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Mikrobielle Korrosion (MIC) ist in vielen Branchen ein ernsthaftes Problem, da sie zu enormen wirtschaftlichen Verlusten führen kann.Super-Duplex-Edelstahl 2707 (2707 HDSS) wird aufgrund seiner hervorragenden chemischen Beständigkeit in Meeresumgebungen verwendet.Seine Resistenz gegenüber MIC wurde jedoch nicht experimentell nachgewiesen.Diese Studie untersuchte das Verhalten von MIC 2707 HDSS, das durch das marine aerobe Bakterium Pseudomonas aeruginosa verursacht wird.Die elektrochemische Analyse zeigte, dass in Gegenwart von Pseudomonas aeruginosa-Biofilm im 2216E-Medium eine positive Änderung des Korrosionspotentials und eine Erhöhung der Korrosionsstromdichte auftreten.Die Analyse der Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) zeigte eine Abnahme des Cr-Gehalts auf der Oberfläche der Probe unter dem Biofilm.Die visuelle Analyse der Grübchen zeigte, dass der Biofilm von P. aeruginosa während 14 Tagen Inkubation eine maximale Grübchentiefe von 0,69 &mgr;m erzeugte.Obwohl dies klein ist, weist es darauf hin, dass 2707 HDSS nicht vollständig immun gegen die MIC von P. aeruginosa-Biofilmen ist.
Duplex-Edelstähle (DSS) werden aufgrund der perfekten Kombination aus hervorragenden mechanischen Eigenschaften und Korrosionsbeständigkeit in vielen Branchen eingesetzt1,2.Lokaler Lochfraß tritt jedoch immer noch auf und beeinträchtigt die Integrität dieses Stahls3,4.DSS ist nicht beständig gegen mikrobielle Korrosion (MIC)5,6.Trotz des breiten Einsatzspektrums von DSS gibt es immer noch Umgebungen, in denen die Korrosionsbeständigkeit von DSS für den Dauereinsatz nicht ausreicht.Dies bedeutet, dass teurere Materialien mit höherer Korrosionsbeständigkeit erforderlich sind.Jeon et al.7 fanden heraus, dass selbst Super-Duplex-Edelstähle (SDSS) einige Einschränkungen in Bezug auf die Korrosionsbeständigkeit aufweisen.Daher sind in einigen Fällen Super-Duplex-Edelstähle (HDSS) mit höherer Korrosionsbeständigkeit erforderlich.Dies führte zur Entwicklung von hochlegiertem HDSS.
Die Korrosionsbeständigkeit DSS hängt vom Verhältnis der Alpha- und Gamma-Phasen ab und ist in Cr-, Mo- und W-Regionen 8, 9, 10 neben der zweiten Phase verarmt.HDSS enthält einen hohen Gehalt an Cr, Mo und N11, daher hat es eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit und einen hohen Wert (45-50) der äquivalenten Lochfraßbeständigkeitszahl (PREN), bestimmt durch Gew.-% Cr + 3,3 (Gew.-% Mo + ). 0,5 Gew.-% W) ​​+ 16 Gew.-%N12.Seine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit hängt von einer ausgewogenen Zusammensetzung ab, die ungefähr 50 % ferritische (α) und 50 % austenitische (γ) Phasen enthält.HDSS hat bessere mechanische Eigenschaften und eine höhere Beständigkeit gegen Chloridkorrosion.Die verbesserte Korrosionsbeständigkeit erweitert die Verwendung von HDSS in aggressiveren Chloridumgebungen wie Meeresumgebungen.
MICs sind ein großes Problem in vielen Industriezweigen wie der Öl- und Gas- sowie der Wasserindustrie14.MIC macht 20 % aller Korrosionsschäden aus15.MIC ist eine bioelektrochemische Korrosion, die in vielen Umgebungen beobachtet werden kann.Biofilme, die sich auf Metalloberflächen bilden, verändern die elektrochemischen Verhältnisse und beeinflussen dadurch den Korrosionsprozess.Es wird allgemein angenommen, dass MIC-Korrosion durch Biofilme verursacht wird.Elektrogene Mikroorganismen fressen Metalle auf, um die Energie zu gewinnen, die sie zum Überleben benötigen17.Jüngste MIC-Studien haben gezeigt, dass EET (extrazellulärer Elektronentransfer) der geschwindigkeitsbestimmende Faktor bei durch elektrogene Mikroorganismen induzierten MIC ist.Zhanget al.18 zeigten, dass Elektronenvermittler den Elektronentransfer zwischen Desulfovibrio-sessificans-Zellen und Edelstahl 304 beschleunigen, was zu einem stärkeren MIC-Angriff führt.Anninget al.19 und Wenzlaff et al.20 haben gezeigt, dass Biofilme aus korrosiven sulfatreduzierenden Bakterien (SRBs) Elektronen direkt von Metallsubstraten absorbieren können, was zu starkem Lochfraß führt.
Es ist bekannt, dass DSS in Medien, die SRBs, eisenreduzierende Bakterien (IRBs) usw. enthalten, anfällig für MIC ist 21 .Diese Bakterien verursachen lokalisierte Lochfraßbildung auf der Oberfläche von DSS unter Biofilmen22,23.Im Gegensatz zu DSS ist das HDSS24 MIC nicht sehr bekannt.
Pseudomonas aeruginosa ist ein gramnegatives, bewegliches, stäbchenförmiges Bakterium, das in der Natur weit verbreitet ist25.Pseudomonas aeruginosa ist auch eine wichtige mikrobielle Gruppe in der Meeresumwelt, die erhöhte MHK-Konzentrationen verursacht.Pseudomonas ist aktiv am Korrosionsprozess beteiligt und gilt als Pionierkolonisator bei der Biofilmbildung.Mahat al.28 und Yuan et al.29 zeigte, dass Pseudomonas aeruginosa dazu neigt, die Korrosionsrate von Weichstahl und Legierungen in aquatischen Umgebungen zu erhöhen.
Das Hauptziel dieser Arbeit war es, die Eigenschaften von MIC 2707 HDSS, verursacht durch das marine aerobe Bakterium Pseudomonas aeruginosa, mit elektrochemischen Methoden, Oberflächenanalysemethoden und Korrosionsproduktanalysen zu untersuchen.Elektrochemische Studien, einschließlich Leerlaufpotential (OCP), linearer Polarisationswiderstand (LPR), elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) und potentielle dynamische Polarisation, wurden durchgeführt, um das Verhalten des MIC 2707 HDSS zu untersuchen.Eine energiedispersive spektrometrische Analyse (EDS) wurde durchgeführt, um chemische Elemente auf einer korrodierten Oberfläche nachzuweisen.Darüber hinaus wurde Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) verwendet, um die Stabilität der Oxidfilmpassivierung unter dem Einfluss einer Pseudomonas aeruginosa enthaltenden Meeresumgebung zu bestimmen.Die Tiefe der Vertiefungen wurde unter einem konfokalen Laser-Scanning-Mikroskop (CLSM) gemessen.
Tabelle 1 zeigt die chemische Zusammensetzung von 2707 HDSS.Tabelle 2 zeigt, dass 2707 HDSS hervorragende mechanische Eigenschaften mit einer Streckgrenze von 650 MPa aufweist.Auf Abb.1 zeigt die optische Mikrostruktur von lösungsgeglühtem 2707 HDSS.In der Mikrostruktur, die etwa 50 % Austenit- und 50 % Ferritphasen enthält, sind längliche Bänder von Austenit- und Ferritphasen ohne sekundäre Phasen sichtbar.
Auf Abb.2a zeigt das Leerlaufpotential (Eocp) gegenüber der Expositionszeit für 2707 HDSS in abiotischem 2216E-Medium und P. aeruginosa-Brühe für 14 Tage bei 37°C.Es zeigt, dass die größte und bedeutendste Änderung des Eocp innerhalb der ersten 24 Stunden auftritt.Die Eocp-Werte erreichten in beiden Fällen gegen 16 h einen Spitzenwert von -145 mV (im Vergleich zu SCE) und fielen dann stark ab und erreichten -477 mV (im Vergleich zu SCE) und -236 mV (im Vergleich zu SCE) für die abiotische Probe.bzw. P Pseudomonas aeruginosa Coupons).Nach 24 Stunden war der Eocp 2707 HDSS-Wert für P. aeruginosa relativ stabil bei -228 mV (im Vergleich zu SCE), während der entsprechende Wert für nicht-biologische Proben etwa -442 mV (im Vergleich zu SCE) betrug.Eocp in Anwesenheit von P. aeruginosa war ziemlich niedrig.
Elektrochemische Untersuchung von 2707 HDSS-Proben in abiotischem Medium und Pseudomonas aeruginosa-Bouillon bei 37 °C:
(a) Eocp als Funktion der Expositionszeit, (b) Polarisationskurven am Tag 14, (c) Rp als Funktion der Expositionszeit und (d) icorr als Funktion der Expositionszeit.
Tabelle 3 zeigt die elektrochemischen Korrosionsparameter von 2707 HDSS-Proben, die abiotischen und mit Pseudomonas aeruginosa inokulierten Medien über einen Zeitraum von 14 Tagen ausgesetzt wurden.Die Tangenten der Anoden- und Kathodenkurven wurden extrapoliert, um Schnittpunkte zu erhalten, die die Korrosionsstromdichte (icorr), das Korrosionspotential (Ecorr) und die Tafel-Steigung (βα und βc) gemäß Standardmethoden30,31 ergeben.
Wie in Abb.In 2b führte eine Aufwärtsverschiebung der P.-aeruginosa-Kurve zu einem Anstieg von Ecorr im Vergleich zur abiotischen Kurve.Der icorr-Wert, der proportional zur Korrosionsrate ist, stieg in der Pseudomonas aeruginosa-Probe auf 0,328 µA cm-2, was viermal höher ist als in der nicht-biologischen Probe (0,087 µA cm-2).
LPR ist ein klassisches zerstörungsfreies elektrochemisches Verfahren zur schnellen Korrosionsanalyse.Es wurde auch verwendet, um MIC32 zu untersuchen.Auf Abb.2c zeigt den Polarisationswiderstand (Rp) als Funktion der Belichtungszeit.Ein höherer Rp-Wert bedeutet weniger Korrosion.Innerhalb der ersten 24 Stunden erreichte Rp 2707 HDSS einen Spitzenwert von 1955 kΩ cm2 für abiotische Proben und 1429 kΩ cm2 für Pseudomonas aeruginosa-Proben.Abbildung 2c zeigt auch, dass der Rp-Wert nach einem Tag schnell abnahm und dann über die nächsten 13 Tage relativ unverändert blieb.Der Rp-Wert einer Probe von Pseudomonas aeruginosa beträgt etwa 40 kΩ cm2, was viel niedriger ist als der Wert von 450 kΩ cm2 einer nicht biologischen Probe.
Der Wert von icorr ist proportional zur gleichmäßigen Korrosionsrate.Sein Wert kann aus der folgenden Stern-Giri-Gleichung berechnet werden:
Nach Zoe et al.33 wurde der typische Wert der Tafel-Steigung B in dieser Arbeit mit 26 mV/dec angenommen.Abbildung 2d zeigt, dass der Icorr der nicht-biologischen Probe 2707 relativ stabil blieb, während die P. aeruginosa-Probe nach den ersten 24 Stunden stark schwankte.Die icorr-Werte von P. aeruginosa-Proben lagen um eine Größenordnung höher als die von nicht-biologischen Kontrollen.Dieser Trend stimmt mit den Ergebnissen des Polarisationswiderstands überein.
EIS ist eine weitere zerstörungsfreie Methode zur Charakterisierung elektrochemischer Reaktionen auf korrodierten Oberflächen.Impedanzspektren und berechnete Kapazitätswerte von Proben, die einer abiotischen Umgebung und Pseudomonas aeruginosa-Lösung ausgesetzt wurden, Widerstand Rb des passiven Films/Biofilms auf der Probenoberfläche, Ladungstransferwiderstand Rct, elektrische Doppelschichtkapazität Cdl (EDL) und konstante QCPE-Phasenelementparameter (CPE).Diese Parameter wurden weiter analysiert, indem die Daten unter Verwendung eines Ersatzschaltbild-(EEC)-Modells angepasst wurden.
Auf Abb.3 zeigt typische Nyquist-Plots (a und b) und Bode-Plots (a' und b') für 2707 HDSS-Proben in abiotischen Medien und P. aeruginosa-Brühe für verschiedene Inkubationszeiten.Der Durchmesser des Nyquist-Rings nimmt in Gegenwart von Pseudomonas aeruginosa ab.Das Bode-Diagramm (Abb. 3b') zeigt die Zunahme der Gesamtimpedanz.Aus Phasenmaxima können Informationen über die Relaxationszeitkonstante gewonnen werden.Auf Abb.4 zeigt die physikalischen Strukturen basierend auf einer Monoschicht (a) und einer Doppelschicht (b) und den entsprechenden EECs.CPE wird in das EEC-Modell eingeführt.Seine Admittanz und Impedanz werden wie folgt ausgedrückt:
Zwei physikalische Modelle und entsprechende Ersatzschaltbilder zur Anpassung des Impedanzspektrums des Musters 2707 HDSS:
wobei Y0 der KPI-Wert ist, j die imaginäre Zahl oder (-1)1/2 ist, ω die Winkelfrequenz ist, n der KPI-Leistungsindex kleiner als eins ist35.Die Inversion des Ladungstransferwiderstands (dh 1/Rct) entspricht der Korrosionsrate.Je kleiner Rct, desto höher die Korrosionsrate27.Nach 14 Tagen Inkubation erreichte der Rct von Pseudomonas aeruginosa-Proben 32 kΩ cm2, was viel weniger ist als die 489 kΩ cm2 von nicht-biologischen Proben (Tabelle 4).
Die CLSM-Bilder und SEM-Bilder in Abbildung 5 zeigen deutlich, dass die Biofilmbeschichtung auf der Oberfläche der HDSS-Probe 2707 nach 7 Tagen dicht ist.Nach 14 Tagen war die Biofilmbedeckung jedoch schlecht und es traten einige tote Zellen auf.Tabelle 5 zeigt die Biofilmdicke auf 2707 HDSS-Proben nach 7- und 14-tägiger Exposition gegenüber P. aeruginosa.Die maximale Biofilmdicke veränderte sich von 23,4 µm nach 7 Tagen auf 18,9 µm nach 14 Tagen.Auch die durchschnittliche Biofilmdicke bestätigte diesen Trend.Sie nahm von 22,2 ± 0,7 μm nach 7 Tagen auf 17,8 ± 1,0 μm nach 14 Tagen ab.
(a) 3-D-CLSM-Bild nach 7 Tagen, (b) 3-D-CLSM-Bild nach 14 Tagen, (c) SEM-Bild nach 7 Tagen und (d) SEM-Bild nach 14 Tagen.
EMF zeigte chemische Elemente in Biofilmen und Korrosionsprodukten an Proben, die 14 Tage lang P. aeruginosa ausgesetzt waren.Auf Abb.Abbildung 6 zeigt, dass der Gehalt an C, N, O und P in Biofilmen und Korrosionsprodukten deutlich höher ist als in reinen Metallen, da diese Elemente mit Biofilmen und ihren Metaboliten assoziiert sind.Mikroben benötigen nur Spuren von Chrom und Eisen.Hohe Gehalte an Cr und Fe im Biofilm und Korrosionsprodukte auf der Oberfläche der Proben weisen darauf hin, dass die Metallmatrix Elemente aufgrund von Korrosion verloren hat.
Nach 14 Tagen wurden Tüpfelchen mit und ohne P. aeruginosa in Medium 2216E beobachtet.Vor der Inkubation war die Oberfläche der Proben glatt und fehlerfrei (Abb. 7a).Nach der Inkubation und Entfernung von Biofilm und Korrosionsprodukten wurden die tiefsten Vertiefungen auf der Oberfläche der Proben mit CLSM untersucht, wie in Abb. 7b und c gezeigt.Auf der Oberfläche von nicht-biologischen Kontrollen wurde kein offensichtlicher Lochfraß gefunden (maximale Lochfraßtiefe 0,02 µm).Die durch P. aeruginosa verursachte maximale Grübchentiefe betrug 0,52 µm nach 7 Tagen und 0,69 µm nach 14 Tagen, basierend auf der durchschnittlichen maximalen Grübchentiefe von 3 Proben (10 maximale Grübchentiefen wurden für jede Probe ausgewählt).Erreichen von 0,42 ± 0,12 µm bzw. 0,52 ± 0,15 µm (Tabelle 5).Diese Lochtiefenwerte sind klein, aber wichtig.
(a) vor der Exposition, (b) 14 Tage in einer abiotischen Umgebung und (c) 14 Tage in Pseudomonas aeruginosa-Brühe.
Auf Abb.Tabelle 8 zeigt die XPS-Spektren verschiedener Probenoberflächen, und die für jede Oberfläche analysierte chemische Zusammensetzung ist in Tabelle 6 zusammengefasst. In Tabelle 6 waren die Atomprozentsätze von Fe und Cr in Gegenwart von P. aeruginosa (Proben A und B) angegeben viel niedriger als die von nicht-biologischen Kontrollen.(Proben C und D).Für eine P. aeruginosa-Probe wurde die Spektralkurve auf der Ebene des Cr 2p-Kerns an vier Peakkomponenten mit Bindungsenergien (BE) von 574,4, 576,6, 578,3 und 586,8 eV angepasst, die Cr, Cr2O3, CrO3 zugeordnet werden können .bzw. Cr(OH)3 (Abb. 9a und b).Bei nicht biologischen Proben enthält das Spektrum des Cr 2p -Hauptniveaus zwei Hauptpeaks für Cr (573,80 eV für BE) und Cr2O3 (575,90 eV für BE) in den Abb. 1 und 2.9c bzw. d.Der auffälligste Unterschied zwischen abiotischen Proben und P. aeruginosa-Proben war das Vorhandensein von Cr6+ und ein höherer relativer Anteil von Cr(OH)3 (BE 586,8 eV) unter dem Biofilm.
Die breiten XPS-Spektren der Oberfläche von Probe 2707 HDSS in zwei Medien betragen 7 bzw. 14 Tage.
(a) 7 Tage Exposition gegenüber P. aeruginosa, (b) 14 Tage Exposition gegenüber P. aeruginosa, (c) 7 Tage in einer abiotischen Umgebung und (d) 14 Tage in einer abiotischen Umgebung.
HDSS weist in den meisten Umgebungen ein hohes Maß an Korrosionsbeständigkeit auf.Kim et al.2 berichteten, dass HDSS UNS S32707 als hochlegiertes DSS mit einem PREN größer als 45 identifiziert wurde. Der PREN-Wert der HDSS-Probe 2707 in dieser Arbeit betrug 49. Dies ist auf den hohen Chromgehalt und den hohen Gehalt an zurückzuführen Molybdän und Nickel, die in sauren Umgebungen nützlich sind.und Umgebungen mit hohem Chloridgehalt.Darüber hinaus sind eine ausgewogene Zusammensetzung und eine fehlerfreie Mikrostruktur vorteilhaft für die strukturelle Stabilität und Korrosionsbeständigkeit.Trotz seiner hervorragenden chemischen Beständigkeit legen die experimentellen Daten in dieser Arbeit jedoch nahe, dass 2707 HDSS nicht vollständig immun gegen P. aeruginosa-Biofilm-MICs ist.
Elektrochemische Ergebnisse zeigten, dass die Korrosionsrate von 2707 HDSS in P. aeruginosa-Brühe im Vergleich zur nicht-biologischen Umgebung nach 14 Tagen signifikant anstieg.In Abbildung 2a wurde während der ersten 24 Stunden sowohl im abiotischen Medium als auch in der P.-aeruginosa-Brühe eine Abnahme von Eocp beobachtet.Danach bedeckt der Biofilm die Oberfläche der Probe vollständig und Eocp wird relativ stabil36.Das biologische Eocp-Niveau war jedoch viel höher als das nicht-biologische Eocp-Niveau.Es gibt Gründe zu der Annahme, dass dieser Unterschied mit der Bildung von P. aeruginosa-Biofilmen zusammenhängt.Auf Abb.2d in Gegenwart von P. aeruginosa erreichte der icorr 2707 HDSS-Wert 0,627 μA cm-2, was eine Größenordnung höher ist als der der abiotischen Kontrolle (0,063 μA cm-2), was mit dem gemessenen Rct-Wert übereinstimmte von EIS.In den ersten Tagen stiegen die Impedanzwerte in der P.-aeruginosa-Bouillon durch die Anheftung von P.-aeruginosa-Zellen und die Bildung von Biofilmen an.Wenn der Biofilm jedoch die Probenoberfläche vollständig bedeckt, nimmt die Impedanz ab.Die Schutzschicht wird vor allem durch die Bildung von Biofilmen und Biofilmmetaboliten angegriffen.Folglich nahm die Korrosionsbeständigkeit mit der Zeit ab und die Anheftung von P. aeruginosa verursachte örtliche Korrosion.Die Trends in abiotischen Umgebungen waren unterschiedlich.Die Korrosionsbeständigkeit der nicht-biologischen Kontrolle war viel höher als der entsprechende Wert der Proben, die P. aeruginosa-Brühe ausgesetzt wurden.Außerdem erreichte der HDSS-Wert von Rct 2707 für abiotische Akzessionen am 14. Tag 489 kΩ cm2, was 15-mal höher ist als der Rct-Wert (32 kΩ cm2) in Gegenwart von P. aeruginosa.Somit weist 2707 HDSS eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit in einer sterilen Umgebung auf, ist jedoch nicht beständig gegenüber MICs aus P. aeruginosa-Biofilmen.
Diese Ergebnisse können auch aus den Polarisationskurven in den Fig. 2 und 3 beobachtet werden.2b.Anodische Verzweigung wurde mit der Biofilmbildung von Pseudomonas aeruginosa und Metalloxidationsreaktionen in Verbindung gebracht.In diesem Fall ist die kathodische Reaktion die Reduktion von Sauerstoff.Das Vorhandensein von P. aeruginosa erhöhte die Korrosionsstromdichte signifikant, etwa eine Größenordnung höher als bei der abiotischen Kontrolle.Dies weist darauf hin, dass der P. aeruginosa-Biofilm die lokalisierte Korrosion von 2707 HDSS verstärkt.Yuan et al.29 fanden heraus, dass die Korrosionsstromdichte der Cu-Ni 70/30-Legierung unter der Einwirkung des P. aeruginosa-Biofilms zunahm.Dies kann auf die Biokatalyse der Sauerstoffreduktion durch Pseudomonas aeruginosa-Biofilme zurückzuführen sein.Diese Beobachtung könnte auch den MIC 2707 HDSS in dieser Arbeit erklären.Unter aeroben Biofilmen kann auch weniger Sauerstoff vorhanden sein.Daher kann die Weigerung, die Metalloberfläche mit Sauerstoff erneut zu passivieren, ein Faktor sein, der in dieser Arbeit zu MIC beiträgt.
Dickinsonet al.38 schlugen vor, dass die Geschwindigkeit chemischer und elektrochemischer Reaktionen direkt durch die Stoffwechselaktivität festsitzender Bakterien auf der Probenoberfläche und die Art der Korrosionsprodukte beeinflusst werden kann.Wie in Abbildung 5 und Tabelle 5 gezeigt, nahmen die Anzahl der Zellen und die Dicke des Biofilms nach 14 Tagen ab.Dies kann vernünftigerweise durch die Tatsache erklärt werden, dass nach 14 Tagen die meisten sessilen Zellen auf der Oberfläche von 2707 HDSS aufgrund von Nährstoffmangel im 2216E-Medium oder der Freisetzung von toxischen Metallionen aus der 2707 HDSS-Matrix starben.Dies ist eine Einschränkung von Batch-Experimenten.
In dieser Arbeit trug ein Biofilm aus P. aeruginosa zur lokalen Abreicherung von Cr und Fe unter dem Biofilm auf der Oberfläche von 2707 HDSS bei (Abb. 6).Tabelle 6 zeigt die Verringerung von Fe und Cr in Probe D im Vergleich zu Probe C, was darauf hinweist, dass das durch den P. aeruginosa-Biofilm verursachte gelöste Fe und Cr die ersten 7 Tage bestehen blieb.Die 2216E-Umgebung wird verwendet, um die Meeresumgebung zu simulieren.Es enthält 17700 ppm Cl-, was mit dem Gehalt in natürlichem Meerwasser vergleichbar ist.Das Vorhandensein von 17700 ppm Cl- war der Hauptgrund für die Abnahme des Cr in 7- und 14-tägigen abiotischen Proben, die mit XPS analysiert wurden.Im Vergleich zu P. aeruginosa-Proben war die Auflösung von Cr in abiotischen Proben aufgrund der starken Resistenz von 2707 HDSS gegenüber Chlor unter abiotischen Bedingungen viel geringer.Auf Abb.9 zeigt das Vorhandensein von Cr6+ im Passivierungsfilm.Es kann an der Entfernung von Chrom von Stahloberflächen durch P. aeruginosa-Biofilme beteiligt sein, wie von Chen und Clayton vorgeschlagen.
Aufgrund des Bakterienwachstums betrugen die pH-Werte des Mediums vor und nach der Kultivierung 7,4 bzw. 8,2.Daher ist es unwahrscheinlich, dass die Korrosion durch organische Säuren unterhalb des P. aeruginosa-Biofilms zu dieser Arbeit beiträgt, aufgrund des relativ hohen pH-Werts im Massenmedium.Der pH-Wert des nicht-biologischen Kontrollmediums änderte sich während der 14-tägigen Testdauer nicht signifikant (von anfänglich 7,4 auf abschließend 7,5).Der Anstieg des pH-Werts im Inokulationsmedium nach der Inkubation wurde mit der metabolischen Aktivität von P. aeruginosa in Verbindung gebracht und es wurde festgestellt, dass er die gleiche Wirkung auf den pH-Wert in Abwesenheit von Teststreifen hatte.
Wie in Abbildung 7 gezeigt, betrug die maximale Grübchentiefe, die durch den P. aeruginosa-Biofilm verursacht wurde, 0,69 µm, was viel größer ist als die des abiotischen Mediums (0,02 µm).Dies stimmt mit den oben beschriebenen elektrochemischen Daten überein.Die Grübchentiefe von 0,69 µm ist mehr als zehnmal kleiner als der Wert von 9,5 µm, der für 2205 DSS unter den gleichen Bedingungen angegeben wurde.Diese Daten zeigen, dass 2707 HDSS eine bessere Beständigkeit gegenüber MICs aufweist als 2205 DSS.Dies sollte nicht überraschen, da 2707 HDSS höhere Cr-Gehalte aufweist, die für eine längere Passivierung sorgen, P. aeruginosa schwieriger zu depassivieren und aufgrund seiner ausgewogenen Phasenstruktur ohne schädliche sekundäre Ausfällung Lochfraß verursacht.
Zusammenfassend wurden MIC-Gruben auf der Oberfläche von 2707 HDSS in P. aeruginosa-Brühe im Vergleich zu unbedeutenden Grübchen in der abiotischen Umgebung gefunden.Diese Arbeit zeigt, dass 2707 HDSS eine bessere Resistenz gegen MIC aufweist als 2205 DSS, aber aufgrund des P. aeruginosa-Biofilms nicht vollständig immun gegen MIC ist.Diese Ergebnisse helfen bei der Auswahl geeigneter Edelstähle und der Lebenserwartung für die Meeresumwelt.
Gutschein für 2707 HDSS, bereitgestellt von der Northeastern University (NEU) School of Metallurgy in Shenyang, China.Die elementare Zusammensetzung von 2707 HDSS ist in Tabelle 1 gezeigt, die von der NEU Materials Analysis and Testing Department analysiert wurde.Alle Proben wurden 1 Stunde lang bei 1180°C für eine feste Lösung behandelt.Vor dem Korrosionstest wurde ein münzförmiges 2707 HDSS mit einer oberen offenen Oberfläche von 1 cm2 mit Siliziumkarbid-Schleifpapier auf Körnung 2000 poliert und dann mit einer 0,05 µm Al2O3-Pulveraufschlämmung poliert.Die Seiten und der Boden sind mit inerter Farbe geschützt.Nach dem Trocknen wurden die Proben mit sterilem entionisiertem Wasser gewaschen und mit 75 % (v/v) Ethanol für 0,5 h sterilisiert.Sie wurden dann vor der Verwendung 0,5 h unter ultraviolettem (UV) Licht luftgetrocknet.
Der marine Pseudomonas aeruginosa-Stamm MCCC 1A00099 wurde vom Xiamen Marine Culture Collection Center (MCCC), China, erworben.Pseudomonas aeruginosa wurde unter aeroben Bedingungen bei 37°C in 250-ml-Kolben und elektrochemischen 500-ml-Glaszellen unter Verwendung von Marine 2216E-Flüssigmedium (Qingdao Hope Biotechnology Co., Ltd., Qingdao, China) gezüchtet.Medium contains (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 6NH26NH3, 3.0016 NH3 5.0 peptone, 1.0 Hefeextrakt und 0,1 Eisencitrat.Autoklavieren bei 121°C für 20 Minuten vor der Inokulation.Zählen Sie sessile und planktonische Zellen mit einem Hämozytometer unter einem Lichtmikroskop bei 400-facher Vergrößerung.Die Anfangskonzentration von planktonischem Pseudomonas aeruginosa unmittelbar nach der Inokulation betrug etwa 106 Zellen/ml.
Elektrochemische Tests wurden in einer klassischen Drei-Elektroden-Glaszelle mit einem mittleren Volumen von 500 ml durchgeführt.Das Platinblech und die gesättigte Kalomelelektrode (SAE) wurden mit dem Reaktor durch mit Salzbrücken gefüllte Luggin-Kapillaren verbunden, die als Gegen- bzw. Referenzelektroden dienten.Für die Herstellung von Arbeitselektroden wurde an jeder Probe gummierter Kupferdraht befestigt und mit Epoxidharz bedeckt, wobei auf einer Seite etwa 1 cm2 ungeschützte Fläche für die Arbeitselektrode verblieb.Während der elektrochemischen Messungen wurden die Proben in das 2216E-Medium gegeben und bei einer konstanten Inkubationstemperatur (37°C) in einem Wasserbad gehalten.OCP-, LPR-, EIS- und potentielle dynamische Polarisationsdaten wurden unter Verwendung eines Autolab-Potentiostaten (Referenz 600TM, Gamry Instruments, Inc., USA) gemessen.LPR-Tests wurden mit einer Abtastrate von 0,125 mV s-1 im Bereich von -5 bis 5 mV mit Eocp und einer Abtastrate von 1 Hz aufgezeichnet.EIS wurde mit einer Sinuswelle über einen Frequenzbereich von 0,01 bis 10.000 Hz unter Verwendung einer angelegten Spannung von 5 mV bei stationärem Eocp durchgeführt.Vor dem Potentialsweep befanden sich die Elektroden im Ruhezustand, bis ein stabiler Wert des freien Korrosionspotentials erreicht war.Die Polarisationskurven wurden dann von –0,2 bis 1,5 V als Funktion von Eocp bei einer Abtastrate von 0,166 mV/s gemessen.Jeder Test wurde dreimal mit und ohne P. aeruginosa wiederholt.
Proben für die metallographische Analyse wurden mechanisch mit nassem SiC-Papier mit einer Körnung von 2000 poliert und dann weiter mit einer 0,05-µm-Al2O3-Pulversuspension für die optische Beobachtung poliert.Die metallographische Analyse wurde unter Verwendung eines optischen Mikroskops durchgeführt.Die Proben wurden mit einer 10 gew.-%igen Kaliumhydroxidlösung 43 geätzt.
Nach der Inkubation wurden die Proben dreimal mit phosphatgepufferter Kochsalzlösung (PBS) (pH 7,4 ± 0,2) gewaschen und dann mit 2,5 % (v/v) Glutaraldehyd für 10 Stunden fixiert, um Biofilme zu fixieren.Es wurde dann mit chargenweisem Ethanol (50 %, 60 %, 70 %, 80 %, 90 %, 95 % und 100 % nach Volumen) vor der Lufttrocknung dehydriert.Schließlich wird ein Goldfilm auf der Oberfläche der Probe abgeschieden, um Leitfähigkeit für die SEM-Beobachtung bereitzustellen.SEM-Bilder wurden auf Stellen mit den meisten sessilen P. aeruginosa-Zellen auf der Oberfläche jeder Probe fokussiert.Führen Sie eine EDS-Analyse durch, um chemische Elemente zu finden.Zur Messung der Grübchentiefe wurde ein konfokales Laser-Scanning-Mikroskop (CLSM) von Zeiss (LSM 710, Zeiss, Deutschland) verwendet.Um Korrosionsnarben unter dem Biofilm zu beobachten, wurde die Testprobe zuerst gemäß dem chinesischen Nationalstandard (CNS) GB/T4334.4-2000 gereinigt, um Korrosionsprodukte und Biofilm von der Oberfläche der Testprobe zu entfernen.
Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS, Oberflächenanalysesystem ESCALAB250, Thermo VG, USA) wurde unter Verwendung einer monochromatischen Röntgenquelle (Aluminium-Kα-Linie mit einer Energie von 1500 eV und einer Leistung von 150 W) in einem weiten Bereich durchgeführt Bindungsenergien 0 unter Standardbedingungen von –1350 eV.Spektren mit hoher Auflösung wurden unter Verwendung einer Übertragungsenergie von 50 eV und einem Schritt von 0,2 eV aufgenommen.
Die inkubierten Proben wurden entfernt und 15 Sekunden lang vorsichtig mit PBS (pH 7,4 ± 0,2) gewaschen45.Um die bakterielle Lebensfähigkeit von Biofilmen auf Proben zu beobachten, wurden Biofilme mit dem LIVE/DEAD BacLight Bacterial Viability Kit (Invitrogen, Eugene, OR, USA) gefärbt.Das Kit enthält zwei fluoreszierende Farbstoffe: SYTO-9 grün fluoreszierender Farbstoff und Propidiumiodid (PI) rot fluoreszierender Farbstoff.In CLSM repräsentieren fluoreszierende grüne und rote Punkte lebende bzw. tote Zellen.Zum Färben wurde 1 ml einer Mischung, die 3 &mgr;l SYTO-9 und 3 &mgr;l PI-Lösung enthielt, für 20 Minuten bei Raumtemperatur (23°C) im Dunkeln inkubiert.Danach wurden die gefärbten Proben bei zwei Wellenlängen (488 nm für lebende Zellen und 559 nm für tote Zellen) unter Verwendung eines Nikon-CLSM-Geräts (C2 Plus, Nikon, Japan) untersucht.Die Biofilmdicke wurde im 3D-Scanmodus gemessen.
Zitieren dieses Artikels: Li, H. et al.Mikrobielle Korrosion von 2707 Super-Duplex-Edelstahl durch marinen Biofilm von Pseudomonas aeruginosa.die Wissenschaft.6, 20190. doi: 10.1038/srep20190 (2016).
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