Epekto ng Pseudomonas aeruginosa Marine Biofilm sa Microbial Corrosion ng 2707 Super Duplex Stainless Steel

Salamat sa pagbisita sa Nature.com.Gumagamit ka ng bersyon ng browser na may limitadong suporta sa CSS.Para sa pinakamagandang karanasan, inirerekomenda namin na gumamit ka ng na-update na browser (o huwag paganahin ang Compatibility Mode sa Internet Explorer).Bilang karagdagan, upang matiyak ang patuloy na suporta, ipinapakita namin ang site na walang mga istilo at JavaScript.
Nagpapakita ng carousel ng tatlong slide nang sabay-sabay.Gamitin ang Nakaraang at Susunod na mga pindutan upang lumipat sa tatlong mga slide sa isang pagkakataon, o gamitin ang mga pindutan ng slider sa dulo upang lumipat sa tatlong mga slide sa isang pagkakataon.
Ang microbial corrosion (MIC) ay isang malaking problema sa maraming industriya dahil maaari itong humantong sa malaking pagkalugi sa ekonomiya.Ang super duplex na hindi kinakalawang na asero 2707 (2707 HDSS) ay ginagamit sa mga marine environment dahil sa mahusay nitong paglaban sa kemikal.Gayunpaman, ang paglaban nito sa MIC ay hindi naipakita sa eksperimento.Sinuri ng pag-aaral na ito ang pag-uugali ng MIC 2707 HDSS na dulot ng marine aerobic bacterium na Pseudomonas aeruginosa.Ipinakita ng pagsusuri ng electrochemical na sa pagkakaroon ng Pseudomonas aeruginosa biofilm sa 2216E medium, positibong nagbago ang potensyal ng kaagnasan, at tumaas ang densidad ng kasalukuyang kaagnasan.Ang mga resulta ng pagsusuri ng X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) ay nagpakita ng pagbaba sa nilalaman ng Cr sa sample na ibabaw sa ilalim ng biofilm.Ang pagsusuri sa mga larawan ng hukay ay nagpakita na ang Pseudomonas aeruginosa biofilms ay gumawa ng pinakamataas na lalim ng hukay na 0.69 µm pagkatapos ng 14 na araw ng kultura.Bagama't ito ay maliit, iminumungkahi nito na ang 2707 HDSS ay hindi ganap na immune sa mga epekto ng P. aeruginosa biofilms sa MIC.
Ang duplex na hindi kinakalawang na asero (DSS) ay malawakang ginagamit sa iba't ibang industriya dahil sa perpektong kumbinasyon ng mahusay na mga katangian ng mekanikal at paglaban sa kaagnasan1,2.Gayunpaman, maaaring mangyari pa rin ang localized pitting, na maaaring makaapekto sa integridad ng bakal na ito 3, 4 .Ang DSS ay hindi protektado laban sa microbial corrosion (MIC)5,6.Bagama't napakalawak ng saklaw ng aplikasyon ng DSS, mayroon pa ring mga kapaligiran kung saan hindi sapat ang resistensya ng kaagnasan ng DSS para sa pangmatagalang paggamit.Nangangahulugan ito na kinakailangan ang mas mahal na materyales na may mas mataas na resistensya sa kaagnasan.Nalaman ni Jeon et al.7 na kahit na ang super duplex na hindi kinakalawang na asero (SDSS) ay may ilang mga limitasyon sa mga tuntunin ng paglaban sa kaagnasan.Samakatuwid, mayroong pangangailangan para sa mga super duplex na hindi kinakalawang na asero (HDSS) na may mas mataas na resistensya sa kaagnasan sa ilang mga aplikasyon.Ito ay humantong sa pagbuo ng mataas na haluang metal na HDSS.
Ang resistensya ng kaagnasan ng DSS ay tinutukoy ng ratio ng α-phase sa γ-phase at mga lugar na naubos sa Cr, Mo at W na katabi ng pangalawang phase8,9,10.Ang HDSS ay naglalaman ng mataas na nilalaman ng Cr, Mo at N11, na nagbibigay dito ng mahusay na corrosion resistance at mataas na halaga (45-50) katumbas na pitting resistance value (PREN), na tinutukoy ng wt.% Cr + 3.3 (wt.% Mo + 0, 5 wt % W) + 16 wt %.N12.Ang mahusay na resistensya ng kaagnasan nito ay nakasalalay sa isang balanseng komposisyon na naglalaman ng humigit-kumulang 50% ferritic (α) at ​​50% austenitic (γ) na mga phase.Ang HDSS ay nagpabuti ng mga mekanikal na katangian at mas mataas na chlorine resistance kumpara sa maginoo na DSS13.Mga katangian ng kemikal na kaagnasan.Ang pinahusay na paglaban sa kaagnasan ay nagpapalawak sa paggamit ng HDSS sa mas agresibong chloride na kapaligiran gaya ng mga marine environment.
Ang MIC ay isang malaking problema sa maraming industriya, kabilang ang langis at gas at supply ng tubig14.Ang MIC ay bumubuo ng 20% ​​ng lahat ng pinsala sa kaagnasan15.Ang MIC ay isang bioelectrochemical corrosion na maaaring maobserbahan sa maraming kapaligiran16.Ang pagbuo ng mga biofilm sa mga ibabaw ng metal ay nagbabago sa mga kondisyon ng electrochemical at sa gayon ay nakakaimpluwensya sa proseso ng kaagnasan.Karaniwang tinatanggap na ang MIC corrosion ay sanhi ng biofilms14.Ang mga electrogenic microorganism ay kumakain ng mga metal upang makakuha ng enerhiya para mabuhay17.Ipinakita ng mga kamakailang pag-aaral ng MIC na ang EET (extracellular electron transfer) ay ang limiting factor para sa MIC na sapilitan ng mga electrogenic microorganism.Ipinakita ni Zhang et al.18 na ang mga electron mediator ay nagpapabilis ng paglipat ng electron sa pagitan ng Desulfovibrio vulgaris sessile cells at 304 stainless steel, na nagreresulta sa mas matinding pag-atake ng MIC.Anning et al.19 at Wenzlaff et al.20 ay nagpakita na ang mga biofilm ng corrosive sulfate-reducing bacteria (SRBs) ay maaaring sumipsip ng mga electron nang direkta mula sa mga substrate ng metal, na nagreresulta sa matinding pitting.
Ang DSS ay kilala na madaling kapitan sa MIC sa media na naglalaman ng mga SRB, iron-reducing bacteria (IRBs), atbp. 21 .Ang mga bacteria na ito ay nagdudulot ng localized pitting sa ibabaw ng DSS sa ilalim ng biofilm22,23.Hindi tulad ng DSS, kakaunti ang nalalaman tungkol sa MIC HDSS24.
Ang Pseudomonas aeruginosa ay isang Gram-negative, motile, hugis baras na bacterium na malawak na ipinamamahagi sa kalikasan25.Ang Pseudomonas aeruginosa ay isa ring pangunahing microbiota na responsable para sa MIC ng bakal sa kapaligirang dagat26.Ang mga species ng Pseudomonas ay direktang kasangkot sa mga proseso ng kaagnasan at kinikilala bilang mga unang kolonisador sa panahon ng pagbuo ng biofilm27.Mahat et al.28 at Yuan et al.29 ay nagpakita na ang Pseudomonas aeruginosa ay may posibilidad na tumaas ang rate ng kaagnasan ng banayad na bakal at mga haluang metal sa mga kapaligirang nabubuhay sa tubig.
Ang pangunahing layunin ng gawaing ito ay pag-aralan ang mga katangian ng MIC ng 2707 HDSS na dulot ng marine aerobic bacterium na Pseudomonas aeruginosa gamit ang mga electrochemical method, surface analysis method at corrosion product analysis.Ang mga pag-aaral ng electrochemical kasama ang open circuit potential (OCP), linear polarization resistance (LPR), electrochemical impedance spectroscopy (EIS) at dynamic na potensyal na polariseysyon ay isinagawa upang pag-aralan ang pag-uugali ng MIC 2707 HDSS.Ang Energy dispersive spectroscopy (EDS) analysis ay ginagawa upang makita ang mga elemento ng kemikal sa mga corroded surface.Bilang karagdagan, ang katatagan ng oxide film passivation sa ilalim ng impluwensya ng isang marine environment na naglalaman ng Pseudomonas aeruginosa ay tinutukoy ng X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).Ang lalim ng mga hukay ay sinusukat sa ilalim ng isang confocal laser scanning microscope (CLSM).
Ipinapakita sa talahanayan 1 ang kemikal na komposisyon ng 2707 HDSS.Ipinapakita ng talahanayan 2 na ang 2707 HDSS ay may mahusay na mekanikal na katangian na may lakas ng ani na 650 MPa.Sa fig.Ang 1 ay nagpapakita ng optical microstructure ng solution heat treated 2707 HDSS.Ang mga pinahabang banda ng austenitic at ferritic phase na walang pangalawang phase ay makikita sa isang microstructure na naglalaman ng humigit-kumulang 50% austenitic at 50% ferritic phase.
Sa fig.2a ay nagpapakita ng open circuit potential (Eocp) versus exposure time para sa 2707 HDSS sa 2216E abiotic medium at Pseudomonas aeruginosa broth sa loob ng 14 na araw sa 37°C.Napag-alaman na ang pinakamadalas na pagbabago sa Eocp ay naganap sa unang 24 na oras.Ang mga halaga ng Eocp sa parehong mga kaso ay tumaas sa humigit-kumulang -145 mV (kumpara sa SCE) sa humigit-kumulang 16 na oras at pagkatapos ay bumaba nang husto sa -477 mV (kumpara sa SCE) at -236 mV (kumpara sa SCE) para sa mga non-biological na sample at P para sa kamag-anak SCE) dahon ng patina, ayon sa pagkakabanggit.Pagkatapos ng 24 na oras, ang halaga ng Eocp ng Pseudomonas aeruginosa 2707 HDSS ay nanatiling medyo matatag sa -228 mV (kumpara sa SCE), habang ang kaukulang halaga para sa non-biological sample ay humigit-kumulang -442 mV (kumpara sa SCE).Ang Eocp sa presensya ng Pseudomonas aeruginosa ay medyo mababa.
Electrochemical testing ng 2707 HDSS sample sa abiotic media at Pseudomonas aeruginosa broth sa 37°C:
(a) Pagbabago sa Eocp na may oras ng pagkakalantad, (b) kurba ng polarization sa araw na 14, (c) pagbabago sa Rp na may oras ng pagkakalantad, (d) pagbabago sa corr na may oras ng pagkakalantad.
Ipinapakita sa talahanayan 3 ang mga electrochemical corrosion parameter ng 2707 HDSS sample na nalantad sa abiotic at P. aeruginosa inoculated media sa loob ng 14 na araw.Ang tangential extrapolation ng anodic at cathodic curves sa intersection point ay nagbigay-daan sa pagtukoy ng corrosion current density (icorr), corrosion potential (Ecorr) at Tafel slope (βα at βc) ayon sa standard na pamamaraan30,31.
Tulad ng ipinapakita sa Figure 2b, ang pataas na paglilipat ng P. aeruginosa curve ay nagresulta sa pagtaas ng Ecorr kumpara sa abiotic curve.Ang icorr value ng sample na naglalaman ng Pseudomonas aeruginosa, proporsyonal sa corrosion rate, ay tumaas sa 0.328 µA cm-2, na apat na beses na mas malaki kaysa sa non-biological sample (0.087 µA cm-2).
Ang LPR ay isang klasikong electrochemical method para sa hindi mapanirang express analysis ng corrosion.Ginamit din ito sa pag-aaral ng MIC32.Sa fig.2c ay nagpapakita ng pagbabago sa polarization resistance (Rp) depende sa oras ng pagkakalantad.Ang mas mataas na halaga ng Rp ay nangangahulugan ng mas kaunting kaagnasan.Sa loob ng unang 24 na oras, tumaas ang Rp 2707 HDSS sa 1955 kΩ cm2 para sa mga non-biological specimen at 1429 kΩ cm2 para sa Pseudomonas aeruginosa specimens.Ipinapakita rin ng Figure 2c na ang halaga ng Rp ay mabilis na bumaba pagkatapos ng isang araw at pagkatapos ay nanatiling medyo hindi nagbabago sa susunod na 13 araw.Ang halaga ng Rp para sa Pseudomonas aeruginosa test specimen ay humigit-kumulang 40 kΩ cm2, na mas mababa kaysa sa 450 kΩ cm2 na halaga para sa non-biological test specimen.
Ang halaga ng icorr ay proporsyonal sa pare-parehong rate ng kaagnasan.Ang halaga nito ay maaaring kalkulahin mula sa sumusunod na Stern-Giri equation:
Ayon kay Zoe et al.33 ang Tafel slope B ay kinuha bilang isang tipikal na halaga na 26 mV/dec sa gawaing ito.Sa fig.2d ay nagpapakita na ang icorr ng 2707 abiotic strain ay nanatiling medyo stable, habang ang icorr ng Pseudomonas aeruginosa band ay malakas na nag-iba-iba sa isang malaking pagtalon pagkatapos ng unang 24 na oras.Ang icorr value ng sample ng pagsubok na Pseudomonas aeruginosa ay isang order ng magnitude na mas mataas kaysa sa non-biological control.Ang kalakaran na ito ay pare-pareho sa mga resulta ng paglaban sa polariseysyon.
Ang EIS ay isa pang hindi mapanirang paraan na ginagamit upang makilala ang mga electrochemical reaction sa isang corrosion interface34.Impedance spectra at capacitance kalkulasyon ng mga strips na nakalantad sa abiotic media at mga solusyon ng Pseudomonas aeruginosa, Rb ay ang paglaban ng passive/biofilm na nabuo sa ibabaw ng strip, Rct ay ang charge transfer resistance, Cdl ay ang electrical double layer.) at QCPE constant phase element (CPE) na mga parameter.Ang mga parameter na ito ay higit pang nasuri sa pamamagitan ng paghahambing ng data sa isang katumbas na modelo ng electrical circuit (EEC).
Sa fig.3 ay nagpapakita ng mga tipikal na Nyquist plots (a at b) at Bode plots (a' and b') ng 2707 HDSS sample sa abiotic media at Pseudomonas aeruginosa broth sa iba't ibang oras ng incubation.Sa pagkakaroon ng Pseudomonas aeruginosa, bumababa ang diameter ng Nyquist loop.Ang Bode plot (Fig. 3b') ay nagpapakita ng pagtaas sa kabuuang impedance.Ang impormasyon tungkol sa pare-parehong oras ng pagpapahinga ay maaaring makuha mula sa phase maxima.Sa fig.Ipinapakita ng 4 ang mga pisikal na istruktura at ang kaukulang EEC batay sa isang solong-layer (a) at dalawang-layer (b).Ang CPE ay ipinakilala sa modelo ng EEC.Ang pagpasok at impedance nito ay ipinahayag tulad ng sumusunod:
Dalawang pisikal na modelo at katumbas na katumbas na mga circuit para sa paglapat ng 2707 HDSS coupon impedance spectrum:
Kung saan ang Y0 ay ang magnitude ng CPE, ang j ay ang haka-haka na numero o (−1)1/2, ω ang angular frequency, at ang n ay ang CPE power factor na mas mababa sa isa35.Ang pagbabaligtad ng paglaban sa paglipat ng singil (ibig sabihin, 1/Rct) ay tumutugma sa rate ng kaagnasan.Ang mas mababang halaga ng Rct ay nangangahulugan ng mas mataas na rate ng kaagnasan27.Pagkatapos ng 14 na araw ng pagpapapisa ng itlog, ang Rct ng test sample ng Pseudomonas aeruginosa ay umabot sa 32 kΩ cm2, na mas mababa kaysa sa 489 kΩ cm2 ng non-biological test sample (Talahanayan 4).
Mga imahe ng CLSM at mga imahe ng SEM sa fig.5 ay malinaw na nagpapakita na ang saklaw ng biofilm sa ibabaw ng sample ng HDSS 2707 ay napakasiksik pagkatapos ng 7 araw.Gayunpaman, pagkatapos ng 14 na araw ang biofilm coating ay naging kalat-kalat at lumitaw ang ilang mga patay na selula.Ipinapakita sa talahanayan 5 ang kapal ng biofilm ng 2707 mga sample ng HDSS pagkatapos ng 7 at 14 na araw ng pagkakalantad sa Pseudomonas aeruginosa.Nagbago ang maximum na kapal ng biofilm mula 23.4 µm pagkatapos ng 7 araw hanggang 18.9 µm pagkatapos ng 14 na araw.Kinumpirma din ng karaniwang kapal ng biofilm ang kalakaran na ito.Bumaba ito mula 22.2 ± 0.7 μm pagkatapos ng 7 araw hanggang 17.8 ± 1.0 μm pagkatapos ng 14 na araw.
(a) 3-D CLSM na imahe sa 7 araw, (b) 3-D CLSM na imahe sa 14 na araw, (c) SEM na imahe sa 7 araw, at (d) SEM na imahe sa 14 na araw.
Inihayag ng EMF ang mga elemento ng kemikal sa biofilm at mga produktong corrosion sa mga sample na nalantad sa Pseudomonas aeruginosa sa loob ng 14 na araw.Sa fig.Ipinapakita ng Figure 6 na ang nilalaman ng C, N, O, P sa biofilm at mga produktong corrosion ay mas mataas kaysa sa purong metal, dahil ang mga elementong ito ay nauugnay sa biofilm at mga metabolite nito.Ang mga mikroorganismo ay nangangailangan lamang ng mga bakas na halaga ng Cr at Fe.Ang mataas na nilalaman ng Cr at Fe sa biofilm at mga produktong corrosion sa ibabaw ng sample ay nagpapahiwatig ng pagkawala ng mga elemento sa metal matrix bilang resulta ng kaagnasan.
Pagkatapos ng 14 na araw, ang mga hukay na may at walang P. aeruginosa ay naobserbahan sa medium 2216E.Bago ang pagpapapisa ng itlog, ang ibabaw ng mga sample ay makinis at walang mga depekto (Larawan 7a).Pagkatapos ng pagpapapisa ng itlog at pagtanggal ng mga produktong biofilm at corrosion, ang pinakamalalim na hukay sa ibabaw ng sample ay sinuri gamit ang CLSM, tulad ng ipinapakita sa Fig. 7b at c.Walang nakitang halatang pitting sa ibabaw ng non-biological control (maximum pit depth 0.02 µm).Ang maximum na lalim ng hukay na dulot ng Pseudomonas aeruginosa ay 0.52 µm pagkatapos ng 7 araw at 0.69 µm pagkatapos ng 14 na araw, batay sa average na maximum na lalim ng hukay mula sa 3 sample (10 maximum na lalim ng hukay ang napili para sa bawat sample) at umabot sa 0. 42 ± 0.12 µm .at 0.52 ± 0.15 µm, ayon sa pagkakabanggit (Talahanayan 5).Ang mga halaga ng dimple depth na ito ay maliit ngunit mahalaga.
(a) bago ang pagkakalantad;(b) 14 na araw sa isang abiotic na kapaligiran;(c) 14 na araw sa sabaw ng P. aeruginosa.
Sa fig.Ipinapakita ng talahanayan 8 ang spectra ng XPS ng iba't ibang mga sample na ibabaw, at ang kimika na nasuri para sa bawat ibabaw ay buod sa Talahanayan 6. Sa Talahanayan 6, ang mga atomic na porsyento ng Fe at Cr ay mas mababa sa pagkakaroon ng P. aeruginosa (mga sample A at B ) kaysa sa non-biological control strips.(mga sample C at D).Para sa isang sample ng Pseudomonas aeruginosa, ang Cr 2p core level spectral curve ay nilagyan ng apat na peak component na may binding energies (BE) na 574.4, 576.6, 578.3 at 586.8 eV, na itinalaga sa Cr, Cr2O3, CrOH) at Cr( 3, ayon sa pagkakabanggit (Larawan 9a at b).Para sa mga nonbiological sample, ang spectra ng core level Cr 2p sa Fig.Ang 9c at d ay naglalaman ng dalawang pangunahing taluktok ng Cr (BE 573.80 eV) at Cr2O3 (BE 575.90 eV), ayon sa pagkakabanggit.Ang pinakakapansin-pansing pagkakaiba sa pagitan ng abiotic na kupon at ng P. aeruginosa na kupon ay ang pagkakaroon ng Cr6+ at medyo mataas na bahagi ng Cr(OH)3 (BE 586.8 eV) sa ilalim ng biofilm.
Broad surface XPS spectra ng 2707 HDSS sample sa dalawang media para sa 7 at 14 na araw, ayon sa pagkakabanggit.
(a) 7 araw na pagkakalantad sa P. aeruginosa, (b) 14 na araw na pagkakalantad sa P. aeruginosa, (c) 7 araw na pagkakalantad sa abiotic, (d) 14 na araw na pagkakalantad sa abiotic.
Ang HDSS ay nagpapakita ng mataas na antas ng corrosion resistance sa karamihan ng mga kapaligiran.Iniulat ni Kim et al.2 na ang HDSS UNS S32707 ay nakilala bilang isang highly doped DSS na may PREN na higit sa 45. Ang PREN value ng HDSS sample 2707 sa gawaing ito ay 49. Ito ay dahil sa mataas na nilalaman ng Cr at mataas na antas ng Mo at Ni, na kapaki-pakinabang sa mga acidic na kapaligiran at mga kapaligiran na may mataas na nilalaman ng chlorides.Bilang karagdagan, ang mahusay na balanseng komposisyon at walang depektong microstructure ay nagbibigay ng katatagan ng istruktura at paglaban sa kaagnasan.Sa kabila ng mahusay na paglaban sa kemikal, ang pang-eksperimentong data sa gawaing ito ay nagpapakita na ang 2707 HDSS ay hindi ganap na immune sa Pseudomonas aeruginosa biofilm MICs.
Ang mga resulta ng electrochemical ay nagpakita na ang corrosion rate ng 2707 HDSS sa Pseudomonas aeruginosa broth ay tumaas nang malaki pagkatapos ng 14 na araw kumpara sa non-biological na kapaligiran.Sa Figure 2a, ang pagbaba sa Eocp ay naobserbahan kapwa sa abiotic medium at sa P. aeruginosa broth sa unang 24 na oras.Pagkatapos nito, ang biofilm ay natapos na sumasakop sa ibabaw ng sample at ang Eocp ay nagiging medyo matatag.Gayunpaman, ang antas ng biotic na Eocp ay mas mataas kaysa sa antas ng abiotic na Eocp.May mga dahilan upang maniwala na ang pagkakaibang ito ay nauugnay sa pagbuo ng P. aeruginosa biofilms.Sa fig.2g, ang halaga ng icorr ng 2707 HDSS ay umabot sa 0.627 μA cm-2 sa pagkakaroon ng Pseudomonas aeruginosa, na isang order ng magnitude na mas mataas kaysa sa non-biological control (0.063 μA cm-2), na naaayon sa Rct halaga na sinusukat ng EIS.Sa mga unang araw, tumaas ang mga halaga ng impedance sa sabaw ng P. aeruginosa dahil sa pagkakadikit ng mga selulang P. aeruginosa at pagbuo ng biofilm.Gayunpaman, ang impedance ay bumababa kapag ang biofilm ay ganap na sumasakop sa sample na ibabaw.Ang proteksiyon na layer ay inaatake pangunahin dahil sa pagbuo ng biofilm at biofilm metabolites.Samakatuwid, bumababa ang resistensya ng kaagnasan sa paglipas ng panahon, at ang mga deposito ng Pseudomonas aeruginosa ay nagdudulot ng lokal na kaagnasan.Ang mga uso sa abiotic na kapaligiran ay iba.Ang resistensya ng kaagnasan ng non-biological control ay mas mataas kaysa sa katumbas na halaga ng mga sample na nakalantad sa sabaw ng Pseudomonas aeruginosa.Bilang karagdagan, para sa mga abiotic sample, ang halaga ng Rct 2707 HDSS ay umabot sa 489 kΩ cm2 sa araw na 14, na 15 beses na mas mataas kaysa sa pagkakaroon ng Pseudomonas aeruginosa (32 kΩ cm2).Kaya, ang 2707 HDSS ay may mahusay na corrosion resistance sa isang sterile na kapaligiran, ngunit hindi protektado mula sa MIC attack ng Pseudomonas aeruginosa biofilm.
Ang mga resulta na ito ay maaari ding maobserbahan mula sa mga polarization curves sa Fig.2b.Ang anodic branching ay nauugnay sa Pseudomonas aeruginosa biofilm formation at mga reaksyon ng metal oxidation.Kasabay nito, ang cathodic reaction ay ang pagbawas ng oxygen.Ang pagkakaroon ng P. aeruginosa ay makabuluhang nadagdagan ang densidad ng kasalukuyang kaagnasan, na halos isang order ng magnitude na mas mataas kaysa sa kontrol ng abiotic.Ipinahiwatig nito na pinahusay ng Pseudomonas aeruginosa biofilm ang naisalokal na kaagnasan ng 2707 HDSS.Nalaman ni Yuan et al.29 na ang corrosion current density ng 70/30 Cu-Ni alloy ay nadagdagan ng Pseudomonas aeruginosa biofilm.Ito ay maaaring dahil sa biocatalysis ng pagbabawas ng oxygen ng Pseudomonas aeruginosa biofilm.Ang pagmamasid na ito ay maaari ring ipaliwanag ang MIC 2707 HDSS sa gawaing ito.Ang mga aerobic biofilm ay maaari ring bawasan ang nilalaman ng oxygen sa ilalim ng mga ito.Kaya, ang pagtanggi na muling i-repassivate ang ibabaw ng metal na may oxygen ay maaaring isang kadahilanan na nag-aambag sa MIC sa gawaing ito.
Dickinson et al.Iminungkahi ng 38 na ang rate ng mga reaksiyong kemikal at electrochemical ay direktang nakasalalay sa metabolic activity ng bacteria na nakakabit sa sample surface at sa likas na katangian ng mga produktong corrosion.Tulad ng ipinapakita sa Figure 5 at Talahanayan 5, ang bilang ng mga cell at kapal ng biofilm ay nabawasan pagkatapos ng 14 na araw.Ito ay maaaring makatwirang ipaliwanag sa pamamagitan ng katotohanan na pagkatapos ng 14 na araw ang karamihan sa mga naka-angkla na mga cell sa ibabaw ng 2707 HDSS ay namatay dahil sa pagkaubos ng nutrient sa 2216E medium o paglabas ng mga nakakalason na metal ions mula sa 2707 HDSS matrix.Ito ay isang limitasyon ng mga batch na eksperimento.
Sa gawaing ito, ang isang Pseudomonas aeruginosa biofilm ay nagsulong ng lokal na pag-ubos ng Cr at Fe sa ilalim ng biofilm sa ibabaw ng 2707 HDSS (Larawan 6).Sa Talahanayan 6, bumaba ang Fe at Cr sa sample D kumpara sa sample C, na nagpapahiwatig na ang Fe at Cr dissolution na dulot ng P. aeruginosa biofilm ay napanatili pagkatapos ng unang 7 araw.Ang 2216E environment ay ginagamit upang gayahin ang marine environment.Naglalaman ito ng 17700 ppm Cl-, na maihahambing sa nilalaman nito sa natural na tubig dagat.Ang pagkakaroon ng 17700 ppm Cl- ang pangunahing dahilan ng pagbaba ng Cr sa 7-araw at 14 na araw na non-biological sample na sinuri ng XPS.Kung ikukumpara sa test sample ng Pseudomonas aeruginosa, mas mababa ang dissolution ng Cr sa abiotic test sample dahil sa malakas na resistensya ng 2707 HDSS sa chlorine sa abiotic na kapaligiran.Sa fig.9 ay nagpapakita ng pagkakaroon ng Cr6+ sa passivating film.Maaaring nauugnay ito sa pag-alis ng Cr mula sa mga ibabaw ng bakal ng P. aeruginosa biofilms, gaya ng iminungkahi nina Chen at Clayton39.
Dahil sa paglaki ng bakterya, ang mga halaga ng pH ng medium bago at pagkatapos ng pagpapapisa ng itlog ay 7.4 at 8.2, ayon sa pagkakabanggit.Kaya, ang kaagnasan ng mga organikong acid ay malamang na hindi mag-ambag sa gawaing ito sa ilalim ng P. aeruginosa biofilms dahil sa medyo mataas na pH sa bulk medium.Ang pH ng non-biological control medium ay hindi nagbago nang malaki (mula sa paunang 7.4 hanggang huling 7.5) sa loob ng 14 na araw na panahon ng pagsubok.Ang pagtaas ng pH sa medium ng inoculum pagkatapos ng pagpapapisa ng itlog ay nauugnay sa metabolic na aktibidad ng Pseudomonas aeruginosa, at ang parehong epekto sa pH ay natagpuan sa kawalan ng test strip.
Gaya ng ipinapakita sa fig.7, ang pinakamataas na lalim ng hukay na dulot ng Pseudomonas aeruginosa biofilm ay 0.69 µm, na higit na malaki kaysa sa abiotic medium (0.02 µm).Sumasang-ayon ito sa data ng electrochemical sa itaas.Sa ilalim ng parehong mga kondisyon, ang pit depth na 0.69 µm ay higit sa sampung beses na mas maliit kaysa sa 9.5 µm na halaga na tinukoy para sa 2205 DSS40.Ipinapakita ng data na ito na ang 2707 HDSS ay nagpapakita ng mas mahusay na pagtutol sa mga MIC kaysa sa 2205 DSS.Hindi ito nakakagulat dahil ang 2707 HDSS ay may mas mataas na antas ng Cr, na nagbibigay-daan sa mas matagal na pag-passivation, ginagawang mas mahirap i-depassivate ang Pseudomonas aeruginosa, at sinisimulan ang proseso nang walang nakakapinsalang pangalawang pag-ulan Pitting41.
Sa konklusyon, ang MIC pitting ay natagpuan sa 2707 HDSS surface sa Pseudomonas aeruginosa broth, habang ang pitting ay bale-wala sa abiotic media.Ipinapakita ng gawaing ito na ang 2707 HDSS ay may mas mahusay na resistensya sa MIC kaysa sa 2205 DSS, ngunit hindi ito ganap na immune sa MIC dahil sa Pseudomonas aeruginosa biofilm.Ang mga resultang ito ay tumutulong sa pagpili ng mga angkop na hindi kinakalawang na asero at pag-asa sa buhay para sa kapaligirang dagat.
Ang 2707 HDSS sample ay ibinigay ng School of Metallurgy, Northeastern University (NEU), Shenyang, China.Ang elemental na komposisyon ng 2707 HDSS ay ipinapakita sa Talahanayan 1, na sinuri ng Materials Analysis and Testing Department ng Northeastern University.Ang lahat ng mga sample ay ginagamot para sa solidong solusyon sa 1180 ° C sa loob ng 1 oras.Bago ang pagsubok sa kaagnasan, ang 2707 HDSS coin steel na may nakalantad na surface area na 1 cm2 ay pinakintab hanggang 2000 grit na may silicon carbide na papel de liha at pagkatapos ay pinakintab pa gamit ang 0.05 µm Al2O3 powder slurry.Ang mga gilid at ibaba ay protektado ng hindi gumagalaw na pintura.Pagkatapos ng pagpapatayo, ang mga sample ay hinugasan ng sterile deionized na tubig at isterilisado ng 75% (v/v) ethanol sa loob ng 0.5 h.Pagkatapos ay pinatuyo sila sa hangin sa ilalim ng ilaw ng ultraviolet (UV) nang 0.5 h bago gamitin.
Ang Marine strain na Pseudomonas aeruginosa MCCC 1A00099 ay binili mula sa Xiamen Marine Culture Collection (MCCC), China.Ang Marine 2216E liquid medium (Qingdao Hope Biotechnology Co., Ltd., Qingdao, China) ay ginamit sa kultura ng Pseudomonas aeruginosa sa 250 ml flasks at 500 ml electrochemical glass cell sa ilalim ng aerobic na kondisyon sa 37°C.Naglalaman ang 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 SrCl2, 0.08 SrBr2, 0.08 SrBr2, 0.08 SrBr2 0.008, 0.008 Na4F0H20PO.1.0 yeast extract at 0.1 iron citrate.Autoclave sa 121 °C sa loob ng 20 min bago ang inoculation.Ang mga sessile at planktonic na mga cell ay binibilang sa ilalim ng isang light microscope gamit ang isang hemocytometer sa 400x magnification.Ang unang konsentrasyon ng planktonic P. aeruginosa cells kaagad pagkatapos ng inoculation ay humigit-kumulang 106 cells/mL.
Ang mga pagsusuri sa electrochemical ay isinagawa sa isang klasikong three-electrode glass cell na may medium volume na 500 ml.Ang isang platinum sheet at isang saturated calomel electrode (SCE) ay konektado sa reactor sa pamamagitan ng isang Luggin capillary na puno ng salt bridge at nagsilbing counter at reference electrodes, ayon sa pagkakabanggit.Upang lumikha ng gumaganang elektrod, ang kawad na tanso na pinahiran ng goma ay nakakabit sa bawat sample at pinahiran ng epoxy, na nag-iiwan ng humigit-kumulang 1 cm2 ng ibabaw na lugar sa isang gilid para sa gumaganang elektrod.Sa panahon ng mga pagsukat ng electrochemical, ang mga sample ay inilagay sa 2216E medium at pinananatili sa isang pare-parehong temperatura ng incubation (37°C) sa isang paliguan ng tubig.Ang OCP, LPR, EIS at potensyal na data ng dynamic na polariseysyon ay sinusukat gamit ang isang Autolab potentiostat (Reference 600TM, Gamry Instruments, Inc., USA).Ang mga pagsubok sa LPR ay naitala sa rate ng pag-scan na 0.125 mV s-1 sa hanay ng -5 at 5 mV at Eocp na may sampling rate na 1 Hz.Ang EIS ay isinagawa sa steady state Eocp gamit ang isang inilapat na boltahe ng 5 mV na may sinusoid sa saklaw ng dalas na 0.01 hanggang 10,000 Hz.Bago ang potensyal na sweep, ang mga electrodes ay nasa open circuit mode hanggang sa maabot ang isang matatag na libreng potensyal ng kaagnasan na 42.Sa.Ang bawat pagsubok ay inulit ng tatlong beses na may at walang Pseudomonas aeruginosa.
Ang mga sample para sa metallographic analysis ay mekanikal na pinakintab gamit ang 2000 grit wet SiC na papel at pagkatapos ay pinakintab na may 0.05 µm Al2O3 powder slurry para sa optical observation.Ang pagsusuri ng metallograpiko ay isinagawa gamit ang isang optical microscope.Ang sample ay nilagyan ng 10 wt% potassium hydroxide solution43.
Pagkatapos ng incubation, hugasan ng 3 beses gamit ang phosphate buffered saline (PBS) (pH 7.4 ± 0.2) at pagkatapos ay ayusin gamit ang 2.5% (v/v) glutaraldehyde sa loob ng 10 oras upang ayusin ang biofilm.Ang kasunod na pag-aalis ng tubig na may ethanol sa isang stepped series (50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95% at 100% ayon sa dami) bago ang pagpapatuyo ng hangin.Sa wakas, isang gintong pelikula ang na-sputter sa ibabaw ng sample upang magbigay ng conductivity para sa SEM44 observation.Nakatuon ang mga imahe ng SEM sa lokasyon na may pinakamaraming naitatag na mga selulang P. aeruginosa sa ibabaw ng bawat sample.Ang pagsusuri sa EMF ay isinagawa upang makita ang mga elemento ng kemikal.Upang sukatin ang lalim ng hukay, ginamit ang isang Zeiss confocal laser scanning microscope (CLSM) (LSM 710, Zeiss, Germany).Upang obserbahan ang mga corrosion pits sa ilalim ng biofilm, ang sample ng pagsubok ay unang nilinis ayon sa Chinese National Standard (CNS) GB/T4334.4-2000 upang alisin ang mga produkto ng corrosion at biofilm mula sa ibabaw ng sample ng pagsubok.
X-ray photoelectron spectroscopy (XPS, ESCALAB250 Surface Analysis System, Thermo VG, USA) analysis gamit ang isang monochromatic X-ray source (Al Kα line na may enerhiya na 1500 eV at kapangyarihan na 150 W) sa malawak na hanay ng mga binding energies 0 mas mababa sa karaniwang kundisyon ng –1350 eV.Mag-record ng high resolution spectra gamit ang 50 eV pass energy at 0.2 eV step size.
Alisin ang incubated sample at dahan-dahang hugasan ito ng PBS (pH 7.4 ± 0.2) para sa 15 s45.Upang obserbahan ang bacterial viability ng biofilm sa sample, ang biofilm ay namantsahan gamit ang LIVE/DEAD BacLight Bacterial Viability Kit (Invitrogen, Eugene, OR, USA).Ang kit ay naglalaman ng dalawang fluorescent dye: SYTO-9 green fluorescent dye at propidium iodide (PI) red fluorescent dye.Sa CLSM, ang mga fluorescent green at pulang tuldok ay kumakatawan sa mga buhay at patay na mga cell, ayon sa pagkakabanggit.Para sa paglamlam, i-incubate ang 1 ml ng pinaghalong naglalaman ng 3 µl ng SYTO-9 at 3 µl ng PI solution sa temperatura ng silid (23°C) sa madilim sa loob ng 20 minuto.Pagkatapos nito, ang mga stained sample ay na-obserbahan sa dalawang wavelength (488 nm para sa mga live na cell at 559 nm para sa mga patay na cell) gamit ang isang Nikon CLSM apparatus (C2 Plus, Nikon, Japan).Sukatin ang kapal ng biofilm sa 3-D scanning mode.
Paano mabanggit ang artikulong ito: Li, H. et al.Epekto ng Pseudomonas aeruginosa marine biofilm sa microbial corrosion ng 2707 super duplex stainless steel.agham.Bahay 6, 20190;doi:10.1038/srep20190 (2016).
Zanotto, F., Grassi, V., Balbo, A., Monticeli, C. & Zucchi, F. Stress corrosion cracking ng LDX 2101 duplex na hindi kinakalawang na asero sa mga solusyon sa klorido sa pagkakaroon ng thiosulfate.kaagnasan.ang agham.80, 205–212 (2014).
Kim, ST, Jang, SH, Lee, IS at Park, YS Epekto ng solution heat treatment at nitrogen sa shielding gas sa pitting corrosion resistance ng super duplex stainless steel welds.kaagnasan.ang agham.53, 1939–1947 (2011).
Shi, X., Avchi, R., Geyser, M. at Lewandowski, Z. Isang chemical comparative study ng microbial at electrochemical pitting sa 316L stainless steel.kaagnasan.ang agham.45, 2577–2595 (2003).
Luo H., Dong KF, Li HG at Xiao K. Electrochemical na pag-uugali ng 2205 duplex na hindi kinakalawang na asero sa mga solusyon sa alkalina sa iba't ibang mga halaga ng pH sa pagkakaroon ng klorido.electrochemistry.Talaarawan.64, 211–220 (2012).