תודה שביקרתם באתר Nature.com. גרסת הדפדפן בה אתם משתמשים כוללת תמיכה מוגבלת ב-CSS. לחוויית המשתמש הטובה ביותר, אנו ממליצים להשתמש בדפדפן מעודכן (או לכבות את מצב התאימות ב-Internet Explorer). בינתיים, כדי להבטיח תמיכה מתמשכת, נציג את האתר ללא סגנונות ו-JavaScript.
קורוזיה מיקרוביאלית (MIC) היא בעיה חמורה בתעשיות רבות, שכן היא עלולה לגרום להפסדים כלכליים עצומים. פלדת אל-חלד סופר דופלקס 2707 (2707 HDSS) נמצאת בשימוש בסביבות ימיות בשל עמידותה הכימית המצוינת. עם זאת, עמידותה ל-MIC לא הודגמה בניסוי. במחקר זה, נחקרה התנהגות ה-MIC של 2707 HDSS הנגרמת על ידי החיידק האירובי הימי Pseudomonas aeruginosa. ניתוח אלקטרוכימי הראה כי בנוכחות ביופילם של Pseudomonas aeruginosa במדיום 2216E, חל שינוי חיובי בפוטנציאל הקורוזיה ועלייה בצפיפות זרם הקורוזיה. ניתוח ספקטרוסקופיית פוטואלקטרונים בקרני רנטגן (XPS) הראה ירידה בתכולת Cr על פני הדגימה מתחת לביופילם. ניתוח הדמיה של הבורות הראה כי ביופילם של P. aeruginosa ייצר עומק בורות מרבי של 0.69 מיקרומטר במהלך 14 ימי דגירה. למרות שזה קטן, זה מצביע על כך ש-2707 HDSS אינו חסין לחלוטין ל-MIC של... ביופילמים של P. aeruginosa.
פלדות אל-חלד דופלקס (DSS) נמצאות בשימוש נרחב בתעשיות שונות בזכות השילוב האידיאלי שלהן בין תכונות מכניות מצוינות ועמידות בפני קורוזיה1,2. עם זאת, עדיין מתרחשת גומות מקומיות המשפיעות על שלמות הפלדה3,4. DSS אינה עמידה בפני קורוזיה מיקרוביאלית (MIC)5,6. למרות מגוון היישומים הרחב של DSS, עדיין ישנן סביבות בהן עמידות הקורוזיה של DSS אינה מספיקה לשימוש ארוך טווח. משמעות הדבר היא שנדרשים חומרים יקרים יותר בעלי עמידות גבוהה יותר בפני קורוזיה. ג'ון ועמיתיו7 מצאו שגם לפלדות אל-חלד סופר דופלקס (SDSS) יש מגבלות מסוימות מבחינת עמידות בפני קורוזיה. לכן, נדרשות פלדות אל-חלד סופר דופלקס (HDSS) בעלות עמידות גבוהה יותר בפני קורוזיה ביישומים מסוימים. זה הוביל לפיתוח HDSS בעל סגסוגות גבוהות.
עמידות הקורוזיה של DSS תלויה ביחס בין פאזות אלפא וגמא ובאזורים מדולדלים של Cr, Mo ו-W 8, 9, 10 הסמוכים לפאזה השנייה. HDSS מכיל תכולה גבוהה של Cr, Mo ו-N11, ולכן יש לו עמידות מעולה בפני קורוזיה וערך גבוה (45-50) של Pitting Resistance Equivalent Number (PREN), שנקבע על ידי wt.% Cr + 3.3 (wt.% Mo + 0.5 wt% W) + 16 wt% N12. עמידות הקורוזיה המעולה שלו מסתמכת על הרכב מאוזן המכיל כ-50% פאזות פריט (α) ו-50% אוסטניט (γ). ל-HDSS תכונות מכניות טובות יותר ועמידות גבוהה יותר מאשר DSS13 קונבנציונלי. תכונות קורוזיה של כלוריד. עמידות הקורוזיה המשופרת מרחיבה את השימוש ב-HDSS בסביבות כלוריד קורוזיביות יותר, כגון סביבות ימיות.
מיקרואורגניזמים אלקטרוכימיים (MICs) מהווים בעיה מרכזית בתעשיות רבות כמו נפט וגז ותשתיות מים14. MIC מהווה 20% מכלל נזקי הקורוזיה15. MIC היא קורוזיה ביו-אלקטרוכימית שניתן לצפות בה בסביבות רבות. ביופילמים הנוצרים על משטחי מתכת משנים את התנאים האלקטרוכימיים, ובכך משפיעים על תהליך הקורוזיה. מקובל לחשוב שקורוזיה של MIC נגרמת על ידי ביופילמים. מיקרואורגניזמים אלקטרוגניים מאכלים מתכות כדי להשיג אנרגיה מתמשכת כדי לשרוד17. מחקרים אחרונים של MIC הראו ש-EET (העברת אלקטרונים חוץ-תאית) הוא הגורם המגביל את קצב ה-MIC המושרה על ידי מיקרואורגניזמים אלקטרוגניים. Zhang ועמיתיו18 הדגימו שמתווכים אלקטרונים מאיצים את העברת האלקטרונים בין תאי Desulfovibrio sessificans לפלדת אל-חלד 304, מה שמוביל להתקפת MIC חמורה יותר. Enning ועמיתיו19 ו-Venzlaff ועמיתיו20 הראו שביופילמים של חיידקים קורוזיביים מפחיתי סולפט (SRB) יכולים לספוג אלקטרונים ישירות ממצעי מתכת, וכתוצאה מכך לקורוזיה חמורה של גורים.
ידוע כי DSS רגיש ל-MIC בסביבות המכילות SRB, חיידקים מפחיתי ברזל (IRB) וכו'. 21. חיידקים אלה גורמים להופעת גורים מקומית על משטחי DSS מתחת לביופילמים 22,23. שלא כמו DSS, ה-MIC של HDSS 24 אינו ידוע היטב.
Pseudomonas aeruginosa הוא חיידק גרם-שלילי בעל מוט ניידות, הנפוץ בטבע25. Pseudomonas aeruginosa הוא גם קבוצה מיקרוביאלית מרכזית בסביבה הימית, הגורמת ל-MIC בפלדה. Pseudomonas מעורב באופן הדוק בתהליכי קורוזיה ומוכר כחלוץ ביצירת ביופילם. Mahat et al.28 ו-Yuan et al.29 הדגימו כי ל-Pseudomonas aeruginosa יש נטייה להגביר את קצב הקורוזיה של פלדה רכה וסגסוגות בסביבות מימיות.
המטרה העיקרית של עבודה זו הייתה לחקור את תכונות ה-MIC של 2707 HDSS הנגרם על ידי החיידק האירובי הימי Pseudomonas aeruginosa באמצעות שיטות אלקטרוכימיות, טכניקות אנליטיות פני שטח וניתוח תוצרי קורוזיה. מחקרים אלקטרוכימיים, כולל פוטנציאל מעגל פתוח (OCP), התנגדות קיטוב ליניארית (LPR), ספקטרוסקופיית עכבה אלקטרוכימית (EIS) וקיטוב דינמי פוטנציאלי, בוצעו כדי לחקור את התנהגות ה-MIC של 2707 HDSS. בוצע ניתוח ספקטרומטר פיזור אנרגיה (EDS) כדי למצוא יסודות כימיים על פני השטח המקולקלים. בנוסף, נעשה שימוש בניתוח ספקטרוסקופיית פוטואלקטרונים בקרני רנטגן (XPS) כדי לקבוע את יציבות הפסיבציה של סרט התחמוצת תחת השפעת סביבה ימית המכילה Pseudomonas aeruginosa. עומק הגומה נמדד תחת מיקרוסקופ סורק לייזר קונפוקלי (CLSM).
טבלה 1 מפרטת את ההרכב הכימי של 2707 HDSS. טבלה 2 מראה כי ל-2707 HDSS תכונות מכניות מצוינות עם חוזק כניעה של 650 MPa. איור 1 מציג את המיקרו-מבנה האופטי של 2707 HDSS שטופל בחום בתמיסה. ניתן לראות פסים מוארכים של פאזות אוסטניט ופריט ללא פאזות משניות במיקרו-מבנה המכיל כ-50% פאזות אוסטניט ו-50% פאזות פריט.
איור 2א' מציג נתוני פוטנציאל מעגל פתוח (Eocp) לעומת זמן חשיפה עבור 2707 HDSS במדיום אביוטי 2216E ובציר P. aeruginosa במשך 14 ימים ב-37 מעלות צלזיוס. הוא מראה שהשינוי הגדול והמשמעותי ביותר ב-Eocp מתרחש בתוך 24 השעות הראשונות. ערכי ה-Eocp בשני המקרים הגיעו לשיא של -145 mV (לעומת SCE) בסביבות 16 שעות ולאחר מכן ירדו בחדות, והגיעו ל- -477 mV (לעומת SCE) ו- -236 mV (לעומת SCE) עבור הדגימה האביוטית ו-P, בהתאמה. קופונים של Pseudomonas aeruginosa, בהתאמה. לאחר 24 שעות, ערך ה-Eocp של 2707 HDSS עבור P. aeruginosa היה יציב יחסית ב- -228 mV (לעומת SCE), בעוד שהערך המקביל עבור דגימות לא ביולוגיות היה כ- -442 mV (לעומת SCE). ערך ה-Eocp בנוכחות P. aeruginosa היה נמוך למדי.
בדיקה אלקטרוכימית של 2707 דגימות HDSS במצע אביוטי ובציר Pseudomonas aeruginosa ב-37 מעלות צלזיוס:
(א) Eocp כפונקציה של זמן חשיפה, (ב) עקומות קיטוב ביום 14, (ג) Rp כפונקציה של זמן חשיפה ו-(ד) icorr כפונקציה של זמן חשיפה.
טבלה 3 מפרטת את ערכי פרמטרי הקורוזיה האלקטרוכימיים של 2707 דגימות HDSS שנחשפו למצע אביוטי ולמצע מחוסן Pseudomonas aeruginosa במשך 14 ימים. המשיקים של העקומות האנודיות והקתודיות עברו אקסטרפולציה כדי להגיע לחיתוכים המניבים צפיפות זרם קורוזיה (icorr), פוטנציאל קורוזיה (Ecorr) ושיפועים של Tafel (βα ו-βc) בהתאם לשיטות סטנדרטיות30,31.
כפי שמוצג באיור 2b, הסטייה כלפי מעלה של עקומת P. aeruginosa הביאה לעלייה ב-Ecorr בהשוואה לעקומה האביוטית. ערך ה-icorr, שהוא פרופורציונלי לקצב הקורוזיה, עלה ל-0.328 μA cm-2 בדגימת Pseudomonas aeruginosa, פי ארבעה מזה של הדגימה הלא-ביולוגית (0.087 μA cm-2).
LPR היא שיטה אלקטרוכימית קלאסית לא הרסנית לניתוח קורוזיה מהיר. היא שימשה גם לחקר MIC32. איור 2c מציג את התנגדות הקיטוב (Rp) כפונקציה של זמן החשיפה. ערך Rp גבוה יותר פירושו פחות קורוזיה. בתוך 24 השעות הראשונות, ה-Rp של 2707 HDSS הגיע לערך מקסימלי של 1955 kΩ cm2 עבור דגימות אביוטיות ו-1429 kΩ cm2 עבור דגימות Pseudomonas aeruginosa. איור 2c מראה גם שערך ה-Rp ירד במהירות לאחר יום אחד ולאחר מכן נותר כמעט ללא שינוי במשך 13 הימים הבאים. ערך ה-Rp של דגימת Pseudomonas aeruginosa הוא כ-40 kΩ cm2, שהוא נמוך בהרבה מערך 450 kΩ cm2 של הדגימה הלא ביולוגית.
ערך ה-icorr פרופורציונלי לקצב הקורוזיה האחיד. ניתן לחשב את ערכו ממשוואת שטרן-גירי הבאה,
בעקבות Zou et al. 33, ערך טיפוסי של שיפוע Tafel B בעבודה זו הונח כ-26 mV/dec. איור 2d מראה כי ה-icorr של הדגימה הלא-ביולוגית 2707 נותר יציב יחסית, בעוד שדגימה של P. aeruginosa השתנתה מאוד לאחר 24 השעות הראשונות. ערכי ה-icorr של דגימות P. aeruginosa היו גבוהים בסדר גודל מאשר בקבוצת הביקורת הלא-ביולוגית. מגמה זו עולה בקנה אחד עם תוצאות התנגדות הקיטוב.
EIS היא טכניקה נוספת שאינה הורסת המשמשת לאפיון תגובות אלקטרוכימיות בממשקים שעברו קורוזיה. ספקטרום עכבה וערכי קיבול מחושבים של דגימות שנחשפו למדיה אביוטית ותמיסת Pseudomonas aeruginosa, התנגדות Rb של סרט פסיבי/ביופילם שנוצר על פני הדגימה, התנגדות להעברת מטען Rct, קיבול חשמלי כפול שכבה (EDL) Cdl ופרמטרים של אלמנט פאזה קבוע (CPE) QCPE. פרמטרים אלה נותחו עוד יותר על ידי התאמת הנתונים באמצעות מודל מעגל שווה ערך (EEC).
איור 3 מציג עקומות נייקוויסט אופייניות (a ו-b) ותרשימי בוד (a' ו-b') של 2707 דגימות HDSS במדיום אביוטי ובציר P. aeruginosa עבור זמני דגירה שונים. קוטר טבעת נייקוויסט יורד בנוכחות Pseudomonas aeruginosa. עקרון הבוד (איור 3b') מראה עלייה בגודל העכבה הכוללת. מידע על קבוע זמן הרלקסציה יכול להינתן על ידי מקסימום הפאזה. איור 4 מציג את המבנים הפיזיקליים המבוססים על שכבה אחת (a) ודו-שכבתית (b) ואת ה-EEC המתאימים להם. CPE מוכנס למודל ה-EEC. האדישות והעכבה שלו מבוטאות כדלקמן:
שני מודלים פיזיקליים ומעגלים שקולים תואמים להתאמת ספקטרום העכבה של דגימת HDSS 2707:
כאשר Y0 הוא גודל ה-CPE, j הוא המספר המדומה או (-1)1/2, ω הוא התדר הזוויתי, ו-n הוא מדד ההספק של ה-CPE הקטן מאחד35. ההופכי של התנגדות העברת המטען (כלומר 1/Rct) מתאים לקצב הקורוזיה. Rct קטן יותר פירושו קצב קורוזיה מהיר יותר27. לאחר 14 ימי דגירה, ה-Rct של דגימות Pseudomonas aeruginosa הגיע ל-32 kΩ cm2, קטן בהרבה מ-489 kΩ cm2 של הדגימות הלא ביולוגיות (טבלה 4).
תמונות ה-CLSM וה-SEM באיור 5 מראות בבירור שכיסוי הביופילם על פני השטח של דגימת 2707 HDSS לאחר 7 ימים הוא צפוף. עם זאת, לאחר 14 ימים, כיסוי הביופילם היה דליל והופיעו כמה תאים מתים. טבלה 5 מציגה את עובי הביופילם על דגימות 2707 HDSS לאחר חשיפה ל-P. aeruginosa במשך 7 ו-14 ימים. עובי הביופילם המקסימלי השתנה מ-23.4 מיקרון לאחר 7 ימים ל-18.9 מיקרון לאחר 14 ימים. גם עובי הביופילם הממוצע אישר מגמה זו. הוא ירד מ-22.2 ± 0.7 מיקרון לאחר 7 ימים ל-17.8 ± 1.0 מיקרון לאחר 14 ימים.
(א) תמונת CLSM תלת-ממדית לאחר 7 ימים, (ב) תמונת CLSM תלת-ממדית לאחר 14 ימים, (ג) תמונת SEM לאחר 7 ימים ו-(ד) תמונת SEM לאחר 14 ימים.
בדיקת EDS חשפה יסודות כימיים בביופילם ובתוצרי קורוזיה בדגימות שנחשפו ל-P. aeruginosa במשך 14 ימים. איור 6 מראה שתכולת ה-C, N, O ו-P בביופילם ובתוצרי קורוזיה גבוהה בהרבה מזו שבמתכות חשופות, מכיוון שיסודות אלה קשורים לביופילם ולמטבוליטים שלהם. מיקרובים זקוקים רק לכמויות זעירות של כרום וברזל. רמות גבוהות של Cr ו-Fe בביופילם ובתוצרי הקורוזיה על פני הדגימות מצביעות על כך שמטריצת המתכת איבדה יסודות עקב קורוזיה.
לאחר 14 ימים, נצפתה שקעים עם ובלי P. aeruginosa במדיום 2216E. לפני הדגירה, פני השטח של הדגימה היו חלקים וללא פגמים (איור 7א). לאחר הדגירה והסרת ביופילם ותוצרי קורוזיה, נבדקו הבורות העמוקים ביותר על פני הדגימות תחת CLSM, כפי שמוצג באיור 7ב' ו-7ג'. לא נמצאו בורות ברורים על פני השטח של דגימות הבקרה הלא ביולוגיות (עומק בורות מקסימלי 0.02 מיקרומטר). עומק הבורות המקסימלי הנגרם על ידי Pseudomonas aeruginosa היה 0.52 מיקרומטר לאחר 7 ימים ו-0.69 מיקרומטר לאחר 14 ימים, בהתבסס על עומק הבורות המקסימלי הממוצע של 3 דגימות (נבחרו 10 ערכי עומק בורות מקסימליים עבור כל דגימה) שהגיעו ל-0.42 ± 0.12 מיקרומטר ו-0.52 ± 0.15 מיקרומטר, בהתאמה (טבלה 5). ערכי עומק בורות אלה קטנים אך חשובים.
(א) לפני החשיפה, (ב) 14 ימים במצע אביוטי ו-(ג) 14 ימים במרק Pseudomonas aeruginosa.
איור 8 מציג את ספקטרום ה-XPS של משטחי דגימה שונים, וההרכבים הכימיים שנותחו עבור כל משטח מסוכמים בטבלה 6. בטבלה 6, האחוזים האטומיים של Fe ו-Cr בנוכחות P. aeruginosa (דגימות A ו-B) היו נמוכים בהרבה מאלה של דגימות הבקרה הלא-ביולוגיות (דגימות C ו-D). עבור דגימת P. aeruginosa, עקומת הספקטרום ברמת הליבה של Cr 2p הותאמה לארבעה רכיבי שיא עם ערכי אנרגיית קשירה (BE) של 574.4, 576.6, 578.3 ו-586.8 eV, אשר ניתן לייחס ל-Cr, Cr2O3, CrO3 ו-Cr(OH)3, בהתאמה (איור 9a ו-9b). עבור דגימות לא-ביולוגיות, ספקטרום ה-Cr 2p ברמת הליבה מכיל שני שיאים עיקריים עבור Cr (573.80 eV עבור BE) ו-Cr2O3 (575.90 eV עבור BE) באיור 9c ו-9d, בהתאמה. ההבדל הבולט ביותר בין הדגימות האביוטיות לדגימות P. aeruginosa היה נוכחות של Cr6+ וחלק יחסי גבוה יותר של Cr(OH)3 (BE של 586.8 eV) מתחת לביופילם.
ספקטרום ה-XPS הרחב של פני השטח של דגימת 2707 HDSS בשני המדיומים הוא 7 ימים ו-14 ימים, בהתאמה.
(א) 7 ימים של חשיפה ל-P. aeruginosa, (ב) 14 ימים של חשיפה ל-P. aeruginosa, (ג) 7 ימים במצע אביוטי ו-(ד) 14 ימים במצע אביוטי.
HDSS מציג רמות גבוהות של עמידות בפני קורוזיה ברוב הסביבות. קים ועמיתיו 2 דיווחו כי UNS S32707 HDSS הוגדר כ-DSS מסגסוגת גבוהה עם PREN של יותר מ-45. ערך ה-PREN של דגימת 2707 HDSS בעבודה זו היה 49. זאת בשל תכולת הכרום הגבוהה שלו ורמות המוליבדן והניקל הגבוהות שלו, המועילות בסביבות חומציות וגבוהות בכלוריד. בנוסף, הרכב מאוזן היטב ומיקרו-מבנה נטול פגמים מועילים ליציבות מבנית ועמידות בפני קורוזיה. עם זאת, למרות עמידותו הכימית המצוינת, הנתונים הניסויים בעבודה זו מצביעים על כך ש-2707 HDSS אינו חסין לחלוטין ל-MIC של ביופילמים של P. aeruginosa.
תוצאות אלקטרוכימיות הראו שקצב הקורוזיה של 2707 HDSS במצע P. aeruginosa עלה משמעותית לאחר 14 ימים בהשוואה למצע לא ביולוגי. באיור 2a, נצפתה ירידה ב-Eocp הן במצע אביוטי והן במצע P. aeruginosa במהלך 24 השעות הראשונות. לאחר מכן, הביופילם סיים לכסות את פני השטח של הדגימה וה-Eocp הופך יציב יחסית36. עם זאת, רמת ה-Eocp הביולוגית הייתה גבוהה בהרבה מזו של Eocp לא ביולוגי. יש סיבה להאמין שהבדל זה נובע מהיווצרות הביופילם של P. aeruginosa. באיור 2d, בנוכחות P. aeruginosa, ערך ה-icorr של 2707 HDSS הגיע ל-0.627 μA cm-2, שהיה גבוה בסדר גודל מזה של הבקרה האביוטית (0.063 μA cm-2), אשר היה עקבי עם ערך ה-Rct שנמדד על ידי EIS. במהלך הימים הראשונים, ערכי העכבה ב-P. ציר aeruginosa גדל עקב הצמדת תאי P. aeruginosa והיווצרות ביופילמים. עם זאת, כאשר הביופילם מכסה לחלוטין את פני השטח של הדגימה, העכבה יורדת. שכבת המגן מותקפת תחילה עקב היווצרות ביופילמים ומטבוליטים של ביופילם. לכן, עמידות הקורוזיה ירדה עם הזמן, והצמדת P. aeruginosa גרמה לקורוזיה מקומית. המגמות במדיה אביוטית היו שונות. עמידות הקורוזיה של הבקרה הלא-ביולוגית הייתה גבוהה בהרבה מהערך המקביל של הדגימות שנחשפו לציר P. aeruginosa. יתר על כן, עבור דגימות אביוטיות, ערך ה-Rct של 2707 HDSS הגיע ל-489 kΩ cm2 ביום 14, שהיה פי 15 מערך ה-Rct (32 kΩ cm2) בנוכחות P. aeruginosa. לכן, ל-2707 HDSS עמידות מצוינת בפני קורוזיה בסביבה סטרילית, אך אינו עמיד בפני התקפת MIC על ידי ביופילמים של P. aeruginosa.
ניתן לראות תוצאות אלו גם מעקומות הקיטוב באיור 2b. ההסתעפות האנודית יוחסה להיווצרות ביופילם של Pseudomonas aeruginosa ולתגובות חמצון מתכת. במקביל, התגובה הקתודית היא חיזור של חמצן. נוכחותו של P. aeruginosa הגדילה מאוד את צפיפות זרם הקורוזיה, בערך בסדר גודל גבוה יותר מהבקרה האביוטית. ממצא זה מצביע על כך שביופילם של P. aeruginosa מגביר את הקורוזיה המקומית של 2707 HDSS. יואן ועמיתיו מצאו שצפיפות זרם הקורוזיה של סגסוגת 70/30 Cu-Ni גדלה תחת אתגר של ביופילם של P. aeruginosa. ייתכן שזה נובע מביו-קטליזה של חיזור חמצן על ידי ביופילמים של Pseudomonas aeruginosa. תצפית זו עשויה גם להסביר את ה-MIC של 2707 HDSS בעבודה זו. ייתכן שגם ביופילמים אירוביים יש פחות חמצן מתחתם. לכן, הכישלון בפסיבציה מחדש של פני המתכת על ידי חמצן עשוי להיות גורם תורם ל-MIC בעבודה זו.
דיקינסון ועמיתיו 38 הציעו כי קצב התגובות הכימיות והאלקטרוכימיות יכול להיות מושפע ישירות מהפעילות המטבולית של חיידקים נייחים על פני הדגימה ומאופי תוצרי הקורוזיה. כפי שמוצג באיור 5 ובטבלה 5, מספר התאים ועובי הביופילם ירדו לאחר 14 ימים. ניתן להסביר זאת באופן סביר בכך שלאחר 14 ימים, רוב התאים הנייחים על פני השטח של 2707 HDSS מתו עקב דלדול חומרים מזינים במדיום 2216E או שחרור יוני מתכת רעילים ממטריצת 2707 HDSS. זוהי מגבלה של ניסויי אצווה.
בעבודה זו, הביופילם של P. aeruginosa קידם דלדול מקומי של Cr ו-Fe מתחת לביופילם על פני השטח של 2707 HDSS (איור 6). בטבלה 6, ההפחתה של Fe ו-Cr בדגימה D בהשוואה לדגימה C, דבר המצביע על כך ש-Fe ו-Cr מומסים הנגרמים על ידי הביופילם של P. aeruginosa נמשכו מעבר ל-7 הימים הראשונים. מצע 2216E משמש לסימולציה של סביבות ימיות. הוא מכיל 17700 ppm Cl-, ריכוז דומה לזה שנמצא במי ים טבעיים. נוכחות של 17700 ppm Cl- הייתה הסיבה העיקרית להפחתה ב-Cr בדגימות האביוטיות שנותחו לאחר 7 ו-14 ימים על ידי XPS. בהשוואה לדגימות P. aeruginosa, המסת Cr בדגימות האביוטיות הייתה נמוכה בהרבה עקב עמידות חזקה ל-Cl− של 2707 HDSS בסביבות אביוטיות. איור 9 מציג את נוכחותו של Cr6+ בסרט הפסיבציה. ייתכן שהוא מעורב בהסרת Cr ממשטחי פלדה על ידי P. ביופילמים של aeruginosa, כפי שהוצע על ידי צ'ן וקלייטון.
עקב גדילת חיידקים, ערכי ה-pH של המדיום לפני ואחרי הגידול היו 7.4 ו-8.2, בהתאמה. לכן, מתחת לביופילם של P. aeruginosa, לא סביר שקורוזיה של חומצה אורגנית תורמת לעבודה זו עקב ה-pH הגבוה יחסית במדיום המלא. ה-pH של מדיום הבקרה הלא ביולוגי לא השתנה באופן משמעותי (מ-7.4 התחלתי ל-7.5 סופי) במהלך תקופת הבדיקה בת 14 הימים. העלייה ב-pH במדיום ההזרקה לאחר הדגירה נבעה מפעילות מטבולית של P. aeruginosa ונמצא כי יש לה השפעה זהה על ה-pH בהיעדר רצועות בדיקה.
כפי שמוצג באיור 7, עומק הגומה המרבי שנגרם על ידי הביופילם של P. aeruginosa היה 0.69 מיקרון, שהיה גדול בהרבה מזה של המדיום האביוטי (0.02 מיקרון). ממצא זה עולה בקנה אחד עם הנתונים האלקטרוכימיים שתוארו לעיל. עומק הגומה של 0.69 מיקרון קטן פי עשרה מערך 9.5 מיקרון שדווח עבור 2205 DSS באותם תנאים. נתונים אלה מראים כי 2707 HDSS מציג עמידות טובה יותר ל-MIC בהשוואה ל-2205 DSS. אין בכך מפתיע, שכן ל-2707 HDSS יש תכולת כרום גבוהה יותר, המספקת פסיבציה לאורך זמן רב יותר, הודות למבנה הפאזה המאוזן ללא משקעים משניים מזיקים, מה שמקשה על P. aeruginosa לעבור פסיבציה ולהתחיל להאפיל על נקודות.
לסיכום, נמצאו שקעים ב-MIC על פני השטח של 2707 HDSS במרק P. aeruginosa בהשוואה לשקעים זניחים במדיה אביוטית. עבודה זו מראה כי ל-2707 HDSS עמידות טובה יותר ל-MIC מאשר ל-2205 DSS, אך הוא אינו חסין לחלוטין ל-MIC עקב ביופילם של P. aeruginosa. ממצאים אלה מסייעים בבחירת פלדות אל-חלד מתאימות ובהערכת חיי השירות לסביבה הימית.
הקופון עבור 2707 HDSS מסופק על ידי בית הספר למטלורגיה של אוניברסיטת נורת'איסטרן (NEU) בשניאנג, סין. ההרכב היסודי של 2707 HDSS מוצג בטבלה 1, אשר נותחה על ידי מחלקת ניתוח ובדיקה של חומרים של NEU. כל הדגימות טופלו בתמיסה ב-1180 מעלות צלזיוס למשך שעה אחת. לפני בדיקת הקורוזיה, 2707 HDSS בצורת מטבע עם שטח פנים חשוף עליון של 1 סמ"ר לוטש ל-2000 גריט עם נייר סיליקון קרביד ולוטש עוד יותר עם תרחיף אבקה Al2O3 בריכוז 0.05 מיקרומטר. הצדדים והתחתית מוגנים על ידי צבע אינרטי. לאחר הייבוש, הדגימות נשטפו במים סטריליים ללא יוניזציה ועוקרו באתנול 75% (v/v) למשך 0.5 שעות. לאחר מכן הן יובשו באוויר תחת אור אולטרה סגול (UV) למשך 0.5 שעות לפני השימוש.
זן MCCC 1A00099 של Pseudomonas aeruginosa ימי נרכש ממרכז איסוף התרבות הימית של שיאמן (MCCC), סין. Pseudomonas aeruginosa גודל באופן אירובי בטמפרטורה של 37 מעלות צלזיוס בבקבוקים של 250 מ"ל ובתאי זכוכית אלקטרוכימיים של 500 מ"ל באמצעות מצע נוזלי Marine 2216E (Qingdao Hope Biotechnology Co., Ltd., צ'ינגדאו, סין). מצע (גרם/ליטר): 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, 0016 NH3, 0016 NH3, 0016 NaH2PO4. , 5.0 פפטון, 1.0 תמצית שמרים ו-0.1 ברזל ציטרט. יש לאוטוקלב ב-121 מעלות צלזיוס למשך 20 דקות לפני ההזרקה. יש לספור תאים נייחים ותאים פלנקטוניים באמצעות הומוציטומטרי תחת מיקרוסקופ אור בהגדלה של פי 400. ריכוז התאים ההתחלתי של Pseudomonas aeruginosa פלנקטונית מיד לאחר ההזרקה היה כ-106 תאים/מ"ל.
בדיקות אלקטרוכימיות בוצעו בתא זכוכית קלאסי בעל שלוש אלקטרודות בנפח בינוני של 500 מ"ל. יריעת פלטינה ואלקטרודת קלומל רוויה (SCE) חוברו לכור באמצעות נימים של Luggin מלאים בגשרי מלח, ששימשו כאלקטרודות נגד ואלקטרודות ייחוס, בהתאמה. כדי ליצור את אלקטרודות העבודה, חוט נחושת מצופה גומי חובר לכל דגימה וכוסה באפוקסי, תוך השארת כ-1 סמ"ר של שטח פנים חד-צדדי חשוף עבור אלקטרודת העבודה. במהלך המדידות האלקטרוכימיות, הדגימות הונחו במדיום 2216E ונשמרו בטמפרטורת דגירה קבועה (37 מעלות צלזיוס) באמבט מים. נתוני OCP, LPR, EIS וקיטוב דינמי פוטנציאלי נמדדו באמצעות פוטנציוסטט Autolab (Reference 600TM, Gamry Instruments, Inc., ארה"ב). בדיקות LPR נרשמו בקצב סריקה של 0.125 mV s-1 בטווח של -5 ו-5 mV עם Eocp ותדר דגימה של 1 הרץ. EIS בוצע עם גל סינוס בטווח התדרים 0.01. עד 10,000 הרץ באמצעות מתח מופעל של 5 mV במצב יציב של Eocp. לפני סריקת הפוטנציאל, האלקטרודות היו במצב מעגל פתוח עד שהושג ערך פוטנציאל קורוזיה חופשי יציב. לאחר מכן, עקומות הקיטוב נבדקו מ-0.2- עד 1.5 V לעומת Eocp בקצב סריקה של 0.166 mV/s. כל בדיקה חזרה על עצמה 3 פעמים עם ובלי P. aeruginosa.
דגימות לניתוח מטלוגרפי לוטשו מכנית עם נייר SiC רטוב 2000 גריט ולאחר מכן לוטשו עוד יותר עם תרחיף אבקה Al2O3 במשקל 0.05 מיקרומטר לצורך תצפית אופטית. ניתוח מטלוגרפי בוצע באמצעות מיקרוסקופ אופטי. הדגימות נחרטו בתמיסת אשלגן הידרוקסיד 10% משקלי 43.
לאחר הדגירה, הדגימות נשטפו 3 פעמים בתמיסת מלח פוספטית (PBS) (pH 7.4 ± 0.2) ולאחר מכן קובעו עם 2.5% (v/v) גלוטראלדהיד למשך 10 שעות כדי לקבע את הביופילם. לאחר מכן, הדגימות יובשו בסדרה מדורגת (50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95% ו-100% v/v) של אתנול לפני ייבוש באוויר. לבסוף, פני השטח של הדגימה מותזים בשכבת זהב כדי לספק מוליכות לתצפית ב-SEM. תמונות ה-SEM התמקדו בנקודות עם תאי P. aeruginosa הנייחים ביותר על פני השטח של כל דגימה. בצעו ניתוח EDS כדי למצוא יסודות כימיים. מיקרוסקופ סורק לייזר קונפוקלי Zeiss (CLSM) (LSM 710, Zeiss, גרמניה) שימש למדידת עומק הגומה. על מנת לצפות בבורות הקורוזיה מתחת לביופילם, נוקה תחילה חתיכת הבדיקה בהתאם לתקן הלאומי הסיני. (CNS) GB/T4334.4-2000 להסרת תוצרי קורוזיה וביופילם על פני שטח של חומר הבדיקה.
ניתוח ספקטרוסקופיית פוטואלקטרונים של קרני רנטגן (XPS, מערכת ניתוח פני שטח ESCALAB250, Thermo VG, ארה"ב) בוצע באמצעות מקור קרני רנטגן מונוכרומטי (קו אלומיניום Kα באנרגיה של 1500 eV והספק של 150 W) על פני טווח אנרגיית קשירה רחב של 0 בתנאים סטנדרטיים -1350 eV. ספקטרומים ברזולוציה גבוהה תועדו באמצעות אנרגיית מעבר של 50 eV וגודל צעד של 0.2 eV.
הדגימות המודגרות הוצאו ונשטפו בעדינות עם PBS (pH 7.4 ± 0.2) למשך 15 שניות ו-45 דקות. כדי לבחון את הכדאיות החיידקית של הביופילם על הדגימות, הביופילם נצבעו באמצעות ערכת הכדאיות החיידקית LIVE/DEAD BacLight (Invitrogen, יוג'ין, אורגון, ארה"ב). הערכה מכילה שני צבעים פלואורסצנטיים, צבע ירוק פלואורסצנטי SYTO-9 וצבע אדום פלואורסצנטי פרופידיום יודיד (PI). תחת CLSM, נקודות בירוק ואדום פלואורסצנטי מייצגות תאים חיים ומתים, בהתאמה. לצורך צביעה, תערובת של 1 מ"ל המכילה 3 מיקרוליטר תמיסת SYTO-9 ו-3 מיקרוליטר תמיסת PI הודגרה למשך 20 דקות בטמפרטורת החדר (23 מעלות צלזיוס) בחושך. לאחר מכן, הדגימות המוצבעות נצפו בשני אורכי גל (488 ננומטר לתאים חיים ו-559 ננומטר לתאים מתים) באמצעות מכשיר CLSM של Nikon (C2 Plus, Nikon, יפן). עובי הביופילם נמדד במצב סריקה תלת-ממדי.
כיצד לצטט מאמר זה: Li, H. et al. קורוזיה מיקרוביאלית של פלדת אל-חלד סופר דופלקס 2707 על ידי ביופילם ימי של Pseudomonas aeruginosa.science.Rep. 6, 20190; doi: 10.1038/srep20190 (2016).
זנוטו, פ., גראסי, ו., באלבו, א., מונטיצ'לי, ק. וזוצ'י, פ. סדקים בקורוזיית מאמץ של פלדת אל-חלד דופלקס LDX 2101 בתמיסת כלוריד בנוכחות תיוסולפט. coros.science.80, 205–212 (2014).
קים, ST, ג'אנג, SH, לי, IS ופארק, YS השפעת טיפול בחום בתמיסה וחנקן בגז מגן על עמידות בפני קורוזיה של ריתוכים מפלדת אל-חלד סופר דופלקס. coros.science.53, 1939–1947 (2011).
Shi, X., Avci, R., Geiser, M. & Lewandowski, Z. מחקר כימי השוואתי של קורוזיה נקודתית הנגרמת על ידי מיקרוביאלים ואלקטרוכימיה בנירוסטה 316L. coros.science.45, 2577–2595 (2003).
Luo, H., Dong, CF, Li, XG & Xiao, K. התנהגות אלקטרוכימית של נירוסטה דופלקס 2205 בתמיסות אלקליות בעלות pH שונה בנוכחות כלוריד. Electrochim.Journal.64, 211–220 (2012).
ליטל, ב.ג'., לי, ג'.ס. וריי, רי.איי. השפעת ביופילמים ימיים על קורוזיה: סקירה תמציתית. Electrochim.Journal.54, 2-7 (2008).