiaalscan bevonden de elektroden zich in de open-circuitmodus totdat een stabiele vrije corrosiepotentiaalwaarde was bereikt. Vervolgens werden polarisatiecurven uitgevoerd van -0,2 tot 1,5 V ten opzichte van Eocp met een scansnelheid van 0,166 mV/s. Elke test werd 3 keer herhaald, met en zonder P. aeruginosa.
Voor metallografische analyse werden de monsters mechanisch gepolijst met nat SiC-schuurpapier met korrelgrootte 2000 en vervolgens verder gepolijst met een suspensie van 0,05 μm Al2O3-poeder voor optische observatie. De metallografische analyse werd uitgevoerd met behulp van een optische microscoop. De monsters werden geëtst met een 10 gew.% kaliumhydroxideoplossing 43.
Na incubatie werden de monsters driemaal gewassen met een fosfaatgebufferde zoutoplossing (PBS) (pH 7,4 ± 0,2) en vervolgens gedurende 10 uur gefixeerd met 2,5% (v/v) glutaraldehyde om biofilms te fixeren. Daarna werden ze gedehydrateerd met een oplopende reeks (50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95% en 100% v/v) ethanol voordat ze aan de lucht werden gedroogd. Ten slotte werd het oppervlak van het monster bedekt met een goudfilm om geleidbaarheid te bieden voor SEM-observatie. De SEM-afbeeldingen werden scherpgesteld op de plekken met de meeste sessiele P. aeruginosa-cellen op het oppervlak van elk monster. EDS-analyse werd uitgevoerd om chemische elementen te bepalen. Een Zeiss confocale laserscanmicroscoop (CLSM) (LSM 710, Zeiss, Duitsland) werd gebruikt om de putdiepte te meten. Om de corrosieputten onder de biofilm te observeren, werd het teststuk Eerst wordt het teststuk gereinigd volgens de Chinese nationale norm (CNS) GB/T4334.4-2000 om corrosieproducten en biofilm van het oppervlak te verwijderen.
Röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS, ESCALAB250 oppervlakteanalysesysteem, Thermo VG, VS) werd uitgevoerd met behulp van een monochromatische röntgenbron (aluminium Kα-lijn met een energie van 1500 eV en een vermogen van 150 W) over een breed bindingsenergiebereik van 0 tot –1350 eV onder standaardomstandigheden. Hoogresolutiespectra werden opgenomen met een doorlaatenergie van 50 eV en een stapgrootte van 0,2 eV.
De geïncubeerde monsters werden verwijderd en voorzichtig gespoeld met PBS (pH 7,4 ± 0,2) gedurende 15 seconden.45 Om de bacteriële levensvatbaarheid van de biofilms op de monsters te observeren, werden de biofilms gekleurd met behulp van de LIVE/DEAD BacLight Bacterial Viability Kit (Invitrogen, Eugene, OR, VS). De kit bevat twee fluorescerende kleurstoffen: een groene fluorescerende SYTO-9 kleurstof en een rode fluorescerende propidiumjodide (PI) kleurstof. Onder CLSM vertegenwoordigen stippen met fluorescerend groen en rood respectievelijk levende en dode cellen. Voor de kleuring werd een mengsel van 1 ml met 3 μl SYTO-9 en 3 μl PI-oplossing gedurende 20 minuten bij kamertemperatuur (23 °C) in het donker geïncubeerd. Vervolgens werden de gekleurde monsters geobserveerd bij twee golflengten (488 nm voor levende cellen en 559 nm voor dode cellen) met behulp van een Nikon CLSM-apparaat (C2 Plus, Nikon, Japan). De dikte van de biofilm werd gemeten in 3D-scanmodus.
Hoe dit artikel te citeren: Li, H. et al. Microbiële corrosie van 2707 super duplex roestvrij staal door mariene Pseudomonas aeruginosa biofilm. science.Rep. 6, 20190; doi: 10.1038/srep20190 (2016).
Zanotto, F., Grassi, V., Balbo, A., Monticelli, C. & Zucchi, F. Spanningscorrosie van LDX 2101 duplex roestvast staal in chlorideoplossing in aanwezigheid van thiosulfaat. coros.science.80, 205–212 (2014).
Kim, ST, Jang, SH, Lee, IS & Park, YS Effect van oplossingswarmtebehandeling en stikstof in beschermgas op de weerstand tegen putcorrosie van superduplex roestvrijstalen lassen. coros.science.53, 1939–1947 (2011).
Shi, X., Avci, R., Geiser, M. & Lewandowski, Z. Een vergelijkende chemische studie van microbiële en elektrochemisch geïnduceerde putcorrosie in 316L roestvrij staal. coros.science.45, 2577–2595 (2003).
Luo, H., Dong, CF, Li, XG & Xiao, K. Elektrochemisch gedrag van 2205 duplex roestvrij staal in alkalische oplossingen met verschillende pH-waarden in aanwezigheid van chloride. Electrochim.Journal.64, 211–220 (2012).
Little, BJ, Lee, JS & Ray, RI Het effect van mariene biofilms op corrosie: een beknopt overzicht. Electrochim.Journal.54, 2-7 (2008).