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Jul 19, 2023

Mikrobiologisch beeinflusste Korrosion von 2707 Hyper

Scientific Reports Band 6, Artikelnummer: 20190 (2016) Diesen Artikel zitieren 6601 Zugriffe 108 Zitate 6 Details zu altmetrischen Metriken Mikrobiologisch beeinflusste Korrosion (MIC) ist ein ernstes Problem in

Scientific Reports Band 6, Artikelnummer: 20190 (2016) Diesen Artikel zitieren

6601 Zugriffe

108 Zitate

6 Altmetrisch

Details zu den Metriken

Mikrobiologisch beeinflusste Korrosion (MIC) ist in vielen Branchen ein ernstes Problem, da sie enorme wirtschaftliche Verluste verursacht. Aufgrund seiner hervorragenden Beständigkeit gegen chemische Korrosion wurde 2707 Hyper-Duplex-Edelstahl (2707 HDSS) in der Meeresumwelt verwendet. Die Resistenz gegenüber MIC wurde jedoch nicht experimentell nachgewiesen. In dieser Studie wurde das MIC-Verhalten von 2707 HDSS untersucht, das durch den marinen Aerobier Pseudomonas aeruginosa verursacht wird. Elektrochemische Analysen zeigten eine positive Verschiebung des Korrosionspotentials und einen Anstieg der Korrosionsstromdichte in Gegenwart des P. aeruginosa-Biofilms im 2216E-Medium. Die Analyseergebnisse der Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) zeigten eine Abnahme des Cr-Gehalts auf der Couponoberfläche unter dem Biofilm. Die Analyse der Grubenbildgebung zeigte, dass der P. aeruginosa-Biofilm innerhalb von 14 Tagen Inkubation eine größte Grubentiefe von 0,69 μm verursachte. Obwohl dies recht gering war, deutete es darauf hin, dass 2707 HDSS nicht vollständig gegen MIC durch den P. aeruginosa-Biofilm immun war.

Duplex-Edelstahl (DSS) wird aufgrund seiner wünschenswerten Kombination aus hervorragenden mechanischen Eigenschaften und Korrosionsbeständigkeit in verschiedenen Branchen häufig verwendet1,2. Es kann jedoch immer noch zu lokaler Lochfraßkorrosion kommen, die die Integrität dieser Stahlsorte beeinträchtigt3,4. DSS ist nicht immun gegen mikrobiologisch beeinflusste Korrosion (MIC)5,6. Trotz eines sehr breiten Anwendungsspektrums für DSS gibt es immer noch Umgebungen, in denen die Korrosionsbeständigkeit von DSS für den Langzeitbetrieb unzureichend ist. Dies bedeutet, dass teurere Materialien mit höherer Korrosionsbeständigkeit benötigt werden. Jeon et al.7 fanden heraus, dass selbst Super-Duplex-Edelstähle (SDSS) gewisse Grenzen in der Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Daher werden in einigen Anwendungen Hyperduplex-Edelstähle (HDSS) mit höherer Korrosionsbeständigkeit benötigt. Dies führte zur Entwicklung hochlegierter HDSS.

Die Korrosionsbeständigkeit von DSS wird durch das Verhältnis der α-Phase und der γ-Phase sowie durch die an Cr, Mo und W verarmten Bereiche bestimmt, die an die Sekundärphasen angrenzen8,9,10. HDSS enthält hohe Anteile an Cr, Mo und N11, was zu einer hervorragenden Korrosionsbeständigkeit und einem hohen Wert (45–50) der Lochfraß-Widerstandsäquivalentzahl (PREN) führt, die aus Gew.-% Cr + 3,3 (Gew.-% Mo) berechnet wird + 0,5 Gew.% W) + 16 Gew.% N12. Seine hervorragenden Korrosionsbeständigkeitseigenschaften beruhen auf einer ausgewogenen Zusammensetzung mit etwa 50 % Ferrit- (α) und 50 % Austenit- (γ) Phasen, die HDSS verbesserte mechanische Eigenschaften und eine höhere Chlorid-Korrosionsbeständigkeit im Vergleich zu herkömmlichem DSS13 bieten. Die verbesserte Korrosionsbeständigkeit erweitert den Einsatz von HDSS in aggressiveren Chloridumgebungen, beispielsweise in Meeresumgebungen.

MIC ist in vielen Branchen wie der Öl- und Gasindustrie sowie der Wasserversorgung ein großes Problem14. MIC ist für 20 % aller Korrosionsschäden verantwortlich15. MIC ist eine bioelektrochemische Korrosion, die in vielen Umgebungen beobachtet werden kann16. Auf einer Metalloberfläche gebildete Biofilme verändern die elektrochemischen Bedingungen und beeinflussen somit die Korrosionsprozesse. Es ist allgemein anerkannt, dass MIC-Korrosion durch Biofilme verursacht wird14. Elektrogene Mikroben korrodieren Metalle, um Erhaltungsenergie zum Überleben zu gewinnen17. Die jüngste MIC-Forschung legt nahe, dass EET (extrazellulärer Elektronentransfer) ein geschwindigkeitsbestimmender Faktor bei MIC ist, die durch elektrogene Mikroben verursacht wird. Zhang et al.18 zeigten, dass ein Elektronenmediator den Elektronentransfer zwischen sessilen Desulfovibrio vulgaris-Zellen und Edelstahl 304 beschleunigte, was zu einem viel schwerwiegenderen MIC-Angriff führte. Enning et al.19 und Venzlaff et al.20 zeigten, dass ein korrosiver Biofilm aus sulfatreduzierenden Bakterien (SRB) in der Lage war, Elektronen direkt aus der Metallmatrix aufzunehmen, was zu schwerer Lochfraßkorrosion führte.

Es ist bekannt, dass DSS in Umgebungen, die SRB, eisenreduzierende Bakterien (IRB) usw. enthalten, anfällig für MIC ist21. Diese Bakterien verursachen lokalisierte Lochfraßkorrosion auf DSS-Oberflächen unter Biofilmen22,23. Im Gegensatz zu DSS ist über das MIC von HDSS24 nur sehr wenig bekannt.

Pseudomonas aeruginosa ist ein gramnegatives bewegliches Stäbchenbakterium, das in der Natur weit verbreitet ist25. P. aeruginosa ist auch eine vorherrschende Gruppe von Mikroorganismen in Meeresumgebungen, die MIC bei Stählen verursachen26. Die Gattung Pseudomonas ist eng an Korrosionsprozessen beteiligt und gilt als Pionierbesiedler im Prozess der Biofilmbildung27. Mahat et al.28 und Yuan et al.29 zeigten, dass P. aeruginosa dazu neigt, die Korrosionsraten von Weichstählen und Legierungen in Gewässern zu erhöhen.

Das Hauptziel dieser Arbeit war die Untersuchung der MIC-Eigenschaften von 2707 HDSS, die durch den marinen Aerobier P. aeruginosa verursacht werden, mithilfe elektrochemischer Methoden, Oberflächenanalysetechniken und Korrosionsproduktanalysen. Elektrochemische Studien, einschließlich Leerlaufpotential (OCP), linearer Polarisationswiderstand (LPR), elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) und potenzielle dynamische Polarisation, wurden durchgeführt, um das MIC-Verhalten von 2707 HDSS zu untersuchen. Die energiedispersive Spektrometeranalyse (EDS) wurde durchgeführt, um die chemischen Elemente auf der korrodierten Oberfläche zu finden. Darüber hinaus wurde die Analyse der Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) verwendet, um die Stabilität der Oxidfilmpassivität unter dem Einfluss einer Meeresumgebung, die P. aeruginosa enthält, zu bestimmen. Die Grubentiefe wurde unter einem konfokalen Laser-Scanning-Mikroskop (CLSM) gemessen.

Tabelle 1 listet die chemische Zusammensetzung von 2707 HDSS auf. Tabelle 2 zeigt, dass 2707 HDSS hervorragende mechanische Eigenschaften mit einer Streckgrenze von 650 MPa aufweist. Abbildung 1 zeigt die optischen Mikrostrukturen des lösungsgeglühten 2707 HDSS. In der Mikrostruktur, die etwa 50 % Austenit- und 50 % Ferritphasen enthält, sind längliche Bänder aus Austenit- und Ferritphasen ohne Sekundärphasen zu erkennen.

Mikrostruktur von 2707 HDSS:

(A) Ferrit und (B) Austenit.

Abbildung 2a zeigt Daten zum Leerlaufpotential (Eocp) im Vergleich zur Expositionszeit für 2707 HDSS im abiotischen 2216E-Medium und in der P. aeruginosa-Brühe bei 37 °C für 14 Tage. Es zeigt sich, dass die größte und bedeutendste Variation des Eocp in den ersten 24 Stunden auftrat. Die Eocp-Werte erreichten in beiden Fällen nach etwa 16 Stunden ihren Höhepunkt bei etwa –145 mV (gegenüber SCE) und fielen dann stark ab und erreichten –477 mV (gegenüber SCE) und –236 mV (gegenüber SCE) für den abiotischen Coupon und den P . Aeruginosa-Gutschein. Nach 24 Stunden blieb der Eocp-Wert von 2707 HDSS für den P. aeruginosa-Coupon relativ stabil bei –228 mV (vs. SCE), während der entsprechende Wert für den abiotischen Coupon etwa –442 mV (vs. SCE) betrug. Der Eocp war in Gegenwart von P. aeruginosa deutlich niedriger.

Elektrochemische Tests für 2707 HDSS-Coupons im abiotischen Medium und in der P. aeruginosa-Brühe bei 37 °C:

(a) Variation von Eocp mit der Expositionszeit, (b) Polarisationskurven am 14. Tag, (c) Variation von Rp mit der Expositionszeit und (d) Variation von icorr mit der Expositionszeit.

Die Werte der elektrochemischen Korrosionsparameter von 2707 HDSS-Coupons nach 14-tägiger Exposition im abiotischen Medium sowie im mit P. aeruginosa inokulierten Medium sind in Tabelle 3 aufgeführt. Die Tangentiallinien der anodischen und kathodischen Kurven wurden extrapoliert, um eine zu erreichen Schnittpunkt zur Ermittlung der Korrosionsstromdichte (icorr), des Korrosionspotentials (Ecorr) und der Tafel-Steigungen (βα und βc) gemäß dem Standardansatz30,31.

Wie in Abbildung 2b dargestellt, verschoben sich die P. aeruginosa-Kurven im Vergleich zu den abiotischen Kurven nach oben, was zu einem Anstieg von Ecorr führte. Der Icorr-Wert, der direkt proportional zur Korrosionsrate war, stieg auf 0,328 μA cm-2 für den P. aeruginosa-Teststreifen und war damit viermal höher als der für den abiotischen Teststreifen (0,087 μA cm-2).

LPR ist eine klassische elektrochemische Methode zur schnellen und zerstörungsfreien Korrosionsanalyse. Es wird auch zur Untersuchung von MIC32 verwendet. Abbildung 2c zeigt die Variation des Polarisationswiderstands (Rp) als Funktion der Belichtungszeit. Ein höherer Rp-Wert bedeutet weniger Korrosion. Während der ersten 24 Stunden erreichte der Rp von 2707 HDSS einen Maximalwert von 1955 kΩ cm2 für den abiotischen Coupon und 1429 kΩ cm2 für den P. aeruginosa Coupon. Abbildung 2c zeigt auch, dass der Rp-Wert nach einem Tag schnell abfiel und dann für die nächsten 13 Tage relativ unverändert blieb. Der Rp-Wert für den P. aeruginosa-Coupon lag bei etwa 40 kΩ cm2, viel niedriger als der 450 kΩ cm2-Wert für den abiotischen Coupon.

Der Icorr-Wert ist direkt proportional zur gleichmäßigen Korrosionsrate. Sein Wert kann aus der folgenden Stern-Geary-Gleichung berechnet werden:

In Anlehnung an Zou et al.33 wurde für die Tafel-Steigung B in dieser Arbeit ein typischer Wert von 26 mV/Dez angenommen. Abbildung 2d zeigt, dass icorr für den abiotischen 2707-Coupon relativ stabil blieb, während er für den P. aeruginosa-Coupon erheblich schwankte, der nach den ersten 24 Stunden einen großen Sprung aufwies. Der Icorr-Wert für den P. aeruginosa-Coupon war eine Größenordnung höher als der der abiotischen Kontrolle. Dieser Trend stimmte mit dem Ergebnis des Polarisationswiderstands überein.

EIS ist eine weitere zerstörungsfreie Technik zur Charakterisierung elektrochemischer Reaktionen an einer Korrosionsgrenzfläche34. Impedanzspektren und berechnete Kapazitätswerte von Coupons, die dem abiotischen Medium und der P. aeruginosa-Lösung ausgesetzt sind, Rb der Widerstand des auf der Couponoberfläche gebildeten Passivfilms/Biofilms, Rct der Ladungsübertragungswiderstand, Cdl die Kapazität der elektrischen Doppelschicht (EDL). ) und QCPE der Parameter des Konstantphasenelements (CPE). Diese Parameter wurden weiter analysiert, indem die Daten mit einem äquivalenten Stromkreismodell (EEC) angepasst wurden.

Abbildung 3 zeigt die typischen Nyquist-Diagramme (a und b) und Bode-Diagramme (a‘ und b‘) bei unterschiedlichen Inkubationszeiten für 2707 HDSS-Coupons im abiotischen Medium und in der P. aeruginosa-Brühe. Die Durchmesser der Nyquist-Schleifen nahmen in Gegenwart von P. aeruginosa ab. Das Bode-Diagramm (Abbildung 3b′) zeigt einen Anstieg der Gesamtimpedanzgrößen. Die Information über die Relaxationszeitkonstanten kann durch die Phasenmaxima gegeben werden. Abbildung 4 zeigt die physikalische Struktur und die entsprechenden EECs basierend auf einer Einzelschicht (a) und einer Doppelschicht (b). CPE wurde in die EEC-Modelle eingeführt. Seine Admittanz bzw. Impedanz werden unten ausgedrückt:

Die Nyquist- und Bode-Diagramme von 2707 HDSS-Coupons mit und ohne Exposition gegenüber P. aeruginosa:

(a,a′) 2707 HDSS im abiotischen Medium und (b,b′) 2707 HDSS in der P. aeruginosa-Brühe.

Zwei physikalische Modelle und die entsprechenden Ersatzschaltkreise, die zur Anpassung der Impedanzspektren von 2707 HDSS-Coupons verwendet werden:

(a) im abiotischen Medium und (b) in der P. aeruginosa-Brühe.

Dabei ist Y0 die Größe des CPE, j die imaginäre Zahl oder (−1)1/2, ω die Kreisfrequenz und n der CPE-Leistungsindex, der kleiner als eins ist35. Der Kehrwert des Ladungsübertragungswiderstands (dh 1/Rct) entspricht der Korrosionsrate. Ein kleinerer Rct bedeutet eine schnellere Korrosionsrate27. Nach 14 Tagen Inkubation erreichte der Rct des P. aeruginosa-Coupons 32 kΩ cm2, viel weniger als die 489 kΩ cm2 des abiotischen Coupons (Tabelle 4).

Die CLSM-Bilder und SEM-Bilder in Abbildung 5 zeigen deutlich, dass die Biofilmbedeckung auf der 2707 HDSS-Coupon-Oberfläche nach 7 Tagen dicht war. Nach 14 Tagen war die Biofilmbedeckung jedoch spärlich und es traten einige tote Zellen auf. Tabelle 5 zeigt die Biofilmdicke auf dem 2707 HDSS-Coupon nach 7- und 14-tägiger Exposition gegenüber P. aeruginosa. Die größte Biofilmdicke veränderte sich von 23,4 μm nach 7 Tagen auf 18,9 μm nach 14 Tagen. Auch die durchschnittliche Biofilmdicke bestätigte den Trend. Sie sank von 22,2 ± 0,7 μm nach 7 Tagen auf 17,8 ± 1,0 μm nach 14 Tagen.

Die Morphologie von P. aeruginosa-Biofilmen auf Coupon-Oberflächen:

(a) das 3D-CLSM-Bild nach 7 Tagen, (b) das 3D-CLSM-Bild nach 14 Tagen, (c) das SEM-Bild nach 7 Tagen und (d) das SEM-Bild nach 14 Tagen.

Chemische Elemente im Biofilm und Korrosionsprodukte auf dem Probestück, das 14 Tage lang P. aeruginosa ausgesetzt war, wurden durch EDS entdeckt. Abbildung 6 zeigt, dass die Mengen an C, N, O, P im Biofilm und in den Korrosionsprodukten viel höher waren als im blanken Metall, da diese Elemente mit dem Biofilm und seinen Stoffwechselprodukten verbunden waren. Cr und Fe werden von Mikroorganismen nur in Spuren benötigt. Der hohe Gehalt an Cr und Fe im Biofilm und die Korrosionsprodukte auf der Oberfläche des Probekörpers deuten auf einen Verlust der Elemente durch die Metallmatrix aufgrund von Korrosion hin.

Ergebnisse der EDS-Analyse der 2707 HDSS-Oberfläche nach 14-tägiger Exposition gegenüber P. aeruginosa.

Im 2216E-Medium wurde nach 14 Tagen Lochfraß mit und ohne P. aeruginosa beobachtet. Vor der Inkubation waren die Couponoberflächen glatt und wiesen keine Defekte auf (Abbildung 7a). Nach der Inkubation und Entfernung des Biofilms und der Korrosionsprodukte wurden die tiefsten Vertiefungen auf den Probenoberflächen unter CLSM untersucht, wie in Abbildung 7b und c dargestellt. Auf der Oberfläche der abiotischen Kontrollproben wurden keine nennenswerten Grübchen gefunden (größte Grübchentiefe 0,02 μm). Die größte durch P. aeruginosa verursachte Grübchentiefe betrug 0,52 μm nach 7 Tagen und 0,69 μm nach 14 Tagen und die durchschnittliche größte Grübchentiefe basierend auf 3 Coupons (mit den 10 größten Grübchentiefenwerten pro ausgewähltem Coupon) erreichte 0,42 ± 0,12 μm und 0,52 ± 0,15 μm (Tabelle 5). Diese Grubentiefenwerte waren gering, aber signifikant.

CLSM-Analyse von Vertiefungen auf Coupon-Oberflächen:

(a) vor der Exposition, (b) 14 Tage lang im abiotischen Medium und (c) 14 Tage lang in der P. aeruginosa-Brühe.

Abbildung 8 zeigt die XPS-Spektren verschiedener Probenoberflächen und die chemische Zusammensetzung jeder Oberflächenanalyse ist in Tabelle 6 zusammengefasst. In Tabelle 6 waren die Atomprozentsätze von Fe und Cr in Gegenwart von P. aeruginosa (Proben A und B) hoch niedriger als die für die abiotischen Kontrollcoupons (Proben C und D). Für die P. aeruginosa-Coupons wurde das Cr 2p-Kernspektrum durch eine Kurve in vier Peakkomponenten bei Bindungsenergiewerten (BE) von 574,4, 576,6, 578,3 und 586,8 eV angepasst, die Cr, Cr2O3, CrO3 und Cr zuzuordnen waren (OH)3 (Abbildung 9a und b). Für die abiotischen Coupons enthielt das Cr 2p-Kernspektrum zwei dominante Peaks für Cr (BE bei 573,80 eV) und Cr2O3 (BE bei 575,90 eV) in Abbildung 9c bzw. d. Der auffälligste Unterschied zwischen den abiotischen Coupons und den P. aeruginosa-Coupons war das Vorhandensein von Cr6+ unter dem Biofilm und einem höheren relativen Anteil von Cr(OH)3 (BE bei 586,8 eV).

Die breiten XPS-Spektren für die Oberflächen von 2707 HDSS-Coupons in beiden Medien für 7 bzw. 14 Tage.

Die hochauflösenden XPS-Spektren von Cr 2p für 2707 HDSS:

(a) mit Exposition gegenüber P. aeruginosa für 7 Tage, (b) mit Exposition gegenüber P. aeruginosa für 14 Tage, (c) im abiotischen Medium für 7 Tage und (d) im abiotischen Medium für 14 Tage.

HDSSs weisen in den meisten Umgebungen ein hohes Maß an Korrosionsbeständigkeit auf. Kim et al.2 berichteten, dass UNS S32707 HDSS als hochlegiertes DSS mit einem PREN von mehr als 45 definiert ist. Die 2707 HDSS-Proben in dieser Arbeit hatten einen PREN-Wert von 49. Dies ist auf den hohen Cr-Gehalt und den erhöhten Mo-Gehalt zurückzuführen und Ni-Gehalte, die in sauren und chloridreichen Umgebungen von Vorteil sind. Darüber hinaus tragen die ausgewogene Zusammensetzung und die fehlerfreie Mikrostruktur zur strukturellen Stabilität und Korrosionsbeständigkeit bei. Trotz seiner überlegenen chemischen Korrosionsbeständigkeit zeigten die experimentellen Daten in dieser Arbeit jedoch, dass 2707 HDSS nicht vollständig gegen die MIC des P. aeruginosa-Biofilms immun war.

Die elektrochemischen Ergebnisse zeigten, dass die Korrosionsrate von 2707 HDSS in der P. aeruginosa-Brühe nach 14 Tagen im Vergleich zum abiotischen Medium deutlich zunahm. In Abbildung 2a wurde in den ersten 24 Stunden eine Abnahme von Eocp sowohl im abiotischen Medium als auch in der P. aeruginosa-Brühe beobachtet. Nachdem der Biofilm die Oberfläche des Coupons vollständig bedeckt hatte, wurde Eocp relativ stabil36. Allerdings lag der biotische Eocp auf einem viel höheren Niveau als der abiotische Eocp. Man kann davon ausgehen, dass der Unterschied auf die Bildung des P. aeruginosa-Biofilms zurückzuführen ist. In Abbildung 2d erreichte der Icorr-Wert von 2707 HDSS in Gegenwart von P. aeruginosa 0,627 μA cm-2, eine Größenordnung höher als der Wert der abiotischen Kontrolle (0,063 μA cm-2), was mit den Rct-Werten übereinstimmte gemessen durch EIS. In den ersten Tagen stieg der Impedanzwert in der P. aeruginosa-Brühe aufgrund der Anlagerung von P. aeruginosa-Zellen und der Bildung des Biofilms an. Allerdings nahm die Impedanz dann ab, als der Biofilm die Oberfläche des Coupons vollständig bedeckte. Durch die Bildung des Biofilms und der Metaboliten des Biofilms wurde zunächst die Schutzschicht angegriffen. Folglich nahm die Korrosionsbeständigkeit mit der Zeit ab und die Anhaftung von P. aeruginosa verursachte die lokale Korrosion. Anders war die Tendenz im abiotischen Medium. Die Korrosionsimpedanz der abiotischen Kontrolle war viel höher als der entsprechende Wert des der P. aeruginosa-Brühe ausgesetzten Probestücks. Darüber hinaus erreichte der Rct-Wert von 2707 HDSS für die abiotischen Proben am 14. Tag 489 kΩ cm2 und war damit fünfzehnmal höher als in Gegenwart von P. aeruginosa (32 kΩ cm2). Somit besaß 2707 HDSS eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit in der sterilen Umgebung, war jedoch nicht immun gegen den MIC-Angriff durch den P. aeruginosa-Biofilm.

Diese Ergebnisse wurden auch anhand der Polarisationskurven in Abbildung 2b beobachtet. Der anodische Zweig wurde auf die Bildung von P. aeruginosa-Biofilm und die Metalloxidationsreaktion zurückgeführt. Währenddessen war die kathodische Reaktion die Reduktion von Sauerstoff. Das Vorhandensein von P. aeruginosa erhöhte die Korrosionsstromdichte erheblich, die etwa eine Größenordnung höher war als bei der abiotischen Kontrolle. Es deutete darauf hin, dass der P. aeruginosa-Biofilm die lokale Korrosion von 2707 HDSS verstärkte. Yuan et al.29 fanden heraus, dass die Korrosionsstromdichte einer 70/30 Cu-Ni-Legierung unter dem Angriff eines P. aeruginosa-Biofilms zunahm. Dies könnte auf die Biokatalyse der Sauerstoffreduktion durch den P. aeruginosa-Biofilm zurückzuführen sein37. Diese Beobachtung könnte auch die MIC von 2707 HDSS in dieser Arbeit erklären. Es war auch möglich, dass der darunter liegende aerobe Biofilm den Sauerstoff weniger verfügbar machte. Somit könnte das Versäumnis, die Metalloberfläche durch Sauerstoff zu repassivieren, ein Faktor sein, der zum MIC in dieser Arbeit beiträgt.

Dickinson et al.38 schlugen vor, dass die Geschwindigkeiten chemischer und elektrochemischer Reaktionen direkt durch die Stoffwechselaktivitäten der sessilen Bakterien auf einer Probestückoberfläche und die Art der Korrosionsprodukte beeinflusst werden können. Wie in Abbildung 5 und Tabelle 5 zu sehen ist, nahmen sowohl die Zellzahl als auch die Biofilmdicke nach 14 Tagen ab. Dies kann einigermaßen dadurch erklärt werden, dass nach 14 Tagen die meisten sessilen Zellen auf der 2707-HDSS-Oberfläche aufgrund der Erschöpfung der Nährstoffe im 2216E-Medium oder der aus der 2707-HDSS-Matrix freigesetzten toxischen Metallionen abgestorben waren. Dies war eine Einschränkung von Batch-Experimenten.

In dieser Arbeit förderte der P. aeruginosa-Biofilm den lokalisierten Abbau von Cr und Fe unter dem Biofilm auf der 2707 HDSS-Oberfläche (Abbildung 6). In Tabelle 6 war im Vergleich zu Probe C eine Abnahme von Fe und Cr in Probe D zu verzeichnen, was darauf hinweist, dass die durch den P. aeruginosa-Biofilm verursachte Auflösung von Fe und Cr über die ersten 7 Tage hinaus anhielt. Das Medium 2216E wurde zur Simulation der Meeresumwelt verwendet. Es enthielt 17700 ppm Cl−, vergleichbar mit dem im natürlichen Meerwasser. Das Vorhandensein von 17700 ppm Cl− war der Hauptgrund für die Abnahme von Cr in den mittels XPS analysierten abiotischen 7- und 14-Tage-Proben. Im Vergleich zu den P. aeruginosa-Coupons war die Auflösung von Cr in abiotischen Coupons aufgrund der starken Cl−-Resistenz von 2707 HDSS in einer abiotischen Umgebung viel geringer. Abbildung 9 zeigt das Vorhandensein von Cr6+ im Passivierungsfilm. Es könnte an der Entfernung von Cr von der Stahloberfläche durch den P. aeruginosa-Biofilm beteiligt sein, wie von Chen und Clayton39 vorgeschlagen.

Aufgrund des Bakterienwachstums betrugen die pH-Werte des Kulturmediums vor und nach der Inkubation 7,4 bzw. 8,2. Aufgrund der relativ hohen pH-Werte im Hauptmedium war es daher unwahrscheinlich, dass die Korrosion organischer Säuren unterhalb des P. aeruginosa-Biofilms zu dieser Arbeit beitrug. Der pH-Wert des abiotischen Kontrollmediums veränderte sich während der 14-tägigen Testdauer nicht wesentlich (von anfänglich 7,4 auf abschließend 7,5). Der Anstieg des pH-Werts im beimpften Medium nach der Inkubation war auf die Stoffwechselaktivitäten von P. aeruginosa zurückzuführen, von dem festgestellt wurde, dass er in Abwesenheit von Coupons den gleichen Einfluss auf den pH-Wert hatte.

Wie in Abbildung 7 dargestellt, betrug die maximale Grubentiefe, die durch die P. aeruginosa-Biofilme verursacht wurde, 0,69 μm und war damit viel größer als die im abiotischen Medium (0,02 μm). Dies stimmte mit den oben genannten elektrochemischen Daten überein. Die Grubentiefe von 0,69 μm war mehr als zehnmal kleiner als der 9,5 μm-Wert, der für 2205 DSS unter den gleichen Bedingungen angegeben wurde40. Diese Daten bewiesen, dass 2707 HDSS im Vergleich zu 2205 DSS eine bessere MIC-Beständigkeit aufwies. Dies sollte keine Überraschung sein, da 2707 HDSS einen höheren Cr-Gehalt aufweist, der eine dauerhaftere Passivität bietet, was es für P. aeruginosa aufgrund der ausgewogenen Phasenstruktur ohne schädliche Sekundärausscheidungen schwieriger macht, zu depassivieren und Lochfraß auszulösen41.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass auf der Oberfläche von 2707 HDSS in der P. aeruginosa-Brühe MIC-Lochfraß festgestellt wurde, im Vergleich zu vernachlässigbarem Lochfraß im abiotischen Medium. Diese Arbeit zeigte, dass 2707 HDSS eine viel bessere MHK-Resistenz aufwies als 2205 DSS, aber aufgrund des P. aeruginosa-Biofilms nicht vollständig immun gegen MHK war. Diese Erkenntnisse sind hilfreich bei der Auswahl eines geeigneten Edelstahls für die Meeresumwelt und bei der Abschätzung der Lebensdauer.

Die Coupons von 2707 HDSS 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 von NEU analysiert wurde. Alle Proben wurden 1 Stunde lang bei 1180 °C lösungsbehandelt. Vor den Korrosionstests wurden münzförmige 2707 HDSS mit einer oberen freiliegenden Oberfläche von 1 cm2 mit Siliziumkarbidpapier auf Körnung 2000 poliert und anschließend mit einer 0,05 μm Al2O3-Pulversuspension weiter poliert. Die Seiten- und Bodenfläche wurden durch eine inerte Farbe geschützt. Nach dem Trocknen wurden die Coupons mit sterilem entionisiertem Wasser gespült 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 marine Stamm P. aeruginosa MCCC 1A00099 wurde von der Marine Culture Collection of China (MCCC), Xiamen, China, erworben. Das flüssige Meeresmedium 2216E (Qingdao Hope Bio-technology Co., Qingdao, China) wurde verwendet, um P. aeruginosa bei 37 ° C aerob in 250-ml-Kolben und in einer 500-ml-elektrochemischen Glaszelle zu kultivieren. Das Kulturmedium enthielt (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, 0,00 24 NaF, 0,0016 NH4NO3, 0,008 NaH2PO4, 5,0 Pepton, 1,0 Hefeextrakt und 0,1 Eisencitrat. Es wurde vor der Inokulation 20 Minuten lang bei 121 °C im Autoklaven sterilisiert. Ein Hämozytometer unter einem Lichtmikroskop bei 400-facher Vergrößerung wurde verwendet, um sessile und planktonische Zellen zu zählen. Die anfängliche planktonische P. aeruginosa-Zellkonzentration unmittelbar nach der Inokulation betrug etwa 106 Zellen/ml.

Elektrochemische Tests wurden in einer klassischen Drei-Elektroden-Glaszelle mit einem Kulturmediumvolumen von 500 ml durchgeführt. Ein Platinblech und eine gesättigte Kalomelelektrode (SCE), die über eine mit einer Salzbrücke gefüllte Luggin-Kapillare als Gegen- bzw. Referenzelektrode mit dem Reaktor verbunden sind. Um eine Arbeitselektrode zu erstellen, wurde ein gummibeschichteter Kupferdraht mit jedem Probestück verbunden und mit Epoxidharz bedeckt, so dass auf einer Seite eine freiliegende Oberfläche von etwa 1 cm2 für diese Arbeitselektrode verblieb. Während der elektrochemischen Messungen wurden die Proben in das 2216E-Medium gegeben und in einem Wasserbad bei einer konstanten Inkubationstemperatur (37 °C) gehalten. Die OCP-, LPR-, EIS- und potenziellen dynamischen 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 gegenüber Eocp aufgezeichnet und die Abtastfrequenz betrug 1 Hz. EIS wurde unter einem stationären Eocp unter Verwendung einer angelegten Spannung von 5 mV bei einer Sinuswelle in einem Frequenzbereich von 0,01 bis 10.000 Hz durchgeführt. Vor dem Potenzialscan befanden sich die Elektroden im Leerlaufmodus, bis ein stabiler Wert des freien Korrosionspotenzials erreicht wurde42. Die Polarisationskurven wurden dann mit einer Scanrate von 0,166 mV/s von –0,2 bis 1,5 V vs. Eocp durchgeführt. Jeder Test wurde dreimal mit und ohne P. aeruginosa wiederholt.

Die Proben für die metallografische Analyse wurden mechanisch mit nassem SiC-Papier der Körnung 2000 poliert und anschließend mit einer 0,05 μm Al2O3-Pulversuspension weiter poliert, um optische Beobachtungen zu ermöglichen. Die metallografische Analyse wurde unter Verwendung eines optischen Mikroskops durchgeführt. Die Coupons wurden mit einer 10 Gew.-%igen Kaliumhydroxidlösung geätzt43.

Nach der Inkubation wurde ein Probestück dreimal mit einer Phosphatpuffer-Kochsalzlösung (PBS) (pH 7,4 ± 0,2) gewaschen und dann 10 Stunden lang mit 2,5 % (v/v) Glutaraldehyd fixiert, um den Biofilm zu fixieren. Anschließend wurde es vor der Lufttrocknung mit einer abgestuften Reihe (50 %, 60 %, 70 %, 80 %, 90 %, 95 % und 100 % v/v) Ethanol dehydriert. Abschließend wurde die Couponoberfläche mit einem Goldfilm durch Sputtern beschichtet, um Leitfähigkeit für die SEM-Beobachtung bereitzustellen44. SEM-Bilder konzentrierten sich auf Stellen mit den am stärksten sitzenden P. aeruginosa-Zellen auf jeder Coupon-Oberfläche. Die EDS-Analyse wurde durchgeführt, um die chemischen Elemente zu finden. Zur Messung der Pittiefe wurde ein konfokales Laser-Scanning-Mikroskop (CLSM) von Zeiss (LSM 710, Zeiss, Deutschland) verwendet. Um die Korrosionsgruben unter einem Biofilm zu beobachten, wurde das Probestück zunächst gemäß den Chinese National Standards (CNS) GB/T4334.4-2000 gereinigt, um die Korrosionsprodukte und Biofilme auf der Oberfläche des Probestücks zu entfernen.

Eine röntgenphotoelektronenspektroskopische Analyse (XPS, Oberflächenanalysesystem ESCALAB250, Thermo VG, USA) wurde unter Verwendung einer monochromatischen Röntgenquelle (einer Aluminium-Kα-Linie mit 1500 eV Energie und 150 W Leistung) innerhalb des breiten Bindungsenergiebereichs von durchgeführt 0–1350 eV unter Standardbedingungen. Die hochauflösenden Spektren wurden mit einer Durchgangsenergie von 50 eV und einem Schritt von 0,2 eV aufgezeichnet.

Nach der Inkubation wurden die Coupons herausgenommen und 15 s45 vorsichtig mit PBS (pH 7,4 ± 0,2) gespült. Um die bakterielle Lebensfähigkeit der Biofilme auf dem Coupon zu beobachten, wurden LIVE/DEAD BacLight Bacterial Viability Kits (Invitrogen, Eugene, OR, USA) zum Färben der Biofilme verwendet. Die Kits enthalten zwei Fluoreszenzfarbstoffe, den grün fluoreszierenden SYTO-9-Farbstoff und den rot fluoreszierenden Propidiumiodid (PI)-Farbstoff. Unter CLSM stellten die Punkte mit fluoreszierendem Grün und Rot die lebenden bzw. toten Zellen dar. Beim Färben wurde 1 ml Mischung mit 3 μl SYTO-9- und 3 μl PI-Lösungen 20 Minuten lang im Dunkeln bei Raumtemperatur (23 °C) inkubiert. Anschließend wurde ein Nikon CLSM-Gerät (C2 Plus, Nikon, Japan) verwendet, um die gefärbte Probe bei zwei Wellenlängen (488 nm für lebende Zellen und 559 nm für tote Zellen) zu beobachten. Die Biofilmdicke wurde im 3D-Scanmodus gemessen.

Zitierweise für diesen Artikel: Li, H. et al. Mikrobiologisch beeinflusste Korrosion von 2707 Hyper-Duplex-Edelstahl durch marinen Pseudomonas aeruginosa-Biofilm. Wissenschaft. Rep. 6, 20190; doi: 10.1038/srep20190 (2016).

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Diese Arbeit wurde schließlich vom High Technology Research and Development Program of China (Nr. 2015AA034301), der National Natural Science Foundation (Nr. 51501203), dem National Key Technology Research and Development Program des Ministeriums für Wissenschaft und Technologie Chinas ( (Nr. 2012BAE04B01), das Program for New Century University Excellent Talents (Nr. N130502001), das National Basic Research Program of China (973 Program No. 2014CB643300), die National Environmental Corrosion Platform (NECP) und das „Young Merit Scholars“-Programm des Instituts für Metallforschung der Chinesischen Akademie der Wissenschaften.

Li Huabing und Zhou Enze haben gleichermaßen zu dieser Arbeit beigetragen.

School of Metallurgy, Northeastern University, Shenyang, 110819, China

Huabing Li, Enze Zhou, Hao Feng und Zhouhua Jiang

Korrosions- und Schutzzentrum, Universität für Wissenschaft und Technologie Peking, Peking, 100083, VR China

Dawei Zhang & Xiaogang Li

Institut für Metallforschung, Chinesische Akademie der Wissenschaften, Shenyang, 110016, China

Dake Xu, Chunguang Yang und Ke Yang

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Jin Xia

Abteilung für Chemie- und Biomolekulartechnik, Institut für Korrosion und Mehrphasentechnologie, Ohio University, 45701, Athens, Ohio, USA

Tingyue Gu

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HL, EZ und DX entwarfen die Experimente und führten die Datenanalyse durch; HL, EZ, CY, DX, JX und HF führten die Experimente durch; HL, EZ, DZ, DX, ZJ und KY trugen zur Planung und Koordination des Projekts bei; HL, EZ, XL, DX und TG haben das Manuskript geschrieben und bearbeitet. Alle Autoren beteiligten sich an der Diskussion über die Ergebnisse und das Manuskript.

Die Autoren geben an, dass keine konkurrierenden finanziellen Interessen bestehen.

Dieses Werk ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe nichts anderes angegeben ist; Wenn das Material nicht unter der Creative-Commons-Lizenz enthalten ist, müssen Benutzer die Erlaubnis des Lizenzinhabers einholen, um das Material zu reproduzieren. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Nachdrucke und Genehmigungen

Li, H., Zhou, E., Zhang, D. et al. Mikrobiologisch beeinflusste Korrosion von 2707 Hyper-Duplex-Edelstahl durch marinen Pseudomonas aeruginosa-Biofilm. Sci Rep 6, 20190 (2016). https://doi.org/10.1038/srep20190

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Eingegangen: 16. Juli 2015

Angenommen: 23. Dezember 2015

Veröffentlicht: 5. Februar 2016

DOI: https://doi.org/10.1038/srep20190

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