316L paslanmaz çeliğinin mikrobiyolojik korozyon davranışına Ag-Cu iyonlarının etkisi
The effect of Ag-Cu ions on microbiological corrosion behavior of 316L stainless steel
Yazar: SİMGE ARKAN
Danışman: DOÇ. DR. ESRA   İLHAN SUNGUR
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Temel ve Endüstriyel Mikrobiyoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Biyoloji = Biology ; Mikrobiyoloji = Microbiology

Özet:
Mikrobiyolojik korozyon (MIC), mikroorganizmaların metabolik aktiviteleri sonucunda oluşan korozyon reaksiyonlarıyla metalin bozulmasıdır. Sülfat indirgeyen bakteriler (SRB'ler), MIC'e yol açan en baskın bakteri grubu olarak düşünülmekte ve endüstriyel sistemlerin vazgeçilmez bir parçası olan soğutma kulelerinden sıklıkla izole edilmektedirler. Soğutma kuleleri, atık ısının atmosfere salınımıyla, endüstriyel sistemlere daha düşük sıcaklıklarda su akışı sağlayan ısı değiştiricilerdir. Günümüzde soğutma kulelerinin yapımında, mükemmel korozyon direnci sebebiyle, sıklıkla 316L paslanmaz çelik malzeme tercih edilmektedir. Bununla birlikte, soğutma suyu koşulları ve SRB'lerin mikrobiyal aktiviteleri, paslanmaz çelik sistemlerde yapısal arızalarla sonuçlanan şiddetli korozyona neden olabilir. Özellikle Desulfovibrio sp., soğutma kulelerinde en yaygın ve baskın olarak bulunan SRB türüdür. Son yıllarda, hem mikrobiyolojik korozyon hem de biyofilm oluşumunun engellenerek su sistemlerinin iyileştirilmesi amacıyla, biyositlere alternatif olarak Ag-Cu iyonizasyon sistemi kullanılmaktadır. Ag-Cu iyonları sinerjistik etkiyle bakterileri inaktive etmektedir. Bu süreçte Cu iyonları hücre zarını güçsüzleştirirken, Ag iyonları hücresel proteinlere bağlanmaktadır.

Bu çalışmadaki hedefimiz, Desulfovibrio sp. varlığında 316L paslanmaz çeliğin mikrobiyolojik korozyonuna Ag-Cu iyonlarının etkisini belirlemek ve ayrıca, Ag-Cu iyonlarının paslanmaz çelikte kimyasal korozyona yol açıp açmadığını tespit etmektir.

Deneyler, laboratuvar ölçekli deney düzeneği, laboratuvar ölçekli kontrol düzeneği ve korozyon hücresi olmak üzere üç farklı düzenekte gerçekleştirilmiştir. Deney düzeneklerindeki 316L paslanmaz çelik kuponlar 8, 24, 48, 72, 96, 120, 144, 168, 240, 360, 480, 600 ve 720. sa süresince, Ag-Cu iyonlarını içeren ve içermeyen Desulfovibrio sp. kültürlerine maruz bırakılmıştır. Desulfovibrio sp. içermeyen steril besiyeri ile Ag-Cu iyonları varlığında ve yokluğunda kurulan kontrol düzenekleri, deney düzenekleri ile eş zamanlı olarak çalıştırılmıştır. Her örnekleme saatinde deney düzeneklerden Desulfovibrio sp. sayımı, ağırlık kaybı yöntemi ile korozyon hızı ölçümü, hücre dışı polimerik maddelerden (EPS'den) karbonhidrat ve protein analizi için kuponlar çıkartılmış ve ayrıca kültürün bazı kimyasal parametreleri (SO4-2, PO4-2, Cl-, pH) belirlenmiştir. Kontrol düzeneklerinde, ağırlık kaybı yöntemi ve besiyerinde kimyasal parametrelerin belirlenmesi, deney düzenekleri ile eş zamanlı olarak gerçekleştirilmiştir. Hem deney hem kontrol düzeneklerinde, iyonlu deney ortamına maruz bırakılan kuponların biyofilm/film tabakalarındaki Ag ve Cu iyonlarının konsantrasyonu indüktif olarak eşleşmiş plazma optik emisyon spektrometresi (ICP-OES) analizi ile ölçülmüştür. Elektrokimyasal deneyler Ag-Cu iyonları varlığında ve yokluğunda steril Postgate C besiyeri ve Desulfovibrio sp. kültür ortamlarını içeren korozyon hücresinde gerçekleştirilmiştir. Açık devre potansiyeli (ADP) ve potansiyodinamik polarizasyon eğrileri ile 316L paslanmaz çeliğin bu ortamlardaki korozyon davranışı elektrokimyasal olarak incelenmiştir. Laboratuvar ölçekli düzenekler ve korozyon hücresindeki kuponların yüzeyindeki biyofilm/film oluşumu ve korozyon ürünleri taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve enerji dağılım spektroskopisi (EDS) analizleri ile araştırılmıştır. Ek olarak, Ag ve Cu iyonlarının kuponların yüzeyindeki dağılımları EDS-elementel haritalama analizi ile gözlenmiştir.

SEM analizleri, Desulfovibrio sp. bakterisinin iyonlu ve iyonsuz kültürlerine maruz bırakılan 316L paslanmaz çelik yüzeylerde, 8 sa inkübasyon sonrası, biyofilm tabakası oluşturduğunu göstermiştir. Ag-Cu iyonlarının, deney düzeneklerindeki planktonik ve sesil Desulfovibrio sp. bakteri sayılarında bir azalmaya yol açmadığı tespit edilmiştir. Bununla birlikte Ag-Cu iyonlarının, planktonik Desulfovibrio sp. bakterisinin büyüme eğrisini etkilediği ve iyonsuz ortama kıyasla ölüm fazına daha erken girmesine neden olduğu gözlenmiştir. Ag-Cu iyonları varlığında Desulfovibrio sp. bakterisi tarafından üretilen karbonhidrat ve protein miktarlarının, iyonsuz ortamdan anlamlı derecede daha fazla olduğu saptanmıştır (sırasıyla, p< 0.01 ve p< 0.001). Bu durum, Ag-Cu iyonlarının karbonhidrat ve protein üretimini teşvik ettiğinin bir göstergesidir. Ayrıca, Desulfovibrio sp. bakterisinin kendi ürettiği karbonhidrat ve proteini kullandığı da tespit edilmiştir.

Korozyon analizi sonuçları, Ag-Cu iyonları varlığında ve yokluğunda, Desulfovibrio sp. bakterisinin 316L paslanmaz çeliği korozyona uğrattığını göstermektedir. İyonlu ve iyonsuz kültürdeki 316L paslanmaz çelik kuponların ağırlık kayıplarının, zamanla arttığı tespit edilmiştir (sırasıyla, p< 0.001 ve p< 0.01). Bununla birlikte, Ag-Cu iyonları varlığında kuponların ağırlık kaybı ve korozyon hızlarının, iyonsuz kültürdeki kuponlardan istatistiksel olarak daha fazla olduğu saptanmıştır (sırasıyla, p< 0.001 ve p< 0.001). Bulgular, 0.3 ppm Cu ve 0.13 ppm Ag konsantrasyonunda Ag-Cu iyonlarının Desulfovibrio sp. bakterisinin metabolizmasını etkilediğini ve iyonsuz kültürdekinden daha korozif davranmasına yol açtığını göstermektedir. 

Ağırlık kaybı ölçümlerinden elde edilen bulguların aksine, elektrokimyasal deneyler Ag-Cu iyonlarının Desulfovibrio sp. bakterisinin 316L paslanmaz çelikte neden olduğu MIC'i azalttığını göstermektedir. Bu durum, metallerin yüzeyinde oluşan korozyon ürünlerinin elektrokimyasal deneylerin sonuçlarını değiştirebileceğini ve bu nedenle de, kullanılan metale göre deney yöntemlerinin seçilmesi gerektiğini göstermektedir.

Abstract:
Microbiologically induced corrosion (MIC) is the deterioration of metal by corrosion reactions that occur as a result of the metabolic activity of microorganisms. Sulphate reducing bacteria (SRB) are considered as the major bacterial group involved in MIC and frequently isolated from cooling towers which are the essential part of industrial systems. Cooling tower is a heat exchanger which provides a water stream at lower temperatures to industrial systems through the release of waste heat to atmosphere. Nowadays, 316L stainless steel is frequently preferred material for the construction of cooling towers due to the excellent corrosion resistance. However, cooling water conditions and microbial activity of SRB may cause severe corrosion resulting in structural failures of the stainless steel stystems. Especially, Desulfovibrio sp. is one of the most abundant and dominant genus of SRB in the cooling tower water. In recent years, Ag-Cu ionization system is used as an alternative to biocides for preventing both of microbial corrosion and the formation of biofilm in order to improve water systems. Ag and Cu ions deactivate the bacteria as a result of their synergistic effect. In this process, while Cu ions weaken the cell membrane, Ag ions bind the cellular protein of bacteria cell.

The aim of this study is to determine the effect of Ag-Cu ions on microbiologically influenced corrosion of 316L stainless steel in the presence of Desulfovibrio sp. and also, establish the effect of Ag-Cu ions on the chemical corrosion of stainless steel. 

The experiments were carried out in three different systems such as lab-scaled test system, lab-scaled control system and corrosion cell. 316L stainless steel coupons were exposed to Desulfovibrio sp. cultures with and without Ag-Cu ions during 8, 24, 48, 72, 96, 120, 144, 168, 240, 360, 480, 600 and 720 h in lab-scaled test systems. Control systems containing sterile medium without Desulfovibrio sp. in the absence and presence of Ag-Cu ions were set to work simultaneously with test systems. Test coupons were removed at each sampling time for enumeration of Desulfovibrio sp., corrosion rate measurement by the weight loss measurement method, carbohydrate and protein analysis from extracellular polymeric substances (EPS) and also established some chemical parameters (SO42-, PO42-, Cl-, pH) of cultures. In control systems, weight loss measurement and determination of chemical parameters in the medium were carried out simultaneously with test systems. Concentrations of Ag and Cu ions in the biofilm/film formation on coupons that exposed to experimental media with the presence of Ag-Cu ions in both of test and control systems, were measured by inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP-OES) analysis. Electrochemical experiments were performed in corrosion cell containing with sterile Postgate's medium C and Desulfovibrio sp. cultures in the presence and absence of     Ag-Cu ions. The electrochemical behavior of 316L stainless steel was determined by using open circuit potential (OCP) and potentiodynamic polarization curves. Biofilm/film formation and corrosion products on the 316L stainless steel surfaces were investigated by scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive X-ray spectrometry (EDS) analysis in lab-scaled systems and corrosion cell. In addition, the distribution of Ag and Cu ions on coupon surfaces was observed by EDS-elemental mapping analysis.

SEM results demonstrated that Desulfovibrio sp. cells formed a biyofilm layer on the 316L stainless steel surfaces exposed to the cultures with and without the ions after 8 h incubation. It was found that Ag-Cu ions did not lead a decrease in the bacterial counts of planktonic and sessil Desulfovibrio sp. in test systems. However, it was observed that Ag-Cu ions effected the growth curve of planktonic Desulfovibrio sp. and caused the entrance of planktonic cells to death phase earlier compared with the ions-free culture. In the presence of Ag-Cu ions, the amounts of carbohydrates and protein produced by Desulfovibrio sp. significantly higher than ions-free culture (respectively, p< 0.01 and p< 0.001). It indicates that Ag-Cu ions promote production of carbohydrates and protein. It was also found that Desulfovibrio sp. had the ability to biodegrade the carbohydrate and protein produced by own.

Corrosion analysis results showed that Desulfovibrio sp. was leading to corrosion of 316L stainless steel in the presence and absence of Ag-Cu ions. Weight loss of 316L stainless steel coupons in culture with and without ions increased with time (respectively,  p< 0.001 and p< 0.01). However, in the presence of Ag-Cu ions weight loss and corrosion rate of coupons statistically higher than ions-free culture (respectively, p< 0.001 and p< 0.001). Results showed that Ag-Cu ions with the concentration of 0.3 ppm Cu and 0.13 ppm Ag, effected the metabolism of Desulfovibrio sp. and led to be more corrosive than ions-free culture. 
In contrast to results obtained from weight loss measurements, electrochemical experiments showed that Ag-Cu ions decreased the MIC of 316L stainless steel caused by Desulfovibrio sp.. It indicates that corrosion products formed on metal surfaces may change the results of electrochemical experiments and therefore, test methods should be determined by depending on the metal used in experiment.