Σας ευχαριστούμε που επισκεφτήκατε το Nature.com.Χρησιμοποιείτε μια έκδοση προγράμματος περιήγησης με περιορισμένη υποστήριξη CSS.Για την καλύτερη δυνατή εμπειρία, σας συνιστούμε να χρησιμοποιήσετε ένα ενημερωμένο πρόγραμμα περιήγησης (ή να απενεργοποιήσετε τη λειτουργία συμβατότητας στον Internet Explorer).Επιπλέον, για να διασφαλίσουμε τη συνεχή υποστήριξη, εμφανίζουμε τον ιστότοπο χωρίς στυλ και JavaScript.
Εμφανίζει ένα καρουζέλ τριών διαφανειών ταυτόχρονα.Χρησιμοποιήστε τα κουμπιά Προηγούμενο και Επόμενο για να μετακινηθείτε σε τρεις διαφάνειες κάθε φορά ή χρησιμοποιήστε τα κουμπιά ρυθμιστικού στο τέλος για να μετακινηθείτε σε τρεις διαφάνειες κάθε φορά.
Η μικροβιακή διάβρωση (MIC) είναι ένα σημαντικό πρόβλημα σε πολλές βιομηχανίες, επειδή μπορεί να οδηγήσει σε τεράστιες οικονομικές απώλειες.Το Super duplex ανοξείδωτο ατσάλι 2707 (2707 HDSS) χρησιμοποιείται σε θαλάσσια περιβάλλοντα λόγω της εξαιρετικής χημικής του αντοχής.Ωστόσο, η αντοχή του στο MIC δεν έχει αποδειχθεί πειραματικά.Αυτή η μελέτη εξέτασε τη συμπεριφορά του MIC 2707 HDSS που προκαλείται από το θαλάσσιο αερόβιο βακτήριο Pseudomonas aeruginosa.Η ηλεκτροχημική ανάλυση έδειξε ότι παρουσία του βιοφίλμ Pseudomonas aeruginosa στο μέσο 2216E, το δυναμικό διάβρωσης άλλαξε θετικά και η πυκνότητα του ρεύματος διάβρωσης αυξήθηκε.Τα αποτελέσματα της ανάλυσης φασματοσκοπίας φωτοηλεκτρονίου ακτίνων Χ (XPS) έδειξαν μείωση της περιεκτικότητας σε Cr στην επιφάνεια του δείγματος κάτω από το βιοφίλμ.Η ανάλυση των εικόνων λάκκου έδειξε ότι τα βιοφίλμ Pseudomonas aeruginosa παρήγαγαν μέγιστο βάθος λάκκου 0,69 μm μετά από 14 ημέρες καλλιέργειας.Αν και αυτό είναι μικρό, υποδηλώνει ότι το 2707 HDSS δεν είναι εντελώς άνοσο στις επιδράσεις των βιοφίλμ P. aeruginosa στο MIC.
Ο διπλός ανοξείδωτος χάλυβας (DSS) χρησιμοποιείται ευρέως σε διάφορες βιομηχανίες λόγω του τέλειου συνδυασμού εξαιρετικών μηχανικών ιδιοτήτων και αντοχής στη διάβρωση1,2.Ωστόσο, μπορεί να εμφανιστούν τοπικά σκασίματα, τα οποία μπορεί να επηρεάσουν την ακεραιότητα αυτού του χάλυβα 3, 4 .Το DSS δεν προστατεύεται από τη μικροβιακή διάβρωση (MIC)5,6.Αν και το εύρος εφαρμογής του DSS είναι πολύ ευρύ, εξακολουθούν να υπάρχουν περιβάλλοντα όπου η αντίσταση στη διάβρωση του DSS δεν επαρκεί για μακροχρόνια χρήση.Αυτό σημαίνει ότι απαιτούνται ακριβότερα υλικά με υψηλότερη αντοχή στη διάβρωση.Οι Jeon et al.7 διαπίστωσαν ότι ακόμη και ο super duplex ανοξείδωτος χάλυβας (SDSS) έχει ορισμένους περιορισμούς όσον αφορά την αντοχή στη διάβρωση.Επομένως, υπάρχει ανάγκη για super duplex ανοξείδωτους χάλυβες (HDSS) με υψηλότερη αντοχή στη διάβρωση σε ορισμένες εφαρμογές.Αυτό οδήγησε στην ανάπτυξη HDSS υψηλής κραματοποίησης.
Η αντίσταση στη διάβρωση του DSS προσδιορίζεται από την αναλογία α-φάσης προς γ-φάση και περιοχές που έχουν εξαντληθεί σε Cr, Mo και W δίπλα στις δευτερεύουσες φάσεις8,9,10.Το HDSS περιέχει υψηλή περιεκτικότητα σε Cr, Mo και N11, γεγονός που του προσδίδει εξαιρετική αντοχή στη διάβρωση και υψηλή τιμή (45-50) ισοδύναμη τιμή αντίστασης διάτρησης (PREN), η οποία ορίζεται από wt.% Cr + 3.3 (wt.% Mo + 0, 5 wt % W) + 16 wt % .Ν12.Η εξαιρετική του αντοχή στη διάβρωση εξαρτάται από μια ισορροπημένη σύνθεση που περιέχει περίπου 50% φερριτικές (α) και 50% ωστενιτικές (γ) φάσεις.Το HDSS έχει βελτιωμένες μηχανικές ιδιότητες και υψηλότερη αντοχή στο χλώριο σε σύγκριση με το συμβατικό DSS13.Χαρακτηριστικά χημικής διάβρωσης.Η βελτιωμένη αντοχή στη διάβρωση επεκτείνει τη χρήση του HDSS σε πιο επιθετικά περιβάλλοντα χλωρίου, όπως τα θαλάσσια περιβάλλοντα.
Το MIC είναι σημαντικό πρόβλημα σε πολλούς κλάδους, συμπεριλαμβανομένης της παροχής πετρελαίου και φυσικού αερίου και νερού14.Το MIC αντιπροσωπεύει το 20% όλων των ζημιών από διάβρωση15.Το MIC είναι μια βιοηλεκτροχημική διάβρωση που μπορεί να παρατηρηθεί σε πολλά περιβάλλοντα16.Ο σχηματισμός βιοφίλμ σε μεταλλικές επιφάνειες αλλάζει τις ηλεκτροχημικές συνθήκες και έτσι επηρεάζει τη διαδικασία διάβρωσης.Είναι γενικά αποδεκτό ότι η διάβρωση του MIC προκαλείται από βιομεμβράνες14.Οι ηλεκτρογονικοί μικροοργανισμοί τρώνε μέταλλα για να λάβουν ενέργεια για την επιβίωση17.Πρόσφατες μελέτες MIC έχουν δείξει ότι η EET (εξωκυτταρική μεταφορά ηλεκτρονίων) είναι ο περιοριστικός παράγοντας για το MIC που προκαλείται από ηλεκτρογονικούς μικροοργανισμούς.Οι Zhang et al.18 απέδειξαν ότι οι μεσολαβητές ηλεκτρονίων επιταχύνουν τη μεταφορά ηλεκτρονίων μεταξύ των άμιστων κυττάρων Desulfovibrio vulgaris και του ανοξείδωτου χάλυβα 304, με αποτέλεσμα πιο σοβαρή επίθεση MIC.Οι Anning et al.19 και Wenzlaff et al.20 έχουν δείξει ότι οι βιομεμβράνες διαβρωτικών βακτηρίων που μειώνουν τα θειικά (SRBs) μπορούν να απορροφήσουν ηλεκτρόνια απευθείας από μεταλλικά υποστρώματα, με αποτέλεσμα σοβαρή διάβρωση.
Το DSS είναι γνωστό ότι είναι ευαίσθητο στο MIC σε μέσα που περιέχουν SRB, βακτήρια που μειώνουν το σίδηρο (IRBs) κ.λπ. 21 .Αυτά τα βακτήρια προκαλούν εντοπισμένες κοιλότητες στην επιφάνεια του DSS κάτω από το βιοφίλμ22,23.Σε αντίθεση με το DSS, λίγα είναι γνωστά για το MIC HDSS24.
Το Pseudomonas aeruginosa είναι ένα Gram-αρνητικό, κινητικό, σε σχήμα ράβδου βακτήριο που είναι ευρέως διαδεδομένο στη φύση25.Η Pseudomonas aeruginosa είναι επίσης η κύρια μικροχλωρίδα που είναι υπεύθυνη για το MIC του χάλυβα στο θαλάσσιο περιβάλλον26.Τα είδη Pseudomonas εμπλέκονται άμεσα στις διεργασίες διάβρωσης και αναγνωρίζονται ως οι πρώτοι αποικιστές κατά το σχηματισμό βιοφίλμ27.Οι Mahat et al.28 και Yuan et al.29 έδειξε ότι το Pseudomonas aeruginosa τείνει να αυξάνει τον ρυθμό διάβρωσης του ήπιου χάλυβα και των κραμάτων σε υδάτινα περιβάλλοντα.
Ο κύριος στόχος αυτής της εργασίας είναι να μελετήσει τις ιδιότητες MIC του 2707 HDSS που προκαλείται από το θαλάσσιο αερόβιο βακτήριο Pseudomonas aeruginosa χρησιμοποιώντας ηλεκτροχημικές μεθόδους, μεθόδους ανάλυσης επιφάνειας και ανάλυση προϊόντων διάβρωσης.Πραγματοποιήθηκαν ηλεκτροχημικές μελέτες που περιλαμβάνουν δυναμικό ανοιχτού κυκλώματος (OCP), αντίσταση γραμμικής πόλωσης (LPR), φασματοσκοπία ηλεκτροχημικής σύνθετης αντίστασης (EIS) και πόλωση δυναμικού δυναμικού για τη μελέτη της συμπεριφοράς του MIC 2707 HDSS.Η ανάλυση φασματοσκοπίας διασποράς ενέργειας (EDS) πραγματοποιείται για την ανίχνευση χημικών στοιχείων σε διαβρωμένες επιφάνειες.Επιπλέον, η σταθερότητα της παθητικοποίησης του φιλμ οξειδίου υπό την επίδραση ενός θαλάσσιου περιβάλλοντος που περιέχει Pseudomonas aeruginosa προσδιορίστηκε με φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίων ακτίνων Χ (XPS).Το βάθος των κοιλοτήτων μετρήθηκε με ομοεστιακό μικροσκόπιο σάρωσης λέιζερ (CLSM).
Ο Πίνακας 1 δείχνει τη χημική σύνθεση του 2707 HDSS.Ο Πίνακας 2 δείχνει ότι το 2707 HDSS έχει εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες με αντοχή διαρροής 650 MPa.Στο σχ.1 δείχνει την οπτική μικροδομή του διαλύματος που έχει υποστεί θερμική επεξεργασία 2707 HDSS.Επιμήκεις ζώνες ωστενιτικών και φερριτικών φάσεων χωρίς δευτερεύουσες φάσεις μπορούν να φανούν σε μια μικροδομή που περιέχει περίπου 50% ωστενιτικές και 50% φερριτικές φάσεις.
Στο σχ.Το 2a δείχνει το δυναμικό ανοιχτού κυκλώματος (Eocp) σε σχέση με το χρόνο έκθεσης για 2707 HDSS σε αβιοτικό μέσο 2216E και ζωμό Pseudomonas aeruginosa για 14 ημέρες στους 37°C.Διαπιστώθηκε ότι οι πιο έντονες αλλαγές στο Eocp εμφανίστηκαν κατά τις πρώτες 24 ώρες.Οι τιμές Eocp και στις δύο περιπτώσεις κορυφώθηκαν σε περίπου -145 mV (έναντι SCE) σε περίπου 16 ώρες και στη συνέχεια έπεσαν απότομα σε -477 mV (έναντι SCE) και -236 mV (έναντι SCE) για μη βιολογικά δείγματα και P για σχετικά SCE) φύλλα πατίνας, αντίστοιχα.Μετά από 24 ώρες, η τιμή Eocp του Pseudomonas aeruginosa 2707 HDSS παρέμεινε σχετικά σταθερή στα -228 mV (σε σύγκριση με το SCE), ενώ η αντίστοιχη τιμή για το μη βιολογικό δείγμα ήταν περίπου -442 mV (σε σύγκριση με το SCE).Η Eocp παρουσία Pseudomonas aeruginosa ήταν αρκετά χαμηλή.
Ηλεκτροχημική δοκιμή 2707 δειγμάτων HDSS σε αβιοτικά μέσα και ζωμό Pseudomonas aeruginosa στους 37°C:
(α) Αλλαγή στο Eocp με το χρόνο έκθεσης, (β) καμπύλη πόλωσης την ημέρα 14, (γ) αλλαγή στο Rp με το χρόνο έκθεσης, (δ) αλλαγή στο corr με το χρόνο έκθεσης.
Ο Πίνακας 3 δείχνει τις παραμέτρους ηλεκτροχημικής διάβρωσης 2707 δειγμάτων HDSS που εκτέθηκαν σε αβιοτικά μέσα και εμβολιασμένα με P. aeruginosa μέσα σε διάστημα 14 ημερών.Η εφαπτομενική παρέκταση των ανοδικών και καθοδικών καμπυλών στο σημείο τομής επέτρεψε τον προσδιορισμό της πυκνότητας του ρεύματος διάβρωσης (icorr), του δυναμικού διάβρωσης (Ecorr) και της κλίσης Tafel (βα και βc) σύμφωνα με τις τυπικές μεθόδους30,31.
Όπως φαίνεται στο Σχήμα 2β, η προς τα πάνω μετατόπιση της καμπύλης P. aeruginosa είχε ως αποτέλεσμα αύξηση του Ecorr σε σύγκριση με την αβιοτική καμπύλη.Η τιμή icorr του δείγματος που περιέχει Pseudomonas aeruginosa, ανάλογη με το ρυθμό διάβρωσης, αυξήθηκε σε 0,328 μA cm-2, που είναι τέσσερις φορές μεγαλύτερη από αυτή του μη βιολογικού δείγματος (0,087 μA cm-2).
Το LPR είναι μια κλασική ηλεκτροχημική μέθοδος για μη καταστροφική ρητή ανάλυση της διάβρωσης.Έχει επίσης χρησιμοποιηθεί για τη μελέτη MIC32.Στο σχ.Το 2c δείχνει την αλλαγή στην αντίσταση πόλωσης (Rp) ανάλογα με το χρόνο έκθεσης.Μια υψηλότερη τιμή Rp σημαίνει λιγότερη διάβρωση.Μέσα στις πρώτες 24 ώρες, το Rp 2707 HDSS κορυφώθηκε στα 1955 kΩ cm2 για μη βιολογικά δείγματα και 1429 kΩ cm2 για τα δείγματα Pseudomonas aeruginosa.Το Σχήμα 2γ δείχνει επίσης ότι η τιμή Rp μειώθηκε γρήγορα μετά από μία ημέρα και στη συνέχεια παρέμεινε σχετικά αμετάβλητη τις επόμενες 13 ημέρες.Η τιμή Rp για το δοκίμιο Pseudomonas aeruginosa είναι περίπου 40 kΩ cm2, το οποίο είναι πολύ χαμηλότερο από την τιμή των 450 kΩ cm2 για το μη βιολογικό δείγμα δοκιμής.
Η τιμή του icorr είναι ανάλογη με τον ομοιόμορφο ρυθμό διάβρωσης.Η τιμή του μπορεί να υπολογιστεί από την ακόλουθη εξίσωση Stern-Giri:
Σύμφωνα με τους Zoe et al.33 η κλίση Tafel B ελήφθη ως τυπική τιμή 26 mV/dec σε αυτή την εργασία.Στο σχ.Το 2d δείχνει ότι το icorr του αβιοτικού στελέχους 2707 παρέμεινε σχετικά σταθερό, ενώ το icorr της ζώνης Pseudomonas aeruginosa κυμάνθηκε έντονα με ένα μεγάλο άλμα μετά τις πρώτες 24 ώρες.Η τιμή icorr του δείγματος δοκιμής Pseudomonas aeruginosa ήταν μια τάξη μεγέθους υψηλότερη από αυτή του μη βιολογικού μάρτυρα.Αυτή η τάση είναι συνεπής με τα αποτελέσματα της αντίστασης πόλωσης.
Το EIS είναι μια άλλη μη καταστροφική μέθοδος που χρησιμοποιείται για τον χαρακτηρισμό ηλεκτροχημικών αντιδράσεων σε μια διεπαφή διάβρωσης34.Φάσματα σύνθετης αντίστασης και υπολογισμοί χωρητικότητας λωρίδων που εκτίθενται σε αβιοτικά μέσα και διαλύματα Pseudomonas aeruginosa, Rb είναι η αντίσταση του παθητικού/βιοφίλμ που σχηματίζεται στην επιφάνεια της λωρίδας, Rct είναι η αντίσταση μεταφοράς φορτίου, Cdl είναι το ηλεκτρικό διπλό στρώμα.) και παραμέτρους στοιχείου σταθερής φάσης QCPE (CPE).Αυτές οι παράμετροι αναλύθηκαν περαιτέρω συγκρίνοντας τα δεδομένα με ένα μοντέλο ισοδύναμου ηλεκτρικού κυκλώματος (EEC).
Στο σχ.Το σχήμα 3 δείχνει τυπικές γραφικές παραστάσεις Nyquist (α και β) και γραφικές παραστάσεις Bode (α' και β') 2707 δειγμάτων HDSS σε αβιοτικά μέσα και ζωμό Pseudomonas aeruginosa σε διάφορους χρόνους επώασης.Παρουσία Pseudomonas aeruginosa, η διάμετρος του βρόχου Nyquist μειώνεται.Το διάγραμμα Bode (Εικ. 3b') δείχνει την αύξηση της συνολικής αντίστασης.Πληροφορίες σχετικά με τη σταθερά χρόνου χαλάρωσης μπορούν να ληφθούν από τα μέγιστα φάσης.Στο σχ.Το Σχήμα 4 δείχνει τις φυσικές δομές και την αντίστοιχη ΕΟΚ με βάση ένα μονό στρώμα (α) και δύο στρώματα (β).Το CPE εισάγεται στο μοντέλο ΕΟΚ.Η αποδοχή και η εμπέδηση του εκφράζονται ως εξής:
Δύο φυσικά μοντέλα και αντίστοιχα ισοδύναμα κυκλώματα για την προσαρμογή του φάσματος σύνθετης αντίστασης κουπονιού HDSS 2707:
Όπου Y0 είναι το μέγεθος του CPE, j είναι ο φανταστικός αριθμός ή (−1)1/2, ω είναι η γωνιακή συχνότητα και n είναι ο συντελεστής ισχύος CPE μικρότερος από ένα35.Η αναστροφή αντίστασης μεταφοράς φορτίου (δηλαδή 1/Rct) αντιστοιχεί στον ρυθμό διάβρωσης.Μια χαμηλότερη τιμή Rct σημαίνει υψηλότερο ρυθμό διάβρωσης27.Μετά από 14 ημέρες επώασης, το Rct του δείγματος δοκιμής Pseudomonas aeruginosa έφτασε τα 32 kΩ cm2, που είναι πολύ μικρότερα από τα 489 kΩ cm2 του μη βιολογικού δείγματος δοκιμής (Πίνακας 4).
Εικόνες CLSM και εικόνες SEM στην εικ.5 δείχνουν ξεκάθαρα ότι η κάλυψη βιοφίλμ στην επιφάνεια του δείγματος HDSS 2707 ήταν πολύ πυκνή μετά από 7 ημέρες.Ωστόσο, μετά από 14 ημέρες η επίστρωση βιοφίλμ έγινε αραιή και εμφανίστηκαν μερικά νεκρά κύτταρα.Ο Πίνακας 5 δείχνει το πάχος του βιοφίλμ 2707 δειγμάτων HDSS μετά από 7 και 14 ημέρες έκθεσης στο Pseudomonas aeruginosa.Το μέγιστο πάχος βιοφίλμ άλλαξε από 23,4 μm μετά από 7 ημέρες σε 18,9 μm μετά από 14 ημέρες.Το μέσο πάχος του βιοφίλμ επιβεβαίωσε επίσης αυτή την τάση.Μειώθηκε από 22,2 ± 0,7 μm μετά από 7 ημέρες σε 17,8 ± 1,0 μm μετά από 14 ημέρες.
(α) τρισδιάστατη εικόνα CLSM στις 7 ημέρες, (β) 3-Δ εικόνα CLSM στις 14 ημέρες, (γ) εικόνα SEM στις 7 ημέρες και (δ) εικόνα SEM στις 14 ημέρες.
Το EMF αποκάλυψε χημικά στοιχεία σε βιοφίλμ και προϊόντα διάβρωσης σε δείγματα που εκτέθηκαν σε Pseudomonas aeruginosa για 14 ημέρες.Στο σχ.Το Σχήμα 6 δείχνει ότι η περιεκτικότητα σε C, N, O, P στο βιοφίλμ και στα προϊόντα διάβρωσης είναι πολύ υψηλότερη από ό,τι στο καθαρό μέταλλο, καθώς αυτά τα στοιχεία συνδέονται με το βιοφίλμ και τους μεταβολίτες του.Οι μικροοργανισμοί απαιτούν μόνο ίχνη Cr και Fe.Η υψηλή περιεκτικότητα σε Cr και Fe στο βιοφίλμ και τα προϊόντα διάβρωσης στην επιφάνεια του δείγματος υποδηλώνουν την απώλεια στοιχείων στη μεταλλική μήτρα ως αποτέλεσμα της διάβρωσης.
Μετά από 14 ημέρες, λάκκους με και χωρίς P. aeruginosa παρατηρήθηκαν στο μέσο 2216Ε.Πριν από την επώαση, η επιφάνεια των δειγμάτων ήταν λεία και χωρίς ελαττώματα (Εικ. 7α).Μετά την επώαση και την απομάκρυνση του βιοφίλμ και των προϊόντων διάβρωσης, οι βαθύτερες κοιλότητες στην επιφάνεια του δείγματος εξετάστηκαν χρησιμοποιώντας CLSM, όπως φαίνεται στα Σχ. 7β και γ.Δεν βρέθηκε εμφανής κοιλότητα στην επιφάνεια του μη βιολογικού μάρτυρα (μέγιστο βάθος κοιλώματος 0,02 μm).Το μέγιστο βάθος λάκκου που προκλήθηκε από την Pseudomonas aeruginosa ήταν 0,52 μm μετά από 7 ημέρες και 0,69 μm μετά από 14 ημέρες, με βάση το μέσο μέγιστο βάθος λάκκου από 3 δείγματα (10 μέγιστα βάθη λάκκου επιλέχθηκαν για κάθε δείγμα) και έφτασε το 0,42 ± 0,12 μm .και 0,52 ± 0,15 μm, αντίστοιχα (Πίνακας 5).Αυτές οι τιμές βάθους είναι μικρές αλλά σημαντικές.
(α) πριν από την έκθεση·β) 14 ημέρες σε αβιοτικό περιβάλλον·(γ) 14 ημέρες σε ζωμό P. aeruginosa.
Στο σχ.Ο Πίνακας 8 δείχνει τα φάσματα XPS διαφόρων επιφανειών δειγμάτων και η χημεία που αναλύθηκε για κάθε επιφάνεια συνοψίζεται στον Πίνακα 6. Στον Πίνακα 6, τα ατομικά ποσοστά Fe και Cr ήταν πολύ χαμηλότερα παρουσία P. aeruginosa (δείγματα Α και Β ) παρά στις ταινίες μη βιολογικού ελέγχου.(δείγματα Γ και Δ).Για ένα δείγμα Pseudomonas aeruginosa, η φασματική καμπύλη στάθμης πυρήνα Cr 2p προσαρμόστηκε σε τέσσερις συνιστώσες κορυφής με ενέργειες δέσμευσης (BE) 574,4, 576,6, 578,3 και 586,8 eV, οι οποίες εκχωρήθηκαν σε Cr, Cr2O3, CrO3, CrO3, CrO3 3, αντίστοιχα (Εικ. 9α και β).Για μη βιολογικά δείγματα, τα φάσματα του επιπέδου του πυρήνα Cr 2p στα Σχ.9c και d περιέχουν τις δύο κύριες κορυφές του Cr (BE 573,80 eV) και του Cr2O3 (BE 575,90 eV), αντίστοιχα.Η πιο εντυπωσιακή διαφορά μεταξύ του αβιοτικού κουπονιού και του κουπονιού P. aeruginosa ήταν η παρουσία Cr6+ και ένα σχετικά υψηλό κλάσμα Cr(OH)3 (BE 586,8 eV) κάτω από το βιοφίλμ.
Φάσματα XPS ευρείας επιφάνειας 2707 δειγμάτων HDSS σε δύο μέσα για 7 και 14 ημέρες, αντίστοιχα.
(α) Έκθεση P. aeruginosa 7 ημερών, (β) έκθεση P. aeruginosa 14 ημερών, (γ) αβιοτική έκθεση 7 ημερών, (δ) αβιοτική έκθεση 14 ημερών.
Το HDSS παρουσιάζει υψηλό επίπεδο αντοχής στη διάβρωση στα περισσότερα περιβάλλοντα.Οι Kim et al.2 ανέφεραν ότι το HDSS UNS S32707 αναγνωρίστηκε ως ένα DSS υψηλής ντόπινγκ με PREN μεγαλύτερο από 45. Η τιμή PREN του δείγματος HDSS 2707 σε αυτή την εργασία ήταν 49. Αυτό οφείλεται στην υψηλή περιεκτικότητα σε Cr και στα υψηλά επίπεδα Mo και Ni, τα οποία είναι χρήσιμα σε όξινα περιβάλλοντα και περιβάλλοντα με υψηλή περιεκτικότητα σε χλωρίδια.Επιπλέον, η καλά ισορροπημένη σύνθεση και η μικροδομή χωρίς ελαττώματα παρέχουν δομική σταθερότητα και αντοχή στη διάβρωση.Παρά την εξαιρετική αντοχή στα χημικά, τα πειραματικά δεδομένα σε αυτή την εργασία δείχνουν ότι το 2707 HDSS δεν είναι πλήρως ανοσία στα MIC βιοφίλμ Pseudomonas aeruginosa.
Τα ηλεκτροχημικά αποτελέσματα έδειξαν ότι ο ρυθμός διάβρωσης του 2707 HDSS στον ζωμό Pseudomonas aeruginosa αυξήθηκε σημαντικά μετά από 14 ημέρες σε σύγκριση με το μη βιολογικό περιβάλλον.Στο Σχήμα 2α, παρατηρήθηκε μείωση του Eocp τόσο στο αβιοτικό μέσο όσο και στο ζωμό P. aeruginosa κατά τις πρώτες 24 ώρες.Μετά από αυτό, το βιοφίλμ τελειώνει καλύπτοντας την επιφάνεια του δείγματος και το Eocp γίνεται σχετικά σταθερό.Ωστόσο, το βιοτικό επίπεδο Eocp ήταν πολύ υψηλότερο από το αβιοτικό επίπεδο Eocp.Υπάρχουν λόγοι να πιστεύουμε ότι αυτή η διαφορά σχετίζεται με το σχηματισμό βιομεμβρανών P. aeruginosa.Στο σχ.2 g, η τιμή icorr του 2707 HDSS έφτασε τα 0,627 μA cm-2 παρουσία Pseudomonas aeruginosa, η οποία είναι μια τάξη μεγέθους υψηλότερη από αυτή του μη βιολογικού ελέγχου (0,063 μA cm-2), η οποία είναι σύμφωνη με την Rct τιμή μετρούμενη με EIS.Κατά τη διάρκεια των πρώτων ημερών, οι τιμές της σύνθετης αντίστασης στον ζωμό P. aeruginosa αυξήθηκαν λόγω της προσκόλλησης των κυττάρων P. aeruginosa και του σχηματισμού βιοφίλμ.Ωστόσο, η σύνθετη αντίσταση μειώνεται όταν το βιοφίλμ καλύπτει πλήρως την επιφάνεια του δείγματος.Το προστατευτικό στρώμα προσβάλλεται κυρίως λόγω του σχηματισμού βιοφίλμ και μεταβολιτών βιοφίλμ.Ως εκ τούτου, η αντοχή στη διάβρωση μειώνεται με την πάροδο του χρόνου και οι αποθέσεις Pseudomonas aeruginosa προκαλούν τοπική διάβρωση.Οι τάσεις στα αβιοτικά περιβάλλοντα είναι διαφορετικές.Η αντίσταση στη διάβρωση του μη βιολογικού μάρτυρα ήταν πολύ μεγαλύτερη από την αντίστοιχη τιμή των δειγμάτων που εκτέθηκαν στον ζωμό Pseudomonas aeruginosa.Επιπλέον, για αβιοτικά δείγματα, η τιμή Rct 2707 HDSS έφτασε τα 489 kΩ cm2 την ημέρα 14, που είναι 15 φορές υψηλότερη από την παρουσία Pseudomonas aeruginosa (32 kΩ cm2).Έτσι, το 2707 HDSS έχει εξαιρετική αντοχή στη διάβρωση σε αποστειρωμένο περιβάλλον, αλλά δεν προστατεύεται από την επίθεση MIC από το βιοφίλμ Pseudomonas aeruginosa.
Αυτά τα αποτελέσματα μπορούν επίσης να παρατηρηθούν από τις καμπύλες πόλωσης στα Σχ.2β.Η ανοδική διακλάδωση σχετίζεται με το σχηματισμό βιοφίλμ Pseudomonas aeruginosa και τις αντιδράσεις οξείδωσης μετάλλων.Ταυτόχρονα, η καθοδική αντίδραση είναι η μείωση του οξυγόνου.Η παρουσία του P. aeruginosa αύξησε σημαντικά την πυκνότητα του ρεύματος διάβρωσης, η οποία ήταν περίπου μια τάξη μεγέθους υψηλότερη από ό,τι στον αβιοτικό έλεγχο.Αυτό έδειξε ότι το βιοφίλμ Pseudomonas aeruginosa ενίσχυσε την εντοπισμένη διάβρωση του 2707 HDSS.Οι Yuan et al.29 βρήκαν ότι η πυκνότητα του ρεύματος διάβρωσης ενός κράματος Cu-Ni 70/30 αυξήθηκε από το βιοφίλμ Pseudomonas aeruginosa.Αυτό μπορεί να οφείλεται στη βιοκατάλυση της μείωσης του οξυγόνου από το βιοφίλμ Pseudomonas aeruginosa.Αυτή η παρατήρηση μπορεί επίσης να εξηγήσει το MIC 2707 HDSS σε αυτήν την εργασία.Τα αερόβια βιοφίλμ μπορούν επίσης να μειώσουν την περιεκτικότητα σε οξυγόνο από κάτω τους.Έτσι, η άρνηση επαναπαθητικοποίησης της μεταλλικής επιφάνειας με οξυγόνο μπορεί να είναι ένας παράγοντας που συμβάλλει στο MIC σε αυτή την εργασία.
Dickinson et al.38 πρότεινε ότι ο ρυθμός των χημικών και ηλεκτροχημικών αντιδράσεων εξαρτάται άμεσα από τη μεταβολική δραστηριότητα των βακτηρίων που συνδέονται στην επιφάνεια του δείγματος και από τη φύση των προϊόντων διάβρωσης.Όπως φαίνεται στο Σχήμα 5 και στον Πίνακα 5, ο αριθμός των κυττάρων και το πάχος του βιοφίλμ μειώθηκαν μετά από 14 ημέρες.Αυτό μπορεί εύλογα να εξηγηθεί από το γεγονός ότι μετά από 14 ημέρες τα περισσότερα από τα αγκυρωμένα κύτταρα στην επιφάνεια 2707 HDSS πέθαναν λόγω εξάντλησης θρεπτικών στοιχείων στο μέσο 2216E ή απελευθέρωσης τοξικών μεταλλικών ιόντων από τη μήτρα 2707 HDSS.Αυτός είναι ένας περιορισμός των πειραμάτων παρτίδας.
Σε αυτή την εργασία, ένα βιοφίλμ Pseudomonas aeruginosa προώθησε την τοπική εξάντληση του Cr και του Fe κάτω από το βιοφίλμ στην επιφάνεια του 2707 HDSS (Εικ. 6).Στον Πίνακα 6, ο Fe και ο Cr μειώθηκαν στο δείγμα D σε σύγκριση με το δείγμα C, υποδεικνύοντας ότι η διάλυση Fe και Cr που προκλήθηκε από το βιοφίλμ P. aeruginosa διατηρήθηκε μετά τις πρώτες 7 ημέρες.Το περιβάλλον 2216E χρησιμοποιείται για την προσομοίωση του θαλάσσιου περιβάλλοντος.Περιέχει 17700 ppm Cl-, που είναι συγκρίσιμο με την περιεκτικότητά του στο φυσικό θαλασσινό νερό.Η παρουσία 17700 ppm Cl- ήταν ο κύριος λόγος για τη μείωση του Cr σε μη βιολογικά δείγματα 7 ημερών και 14 ημερών που αναλύθηκαν με XPS.Σε σύγκριση με το δείγμα δοκιμής Pseudomonas aeruginosa, η διάλυση του Cr στο αβιοτικό δείγμα δοκιμής οφείλεται πολύ λιγότερο στην ισχυρή αντίσταση του 2707 HDSS στο χλώριο στο αβιοτικό περιβάλλον.Στο σχ.9 δείχνει την παρουσία του Cr6+ στο παθητικό φιλμ.Αυτό μπορεί να σχετίζεται με την αφαίρεση του Cr από τις επιφάνειες του χάλυβα με βιομεμβράνες P. aeruginosa, όπως προτείνουν οι Chen και Clayton39.
Λόγω της βακτηριακής ανάπτυξης, οι τιμές pH του μέσου πριν και μετά την επώαση ήταν 7,4 και 8,2, αντίστοιχα.Έτσι, η διάβρωση των οργανικών οξέων είναι απίθανο να συνεισφέρει σε αυτή την εργασία με βιομεμβράνες P. aeruginosa λόγω του σχετικά υψηλού pH στο χύμα μέσο.Το pH του μέσου μη βιολογικού ελέγχου δεν άλλαξε σημαντικά (από το αρχικό 7,4 στο τελικό 7,5) κατά τη διάρκεια της περιόδου δοκιμής των 14 ημερών.Η αύξηση του pH στο μέσο εμβολιασμού μετά την επώαση συνδέθηκε με τη μεταβολική δραστηριότητα του Pseudomonas aeruginosa και η ίδια επίδραση στο pH βρέθηκε απουσία της δοκιμαστικής ταινίας.
Όπως φαίνεται στο σχ.7, το μέγιστο βάθος λάκκου που προκλήθηκε από το βιοφίλμ Pseudomonas aeruginosa ήταν 0,69 μm, το οποίο είναι σημαντικά μεγαλύτερο από ό,τι στο αβιοτικό μέσο (0,02 μm).Αυτό συμφωνεί με τα παραπάνω ηλεκτροχημικά δεδομένα.Υπό τις ίδιες συνθήκες, το βάθος λάκκου των 0,69 µm είναι περισσότερο από δέκα φορές μικρότερο από την τιμή των 9,5 μm που καθορίζεται για το 2205 DSS40.Αυτά τα δεδομένα δείχνουν ότι το 2707 HDSS παρουσιάζει καλύτερη αντίσταση στα MIC από το 2205 DSS.Αυτό δεν αποτελεί έκπληξη, καθώς το 2707 HDSS έχει υψηλότερο επίπεδο Cr, το οποίο επιτρέπει μεγαλύτερη παθητικοποίηση, καθιστά πιο δύσκολη την αποπαθητοποίηση του Pseudomonas aeruginosa και ξεκινά τη διαδικασία χωρίς επιβλαβή δευτερεύουσα κατακρήμνιση Pitting41.
Συμπερασματικά, η διάτρηση MIC βρέθηκε σε 2707 επιφάνειες HDSS σε ζωμό Pseudomonas aeruginosa, ενώ η διάνοιξη ήταν αμελητέα σε αβιοτικά μέσα.Αυτή η εργασία δείχνει ότι το 2707 HDSS έχει καλύτερη αντίσταση στο MIC από το 2205 DSS, αλλά δεν είναι εντελώς άνοσο στο MIC λόγω του βιοφίλμ Pseudomonas aeruginosa.Αυτά τα αποτελέσματα βοηθούν στην επιλογή των κατάλληλων ανοξείδωτων χάλυβων και στο προσδόκιμο ζωής για το θαλάσσιο περιβάλλον.
Τα 2707 δείγματα HDSS παρασχέθηκαν από τη Σχολή Μεταλλουργίας, Πανεπιστήμιο Northeastern (NEU), Shenyang, Κίνα.Η στοιχειακή σύνθεση του 2707 HDSS φαίνεται στον Πίνακα 1, ο οποίος αναλύθηκε από το Τμήμα Ανάλυσης και Δοκιμών Υλικών του Πανεπιστημίου Northeastern.Όλα τα δείγματα υποβλήθηκαν σε επεξεργασία για στερεό διάλυμα στους 1180°C για 1 ώρα.Πριν από τη δοκιμή διάβρωσης, ο χάλυβας κερμάτων HDSS 2707 με εκτεθειμένη επιφάνεια 1 cm2 γυαλίστηκε σε 2000 grit με γυαλόχαρτο καρβιδίου του πυριτίου και στη συνέχεια γυαλίστηκε περαιτέρω με πολτό σε σκόνη Al2O3 0,05 μm.Τα πλαϊνά και το κάτω μέρος προστατεύονται με αδρανές χρώμα.Μετά την ξήρανση, τα δείγματα πλύθηκαν με στείρο απιονισμένο νερό και αποστειρώθηκαν με 75% (ο/ο) αιθανόλη για 0,5 ώρα.Στη συνέχεια στέγνωσαν στον αέρα κάτω από υπεριώδες φως (UV) για 0,5 ώρα πριν από τη χρήση.
Το θαλάσσιο στέλεχος Pseudomonas aeruginosa MCCC 1A00099 αγοράστηκε από την Xiamen Marine Culture Collection (MCCC), Κίνα.Το υγρό μέσο Marine 2216E (Qingdao Hope Biotechnology Co., Ltd., Qingdao, Κίνα) χρησιμοποιήθηκε για την καλλιέργεια Pseudomonas aeruginosa σε φιάλες των 250 ml και ηλεκτροχημικά γυάλινα κύτταρα 500 ml υπό αερόβιες συνθήκες στους 37°C.Το μέσο περιέχει (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, 0,02, SrCl2, 0,02,3004 0,008, 0,008 Na4F0H20PO.1,0 εκχύλισμα μαγιάς και 0,1 κιτρικό σίδηρο.Φυλάξτε σε αυτόκλειστο στους 121 °C για 20 λεπτά πριν από τον εμβολιασμό.Τα άμισχα και πλαγκτονικά κύτταρα μετρήθηκαν κάτω από μικροσκόπιο φωτός χρησιμοποιώντας αιμοκυτταρόμετρο σε μεγέθυνση 400x.Η αρχική συγκέντρωση των πλαγκτονικών κυττάρων P. aeruginosa αμέσως μετά τον ενοφθαλμισμό ήταν περίπου 106 κύτταρα/mL.
Πραγματοποιήθηκαν ηλεκτροχημικές δοκιμές σε κλασικό γυάλινο στοιχείο τριών ηλεκτροδίων με μέσο όγκο 500 ml.Ένα φύλλο πλατίνας και ένα κορεσμένο ηλεκτρόδιο καλομέλας (SCE) συνδέθηκαν στον αντιδραστήρα μέσω ενός τριχοειδούς σωλήνα Luggin γεμάτο με μια γέφυρα αλατιού και χρησίμευαν ως ηλεκτρόδια μετρητή και αναφοράς, αντίστοιχα.Για τη δημιουργία του ηλεκτροδίου εργασίας, σύρμα χαλκού επικαλυμμένο με καουτσούκ προσαρτήθηκε σε κάθε δείγμα και επικαλύφθηκε με εποξειδικό, αφήνοντας περίπου 1 cm2 επιφάνειας στη μία πλευρά για το ηλεκτρόδιο εργασίας.Κατά τη διάρκεια των ηλεκτροχημικών μετρήσεων, τα δείγματα τοποθετήθηκαν στο μέσο 2216E και διατηρήθηκαν σε σταθερή θερμοκρασία επώασης (37°C) σε λουτρό νερού.Τα δεδομένα OCP, LPR, EIS και πιθανής δυναμικής πόλωσης μετρήθηκαν χρησιμοποιώντας ποτενσιοστάτη Autolab (Reference 600TM, Gamry Instruments, Inc., USA).Οι δοκιμές LPR καταγράφηκαν με ρυθμό σάρωσης 0,125 mV s-1 στην περιοχή -5 και 5 mV και Eocp με ρυθμό δειγματοληψίας 1 Hz.Το EIS πραγματοποιήθηκε σε σταθερή κατάσταση Eocp χρησιμοποιώντας μια εφαρμοζόμενη τάση 5 mV με ένα ημιτονοειδές σε ένα εύρος συχνοτήτων από 0,01 έως 10.000 Hz.Πριν από τη σάρωση δυναμικού, τα ηλεκτρόδια ήταν σε λειτουργία ανοιχτού κυκλώματος έως ότου επιτευχθεί ένα σταθερό δυναμικό ελεύθερης διάβρωσης 42.Με.Κάθε δοκιμή επαναλήφθηκε τρεις φορές με και χωρίς Pseudomonas aeruginosa.
Τα δείγματα για μεταλλογραφική ανάλυση γυαλίστηκαν μηχανικά με υγρό SiC χαρτί 2000 grit και στη συνέχεια στιλβώθηκαν με πολτό σκόνης 0,05 μm Al2O3 για οπτική παρατήρηση.Η μεταλλογραφική ανάλυση πραγματοποιήθηκε με τη χρήση οπτικού μικροσκοπίου.Το δείγμα χαράχθηκε με διάλυμα υδροξειδίου του καλίου 10% κατά βάρος43.
Μετά την επώαση, πλύνετε 3 φορές με φυσιολογικό ορό ρυθμισμένο με φωσφορικά (PBS) (pH 7,4 ± 0,2) και στη συνέχεια στερεώστε με 2,5% (v/v) γλουταραλδεΰδη για 10 ώρες για να σταθεροποιηθεί το βιοφίλμ.Επακόλουθη αφυδάτωση με αιθανόλη σε σειρά βαθμίδων (50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95% και 100% κατ' όγκο) πριν από την ξήρανση στον αέρα.Τέλος, ένα φιλμ χρυσού διασκορπίστηκε στην επιφάνεια του δείγματος για να παρέχει αγωγιμότητα για παρατήρηση SEM44.Οι εικόνες SEM εστιάζονται στη θέση με τα πιο εγκατεστημένα κύτταρα P. aeruginosa στην επιφάνεια κάθε δείγματος.Πραγματοποιήθηκε ανάλυση EMF για την ανίχνευση χημικών στοιχείων.Για τη μέτρηση του βάθους του λάκκου, χρησιμοποιήθηκε ένα ομοεστιακό μικροσκόπιο σάρωσης λέιζερ Zeiss (CLSM) (LSM 710, Zeiss, Γερμανία).Για την παρατήρηση κοιλοτήτων διάβρωσης κάτω από το βιοφίλμ, το δείγμα δοκιμής καθαρίστηκε πρώτα σύμφωνα με το Κινεζικό Εθνικό Πρότυπο (CNS) GB/T4334.4-2000 για να αφαιρεθούν τα προϊόντα διάβρωσης και το βιοφίλμ από την επιφάνεια του δείγματος δοκιμής.
Ανάλυση φασματοσκοπίας φωτοηλεκτρονίων ακτίνων Χ (XPS, ESCALAB250 Surface Analysis System, Thermo VG, ΗΠΑ) με χρήση μονοχρωματικής πηγής ακτίνων Χ (γραμμή Al Ka με ενέργεια 1500 eV και ισχύ 150 W) σε ένα ευρύ φάσμα ενεργειών δέσμευσης 0 κάτω από τις τυπικές συνθήκες των –1350 eV.Καταγράψτε φάσματα υψηλής ανάλυσης χρησιμοποιώντας ενέργεια διέλευσης 50 eV και μέγεθος βήματος 0,2 eV.
Αφαιρέστε το επωασμένο δείγμα και πλύνετε απαλά με PBS (pH 7,4 ± 0,2) για 15 s45.Για να παρατηρηθεί η βακτηριακή βιωσιμότητα του βιοφίλμ στο δείγμα, το βιοφίλμ χρωματίστηκε χρησιμοποιώντας το κιτ Βακτηριακής βιωσιμότητας LIVE/DEAD BacLight (Invitrogen, Eugene, OR, USA).Το κιτ περιέχει δύο φθορίζουσες βαφές: SYTO-9 πράσινη φθορίζουσα βαφή και ιωδιούχο προπίδιο (PI) κόκκινη φθορίζουσα βαφή.Στο CLSM, οι φθορίζουσες πράσινες και κόκκινες κουκκίδες αντιπροσωπεύουν ζωντανά και νεκρά κύτταρα, αντίστοιχα.Για χρώση, επωάστε 1 ml μείγματος που περιέχει 3 μl SYTO-9 και 3 μl διαλύματος PI σε θερμοκρασία δωματίου (23°C) στο σκοτάδι για 20 λεπτά.Μετά από αυτό, τα χρωματισμένα δείγματα παρατηρήθηκαν σε δύο μήκη κύματος (488 nm για ζωντανά κύτταρα και 559 nm για νεκρά κύτταρα) χρησιμοποιώντας μια συσκευή Nikon CLSM (C2 Plus, Nikon, Japan).Μετρήστε το πάχος του βιοφίλμ σε λειτουργία σάρωσης 3-D.
Πώς να αναφέρετε αυτό το άρθρο: Li, H. et al.Επίδραση του θαλάσσιου βιοφίλμ Pseudomonas aeruginosa στη μικροβιακή διάβρωση του ανοξείδωτου χάλυβα super duplex 2707.επιστήμη.Σπίτι 6, 20190;doi:10.1038/srep20190 (2016).
Zanotto, F., Grassi, V., Balbo, A., Monticelli, C. & Zucchi, F. Σπάσιμο από διάβρωση λόγω καταπόνησης του διπλού ανοξείδωτου χάλυβα LDX 2101 σε διαλύματα χλωρίου παρουσία θειοθειικού.διάβρωση.η επιστήμη.80, 205–212 (2014).
Kim, ST, Jang, SH, Lee, IS and Park, YS Επίδραση της θερμικής επεξεργασίας διαλύματος και του αζώτου σε προστατευτικό αέριο στην αντίσταση διάβρωσης των οπών των συγκολλήσεων από ανοξείδωτο χάλυβα σούπερ διπλής όψης.διάβρωση.η επιστήμη.53, 1939–1947 (2011).
Shi, X., Avchi, R., Geyser, M. and Lewandowski, Z. Μια χημική συγκριτική μελέτη μικροβιακών και ηλεκτροχημικών κοιλοτήτων σε ανοξείδωτο χάλυβα 316L.διάβρωση.η επιστήμη.45, 2577–2595 (2003).
Luo H., Dong KF, Li HG και Xiao K. Ηλεκτροχημική συμπεριφορά από ανοξείδωτο χάλυβα 2205 duplex σε αλκαλικά διαλύματα σε διάφορες τιμές pH παρουσία χλωρίου.ηλεκτροχημεία.Εφημερίδα.64, 211–220 (2012).
Ώρα δημοσίευσης: Ιαν-09-2023