Ảnh hưởng của màng sinh học biển Pseudomonas aeruginosa đến sự ăn mòn vi sinh vật của thép không gỉ siêu kép 2707

Cảm ơn bạn đã ghé thăm Nature.com.Bạn đang sử dụng phiên bản trình duyệt có hỗ trợ CSS hạn chế.Để có trải nghiệm tốt nhất, chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng trình duyệt đã cập nhật (hoặc tắt Chế độ tương thích trong Internet Explorer).Ngoài ra, để đảm bảo được hỗ trợ liên tục, chúng tôi hiển thị trang web không có kiểu và JavaScript.
Hiển thị băng chuyền gồm ba trang trình bày cùng một lúc.Sử dụng các nút Trước và Tiếp theo để di chuyển qua ba trang chiếu cùng một lúc hoặc sử dụng các nút trượt ở cuối để di chuyển qua ba trang chiếu cùng một lúc.
Ăn mòn vi sinh vật (MIC) là một vấn đề lớn trong nhiều ngành công nghiệp vì nó có thể dẫn đến thiệt hại kinh tế rất lớn.Thép không gỉ siêu song công 2707 (2707 HDSS) được sử dụng trong môi trường biển do khả năng kháng hóa chất tuyệt vời.Tuy nhiên, khả năng kháng MIC của nó chưa được chứng minh bằng thực nghiệm.Nghiên cứu này xem xét hoạt động của MIC 2707 HDSS do vi khuẩn hiếu khí biển Pseudomonas aeruginosa gây ra.Phân tích điện hóa cho thấy với sự có mặt của màng sinh học Pseudomonas aeruginosa trong môi trường 2216E, khả năng ăn mòn thay đổi tích cực và mật độ dòng ăn mòn tăng lên.Kết quả phân tích quang phổ quang điện tử tia X (XPS) cho thấy hàm lượng Cr trên bề mặt mẫu dưới màng sinh học giảm.Phân tích hình ảnh hố cho thấy màng sinh học Pseudomonas aeruginosa tạo ra độ sâu hố tối đa là 0,69 µm sau 14 ngày nuôi cấy.Mặc dù điều này là nhỏ nhưng nó cho thấy rằng 2707 HDSS không hoàn toàn miễn nhiễm với tác động của màng sinh học P. aeruginosa đối với MIC.
Thép không gỉ song công (DSS) được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau do sự kết hợp hoàn hảo giữa tính chất cơ học tuyệt vời và khả năng chống ăn mòn1,2.Tuy nhiên hiện tượng rỗ cục bộ vẫn có thể xảy ra, điều này có thể ảnh hưởng đến tính nguyên vẹn của loại thép này 3, 4.DSS không được bảo vệ chống ăn mòn vi sinh vật (MIC)5,6.Mặc dù phạm vi ứng dụng của DSS rất rộng nhưng vẫn có những môi trường mà khả năng chống ăn mòn của DSS không đủ để sử dụng lâu dài.Điều này có nghĩa là cần phải có những vật liệu đắt tiền hơn với khả năng chống ăn mòn cao hơn.Jeon và cộng sự7 nhận thấy rằng ngay cả thép không gỉ siêu song công (SDSS) cũng có một số hạn chế về khả năng chống ăn mòn.Do đó, cần có thép không gỉ siêu song công (HDSS) có khả năng chống ăn mòn cao hơn trong một số ứng dụng nhất định.Điều này dẫn đến sự phát triển của HDSS hợp kim cao.
Khả năng chống ăn mòn của DSS được xác định bởi tỷ lệ giữa pha α và pha γ và các vùng bị suy giảm trong Cr, Mo và W liền kề với các pha thứ cấp8,9,10.HDSS chứa hàm lượng Cr, Mo và N11 cao, giúp nó có khả năng chống ăn mòn tuyệt vời và giá trị chống rỗ tương đương giá trị cao (45-50) (PREN), được xác định bằng wt.% Cr + 3,3 (wt.% Mo + 0, 5% trọng lượng W) + 16% trọng lượng.N12.Khả năng chống ăn mòn tuyệt vời của nó phụ thuộc vào thành phần cân bằng chứa khoảng 50% pha ferritic (α) và 50% austenit (γ).HDSS đã cải thiện tính chất cơ học và khả năng kháng clo cao hơn so với DSS13 thông thường.Đặc điểm ăn mòn hóa học.Khả năng chống ăn mòn được cải thiện giúp mở rộng việc sử dụng HDSS trong môi trường clorua mạnh hơn như môi trường biển.
MIC là một vấn đề quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp, bao gồm cả dầu khí và cung 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 ở nhiều môi trường16.Sự hình thành màng sinh học trên bề mặt kim loại làm thay đổi điều kiện điện hóa và do đó ảnh hưởng đến quá trình ăn mòn.Người ta thường chấp nhận rằng ăn mòn MIC là do màng sinh học gây ra14.Các vi sinh vật sinh điện ăn mòn kim loại để lấy năng lượng cho sự sống17.Các nghiên cứu gần đây về MIC đã chỉ ra rằng EET (chuyển điện tử ngoại bào) là yếu tố hạn chế MIC do vi sinh vật sinh điện gây ra.Zhang và cộng sự18 đã chứng minh rằng các chất trung gian điện tử đẩy nhanh quá trình chuyển điện tử giữa các tế bào không cuống Desulfovibrio Vulgaris và thép không gỉ 304, dẫn đến sự tấn công MIC nghiêm trọng hơn.Anning và cộng sự.19 và Wenzlaff và cộng sự.đã chỉ ra rằng màng sinh học của vi khuẩn khử sunfat ăn mòn (SRB) có thể hấp thụ điện tử trực tiếp từ chất nền kim loại, dẫn đến hiện tượng rỗ nghiêm trọng.
DSS được biết là nhạy cảm với MIC trong môi trường chứa SRB, vi khuẩn khử sắt (IRB), v.v. 21 .Những vi khuẩn này gây ra vết rỗ cục bộ trên bề mặt DSS dưới màng sinh học22,23.Không giống như DSS, người ta biết rất ít về MIC HDSS24.
Pseudomonas aeruginosa là một loại vi khuẩn hình que, gram âm, di động, phân bố rộng rãi trong tự nhiên25.Pseudomonas aeruginosa cũng là vi sinh vật chính chịu trách nhiệm về MIC của thép trong môi trường biển26.Các loài Pseudomonas tham gia trực tiếp vào quá trình ăn mòn và được công nhận là những loài xâm chiếm đầu tiên trong quá trình hình thành màng sinh học27.Mahat và cộng sự.28 và Yuan và cộng sự.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 công việc này là nghiên cứu các đặc tính MIC của 2707 HDSS do vi khuẩn hiếu khí biển Pseudomonas aeruginosa gây ra bằng phương pháp điện hóa, phương pháp 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), quang phổ trở kháng điện hóa (EIS) và phân cực thế động đã được thực hiện để nghiên cứu hoạt động của MIC 2707 HDSS.Phân tích quang phổ tán sắc năng lượng (EDS) được thực hiện để phát hiện các nguyên tố hóa học trên bề mặt bị ăn mòn.Ngoài ra, độ ổn định của quá trình thụ động màng oxit dưới tác động của môi trường biển có chứa Pseudomonas aeruginosa được xác định bằng phương pháp quang phổ quang điện tử tia X (XPS).Độ sâu của hố được đo dưới kính hiển vi quét laser đồng tiêu (CLSM).
Bảng 1 thể hiện thành phần hóa học của 2707 HDSS.Bảng 2 cho thấy 2707 HDSS có đặc tính cơ học tuyệt vời với cường độ năng suất 650 MPa.Trên hình.Hình 1 thể hiện cấu trúc vi mô quang học của dung dịch được xử lý nhiệt 2707 HDSS.Có thể thấy các dải kéo dài của pha austenit và ferit không có pha thứ cấp trong vi cấu trúc chứa khoảng 50% pha austenit và 50% pha ferit.
Trên hình.2a thể hiện điện thế mạch hở (Eocp) so với thời gian phơi nhiễm đối với 2707 HDSS trong môi trường phi sinh học 2216E và môi trường canh thang Pseudomonas aeruginosa trong 14 ngày ở 37°C.Người ta nhận thấy những thay đổi rõ rệt nhất ở Eocp xảy ra trong 24 giờ đầu tiên.Giá trị Eocp trong cả hai trường hợp đạt đỉnh ở khoảng -145 mV (so với SCE) vào khoảng 16 giờ và sau đó giảm mạnh xuống -477 mV (so với SCE) và -236 mV (so với SCE) đối với các mẫu phi sinh học và P đối với các mẫu tương đối. SCE) lớp gỉ tương ứng.Sau 24 giờ, giá trị Eocp của Pseudomonas aeruginosa 2707 HDSS vẫn tương đối ổn định ở mức -228 mV (so với SCE), trong khi giá trị tương ứng của mẫu phi sinh học là khoảng -442 mV (so với SCE).Eocp khi có mặt Pseudomonas aeruginosa là khá thấp.
Thử nghiệm điện hóa 2707 mẫu HDSS trong môi trường phi sinh học và canh thang Pseudomonas aeruginosa ở 37°C:
(a) Thay đổi Eocp theo thời gian phơi sáng, (b) đường cong phân cực ở ngày 14, (c) thay đổi Rp theo thời gian phơi sáng, (d) thay đổi chính xác theo thời gian phơi sáng.
Bảng 3 cho thấy các thông số ăn mòn điện hóa của 2707 mẫu HDSS tiếp xúc với môi trường cấy P. aeruginosa phi sinh học trong khoảng thời gian 14 ngày.Phép ngoại suy tiếp tuyến của đường cong anốt và catốt đến điểm giao nhau cho phép xác định mật độ dòng ăn mòn (icorr), thế năng ăn mòn (Ecorr) và độ dốc Tafel (βα và βc) theo các phương pháp tiêu chuẩn30,31.
Như được hiển thị 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 của mẫu chứa Pseudomonas aeruginosa tỷ lệ thuận với tốc độ ăn mòn tăng lên 0,328 µA cm-2, lớn hơn 4 lần so với mẫu phi sinh học (0,087 µA cm-2).
LPR là một phương pháp điện hóa cổ điển để phân tích nhanh sự ăn mòn không phá hủy.Nó cũng đã được sử dụng để nghiên cứu MIC32.Trên hình.Hình 2c cho thấy sự thay đổi điện trở phân cực (Rp) tùy thuộc vào thời gian phơi sáng.Giá trị Rp cao hơn có nghĩa là ít bị ăn mòn hơn.Trong vòng 24 giờ đầu tiên, Rp 2707 HDSS đạt đỉnh ở mức 1955 kΩ cm2 đối với các mẫu vật phi sinh học và 1429 kΩ cm2 đối với các mẫu vật Pseudomonas aeruginosa.Hình 2c cũng cho thấy giá trị Rp giảm nhanh sau một ngày và sau đó tương đối không thay đổi trong 13 ngày tiếp theo.Giá trị Rp đối với mẫu thử Pseudomonas aeruginosa là khoảng 40 kΩ cm2, thấp hơn nhiều so với giá trị 450 kΩ cm2 đối với mẫu thử phi sinh học.
Giá trị của icor tỷ lệ thuận với tốc độ ăn mòn đồng đều.Giá trị của nó có thể được tính từ phương trình Stern-Giri sau:
Theo Zoe và cộng sự.33 độ dốc Tafel B được lấy làm giá trị điển hình là 26 mV/dec trong nghiên cứu này.Trên hình.Hình 2d cho thấy icorr của chủng phi sinh học 2707 duy trì tương đối ổn định, trong khi icorr của dải Pseudomonas aeruginosa dao động mạnh với bước nhảy lớn sau 24 giờ đầu tiên.Giá trị icorr của mẫu thử nghiệm Pseudomonas aeruginosa cao hơn nhiều so với mẫu đối chứng phi sinh học.Xu hướng này phù hợp với kết quả kháng phân cực.
EIS là một phương pháp không phá hủy khác được sử dụng để mô tả các phản ứng điện hóa ở bề mặt ăn mòn34.Tính toán phổ trở kháng và điện dung của các dải tiếp xúc với môi trường phi sinh học và dung dịch Pseudomonas aeruginosa, Rb là điện trở của màng sinh học/thụ động hình thành trên bề mặt dải, Rct là điện trở truyền điện tích, Cdl là lớp điện kép.) và các thông số phần tử pha không đổi QCPE (CPE).Các thông số này được phân tích sâu hơn bằng cách so sánh dữ liệu với mô hình mạch điện tương đương (EEC).
Trên hình.3 thể hiện các biểu đồ Nyquist điển hình (a và b) và biểu đồ Bode (a' và b') của 2707 mẫu HDSS trong môi trường phi sinh học và môi trường canh thang Pseudomonas aeruginosa ở các thời điểm ủ khác nhau.Với sự hiện diện của Pseudomonas aeruginosa, đường kính của vòng Nyquist giảm.Biểu đồ Bode (Hình 3b') cho thấy sự gia tăng tổng trở kháng.Thông tin về hằng số thời gian thư giãn có thể thu được từ cực đại pha.Trên hình.4 hiển thị các cấu trúc vật lý và EEC tương ứng dựa trên lớp đơn (a) và hai lớp (b).CPE được đưa vào mô hình EEC.Sự tiếp nhận và trở kháng của nó được thể hiện như sau:
Hai mô hình vật lý và các mạch tương đương tương ứng để lắp phổ trở kháng phiếu giảm giá 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 hệ số công suất CPE nhỏ hơn một35.Đảo ngược điện trở chuyển điện tích (tức là 1/Rct) tương ứng với tốc độ ăn mòn.Giá trị Rct thấp hơn có nghĩa là tốc độ ăn mòn cao hơn27.Sau 14 ngày ủ, Rct của mẫu thử nghiệm Pseudomonas aeruginosa đạt 32 kΩ cm2, thấp hơn nhiều so với 489 kΩ cm2 của mẫu thử nghiệm phi sinh học (Bảng 4).
Ảnh CLSM và ảnh SEM trong hình.5 cho thấy rõ ràng độ bao phủ màng sinh học trên bề mặt mẫu HDSS 2707 rất dày đặc sau 7 ngày.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 của 2707 mẫu HDSS sau 7 và 14 ngày tiếp xúc với Pseudomonas aeruginosa.Độ dày màng sinh học tối đa thay đổi từ 23,4 µm sau 7 ngày lên 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) Ảnh CLSM 3-D sau 7 ngày, (b) Ảnh CLSM 3-D sau 14 ngày, (c) Ảnh SEM sau 7 ngày và (d) Ảnh SEM sau 14 ngày.
EMF tiết lộ các thành phần hóa học trong màng sinh học và các sản phẩm ăn mòn trên các mẫu tiếp xúc với Pseudomonas aeruginosa trong 14 ngày.Trên hình.Hình 6 cho thấy hàm lượng C, N, O, P trong màng sinh học và các sản phẩm ăn mòn cao hơn nhiều so với trong kim loại nguyên chất, vì các nguyên tố này liên kết với màng sinh học và các chất chuyển hóa của nó.Vi sinh vật chỉ cần một lượng nhỏ Cr và Fe.Hàm lượng Cr và Fe cao trong màng sinh học và các sản phẩm ăn mòn trên bề mặt mẫu cho thấy sự mất mát các nguyên tố trong nền kim loại do ăn mòn.
Sau 14 ngày, quan sát thấy các vết rỗ có và không có P. aeruginosa trên môi trường 2216E.Trước khi ủ, bề mặt của mẫu 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 được kiểm tra bằng CLSM, như trong Hình 7b và c.Không tìm thấy vết rỗ rõ ràng nào trên bề mặt của đối chứng phi sinh học (độ sâu hố tối đa 0,02 µm).Độ sâu hố tối đa do Pseudomonas aeruginosa gây ra là 0,52 µm sau 7 ngày và 0,69 µm sau 14 ngày, căn cứ vào độ sâu hố tối đa trung bình lấy từ 3 mẫu (mỗi mẫu chọn 10 độ sâu hố tối đa) và đạt 0,42 ± 0,12 µm. .và 0,52 ± 0,15 µm tương ứng (Bảng 5).Những giá trị độ sâu lúm đồng tiền này tuy nhỏ nhưng quan trọng.
(a) trước khi tiếp xúc;(b) 14 ngày trong môi trường vô sinh;(c) 14 ngày trong canh thang P. aeruginosa.
Trên hình.Bảng 8 cho thấy phổ XPS của các bề mặt mẫu khác nhau và thành phần hóa học được phân tích cho từng bề mặt được tóm tắt trong Bảng 6. Trong Bảng 6, tỷ lệ phần trăm nguyên tử của Fe và Cr thấp hơn nhiều khi có sự hiện diện của P. aeruginosa (mẫu A và B). ) so với dải đối chứng phi sinh học.(mẫu C và D).Đối với một mẫu Pseudomonas aeruginosa, đường cong phổ mức lõi Cr 2p được gắn cho bốn thành phần đỉnh có năng lượng liên kết (BE) là 574,4, 576,6, 578,3 và 586,8 eV, được gán cho Cr, Cr2O3, CrO3 và Cr(OH) 3 tương ứng (Hình 9a và b).Đối với các mẫu phi sinh học, phổ của lớp lõi Cr 2p trong hình.9c và d lần lượt chứa hai đỉnh chính là Cr (BE 573,80 eV) và Cr2O3 (BE 575,90 eV).Sự khác biệt nổi bật nhất giữa phiếu giảm giá phi sinh học và phiếu giảm giá P. aeruginosa là sự hiện diện của Cr6+ và tỷ lệ Cr(OH)3 (BE 586,8 eV) tương đối cao dưới màng sinh học.
Phổ XPS bề mặt rộng của 2707 mẫu HDSS trên hai môi trường tương ứng trong 7 và 14 ngày.
(a) Phơi nhiễm P. aeruginosa 7 ngày, (b) Phơi nhiễm P. aeruginosa 14 ngày, (c) Phơi nhiễm phi sinh học 7 ngày, (d) Phơi nhiễm phi sinh học 14 ngày.
HDSS thể hiện mức độ chống ăn mòn cao trong hầu hết các môi trường.Kim và cộng sự 2 đã báo cáo rằng HDSS UNS S32707 được xác định là DSS có độ pha tạp cao với PREN lớn hơn 45. Giá trị PREN của mẫu HDSS 2707 trong nghiên cứu này là 49. Điều này là do hàm lượng Cr cao và hàm lượng Mo và Mo cao. Ni, rất hữu ích trong môi trường axit và môi trường có hàm lượng clorua cao.Ngoài ra, thành phần cân bằng tốt và cấu trúc vi mô không có khuyết tật mang lại sự ổn định về cấu trúc và khả năng chống ăn mòn.Mặc dù có khả năng kháng hóa chất tuyệt vời nhưng dữ liệu thực nghiệm trong nghiên cứu này cho thấy 2707 HDSS không hoàn toàn miễn nhiễm với MIC màng sinh học Pseudomonas aeruginosa.
Kết quả điện hóa cho thấy tốc độ ăn mòn của 2707 HDSS trong môi trường Pseudomonas aeruginosa tăng rõ rệt sau 14 ngày so với môi trường phi sinh học.Trong Hình 2a, sự giảm Eocp được quan sát thấy cả trong môi trường phi sinh học và môi trường nuôi cấy P. aeruginosa trong 24 giờ đầu tiên.Sau đó, màng sinh học bao phủ hoàn toàn bề mặt mẫu và Eocp trở nên tương đối ổn định.Tuy nhiên, mức Eocp sinh học cao hơn nhiều so với mức Eocp phi sinh học.Có nhiều lý do để tin rằng sự khác biệt này có liên quan đến sự hình thành màng sinh học P. aeruginosa.Trên hình.2g, giá trị icorr của 2707 HDSS đạt 0,627 µA cm-2 khi có mặt Pseudomonas aeruginosa, cao hơn mức độ của đối chứng phi sinh học (0,063 µA cm-2), phù hợp với Rct. giá trị được đo bằng EIS.Trong vài ngày đầu tiên, các giá trị trở kháng trong môi trường nuôi P. aeruginosa tăng lên do sự gắn kết của tế bào P. aeruginosa và hình thành màng sinh học.Tuy nhiên, trở kháng giảm khi màng sinh học bao phủ hoàn toàn bề mặt mẫu.Lớp bảo vệ bị tấn công chủ yếu do sự hình thành màng sinh học và các chất chuyển hóa màng sinh học.Do đó, khả năng chống ăn mòn giảm theo thời gian và sự lắng đọng của Pseudomonas aeruginosa gây ra sự ăn mòn cục bộ.Các xu hướng trong môi trường phi sinh học là khác nhau.Khả năng chống ăn mòn của đối chứng phi sinh học cao hơn nhiều so với giá trị tương ứng của các mẫu tiếp xúc với môi trường nuôi cấy Pseudomonas aeruginosa.Ngoài ra, đối với các mẫu phi sinh học, giá trị HDSS Rct 2707 đạt 489 kΩ cm2 vào ngày 14, cao gấp 15 lần so với sự hiện diện của Pseudomonas aeruginosa (32 kΩ cm2).Như vậy, 2707 HDSS có khả năng chống ăn mòn rất tốt trong môi trường vô trùng nhưng không được bảo vệ khỏi sự tấn công MIC của màng sinh học Pseudomonas aeruginosa.
Những kết quả này cũng có thể được quan sát từ các đường cong phân cực trong Hình.2b.Sự phân nhánh anốt có liên quan đến sự hình thành màng sinh học Pseudomonas aeruginosa và các phản ứng oxy hóa kim loại.Đồng thời, phản ứng catốt là khử oxy.Sự hiện diện của P. aeruginosa làm tăng đáng kể mật độ dòng ăn mòn, cao hơn khoảng một bậc so với đối chứng phi sinh học.Điều này chỉ ra rằng màng sinh học Pseudomonas aeruginosa đã tăng cường khả năng ăn mòn cục bộ của 2707 HDSS.Yuan và cộng sự29 phát hiện ra rằng mật độ dòng ăn mòn của hợp kim Cu-Ni 70/30 đã tăng lên nhờ màng sinh học Pseudomonas aeruginosa.Điều này có thể là do quá trình khử oxy bằng xúc tác sinh học bằng màng sinh học Pseudomonas aeruginosa.Quan sát này cũng có thể giải thích MIC 2707 HDSS trong tác phẩm này.Màng sinh học hiếu khí cũng có thể làm giảm hàm lượng oxy bên dưới chúng.Vì vậy, việc từ chối tái thụ động bề mặt kim loại bằng oxy có thể là một yếu tố góp phần tạo ra MIC trong công việc này.
Dickinson và cộng sự.38 cho rằng tốc độ phản ứng hóa học và điện hóa phụ thuộc trực tiếp vào hoạt động trao đổi chất của vi khuẩn bám trên bề mặt mẫu và bản chất của các sản phẩm ăn mòn.Như được hiển thị trong Hình 5 và Bảng 5, số lượng tế bào và độ dày màng sinh học giảm sau 14 ngày.Điều này có thể được giải thích một cách hợp lý bởi thực tế là sau 14 ngày hầu hết các tế bào neo trên bề mặt 2707 HDSS đã chết do cạn kiệt chất dinh dưỡng trong môi trường 2216E hoặc giải phóng các ion kim loại độc hại từ ma trận 2707 HDSS.Đây là một hạn chế của các thử nghiệm hàng loạt.
Trong nghiên cứu này, màng sinh học Pseudomonas aeruginosa đã thúc đẩy sự suy giảm cục bộ Cr và Fe dưới màng sinh học trên bề mặt của 2707 HDSS (Hình 6).Trong Bảng 6, Fe và Cr giảm ở mẫu D so với mẫu C, cho thấy độ hòa tan Fe và Cr do màng sinh học P. aeruginosa gây ra được duy trì 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 hàm lượng của nó trong nước biển tự nhiên.Sự có mặt của 17700 ppm Cl- là nguyên nhân chính làm giảm Cr trong các mẫu phi sinh học 7 ngày và 14 ngày được phân tích bằng XPS.So với mẫu thử Pseudomonas aeruginosa, độ hòa tan Cr trong mẫu thử phi sinh học ít hơn rất nhiều do 2707 HDSS có khả năng kháng clo mạnh trong môi trường phi sinh học.Trên hình.Hình 9 cho thấy sự có mặt của Cr6+ trong màng thụ động.Điều này có thể liên quan đến việc loại bỏ Cr khỏi bề mặt thép bằng màng sinh học P. aeruginosa, như đề xuất của Chen và Clayton39.
Do vi khuẩn phát triển nên giá trị pH của môi trường trước và sau khi ủ lần lượt là 7,4 và 8,2.Do đó, sự ăn mòn của axit hữu cơ khó có thể góp phần vào công việc này trong màng sinh học P. aeruginosa do độ pH tương đối cao trong môi trường khối lượng lớn.Độ pH của môi trường đối chứng phi sinh học không thay đổi đáng kể (từ 7,4 ban đầu đến 7,5 cuối cùng) trong thời gian thử nghiệm 14 ngày.Sự gia tăng độ pH trong môi trường cấy sau khi ủ có liên quan đến hoạt động trao đổi chất của Pseudomonas aeruginosa, và tác động tương tự lên độ pH cũng được tìm thấy khi không có dải thử nghiệm.
Như thể hiện trong hình.Như được hiển thị trong Hình 7, độ sâu hố tối đa do màng sinh học Pseudomonas aeruginosa gây ra là 0,69 µm, lớn hơn đáng kể so với trong môi trường phi sinh học (0,02 µm).Điều này phù hợp với dữ liệu điện hóa ở trên.Trong cùng điều kiện, độ sâu hố 0,69 µm nhỏ hơn mười lần so với giá trị 9,5 µm được chỉ định cho 2205 DSS40.Những dữ liệu này cho thấy 2707 HDSS thể hiện khả năng kháng MIC tốt hơn 2205 DSS.Điều này không có gì đáng ngạc nhiên vì 2707 HDSS có hàm lượng Cr cao hơn, cho phép thụ động lâu hơn, khiến Pseudomonas aeruginosa khó bị khử thụ động hơn và bắt đầu quá trình mà không tạo ra kết tủa thứ cấp có hại.
Tóm lại, vết rỗ MIC đã được tìm thấy trên 2707 bề mặt HDSS trong môi trường Pseudomonas aeruginosa, trong khi vết rỗ là không đáng kể trong môi trường phi sinh học.Công trình này cho thấy 2707 HDSS có khả năng kháng MIC tốt hơn 2205 DSS, nhưng nó không miễn dịch hoàn toàn với MIC do màng sinh học Pseudomonas aeruginosa.Những kết quả này hỗ trợ việc lựa chọn thép không gỉ phù hợp và tuổi thọ cho môi trường biển.
2707 mẫu HDSS được cung cấp bởi Trường Luyện kim, Đại học Đông Bắc (NEU), Thẩm Dương, Trung Quốc.Thành phần nguyên tố của 2707 HDSS được thể hiện trong Bảng 1, được phân tích bởi Phòng Thử nghiệm và Phân tích Vật liệu của Đại học Đông Bắc.Tất cả các mẫu được xử lý thành dung dịch rắn ở 1180°C trong 1 giờ.Trước khi thử nghiệm ăn mòn, thép đồng xu 2707 HDSS có diện tích bề mặt lộ ra là 1 cm2 đã được đánh bóng đến 2000 grit bằng giấy nhám cacbua silic và sau đó được đánh bóng thêm bằng bùn bột Al2O3 0,05 µm.Các mặt bên và mặt dưới được bảo vệ bằng sơn trơ.Sau khi sấy khô, các mẫu được rửa bằng nước khử ion vô trùng và khử trùng bằng etanol 75% (v/v) trong 0,5 giờ.Sau đó, chúng được làm khô trong không khí dưới tia cực tím (UV) trong 0,5 giờ trước khi sử dụng.
Chủng biển Pseudomonas aeruginosa MCCC 1A00099 được mua từ Bộ sưu tập văn hóa biển Hạ Môn (MCCC), Trung Quốc.Môi trường lỏng Marine 2216E (Công ty TNHH Công nghệ sinh học Thanh Đảo Hope, Thanh Đảo, Trung Quốc) được sử dụng để nuôi cấy Pseudomonas aeruginosa trong bình 250 ml và tế bào thủy tinh điện hóa 500 ml trong điều kiện hiếu khí ở 37°C.Môi trường chứa (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, 0,008 , 0,008 Na4F0H20PO.1,0 chiết xuất men và 0,1 citrat sắt.Nồi hấp ở 121°C trong 20 phút trước khi cấy.Các tế bào không cuống và sinh vật phù du được đếm dưới kính hiển vi ánh sáng sử dụng máy đo huyết sắc tố ở độ phóng đại 400 lần.Nồng độ ban đầu của tế bào sinh vật phù du P. aeruginosa ngay sau khi cấy là khoảng 106 tế bào/mL.
Các thử nghiệm điện hóa được thực hiện trong bình thủy tinh ba điện cực cổ điển có thể tích trung bình 500 ml.Một tấm bạch kim và một điện cực calomel bão hòa (SCE) được nối với lò phản ứng thông qua mao quản Luggin chứa đầy cầu muối và được dùng làm điện cực đếm và điện cực tham chiếu tương ứng.Để tạo ra điện cực làm việc, dây đồng bọc cao su được gắn vào từng mẫu và phủ epoxy, chừa lại khoảng 1 cm2 diện tích bề mặt ở một bên cho điện cực làm việc.Trong quá trình đo điện hóa, các mẫu được đặt trong môi trường 2216E và giữ ở nhiệt độ ủ không đổi (37°C) trong bể nước.OCP, LPR, EIS và dữ liệu phân cực động tiềm năng được đo bằng chiết áp 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 -5 và 5 mV và Eocp với tốc độ lấy mẫu là 1 Hz.EIS được thực hiện ở trạng thái ổn định Eocp sử dụng điện áp đặt vào là 5 mV với hình sin trên dải tần từ 0,01 đến 10.000 Hz.Trước khi quét điện thế, các điện cực ở chế độ mạch hở cho đến khi đạt được điện thế ăn mòn tự do ổn định là 42.Với.Mỗi thử nghiệm được lặp lại ba lần có và không có Pseudomonas aeruginosa.
Các mẫu để phân tích kim loại được đánh bóng cơ học bằng giấy SiC ướt 2000 grit và sau đó được đánh bóng bằng bùn bột Al2O3 0,05 µm để quan sát quang học.Phân tích kim loại được thực hiện bằng kính hiển vi quang học.Mẫu được khắc bằng dung dịch kali hydroxit 10% trọng lượng43.
Sau khi ủ, rửa 3 lần bằng dung dịch muối đệm phốt phát (PBS) (pH 7,4 ± 0,2) rồi cố định bằng glutaraldehyde 2,5% (v/v) trong 10 giờ để cố định màng sinh học.Sau đó khử nước bằng etanol theo loạt bước (50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95% và 100% theo thể tích) trước khi sấy khô trong không khí.Cuối cùng, một màng vàng được phun lên bề mặt mẫu để tạo độ dẫn cho quan sát SEM44.Hình ảnh SEM tập trung vào vị trí có nhiều tế bào P. aeruginosa được thiết lập nhất trên bề mặt của mỗi mẫu.Phân tích EMF được thực hiện để phát hiện các nguyên tố hóa học.Để đo độ sâu của hố, người ta đã sử dụng kính hiển vi quét laser đồng tiêu Zeiss (CLSM) (LSM 710, Zeiss, Đức).Để quan sát các vết ăn mòn dưới màng sinh học, mẫu thử trước tiên được làm sạch theo Tiêu chuẩn Quốc gia Trung Quốc (CNS) GB/T4334.4-2000 để loại bỏ các sản phẩm ăn mòn và màng sinh học khỏi bề mặt mẫu thử.
Phân tích quang phổ quang điện tử tia X (XPS, Hệ thống phân tích bề mặt ESCALAB250, Thermo VG, Hoa Kỳ) sử dụng nguồn tia X đơn sắc (dòng Al Kα có năng lượng 1500 eV và công suất 150 W) trong dải năng lượng liên kết rộng 0 dưới điều kiện tiêu chuẩn –1350 eV.Ghi lại quang phổ có độ phân giải cao sử dụng năng lượng truyền 50 eV và kích thước bước 0,2 eV.
Lấy mẫu đã ủ ra và rửa nhẹ nhàng bằng PBS (pH 7,4 ± 0,2) trong 15 giây45.Để quan sát khả năng tồn tại của vi khuẩn của màng sinh học trên mẫu, màng sinh học được nhuộm bằng Bộ công cụ khả năng sống sót của vi khuẩn BacLight LIVE/DEAD (Invitrogen, Eugene, OR, USA).Bộ sản phẩm chứa hai loại thuốc nhuộm huỳnh quang: thuốc nhuộm huỳnh quang màu xanh lá cây SYTO-9 và thuốc nhuộm huỳnh quang màu đỏ propidium iodide (PI).Trong CLSM, các chấm màu xanh lục và đỏ huỳnh quang tương ứng là tế bào sống và tế bào chết.Để nhuộm màu, ủ 1 ml hỗn hợp chứa 3 µl SYTO-9 và 3 µl dung dịch PI ở nhiệt độ phòng (23°C) trong bóng tối trong 20 phút.Sau đó, các mẫu nhuộm màu được quan sát ở hai bước sóng (488 nm đối với tế bào sống và 559 nm đối với tế bào chết) bằng thiết bị Nikon CLSM (C2 Plus, Nikon, Nhật Bản).Đo độ dày màng sinh học ở chế độ quét 3-D.
Cách trích dẫn bài viết này: Li, H. et al.Ảnh hưởng của màng sinh học biển Pseudomonas aeruginosa đến sự ăn mòn vi sinh vật của thép không gỉ siêu song công 2707.khoa học.Nhà 6, 20190;doi:10.1038/srep20190 (2016).
Zanotto, F., Grassi, V., Balbo, A., Monticelli, C. & Zucchi, F. Vết nứt do ăn mòn ứng suất của thép không gỉ song LDX 2101 trong dung dịch clorua khi có mặt thiosulfate.ăn mòn.khoa học.80, 205–212 (2014).
Kim, ST, Jang, SH, Lee, IS và 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 công.ăn mòn.khoa học.53, 1939–1947 (2011).
Shi, X., Avchi, R., Geyser, M. và Lewandowski, Z. Một nghiên cứu so sánh hóa học về rỗ vi sinh vật và điện hóa trong thép không gỉ 316L.ăn mòn.khoa học.45, 2577–2595 (2003).
Luo H., Dong KF, Li HG và Xiao K. Hành vi điện hóa của thép không gỉ song công 2205 trong dung dịch kiềm ở các giá trị pH khác nhau khi có mặt clorua.điện hóa học.Tạp chí.64, 211–220 (2012).