نشكركم على زيارة موقع Nature.com. يُعاني متصفحكم من محدودية دعم CSS. للحصول على أفضل تجربة، نوصي باستخدام متصفح مُحدّث (أو تعطيل وضع التوافق في Internet Explorer). في هذه الأثناء، ولضمان استمرار الدعم، سنعرض الموقع بدون أنماط CSS وجافا سكريبت.
يُعدّ التآكل الميكروبي (MIC) مشكلة خطيرة في العديد من الصناعات، إذ يُمكن أن يُسبب خسائر اقتصادية فادحة. وقد استُخدم الفولاذ المقاوم للصدأ فائق الازدواج 2707 (2707 HDSS) في البيئات البحرية نظرًا لمقاومته الكيميائية الممتازة. ومع ذلك، لم يتم إثبات مقاومته للتآكل الميكروبي تجريبيًا. في هذه الدراسة، تمّ التحقق من سلوك التآكل الميكروبي للفولاذ المقاوم للصدأ فائق الازدواج 2707 الناتج عن بكتيريا الزائفة الزنجارية الهوائية البحرية. أظهر التحليل الكهروكيميائي أنه في وجود الغشاء الحيوي للزائفة الزنجارية في وسط 2216E، حدث تغيير إيجابي في جهد التآكل وزيادة في كثافة تيار التآكل. أظهر تحليل مطيافية الإلكترونات الضوئية بالأشعة السينية (XPS) انخفاضًا في محتوى الكروم على سطح العينة أسفل الغشاء الحيوي. أظهر تحليل التصوير للحفر أن الغشاء الحيوي للزائفة الزنجارية أنتج أقصى عمق للحفر يبلغ 0.69 ميكرومتر خلال 14 يومًا من الحضانة. على الرغم من أن هذا صغير، وهذا يشير إلى أن 2707 HDSS ليس محصنًا تمامًا ضد الحد الأدنى للتركيز المثبط للأغشية الحيوية لـ P. aeruginosa.
تُستخدم الفولاذات المقاومة للصدأ المزدوجة (DSS) على نطاق واسع في مختلف الصناعات نظرًا لمزيجها المثالي من الخصائص الميكانيكية الممتازة ومقاومة التآكل^1،2. ومع ذلك، لا يزال التآكل الموضعي يحدث ويؤثر على سلامة هذا الفولاذ^3،4. كما أن الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج غير مقاوم للتآكل الميكروبي^5،6. على الرغم من تعدد استخدامات الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج، إلا أن هناك بيئات لا تكفي فيها مقاومته للتآكل للاستخدام طويل الأمد. وهذا يعني الحاجة إلى مواد أغلى ثمنًا ذات مقاومة أعلى للتآكل. وقد وجد جيون وآخرون⁷ أن حتى الفولاذات المقاومة للصدأ المزدوجة الفائقة (SDSS) لها بعض القيود فيما يتعلق بمقاومة التآكل. لذلك، هناك حاجة إلى الفولاذات المقاومة للصدأ المزدوجة الفائقة (HDSS) ذات المقاومة الأعلى للتآكل في بعض التطبيقات. وقد أدى ذلك إلى تطوير الفولاذات المقاومة للصدأ المزدوجة الفائقة عالية السبائك.
تعتمد مقاومة التآكل للفولاذ المقاوم للصدأ ثنائي الطور (DSS) على نسبة طوري ألفا وجاما، والمناطق المستنفدة من الكروم والموليبدينوم والتنغستن المجاورة للطور الثاني. يحتوي الفولاذ المقاوم للصدأ عالي الكثافة (HDSS) على نسبة عالية من الكروم والموليبدينوم والنيتروجين، مما يمنحه مقاومة ممتازة للتآكل وقيمة عالية (45-50) لرقم مكافئ مقاومة التنقر (PREN)، والذي يُحدد بالمعادلة التالية: النسبة المئوية الوزنية للكروم + 3.3 (النسبة المئوية الوزنية للموليبدينوم + 0.5 النسبة المئوية الوزنية للتنغستن) + 16 النسبة المئوية الوزنية للنيتروجين. تعتمد مقاومته الممتازة للتآكل على تركيبة متوازنة تحتوي على ما يقارب 50% من طور الفريت (α) و50% من طور الأوستنيت (γ). يتميز الفولاذ المقاوم للصدأ عالي الكثافة (HDSS) بخصائص ميكانيكية أفضل ومقاومة أعلى من الفولاذ المقاوم للصدأ ثنائي الطور التقليدي. كما أن مقاومته المحسّنة للتآكل توسع نطاق استخدام الفولاذ المقاوم للصدأ عالي الكثافة (HDSS) في بيئات الكلوريد الأكثر تآكلًا، مثل البيئات البحرية.
يُعدّ التآكل الميكروبي مشكلة رئيسية في العديد من الصناعات، مثل النفط والغاز ومرافق المياه.¹⁴ ويُمثّل التآكل الميكروبي 20% من إجمالي أضرار التآكل.¹⁵ وهو تآكل كيميائي حيوي يُمكن ملاحظته في العديد من البيئات. تُغيّر الأغشية الحيوية التي تتكوّن على أسطح المعادن الظروف الكهروكيميائية، مما يؤثر على عملية التآكل. ويُعتقد على نطاق واسع أن التآكل الميكروبي ناتج عن الأغشية الحيوية. تقوم الكائنات الدقيقة المولدة للكهرباء بتآكل المعادن للحصول على الطاقة اللازمة لبقائها.¹⁷ وقد أظهرت دراسات حديثة حول التآكل الميكروبي أن نقل الإلكترون خارج الخلية هو العامل المُحدّد لمعدل التآكل الميكروبي الناجم عن الكائنات الدقيقة المولدة للكهرباء. وقد أثبت تشانغ وآخرون¹⁸ أن وسائط الإلكترون تُسرّع نقل الإلكترون بين خلايا ديسلفوفيبرايو سيسفيكانس والفولاذ المقاوم للصدأ 304، مما يؤدي إلى هجوم تآكل ميكروبي أكثر حدة.¹⁹ كما أظهر إينينغ وآخرون¹⁹ وفينزلاف وآخرون¹⁹ أظهرت الدراسة رقم 20 أن الأغشية الحيوية للبكتيريا المختزلة للكبريتات المسببة للتآكل يمكنها امتصاص الإلكترونات مباشرة من الركائز المعدنية، مما يؤدي إلى تآكل شديد في الحفر.
من المعروف أن DSS حساس للحد الأدنى من التثبيط في البيئات التي تحتوي على بكتيريا اختزال الكبريتات (SRB) وبكتيريا اختزال الحديد (IRB) وما إلى ذلك. 21. تسبب هذه البكتيريا نقرًا موضعيًا على أسطح DSS تحت الأغشية الحيوية 22،23. على عكس DSS، فإن الحد الأدنى من التثبيط لـ HDSS 24 غير معروف بشكل جيد.
الزائفة الزنجارية هي بكتيريا سالبة الغرام متحركة عصوية الشكل، واسعة الانتشار في الطبيعة.²⁵ كما تُعدّ الزائفة الزنجارية مجموعة ميكروبية رئيسية في البيئة البحرية، حيث تُسبب التآكل الميكروبي للفولاذ. وتشارك الزائفة الزنجارية بشكل وثيق في عمليات التآكل، وتُعرف بأنها من أوائل البكتيريا المستعمرة أثناء تكوين الأغشية الحيوية. وقد أثبت كل من ماهات وآخرون²⁸ ويوان وآخرون²⁹ أن الزائفة الزنجارية لديها ميل لزيادة معدل تآكل الفولاذ الطري والسبائك في البيئات المائية.
كان الهدف الرئيسي من هذا العمل هو دراسة خصائص التآكل الميكروبي (MIC) للفولاذ المقاوم للصدأ عالي الكثافة 2707 (HDSS) الناتج عن بكتيريا الزائفة الزنجارية (Pseudomonas aeruginosa) الهوائية البحرية، وذلك باستخدام الطرق الكهروكيميائية وتقنيات تحليل الأسطح وتحليل نواتج التآكل. أُجريت دراسات كهروكيميائية، شملت قياس جهد الدائرة المفتوحة (OCP) ومقاومة الاستقطاب الخطي (LPR) ومطيافية المعاوقة الكهروكيميائية (EIS) والاستقطاب الديناميكي للجهد، لدراسة سلوك التآكل الميكروبي للفولاذ المقاوم للصدأ عالي الكثافة 2707. كما أُجري تحليل مطياف تشتت الطاقة (EDS) لتحديد العناصر الكيميائية على السطح المتآكل. بالإضافة إلى ذلك، استُخدم تحليل مطيافية الإلكترونات الضوئية بالأشعة السينية (XPS) لتحديد استقرار طبقة التخميل الأكسيدية تحت تأثير البيئة البحرية المحتوية على بكتيريا الزائفة الزنجارية. وقيس عمق الحفرة باستخدام مجهر المسح الليزري متحد البؤر (CLSM).
يُبين الجدول 1 التركيب الكيميائي لسبائك الفولاذ المقاوم للصدأ عالية الكثافة 2707. ويُظهر الجدول 2 أن هذه السبائك تتمتع بخصائص ميكانيكية ممتازة، حيث تبلغ قوة الخضوع 650 ميجا باسكال. ويُظهر الشكل 1 البنية المجهرية الضوئية لسبائك الفولاذ المقاوم للصدأ عالية الكثافة 2707 المعالجة حرارياً بالمحلول. ويمكن ملاحظة نطاقات ممتدة من طوري الأوستنيت والفريت، دون وجود أطوار ثانوية، في البنية المجهرية التي تحتوي على حوالي 50% من طور الأوستنيت و50% من طور الفريت.
يوضح الشكل 2أ بيانات جهد الدائرة المفتوحة (Eocp) مقابل زمن التعرض لـ 2707 HDSS في وسط 2216E غير حيوي ومرق P. aeruginosa لمدة 14 يومًا عند 37 درجة مئوية. ويُظهر أن أكبر تغيير وأكثرها أهمية في Eocp يحدث خلال أول 24 ساعة. بلغت قيم Eocp ذروتها في كلتا الحالتين عند -145 ملي فولت (مقابل SCE) حوالي 16 ساعة، ثم انخفضت بشكل حاد، لتصل إلى -477 ملي فولت (مقابل SCE) و-236 ملي فولت (مقابل SCE) للعينة غير الحيوية وP، على التوالي. على التوالي. بعد 24 ساعة، كانت قيمة جهد الدائرة المفتوحة (Eocp) لعينات بكتيريا الزائفة الزنجارية (Pseudomonas aeruginosa) مستقرة نسبيًا عند -228 ملي فولت (مقابل قطب كالوميل المشبع)، بينما كانت القيمة المقابلة للعينات غير البيولوجية حوالي -442 ملي فولت (مقابل قطب كالوميل المشبع). كان جهد الدائرة المفتوحة (Eocp) منخفضًا نسبيًا في وجود بكتيريا الزائفة الزنجارية.
الاختبار الكهروكيميائي لـ 2707 عينة من HDSS في وسط غير حيوي ومرق Pseudomonas aeruginosa عند 37 درجة مئوية:
(أ) Eocp كدالة لوقت التعرض، (ب) منحنيات الاستقطاب في اليوم 14، (ج) Rp كدالة لوقت التعرض و (د) icorr كدالة لوقت التعرض.
يسرد الجدول 3 قيم معلمات التآكل الكهروكيميائي لـ 2707 عينة من الفولاذ المقاوم للصدأ عالي الكثافة المعرضة لوسط غير حيوي ووسط ملقح ببكتيريا الزائفة الزنجارية لمدة 14 يومًا. تم استقراء مماسات منحنيات الأنود والكاثود للوصول إلى نقاط التقاطع التي تعطي كثافة تيار التآكل (icorr) وجهد التآكل (Ecorr) وميول تافل (βα و βc) وفقًا للطرق القياسية 30،31.
كما هو موضح في الشكل 2ب، أدى التحول التصاعدي لمنحنى الزائفة الزنجارية إلى زيادة في Ecorr مقارنة بالمنحنى غير الحيوي. وقد زادت قيمة icorr، التي تتناسب مع معدل التآكل، إلى 0.328 ميكرو أمبير سم-2 في عينة الزائفة الزنجارية، أي أربعة أضعاف قيمة العينة غير الحيوية (0.087 ميكرو أمبير سم-2).
يُعدّ تحليل الاستقطاب الخطي (LPR) طريقةً كهروكيميائيةً كلاسيكيةً غير مُتلفة لتحليل التآكل السريع. وقد استُخدمت هذه الطريقة أيضًا لدراسة MIC32. يُظهر الشكل 2ج مقاومة الاستقطاب (Rp) كدالةٍ لزمن التعرض. تشير قيمة Rp الأعلى إلى تآكل أقل. خلال أول 24 ساعة، بلغت قيمة Rp لعينات 2707 HDSS قيمةً قصوى قدرها 1955 كيلو أوم سم² للعينات غير الحيوية، و1429 كيلو أوم سم² لعينات الزائفة الزنجارية. كما يُظهر الشكل 2ج انخفاضًا سريعًا في قيمة Rp بعد يوم واحد، ثم استقرارها نسبيًا خلال الأيام الـ 13 التالية. تبلغ قيمة Rp لعينات الزائفة الزنجارية حوالي 40 كيلو أوم سم²، وهي أقل بكثير من قيمة 450 كيلو أوم سم² للعينات غير الحيوية.
تتناسب قيمة icorr طرديًا مع معدل التآكل المنتظم. ويمكن حساب قيمتها من معادلة ستيرن-جيري التالية،
استنادًا إلى دراسة زو وآخرون (33)، تم افتراض قيمة نموذجية لميل تافل B في هذه الدراسة تبلغ 26 ملي فولت/عقد. يوضح الشكل 2د أن تيار التآكل العكسي (icorr) للعينة غير البيولوجية 2707 ظل مستقرًا نسبيًا، بينما تذبذبت قيم تيار التآكل العكسي لعينة الزائفة الزنجارية بشكل كبير بعد مرور 24 ساعة. وكانت قيم تيار التآكل العكسي لعينات الزائفة الزنجارية أعلى بعشرة أضعاف من قيم عينات التحكم غير البيولوجية. ويتوافق هذا الاتجاه مع نتائج مقاومة الاستقطاب.
تُعدّ مطيافية المعاوقة الكهروكيميائية (EIS) تقنية أخرى غير مُتلفة تُستخدم لتوصيف التفاعلات الكهروكيميائية عند الأسطح المتآكلة. تم قياس أطياف المعاوقة وقيم السعة المحسوبة للعينات المعرضة لوسط غير حيوي ومحلول بكتيريا الزائفة الزنجارية، بالإضافة إلى مقاومة الروبيديوم للغشاء السلبي/الغشاء الحيوي المتكون على سطح العينة، ومقاومة نقل الشحنة (Rct)، وسعة الطبقة المزدوجة الكهربائية (EDL)، ومعاملات عنصر الطور الثابت (CPE). تم تحليل هذه المعاملات بشكل إضافي من خلال مطابقة البيانات باستخدام نموذج دائرة مكافئة (EEC).
يوضح الشكل 3 مخططات نايكويست النموذجية (أ و ب) ومخططات بود (أ' و ب') لـ 2707 عينة من HDSS في وسط غير حيوي ومرق بكتيريا الزائفة الزنجارية لفترات حضانة مختلفة. يقل قطر حلقة نايكويست في وجود بكتيريا الزائفة الزنجارية. يُظهر مخطط بود (الشكل 3ب') زيادة في قيمة المعاوقة الكلية. يمكن الحصول على معلومات حول ثابت زمن الاسترخاء من خلال قيم الطور القصوى. يوضح الشكل 4 البنى الفيزيائية القائمة على الطبقة الأحادية (أ) والطبقة الثنائية (ب) ودوائر الطاقة الكهربائية المقابلة لها. تم إدخال عنصر الطور الثابت (CPE) في نموذج دائرة الطاقة الكهربائية، ويتم التعبير عن مُعامل السماحية ومعاوقة هذا العنصر كما يلي:
نموذجان فيزيائيان ودوائر مكافئة مقابلة لمطابقة طيف المعاوقة لعينة 2707 HDSS:
حيث Y0 هي قيمة CPE، وj هو العدد التخيلي أو (-1)1/2، وω هي التردد الزاوي، وn هو معامل قدرة CPE الأقل من واحد.35. يتناسب مقلوب مقاومة نقل الشحنة (أي 1/Rct) مع معدل التآكل. كلما انخفضت قيمة Rct، زاد معدل التآكل.27. بعد 14 يومًا من الحضانة، بلغت قيمة Rct لعينات Pseudomonas aeruginosa 32 كيلو أوم سم2، وهي أقل بكثير من 489 كيلو أوم سم2 للعينات غير البيولوجية (الجدول 4).
تُظهر صور المجهر الليزري الماسح متحد البؤر (CLSM) والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) في الشكل 5 بوضوح أن تغطية الغشاء الحيوي على سطح عينة 2707 HDSS كثيفة بعد 7 أيام. ومع ذلك، بعد 14 يومًا، أصبحت تغطية الغشاء الحيوي متفرقة وظهرت بعض الخلايا الميتة. يوضح الجدول 5 سُمك الغشاء الحيوي على عينات 2707 HDSS بعد تعريضها لبكتيريا الزائفة الزنجارية (P. aeruginosa) لمدة 7 و14 يومًا. تغير الحد الأقصى لسُمك الغشاء الحيوي من 23.4 ميكرومتر بعد 7 أيام إلى 18.9 ميكرومتر بعد 14 يومًا. كما أكد متوسط ​​سُمك الغشاء الحيوي هذا الاتجاه، حيث انخفض من 22.2 ± 0.7 ميكرومتر بعد 7 أيام إلى 17.8 ± 1.0 ميكرومتر بعد 14 يومًا.
(أ) صورة ثلاثية الأبعاد بتقنية CLSM بعد 7 أيام، (ب) صورة ثلاثية الأبعاد بتقنية CLSM بعد 14 يومًا، (ج) صورة SEM بعد 7 أيام و (د) صورة SEM بعد 14 يومًا.
كشف تحليل EDS عن وجود عناصر كيميائية في الأغشية الحيوية ونواتج التآكل على عينات تعرضت لبكتيريا الزائفة الزنجارية لمدة 14 يومًا. يوضح الشكل 6 أن محتوى الكربون والنيتروجين والأكسجين والفوسفور في الأغشية الحيوية ونواتج التآكل أعلى بكثير من محتواها في المعادن المجردة، لأن هذه العناصر مرتبطة بالأغشية الحيوية ومستقلباتها. لا تحتاج الميكروبات إلا إلى كميات ضئيلة من الكروم والحديد. تشير المستويات العالية من الكروم والحديد في الأغشية الحيوية ونواتج التآكل على سطح العينات إلى أن المصفوفة المعدنية فقدت عناصر نتيجة للتآكل.
بعد 14 يومًا، لوحظ وجود حفر في وسط 2216E، سواء بوجود بكتيريا الزائفة الزنجارية أو بدونها. قبل الحضانة، كان سطح العينة أملسًا وخاليًا من العيوب (الشكل 7أ). بعد الحضانة وإزالة الغشاء الحيوي ونواتج التآكل، تم فحص أعمق الحفر على سطح العينات باستخدام المجهر الليزري الماسح متحد البؤر (CLSM)، كما هو موضح في الشكلين 7ب و7ج. لم تُلاحظ أي حفر واضحة على سطح عينات التحكم غير البيولوجية (أقصى عمق للحفرة 0.02 ميكرومتر). بلغ أقصى عمق للحفرة الناتج عن بكتيريا الزائفة الزنجارية 0.52 ميكرومتر بعد 7 أيام و0.69 ميكرومتر بعد 14 يومًا، وذلك بناءً على متوسط ​​أقصى عمق للحفرة لثلاث عينات (تم اختيار 10 قيم لأقصى عمق للحفرة لكل عينة)، حيث بلغ 0.42 ± 0.12 ميكرومتر و0.52 ± 0.15 ميكرومتر على التوالي (الجدول 5). قيم عمق الحفر صغيرة لكنها مهمة.
(أ) قبل التعرض، (ب) 14 يومًا في وسط غير حيوي و (ج) 14 يومًا في مرق الزائفة الزنجارية.
يوضح الشكل 8 أطياف XPS لأسطح عينات مختلفة، ويلخص الجدول 6 التركيبات الكيميائية التي تم تحليلها لكل سطح. في الجدول 6، كانت النسب المئوية الذرية للحديد والكروم في وجود بكتيريا الزائفة الزنجارية (العينتان A وB) أقل بكثير من تلك الموجودة في عينات التحكم غير البيولوجية (العينتان C وD). بالنسبة لعينة الزائفة الزنجارية، تم تحليل منحنى طيف مستوى الطاقة الأساسي Cr 2p إلى أربعة مكونات ذروة بقيم طاقة ربط (BE) تبلغ 574.4 و576.6 و578.3 و586.8 إلكترون فولت، والتي يمكن أن تُعزى إلى الكروم، وأكسيد الكروم الثلاثي (Cr2O3)، وأكسيد الكروم الثلاثي (CrO3)، وهيدروكسيد الكروم الثلاثي (Cr(OH)3)، على التوالي (الشكل 9أ و9ب). بالنسبة للعينات غير البيولوجية، يحتوي طيف مستوى الطاقة الأساسي Cr 2p على ذروتين رئيسيتين للكروم (573.80 إلكترون فولت لطاقة الربط) وأكسيد الكروم الثلاثي (575.90 إلكترون فولت لطاقة الربط). BE) في الشكل 9 ج و د على التوالي. كان الاختلاف الأبرز بين العينات غير الحيوية وعينات الزائفة الزنجارية هو وجود Cr6+ ونسبة أعلى من Cr(OH)3 (BE 586.8 eV) أسفل الغشاء الحيوي.
يبلغ طيف XPS الواسع لسطح عينة 2707 HDSS في الوسطين 7 أيام و 14 يومًا على التوالي.
(أ) 7 أيام من التعرض لـ P. aeruginosa، (ب) 14 يومًا من التعرض لـ P. aeruginosa، (ج) 7 أيام في وسط غير حيوي و (د) 14 يومًا في وسط غير حيوي.
يُظهر الفولاذ المقاوم للصدأ عالي الصلابة (HDSS) مستويات عالية من مقاومة التآكل في معظم البيئات. وقد ذكر كيم وآخرون (2) أن الفولاذ المقاوم للصدأ عالي الصلابة UNS S32707 يُعرَّف بأنه فولاذ مقاوم للصدأ ثنائي الصلابة عالي السبائك ذو قيمة PREN تزيد عن 45. وقد بلغت قيمة PREN لعينة الفولاذ المقاوم للصدأ عالي الصلابة 2707 في هذه الدراسة 49. ويعود ذلك إلى محتواه العالي من الكروم ومستويات الموليبدينوم والنيكل، وهي عناصر مفيدة في البيئات الحمضية والغنية بالكلوريدات. إضافةً إلى ذلك، يُعد التركيب المتوازن والبنية المجهرية الخالية من العيوب مفيدين للاستقرار الهيكلي ومقاومة التآكل. ومع ذلك، وعلى الرغم من مقاومته الكيميائية الممتازة، تشير البيانات التجريبية في هذه الدراسة إلى أن الفولاذ المقاوم للصدأ عالي الصلابة 2707 ليس محصنًا تمامًا ضد التآكل الميكروبي للأغشية الحيوية لبكتيريا الزائفة الزنجارية.
أظهرت النتائج الكهروكيميائية أن معدل تآكل الفولاذ المقاوم للصدأ عالي الكثافة 2707 في مرق بكتيريا الزائفة الزنجارية قد ازداد بشكل ملحوظ بعد 14 يومًا مقارنةً بالوسط غير الحيوي. في الشكل 2أ، لوحظ انخفاض في جهد الأكسدة والاختزال (Eocp) في كل من الوسط غير الحيوي ومرق بكتيريا الزائفة الزنجارية خلال الـ 24 ساعة الأولى. بعد ذلك، اكتمل تغطية الغشاء الحيوي لسطح العينة، وأصبح جهد الأكسدة والاختزال مستقرًا نسبيًا. ومع ذلك، كان مستوى جهد الأكسدة والاختزال الحيوي أعلى بكثير من مستوى جهد الأكسدة والاختزال غير الحيوي. هناك ما يدعو للاعتقاد بأن هذا الاختلاف يعود إلى تكوّن الغشاء الحيوي لبكتيريا الزائفة الزنجارية. في الشكل 2د، في وجود بكتيريا الزائفة الزنجارية، بلغت قيمة تيار التآكل (icorr) للفولاذ المقاوم للصدأ عالي الكثافة 2707 0.627 ميكروأمبير/سم²، وهي أعلى بعشرة أضعاف من قيمة العينة الضابطة غير الحيوية (0.063 ميكروأمبير/سم²)، وهو ما يتوافق مع قيمة مقاومة نقل الشحنة (Rct) المقاسة بواسطة مطيافية المعاوقة الكهروكيميائية (EIS). خلال الساعات القليلة الأولى في الأيام التالية، ارتفعت قيم المعاوقة في مرق بكتيريا الزائفة الزنجارية نتيجةً لالتصاق خلاياها وتكوّن الأغشية الحيوية. ومع ذلك، عندما غطى الغشاء الحيوي سطح العينة بالكامل، انخفضت المعاوقة. تتعرض الطبقة الواقية للهجوم أولًا بسبب تكوّن الأغشية الحيوية ونواتجها الأيضية. لذلك، انخفضت مقاومة التآكل بمرور الوقت، وتسبب التصاق بكتيريا الزائفة الزنجارية في تآكل موضعي. كانت الاتجاهات في الأوساط غير الحيوية مختلفة. كانت مقاومة التآكل في العينة الضابطة غير الحيوية أعلى بكثير من القيمة المقابلة للعينات المعرضة لمرق بكتيريا الزائفة الزنجارية. علاوة على ذلك، بالنسبة للعينات غير الحيوية، بلغت قيمة Rct للفولاذ المقاوم للصدأ عالي الكثافة 2707 489 كيلو أوم سم² في اليوم 14، أي ما يعادل 15 ضعف قيمة Rct (32 كيلو أوم سم²) في وجود بكتيريا الزائفة الزنجارية. لذلك، يتمتع الفولاذ المقاوم للصدأ عالي الكثافة 2707 بمقاومة ممتازة للتآكل في بيئة معقمة، ولكنه ليس مقاومًا لـ هجوم MIC بواسطة الأغشية الحيوية لبكتيريا الزائفة الزنجارية.
يمكن ملاحظة هذه النتائج أيضًا من منحنيات الاستقطاب في الشكل 2ب. يُعزى التفرع الأنودي إلى تكوين الغشاء الحيوي لبكتيريا الزائفة الزنجارية وتفاعلات أكسدة المعدن. في الوقت نفسه، يتمثل التفاعل الكاثودي في اختزال الأكسجين. أدى وجود بكتيريا الزائفة الزنجارية إلى زيادة كبيرة في كثافة تيار التآكل، بمقدار عشرة أضعاف تقريبًا مقارنةً بالعينة الضابطة غير الحيوية. يشير هذا إلى أن الغشاء الحيوي لبكتيريا الزائفة الزنجارية يزيد من التآكل الموضعي للفولاذ المقاوم للصدأ عالي الكثافة 2707. وجد يوان وآخرون²⁹ أن كثافة تيار التآكل لسبيكة النحاس-النيكل 70/30 قد زادت تحت تأثير الغشاء الحيوي لبكتيريا الزائفة الزنجارية. قد يعود ذلك إلى التحفيز الحيوي لاختزال الأكسجين بواسطة الأغشية الحيوية لبكتيريا الزائفة الزنجارية. قد تفسر هذه الملاحظة أيضًا الحد الأدنى من التآكل الموضعي للفولاذ المقاوم للصدأ عالي الكثافة 2707 في هذه الدراسة. قد تحتوي الأغشية الحيوية الهوائية أيضًا على كمية أقل من الأكسجين تحتها. لذلك، قد يكون عدم إعادة تخميل سطح المعدن بالأكسجين عاملًا مساهمًا في ذلك. MIC في هذا العمل.
أشار ديكنسون وآخرون (38) إلى أن معدلات التفاعلات الكيميائية والكيميائية الكهربائية تتأثر بشكل مباشر بالنشاط الأيضي للبكتيريا المستقرة على سطح العينة وطبيعة نواتج التآكل. وكما هو موضح في الشكل 5 والجدول 5، انخفض كل من عدد الخلايا وسماكة الغشاء الحيوي بعد 14 يومًا. ويمكن تفسير ذلك منطقيًا بأن معظم الخلايا المستقرة على سطح الفولاذ المقاوم للصدأ عالي الكثافة 2707 قد ماتت بعد 14 يومًا نتيجةً لنضوب المغذيات في وسط 2216E أو إطلاق أيونات المعادن السامة من مصفوفة الفولاذ المقاوم للصدأ عالي الكثافة 2707. ويُعد هذا أحد قيود التجارب الدفعية.
في هذه الدراسة، عزز الغشاء الحيوي لبكتيريا الزائفة الزنجارية استنزافًا موضعيًا للكروم والحديد أسفل الغشاء الحيوي على سطح 2707 HDSS (الشكل 6). يوضح الجدول 6 انخفاض الحديد والكروم في العينة D مقارنةً بالعينة C، مما يشير إلى أن الحديد والكروم المذابين الناتجين عن الغشاء الحيوي لبكتيريا الزائفة الزنجارية استمرا لأكثر من 7 أيام. يُستخدم وسط 2216E لمحاكاة البيئات البحرية، ويحتوي على 17700 جزء في المليون من الكلوريد، وهو تركيز مماثل لما هو موجود في مياه البحر الطبيعية. كان وجود 17700 جزء في المليون من الكلوريد السبب الرئيسي لانخفاض الكروم في العينات غير الحيوية التي تم تحليلها بواسطة مطيافية الأشعة السينية الكهروضوئية (XPS) بعد 7 و14 يومًا. بالمقارنة مع عينات الزائفة الزنجارية، كان ذوبان الكروم في العينات غير الحيوية أقل بكثير نظرًا لمقاومة 2707 HDSS القوية للكلوريد في البيئات غير الحيوية. يوضح الشكل 9 وجود الكروم سداسي التكافؤ (Cr6+) في... طبقة التخميل. قد يكون لها دور في إزالة الكروم من أسطح الفولاذ بواسطة الأغشية الحيوية لبكتيريا الزائفة الزنجارية، كما اقترح تشين وكلايتون.
نتيجةً لنمو البكتيريا، بلغت قيم الأس الهيدروجيني للوسط قبل وبعد الزراعة 7.4 و8.2 على التوالي. لذا، من غير المرجح أن يكون تآكل الأحماض العضوية عاملاً مساهماً في هذه الدراسة أسفل طبقة البكتيريا الزائفة الزنجارية، وذلك بسبب ارتفاع الأس الهيدروجيني في الوسط بشكل عام. لم يتغير الأس الهيدروجيني لوسط التحكم غير البيولوجي بشكل ملحوظ (من 7.4 مبدئياً إلى 7.5 نهائياً) خلال فترة الاختبار التي استمرت 14 يوماً. ويعود ارتفاع الأس الهيدروجيني في وسط التلقيح بعد الحضانة إلى النشاط الأيضي للبكتيريا الزائفة الزنجارية، وقد وُجد أن له التأثير نفسه على الأس الهيدروجيني حتى في غياب شرائط الاختبار.
كما هو موضح في الشكل 7، بلغ أقصى عمق للحفر الناتج عن الغشاء الحيوي لبكتيريا الزائفة الزنجارية 0.69 ميكرومتر، وهو أكبر بكثير من عمق الحفر في الوسط غير الحيوي (0.02 ميكرومتر). ويتوافق هذا مع البيانات الكهروكيميائية المذكورة سابقًا. ويقل عمق الحفر البالغ 0.69 ميكرومتر بأكثر من عشر مرات عن القيمة 9.5 ميكرومتر المُسجلة للفولاذ المقاوم للصدأ ثنائي الطور 2205 في ظل نفس الظروف. تُظهر هذه البيانات أن الفولاذ المقاوم للصدأ ثنائي الطور 2707 يتمتع بمقاومة أفضل للتآكل الميكروبي مقارنةً بالفولاذ المقاوم للصدأ ثنائي الطور 2205. وهذا ليس بالأمر المفاجئ، إذ يحتوي الفولاذ المقاوم للصدأ ثنائي الطور 2707 على نسبة أعلى من الكروم، مما يوفر تخميلًا يدوم لفترة أطول، نظرًا لبنية الطور المتوازنة الخالية من الرواسب الثانوية الضارة، مما يُصعّب على بكتيريا الزائفة الزنجارية إزالة التخميل وتجاوز نقاط البداية.
في الختام، لوحظ وجود تآكل ناتج عن التآكل الميكروبي على سطح الفولاذ المقاوم للصدأ عالي الكثافة 2707 في مرق بكتيريا الزائفة الزنجارية، مقارنةً بتآكل ضئيل في الأوساط غير الحيوية. تُظهر هذه الدراسة أن الفولاذ المقاوم للصدأ عالي الكثافة 2707 يتمتع بمقاومة أفضل للتآكل الميكروبي من الفولاذ المقاوم للصدأ ثنائي الكثافة 2205، ولكنه ليس محصنًا تمامًا ضد التآكل الميكروبي بسبب الغشاء الحيوي لبكتيريا الزائفة الزنجارية. تُسهم هذه النتائج في اختيار أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ المناسبة وتقدير عمرها الافتراضي في البيئة البحرية.
تم توفير عينة الفولاذ المقاوم للصدأ عالي الكثافة 2707 من قِبل كلية علم المعادن بجامعة شمال شرق الصين (NEU) في شنيانغ، الصين. يوضح الجدول 1 التركيب العنصري للفولاذ المقاوم للصدأ عالي الكثافة 2707، والذي تم تحليله بواسطة قسم تحليل واختبار المواد في جامعة شمال شرق الصين. خضعت جميع العينات لمعالجة حرارية عند درجة حرارة 1180 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة. قبل اختبار التآكل، تم صقل عينات الفولاذ المقاوم للصدأ عالي الكثافة 2707 ذات الشكل الدائري، والتي تبلغ مساحة سطحها العلوي المكشوف 1 سم²، باستخدام ورق كربيد السيليكون بدرجة خشونة 2000، ثم تم صقلها مرة أخرى باستخدام معلق مسحوق أكسيد الألومنيوم (Al₂O₃) بحجم حبيبات 0.05 ميكرومتر. تم حماية الجوانب والقاع بطلاء خامل. بعد التجفيف، تم شطف العينات بماء منزوع الأيونات معقم، ثم تعقيمها باستخدام الإيثانول بتركيز 75% (حجم/حجم) لمدة نصف ساعة. بعد ذلك، تم تجفيفها بالهواء تحت ضوء الأشعة فوق البنفسجية لمدة نصف ساعة قبل استخدامها.
تم شراء سلالة Pseudomonas aeruginosa البحرية MCCC 1A00099 من مركز شيامن لتجميع المزارع البحرية (MCCC)، الصين. تمت زراعة Pseudomonas aeruginosa هوائياً عند درجة حرارة 37 درجة مئوية في قوارير سعة 250 مل وخلايا زجاجية كهروكيميائية سعة 500 مل باستخدام وسط Marine 2216E السائل (شركة تشينغداو هوب للتكنولوجيا الحيوية المحدودة، تشينغداو، الصين). مكونات الوسط (غ/ل): 19.45 كلوريد الصوديوم، 5.98 كلوريد المغنيسيوم، 3.24 كبريتات الصوديوم، 1.8 كلوريد الكالسيوم، 0.55 كلوريد البوتاسيوم، 0.16 كربونات الصوديوم، 0.08 بروميد البوتاسيوم، 0.034 كلوريد السترونتيوم، 0.08 بروميد السترونتيوم، 0.022 حمض البوريك، 0.004 سيليكات الصوديوم، 0.016 أمونيا، 0.016 NH3، 0.016 NaH2PO4، 5.0 ببتون، 1.0 مستخلص خميرة، و0.1 سترات حديدية. يُعقّم بالبخار عند 121 درجة مئوية لمدة 20 دقيقة قبل التلقيح. تُحصى الخلايا الثابتة والعائمة باستخدام عداد خلايا الدم تحت مجهر ضوئي بتكبير 400X. كان التركيز الأولي لخلايا الزائفة الزنجارية العائمة مباشرة بعد التلقيح حوالي 106 خلية/مل.
أُجريت الاختبارات الكهروكيميائية في خلية زجاجية كلاسيكية ثلاثية الأقطاب بحجم متوسط ​​500 مل. وُصِلَت صفيحة بلاتينية وقطب كالوميل مشبع (SCE) بالمفاعل عبر أنابيب شعرية من نوع لوجين مملوءة بجسور ملحية، حيثُ استُخدِمَت كقطب مضاد وقطب مرجعي على التوالي. ولصنع أقطاب العمل، وُصِلَ سلك نحاسي مغلف بالمطاط بكل عينة وغُطِّيَ بالإيبوكسي، تاركًا حوالي 1 سم² من مساحة السطح المكشوفة أحادية الجانب لقطب العمل. أثناء القياسات الكهروكيميائية، وُضِعَت العينات في وسط 2216E وحُفِظَت عند درجة حرارة حضانة ثابتة (37 درجة مئوية) في حمام مائي. قِيسَت بيانات جهد الدائرة المفتوحة (OCP) ومقاومة الطور الخطي (LPR) ومطيافية المعاوقة الكهروكيميائية (EIS) والاستقطاب الديناميكي المحتمل باستخدام جهاز قياس الجهد الكهربائي Autolab (المرجع 600™، شركة Gamry Instruments، الولايات المتحدة الأمريكية). سُجِّلَت اختبارات LPR بمعدل مسح 0.125 ملي فولت/ثانية على مدى -5 إلى 5 ملي فولت مع Eocp وتردد أخذ عينات 1 أُجري تحليل المعاوقة الكهروكيميائية (EIS) باستخدام موجة جيبية في نطاق التردد من 0.01 إلى 10000 هرتز، بتطبيق جهد 5 ملي فولت عند جهد الدائرة المفتوحة (Eocp) في حالة الاستقرار. قبل مسح الجهد، كانت الأقطاب الكهربائية في وضع الدائرة المفتوحة حتى الوصول إلى قيمة جهد تآكل حر مستقرة. ثم رُسمت منحنيات الاستقطاب من -0.2 إلى 1.5 فولت مقابل جهد الدائرة المفتوحة (Eocp) بمعدل مسح 0.166 ملي فولت/ثانية. كُررت كل تجربة 3 مرات بوجود بكتيريا الزائفة الزنجارية (P. aeruginosa) وبدونها.
تم صقل العينات المخصصة للتحليل المعدني ميكانيكيًا باستخدام ورق كربيد السيليكون الرطب ذي حبيبات 2000، ثم صُقلت مرة أخرى باستخدام معلق مسحوق أكسيد الألومنيوم (Al2O3) بحجم 0.05 ميكرومتر للملاحظة البصرية. أُجري التحليل المعدني باستخدام مجهر ضوئي. تم حفر العينات بمحلول هيدروكسيد البوتاسيوم بتركيز 10% وزنيًا.
بعد فترة الحضانة، غُسلت العينات ثلاث مرات بمحلول ملحي مُخفَّف بالفوسفات (PBS) (الأس الهيدروجيني 7.4 ± 0.2)، ثم ثُبِّتت باستخدام غلوتارالدهيد بنسبة 2.5% (حجم/حجم) لمدة 10 ساعات لتثبيت الأغشية الحيوية. بعد ذلك، جُفِّفت العينات تدريجيًا باستخدام سلسلة متدرجة من الإيثانول (50%، 60%، 70%، 80%، 90%، 95%، و100% حجم/حجم) قبل تجفيفها بالهواء. أخيرًا، طُلي سطح العينة بطبقة رقيقة من الذهب لتوفير التوصيل الكهربائي اللازم للملاحظة باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM). رُكِّزت صور المجهر الإلكتروني الماسح على البقع التي تحتوي على أكبر عدد من خلايا الزائفة الزنجارية الثابتة على سطح كل عينة. أُجري تحليل EDS لتحديد العناصر الكيميائية. استُخدم مجهر المسح الليزري متحد البؤر من زايس (CLSM) (LSM 710، زايس، ألمانيا) لقياس عمق الحفر. من أجل ملاحظة حفر التآكل تحت تم تنظيف قطعة الاختبار أولاً وفقًا للمعيار الوطني الصيني (CNS) GB/T4334.4-2000 لإزالة منتجات التآكل والأغشية الحيوية على سطح قطعة الاختبار.
تم إجراء تحليل مطيافية الإلكترونات الضوئية بالأشعة السينية (XPS، نظام تحليل السطح ESCALAB250، Thermo VG، الولايات المتحدة الأمريكية) باستخدام مصدر أشعة سينية أحادي اللون (خط Kα للألومنيوم عند طاقة 1500 إلكترون فولت وقدرة 150 واط) على نطاق واسع من طاقة الربط 0 في ظل الظروف القياسية -1350 إلكترون فولت. تم تسجيل الأطياف عالية الدقة باستخدام طاقة مرور 50 إلكترون فولت وحجم خطوة 0.2 إلكترون فولت.
أُزيلت العينات المحضونة وغُسلت برفق بمحلول فوسفات ملحي (PBS) (الأس الهيدروجيني 7.4 ± 0.2) لمدة 15 ثانية. ولرصد حيوية البكتيريا في الأغشية الحيوية على العينات، صُبغت الأغشية الحيوية باستخدام مجموعة LIVE/DEAD BacLight Bacterial Viability Kit (Invitrogen، يوجين، أوريغون، الولايات المتحدة الأمريكية). تحتوي المجموعة على صبغتين فلوريتين، صبغة SYTO-9 خضراء فلورية وصبغة بروبيديوم يوديد (PI) حمراء فلورية. تحت المجهر متحد البؤر الماسح بالليزر (CLSM)، تمثل النقاط الخضراء والحمراء الفلورية الخلايا الحية والميتة على التوالي. للتلوين، حُضن مزيج حجمه 1 مل يحتوي على 3 ميكرولتر من SYTO-9 و3 ميكرولتر من محلول PI لمدة 20 دقيقة في درجة حرارة الغرفة (23 درجة مئوية) في الظلام. بعد ذلك، لُوحظت العينات المصبوغة عند طولين موجيين (488 نانومتر للخلايا الحية و559 نانومتر للخلايا الميتة) باستخدام مجهر نيكون. جهاز CLSM (C2 Plus، نيكون، اليابان). تم قياس سمك الغشاء الحيوي في وضع المسح ثلاثي الأبعاد.
كيفية الاستشهاد بهذه المقالة: لي، هـ. وآخرون. التآكل الميكروبي للفولاذ المقاوم للصدأ فائق الجودة 2707 بواسطة الغشاء الحيوي لبكتيريا الزائفة الزنجارية البحرية. تقارير العلوم 6، 20190؛ doi: 10.1038/srep20190 (2016).
Zanotto, F., Grassi, V., Balbo, A., Monticelli, C. & Zucchi, F. Stress Corcoring cracking of LDX 2101 duplex stainless steel in chloride solution in the presence of thiosulfate.coros.science.80, 205–212 (2014).
Kim, ST, Jang, SH, Lee, IS & Park, YS تأثير المعالجة الحرارية للمحلول والنيتروجين في غاز الحماية على مقاومة التآكل النقطي للفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج الفائق welds.coros.science.53, 1939–1947 (2011).
Shi, X., Avci, R., Geiser, M. & Lewandowski, Z. دراسة كيميائية مقارنة للتآكل النقطي الناجم عن الميكروبات والتآكل النقطي الكهروكيميائي في الفولاذ المقاوم للصدأ 316L.coros.science.45, 2577–2595 (2003).
Luo, H., Dong, CF, Li, XG & Xiao, K. السلوك الكهروكيميائي للفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج 2205 في المحاليل القلوية ذات الرقم الهيدروجيني المختلف في وجود الكلوريد. Electrochim.Journal.64, 211–220 (2012).
ليتل، بي جيه، لي، جيه إس وراي، آر آي تأثير الأغشية الحيوية البحرية على التآكل: مراجعة موجزة. مجلة الكيمياء الكهربائية 54، 2-7 (2008).