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 مشكلة خطيرة في العديد من الصناعات، إذ يُمكن أن يُؤدي إلى خسائر اقتصادية فادحة. يُستخدم الفولاذ المقاوم للصدأ فائق الجودة 2707 (2707 HDSS) في البيئات البحرية نظرًا لمقاومته الكيميائية الممتازة. مع ذلك، لم تُثبت مقاومته للتآكل الميكروبي تجريبيًا. تناولت هذه الدراسة سلوك التآكل الميكروبي في الفولاذ المقاوم للصدأ 2707 HDSS الناتج عن بكتيريا الزائفة الزنجارية الهوائية البحرية. أظهر التحليل الكهروكيميائي أنه في وجود الغشاء الحيوي للزائفة الزنجارية في وسط 2216E، يحدث تغير إيجابي في جهد التآكل وزيادة في كثافة تيار التآكل. أظهر تحليل مطيافية الأشعة السينية الكهروضوئية (XPS) انخفاضًا في محتوى الكروم على سطح العينة تحت الغشاء الحيوي. أظهر التحليل البصري للحفر أن الغشاء الحيوي للزائفة الزنجارية قد أنتج أقصى عمق للحفر بلغ 0.69 ميكرومتر خلال 14 يومًا من الحضانة. على الرغم من أن هذا صغير، إلا أنه 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، في بعض الحالات، يلزم استخدام الفولاذات المقاومة للصدأ المزدوجة الفائقة (HDSS) ذات المقاومة الأعلى للتآكل. وقد أدى ذلك إلى تطوير الفولاذات المقاومة للصدأ المزدوجة الفائقة عالية السبائك.
تعتمد مقاومة التآكل في الفولاذ المقاوم للصدأ ثنائي الطور (DSS) على نسبة طوري ألفا وجاما، وتكون منخفضة في الكروم والموليبدينوم والتنغستن في المناطق 8 و9 و10 المجاورة للطور الثاني. أما الفولاذ المقاوم للصدأ عالي الطور (HDSS) فيحتوي على نسبة عالية من الكروم والموليبدينوم والنيتروجين، ولذلك يتمتع بمقاومة ممتازة للتآكل وقيمة عالية (45-50) لرقم مقاومة التنقر المكافئ (PREN) المحدد بالمعادلة التالية: النسبة المئوية الوزنية للكروم + 3.3 (النسبة المئوية الوزنية للموليبدينوم + 0.5 النسبة المئوية الوزنية للتنغستن) + 16% وزنية للنيتروجين. وتعتمد مقاومته الممتازة للتآكل على تركيبة متوازنة تحتوي على ما يقارب 50% من الطور الفريتي (α) و50% من الطور الأوستنيتي (γ). يتميز الفولاذ المقاوم للصدأ عالي الطور (HDSS) بخصائص ميكانيكية أفضل ومقاومة أعلى لتآكل الكلوريدات. كما أن تحسين مقاومة التآكل يوسع نطاق استخدام الفولاذ المقاوم للصدأ عالي الطور (HDSS) في بيئات الكلوريدات الأكثر عدائية، مثل البيئات البحرية.
يُعدّ التآكل الميكروبي مشكلة رئيسية في العديد من الصناعات، مثل صناعات النفط والغاز والمياه¹⁴. ويُمثّل هذا النوع من التآكل 20% من إجمالي أضرار التآكل¹⁵. وهو تآكل كيميائي حيوي يُمكن ملاحظته في بيئات عديدة. 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. تتغذى الكائنات الدقيقة المولدة للكهرباء على المعادن للحصول على الطاقة اللازمة لبقائها¹⁷. وقد أظهرت دراسات حديثة حول التآكل الميكروبي أن نقل الإلكترونات خارج الخلية هو العامل المُحدّد لمعدل التآكل الميكروبي الناجم عن الكائنات الدقيقة المولدة للكهرباء. وقد أثبت تشانغ وآخرون¹⁸ أن الوسائط الإلكترونية تُسرّع نقل الإلكترونات بين خلايا بكتيريا Desulfovibrio sessificans والفولاذ المقاوم للصدأ 304، مما يؤدي إلى هجوم تآكل ميكروبي أكثر حدة. كما أظهرت دراسات أخرى أنينغ وآخرون¹⁹ ووينزلاف وآخرون¹⁹ أظهرت 20 دراسة أن الأغشية الحيوية للبكتيريا المختزلة للكبريتات المسببة للتآكل (SRBs) يمكنها امتصاص الإلكترونات مباشرة من الركائز المعدنية، مما يؤدي إلى حدوث تنقير شديد.
من المعروف أن مادة DSS حساسة للحد الأدنى من التركيز المثبط (MIC) في الأوساط التي تحتوي على بكتيريا اختزال الكبريتات (SRBs) وبكتيريا اختزال الحديد (IRBs) وغيرها.²¹ تُسبب هذه البكتيريا تنقيرًا موضعيًا على سطح DSS تحت الأغشية الحيوية.^22،23 على عكس DSS، فإن الحد الأدنى من التركيز المثبط (MIC) لمادة HDSS²⁴ غير معروف جيدًا.
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 ارتفاع تركيزات التآكل المثبط الأدنى. وتشارك الزائفة الزنجارية بنشاط في عملية التآكل، وتُعرف بأنها من أوائل البكتيريا المستعمرة أثناء تكوين الأغشية الحيوية. وقد أظهرت دراسات ماهات وآخرون²⁸ ويوان وآخرون²⁹ أن الزائفة الزنجارية تميل إلى زيادة معدل تآكل الفولاذ الطري والسبائك في البيئات المائية.
كان الهدف الرئيسي من هذا العمل هو دراسة خصائص تآكل الفولاذ المقاوم للصدأ MIC 2707 الناتج عن بكتيريا الزائفة الزنجارية الهوائية البحرية، وذلك باستخدام الطرق الكهروكيميائية، وطرق تحليل السطح، وتحليل نواتج التآكل. أُجريت دراسات كهروكيميائية، شملت جهد الدائرة المفتوحة (OCP)، ومقاومة الاستقطاب الخطي (LPR)، ومطيافية المعاوقة الكهروكيميائية (EIS)، والاستقطاب الديناميكي للجهد، لدراسة سلوك الفولاذ المقاوم للصدأ MIC 2707. كما أُجري تحليل طيفي لتشتت الطاقة (EDS) للكشف عن العناصر الكيميائية على السطح المتآكل. بالإضافة إلى ذلك، استُخدمت مطيافية الأشعة السينية الكهروضوئية (XPS) لتحديد استقرار طبقة التخميل الأكسيدية تحت تأثير البيئة البحرية المحتوية على بكتيريا الزائفة الزنجارية. وقيس عمق الحفر باستخدام مجهر المسح الليزري متحد البؤر (CLSM).
يُبين الجدول 1 التركيب الكيميائي لسبائك الفولاذ المقاوم للصدأ عالية الكثافة 2707. ويُبين الجدول 2 أن هذه السبائك تتمتع بخواص ميكانيكية ممتازة، حيث تبلغ مقاومة الخضوع 650 ميجا باسكال. ويُظهر الشكل 1 البنية المجهرية الضوئية لسبائك الفولاذ المقاوم للصدأ عالية الكثافة 2707 المعالجة حراريًا بالمحلول. وفي هذه البنية المجهرية التي تحتوي على حوالي 50% من طور الأوستنيت و50% من طور الفريت، تظهر بوضوح نطاقات ممتدة من طوري الأوستنيت والفريت دون وجود أطوار ثانوية.
يوضح الشكل 2أ جهد الدائرة المفتوحة (Eocp) مقابل زمن التعرض لـ 2707 HDSS في وسط 2216E غير حيوي ومرق بكتيريا الزائفة الزنجارية لمدة 14 يومًا عند 37 درجة مئوية. ويُظهر الشكل أن أكبر وأهم تغير في Eocp يحدث خلال أول 24 ساعة. بلغت قيم Eocp ذروتها في كلتا الحالتين عند -145 ملي فولت (مقارنةً بقطب كالوميل المشبع) حوالي 16 ساعة، ثم انخفضت بشكل حاد، لتصل إلى -477 ملي فولت (مقارنةً بقطب كالوميل المشبع) و-236 ملي فولت (مقارنةً بقطب كالوميل المشبع) للعينة غير الحيوية وعينات الزائفة الزنجارية، على التوالي. بعد 24 ساعة، كانت قيمة Eocp لـ 2707 HDSS لبكتيريا الزائفة الزنجارية مستقرة نسبيًا عند -228 ملي فولت (مقارنةً بقطب كالوميل المشبع)، بينما كانت القيمة المقابلة للعينات غير الحيوية حوالي -442 ملي فولت (مقارنةً بقطب كالوميل المشبع). كان معدل Eocp في وجود بكتيريا الزائفة الزنجارية منخفضًا جدًا.
دراسة كهروكيميائية 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.
يُبين الجدول 3 معايير التآكل الكهروكيميائي لـ 2707 عينة من الفولاذ المقاوم للصدأ عالي الكثافة (HDSS) المعرضة لوسط غير حيوي ووسط مُلقح ببكتيريا الزائفة الزنجارية (Pseudomonas aeruginosa) على مدى 14 يومًا. تم استقراء مماسات منحنيات الأنود والكاثود للحصول على نقاط التقاطع التي تُعطي كثافة تيار التآكل (icorr)، وجهد التآكل (Ecorr)، وميل تافل (βα و βc) وفقًا للطرق القياسية 30 و31.
كما هو موضح في الشكل 2ب، أدى الارتفاع في منحنى بكتيريا الزائفة الزنجارية إلى زيادة في قيمة Ecorr مقارنةً بالمنحنى غير الحيوي. وقد ارتفعت قيمة icorr، المتناسبة مع معدل التآكل، إلى 0.328 ميكروأمبير/سم² في عينة الزائفة الزنجارية، أي أربعة أضعاف قيمتها في العينة غير الحيوية (0.087 ميكروأمبير/سم²).
يُعدّ تحليل الاستقطاب الخطي (LPR) طريقةً كهروكيميائيةً كلاسيكيةً غير مُتلفة لتحليل التآكل السريع. وقد استُخدمت أيضًا لدراسة MIC32. يُظهر الشكل 2ج مقاومة الاستقطاب (Rp) كدالةٍ لزمن التعرض. تشير قيمة Rp الأعلى إلى تآكلٍ أقل. خلال أول 24 ساعة، بلغت قيمة Rp ذروتها عند 1955 كيلو أوم سم² للعينات غير الحيوية، و1429 كيلو أوم سم² لعينات الزائفة الزنجارية. يُظهر الشكل 2ج أيضًا انخفاض قيمة Rp بسرعة بعد يومٍ واحد، ثم استقرارها نسبيًا خلال الأيام الـ 13 التالية. تبلغ قيمة Rp لعينة 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:
بحسب زوي وآخرون³³، اعتُبرت القيمة النموذجية لميل تافل B في هذه الدراسة 26 ملي فولت/عقد. يُظهر 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.
يُعدّ تحليل المعاوقة الكهروكيميائية (EIS) طريقةً أخرى غير مُتلفة تُستخدم لتوصيف التفاعلات الكهروكيميائية على الأسطح المتآكلة. وقد تمّ قياس أطياف المعاوقة وقيم السعة المحسوبة للعينات المُعرّضة لبيئة غير حيوية ومحلول بكتيريا الزائفة الزنجارية، بالإضافة إلى مقاومة الغشاء السلبي/الغشاء الحيوي (Rb) المُتشكّل على سطح العينة، ومقاومة نقل الشحنة (Rct)، وسعة الطبقة المزدوجة الكهربائية (Cdl)، ومعاملات عنصر الطور (CPE) الثابتة. وتمّ تحليل هذه المعاملات بشكلٍ مُفصّل من خلال مُطابقة البيانات باستخدام نموذج الدائرة المكافئة (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 المعاوقة الكلية. يمكن الحصول على معلومات حول ثابت زمن الاسترخاء من قيم الطور القصوى. يوضح الشكل 4 البنى الفيزيائية القائمة على طبقة أحادية (أ) وطبقة ثنائية (ب) ودوائر الطاقة الكهربائية المقابلة. تم إدخال عنصر الطور الثابت (CPE) في نموذج دائرة الطاقة الكهربائية. يتم التعبير عن مُعامل السماحية ومعاوقة هذا العنصر كما يلي:
نموذجان فيزيائيان ودوائر مكافئة مقابلة لمطابقة طيف المعاوقة للعينة 2707 HDSS:
حيث Y0 هي قيمة مؤشر الأداء الرئيسي، وj هو العدد التخيلي أو (-1)1/2، وω هي التردد الزاوي، وn هو مؤشر قدرة مؤشر الأداء الرئيسي الأقل من واحد.³⁵ يتناسب انعكاس 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 الزائفة الزنجارية 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 طبقة الغشاء الحيوي على سطح عينة HDSS رقم 2707 كثيفة بعد 7 أيام. مع ذلك، بعد 14 يومًا، انخفضت كثافة الغشاء الحيوي وظهرت بعض الخلايا الميتة. يوضح الجدول 5 سُمك الغشاء الحيوي على عينات HDSS رقم 2707 بعد تعريضها لبكتيريا الزائفة الزنجارية (P. aeruginosa) لمدة 7 و14 يومًا. تغيّر 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 التحليل الكهرومغناطيسي 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 النقية، نظرًا لارتباط هذه العناصر 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 فقدان المصفوفة المعدنية لبعض العناصر نتيجة للتآكل.
بعد 14 يومًا، لوحظت حفر في الوسط 2216E، سواءً بوجود بكتيريا الزائفة الزنجارية أو بدونها. قبل الحضانة، كان سطح العينات 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 يُلاحظ أي حفر واضح على سطح العينات الضابطة غير البيولوجية (أقصى عمق للحفر 0.02 ميكرومتر). بلغ أقصى عمق للحفر الناتج عن بكتيريا الزائفة الزنجارية 0.52 ميكرومتر في اليوم السابع و0.69 ميكرومتر في اليوم الرابع عشر، وذلك بناءً على متوسط ​​أقصى عمق للحفر من 3 عينات (تم اختيار 10 أعماق قصوى للحفر لكل عينة). وقد بلغ متوسط ​​العمق 0.42 ± 0.12 ميكرومتر و0.52 ± 0.15 ميكرومتر على التوالي (الجدول 5). قيم عمق هذه الثقوب صغيرة ولكنها مهمة.
(أ) قبل التعرض، (ب) 14 يومًا في بيئة غير حيوية، و (ج) 14 يومًا في مرق الزائفة الزنجارية.
يوضح الشكل 8 أطياف مطيافية الأشعة السينية الكهروضوئية (XPS) لأسطح عينات مختلفة، ويلخص الجدول 6 التركيب الكيميائي 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 العينات الضابطة غير البيولوجية (العينتان C وD). بالنسبة لعينة الزائفة الزنجارية، تم تحليل منحنى الطيف عند مستوى نواة الكروم 2p إلى أربعة مكونات ذروة بطاقات ربط (BE) تبلغ 574.4، و576.6، و578.3، و586.8 إلكترون فولت، والتي يمكن نسبها 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 Cr 2p الرئيسي على قمتين رئيسيتين للكروم (573.80 إلكترون فولت لطاقة الربط) وأكسيد الكروم الثلاثي (575.90 إلكترون فولت لطاقة الربط) في الشكلين 9ج و9د على التوالي. وكان أبرز اختلاف بين العينات غير البيولوجية وعينات الزائفة الزنجارية هو وجود أيونات الكروم سداسي التكافؤ (Cr6+) ونسبة أعلى من هيدروكسيد الكروم الثلاثي (طاقة الربط 586.8 إلكترون فولت) تحت الغشاء الحيوي.
يبلغ طيف XPS الواسع لسطح العينة 2707 HDSS في وسطين 7 و 14 يومًا على التوالي.
(أ) التعرض لمدة 7 أيام لبكتيريا الزائفة الزنجارية، (ب) التعرض لمدة 14 يومًا لبكتيريا الزائفة الزنجارية، (ج) 7 أيام في بيئة غير حيوية، و (د) 14 يومًا في بيئة غير حيوية.
يُظهر الفولاذ المقاوم للصدأ عالي الصلابة (HDSS) مستوىً عالياً من مقاومة التآكل في معظم البيئات. وقد أفاد كيم وآخرون (2) أن الفولاذ المقاوم للصدأ عالي الصلابة UNS S32707 يُصنف كفولاذ مقاوم للصدأ ثنائي الصلابة عالي السبائك، حيث تزيد قيمة PREN له عن 45. وقد بلغت قيمة PREN لعينة الفولاذ المقاوم للصدأ عالي الصلابة 2707 في هذه الدراسة 49. ويعود ذلك إلى محتواه العالي من الكروم والموليبدينوم والنيكل، وهي عناصر مفيدة في البيئات الحمضية والبيئات ذات المحتوى العالي من الكلوريدات. إضافةً إلى ذلك، يُسهم التركيب المتوازن والبنية المجهرية الخالية من العيوب في استقرار البنية 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 محصناً تماماً ضد التآكل الميكروبي لأغشية بكتيريا الزائفة الزنجارية.
أظهرت النتائج الكهروكيميائية أن معدل تآكل الفولاذ المقاوم للصدأ عالي الكثافة 2707 في مرق بكتيريا الزائفة الزنجارية ازداد بشكل ملحوظ بعد 14 يومًا مقارنةً بالبيئة غير الحيوية. في الشكل 2أ، لوحظ انخفاض في جهد التآكل عند نقطة التلامس (Eocp) في كل من الوسط غير الحيوي ومرق بكتيريا الزائفة الزنجارية خلال الـ 24 ساعة الأولى. بعد ذلك، غطى الغشاء الحيوي سطح العينة بالكامل، وأصبح جهد التآكل عند نقطة التلامس مستقرًا نسبيًا. ومع ذلك، كان مستوى جهد التآكل عند نقطة التلامس في الوسط الحيوي أعلى بكثير من مستواه في الوسط غير الحيوي. هناك ما يدعو للاعتقاد بأن هذا الاختلاف مرتبط بتكوّن الأغشية الحيوية 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 الأيام القليلة الأولى، ارتفعت قيم المعاوقة في مرق بكتيريا الزائفة الزنجارية نتيجةً لالتصاق خلاياها وتكوّن الأغشية الحيوية. إلا أنه عند تغطية الغشاء الحيوي لسطح العينة بالكامل، انخفضت المعاوقة. ويعود سبب تآكل الطبقة الواقية بشكل أساسي إلى تكوّن الأغشية الحيوية ونواتجها الأيضية. ونتيجةً لذلك، انخفضت مقاومة التآكل بمرور الوقت، وتسبب التصاق بكتيريا الزائفة الزنجارية في تآكل موضعي. أما في البيئات غير الحيوية، فقد كانت الاتجاهات مختلفة. إذ 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 2707 HDSS 489 كيلو أوم سم² في اليوم الرابع عشر، أي أعلى بخمس عشرة مرة من قيمة Rct (32 كيلو أوم سم²) في وجود بكتيريا الزائفة الزنجارية. وبالتالي، فإن 2707 HDSS يتمتع بمقاومة ممتازة للتآكل في بيئة معقمة، ولكنه ليس مقاومًا للتآكل الميكروبي من الأغشية الحيوية لبكتيريا الزائفة الزنجارية.
يمكن ملاحظة هذه النتائج أيضًا من منحنيات الاستقطاب في الشكل 2ب. يرتبط التفرع الأنودي بتكوين الغشاء الحيوي لبكتيريا الزائفة الزنجارية وتفاعلات أكسدة المعدن. في هذه الحالة، يكون التفاعل الكاثودي هو اختزال الأكسجين. أدى وجود بكتيريا الزائفة الزنجارية إلى زيادة ملحوظة في كثافة تيار التآكل، بمقدار عشرة أضعاف تقريبًا مقارنةً بالعينة الضابطة غير الحيوية. يشير هذا إلى أن الغشاء الحيوي لبكتيريا الزائفة الزنجارية يعزز 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 يُعزى ذلك إلى التحفيز الحيوي لاختزال الأكسجين بواسطة الأغشية الحيوية لبكتيريا الزائفة الزنجارية. قد تفسر هذه الملاحظة أيضًا التآكل الميكروبي للفولاذ المقاوم للصدأ عالي الكثافة 2707 في هذه الدراسة. قد يكون هناك أيضًا نقص في الأكسجين تحت الأغشية الحيوية الهوائية. لذلك، فإن رفض إعادة تخميل سطح المعدن بالأكسجين قد يكون عاملاً مساهماً في حدوث التآكل الميكروبي في هذا العمل.
أشار ديكنسون وآخرون (38) إلى أن معدل التفاعلات الكيميائية والكيميائية الكهربائية يتأثر بشكل مباشر بالنشاط الأيضي للبكتيريا المستقرة على سطح العينة وطبيعة نواتج التآكل. وكما هو موضح في الشكل 5 والجدول 5، انخفض 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. وهذا يُعدّ أحد قيود التجارب الدفعية.
في هذه الدراسة، ساهم الغشاء الحيوي لبكتيريا الزائفة الزنجارية في استنزاف موضعي للكروم والحديد تحت 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 خلال الأيام السبعة الأولى. تم استخدام بيئة 2216E لمحاكاة البيئة البحرية، حيث تحتوي على 17700 جزء في المليون من الكلوريد، وهو تركيز مماثل لمحتواه 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 العالية للكلور في الظروف غير الحيوية. يُظهر الشكل 9 وجود أيونات الكروم سداسي التكافؤ (Cr6+) في طبقة التخميل. وقد 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 يُساهم تآكل الأحماض العضوية أسفل طبقة البكتيريا الزائفة الزنجارية في هذه الدراسة نظرًا لارتفاع الأس الهيدروجيني في الوسط. لم يتغير الأس الهيدروجيني لوسط التحكم غير البيولوجي بشكل ملحوظ (من 7.4 في البداية إلى 7.5 في النهاية) خلال فترة الاختبار التي استمرت 14 يومًا. 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 المسجلة لـ 2205 DSS والبالغة 9.5 ميكرومتر في ظل الظروف نفسها. تُظهر هذه البيانات أن 2707 HDSS يتمتع بمقاومة أفضل للتآكل الميكروبي من 2205 DSS. وهذا ليس بالأمر المفاجئ، إذ يحتوي 2707 HDSS على مستويات أعلى من الكروم، مما يوفر تخميلًا أطول، ويجعل إزالة التخميل عن بكتيريا الزائفة الزنجارية أكثر صعوبة، فضلًا عن بنيته الطورية المتوازنة التي لا تُسبب ترسبات ثانوية ضارة تُؤدي إلى حدوث حفر.
في الختام، وُجدت حفر ناتجة عن التآكل الميكروبي على سطح الفولاذ المقاوم للصدأ عالي الكثافة 2707 في مرق بكتيريا الزائفة الزنجارية، مقارنةً بحفر ضئيلة في البيئة 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 وتحديد عمرها الافتراضي في البيئة البحرية.
تم توفير قسيمة اختبار لسبائك الفولاذ المقاوم للصدأ عالي الكثافة 2707 من قِبل كلية علم المعادن بجامعة شمال شرق الصين (NEU) في شنيانغ، الصين. يوضح الجدول 1 التركيب العنصري لسبائك الفولاذ المقاوم للصدأ عالي الكثافة 2707، والذي تم تحليله بواسطة قسم تحليل واختبار المواد في جامعة شمال شرق الصين. خضعت جميع العينات لمعالجة المحلول الصلب عند درجة حرارة 1180 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة. قبل اختبار التآكل، تم صقل عينة من سبائك الفولاذ المقاوم للصدأ عالي الكثافة 2707، ذات شكل دائري ومساحة سطح علوي مفتوح تبلغ 1 سم²، باستخدام ورق صنفرة من كربيد السيليكون بدرجة خشونة 2000، ثم صُقلت باستخدام معجون مسحوق أكسيد الألومنيوم (Al₂O₃) بحجم حبيبات 0.05 ميكرومتر. تم حماية الجوانب والقاع بطلاء خامل. بعد التجفيف، غُسلت العينات بماء منزوع الأيونات معقم، ثم عُقمت باستخدام الإيثانول بتركيز 75% (حجم/حجم) لمدة نصف ساعة. بعد ذلك، جُففت العينات هوائيًا 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 في ظروف هوائية عند درجة حرارة 37 درجة مئوية في قوارير سعة 250 مل وخلايا كهروكيميائية زجاجية سعة 500 مل باستخدام وسط Marine 2216E السائل (شركة تشينغداو هوب للتكنولوجيا الحيوية المحدودة، تشينغداو، الصين). يحتوي الوسط على المكونات التالية (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، 0.0016 سداسي ميثيل الأمونيوم، 3.0016 أمونيا، 5.0 ببتون، 1.0 خلاصة الخميرة، و0.1 سترات الحديد. يُعقّم الوسط بالبخار عند درجة حرارة 121 درجة مئوية لمدة 20 دقيقة قبل التلقيح. تُحصى الخلايا الثابتة والطليقة باستخدام عداد خلايا الدم تحت المجهر الضوئي بتكبير 400x. كان التركيز الأولي لبكتيريا 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 البلاتين وقطب الكالوميل المشبع (SAE) بالمفاعل عبر أنابيب لوجين الشعرية المملوءة بجسور ملحية، والتي عملت كقطب مضاد وقطب مرجعي على التوالي. ولصنع أقطاب العمل، رُبط سلك نحاسي مطاطي بكل عينة وغُطِّي براتنج إيبوكسي، تاركًا مساحة غير محمية تبلغ حوالي 1 سم² لقطب العمل على أحد الجانبين. أثناء القياسات الكهروكيميائية، وُضِعَت العينات في وسط 2216E وحُفِظَت عند درجة حرارة حضانة ثابتة (37 درجة مئوية) في حمام مائي. قِيست 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). تم تسجيل اختبارات LPR بمعدل مسح 0.125 ملي فولت/ثانية في نطاق من -5 إلى 5 ملي فولت مع جهد Eocp ومعدل أخذ عينات 1 هرتز. أُجري تحليل EIS باستخدام موجة جيبية ضمن نطاق تردد من 0.01 إلى 10000 هرتز، بتطبيق جهد 5 ملي فولت عند جهد Eocp ثابت. قبل مسح الجهد، كانت الأقطاب في وضع الخمول حتى الوصول إلى قيمة مستقرة لجهد التآكل الحر. ثم قُيست منحنيات الاستقطاب من -0.2 إلى 1.5 فولت كدالة لجهد Eocp بمعدل مسح 0.166 ملي فولت/ثانية. كُرِّر كل اختبار 3 مرات بوجود بكتيريا الزائفة الزنجارية وبدونها.
صُقلت عينات التحليل المعدني ميكانيكيًا بورق صنفرة رطب من كربيد السيليكون ذي حبيبات 2000، ثم صُقلت مرة أخرى بمحلول معلق من مسحوق أكسيد الألومنيوم (Al₂O₃) بحجم 0.05 ميكرومتر للملاحظة البصرية. أُجري التحليل المعدني باستخدام مجهر ضوئي. وتم 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 بمحلول غلوتارالدهيد بنسبة 2.5% (حجم/حجم) لمدة 10 ساعات لتثبيت الأغشية الحيوية. بعد ذلك، جُفِّفت العينات تدريجيًا باستخدام دفعات من الإيثانول (50%، 60%، 70%، 80%، 90%، 95%، و100% حجميًا) قبل تجفيفها بالهواء. أخيرًا، رُسِّب غشاء ذهبي على سطح العينة 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 المستقرة على سطح كل عينة. أُجري تحليل طيف الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDS) لتحديد العناصر الكيميائية. استُخدم مجهر ليزري ماسح متحد البؤر من زايس (CLSM) (LSM 710، زايس، ألمانيا) لقياس عمق الحفر. لمراقبة حفر التآكل تحت الغشاء الحيوي، تم تنظيف عينة الاختبار أولاً وفقًا للمعيار الوطني الصيني (CNS) GB/T4334.4-2000 لإزالة منتجات التآكل والغشاء الحيوي من سطح عينة الاختبار.
أُجري تحليل طيف الإلكترونات الضوئية بالأشعة السينية (XPS، نظام تحليل السطح ESCALAB250، شركة Thermo VG، الولايات المتحدة الأمريكية) باستخدام مصدر أشعة سينية أحادي اللون (خط ألومنيوم Kα بطاقة 1500 إلكترون فولت وقدرة 150 واط) ضمن نطاق واسع من طاقات الربط 0 في ظل الظروف القياسية عند -1350 إلكترون فولت. سُجلت أطياف عالية الدقة باستخدام طاقة نقل 50 إلكترون فولت وخطوة 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 الخضراء الفلورية وصبغة بروبيديوم يوديد (PI) الحمراء الفلورية. في المجهر متحد البؤر الماسح بالليزر (CLSM)، تمثل النقاط الخضراء والحمراء الفلورية الخلايا الحية والميتة على التوالي. للتلوين، حُضن 1 مل من مزيج 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، تم فحص العينات المصبوغة عند طولين موجيين (488 نانومتر للخلايا الحية و559 نانومتر للخلايا الميتة) باستخدام جهاز مجهر المسح الليزري متحد البؤر (CLSM) من شركة نيكون (C2 Plus، نيكون، اليابان). وقد 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 البحري لبكتيريا الزائفة الزنجارية. مجلة العلوم. 6، 20190. doi: 10.1038/srep20190 (2016).
Zanotto, F., Grassi, V., Balbo, A., Monticelli, C. & Zucchi, F. Stress Correcuring to the LDX 2101 duplex Stainless steel in chloride solutions in the presence of thiosulphate. Zanotto, F., Grassi, V., Balbo, A., Monticelli, C. & Zucchi, F. Stress Correcuring to the LDX 2101 duplex Stainless steel in chloride solutions in the presence of thiosulphate. Zanotto، F.، Grassi، V.، Balbo، A.، Monticelli، C. & Zucchi، F. التآكل تحت الضغط المزدوج المستمر في LDX 2101 الكلوريد في إنتاج الثيوسلفات. Zanotto, F., Grassi, V., Balbo, A., Monticelli, C. & Zucchi, F. Stress Correcuring of duplex stainless steel LDX 2101 in chloride solutions in the presence of thiosulfate. Zanotto, F., Grassi, V., Balbo, A., Monticelli, C. & Zucchi, F. LDX 2101 يمكن أن تكون هذه هي المرة الأولى التي يحدث فيها هذا الأمر. Zanotto، F.، Grassi، V.، Balbo، A.، Monticelli، C. & Zucchi، F. LDX 2101 الفولاذ المقاوم للصدأ كبريتات الفولاذ المقاوم للصدأ. Zanotto، F.، Grassi، V.، Balbo، A.، Monticelli، C. & Zucchi، F. التآكل تحت الضغط المزدوج المستمر في LDX 2101 الكلوريد في إنتاج الثيوسلفات. Zanotto, F., Grassi, V., Balbo, A., Monticelli, C. & Zucchi, F. Stress Correcuring of duplex Stainless steel LDX 2101 in chloride solution in the presence of thiosulfate.علم كوروس 80، 205-212 (2014).
كيم، إس تي، جانغ، إس إتش، لي، آي إس وبارك، واي إس. تأثيرات المعالجة الحرارية للمحلول والنيتروجين في غاز الحماية على مقاومة التآكل النقطي للحامات الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج الفائق. كيم، إس تي، جانغ، إس إتش، لي، آي إس وبارك، واي إس. تأثيرات المعالجة الحرارية للمحلول والنيتروجين في غاز الحماية على مقاومة التآكل النقطي للحامات الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج الفائق.كيم، إس تي، جانغ، إس إتش، لي، آي إس وبارك، واي إس تأثير المعالجة الحرارية للمحلول والنيتروجين في غاز الحماية على مقاومة التآكل النقطي للحامات الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج الفائق. Kim، ST، Jang، SH، Lee، IS & Park، YS. كيم، إس تي، جانغ، إس إتش، لي، آي إس، بارك، واي إسكيم، إس تي، جانغ، إس إتش، لي، آي إس وبارك، واي إس تأثير المعالجة الحرارية للمحلول والنيتروجين في غاز الحماية على مقاومة التآكل النقطي للحامات الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج الفائق.koros. the science. 53, 1939–1947 (2011).
Shi, X., Avci, R., Geiser, M. & Lewandowski, Z. دراسة مقارنة في الكيمياء للتنقر الميكروبي والكيميائي الكهربائي للفولاذ المقاوم للصدأ 316L. Shi, X., Avci, R., Geiser, M. & Lewandowski, Z. دراسة مقارنة في الكيمياء للتنقر الميكروبي والكيميائي الكهربائي للفولاذ المقاوم للصدأ 316L.Shi, X., Avchi, R., Geyser, M. and Lewandowski, Z. دراسة كيميائية مقارنة للتنقر الميكروبيولوجي والكهروكيميائي للفولاذ المقاوم للصدأ 316L. Shi، X.، Avci، R.، Geiser، M. & Lewandowski، Z. شي، إكس.، أفجي، آر.، جيزر، إم. وليفاندوفسكي، زد.Shi, X., Avchi, R., Geyser, M. and Lewandowski, Z. دراسة كيميائية مقارنة للتنقر الميكروبيولوجي والكيميائي الكهربائي في الفولاذ المقاوم للصدأ 316L.koros. the 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. 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.Luo H., Dong KF, Lee HG and Xiao K. السلوك الكهروكيميائي للفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج 2205 في المحاليل القلوية ذات الرقم الهيدروجيني المختلف في وجود الكلوريد. Luo، H.، Dong، CF، Li، XG & Xiao، K.2205 双相不锈钢在氯化物存在下不同pH 碱性溶液中的电化学行为. Luo, H., Dong, CF, Li, XG & Xiao, K. 2205 السلوك الكهروكيميائي للفولاذ المقاوم للصدأ في وجود الكلوريد عند درجات حموضة مختلفة في المحلول القلوي.Luo H., Dong KF, Lee HG and Xiao K. السلوك الكهروكيميائي للفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج 2205 في المحاليل القلوية ذات الرقم الهيدروجيني المختلف في وجود الكلوريد.مجلة الكيمياء الكهربائية. 64، 211-220 (2012).
ليتل، بي جيه، لي، جيه إس وراي، آر آي تأثير الأغشية الحيوية البحرية على التآكل: مراجعة موجزة. ليتل، بي جيه، لي، جيه إس وراي، آر آي تأثير الأغشية الحيوية البحرية على التآكل: مراجعة موجزة.ليتل، بي جيه، لي، جيه إس وراي، آر آي تأثيرات الأغشية الحيوية البحرية على التآكل: مراجعة موجزة. Little، BJ، Lee، JS & Ray، RI. ليتل، بي جيه، لي، جيه إس وراي، رود آيلاندليتل، بي جيه، لي، جيه إس وراي، آر آي تأثيرات الأغشية الحيوية البحرية على التآكل: مراجعة موجزة.مجلة الكيمياء الكهربائية. 54، 2-7 (2008).