Einfluss des marinen Biofilms Pseudomonas aeruginosa auf die mikrobielle Korrosion von 2707 Super Duplex Edelstahl

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Mikrobielle Korrosion (MIC) ist in vielen Branchen ein großes Problem, da sie zu enormen wirtschaftlichen Verlusten führen kann.Super-Duplex-Edelstahl 2707 (2707 HDSS) wird aufgrund seiner hervorragenden chemischen Beständigkeit in Meeresumgebungen verwendet.Die 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 sich das Korrosionspotential in Gegenwart des Pseudomonas aeruginosa-Biofilms im 2216E-Medium positiv veränderte und die Korrosionsstromdichte zunahm.Die Ergebnisse der Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS)-Analyse zeigten eine Abnahme des Cr-Gehalts auf der Probenoberfläche unter dem Biofilm.Die Analyse der Grubenbilder zeigte, dass Pseudomonas aeruginosa-Biofilme nach 14-tägiger Kultur eine maximale Grubentiefe von 0,69 µm erzeugten.Obwohl dies gering ist, deutet es darauf hin, dass 2707 HDSS nicht vollständig gegen die Auswirkungen von P. aeruginosa-Biofilmen auf die MHK immun sind.
Duplex-Edelstahl (DSS) wird aufgrund der perfekten Kombination aus hervorragenden mechanischen Eigenschaften und Korrosionsbeständigkeit in verschiedenen Branchen häufig verwendet1,2.Allerdings kann es immer noch zu örtlicher Lochfraßbildung kommen, die die Integrität dieses Stahls beeinträchtigen kann 3, 4 .DSS ist nicht gegen mikrobielle Korrosion (MIC)5,6 geschützt.Obwohl der Anwendungsbereich von DSS sehr breit ist, gibt es immer noch Umgebungen, in denen die Korrosionsbeständigkeit von DSS für den Langzeiteinsatz nicht ausreicht.Dies bedeutet, dass teurere Materialien mit höherer Korrosionsbeständigkeit erforderlich sind.Jeon et al.7 fanden heraus, dass selbst Super-Duplex-Edelstahl (SDSS) einige Einschränkungen hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit aufweist.Daher besteht für bestimmte Anwendungen ein Bedarf an Super-Duplex-Edelstählen (HDSS) mit höherer Korrosionsbeständigkeit.Dies führte zur Entwicklung von hochlegiertem HDSS.
Die Korrosionsbeständigkeit von DSS wird durch das Verhältnis der α-Phase zur γ-Phase und die an Cr, Mo und W verarmten Bereiche neben den Sekundärphasen bestimmt8,9,10.HDSS enthält einen hohen Gehalt an Cr, Mo und N11, was ihm eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und einen hohen äquivalenten Lochfraßwiderstandswert (PREN) verleiht, der durch Gew.-% Cr + 3,3 (Gew.-% Mo) definiert ist + 0,5 Gew.-% W) ​​+ 16 Gew.-%.N12.Seine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit hängt von einer ausgewogenen Zusammensetzung ab, die etwa 50 % ferritische (α) und 50 % austenitische (γ) Phasen enthält.HDSS verfügt im Vergleich zu herkömmlichem DSS13 über verbesserte mechanische Eigenschaften und eine höhere Chlorbeständigkeit.Eigenschaften chemischer Korrosion.Die verbesserte Korrosionsbeständigkeit erweitert den Einsatz von HDSS in aggressiveren Chloridumgebungen wie Meeresumgebungen.
MIC ist in vielen Branchen, einschließlich der Öl- und Gasindustrie sowie der Wasserversorgung, ein erhebliches Problem14.MIC ist für 20 % aller Korrosionsschäden verantwortlich15.MIC ist eine bioelektrochemische Korrosion, die in vielen Umgebungen beobachtet werden kann16.Die Bildung von Biofilmen auf Metalloberflächen verändert die elektrochemischen Bedingungen und beeinflusst somit den Korrosionsprozess.Es ist allgemein anerkannt, dass MIC-Korrosion durch Biofilme verursacht wird14.Elektrogene Mikroorganismen zerfressen Metalle, um Energie zum Überleben zu gewinnen17.Aktuelle MIC-Studien haben gezeigt, dass EET (extrazellulärer Elektronentransfer) der limitierende Faktor für die durch elektrogene Mikroorganismen induzierte MIC ist.Zhang et al.18 zeigten, dass Elektronenmediatoren den Elektronentransfer zwischen sessilen Desulfovibrio vulgaris-Zellen und Edelstahl 304 beschleunigen, was zu einem schwereren MIC-Angriff führt.Anning et al.19 und Wenzlaff et al.20 haben gezeigt, dass Biofilme aus korrosiven sulfatreduzierenden Bakterien (SRBs) Elektronen direkt von Metallsubstraten absorbieren können, was zu starker Lochfraßbildung 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 des DSS unter dem Biofilm22,23.Im Gegensatz zu DSS ist über den MIC HDSS24 wenig bekannt.
Pseudomonas aeruginosa ist ein gramnegatives, bewegliches, stäbchenförmiges Bakterium, das in der Natur weit verbreitet ist25.Pseudomonas aeruginosa ist auch die Hauptmikrobiota, die für die MIC von Stahl in der Meeresumwelt verantwortlich ist26.Pseudomonas-Arten sind direkt an Korrosionsprozessen beteiligt und gelten als erste Besiedler bei der Biofilmbildung27.Mahat et al.28 und Yuan et al.29 zeigte, dass Pseudomonas aeruginosa dazu neigt, die Korrosionsrate von Weichstahl und Legierungen in Gewässern zu erhöhen.
Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der MIC-Eigenschaften von 2707 HDSS, die durch das marine aerobe Bakterium Pseudomonas aeruginosa verursacht werden, mithilfe elektrochemischer Methoden, Methoden der Oberflächenanalyse und Analyse von Korrosionsprodukten.Elektrochemische Studien einschließlich Leerlaufpotential (OCP), linearer Polarisationswiderstand (LPR), elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) und dynamische Potentialpolarisation wurden durchgeführt, um das Verhalten des MIC 2707 HDSS zu untersuchen.Die Analyse mittels energiedispersiver Spektroskopie (EDS) wird durchgeführt, um chemische Elemente auf korrodierten Oberflächen nachzuweisen.Darüber hinaus wurde die Stabilität der Oxidfilmpassivierung unter dem Einfluss einer Meeresumgebung mit Pseudomonas aeruginosa durch Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) bestimmt.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 einer Mikrostruktur, die etwa 50 % austenitische und 50 % ferritische Phasen enthält, sind längliche Bänder austenitischer und ferritischer Phasen ohne Sekundärphasen zu erkennen.
Auf Abb.2a zeigt das Leerlaufpotential (Eocp) gegenüber der Expositionszeit für 2707 HDSS in abiotischem 2216E-Medium und Pseudomonas aeruginosa-Brühe für 14 Tage bei 37 °C.Es wurde festgestellt, dass die stärksten Veränderungen des Eocp in den ersten 24 Stunden auftraten.Die Eocp-Werte erreichten in beiden Fällen nach etwa 16 Stunden ihren Höhepunkt bei etwa -145 mV (gegenüber SCE) und fielen dann stark auf -477 mV (gegenüber SCE) und -236 mV (gegenüber SCE) für nicht-biologische Proben und P für relative Proben ab SCE) Patinablätter bzw.Nach 24 Stunden blieb der Eocp-Wert von Pseudomonas aeruginosa 2707 HDSS relativ stabil bei -228 mV (im Vergleich zu SCE), während der entsprechende Wert für die nicht-biologische Probe etwa -442 mV (im Vergleich zu SCE) betrug.Eocp war in Gegenwart von Pseudomonas aeruginosa recht niedrig.
Elektrochemischer Test von 2707 HDSS-Proben in abiotischen Medien und Pseudomonas aeruginosa-Brühe bei 37 °C:
(a) Änderung des Eocp mit der Belichtungszeit, (b) Polarisationskurve am Tag 14, (c) Änderung des Rp mit der Belichtungszeit, (d) Änderung des Korrektors mit der Belichtungszeit.
Tabelle 3 zeigt die elektrochemischen Korrosionsparameter von 2707 HDSS-Proben, die über einen Zeitraum von 14 Tagen abiotischen und mit P. aeruginosa inokulierten Medien ausgesetzt waren.Die tangentiale Extrapolation der anodischen und kathodischen Kurven zum Schnittpunkt ermöglichte die Bestimmung der Korrosionsstromdichte (icorr), des Korrosionspotentials (Ecorr) und der Tafel-Steigung (βα und βc) gemäß Standardmethoden30,31.
Wie in Abbildung 2b dargestellt, führte die Aufwärtsverschiebung der P. aeruginosa-Kurve zu einem Anstieg von Ecorr im Vergleich zur abiotischen Kurve.Der icorr-Wert der Probe mit Pseudomonas aeruginosa stieg proportional zur Korrosionsrate auf 0,328 µA cm-2, was viermal höher ist als der der nicht-biologischen Probe (0,087 µA cm-2).
LPR ist eine klassische elektrochemische Methode zur zerstörungsfreien Schnellanalyse von Korrosion.Es wurde auch zur Untersuchung von MIC32 verwendet.Auf Abb.2c zeigt die Änderung des Polarisationswiderstands (Rp) in Abhängigkeit von 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 nicht-biologische 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 für die Pseudomonas aeruginosa-Testprobe beträgt etwa 40 kΩ cm2 und ist damit viel niedriger als der 450 kΩ cm2-Wert für die nicht-biologische Testprobe.
Der Wert von icorr ist proportional zur gleichmäßigen Korrosionsrate.Sein Wert kann aus der folgenden Stern-Giri-Gleichung berechnet werden:
Laut Zoe et al.33 Die Tafel-Steigung B wurde in dieser Arbeit als typischer Wert von 26 mV/Dez angenommen.Auf Abb.2d zeigt, dass der Icorr des abiotischen Stamms 2707 relativ stabil blieb, während der Icorr der Pseudomonas aeruginosa-Bande nach den ersten 24 Stunden stark schwankte und einen großen Sprung machte.Der Icorr-Wert der Pseudomonas aeruginosa-Testprobe war um eine Größenordnung höher als der der nichtbiologischen Kontrolle.Dieser Trend steht im Einklang mit den Ergebnissen des Polarisationswiderstands.
EIS ist eine weitere zerstörungsfreie Methode zur Charakterisierung elektrochemischer Reaktionen an einer Korrosionsgrenzfläche34.Impedanzspektren und Kapazitätsberechnungen von Streifen, die abiotischen Medien und Lösungen von Pseudomonas aeruginosa ausgesetzt sind. Rb ist der Widerstand des auf der Oberfläche des Streifens gebildeten Passiv-/Biofilms, Rct ist der Ladungsübertragungswiderstand, Cdl ist die elektrische Doppelschicht.) und QCPE-Parameter für Konstantphasenelemente (CPE).Diese Parameter wurden weiter analysiert, indem die Daten mit einem äquivalenten Stromkreismodell (EEC) verglichen wurden.
Auf Abb.3 zeigt typische Nyquist-Diagramme (a und b) und Bode-Diagramme (a' und b') von 2707 HDSS-Proben in abiotischen Medien und Pseudomonas aeruginosa-Brühe zu verschiedenen Inkubationszeiten.Bei Anwesenheit von Pseudomonas aeruginosa nimmt der Durchmesser der Nyquist-Schleife ab.Das Bode-Diagramm (Abb. 3b') zeigt den Anstieg der Gesamtimpedanz.Informationen über die Relaxationszeitkonstante können aus Phasenmaxima gewonnen werden.Auf Abb.4 zeigt die physikalischen Strukturen und die entsprechende EEC basierend auf einer Einschicht (a) und Zweischicht (b).CPE wird in das EEC-Modell eingeführt.Seine Admittanz und Impedanz werden wie folgt ausgedrückt:
Zwei physikalische Modelle und entsprechende Ersatzschaltkreise zur Anpassung des 2707-HDSS-Coupon-Impedanzspektrums:
Dabei ist Y0 die Größe des CPE, j die imaginäre Zahl oder (−1)1/2, ω die Kreisfrequenz und n der CPE-Leistungsfaktor kleiner als eins35.Die Ladungsübertragungswiderstandsumkehr (dh 1/Rct) entspricht der Korrosionsrate.Ein niedrigerer Rct-Wert bedeutet eine höhere Korrosionsrate27.Nach 14 Tagen Inkubation erreichte der Rct der Testprobe von Pseudomonas aeruginosa 32 kΩ cm2, was viel weniger ist als die 489 kΩ cm2 der nicht-biologischen Testprobe (Tabelle 4).
CLSM-Bilder und SEM-Bilder in Abb.5 zeigen deutlich, dass die Biofilmbedeckung auf der Oberfläche der HDSS-Probe 2707 nach 7 Tagen sehr dicht war.Nach 14 Tagen wurde die Biofilmschicht jedoch dünner und es traten einige tote Zellen auf.Tabelle 5 zeigt die Biofilmdicke von 2707 HDSS-Proben nach 7 und 14 Tagen Exposition gegenüber Pseudomonas 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 sank von 22,2 ± 0,7 μm nach 7 Tagen auf 17,8 ± 1,0 μm nach 14 Tagen.
(a) 3D-CLSM-Bild nach 7 Tagen, (b) 3D-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 in Proben, die 14 Tage lang Pseudomonas aeruginosa ausgesetzt waren.Auf Abb.Abbildung 6 zeigt, dass der Gehalt an C, N, O, P im Biofilm und in den Korrosionsprodukten viel höher ist als im reinen Metall, da diese Elemente mit dem Biofilm und seinen Metaboliten verbunden sind.Mikroorganismen benötigen nur Spuren von Cr und Fe.Der hohe Gehalt an Cr und Fe im Biofilm und die Korrosionsprodukte auf der Oberfläche der Probe weisen auf den Verlust von Elementen in der Metallmatrix infolge von Korrosion hin.
Nach 14 Tagen wurden im Medium 2216E Tüpfel mit und ohne P. aeruginosa beobachtet.Vor der Inkubation war die Oberfläche der Proben glatt und ohne Defekte (Abb. 7a).Nach der Inkubation und Entfernung von Biofilm und Korrosionsprodukten wurden die tiefsten Vertiefungen auf der Oberfläche der Probe mit CLSM untersucht, wie in Abb. 7b und c dargestellt.Auf der Oberfläche der nichtbiologischen Kontrolle wurden keine offensichtlichen Lochfraßstellen festgestellt (maximale Lochtiefe 0,02 µm).Die durch Pseudomonas 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) und erreichte 0,42 ± 0,12 µm .bzw. 0,52 ± 0,15 µm (Tabelle 5).Diese Grübchentiefenwerte sind klein, aber wichtig.
(a) vor der Exposition;(b) 14 Tage in einer abiotischen Umgebung;(c) 14 Tage in P. aeruginosa-Brühe.
Auf Abb.Tabelle 8 zeigt die XPS-Spektren verschiedener Probenoberflächen, und die für jede Oberfläche analysierte Chemie ist in Tabelle 6 zusammengefasst. In Tabelle 6 waren die Atomprozentsätze von Fe und Cr in Gegenwart von P. aeruginosa (Proben A und B) viel niedriger ) als in den nichtbiologischen Kontrollstreifen.(Proben C und D).Für eine Probe von Pseudomonas aeruginosa wurde die Spektralkurve des Cr 2p-Kernniveaus an vier Peakkomponenten mit Bindungsenergien (BE) von 574,4, 576,6, 578,3 und 586,8 eV angepasst, die Cr, Cr2O3, CrO3 und Cr(OH) zugeordnet wurden. 3 (Abb. 9a und b).Für nichtbiologische Proben sind die Spektren des Kernniveaus Cr 2p in Abb.9c und d enthalten die beiden Hauptpeaks von Cr (BE 573,80 eV) bzw. Cr2O3 (BE 575,90 eV).Der auffälligste Unterschied zwischen dem abiotischen Coupon und dem P. aeruginosa Coupon war das Vorhandensein von Cr6+ und einem relativ hohen Anteil an Cr(OH)3 (BE 586,8 eV) unter dem Biofilm.
Breitflächige XPS-Spektren von 2707 HDSS-Proben in zwei Medien für 7 bzw. 14 Tage.
(a) 7-tägige P. aeruginosa-Exposition, (b) 14-tägige P. aeruginosa-Exposition, (c) 7-tägige abiotische Exposition, (d) 14-tägige abiotische Exposition.
HDSS weist in den meisten Umgebungen eine hohe Korrosionsbeständigkeit auf.Kim et al.2 berichteten, dass HDSS UNS S32707 als hochdotiertes DSS mit einem PREN von mehr als 45 identifiziert wurde. Der PREN-Wert der HDSS-Probe 2707 betrug in dieser Arbeit 49. Dies ist auf den hohen Cr-Gehalt und die hohen Mengen an Mo und zurückzuführen Ni, die in sauren Umgebungen und Umgebungen mit hohem Chloridgehalt nützlich sind.Darüber hinaus sorgen die ausgewogene Zusammensetzung und die fehlerfreie Mikrostruktur für strukturelle Stabilität und Korrosionsbeständigkeit.Trotz der hervorragenden chemischen Beständigkeit zeigen die experimentellen Daten in dieser Arbeit, dass 2707 HDSS nicht vollständig immun gegen MICs des Biofilms Pseudomonas aeruginosa ist.
Elektrochemische Ergebnisse zeigten, dass die Korrosionsrate von 2707 HDSS in Pseudomonas aeruginosa-Brühe im Vergleich zur nichtbiologischen Umgebung nach 14 Tagen deutlich anstieg.In Abbildung 2a wurde während der ersten 24 Stunden ein Rückgang des Eocp sowohl im abiotischen Medium als auch in der P. aeruginosa-Brühe beobachtet.Danach bedeckt der Biofilm die Oberfläche der Probe vollständig und Eocp wird relativ stabil.Allerdings war der biotische Eocp-Wert viel höher als der abiotische Eocp-Wert.Es gibt Gründe zu der Annahme, dass dieser Unterschied mit der Bildung von P. aeruginosa-Biofilmen zusammenhängt.Auf Abb.2g erreichte der Icorr-Wert von 2707 HDSS in Gegenwart von Pseudomonas aeruginosa 0,627 µA cm-2, was eine Größenordnung höher ist als der der nichtbiologischen Kontrolle (0,063 µA cm-2), was mit dem Rct übereinstimmt Wert gemessen durch EIS.In den ersten Tagen stiegen die Impedanzwerte in der P. aeruginosa-Brühe aufgrund der Anlagerung von P. aeruginosa-Zellen und der Bildung von Biofilmen an.Allerdings nimmt die Impedanz ab, wenn der Biofilm die Probenoberfläche vollständig bedeckt.Der Angriff der Schutzschicht erfolgt vor allem durch die Bildung von Biofilm und Biofilmmetaboliten.Daher nimmt die Korrosionsbeständigkeit mit der Zeit ab und Ablagerungen von Pseudomonas aeruginosa verursachen örtliche Korrosion.Die Trends in abiotischen Umgebungen sind unterschiedlich.Die Korrosionsbeständigkeit der nichtbiologischen Kontrolle war viel höher als der entsprechende Wert der Proben, die Pseudomonas aeruginosa-Bouillon ausgesetzt waren.Darüber hinaus erreichte der Rct 2707 HDSS-Wert für abiotische Proben am 14. Tag 489 kΩ cm2, was 15-mal höher ist als in Gegenwart von Pseudomonas aeruginosa (32 kΩ cm2).Somit verfügt 2707 HDSS über eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit in einer sterilen Umgebung, ist jedoch nicht vor MIC-Angriffen durch Pseudomonas aeruginosa-Biofilm geschützt.
Diese Ergebnisse können auch anhand der Polarisationskurven in den Abbildungen beobachtet werden.2b.Anodische Verzweigung ist mit der Bildung von Pseudomonas aeruginosa-Biofilmen und Metalloxidationsreaktionen verbunden.Gleichzeitig ist die kathodische Reaktion die Reduktion von Sauerstoff.Das Vorhandensein von P. aeruginosa erhöhte die Korrosionsstromdichte deutlich, die etwa eine Größenordnung höher war als bei der abiotischen Kontrolle.Dies deutete darauf hin, dass der Pseudomonas aeruginosa-Biofilm die lokale Korrosion von 2707 HDSS verstärkte.Yuan et al.29 fanden heraus, dass die Korrosionsstromdichte einer 70/30 Cu-Ni-Legierung durch Pseudomonas aeruginosa-Biofilm erhöht wurde.Dies kann auf die Biokatalyse der Sauerstoffreduktion durch den Pseudomonas aeruginosa-Biofilm zurückzuführen sein.Diese Beobachtung könnte auch das MIC 2707 HDSS in dieser Arbeit erklären.Aerobe Biofilme können auch den Sauerstoffgehalt unter ihnen verringern.Daher könnte die Weigerung, die Metalloberfläche mit Sauerstoff zu repassivieren, ein Faktor sein, der zur MIC in dieser Arbeit beiträgt.
Dickinson et al.38 schlugen vor, dass die Geschwindigkeit chemischer und elektrochemischer Reaktionen direkt von der Stoffwechselaktivität der an der Probenoberfläche haftenden Bakterien und von der Art der Korrosionsprodukte abhängt.Wie in Abbildung 5 und Tabelle 5 dargestellt, nahmen die Zellzahl und die Biofilmdicke nach 14 Tagen ab.Dies kann vernünftigerweise durch die Tatsache erklärt werden, dass nach 14 Tagen die meisten der verankerten Zellen auf der 2707-HDSS-Oberfläche aufgrund von Nährstoffmangel im 2216E-Medium oder der Freisetzung toxischer Metallionen aus der 2707-HDSS-Matrix abstarben.Dies ist eine Einschränkung von Batch-Experimenten.
In dieser Arbeit förderte ein Biofilm aus Pseudomonas aeruginosa den lokalen Abbau von Cr und Fe unter dem Biofilm auf der Oberfläche von 2707 HDSS (Abb. 6).In Tabelle 6 nahmen Fe und Cr in Probe D im Vergleich zu Probe C ab, was darauf hinweist, dass die durch den P. aeruginosa-Biofilm verursachte Fe- und Cr-Auflösung nach den ersten 7 Tagen erhalten blieb.Die 2216E-Umgebung wird zur Simulation der Meeresumwelt verwendet.Es enthält 17700 ppm Cl-, was mit dem Gehalt in natürlichem Meerwasser vergleichbar ist.Das Vorhandensein von 17.700 ppm Cl- war der Hauptgrund für den Rückgang des Cr in 7- und 14-tägigen nichtbiologischen Proben, die mit XPS analysiert wurden.Im Vergleich zur Testprobe von Pseudomonas aeruginosa ist die Auflösung von Cr in der abiotischen Testprobe aufgrund der starken Resistenz von 2707 HDSS gegenüber Chlor in der abiotischen Umgebung viel geringer.Auf Abb.9 zeigt das Vorhandensein von Cr6+ im Passivierungsfilm.Dies könnte mit der Entfernung von Cr von Stahloberflächen durch P. aeruginosa-Biofilme zusammenhängen, wie von Chen und Clayton39 vorgeschlagen.
Aufgrund des Bakterienwachstums betrugen die pH-Werte des Mediums vor und nach der Inkubation 7,4 bzw. 8,2.Aufgrund des relativ hohen pH-Werts im Hauptmedium ist es daher unwahrscheinlich, dass die Korrosion organischer Säuren zu dieser Arbeit unter P. aeruginosa-Biofilmen beiträgt.Der pH-Wert des nichtbiologischen Kontrollmediums veränderte sich während des 14-tägigen Testzeitraums nicht wesentlich (von anfänglichen 7,4 auf endgültige 7,5).Der Anstieg des pH-Werts im Inokulummedium nach der Inkubation war mit der Stoffwechselaktivität von Pseudomonas aeruginosa verbunden, und der gleiche Effekt auf den pH-Wert wurde auch bei Abwesenheit des Teststreifens festgestellt.
Wie in Abb. gezeigt.7 betrug die maximale Grübchentiefe, die durch den Pseudomonas aeruginosa-Biofilm verursacht wurde, 0,69 µm, was deutlich größer ist als im abiotischen Medium (0,02 µm).Dies stimmt mit den obigen elektrochemischen Daten überein.Unter den gleichen Bedingungen ist die Pittiefe von 0,69 µm mehr als zehnmal kleiner als der für 2205 DSS40 angegebene Wert von 9,5 µm.Diese Daten zeigen, dass 2707 HDSS eine bessere Beständigkeit gegen MICs aufweist als 2205 DSS.Dies ist nicht überraschend, da 2707 HDSS einen höheren Cr-Gehalt aufweist, was eine längere Passivierung ermöglicht, die Depassivierung von Pseudomonas aeruginosa erschwert und den Prozess ohne schädliche sekundäre Ausfällung, Lochfraß, in Gang setzt41.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass auf 2707 HDSS-Oberflächen in Pseudomonas aeruginosa-Brühe MIC-Lochfraß festgestellt wurde, während Lochfraß in abiotischen Medien vernachlässigbar war.Diese Arbeit zeigt, dass 2707 HDSS eine bessere Resistenz gegen MIC aufweist als 2205 DSS, aber aufgrund des Pseudomonas aeruginosa-Biofilms nicht vollständig immun gegen MIC ist.Diese Ergebnisse helfen bei der Auswahl geeigneter Edelstähle und der Lebenserwartung für die Meeresumwelt.
Die 2707 HDSS-Proben wurden von der School of Metallurgy der Northeastern University (NEU) in Shenyang, China, bereitgestellt.Die Elementzusammensetzung von 2707 HDSS ist in Tabelle 1 dargestellt, die von der Abteilung für Materialanalyse und -prüfung der Northeastern University analysiert wurde.Alle Proben wurden 1 Stunde lang bei 1180 °C zur festen Lösung behandelt.Vor dem Korrosionstest wurde 2707 HDSS-Münzstahl mit einer freiliegenden Oberfläche von 1 cm2 mit Siliziumkarbid-Schleifpapier auf Körnung 2000 poliert und anschließend mit einer 0,05 µm großen Al2O3-Pulveraufschlämmung weiter 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 0,5 Stunden lang sterilisiert.Anschließend wurden sie vor der Verwendung 0,5 Stunden lang unter ultraviolettem (UV) Licht an der Luft getrocknet.
Der Meeresstamm Pseudomonas aeruginosa MCCC 1A00099 wurde von der Xiamen Marine Culture Collection (MCCC), China, erworben.Marine 2216E-Flüssigmedium (Qingdao Hope Biotechnology Co., Ltd., Qingdao, China) wurde zur Kultivierung von Pseudomonas aeruginosa in 250-ml-Kolben und 500-ml-elektrochemischen Glaszellen unter aeroben Bedingungen bei 37 °C verwendet.Medium enthält (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, 0,008 , 0,008 Na4F0H20PO.1,0 Hefeextrakt und 0,1 Eisencitrat.Vor der Inokulation 20 Minuten lang bei 121 °C autoklavieren.Sitzende und planktonische Zellen wurden unter einem Lichtmikroskop mit einem Hämozytometer bei 400-facher Vergrößerung gezählt.Die anfängliche Konzentration planktonischer P. aeruginosa-Zellen 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.Ein Platinblech und eine gesättigte Kalomelelektrode (SCE) wurden über eine mit einer Salzbrücke gefüllte Luggin-Kapillare mit dem Reaktor verbunden und dienten als Gegen- bzw. Referenzelektrode.Zur Herstellung der Arbeitselektrode wurde an jeder Probe ein gummibeschichteter Kupferdraht befestigt und mit Epoxidharz beschichtet, sodass auf einer Seite etwa 1 cm2 Oberfläche für die Arbeitselektrode übrig blieb.Während der elektrochemischen Messungen wurden die Proben in das 2216E-Medium gegeben und in einem Wasserbad bei einer konstanten Inkubationstemperatur (37 °C) gehalten.OCP-, LPR-, EIS- und potenzielle dynamische Polarisationsdaten wurden mit einem Autolab-Potentiostat (Reference 600TM, Gamry Instruments, Inc., USA) gemessen.LPR-Tests wurden mit einer Abtastrate von 0,125 mV s-1 im Bereich von -5 und 5 mV und Eocp mit einer Abtastrate von 1 Hz aufgezeichnet.EIS wurde im stationären Eocp-Zustand unter Verwendung einer angelegten Spannung von 5 mV mit einer Sinuskurve über einen Frequenzbereich von 0,01 bis 10.000 Hz durchgeführt.Vor dem Potentialdurchlauf befanden sich die Elektroden im Leerlaufmodus, bis ein stabiles freies Korrosionspotential von 42 erreicht wurde.Mit.Jeder Test wurde dreimal mit und ohne Pseudomonas aeruginosa wiederholt.
Proben für die metallografische Analyse wurden mechanisch mit nassem SiC-Papier der Körnung 2000 poliert und anschließend zur optischen Beobachtung mit einer 0,05 µm großen Al2O3-Pulveraufschlämmung poliert.Die metallografische Analyse wurde unter Verwendung eines optischen Mikroskops durchgeführt.Die Probe wurde mit 10 Gew.-%iger Kaliumhydroxidlösung geätzt43.
Nach der Inkubation dreimal mit phosphatgepufferter Kochsalzlösung (PBS) (pH 7,4 ± 0,2) waschen und dann 10 Stunden lang mit 2,5 % (v/v) Glutaraldehyd fixieren, um den Biofilm zu fixieren.Anschließende Dehydratisierung mit Ethanol in einer abgestuften Reihe (50 %, 60 %, 70 %, 80 %, 90 %, 95 % und 100 Vol.-%) vor der Lufttrocknung.Schließlich wurde ein Goldfilm auf die Oberfläche der Probe gesputtert, um Leitfähigkeit für die SEM44-Beobachtung bereitzustellen.Die SEM-Bilder konzentrieren sich auf die Stelle mit den am stärksten etablierten P. aeruginosa-Zellen auf der Oberfläche jeder Probe.Zur Erkennung chemischer Elemente wurde eine EMF-Analyse durchgeführt.Zur Messung der Tiefe der Grube wurde ein konfokales Laser-Scanning-Mikroskop (CLSM) von Zeiss (LSM 710, Zeiss, Deutschland) verwendet.Um Korrosionsgruben unter dem Biofilm zu beobachten, wurde die Testprobe zunächst gemäß dem chinesischen Nationalstandard (CNS) GB/T4334.4-2000 gereinigt, um Korrosionsprodukte und Biofilm von der Oberfläche der Testprobe zu entfernen.
Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS, ESCALAB250 Surface Analysis System, Thermo VG, USA) Analyse unter Verwendung einer monochromatischen Röntgenquelle (Al Kα-Linie mit einer Energie von 1500 eV und einer Leistung von 150 W) in einem weiten Bereich von Bindungsenergien 0 unter den Standardbedingungen von –1350 eV.Zeichnen Sie hochauflösende Spektren mit einer Durchgangsenergie von 50 eV und einer Schrittweite von 0,2 eV auf.
Entfernen Sie die inkubierte Probe und waschen Sie sie 15 s45 lang vorsichtig mit PBS (pH 7,4 ± 0,2).Um die bakterielle Lebensfähigkeit des Biofilms auf der Probe zu beobachten, wurde der Biofilm mit dem LIVE/DEAD BacLight Bacterial Viability Kit (Invitrogen, Eugene, OR, USA) gefärbt.Das Kit enthält zwei Fluoreszenzfarbstoffe: den grünen Fluoreszenzfarbstoff SYTO-9 und den roten Fluoreszenzfarbstoff Propidiumiodid (PI).Bei CLSM repräsentieren fluoreszierende grüne und rote Punkte lebende bzw. tote Zellen.Zum Färben 1 ml einer Mischung aus 3 µl SYTO-9 und 3 µl PI-Lösung 20 Minuten lang bei Raumtemperatur (23 °C) im Dunkeln inkubieren.Danach wurden die gefärbten Proben bei zwei Wellenlängen (488 nm für lebende Zellen und 559 nm für tote Zellen) mit einem Nikon CLSM-Gerät (C2 Plus, Nikon, Japan) beobachtet.Messen Sie die Biofilmdicke im 3D-Scanmodus.
Zitierweise für diesen Artikel: Li, H. et al.Einfluss des marinen Biofilms Pseudomonas aeruginosa auf die mikrobielle Korrosion von 2707 Super-Duplex-Edelstahl.Wissenschaft.Haus 6, 20190;doi:10.1038/srep20190 (2016).
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