Cảm ơn bạn đã ghé thăm Nature.com. Phiên bản trình duyệt bạn đang sử dụng có hỗ trợ CSS hạn chế. Để có trải nghiệm tốt nhất, chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng trình duyệt được cập nhật (hoặc tắt chế độ tương thích trong Internet Explorer). Trong thời gian chờ đợi, để đảm bảo hỗ trợ liên tục, chúng tôi sẽ hiển thị trang web mà không có kiểu dáng và JavaScript.
Ăn mòn do vi sinh vật (MIC) là một vấn đề nghiêm trọng trong nhiều ngành công nghiệp vì nó có thể gây ra tổn thất kinh tế lớn. Thép không gỉ siêu song pha 2707 (2707 HDSS) đã được sử dụng trong môi trường biển nhờ khả năng kháng hóa chất tuyệt vời. Tuy nhiên, khả năng chống MIC của nó chưa được chứng minh bằng thực nghiệm. Trong nghiên cứu này, hành vi MIC của 2707 HDSS do vi khuẩn hiếu khí biển Pseudomonas aeruginosa gây ra đã được nghiên cứu. Phân tích điện hóa cho thấy rằng khi có màng sinh học Pseudomonas aeruginosa trong môi trường 2216E, có sự thay đổi tích cực về điện thế ăn mòn và sự gia tăng mật độ dòng điện ăn mòn. Phân tích quang phổ điện tử tia X (XPS) cho thấy sự giảm hàm lượng Cr trên bề mặt mẫu bên dưới màng sinh học. Phân tích hình ảnh các vết rỗ cho thấy màng sinh học P. aeruginosa tạo ra độ sâu vết rỗ tối đa là 0,69 μm trong 14 ngày ủ. Mặc dù con số này nhỏ, nhưng nó cho thấy rằng 2707 HDSS không hoàn toàn miễn nhiễm với MIC. Nồng độ ức chế tối thiểu (MIC) của màng sinh học P. aeruginosa.
Thép không gỉ song pha (DSS) được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp nhờ sự kết hợp lý tưởng giữa các đặc tính cơ học tuyệt vời và khả năng chống ăn mòn1,2. Tuy nhiên, hiện tượng rỗ cục bộ vẫn xảy ra và ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của loại thép này3,4. DSS không có khả năng chống ăn mòn do vi sinh vật (MIC)5,6. Mặc dù DSS được ứng dụng rộng rãi, vẫn có những môi trường mà khả năng chống ăn mòn của DSS không đủ cho việc sử dụng lâu dài. Điều này có nghĩa là cần có các vật liệu đắt tiền hơn với khả năng chống ăn mòn cao hơn. Jeon và cộng sự7 đã phát hiện ra rằng ngay cả thép không gỉ siêu song pha (SDSS) cũng có một số hạn chế về khả năng chống ăn mòn. Do đó, thép không gỉ siêu song pha (HDSS) với khả năng chống ăn mòn cao hơn là cần thiết trong một số ứng dụng. Điều này đã dẫn đến sự phát triển của HDSS hợp kim cao.
Khả năng chống ăn mòn của DSS phụ thuộc vào tỷ lệ pha alpha và gamma cũng như các vùng thiếu hụt Cr, Mo và W 8, 9, 10 liền kề với pha thứ hai. HDSS chứa hàm lượng Cr, Mo và N cao 11, do đó nó có khả năng chống ăn mòn tuyệt vời và giá trị cao (45-50) của Chỉ số Tương đương Khả năng Chống Rỗ (PREN), được xác định bằng wt.% Cr + 3,3 (wt.% Mo + 0,5 wt% W) + 16 wt% N 12. Khả năng chống ăn mòn tuyệt vời của nó dựa trên thành phần cân bằng chứa khoảng 50% pha ferrite (α) và 50% pha austenite (γ), HDSS có tính chất cơ học tốt hơn và khả năng chống ăn mòn clorua cao hơn so với DSS thông thường 13. Khả năng chống ăn mòn clorua được cải thiện mở rộng việc sử dụng HDSS trong môi trường clorua ăn mòn hơn, chẳng hạn như môi trường biển.
Ăn mòn do vi sinh vật (MIC) là một vấn đề lớn trong nhiều ngành công nghiệp như dầu khí và cấp nước¹⁴. MIC chiếm 20% tổng số thiệt hại do ăn mòn¹⁵. MIC là hiện tượng ăn mòn điện hóa sinh học có thể quan sát thấy trong nhiều môi trường. Màng sinh học hình thành trên bề mặt kim loại làm thay đổi các điều kiện điện hóa, do đó ảnh hưởng đến quá trình ăn mòn. Người ta tin rằng ăn mòn MIC là do màng sinh học gây ra. Vi sinh vật sinh điện ăn mòn kim loại để thu được năng lượng duy trì sự sống¹⁷. Các nghiên cứu MIC gần đây đã chỉ ra rằng EET (truyền electron ngoại bào) là yếu tố giới hạn tốc độ trong MIC do vi sinh vật sinh điện gây ra. Zhang et al.¹⁸ đã chứng minh rằng các chất trung gian điện tử đẩy nhanh quá trình truyền electron giữa các tế bào Desulfovibrio sessificans và thép không gỉ 304, dẫn đến sự tấn công MIC nghiêm trọng hơn. Enning et al.¹⁹ và Venzlaff et al.²⁰ đã chỉ ra rằng màng sinh học của vi khuẩn khử sunfat (SRB) có thể hấp thụ trực tiếp electron từ chất nền kim loại, dẫn đến ăn mòn rỗ nghiêm trọng.
DSS được biết là dễ bị MIC trong môi trường chứa SRB, vi khuẩn khử sắt (IRB), v.v. 21. Những vi khuẩn này gây ra hiện tượng rỗ cục bộ trên bề mặt DSS dưới lớp màng sinh học22,23. Không giống như DSS, MIC của HDSS24 chưa được biết rõ.
Pseudomonas aeruginosa là một loại vi khuẩn gram âm, hình que, có khả năng di chuyển, phân bố rộng rãi trong tự nhiên25. Pseudomonas aeruginosa cũng là một nhóm vi sinh vật chính trong môi trường biển, gây ra hiện tượng ăn mòn do vi sinh vật (MIC) đối với thép. Pseudomonas tham gia chặt chẽ vào các quá trình ăn mòn và được công nhận là tác nhân tiên phong trong quá trình hình thành màng sinh học. Mahat et al. 28 và Yuan et al. 29 đã chứng minh rằng Pseudomonas aeruginosa có xu hướng làm tăng tốc độ ăn mòn của thép nhẹ và hợp kim trong môi trường nước.
Mục tiêu chính của nghiên cứu này là điều tra các đặc tính ăn mòn do vi sinh vật (MIC) của thép không gỉ 2707 HDSS gây ra bởi vi khuẩn hiếu khí biển Pseudomonas aeruginosa bằng các phương pháp điện hóa, kỹ thuật phân tích bề mặt và phân tích sản phẩm ăn mòn. Các nghiên cứu điện hóa bao gồm Điện thế mạch hở (OCP), Điện trở phân cực tuyến tính (LPR), Phổ trở kháng điện hóa (EIS) và Phân cực động điện thế đã được thực hiện để nghiên cứu hành vi MIC của thép không gỉ 2707 HDSS. Phân tích phổ tán xạ năng lượng (EDS) được thực hiện để tìm các nguyên tố hóa học trên bề mặt bị ăn mòn. Ngoài ra, phân tích quang phổ quang điện tử tia X (XPS) được sử dụng để xác định độ ổn định của lớp màng oxit thụ động dưới ảnh hưởng của môi trường biển chứa Pseudomonas aeruginosa. Độ sâu vết rỗ được đo dưới kính hiển vi quét laser đồng tiêu (CLSM).
Bảng 1 liệt kê thành phần hóa học của thép không gỉ HDSS 2707. Bảng 2 cho thấy thép không gỉ HDSS 2707 có tính chất cơ học tuyệt vời với giới hạn chảy là 650 MPa. Hình 1 cho thấy cấu trúc vi mô quang học của thép không gỉ HDSS 2707 được xử lý nhiệt dung dịch. Có thể thấy các dải kéo dài của pha austenit và ferit mà không có pha thứ cấp trong cấu trúc vi mô chứa khoảng 50% pha austenit và 50% pha ferit.
Hình 2a thể hiện dữ liệu về điện thế mạch hở (Eocp) theo thời gian tiếp xúc của 2707 HDSS trong môi trường vô sinh 2216E và môi trường nuôi cấy P. aeruginosa trong 14 ngày ở 37 °C. Hình ảnh cho thấy sự thay đổi lớn nhất và đáng kể nhất về Eocp xảy ra trong vòng 24 giờ đầu tiên. Giá trị Eocp trong cả hai trường hợp đều đạt đỉnh điểm ở mức -145 mV (so với SCE) vào khoảng 16 giờ và sau đó giảm mạnh, đạt -477 mV (so với SCE) và -236 mV (so với SCE) lần lượt đối với mẫu vô sinh và P. aeruginosa. Các mẫu Pseudomonas aeruginosa tương ứng. Sau 24 giờ, giá trị Eocp của 2707 HDSS đối với P. aeruginosa tương đối ổn định ở mức -228 mV (so với SCE), trong khi giá trị tương ứng đối với các mẫu không sinh học là khoảng -442 mV (so với SCE). Giá trị Eocp khi có mặt P. aeruginosa khá thấp.
Thử nghiệm điện hóa 2707 mẫu HDSS trong môi trường phi sinh học và môi trường nuôi cấy Pseudomonas aeruginosa ở 37 °C:
(a) Eocp theo thời gian phơi sáng, (b) đường cong phân cực vào ngày thứ 14, (c) Rp theo thời gian phơi sáng và (d) icorr theo thời gian phơi sáng.
Bảng 3 liệt kê các giá trị thông số ăn mòn điện hóa của 2707 mẫu HDSS tiếp xúc với môi trường phi sinh học và môi trường được cấy Pseudomonas aeruginosa trong 14 ngày. Các tiếp tuyến của đường cong anot và catot được ngoại suy để tìm ra các điểm giao nhau, cho ra mật độ dòng điện ăn mòn (icorr), điện thế ăn mòn (Ecorr) và độ dốc Tafel (βα và βc) theo các phương pháp tiêu chuẩn30,31.
Như thể hiện trong Hình 2b, sự dịch chuyển lên trên của đường cong P. aeruginosa dẫn đến sự gia tăng Ecorr so với đường cong phi sinh học. Giá trị icorr, tỷ lệ thuận với tốc độ ăn mòn, đã tăng lên 0,328 μA cm-2 trong mẫu Pseudomonas aeruginosa, gấp bốn lần so với mẫu không sinh học (0,087 μA cm-2).
LPR là một phương pháp điện hóa không phá hủy kinh điển để phân tích ăn mòn nhanh chóng. Nó cũng được sử dụng để nghiên cứu MIC32. Hình 2c cho thấy điện trở phân cực (Rp) theo thời gian tiếp xúc. Giá trị Rp càng cao thì mức độ ăn mòn càng ít. Trong vòng 24 giờ đầu tiên, Rp của 2707 HDSS đạt giá trị cực đại là 1955 kΩ cm2 đối với mẫu không có vi sinh vật và 1429 kΩ cm2 đối với mẫu Pseudomonas aeruginosa. Hình 2c cũng cho thấy giá trị Rp giảm nhanh chóng sau một ngày và sau đó duy trì tương đối không đổi trong 13 ngày tiếp theo. Giá trị Rp của mẫu Pseudomonas aeruginosa là khoảng 40 kΩ cm2, thấp hơn nhiều so với giá trị 450 kΩ cm2 của mẫu không có vi sinh vật.
Giá trị icorr tỷ lệ thuận với tốc độ ăn mòn đồng đều. Giá trị này có thể được tính toán từ phương trình Stern-Geary sau:
Theo Zou et al. 33, giá trị điển hình của độ dốc Tafel B trong nghiên cứu này được giả định là 26 mV/dec. Hình 2d cho thấy icorr của mẫu 2707 không sinh học vẫn tương đối ổn định, trong khi mẫu P. aeruginosa dao động mạnh sau 24 giờ đầu tiên. Giá trị icorr của các mẫu P. aeruginosa cao hơn một bậc so với các mẫu đối chứng không sinh học. Xu hướng này phù hợp với kết quả điện trở phân cực.
EIS là một kỹ thuật không phá hủy khác được sử dụng để đặc trưng hóa các phản ứng điện hóa tại các giao diện bị ăn mòn. Phổ trở kháng và giá trị điện dung tính toán của các mẫu tiếp xúc với môi trường phi sinh học và dung dịch Pseudomonas aeruginosa, điện trở Rb của màng thụ động/màng sinh học hình thành trên bề mặt mẫu, điện trở truyền tải điện tích Rct, điện dung lớp điện kép (EDL) Cdl và các thông số phần tử pha không đổi (CPE) QCPE. Các thông số này được phân tích thêm bằng cách khớp dữ liệu bằng cách sử dụng mô hình mạch tương đương (EEC).
Hình 3 thể hiện đồ thị Nyquist điển hình (a và b) và đồ thị Bode (a' và b') của 2707 mẫu HDSS trong môi trường phi sinh học và môi trường nuôi cấy P. aeruginosa ở các thời gian ủ khác nhau. Đường kính của vòng Nyquist giảm khi có sự hiện diện của Pseudomonas aeruginosa. Đồ thị Bode (Hình 3b') cho thấy sự gia tăng về độ lớn của tổng trở kháng. Thông tin về hằng số thời gian thư giãn có thể được cung cấp bởi các cực đại pha. Hình 4 thể hiện cấu trúc vật lý dựa trên lớp đơn (a) và lớp kép (b) và các EEC tương ứng của chúng. CPE được đưa vào mô hình EEC. Độ dẫn và trở kháng của nó được biểu thị như sau:
Hai mô hình vật lý và mạch tương đương tương ứng để khớp phổ trở kháng của mẫu 2707 HDSS:
trong đó Y0 là độ lớn của CPE, j là số ảo hoặc (-1)1/2, ω là tần số góc và n là chỉ số công suất CPE nhỏ hơn 135. Nghịch đảo của điện trở truyền điện tích (tức là 1/Rct) tương ứng với tốc độ ăn mòn. Rct nhỏ hơn có nghĩa là tốc độ ăn mòn nhanh hơn27. Sau 14 ngày ủ, Rct của các mẫu Pseudomonas aeruginosa đạt 32 kΩ cm2, nhỏ hơn nhiều so với 489 kΩ cm2 của các mẫu không sinh học (Bảng 4).
Hình ảnh CLSM và SEM trong Hình 5 cho thấy rõ ràng rằng lớp màng sinh học bao phủ bề mặt mẫu 2707 HDSS sau 7 ngày rất dày đặc. Tuy nhiên, sau 14 ngày, lớp màng sinh học trở nên thưa thớt và xuất hiện một số tế bào chết. Bảng 5 cho thấy độ dày màng sinh học trên các mẫu 2707 HDSS sau khi tiếp xúc với P. aeruginosa trong 7 và 14 ngày. Độ dày màng sinh học tối đa thay đổi từ 23,4 μm sau 7 ngày xuống còn 18,9 μm sau 14 ngày. Độ dày màng sinh học trung bình cũng xác nhận xu hướng này. Nó giảm từ 22,2 ± 0,7 μm sau 7 ngày xuống còn 17,8 ± 1,0 μm sau 14 ngày.
(a) Hình ảnh CLSM 3D sau 7 ngày, (b) Hình ảnh CLSM 3D sau 14 ngày, (c) Hình ảnh SEM sau 7 ngày và (d) Hình ảnh SEM sau 14 ngày.
Phân tích EDS đã tiết lộ các nguyên tố hóa học trong màng sinh học và sản phẩm ăn mòn trên các mẫu tiếp xúc với P. aeruginosa trong 14 ngày. Hình 6 cho thấy hàm lượng C, N, O và P trong màng sinh học và sản phẩm ăn mòn cao hơn nhiều so với kim loại trần, bởi vì các nguyên tố này liên kết với màng sinh học và các chất chuyển hóa của chúng. Vi sinh vật chỉ cần một lượng nhỏ crom và sắt. Nồng độ Cr và Fe cao trong màng sinh học và sản phẩm ăn mòn trên bề mặt mẫu vật cho thấy ma trận kim loại đã mất các nguyên tố do ăn mòn.
Sau 14 ngày, hiện tượng rỗ bề mặt có và không có P. aeruginosa được quan sát thấy trên môi trường 2216E. Trước khi ủ, bề mặt mẫu vật nhẵn và không có khuyết tật (Hình 7a). Sau khi ủ và loại bỏ màng sinh học và các sản phẩm ăn mòn, các vết rỗ sâu nhất trên bề mặt mẫu vật được kiểm tra dưới kính hiển vi laser quét đồng tiêu (CLSM), như thể hiện trong Hình 7b và c. Không tìm thấy vết rỗ rõ ràng nào trên bề mặt của các mẫu đối chứng không có sinh vật (độ sâu vết rỗ tối đa 0,02 μm). Độ sâu vết rỗ tối đa do Pseudomonas aeruginosa gây ra là 0,52 μm sau 7 ngày và 0,69 μm sau 14 ngày, dựa trên độ sâu vết rỗ tối đa trung bình của 3 mẫu (10 giá trị độ sâu vết rỗ tối đa được chọn cho mỗi mẫu) đạt lần lượt là 0,42 ± 0,12 μm và 0,52 ± 0,15 μm (Bảng 5). Các giá trị độ sâu vết rỗ này nhỏ nhưng quan trọng.
(a) Trước khi tiếp xúc, (b) 14 ngày trong môi trường vô sinh và (c) 14 ngày trong môi trường nuôi cấy Pseudomonas aeruginosa.
Hình 8 thể hiện phổ XPS của các bề mặt mẫu khác nhau, và thành phần hóa học được phân tích cho mỗi bề mặt được tóm tắt trong Bảng 6. Trong Bảng 6, phần trăm nguyên tử của Fe và Cr khi có mặt P. aeruginosa (mẫu A và B) thấp hơn nhiều so với các mẫu đối chứng không sinh học (mẫu C và D). Đối với mẫu P. aeruginosa, đường cong phổ mức lõi Cr 2p được phân tích thành bốn thành phần đỉnh với giá trị năng lượng liên kết (BE) lần lượt là 574,4, 576,6, 578,3 và 586,8 eV, có thể được gán cho Cr, Cr2O3, CrO3 và Cr(OH)3 (Hình 9a và b). Đối với các mẫu không sinh học, phổ mức lõi Cr 2p chứa hai đỉnh chính cho Cr (BE 573,80 eV) và Cr2O3 (BE 575,90 eV) trong Hình 9c và d, tương ứng. Sự khác biệt nổi bật giữa mẫu vô sinh và mẫu P. aeruginosa là sự hiện diện của Cr6+ và tỷ lệ tương đối cao hơn của Cr(OH)3 (năng lượng liên kết 586,8 eV) bên dưới màng sinh học.
Phổ XPS rộng của bề mặt mẫu 2707 HDSS trong hai môi trường lần lượt là 7 ngày và 14 ngày.
(a) 7 ngày tiếp xúc với P. aeruginosa, (b) 14 ngày tiếp xúc với P. aeruginosa, (c) 7 ngày trong môi trường vô sinh và (d) 14 ngày trong môi trường vô sinh.
HDSS thể hiện khả năng chống ăn mòn cao trong hầu hết các môi trường. Kim et al. 2 báo cáo rằng UNS S32707 HDSS được định nghĩa là DSS hợp kim cao với PREN lớn hơn 45. Giá trị PREN của mẫu 2707 HDSS trong nghiên cứu này là 49. Điều này là do hàm lượng crom cao và hàm lượng molypden và niken cao, có lợi trong môi trường axit và có hàm lượng clorua cao. Ngoài ra, thành phần cân bằng tốt và cấu trúc vi mô không có khuyết tật rất hữu ích cho sự ổn định cấu trúc và khả năng chống ăn mòn. Tuy nhiên, mặc dù có khả năng kháng hóa chất tuyệt vời, dữ liệu thực nghiệm trong nghiên cứu này cho thấy 2707 HDSS không hoàn toàn miễn nhiễm với MIC của màng sinh học P. aeruginosa.
Kết quả điện hóa cho thấy tốc độ ăn mòn của thép không gỉ HDSS 2707 trong môi trường nuôi cấy P. aeruginosa tăng đáng kể sau 14 ngày so với môi trường không sinh học. Trong Hình 2a, sự giảm Eocp được quan sát thấy ở cả môi trường phi sinh học và môi trường nuôi cấy P. aeruginosa trong 24 giờ đầu tiên. Sau đó, màng sinh học đã bao phủ hoàn toàn bề mặt mẫu vật và Eocp trở nên tương đối ổn định36. Tuy nhiên, mức độ Eocp sinh học cao hơn nhiều so với Eocp phi sinh học. Có lý do để tin rằng sự khác biệt này là do sự hình thành màng sinh học P. aeruginosa. Trong Hình 2d, khi có mặt P. aeruginosa, giá trị icorr của thép không gỉ HDSS 2707 đạt 0,627 μA cm-2, cao hơn một bậc so với đối chứng phi sinh học (0,063 μA cm-2), phù hợp với giá trị Rct đo được bằng EIS. Trong vài ngày đầu tiên, giá trị trở kháng trong P. Độ dẫn điện của môi trường nuôi cấy P. aeruginosa tăng lên do sự bám dính của tế bào P. aeruginosa và sự hình thành màng sinh học. Tuy nhiên, khi màng sinh học bao phủ hoàn toàn bề mặt mẫu, độ dẫn điện giảm xuống. Lớp bảo vệ bị tấn công đầu tiên do sự hình thành màng sinh học và các chất chuyển hóa của màng sinh học. Do đó, khả năng chống ăn mòn giảm dần theo thời gian, và sự bám dính của P. aeruginosa gây ra ăn mòn cục bộ. Xu hướng trong môi trường phi sinh học thì khác. Khả năng chống ăn mòn của mẫu đối chứng không sinh học cao hơn nhiều so với giá trị tương ứng của các mẫu tiếp xúc với môi trường nuôi cấy P. aeruginosa. Hơn nữa, đối với các mẫu phi sinh học, giá trị Rct của 2707 HDSS đạt 489 kΩ cm2 vào ngày thứ 14, gấp 15 lần giá trị Rct (32 kΩ cm2) khi có mặt P. aeruginosa. Do đó, 2707 HDSS có khả năng chống ăn mòn tuyệt vời trong môi trường vô trùng, nhưng không kháng được sự tấn công của MIC do màng sinh học P. aeruginosa gây ra.
Những kết quả này cũng có thể được quan sát từ các đường cong phân cực trong Hình 2b. Sự phân nhánh anot được cho là do sự hình thành màng sinh học Pseudomonas aeruginosa và các phản ứng oxy hóa kim loại. Đồng thời, phản ứng catot là sự khử oxy. Sự hiện diện của P. aeruginosa làm tăng đáng kể mật độ dòng điện ăn mòn, cao hơn khoảng một bậc so với đối chứng không có vi sinh vật. Điều này cho thấy màng sinh học P. aeruginosa làm tăng sự ăn mòn cục bộ của thép không gỉ HDSS 2707. Yuan et al29 đã phát hiện ra rằng mật độ dòng điện ăn mòn của hợp kim Cu-Ni 70/30 tăng lên khi bị tác động bởi màng sinh học P. aeruginosa. Điều này có thể là do sự xúc tác sinh học của quá trình khử oxy bởi màng sinh học Pseudomonas aeruginosa. Quan sát này cũng có thể giải thích MIC của thép không gỉ HDSS 2707 trong nghiên cứu này. Màng sinh học hiếu khí cũng có thể có ít oxy hơn bên dưới chúng. Do đó, việc không thể tái thụ động hóa bề mặt kim loại bằng oxy có thể là một yếu tố góp phần gây ra MIC trong nghiên cứu này.
Dickinson et al. 38 cho rằng tốc độ của các phản ứng hóa học và điện hóa có thể bị ảnh hưởng trực tiếp bởi hoạt động trao đổi chất của vi khuẩn bám dính trên bề mặt mẫu vật và bản chất của các sản phẩm ăn mòn. Như thể hiện trong Hình 5 và Bảng 5, cả số lượng tế bào và độ dày màng sinh học đều giảm sau 14 ngày. Điều này có thể được giải thích hợp lý là sau 14 ngày, hầu hết các tế bào bám dính trên bề mặt 2707 HDSS đã chết do cạn kiệt chất dinh dưỡng trong môi trường 2216E hoặc do sự giải phóng các ion kim loại độc hại từ ma trận 2707 HDSS. Đây là một hạn chế của các thí nghiệm theo mẻ.
Trong nghiên cứu này, màng sinh học P. aeruginosa đã thúc đẩy sự suy giảm cục bộ Cr và Fe bên dưới màng sinh học trên bề mặt thép không gỉ HDSS 2707 (Hình 6). Bảng 6 cho thấy sự giảm Fe và Cr trong mẫu D so với mẫu C, chỉ ra rằng Fe và Cr hòa tan do màng sinh học P. aeruginosa gây ra vẫn tồn tại sau 7 ngày đầu tiên. Môi trường 2216E được sử dụng để mô phỏng môi trường biển. Nó chứa 17700 ppm Cl-, tương đương với nồng độ tìm thấy trong nước biển tự nhiên. Sự hiện diện của 17700 ppm Cl- là nguyên nhân chính dẫn đến sự giảm Cr trong các mẫu phi sinh học 7 và 14 ngày được phân tích bằng XPS. So với các mẫu P. aeruginosa, sự hòa tan Cr trong các mẫu phi sinh học ít hơn nhiều do khả năng kháng Cl- mạnh của thép không gỉ HDSS 2707 trong môi trường phi sinh học. Hình 9 cho thấy sự hiện diện của Cr6+ trong màng thụ động hóa. Nó có thể tham gia vào quá trình loại bỏ Cr khỏi bề mặt thép bằng cách... Màng sinh học của P. aeruginosa, như đề xuất của Chen và Clayton.
Do sự phát triển của vi khuẩn, giá trị pH của môi trường trước và sau khi nuôi cấy lần lượt là 7,4 và 8,2. Do đó, bên dưới màng sinh học P. aeruginosa, sự ăn mòn axit hữu cơ khó có thể là yếu tố góp phần vào nghiên cứu này do pH tương đối cao trong môi trường tổng thể. pH của môi trường đối chứng không sinh học không thay đổi đáng kể (từ 7,4 ban đầu đến 7,5 cuối cùng) trong suốt thời gian thử nghiệm 14 ngày. Sự tăng pH trong môi trường cấy sau khi ủ là do hoạt động trao đổi chất của P. aeruginosa và được nhận thấy có tác động tương tự đến pH khi không có que thử.
Như thể hiện trong Hình 7, độ sâu vết rỗ tối đa do màng sinh học P. aeruginosa gây ra là 0,69 μm, lớn hơn nhiều so với môi trường phi sinh học (0,02 μm). Điều này phù hợp với dữ liệu điện hóa đã mô tả ở trên. Độ sâu vết rỗ 0,69 μm nhỏ hơn hơn mười lần so với giá trị 9,5 μm được báo cáo cho 2205 DSS trong cùng điều kiện. Những dữ liệu này chứng minh rằng 2707 HDSS thể hiện khả năng chống MIC tốt hơn so với 2205 DSS. Điều này không có gì đáng ngạc nhiên, vì 2707 HDSS có hàm lượng crom cao hơn, cung cấp khả năng thụ động hóa lâu dài hơn, do cấu trúc pha cân bằng mà không có kết tủa thứ cấp có hại, khiến P. aeruginosa khó phá vỡ lớp thụ động và bắt đầu quá trình ăn mòn.
Tóm lại, hiện tượng rỗ ăn mòn do vi sinh vật (MIC) được phát hiện trên bề mặt thép không gỉ 2707 HDSS trong môi trường nuôi cấy P. aeruginosa, so với hiện tượng rỗ ăn mòn không đáng kể trong môi trường phi sinh học. Nghiên cứu này cho thấy thép không gỉ 2707 HDSS có khả năng chống ăn mòn do vi sinh vật tốt hơn thép không gỉ 2205 DSS, nhưng không hoàn toàn miễn nhiễm với MIC do màng sinh học P. aeruginosa. Những phát hiện này giúp ích trong việc lựa chọn loại thép không gỉ phù hợp và ước tính tuổi thọ sử dụng trong môi trường biển.
Phiếu kiểm tra thép không gỉ HDSS 2707 được cung cấp bởi Trường Luyện kim thuộc Đại học Đông Bắc (NEU) tại Thẩm Dương, Trung Quốc. Thành phần nguyên tố của thép không gỉ HDSS 2707 được thể hiện trong Bảng 1, được phân tích bởi Bộ phận Phân tích và Kiểm tra Vật liệu của NEU. Tất cả các mẫu đều được xử lý dung dịch ở 1180 °C trong 1 giờ. Trước khi thử nghiệm ăn mòn, các mẫu thép không gỉ HDSS 2707 hình đồng xu với diện tích bề mặt tiếp xúc phía trên là 1 cm2 được đánh bóng đến độ mịn 2000 grit bằng giấy nhám silicon carbide và tiếp tục đánh bóng bằng dung dịch huyền phù bột Al2O3 0,05 μm. Các mặt bên và đáy được bảo vệ bằng sơn trơ. Sau khi sấy khô, các mẫu được rửa bằng nước khử ion vô trùng và khử trùng bằng ethanol 75% (v/v) trong 0,5 giờ. Sau đó, chúng được sấy khô trong không khí dưới ánh sáng cực tím (UV) trong 0,5 giờ trước khi sử dụng.
Chủng Pseudomonas aeruginosa biển MCCC 1A00099 được mua từ Trung tâm Thu thập Nuôi cấy Sinh vật Biển Hạ Môn (MCCC), Trung Quốc. Pseudomonas aeruginosa được nuôi cấy hiếu khí ở 37°C trong bình tam giác 250 ml và bình điện hóa thủy tinh 500 ml sử dụng môi trường lỏng Marine 2216E (Công ty TNHH Công nghệ Sinh học Qingdao Hope, Thanh Đảo, Trung Quốc). Thành phần môi trường (g/L): 19,45 NaCl, 5,98 MgCl2, 3,24 Na2SO4, 1,8 CaCl2, 0,55 KCl, 0,16 Na2CO3, 0,08 KBr, 0,034 SrCl2, 0,08 SrBr2, 0,022 H3BO3, 0,004 NaSiO3, 0,016 NH3, 0,016 NH3, 0,016 Dung dịch gồm: NaH2PO4, 5,0 peptone, 1,0 chiết xuất nấm men và 0,1 ferric citrate. Tiệt trùng ở 121°C trong 20 phút trước khi cấy. Đếm số lượng tế bào bám dính và tế bào trôi nổi bằng buồng đếm hồng cầu dưới kính hiển vi quang học ở độ phóng đại 400X. Nồng độ tế bào ban đầu của Pseudomonas aeruginosa trôi nổi ngay sau khi cấy là khoảng 106 tế bào/ml.
Các thử nghiệm điện hóa được thực hiện trong một bình thủy tinh ba điện cực cổ điển với thể tích môi trường là 500 ml. Một tấm bạch kim và một điện cực calomel bão hòa (SCE) được nối với lò phản ứng thông qua các mao quản Luggin chứa cầu muối, lần lượt đóng vai trò là điện cực đối và điện cực tham chiếu. Để chế tạo điện cực làm việc, một dây đồng bọc cao su được gắn vào mỗi mẫu và được phủ bằng epoxy, để lại khoảng 1 cm2 diện tích bề mặt một mặt tiếp xúc cho điện cực làm việc. Trong quá trình đo điện hóa, các mẫu được đặt trong môi trường 2216E và duy trì ở nhiệt độ ủ không đổi (37 °C) trong bể nước. Dữ liệu OCP, LPR, EIS và phân cực động điện thế được đo bằng máy đo điện thế Autolab (Reference 600TM, Gamry Instruments, Inc., USA). Các thử nghiệm LPR được ghi lại ở tốc độ quét 0,125 mV s-1 trong phạm vi từ -5 đến 5 mV với Eocp và tần số lấy mẫu 1 Hz. EIS được thực hiện với sóng sin trong phạm vi tần số. Tần số quét điện thế từ 0,01 đến 10.000 Hz sử dụng điện áp đặt vào 5 mV ở trạng thái ổn định Eocp. Trước khi quét điện thế, các điện cực ở chế độ mạch hở cho đến khi đạt được giá trị điện thế ăn mòn tự do ổn định. Sau đó, các đường cong phân cực được chạy từ -0,2 đến 1,5 V so với Eocp với tốc độ quét 0,166 mV/s. Mỗi thí nghiệm được lặp lại 3 lần có và không có P. aeruginosa.
Các mẫu để phân tích cấu trúc kim loại được đánh bóng cơ học bằng giấy nhám SiC ướt 2000 grit và sau đó được đánh bóng thêm bằng huyền phù bột Al2O3 0,05 μm để quan sát quang học. Phân tích cấu trúc kim loại được thực hiện bằng kính hiển vi quang học. Các mẫu được khắc bằng dung dịch kali hydroxit 10% trọng lượng 43.
Sau khi ủ, các mẫu được rửa 3 lần bằng dung dịch muối đệm phosphat (PBS) (pH 7,4 ± 0,2) và sau đó cố định bằng glutaraldehyde 2,5% (v/v) trong 10 giờ để cố định màng sinh học. Sau đó, mẫu được khử nước bằng dung dịch ethanol với nồng độ tăng dần (50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95% và 100% v/v) trước khi làm khô bằng không khí. Cuối cùng, bề mặt mẫu được phủ một lớp màng vàng để tạo độ dẫn điện cho quan sát SEM. Hình ảnh SEM được tập trung vào các điểm có nhiều tế bào P. aeruginosa bám dính nhất trên bề mặt mỗi mẫu vật. Tiến hành phân tích EDS để tìm các nguyên tố hóa học. Kính hiển vi quét laser đồng tiêu Zeiss (CLSM) (LSM 710, Zeiss, Đức) được sử dụng để đo độ sâu vết rỗ. Để quan sát các vết rỗ ăn mòn dưới màng sinh học, mẫu thử được làm sạch trước theo tiêu chuẩn Trung Quốc. Tiêu chuẩn quốc gia (CNS) GB/T4334.4-2000 để loại bỏ các sản phẩm ăn mòn và màng sinh học trên bề mặt của mẫu thử.
Phân tích quang phổ điện tử tia X (XPS, hệ thống phân tích bề mặt ESCALAB250, Thermo VG, Hoa Kỳ) được thực hiện bằng cách sử dụng nguồn tia X đơn sắc (tia Kα của nhôm ở năng lượng 1500 eV và công suất 150 W) trên dải năng lượng liên kết rộng từ 0 trong điều kiện tiêu chuẩn đến 1350 eV. Phổ độ phân giải cao được ghi lại bằng cách sử dụng năng lượng truyền qua 50 eV và bước nhảy 0,2 eV.
Các mẫu vật được ủ được lấy ra và rửa nhẹ nhàng bằng dung dịch PBS (pH 7,4 ± 0,2) trong 15 giây. Để quan sát khả năng sống sót của vi khuẩn trong màng sinh học trên các mẫu, màng sinh học được nhuộm bằng bộ kit LIVE/DEAD BacLight Bacterial Viability Kit (Invitrogen, Eugene, OR, USA). Bộ kit này có hai chất nhuộm huỳnh quang, chất nhuộm huỳnh quang xanh SYTO-9 và chất nhuộm huỳnh quang đỏ propidium iodide (PI). Dưới kính hiển vi laser quét đồng tiêu (CLSM), các chấm huỳnh quang xanh và đỏ lần lượt đại diện cho tế bào sống và tế bào chết. Để nhuộm, hỗn hợp 1 ml chứa 3 μl dung dịch SYTO-9 và 3 μl dung dịch PI được ủ trong 20 phút ở nhiệt độ phòng (23 oC) trong bóng tối. Sau đó, các mẫu đã nhuộm được quan sát ở hai bước sóng (488 nm cho tế bào sống và 559 nm cho tế bào chết) bằng máy CLSM Nikon (C2 Plus, Nikon, Nhật Bản). Độ dày màng sinh học được đo ở chế độ quét 3D.
Cách trích dẫn bài báo này: Li, H. et al. Ăn mòn vi sinh vật của thép không gỉ siêu song pha 2707 bởi màng sinh học Pseudomonas aeruginosa biển.science.Rep. 6, 20190; doi: 10.1038/srep20190 (2016).
Zanotto, F., Grassi, V., Balbo, A., Monticelli, C. & Zucchi, F. Hiện tượng nứt ăn mòn do ứng suất của thép không gỉ song pha LDX 2101 trong dung dịch clorua khi có mặt thiosulfat.coros.science.80, 205–212 (2014).
Kim, ST, Jang, SH, Lee, IS & Park, YS. Ảnh hưởng của xử lý nhiệt dung dịch và nitơ trong khí bảo vệ đến khả năng chống ăn mòn rỗ của mối hàn thép không gỉ siêu song pha. coros.science.53, 1939–1947 (2011).
Shi, X., Avci, R., Geiser, M. & Lewandowski, Z. Nghiên cứu hóa học so sánh về ăn mòn rỗ do vi sinh vật và điện hóa gây ra trên thép không gỉ 316L. coros.science.45, 2577–2595 (2003).
Luo, H., Dong, CF, Li, XG & Xiao, K. Hành vi điện hóa của thép không gỉ song pha 2205 trong dung dịch kiềm có độ pH khác nhau khi có mặt clorua. Electrochim.Journal.64, 211–220 (2012).
Little, BJ, Lee, JS & Ray, RI. Tác động của màng sinh học biển lên sự ăn mòn: một đánh giá ngắn gọn. Electrochim.Journal.54, 2-7 (2008).