The difference in preferential corrosion of 2205 duplex stainless steel induced by Pseudomonas aeruginosa between full and alternate immersion

完全浸泡和交替浸泡對2205雙相不銹鋼銅綠假單胞菌優(yōu)先腐蝕的差異

來源：Corrosion Science 208 (2022) 110614

 

1. 摘要核心內(nèi)容

 

論文探究了銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）在完全浸沒（full immersion）與交替浸沒（alternate immersion）條件下對2205雙相不銹鋼（DSS）點蝕行為的差異影響。關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)包括：

 

浸沒模式差異：在無菌介質(zhì)中，交替浸沒可抑制點蝕；但在含菌介質(zhì)中，交替浸沒會進一步加速腐蝕（最大點蝕深度達7.8 μm，比完全浸沒高73%）。

點蝕位置變化：完全浸沒時點蝕集中于α相及相界；交替浸沒時點蝕呈不規(guī)則分布，與生物膜附著行為直接相關(guān)。

機制解析：交替浸沒形成的薄電解質(zhì)層（TEL） 促進有機物吸附，增加生物膜厚度（24.6 μm vs. 12.9 μm），并通過耗氧與電子轉(zhuǎn)移（SIMET）加劇腐蝕。

 

2. 研究目的

 

闡明海洋潮汐區(qū)（交替浸沒環(huán)境）與全浸區(qū)微生物腐蝕的差異機制，明確銅綠假單胞菌對2205 DSS點蝕位置及速率的調(diào)控作用，為海洋工程材料選型提供理論依據(jù)。

3. 研究思路

 

采用多尺度對比實驗：

 

腐蝕系統(tǒng)設(shè)計：

完全浸沒組：樣品持續(xù)浸入含菌/無菌2216E培養(yǎng)基（14天）。

交替浸沒組：每6小時循環(huán)切換浸沒與空氣暴露（模擬潮汐環(huán)境）。

多參數(shù)表征：

宏觀腐蝕：SEM形貌（圖2）、點蝕深度統(tǒng)計（圖7）、電化學測試（EIS/極化曲線，圖8-11）。

 

 

 

 

 

 

 

微生物行為：生物膜CLSM成像（圖3）、活菌計數(shù)（圖4）、SKPFM電位分析（圖15-19）。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

鈍化膜特性：XPS組分分析（圖13）、Mott-Schottky缺陷密度（圖12）。

 

 

 

局部環(huán)境：Unisense微電極測量TEL溶解氧（DO）剖面（圖14）。

 

 

 

 

4. 測量數(shù)據(jù)及研究意義

關(guān)鍵數(shù)據(jù)來源與意義

測量指標 數(shù)據(jù)來源 研究意義

腐蝕形貌與點蝕分布 圖2（SEM），圖5-6 揭示交替浸沒下點蝕從不規(guī)則分布（無菌）→ 全局分布（含菌），與生物膜覆蓋相關(guān)。

 

 

生物膜厚度/活菌密度 圖3（CLSM），圖4 交替浸沒生物膜更厚（24.6 μm）、活菌更多（6.0×10? cells/cm2），加速局部腐蝕。

點蝕深度量化 圖7 含菌交替浸沒點蝕深度達7.8 μm（比無菌組高5倍），證明微生物協(xié)同環(huán)境加劇腐蝕。

電化學性能 圖8（EIS），圖11（極化） 交替浸沒含菌組電荷轉(zhuǎn)移電阻Rf最低（3.09 MΩ·cm2），鈍化膜保護性最差。

鈍化膜組分與缺陷 圖12（Mott-Schottky），圖13（XPS） 含菌交替浸沒CrO?含量最高（17.3%），缺陷密度ND最大（6.12×102? cm?3），加速溶解。

TEL溶解氧剖面 圖14（Unisense微電極） 核心意義：直接量化生物膜耗氧梯度（頂部242.3 μM → 底部236.5 μM），揭示局部缺氧促進點蝕。

5. 丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的深度解讀

 

技術(shù)原理：

 

采用 OX-10溶解氧微電極（Unisense，尖端直徑10 μm），空間分辨率達微米級，原位測量TEL（厚度115–134 μm）中的氧濃度梯度。

通過步進電機控制垂直移動（精度1 μm），實時記錄生物膜/溶液界面的氧擴散-消耗動態(tài)。

 

研究發(fā)現(xiàn)與意義（圖14）：

 

缺氧機制驗證：

在含菌TEL中，DO濃度從頂部242.3 μM線性降至底部236.5 μM，證實銅綠假單胞菌的代謝耗氧效應(yīng)。

底部缺氧環(huán)境抑制鈍化膜修復（依賴氧的Cr?O?形成受阻），直接促進α相溶解（作為陽極）。

 

局部腐蝕耦合：

耗氧梯度與生物膜厚度正相關(guān)（交替浸沒生物膜更厚），導致更嚴重的底部缺氧。

缺氧區(qū)域促進 shuttle-mediated electron transfer（SIMET）：菌體分泌吩嗪（如PYO）作為電子穿梭體，加速Fe?→Fe2?的電化學溶解（圖20d）。

 

 

方法論貢獻：

 

突破傳統(tǒng)局限：傳統(tǒng)宏觀DO傳感器無法解析TEL內(nèi)的微區(qū)氧分布，Unisense微電極首次實現(xiàn)生物膜/金屬界面的缺氧量化，為微生物-電化學耦合機制提供直接證據(jù)。

指導防護設(shè)計：明確TEL厚度（>100 μm）與菌量是腐蝕控制關(guān)鍵，為海洋裝備的防污涂層設(shè)計提供參數(shù)依據(jù)。

 

6. 結(jié)論

 

浸沒模式的核心影響：

無菌環(huán)境中，交替浸沒通過高氧傳輸促進Cr?O?生成，提升耐蝕性（Rf = 117.3 MΩ·cm2）。

含菌環(huán)境中，交替浸沒的有機物吸附促進生物膜增厚，加劇耗氧與SIMET，點蝕深度增加73%。

 

點蝕位置調(diào)控機制：

完全浸沒：菌體優(yōu)先附著相界→擴展至α相，點蝕集中于α相（占比53.5%）。

交替浸沒：有機物全局吸附→菌體不規(guī)則分布→點蝕全域發(fā)生（圖20d）。

 

工程意義：潮汐區(qū)（交替浸沒）使用2205 DSS需重點關(guān)注微生物防控，避免生物膜積累導致的局部腐蝕失控。

 

7. 圖表索引總結(jié)

 

圖2/5：SEM腐蝕形貌 → 點蝕分布模式差異

圖3/4：CLSM生物膜與活菌計數(shù) → 浸沒模式對生物膜的影響

圖6/7：點蝕位置統(tǒng)計與深度 → 微生物對局部腐蝕的促進

圖8/11：EIS/極化曲線 → 電化學性能衰減

圖12/13：Mott-Schottky/XPS → 鈍化膜缺陷與組分惡化

圖14：Unisense氧剖面 → 生物膜耗氧機制實證

圖20：腐蝕機制示意圖 → 多因素耦合效應(yīng)

 

本研究通過Unisense微電極等原位技術(shù)，揭示了潮汐環(huán)境下微生物腐蝕的微區(qū)機制，為高腐蝕風險區(qū)域的材料防護提供理論指導。