Nature.com'u ziyaret ettiğiniz için teşekkür ederiz. Kullandığınız tarayıcı sürümü CSS için sınırlı desteğe sahiptir. En iyi deneyim için, güncel bir tarayıcı kullanmanızı (veya Internet Explorer'da uyumluluk modunu kapatmanızı) öneririz. Bu arada, desteğin devamını sağlamak için siteyi stiller ve JavaScript olmadan görüntüleyeceğiz.
Mikrobiyal korozyon (MIC), büyük ekonomik kayıplara neden olabileceğinden birçok endüstride ciddi bir sorundur. 2707 süper dubleks paslanmaz çelik (2707 HDSS), mükemmel kimyasal direnci nedeniyle deniz ortamlarında kullanılmaktadır. Bununla birlikte, MIC'ye karşı direnci deneysel olarak gösterilmemiştir. Bu çalışmada, deniz aerobik bakterisi Pseudomonas aeruginosa'nın neden olduğu 2707 HDSS'nin MIC davranışı araştırılmıştır. Elektrokimyasal analiz, 2216E ortamında Pseudomonas aeruginosa biyofilm varlığında korozyon potansiyelinde pozitif bir değişiklik ve korozyon akım yoğunluğunda bir artış olduğunu göstermiştir. X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) analizi, biyofilm altındaki numunenin yüzeyinde Cr içeriğinde bir azalma olduğunu göstermiştir. Çukurların görüntüleme analizi, P. aeruginosa biyofilminin 14 günlük inkübasyon süresince maksimum 0,69 μm çukur derinliği oluşturduğunu göstermiştir. Bu küçük olsa da, şunu göstermektedir ki 2707 HDSS, P. aeruginosa biyofilmlerinin MIC değerine karşı tam olarak bağışık değildir.
Dubleks paslanmaz çelikler (DSS), mükemmel mekanik özellikleri ve korozyon direncinin ideal kombinasyonu nedeniyle çeşitli endüstrilerde yaygın olarak kullanılmaktadır.1,2 Bununla birlikte, lokal çukurlaşma hala meydana gelmekte ve bu çeliğin bütünlüğünü etkilemektedir.3,4 DSS, mikrobiyal korozyona (MIC) karşı dirençli değildir.5,6 DSS'nin geniş uygulama yelpazesine rağmen, DSS'nin korozyon direncinin uzun süreli kullanım için yeterli olmadığı ortamlar hala mevcuttur. Bu, daha yüksek korozyon direncine sahip daha pahalı malzemelerin gerekli olduğu anlamına gelir. Jeon ve ark.7, süper dubleks paslanmaz çeliklerin (SDSS) bile korozyon direnci açısından bazı sınırlamalara sahip olduğunu bulmuştur. Bu nedenle, bazı uygulamalarda daha yüksek korozyon direncine sahip süper dubleks paslanmaz çelikler (HDSS) gereklidir. Bu da yüksek alaşımlı HDSS'nin geliştirilmesine yol açmıştır.
Çift fazlı paslanmaz çeliğin (DSS) korozyon direnci, alfa ve gama fazlarının oranına ve ikinci faza bitişik Cr, Mo ve W'nin tükenmiş bölgelerine (8, 9, 10) bağlıdır. Yüksek oranda Cr, Mo ve N11 içerdiğinden, mükemmel korozyon direncine ve yüksek bir değere (45-50) Çukurlaşma Direnci Eşdeğer Numarasına (PREN) sahiptir; bu değer, ağırlıkça % Cr + 3,3 (ağırlıkça % Mo + 0,5 ağırlıkça % W) + 16 ağırlıkça % N12 ile belirlenir. Mükemmel korozyon direnci, yaklaşık %50 ferrit (α) ve %50 östenit (γ) fazları içeren dengeli bir bileşime dayanır; HDSS, geleneksel DSS'ye göre daha iyi mekanik özelliklere ve daha yüksek dirence sahiptir13. Klorür korozyon özellikleri. Geliştirilmiş korozyon direnci, HDSS'nin deniz ortamları gibi daha aşındırıcı klorür ortamlarında kullanımını genişletir.
Mikrobiyal kaynaklı korozyon (MIC), petrol ve gaz ile su şebekeleri gibi birçok endüstride büyük bir sorundur.14 MIC, tüm korozyon hasarlarının %20'sini oluşturur.15 MIC, birçok ortamda gözlemlenebilen biyoelektrokimyasal korozyondur. Metal yüzeylerde oluşan biyofilmler, elektrokimyasal koşulları değiştirerek korozyon sürecini etkiler. MIC korozyonunun biyofilmlerden kaynaklandığı yaygın olarak kabul edilmektedir. Elektrojenik mikroorganizmalar, hayatta kalmak için gerekli enerjiyi elde etmek amacıyla metalleri aşındırır.17 Son MIC çalışmaları, elektrojenik mikroorganizmaların neden olduğu MIC'de hız sınırlayıcı faktörün EET (hücre dışı elektron transferi) olduğunu göstermiştir. Zhang vd.18, elektron aracıların Desulfovibrio sessificans hücreleri ile 304 paslanmaz çelik arasında elektron transferini hızlandırdığını ve daha şiddetli MIC saldırısına yol açtığını göstermiştir. Enning vd.19 ve Venzlaff vd.20, aşındırıcı sülfat indirgeyici bakteri (SRB) biyofilmlerinin metal alt tabakalardan doğrudan elektron emebileceğini ve bunun da şiddetli çukur korozyonuna neden olduğunu göstermiştir.
DSS'nin, SRB, demir indirgeyici bakteriler (IRB) vb. içeren ortamlarda MIC'ye duyarlı olduğu bilinmektedir. 21 Bu bakteriler, biyofilmler altında DSS yüzeylerinde lokalize çukurlaşmaya neden olur.22,23 DSS'nin aksine, HDSS'nin MIC'si hakkında bilgi azdır.24
Pseudomonas aeruginosa, doğada yaygın olarak bulunan, gram negatif, hareketli, çubuk şeklinde bir bakteridir.25 Pseudomonas aeruginosa aynı zamanda deniz ortamında da önemli bir mikrobiyal gruptur ve çeliğe MIC (mikroorganizma kaynaklı korozyon) neden olur. Pseudomonas, korozyon süreçlerinde yakından yer alır ve biyofilm oluşumu sırasında öncü bir kolonizatör olarak bilinir. Mahat vd. 28 ve Yuan vd. 29, Pseudomonas aeruginosa'nın sulu ortamlarda yumuşak çelik ve alaşımların korozyon oranını artırma eğiliminde olduğunu göstermiştir.
Bu çalışmanın temel amacı, elektrokimyasal yöntemler, yüzey analitik teknikleri ve korozyon ürünü analizi kullanılarak, deniz aerobik bakterisi Pseudomonas aeruginosa'nın neden olduğu 2707 HDSS'nin MIC özelliklerini araştırmaktı. 2707 HDSS'nin MIC davranışını incelemek için Açık Devre Potansiyeli (OCP), Doğrusal Polarizasyon Direnci (LPR), Elektrokimyasal Empedans Spektroskopisi (EIS) ve Potansiyel Dinamik Polarizasyon dahil olmak üzere elektrokimyasal çalışmalar yapıldı. Korozyona uğramış yüzeydeki kimyasal elementleri bulmak için Enerji Dağılımlı Spektrometre (EDS) analizi gerçekleştirildi. Ek olarak, Pseudomonas aeruginosa içeren deniz ortamının etkisi altında oksit film pasivasyonunun stabilitesini belirlemek için X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) analizi kullanıldı. Çukur derinliği, konfokal lazer tarama mikroskobu (CLSM) altında ölçüldü.
Tablo 1, 2707 HDSS'nin kimyasal bileşimini listelemektedir. Tablo 2, 2707 HDSS'nin 650 MPa akma dayanımı ile mükemmel mekanik özelliklere sahip olduğunu göstermektedir. Şekil 1, çözelti ısıl işlemine tabi tutulmuş 2707 HDSS'nin optik mikroyapısını göstermektedir. Mikroyapıda, yaklaşık %50 östenit ve %50 ferrit fazları içeren, ikincil fazlar içermeyen uzunlamasına östenit ve ferrit faz bantları görülebilir.
Şekil 2a, 2707 HDSS'nin abiyotik 2216E ortamında ve P. aeruginosa besiyerinde 37 °C'de 14 gün boyunca maruz kalma süresine karşı açık devre potansiyeli (Eocp) verilerini göstermektedir. Eocp'deki en büyük ve önemli değişimin ilk 24 saat içinde meydana geldiği görülmektedir. Her iki durumda da Eocp değerleri yaklaşık 16 saatte -145 mV (vs. SCE)'de zirve yapmış ve ardından keskin bir şekilde düşerek abiyotik örnek için -477 mV (vs. SCE) ve P için -236 mV (vs. SCE) değerlerine ulaşmıştır. Sırasıyla Pseudomonas aeruginosa örnekleri kullanıldı. 24 saat sonra, P. aeruginosa için 2707 HDSS'nin Eocp değeri -228 mV'de (vs. SCE) nispeten sabit kalırken, biyolojik olmayan örnekler için karşılık gelen değer yaklaşık -442 mV (vs. SCE) idi. P. aeruginosa varlığında Eocp oldukça düşüktü.
37 °C'de abiyotik ortamda ve Pseudomonas aeruginosa besiyerinde 2707 HDSS örneğinin elektrokimyasal testi:
(a) Pozlama süresine bağlı olarak Eocp, (b) 14. günde polarizasyon eğrileri, (c) Pozlama süresine bağlı olarak Rp ve (d) Pozlama süresine bağlı olarak icorr.
Tablo 3, 14 gün boyunca abiyotik ortama ve Pseudomonas aeruginosa ile aşılanmış ortama maruz bırakılan 2707 HDSS numunesinin elektrokimyasal korozyon parametre değerlerini listelemektedir. Anodik ve katodik eğrilerin teğetleri, standart yöntemlere göre korozyon akım yoğunluğunu (icorr), korozyon potansiyelini (Ecorr) ve Tafel eğimlerini (βα ve βc) veren kesişim noktalarına ulaşmak için ekstrapole edilmiştir30,31.
Şekil 2b'de gösterildiği gibi, P. aeruginosa eğrisinin yukarı doğru kayması, abiyotik eğriye kıyasla Ecorr'da bir artışa neden oldu. Korozyon oranıyla orantılı olan icorr değeri, Pseudomonas aeruginosa örneğinde 0,328 μA cm-2'ye yükseldi; bu değer, biyolojik olmayan örneğin (0,087 μA cm-2) dört katıdır.
LPR, hızlı korozyon analizi için klasik, tahribatsız bir elektrokimyasal yöntemdir. Ayrıca MIC32'yi incelemek için de kullanılmıştır. Şekil 2c, polarizasyon direncini (Rp) maruz kalma süresinin bir fonksiyonu olarak göstermektedir. Daha yüksek bir Rp değeri, daha az korozyon anlamına gelir. İlk 24 saat içinde, 2707 HDSS'nin Rp değeri, abiyotik numuneler için 1955 kΩ cm2 ve Pseudomonas aeruginosa numuneleri için 1429 kΩ cm2'lik maksimum bir değere ulaşmıştır. Şekil 2c ayrıca, Rp değerinin bir gün sonra hızla azaldığını ve daha sonraki 13 gün boyunca nispeten değişmeden kaldığını göstermektedir. Pseudomonas aeruginosa numunesinin Rp değeri yaklaşık 40 kΩ cm2 olup, bu değer biyolojik olmayan numunenin 450 kΩ cm2 değerinden çok daha düşüktür.
icorr değeri, düzgün korozyon oranıyla orantılıdır. Değeri aşağıdaki Stern-Geary denkleminden hesaplanabilir:
Zou ve ark. 33'ü takip ederek, bu çalışmada Tafel eğimi B'nin tipik değeri 26 mV/dek olarak kabul edildi. Şekil 2d, biyolojik olmayan 2707 örneğinin icorr değerinin nispeten sabit kaldığını, P. aeruginosa örneğinin ise ilk 24 saatten sonra büyük ölçüde dalgalandığını göstermektedir. P. aeruginosa örneklerinin icorr değerleri, biyolojik olmayan kontrollere göre bir mertebe daha yüksekti. Bu eğilim, polarizasyon direnci sonuçlarıyla tutarlıdır.
EIS, aşınmış arayüzlerdeki elektrokimyasal reaksiyonları karakterize etmek için kullanılan bir diğer tahribatsız tekniktir. Abiyotik ortamlara ve Pseudomonas aeruginosa çözeltisine maruz bırakılan numunelerin empedans spektrumları ve hesaplanan kapasitans değerleri, numunenin yüzeyinde oluşan pasif film/biyofilm direnci (Rb), yük transfer direnci (Rct), elektriksel çift katman kapasitansı (EDL) (Cdl) ve Sabit Faz Elemanı (CPE) parametreleri (QCPE) incelenmiştir. Bu parametreler, eşdeğer devre (EEC) modeli kullanılarak verilerin uyarlanmasıyla daha ayrıntılı olarak analiz edilmiştir.
Şekil 3, farklı inkübasyon süreleri için abiyotik ortamda ve P. aeruginosa besiyerinde 2707 HDSS örneğinin tipik Nyquist grafiklerini (a ve b) ve Bode grafiklerini (a' ve b') göstermektedir. Pseudomonas aeruginosa varlığında Nyquist halkasının çapı azalmaktadır. Bode grafiği (Şekil 3b'), toplam empedansın büyüklüğünde bir artış göstermektedir. Gevşeme zaman sabiti hakkında bilgi, faz maksimumlarından elde edilebilir. Şekil 4, tek katmanlı (a) ve çift katmanlı (b) fiziksel yapıları ve bunlara karşılık gelen EEC'leri göstermektedir. CPE, EEC modeline dahil edilmiştir. İletkenliği ve empedansı aşağıdaki gibi ifade edilir:
2707 HDSS örneğinin empedans spektrumuna uyum sağlamak için iki fiziksel model ve bunlara karşılık gelen eşdeğer devreler:
Burada Y0, CPE'nin büyüklüğü, j sanal sayı veya (-1)1/2, ω açısal frekans ve n, birden küçük CPE güç indeksidir35. Şarj transfer direncinin tersi (yani 1/Rct), korozyon hızına karşılık gelir. Daha küçük Rct, daha hızlı korozyon hızı anlamına gelir27. 14 günlük inkübasyondan sonra, Pseudomonas aeruginosa örneklerinin Rct değeri 32 kΩ cm2'ye ulaşmıştır; bu değer, biyolojik olmayan örneklerin 489 kΩ cm2 değerinden çok daha küçüktür (Tablo 4).
Şekil 5'teki CLSM ve SEM görüntüleri, 7 gün sonra 2707 HDSS numunesinin yüzeyindeki biyofilm örtüsünün yoğun olduğunu açıkça göstermektedir. Bununla birlikte, 14 gün sonra biyofilm örtüsü seyrekleşmiş ve bazı ölü hücreler ortaya çıkmıştır. Tablo 5, 2707 HDSS numunelerinin P. aeruginosa'ya 7 ve 14 gün maruz kaldıktan sonraki biyofilm kalınlığını göstermektedir. Maksimum biyofilm kalınlığı, 7 gün sonra 23,4 μm'den 14 gün sonra 18,9 μm'ye değişmiştir. Ortalama biyofilm kalınlığı da bu eğilimi doğrulamıştır. 7 gün sonra 22,2 ± 0,7 μm'den 14 gün sonra 17,8 ± 1,0 μm'ye düşmüştür.
(a) 7 gün sonraki 3 boyutlu CLSM görüntüsü, (b) 14 gün sonraki 3 boyutlu CLSM görüntüsü, (c) 7 gün sonraki SEM görüntüsü ve (d) 14 gün sonraki SEM görüntüsü.
EDS, 14 gün boyunca P. aeruginosa'ya maruz bırakılan numunelerdeki biyofilm ve korozyon ürünlerinde kimyasal elementleri ortaya çıkardı. Şekil 6, biyofilm ve korozyon ürünlerindeki C, N, O ve P içeriğinin, bu elementler biyofilmler ve metabolitleriyle ilişkili olduğundan, çıplak metallere göre çok daha yüksek olduğunu göstermektedir. Mikroorganizmalar yalnızca eser miktarda krom ve demire ihtiyaç duyar. Numunelerin yüzeyindeki biyofilm ve korozyon ürünlerinde yüksek Cr ve Fe seviyeleri, metal matrisin korozyon nedeniyle element kaybettiğini göstermektedir.
14 gün sonra, 2216E ortamında P. aeruginosa'lı ve P. aeruginosa'sız çukurlaşma gözlemlendi. İnkübasyondan önce, numune yüzeyi pürüzsüz ve kusursuzdu (Şekil 7a). İnkübasyondan ve biyofilm ve korozyon ürünlerinin uzaklaştırılmasından sonra, numunelerin yüzeyindeki en derin çukurlar CLSM altında incelendi (Şekil 7b ve c). Biyolojik olmayan kontrol numunelerinin yüzeyinde belirgin çukurlar bulunmadı (maksimum çukur derinliği 0,02 μm). Pseudomonas aeruginosa'nın neden olduğu maksimum çukur derinliği, 7 gün sonra 0,52 μm ve 14 gün sonra 0,69 μm idi; bu değerler, 3 numunenin ortalama maksimum çukur derinliğine (her numune için 10 maksimum çukur derinliği değeri seçildi) dayanarak sırasıyla 0,42 ± 0,12 μm ve 0,52 ± 0,15 μm'ye ulaştı (Tablo). 5). Bu çukur derinliği değerleri küçük ama önemlidir.
(a) Maruz kalmadan önce, (b) 14 gün boyunca cansız ortamda ve (c) 14 gün boyunca Pseudomonas aeruginosa besiyerinde.
Şekil 8, farklı numune yüzeylerinin XPS spektrumlarını göstermekte ve her yüzey için analiz edilen kimyasal bileşimler Tablo 6'da özetlenmiştir. Tablo 6'da, P. aeruginosa varlığında (A ve B numuneleri) Fe ve Cr'nin atomik yüzdeleri, biyolojik olmayan kontrol numunelerine (C ve D numuneleri) göre çok daha düşüktür. P. aeruginosa numunesi için, Cr 2p çekirdek seviyesi spektral eğrisi, sırasıyla Cr, Cr2O3, CrO3 ve Cr(OH)3'e atfedilebilen 574,4, 576,6, 578,3 ve 586,8 eV bağlanma enerjisi (BE) değerlerine sahip dört tepe bileşenine uydurulmuştur (Şekil 9a ve b). Biyolojik olmayan numuneler için, Cr 2p çekirdek seviyesi spektrumu, Cr (BE için 573,80 eV) ve Cr2O3 (575,90 eV) için iki ana tepe içermektedir. Şekil 9c ve d'de sırasıyla BE için gösterilmiştir. Abiyotik ve P. aeruginosa örnekleri arasındaki en çarpıcı fark, biyofilm altında Cr6+ varlığı ve daha yüksek oranda Cr(OH)3 (BE 586,8 eV) bulunmasıydı.
2707 HDSS numunesinin yüzeyinin geniş XPS spektrumları, sırasıyla 7 ve 14 günlük iki ortamda elde edilmiştir.
(a) 7 gün boyunca P. aeruginosa'ya maruz kalma, (b) 14 gün boyunca P. aeruginosa'ya maruz kalma, (c) 7 gün boyunca cansız ortamda kalma ve (d) 14 gün boyunca cansız ortamda kalma.
HDSS, çoğu ortamda yüksek korozyon direnci sergiler. Kim ve ark. 2, UNS S32707 HDSS'nin 45'ten fazla PREN değerine sahip yüksek alaşımlı bir DSS olarak tanımlandığını bildirmiştir. Bu çalışmada kullanılan 2707 HDSS numunesinin PREN değeri 49'dur. Bu, asidik ve yüksek klorürlü ortamlarda faydalı olan yüksek krom içeriği ve yüksek molibden ve Ni seviyelerinden kaynaklanmaktadır. Ayrıca, iyi dengelenmiş bir bileşim ve kusursuz bir mikro yapı, yapısal kararlılık ve korozyon direnci için faydalıdır. Bununla birlikte, mükemmel kimyasal direncine rağmen, bu çalışmadaki deneysel veriler, 2707 HDSS'nin P. aeruginosa biyofilmlerinin MIC'sine tamamen bağışık olmadığını göstermektedir.
Elektrokimyasal sonuçlar, 2707 HDSS'nin P. aeruginosa besiyerinde korozyon oranının, biyolojik olmayan ortama kıyasla 14 gün sonra önemli ölçüde arttığını göstermiştir. Şekil 2a'da, ilk 24 saat boyunca hem abiyotik ortamda hem de P. aeruginosa besiyerinde Eocp'de bir azalma gözlemlenmiştir. Daha sonra, biyofilm numunenin yüzeyini tamamen kaplamış ve Eocp nispeten stabil hale gelmiştir36. Bununla birlikte, biyolojik Eocp seviyesi, biyolojik olmayan Eocp'den çok daha yüksektir. Bu farkın P. aeruginosa biyofilm oluşumundan kaynaklandığına inanmak için nedenler vardır. Şekil 2d'de, P. aeruginosa varlığında, 2707 HDSS'nin icorr değeri 0,627 μA cm-2'ye ulaşmıştır; bu, abiyotik kontrolün (0,063 μA cm-2) değerinden bir büyüklük mertebesi daha yüksektir ve EIS ile ölçülen Rct değeriyle tutarlıdır. İlk birkaç gün boyunca, P. aeruginosa besiyerinde empedans değerleri, P. aeruginosa hücrelerinin yapışması ve biyofilm oluşumu nedeniyle artmıştır. Ancak, biyofilm numunenin yüzeyini tamamen kapladığında empedans azalır. Koruyucu tabaka, biyofilm ve biyofilm metabolitlerinin oluşumu nedeniyle ilk önce saldırıya uğrar. Bu nedenle, korozyon direnci zamanla azalır ve P. aeruginosa'nın yapışması lokalize korozyona neden olur. Abiyotik ortamlardaki eğilimler farklıydı. Biyolojik olmayan kontrolün korozyon direnci, P. aeruginosa besiyerine maruz kalan numunelerin karşılık gelen değerinden çok daha yüksekti. Ayrıca, abiyotik numuneler için, 2707 HDSS'nin Rct değeri 14. günde 489 kΩ cm2'ye ulaşmıştır ki bu, P. aeruginosa varlığındaki Rct değerinin (32 kΩ cm2) 15 katıdır. Bu nedenle, 2707 HDSS steril bir ortamda mükemmel korozyon direncine sahiptir, ancak P. aeruginosa'nın neden olduğu MIC saldırısına karşı dirençli değildir. aeruginosa biyofilmleri.
Bu sonuçlar Şekil 2b'deki polarizasyon eğrilerinden de gözlemlenebilir. Anodik dallanma, Pseudomonas aeruginosa biyofilm oluşumu ve metal oksidasyon reaksiyonlarına atfedilmiştir. Aynı zamanda katodik reaksiyon, oksijenin indirgenmesidir. P. aeruginosa'nın varlığı, korozyon akım yoğunluğunu büyük ölçüde artırmış, abiyotik kontrole göre yaklaşık bir mertebe daha yüksek olmuştur. Bu, P. aeruginosa biyofilminin 2707 HDSS'nin lokalize korozyonunu artırdığını göstermektedir. Yuan ve ark.29, 70/30 Cu-Ni alaşımının korozyon akım yoğunluğunun P. aeruginosa biyofilminin etkisi altında arttığını bulmuşlardır. Bu, Pseudomonas aeruginosa biyofilmleri tarafından oksijen indirgenmesinin biyokatalizinden kaynaklanabilir. Bu gözlem, bu çalışmadaki 2707 HDSS'nin MIC'sini de açıklayabilir. Aerobik biyofilmlerin altında daha az oksijen olabilir. Bu nedenle, metal yüzeyinin oksijenle yeniden pasifleştirilememesi, bu çalışmadaki MIC'ye katkıda bulunan bir faktör olabilir.
Dickinson ve ark. 38, kimyasal ve elektrokimyasal reaksiyon hızlarının, numunenin yüzeyindeki yerleşik bakterilerin metabolik aktivitesinden ve korozyon ürünlerinin doğasından doğrudan etkilenebileceğini öne sürmüştür. Şekil 5 ve Tablo 5'te gösterildiği gibi, hem hücre sayısı hem de biyofilm kalınlığı 14 gün sonra azalmıştır. Bu durum, 14 gün sonra 2707 HDSS yüzeyindeki yerleşik hücrelerin çoğunun 2216E ortamındaki besin tükenmesi veya 2707 HDSS matrisinden toksik metal iyonlarının salınması nedeniyle öldüğü şeklinde makul bir şekilde açıklanabilir. Bu, toplu deneylerin bir sınırlamasıdır.
Bu çalışmada, P. aeruginosa biyofilm tabakası, 2707 HDSS yüzeyinde biyofilm tabakasının altında Cr ve Fe'nin lokal olarak tükenmesine neden olmuştur (Şekil 6). Tablo 6'da, D örneğindeki Fe ve Cr'nin C örneğine kıyasla azalması, P. aeruginosa biyofilm tabakasının neden olduğu çözünmüş Fe ve Cr'nin ilk 7 günden sonra da devam ettiğini göstermektedir. 2216E ortamı, deniz ortamlarını simüle etmek için kullanılır. Doğal deniz suyunda bulunanla karşılaştırılabilir düzeyde 17700 ppm Cl- içerir. 17700 ppm Cl- varlığı, XPS ile analiz edilen 7 ve 14 günlük abiyotik örneklerdeki Cr azalmasının ana nedenidir. P. aeruginosa örneklerine kıyasla, abiyotik örneklerdeki Cr çözünmesi, 2707 HDSS'nin abiyotik ortamlardaki güçlü Cl- direncinden dolayı çok daha azdır. Şekil 9, pasivasyon filminde Cr6+ varlığını göstermektedir. Chen ve Clayton'ın öne sürdüğü gibi, P. aeruginosa biyofilmleri tarafından çelik yüzeylerden Cr'nin uzaklaştırılmasında rol oynayabilir.
Bakteri üremesi nedeniyle, kültür öncesi ve sonrası ortamın pH değerleri sırasıyla 7,4 ve 8,2 idi. Bu nedenle, P. aeruginosa biyofilm tabakasının altında, ortamdaki nispeten yüksek pH nedeniyle organik asit korozyonunun bu çalışmaya katkıda bulunan bir faktör olması olası değildir. Biyolojik olmayan kontrol ortamının pH'ı, 14 günlük test süresi boyunca önemli ölçüde değişmedi (başlangıçtaki 7,4'ten sondaki 7,5'e). İnkübasyondan sonra aşılama ortamındaki pH artışı, P. aeruginosa'nın metabolik aktivitesinden kaynaklanmıştır ve test şeritlerinin yokluğunda da pH üzerinde aynı etkiye sahip olduğu bulunmuştur.
Şekil 7'de gösterildiği gibi, P. aeruginosa biyofilminden kaynaklanan maksimum çukur derinliği 0,69 μm olup, bu değer abiyotik ortamınkinden (0,02 μm) çok daha büyüktür. Bu, yukarıda açıklanan elektrokimyasal verilerle tutarlıdır. 0,69 μm'lik çukur derinliği, aynı koşullar altında 2205 DSS için bildirilen 9,5 μm değerinden on kat daha küçüktür. Bu veriler, 2707 HDSS'nin 2205 DSS'ye kıyasla daha iyi MIC direnci gösterdiğini ortaya koymaktadır. Bu şaşırtıcı olmamalıdır, çünkü 2707 HDSS daha yüksek krom içeriğine sahiptir ve zararlı ikincil çökeltiler içermeyen dengeli faz yapısı sayesinde daha uzun süreli pasivasyon sağlar, bu da P. aeruginosa'nın pasifliğini bozmasını ve başlangıç ​​noktalarının tutulmasını zorlaştırır.
Sonuç olarak, P. aeruginosa besiyerinde 2707 HDSS yüzeyinde MIC kaynaklı çukurlaşma gözlemlenirken, abiyotik ortamlarda ihmal edilebilir düzeyde çukurlaşma tespit edilmiştir. Bu çalışma, 2707 HDSS'nin 2205 DSS'ye göre daha iyi MIC direncine sahip olduğunu, ancak P. aeruginosa biyofilminden kaynaklanan MIC'ye karşı tamamen bağışık olmadığını göstermektedir. Bu bulgular, deniz ortamı için uygun paslanmaz çeliklerin seçimine ve tahmini hizmet ömrüne yardımcı olmaktadır.
2707 HDSS numunesi, Çin'in Shenyang şehrindeki Kuzeydoğu Üniversitesi (NEU) Metalurji Fakültesi tarafından sağlanmıştır. 2707 HDSS'nin elementel bileşimi, NEU Malzeme Analizi ve Test Bölümü tarafından analiz edilerek Tablo 1'de gösterilmiştir. Tüm numuneler 1180 °C'de 1 saat süreyle çözelti işlemine tabi tutulmuştur. Korozyon testinden önce, üst yüzey alanı 1 cm² olan madeni para şeklinde 2707 HDSS numunesi, silisyum karbür zımpara kağıdı ile 2000 kum tanecik boyutuna kadar parlatılmış ve daha sonra 0,05 μm Al₂O₃ toz süspansiyonu ile parlatılmıştır. Yan ve alt kısımlar inert boya ile korunmuştur. Kurutulduktan sonra, numuneler steril deiyonize su ile durulanmış ve 0,5 saat süreyle %75 (v/v) etanol ile sterilize edilmiştir. Daha sonra kullanımdan önce 0,5 saat süreyle ultraviyole (UV) ışık altında hava ile kurutulmuştur.
Deniz Pseudomonas aeruginosa MCCC 1A00099 suşu, Çin'deki Xiamen Deniz Kültür Koleksiyon Merkezi'nden (MCCC) satın alındı. Pseudomonas aeruginosa, 250 ml'lik şişelerde ve 500 ml'lik elektrokimyasal cam hücrelerde, Marine 2216E sıvı ortamı (Qingdao Hope Biotechnology Co., Ltd., Qingdao, Çin) kullanılarak 37°C'de aerobik olarak yetiştirildi. Ortam (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 pepton, 1,0 maya özütü ve 0,1 demir sitrat. Aşılama öncesinde 121°C'de 20 dakika otoklavlayın. 400X büyütmede ışık mikroskobu altında hemositometre kullanarak yerleşik ve planktonik hücreleri sayın. Aşılamadan hemen sonra planktonik Pseudomonas aeruginosa'nın başlangıç ​​hücre konsantrasyonu yaklaşık 10⁶ hücre/ml idi.
Elektrokimyasal testler, 500 ml'lik orta hacimli klasik üç elektrotlu cam hücrede gerçekleştirildi. Platin levha ve doymuş kalomel elektrot (SCE), sırasıyla karşı ve referans elektrotlar olarak görev yapan tuz köprüleriyle doldurulmuş Luggin kılcal boruları aracılığıyla reaktöre bağlandı. Çalışma elektrotlarını oluşturmak için, her bir numuneye kauçuk kaplı bakır tel takıldı ve epoksi ile kaplandı, böylece çalışma elektrodu için yaklaşık 1 cm²'lik tek taraflı açık yüzey alanı bırakıldı. Elektrokimyasal ölçümler sırasında, numuneler 2216E ortamına yerleştirildi ve su banyosunda sabit bir inkübasyon sıcaklığında (37 °C) tutuldu. OCP, LPR, EIS ve potansiyel dinamik polarizasyon verileri, bir Autolab potansiyostat (Reference 600TM, Gamry Instruments, Inc., ABD) kullanılarak ölçüldü. LPR testleri, -5 ile 5 mV aralığında 0,125 mV s⁻¹ tarama hızıyla, Eocp ve 1 Hz örnekleme frekansıyla kaydedildi. EIS gerçekleştirildi. 0,01 ila 10.000 Hz frekans aralığında sinüs dalgası kullanılarak, kararlı durum Eocp'de 5 mV'luk bir uygulanan voltaj ile potansiyel taraması yapıldı. Potansiyel taramasından önce, kararlı bir serbest korozyon potansiyeli değerine ulaşılana kadar elektrotlar açık devre modunda tutuldu. Daha sonra, polarizasyon eğrileri -0,2 ila 1,5 V (Eocp'ye göre) arasında 0,166 mV/s tarama hızıyla çalıştırıldı. Her test, P. aeruginosa ile ve P. aeruginosa olmadan 3 kez tekrarlandı.
Metalografik analiz için numuneler, 2000 kum taneli ıslak SiC zımpara kağıdı ile mekanik olarak parlatıldı ve daha sonra optik gözlem için 0,05 μm Al2O3 toz süspansiyonu ile daha da parlatıldı. Metalografik analiz, optik mikroskop kullanılarak gerçekleştirildi. Numuneler, %10 ağırlık oranında potasyum hidroksit çözeltisi ile dağlandı.
İnkübasyondan sonra, numuneler fosfat tamponlu salin (PBS) çözeltisi (pH 7,4 ± 0,2) ile 3 kez yıkandı ve ardından biyofilmleri sabitlemek için 10 saat boyunca %2,5 (v/v) glutaraldehit ile sabitlendi. Daha sonra, hava ile kurutulmadan önce kademeli bir etanol serisi (%50, %60, %70, %80, %90, %95 ve %100 v/v) ile dehidrate edildi. Son olarak, SEM gözlemi için iletkenlik sağlamak amacıyla numunenin yüzeyi altın film ile kaplandı. SEM görüntüleri, her numunenin yüzeyinde en fazla yerleşik P. aeruginosa hücresi bulunan noktalara odaklandı. Kimyasal elementleri bulmak için EDS analizi yapıldı. Çukur derinliğini ölçmek için bir Zeiss Konfokal Lazer Tarama Mikroskobu (CLSM) (LSM 710, Zeiss, Almanya) kullanıldı. Biyofilm altındaki korozyon çukurlarını gözlemlemek için test parçası kullanıldı. Test numunesinin yüzeyindeki korozyon ürünlerini ve biyofilmi gidermek için öncelikle Çin Ulusal Standardı (CNS) GB/T4334.4-2000'e göre temizleme işlemi yapıldı.
X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS, ESCALAB250 yüzey analiz sistemi, Thermo VG, ABD) analizi, standart koşullar altında geniş bir bağlanma enerjisi aralığında (0 - 1350 eV) monokromatik bir X-ışını kaynağı (1500 eV enerji ve 150 W güçte alüminyum Kα hattı) kullanılarak gerçekleştirildi. Yüksek çözünürlüklü spektrumlar, 50 eV geçiş enerjisi ve 0,2 eV adım boyutu kullanılarak kaydedildi.
İnkübe edilen örnekler çıkarıldı ve 15 saniye boyunca PBS (pH 7,4 ± 0,2) ile nazikçe durlandı. Örnekler üzerindeki biyofilmlerin bakteri canlılığını gözlemlemek için, biyofilmler LIVE/DEAD BacLight Bakteri Canlılığı Kiti (Invitrogen, Eugene, OR, ABD) kullanılarak boyandı. Kit, iki floresan boya içerir: yeşil floresan SYTO-9 boyası ve kırmızı floresan propidium iyodür (PI) boyası. CLSM altında, floresan yeşil ve kırmızı noktalar sırasıyla canlı ve ölü hücreleri temsil eder. Boyama için, 3 μl SYTO-9 ve 3 μl PI çözeltisi içeren 1 ml'lik bir karışım, karanlıkta oda sıcaklığında (23 °C) 20 dakika inkübe edildi. Daha sonra, boyanmış örnekler, Nikon kullanılarak iki dalga boyunda (canlı hücreler için 488 nm ve ölü hücreler için 559 nm) gözlemlendi. CLSM cihazı (C2 Plus, Nikon, Japonya). Biyofilm kalınlığı 3 boyutlu tarama modunda ölçüldü.
Bu makaleye nasıl atıfta bulunulur: Li, H. vd. Deniz Pseudomonas aeruginosa biyofilm tabakası tarafından 2707 süper dubleks paslanmaz çeliğin mikrobiyal korozyonu.science.Rep. 6, 20190; doi: 10.1038/srep20190 (2016).
Zanotto, F., Grassi, V., Balbo, A., Monticelli, C. & Zucchi, F. LDX 2101 dubleks paslanmaz çeliğin klorür çözeltisinde tiyosülfat varlığında gerilme korozyonu çatlaması.coros.science.80, 205–212 (2014).
Kim, ST, Jang, SH, Lee, IS & Park, YS, Çözelti ısıl işlemi ve koruyucu gazdaki azotun süper dubleks paslanmaz çelik kaynaklarının çukur korozyon direncine etkisi.coros.science.53, 1939–1947 (2011).
Shi, X., Avci, R., Geiser, M. & Lewandowski, Z. 316L Paslanmaz Çelikte Mikrobiyal ve Elektrokimyasal Olarak Oluşturulan Çukur Korozyonunun Karşılaştırmalı Kimyasal Çalışması.coros.science.45, 2577–2595 (2003).
Luo, H., Dong, CF, Li, XG & Xiao, K. 2205 dubleks paslanmaz çeliğin klorür varlığında farklı pH'lı alkali çözeltilerdeki elektrokimyasal davranışı. Electrochim.Journal.64, 211–220 (2012).
Little, BJ, Lee, JS & Ray, RI Deniz biyofilmlerinin korozyon üzerindeki etkisi: kısa bir inceleme. Electrochim.Journal.54, 2-7 (2008).