نشكرك على زيارة Nature.com. إصدار المتصفح الذي تستخدمه يدعم CSS بشكل محدود. للحصول على أفضل تجربة، نوصيك باستخدام متصفح محدث (أو إيقاف تشغيل وضع التوافق في Internet Explorer). في غضون ذلك، لضمان استمرار الدعم، سنعرض الموقع بدون أنماط وJavaScript.
التآكل الميكروبي (MIC) مشكلة خطيرة في العديد من الصناعات لأنه يمكن أن يسبب خسائر اقتصادية فادحة. تم استخدام الفولاذ المقاوم للصدأ الفائق المزدوج 2707 (2707 HDSS) في البيئات البحرية بسبب مقاومته الكيميائية الممتازة. ومع ذلك، لم يتم إثبات مقاومته لـ MIC تجريبياً. في هذه الدراسة، تم التحقيق في سلوك MIC لـ 2707 HDSS الناجم عن البكتيريا الهوائية البحرية Pseudomonas aeruginosa. أظهر التحليل الكهروكيميائي أنه في وجود غشاء حيوي من Pseudomonas aeruginosa في وسط 2216E، كان هناك تغيير إيجابي في إمكانية التآكل وزيادة في كثافة تيار التآكل. أظهر تحليل مطيافية الأشعة السينية الضوئية الإلكترونية (XPS) انخفاضًا في محتوى الكروم على سطح العينة أسفل الغشاء الحيوي. أظهر تحليل التصوير للحفر أن الغشاء الحيوي لـ Pseudomonas aeruginosa أنتج أقصى عمق للحفرة يبلغ 0.69 ميكرومتر خلال 14 يومًا من الحضانة. على الرغم من هذا صغير، ويشير إلى أن 2707 HDSS ليس محصنًا تمامًا ضد MIC لأغشية البكتيريا الزائفة الزنجارية.
تُستخدم الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج (DSS) على نطاق واسع في العديد من الصناعات لمزيجها المثالي من الخصائص الميكانيكية الممتازة ومقاومة التآكل1،2. ومع ذلك، لا يزال يحدث التآكل الموضعي ويؤثر على سلامة هذا الفولاذ3،4. DSS غير مقاوم للتآكل الميكروبي (MIC)5،6. وعلى الرغم من النطاق الواسع لتطبيقات DSS، لا تزال هناك بيئات حيث لا تكون مقاومة DSS للتآكل كافية للاستخدام طويل الأمد. وهذا يعني أن هناك حاجة إلى مواد أكثر تكلفة مع مقاومة أعلى للتآكل. وجد Jeon et al7 أن حتى الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج الفائق (SDSS) له بعض القيود من حيث مقاومة التآكل. لذلك، هناك حاجة إلى الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج الفائق (HDSS) مع مقاومة أعلى للتآكل في بعض التطبيقات. وقد أدى ذلك إلى تطوير HDSS عالي السبائك.
تعتمد مقاومة التآكل لـ DSS على نسبة طوري ألفا وجاما والمناطق المستنفدة من الكروم والموليبدينوم والنيتروجين 8 و9 و10 المجاورة للطور الثاني. يحتوي HDSS على نسبة عالية من الكروم والموليبدينوم والنيتروجين 11، لذا يتمتع بمقاومة ممتازة للتآكل وقيمة عالية (45-50) لرقم مكافئ مقاومة التآكل (PREN)، والذي يتم تحديده بواسطة النسبة المئوية للوزن من الكروم + 3.3 (النسبة المئوية للوزن من الموليبدينوم + 0.5 النسبة المئوية للوزن من النيكل) + 16 النسبة المئوية للوزن من النيكل 12. تعتمد مقاومته الممتازة للتآكل على تركيبة متوازنة تحتوي على ما يقرب من 50% من طوري الفريت (α) و50% من الأوستينيت (γ)، ويتميز HDSS بخصائص ميكانيكية أفضل ومقاومة أعلى من DSS13 التقليدي. خصائص تآكل الكلوريد. توسع مقاومة التآكل المحسنة من استخدام HDSS في بيئات الكلوريد الأكثر تآكلًا، مثل البيئات البحرية.
تشكل MICs مشكلة كبيرة في العديد من الصناعات مثل مرافق النفط والغاز والمياه14. وتمثل MIC نسبة 20% من جميع أضرار التآكل15. MIC هو تآكل حيوي كهربائي كيميائي يمكن ملاحظته في العديد من البيئات. تغير الأغشية الحيوية التي تتشكل على الأسطح المعدنية الظروف الكهروكيميائية، مما يؤثر على عملية التآكل. ومن المعتقد على نطاق واسع أن تآكل MIC ناتج عن الأغشية الحيوية. تآكل الكائنات الحية الدقيقة المولدة للكهرباء المعادن للحصول على الطاقة اللازمة للبقاء17. أظهرت دراسات MIC الحديثة أن EET (نقل الإلكترون خارج الخلية) هو العامل المحدد للسرعة في MIC الناجم عن الكائنات الحية الدقيقة المولدة للكهرباء. أظهر Zhang et al. 18 أن وسطاء الإلكترون يسرعون نقل الإلكترون بين خلايا Desulfovibrio sessificans والفولاذ المقاوم للصدأ 304، مما يؤدي إلى هجوم MIC أكثر شدة. Enning et al. 19 و Venzlaff et al. أظهرت دراسة حديثة أن الأغشية الحيوية للبكتيريا المسببة للتآكل والتي تعمل على اختزال الكبريتات (SRB) يمكنها امتصاص الإلكترونات مباشرة من ركائز المعادن، مما يؤدي إلى تآكل شديد.
من المعروف أن DSS حساس لـ MIC في البيئات التي تحتوي على SRB والبكتيريا المختزلة للحديد (IRB) وما إلى ذلك. 21 تسبب هذه البكتيريا حفرًا موضعيًا على أسطح DSS تحت الأغشية الحيوية22،23. وعلى عكس DSS، فإن MIC لـ HDSS24 غير معروف بشكل جيد.
Pseudomonas aeruginosa هي بكتيريا متحركة على شكل قضيب سلبية الجرام تنتشر على نطاق واسع في الطبيعة25. كما تعد Pseudomonas aeruginosa مجموعة ميكروبية رئيسية في البيئة البحرية، مما يتسبب في MIC للصلب. تشارك Pseudomonas بشكل وثيق في عمليات التآكل ويتم التعرف عليها كمستعمر رائد أثناء تكوين الأغشية الحيوية. أظهر Mahat et al. 28 و Yuan et al. 29 أن Pseudomonas aeruginosa لديها ميل لزيادة معدل تآكل الفولاذ الطري والسبائك في البيئات المائية.
كان الهدف الرئيسي من هذا العمل هو التحقيق في خصائص MIC لـ 2707 HDSS التي تسببها البكتيريا الهوائية البحرية Pseudomonas aeruginosa باستخدام الطرق الكهروكيميائية وتقنيات التحليل السطحي وتحليل منتجات التآكل. تم إجراء دراسات كهروكيميائية بما في ذلك جهد الدائرة المفتوحة (OCP) ومقاومة الاستقطاب الخطي (LPR) وطيفية المعاوقة الكهروكيميائية (EIS) والاستقطاب الديناميكي المحتمل لدراسة سلوك MIC لـ 2707 HDSS. تم إجراء تحليل مطياف التشتت الطاقي (EDS) للعثور على العناصر الكيميائية على السطح المتآكل. بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام تحليل مطيافية الفوتون الإلكتروني بالأشعة السينية (XPS) لتحديد استقرار تخميل فيلم الأكسيد تحت تأثير البيئة البحرية التي تحتوي على Pseudomonas aeruginosa. تم قياس عمق الحفرة تحت مجهر مسح الليزر البؤري (CLSM).
يوضح الجدول 1 التركيب الكيميائي لـ 2707 HDSS. يوضح الجدول 2 أن 2707 HDSS يتمتع بخصائص ميكانيكية ممتازة مع قوة خضوع تبلغ 650 ميجا باسكال. يوضح الشكل 1 البنية الدقيقة البصرية لـ 2707 HDSS المعالج بالحرارة. يمكن رؤية نطاقات مستطيلة من طور الأوستينيت والفيريت بدون طور ثانوي في البنية الدقيقة التي تحتوي على حوالي 50٪ طور الأوستينيت و 50٪ طور الفريت.
يوضح الشكل 2أ إمكانات الدائرة المفتوحة (Eocp) مقابل بيانات وقت التعرض لـ 2707 HDSS في وسط 2216E غير الحيوي ومرق P. aeruginosa لمدة 14 يومًا عند 37 درجة مئوية. يُظهر أن التغيير الأكبر والأكثر أهمية في Eocp يحدث خلال أول 24 ساعة. بلغت قيم Eocp ذروتها في كلتا الحالتين عند -145 مللي فولت (مقابل SCE) حوالي 16 ساعة ثم انخفضت بشكل حاد، لتصل إلى -477 مللي فولت (مقابل SCE) و-236 مللي فولت (مقابل SCE) للعينة غير الحيوية و P، على التوالي). كوبونات Pseudomonas aeruginosa، على التوالي. بعد 24 ساعة، كانت قيمة Eocp لـ 2707 HDSS لـ Pseudomonas aeruginosa مستقرة نسبيًا عند -228 مللي فولت (مقارنة بـ SCE)، في حين كانت القيمة المقابلة للعينات غير البيولوجية حوالي -442 مللي فولت (مقارنة بـ SCE). كان Eocp في وجود Pseudomonas aeruginosa منخفضًا إلى حد ما.
الاختبار الكهروكيميائي لـ 2707 عينة 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.
يوضح الجدول 3 قيم معلمات التآكل الكهروكيميائي لعينات 2707 HDSS المعرضة لوسط غير حيوي ووسط ملقح بـ Pseudomonas aeruginosa لمدة 14 يومًا. تم استقراء مماسات المنحنيات الأنودية والكاثودية للوصول إلى التقاطعات التي تعطي كثافة تيار التآكل (icorr) وإمكانية التآكل (Ecorr) ومنحدرات Tafel (βα و βc) وفقًا للطرق القياسية 30،31.
كما هو موضح في الشكل 2ب، أدى التحول لأعلى لمنحنى Pseudomonas aeruginosa إلى زيادة في Ecorr مقارنة بالمنحنى غير الحيوي. زادت قيمة icorr، والتي تتناسب مع معدل التآكل، إلى 0.328 μA cm-2 في عينة Pseudomonas aeruginosa، أي أربعة أضعاف العينة غير البيولوجية (0.087 μA cm-2).
LPR هي طريقة كهروكيميائية غير مدمرة كلاسيكية لتحليل التآكل السريع. كما تم استخدامها لدراسة MIC32. يوضح الشكل 2 ج مقاومة الاستقطاب (Rp) كدالة لوقت التعرض. تعني قيمة Rp الأعلى تآكلًا أقل. في غضون 24 ساعة الأولى، وصلت قيمة Rp لـ 2707 HDSS إلى قيمة قصوى تبلغ 1955 كيلو أوم سم 2 للعينات غير الحيوية و1429 كيلو أوم سم 2 لعينات Pseudomonas aeruginosa. يوضح الشكل 2 ج أيضًا أن قيمة Rp انخفضت بسرعة بعد يوم واحد ثم ظلت دون تغيير نسبيًا لمدة 13 يومًا التالية. تبلغ قيمة Rp لعينة Pseudomonas aeruginosa حوالي 40 كيلو أوم سم 2، وهي أقل بكثير من قيمة 450 كيلو أوم سم 2 للعينة غير البيولوجية.
قيمة icorr تتناسب مع معدل التآكل المنتظم. ويمكن حساب قيمتها من معادلة ستيرن-جيري التالية،
وبناءً على Zou et al. 33، افترض أن القيمة النموذجية لمنحدر Tafel B في هذا العمل هي 26 مللي فولت/ديسيلتر. يوضح الشكل 2د أن معدل تكرار العينة غير البيولوجية 2707 ظل مستقرًا نسبيًا، في حين تقلبت عينة P. aeruginosa بشكل كبير بعد أول 24 ساعة. كانت قيم معدل تكرار عينات P. aeruginosa أعلى بمقدار مرتبة واحدة من الضوابط غير البيولوجية. يتوافق هذا الاتجاه مع نتائج مقاومة الاستقطاب.
EIS هي تقنية غير مدمرة أخرى تستخدم لتوصيف التفاعلات الكهروكيميائية عند الواجهات المتآكلة. أطياف المعاوقة وقيم السعة المحسوبة للعينات المعرضة للوسائط غير الحيوية ومحلول Pseudomonas aeruginosa، ومقاومة Rb للفيلم السلبي / الفيلم الحيوي المتشكل على سطح العينة، ومقاومة نقل الشحنة Rct، وسعة الطبقة المزدوجة الكهربائية Cdl (EDL) ومعلمات عنصر الطور الثابت QCPE (CPE). تم تحليل هذه المعلمات بشكل أكبر عن طريق ملاءمة البيانات باستخدام نموذج الدائرة المكافئة (EEC).
يوضح الشكل 3 مخططات نيكويست النموذجية (أ و ب) ومخططات بود (أ' و ب') لـ 2707 عينة HDSS في وسط غير حيوي ومرق الزائفة الزنجارية لفترات حضانة مختلفة. يتناقص قطر حلقة نيكويست في وجود الزائفة الزنجارية. يوضح مخطط بود (الشكل 3ب') زيادة في حجم المعاوقة الكلية. يمكن توفير معلومات حول ثابت زمن الاسترخاء من خلال القيم القصوى للطور. يوضح الشكل 4 الهياكل الفيزيائية القائمة على الطبقة الأحادية (أ) والطبقة الثنائية (ب) و EECs المقابلة لها. يتم إدخال CPE في نموذج EEC. يتم التعبير عن قبولها ومعاوقتها على النحو التالي:
نموذجان فيزيائيان ودوائر مكافئة مقابلة لتناسب طيف المعاوقة لعينة 2707 HDSS:
حيث Y0 هو مقدار CPE، وj هو العدد التخيلي أو (-1)1/2، وω هو التردد الزاوي، وn هو مؤشر طاقة CPE أقل من الواحد35. يتوافق معكوس مقاومة نقل الشحنة (أي 1/Rct) مع معدل التآكل. كلما كان Rct أصغر، كان معدل التآكل أسرع27. بعد 14 يومًا من الحضانة، وصل Rct لعينات Pseudomonas aeruginosa إلى 32 كيلو أوم سم2، وهو أصغر بكثير من 489 كيلو أوم سم2 للعينات غير البيولوجية (الجدول 4).
تظهر صور CLSM وصور SEM في الشكل 5 بوضوح أن تغطية الغشاء الحيوي على سطح عينة 2707 HDSS بعد 7 أيام كثيفة. ومع ذلك، بعد 14 يومًا، كانت تغطية الغشاء الحيوي متفرقة وظهرت بعض الخلايا الميتة. يوضح الجدول 5 سمك الغشاء الحيوي على عينات 2707 HDSS بعد التعرض لـ P. aeruginosa لمدة 7 و14 يومًا. تغير الحد الأقصى لسمك الغشاء الحيوي من 23.4 ميكرومتر بعد 7 أيام إلى 18.9 ميكرومتر بعد 14 يومًا. كما أكد متوسط ​​سمك الغشاء الحيوي هذا الاتجاه أيضًا. انخفض من 22.2 ± 0.7 ميكرومتر بعد 7 أيام إلى 17.8 ± 1.0 ميكرومتر بعد 14 يومًا.
(أ) صورة CLSM ثلاثية الأبعاد بعد 7 أيام، (ب) صورة CLSM ثلاثية الأبعاد بعد 14 يومًا، (ج) صورة المجهر الإلكتروني الماسح بعد 7 أيام، و(د) صورة المجهر الإلكتروني الماسح بعد 14 يومًا.
كشف EDS عن وجود عناصر كيميائية في الأغشية الحيوية ومنتجات التآكل على العينات المعرضة لـ P. aeruginosa لمدة 14 يومًا. يوضح الشكل 6 أن محتوى C و N و O و P في الأغشية الحيوية ومنتجات التآكل أعلى بكثير من تلك الموجودة في المعادن العارية، لأن هذه العناصر مرتبطة بالأغشية الحيوية ومستقلباتها. تحتاج الميكروبات فقط إلى كميات ضئيلة من الكروم والحديد. تشير المستويات العالية من Cr و Fe في الأغشية الحيوية ومنتجات التآكل على سطح العينات إلى أن مصفوفة المعدن فقدت عناصر بسبب التآكل.
بعد 14 يومًا، لوحظ وجود حفر مع وبدون P. aeruginosa في وسط 2216E. قبل الحضانة، كان سطح العينة أملسًا وخاليًا من العيوب (الشكل 7أ). بعد الحضانة وإزالة الأغشية الحيوية ومنتجات التآكل، تم فحص أعمق الحفر على سطح العينات تحت CLSM، كما هو موضح في الشكل 7ب و ج. لم يتم العثور على حفر واضحة على سطح عينات التحكم غير البيولوجية (أقصى عمق للحفرة 0.02 ميكرومتر). كان أقصى عمق للحفرة الناجم عن Pseudomonas aeruginosa 0.52 ميكرومتر بعد 7 أيام و0.69 ميكرومتر بعد 14 يومًا، بناءً على متوسط ​​أقصى عمق للحفرة لـ 3 عينات (تم اختيار 10 قيم أقصى عمق للحفرة لكل عينة) وصل إلى 0.42 ± 0.12 ميكرومتر و0.52 ± 0.15 ميكرومتر على التوالي (الجدول 5) قيم عمق الحفرة هذه صغيرة ولكنها مهمة.
(أ) قبل التعرض، (ب) 14 يومًا في وسط غير حيوي و(ج) 14 يومًا في مرق Pseudomonas aeruginosa.
يوضح الشكل 8 أطياف XPS لأسطح العينات المختلفة، ويتم تلخيص التركيبات الكيميائية التي تم تحليلها لكل سطح في الجدول 6. في الجدول 6، كانت النسب الذرية للحديد والكروم في وجود الزائفة الزنجارية (العينتان أ و ب) أقل بكثير من النسب الموجودة في عينات التحكم غير البيولوجية (العينتان ج و د). بالنسبة لعينة الزائفة الزنجارية، تم تركيب منحنى الطيف على مستوى النواة Cr 2p على أربعة مكونات ذروة بقيم طاقة ربط (BE) تبلغ 574.4 و 576.6 و 578.3 و 586.8 إلكترون فولت، والتي يمكن أن تُعزى إلى Cr و Cr2O3 و CrO3 و Cr(OH)3 على التوالي (الشكل 9أ و ب). بالنسبة للعينات غير البيولوجية، يحتوي طيف مستوى النواة Cr 2p على قمتين رئيسيتين للكروم (573.80 إلكترون فولت لـ BE) و Cr2O3 (575.90 كان الاختلاف الأكثر وضوحًا بين العينات غير الحيوية وعينات الزائفة الزنجارية هو وجود Cr6+ ونسبة أعلى نسبيًا من Cr(OH)3 (BE 586.8 إلكترون فولت) أسفل الغشاء الحيوي.
تبلغ أطياف XPS الواسعة لسطح عينة 2707 HDSS في الوسيطين 7 أيام و14 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 HDSS مستويات عالية من مقاومة التآكل في معظم البيئات. أفاد Kim et al. 2 أن UNS S32707 HDSS تم تعريفه على أنه DSS عالي السبائك مع PREN يزيد عن 45. كانت قيمة PREN لعينة 2707 HDSS في هذا العمل 49. ويرجع ذلك إلى محتواها العالي من الكروم ومستويات الموليبدينوم والنيكل العالية، والتي تكون مفيدة في البيئات الحمضية والعالية الكلوريد. بالإضافة إلى ذلك، فإن التركيبة المتوازنة جيدًا والبنية الدقيقة الخالية من العيوب مفيدة للاستقرار الهيكلي ومقاومة التآكل. ومع ذلك، وعلى الرغم من مقاومتها الكيميائية الممتازة، تشير البيانات التجريبية في هذا العمل إلى أن 2707 HDSS ليس محصنًا تمامًا ضد الحد الأدنى المثبط للأغشية الحيوية لـ P. aeruginosa.
أظهرت النتائج الكهروكيميائية أن معدل تآكل 2707 HDSS في مرق P. aeruginosa قد زاد بشكل ملحوظ بعد 14 يومًا مقارنةً بالوسط غير البيولوجي. في الشكل 2أ، لوحظ انخفاض في Eocp في كل من الوسط غير الحيوي ومرق P. aeruginosa خلال أول 24 ساعة. بعد ذلك، أكمل الغشاء الحيوي تغطية سطح العينة وأصبح Eocp مستقرًا نسبيًا36. ومع ذلك، كان مستوى Eocp البيولوجي أعلى بكثير من مستوى Eocp غير البيولوجي. هناك سبب للاعتقاد بأن هذا الاختلاف يرجع إلى تكوين الغشاء الحيوي لـ P. aeruginosa. في الشكل 2د، في وجود P. aeruginosa، وصلت قيمة icorr لـ 2707 HDSS إلى 0.627 μA cm-2، وهو ما كان أعلى بمقدار مرتبة من قيمة التحكم غير الحيوي (0.063 μA cm-2)، وهو ما كان متسقًا مع قيمة Rct المقاسة بواسطة EIS. أثناء في الأيام القليلة الأولى، زادت قيم المعاوقة في مرق الزائفة الزنجارية بسبب التصاق خلايا الزائفة الزنجارية وتكوين الأغشية الحيوية. ومع ذلك، عندما يغطي الغشاء الحيوي سطح العينة بالكامل، تنخفض المعاوقة. تتعرض الطبقة الواقية للهجوم أولاً بسبب تكوين الأغشية الحيوية ومستقلبات الغشاء الحيوي. لذلك، انخفضت مقاومة التآكل بمرور الوقت، وتسبب التصاق الزائفة الزنجارية في تآكل موضعي. كانت الاتجاهات في الوسائط غير الحيوية مختلفة. كانت مقاومة التآكل للتحكم غير البيولوجي أعلى بكثير من القيمة المقابلة للعينات المعرضة لمرق الزائفة الزنجارية. علاوة على ذلك، بالنسبة للعينات غير الحيوية، وصلت قيمة Rct لـ 2707 HDSS إلى 489 كيلو أوم سم 2 في اليوم 14، وهو ما يعادل 15 ضعف قيمة Rct (32 كيلو أوم سم 2) في وجود الزائفة الزنجارية. لذلك، يتمتع 2707 HDSS بمقاومة ممتازة للتآكل في بيئة معقمة، ولكنه غير مقاومة لهجوم MIC بواسطة الأغشية الحيوية لـ P. aeruginosa.
يمكن أيضًا ملاحظة هذه النتائج من منحنيات الاستقطاب في الشكل 2ب. يُعزى التفرع الأنودي إلى تكوين الأغشية الحيوية لـ Pseudomonas aeruginosa وتفاعلات أكسدة المعادن. في الوقت نفسه، يكون التفاعل الكاثودي هو اختزال الأكسجين. أدى وجود Pseudomonas aeruginosa إلى زيادة كبيرة في كثافة تيار التآكل، أي ما يقرب من مرتبة أكبر من التحكم غير الحيوي. يشير هذا إلى أن الأغشية الحيوية لـ Pseudomonas aeruginosa تزيد من التآكل الموضعي لـ 2707 HDSS. وجد Yuan et al29 أن كثافة تيار التآكل لسبائك Cu-Ni 70/30 زادت تحت تأثير الأغشية الحيوية لـ Pseudomonas aeruginosa. قد يكون هذا بسبب التحفيز الحيوي لاختزال الأكسجين بواسطة الأغشية الحيوية لـ Pseudomonas aeruginosa. قد تفسر هذه الملاحظة أيضًا الحد الأدنى المثبط لـ 2707 HDSS في هذا العمل. قد تحتوي الأغشية الحيوية الهوائية أيضًا على كمية أقل من الأكسجين تحتها. لذلك، قد يكون الفشل في إعادة تخميل سطح المعدن بواسطة الأكسجين عاملًا مساهمًا عامل في MIC في هذا العمل.
اقترح ديكنسون وآخرون 38 أن معدلات التفاعلات الكيميائية والكيميائية الكهربائية يمكن أن تتأثر بشكل مباشر بالنشاط الأيضي للبكتيريا غير المتحركة على سطح العينة وطبيعة منتجات التآكل. وكما هو موضح في الشكل 5 والجدول 5، انخفض كل من عدد الخلايا وسمك الغشاء الحيوي بعد 14 يومًا. ويمكن تفسير ذلك بشكل معقول أنه بعد 14 يومًا، ماتت معظم الخلايا غير المتحركة على سطح 2707 HDSS بسبب استنزاف العناصر الغذائية في وسط 2216E أو إطلاق أيونات معدنية سامة من مصفوفة 2707 HDSS. وهذا قيد على التجارب الدفعية.
في هذا العمل، عزز الغشاء الحيوي لـ P. aeruginosa الاستنزاف المحلي للكروم والحديد أسفل الغشاء الحيوي على سطح 2707 HDSS (الشكل 6). في الجدول 6، يشير انخفاض الحديد والكروم في العينة D مقارنة بالعينة C إلى أن الحديد والكروم المذابين الناتجين عن الغشاء الحيوي لـ P. aeruginosa استمرا لأكثر من الأيام السبعة الأولى. يُستخدم وسط 2216E لمحاكاة البيئات البحرية. يحتوي على 17700 جزء في المليون من الكلوريد، وهو ما يضاهي الموجود في مياه البحر الطبيعية. كان وجود 17700 جزء في المليون من الكلوريد هو السبب الرئيسي لانخفاض الكروم في العينات غير الحيوية التي تم تحليلها بواسطة XPS لمدة 7 و14 يومًا. وبالمقارنة مع عينات P. aeruginosa، كان إذابة الكروم في العينات غير الحيوية أقل بكثير بسبب المقاومة القوية للكلوريد لـ 2707 HDSS في البيئات غير الحيوية. يوضح الشكل 9 وجود Cr6+ في فيلم التخميل. قد يكون له دور في إزالة الكروم من الأسطح الفولاذية بواسطة الأغشية الحيوية لـ P. aeruginosa، كما اقترح تشين وكلايتون.
بسبب نمو البكتيريا، كانت قيم الرقم الهيدروجيني للوسط قبل وبعد الزراعة 7.4 و 8.2 على التوالي. لذلك، من غير المرجح أن يكون التآكل الحمضي العضوي أسفل الغشاء الحيوي لـ P. aeruginosa عاملاً مساهماً في هذا العمل بسبب الرقم الهيدروجيني المرتفع نسبيًا في الوسط السائب. لم يتغير الرقم الهيدروجيني لوسط التحكم غير البيولوجي بشكل كبير (من 7.4 في البداية إلى 7.5 في النهاية) خلال فترة الاختبار التي استمرت 14 يومًا. كانت الزيادة في الرقم الهيدروجيني في وسط التلقيح بعد الحضانة بسبب النشاط الأيضي لـ P. aeruginosa ووجد أنها لها نفس التأثير على الرقم الهيدروجيني في غياب شرائط الاختبار.
كما هو موضح في الشكل 7، كان أقصى عمق للحفرة الناتج عن الغشاء الحيوي لـ P. aeruginosa هو 0.69 ميكرومتر، وهو أكبر بكثير من عمق الوسط غير الحيوي (0.02 ميكرومتر). وهذا يتوافق مع البيانات الكهروكيميائية الموضحة أعلاه. عمق الحفرة 0.69 ميكرومتر أصغر بأكثر من عشر مرات من قيمة 9.5 ميكرومتر المبلغ عنها لـ 2205 DSS في نفس الظروف. توضح هذه البيانات أن 2707 HDSS يُظهر مقاومة MIC أفضل مقارنةً بـ 2205 DSS. لا ينبغي أن يكون هذا مفاجئًا، حيث يحتوي 2707 HDSS على محتوى كروم أعلى، مما يوفر تخميلًا يدوم لفترة أطول، بسبب بنية الطور المتوازنة بدون رواسب ثانوية ضارة، مما يجعل من الصعب على P. aeruginosa إزالة التخميل ونقاط البداية.
في الختام، تم العثور على تآكل MIC على سطح 2707 HDSS في مرق P. aeruginosa مقارنة بالتآكل الذي لا يذكر في الوسائط غير الحيوية. يوضح هذا العمل أن 2707 HDSS لديه مقاومة MIC أفضل من 2205 DSS، لكنه ليس محصنًا تمامًا ضد MIC بسبب الأغشية الحيوية لـ P. aeruginosa. تساعد هذه النتائج في اختيار الفولاذ المقاوم للصدأ المناسب وتقدير عمر الخدمة للبيئة البحرية.
يتم توفير قسيمة 2707 HDSS من قبل كلية المعادن في جامعة نورث إيسترن (NEU) في شنيانغ، الصين. يظهر التركيب العنصري لـ 2707 HDSS في الجدول 1، والذي تم تحليله بواسطة قسم تحليل المواد والاختبار في NEU. تمت معالجة جميع العينات بالمحلول عند 1180 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة. قبل اختبار التآكل، تم تلميع 2707 HDSS على شكل عملة معدنية بمساحة سطح مكشوفة من الأعلى تبلغ 1 سم 2 إلى 2000 حصى بورق كربيد السيليكون ثم تلميعها باستخدام معلق مسحوق Al2O3 بتركيز 0.05 ميكرومتر. يتم حماية الجوانب والقاع بطلاء خامد. بعد التجفيف، تم شطف العينات بالماء منزوع الأيونات المعقم وتعقيمها باستخدام 75٪ (حجم / حجم) من الإيثانول لمدة 0.5 ساعة. ثم تم تجفيفها بالهواء تحت ضوء الأشعة فوق البنفسجية (UV) لمدة 0.5 ساعة قبل الاستخدام.
تم شراء سلالة Marine Pseudomonas aeruginosa MCCC 1A00099 من مركز Xiamen Marine Culture Collection Center (MCCC)، الصين. تم تنمية Pseudomonas aeruginosa هوائيًا عند 37 درجة مئوية في قوارير سعة 250 مل وخلايا زجاجية كهروكيميائية سعة 500 مل باستخدام وسط سائل Marine 2216E (شركة Qingdao Hope Biotechnology Co., Ltd.، تشينغداو، الصين). الوسط (جم/لتر): 19.45 كلوريد الصوديوم، 5.98 كلوريد المغنيسيوم، 3.24 كبريتات الصوديوم، 1.8 كلوريد الكالسيوم، 0.55 كلوريد البوتاسيوم، 0.16 كلوريد الصوديوم، 0.08 بروميد البوتاسيوم، 0.034 كلوريد السترونتيوم، 0.08 بروميد السترونتيوم، 0.022 بيروكسيد الهيدروجين، 0.004 ثاني أكسيد السيليكون من الصوديوم، 0.16 NH3. 0016 NH3، 0016 NaH2PO4، 5.0 ببتون، 1.0 مستخلص الخميرة و 0.1 سترات الحديديك. يتم التعقيم في الأوتوكلاف عند 121 درجة مئوية لمدة 20 دقيقة قبل التلقيح. يتم عد الخلايا الثابتة والعوالق باستخدام عدادة الكريات الدموية تحت المجهر الضوئي عند تكبير 400X. كان التركيز الأولي لخلايا Pseudomonas aeruginosa العوالقية مباشرة بعد التلقيح حوالي 106 خلية / مل.
تم إجراء الاختبارات الكهروكيميائية في خلية زجاجية كلاسيكية ثلاثية الأقطاب ذات حجم متوسط ​​يبلغ 500 مل. تم توصيل صفيحة من البلاتين وقطب كالوميل مشبع (SCE) بالمفاعل عبر شعيرات لوجين المملوءة بجسور الملح، لتكون بمثابة أقطاب مضادة ومرجعية على التوالي. ولصنع الأقطاب العاملة، تم توصيل سلك نحاسي مطلي بالمطاط بكل عينة وتغطيته بالإيبوكسي، مع ترك حوالي 1 سم2 من مساحة السطح المكشوفة أحادية الجانب للقطب العامل. أثناء القياسات الكهروكيميائية، تم وضع العينات في وسط 2216E والحفاظ عليها عند درجة حرارة حضانة ثابتة (37 درجة مئوية) في حمام مائي. تم قياس بيانات OCP وLPR وEIS والاستقطاب الديناميكي المحتمل باستخدام مقياس الجهد Autolab (المرجع 600TM، Gamry Instruments، Inc.، الولايات المتحدة الأمريكية). تم تسجيل اختبارات LPR بمعدل مسح 0.125 مللي فولت في الثانية -1 على مدى -5 و5 مللي فولت مع Eocp وتردد أخذ العينات تم إجراء EIS بتردد 1 هرتز باستخدام موجة جيبية في نطاق التردد من 0.01 إلى 10000 هرتز باستخدام جهد مطبق 5 مللي فولت عند حالة مستقرة Eocp. قبل المسح المحتمل، كانت الأقطاب الكهربائية في وضع الدائرة المفتوحة حتى تم الوصول إلى قيمة جهد التآكل الحر المستقرة. ثم تم تشغيل منحنيات الاستقطاب من -0.2 إلى 1.5 فولت مقابل Eocp بمعدل مسح 0.166 مللي فولت / ثانية. تم تكرار كل اختبار 3 مرات مع وبدون P. aeruginosa.
تم تلميع العينات للتحليل المعدني ميكانيكيًا باستخدام ورق SiC مبلل بحجم 2000 ثم تم تلميعها مرة أخرى باستخدام 0.05 ميكرومتر من مسحوق Al2O3 للملاحظة البصرية. تم إجراء التحليل المعدني باستخدام المجهر الضوئي. تم نقش العينات بمحلول هيدروكسيد البوتاسيوم بنسبة 10٪ 43.
بعد الحضانة، غسلت العينات 3 مرات بمحلول ملحي منظم بالفوسفات (PBS) (درجة الحموضة 7.4 ± 0.2) ثم ثبتت بـ 2.5٪ (حجم / حجم) غلوتارالدهيد لمدة 10 ساعات لتثبيت الأغشية الحيوية. تم تجفيفها بعد ذلك بسلسلة متدرجة (50٪، 60٪، 70٪، 80٪، 90٪، 95٪ و 100٪ حجم / حجم) من الإيثانول قبل التجفيف بالهواء. أخيرًا، تم رش سطح العينة بغشاء ذهبي لتوفير التوصيل لمراقبة المجهر الإلكتروني الماسح. تم تركيز صور المجهر الإلكتروني الماسح على البقع ذات الخلايا الأكثر استقرارًا من الزائفة الزنجارية على سطح كل عينة. قم بإجراء تحليل EDS للعثور على العناصر الكيميائية. تم استخدام مجهر مسح ليزر متحد البؤر Zeiss (CLSM) (LSM 710، Zeiss، ألمانيا) لقياس عمق الحفرة. من أجل مراقبة التآكل الحفر تحت الغشاء الحيوي، 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 الفوتون الإلكتروني للأشعة السينية (XPS، نظام تحليل السطح ESCALAB250، Thermo VG، الولايات المتحدة الأمريكية) باستخدام مصدر أشعة سينية أحادي اللون (خط Kα من الألومنيوم عند طاقة 1500 إلكترون فولت وقوة 150 وات) على نطاق واسع من طاقة الارتباط 0 في ظل ظروف قياسية -1350 إلكترون فولت. تم تسجيل الأطياف عالية الدقة باستخدام طاقة مرور 50 إلكترون فولت وحجم خطوة 0.2 إلكترون فولت.
تم إزالة العينات المحتضنة وشطفها برفق باستخدام PBS (درجة الحموضة 7.4 ± 0.2) لمدة 15 ثانية45. لمراقبة قابلية البكتيريا للحياة للأغشية الحيوية على العينات، تم صبغ الأغشية الحيوية باستخدام مجموعة LIVE/DEAD BacLight Bacterial Viability Kit (Invitrogen، Eugene، OR، USA). تحتوي المجموعة على صبغتين فلوريتين، صبغة SYTO-9 خضراء فلورية وصبغة بروبيديوم يوديد (PI) حمراء فلورية. تحت CLSM، تمثل النقاط ذات اللون الأخضر والأحمر الفلوري الخلايا الحية والميتة على التوالي. للتلوين، تم تحضين خليط 1 مل يحتوي على 3 ميكرولتر من محلول SYTO-9 و3 ميكرولتر من محلول PI لمدة 20 دقيقة في درجة حرارة الغرفة (23 درجة مئوية) في الظلام. بعد ذلك، تمت ملاحظة العينات الملطخة عند طولين موجيين (488 نانومتر للخلايا الحية و559 نانومتر للخلايا الميتة) باستخدام جهاز Nikon CLSM (C2 Plus، Nikon، اليابان). تم قياس سمك الغشاء الحيوي في وضع المسح ثلاثي الأبعاد.
كيفية الاستشهاد بهذه المقالة: Li, H. et al.Microbial Corrobial Correlation of 2707 Super Duplex Stainless Steel by Marine Pseudomonas aeruginosa Biofilm.Science.Rep. 6, 20190; doi: 10.1038/srep20190 (2016).
زانوتو، ف.، جراسي، ف.، بالبو، أ.، مونتيسيلي، ج. وزوتشي، ف. التشقق الناتج عن التآكل الإجهادي للفولاذ المقاوم للصدأ ثنائي الطبقة LDX 2101 في محلول الكلوريد في وجود ثيوكبريتات.coros.science.80، 205-212 (2014).
كيم، إس تي، جانج، إس إتش، لي، آي إس، وبارك، واي إس تأثير المعالجة الحرارية للمحلول والنيتروجين في غاز الحماية على مقاومة التآكل النقطي لحامات الفولاذ المقاوم للصدأ فائقة التوصيل. coros.science.53، 1939-1947 (2011).
شي، إكس، أفسي، آر، جيزر، إم وليواندوفسكي، زد. دراسة كيميائية مقارنة للتآكل الحفري الناتج عن الميكروبات والكهرباء الكيميائية في الفولاذ المقاوم للصدأ 316L.coros.science.45، 2577-2595 (2003).
لوه، هـ.، دونج، سي إف، لي، إكس جي، وشياو، كيه. السلوك الكهروكيميائي للفولاذ المقاوم للصدأ ثنائي الاتجاه 2205 في المحاليل القلوية ذات الرقم الهيدروجيني المختلفة في وجود الكلوريد. مجلة إليكتروكيم.64، 211-220 (2012).
ليتل، بي جيه، لي، جيه إس وراي، آر آي تأثير الأغشية الحيوية البحرية على التآكل: مراجعة موجزة. مجلة إليكتروكيم.54، 2-7 (2008).