Химические факторы, влияющие на процессы биоповреждений

У гнилостных бактерий наибольшая протеолитическая активность проявляется при рН выше 7,0.

Для некоторых видов  бактерий кислая среда более губительна, чем щелочная. Вегетативные клетки обычно менее устойчивы, чем споры. Особенно неблагоприятна кислая среда  для гнилостных бактерий и бактерий, вызывающих пищевые отравления. Бактерии, которые в процессе жизнедеятельности образуют кислоту, более выносливы к снижению рН. Одни микроорганизмы, например молочно-кислые бактерии, при накоплении в среде известного количества кислоты постепенно погибают. Другие способны регулировать реакцию среды, образуя в таких условиях соответствующие вещества, которые либо подкисляют, либо подщелачивают среду, препятствуя сдвигу рН в сторону, неблагоприятную для их развития.

Мицелиальные грибы могут развиваться в широком диапазоне рН от 1,2 до 11,0. Споры грибов прорастают в более узком интервале рН по сравнению с мицелием.

Для большинства мицелиальных грибов и дрожжей наиболее благоприятна слабокислая среда с рН 5,0 — 6,0. Например, оптимальный рост дереворазрушающих грибов наблюдается при рН 3,0, тогда как верхняя граница их жизнедеятельности лежит в области рН 7,0 — 7,5. Как правило, грибы испытывают угнетение, если рН отклоняется в ту или другую сторону от оптимума. Очень кислая и очень щелочная реакции среды токсичны для большинства грибов.

 

2. Биоповреждения  и защита древесины

Основными агентами биоповреждений древесины  являются развивающиеся на древесине микроскопические грибы (деревонаселяющие), насекомые. В умеренных широтах на долю поражений грибами приходится около 90 % всех биоповреждений древесины. Биоповреждение древесины происходит в основном в результате использования грибами и насекомыми в качестве источника питания целлюлозы, лигнина и других компонентов древесины. Бактерии по сравнению с грибами и насекомыми, непосредственно разрушающими волокна древесины, причиняют меньший ущерб и оказывают косвенное повреждающее действие.

Среди грибов, вызывающих биоповреждения древесины, выделяют три основные группы:

грибы поверхностной плесени (плесневые);

деревоокрашивающие;

дереворазрушающие.

Имеется еще один тип биоповреждений древесины — ковровая гниль: мелкие очаги слабых разрушений древесины при таком типе гниения образуют на поперечном разрезе вид пестрого ковра из чередующихся серых, синеватых, коричневых и желтых пятен. Древесина, пораженная гнилью этого типа, легко проницаема для воды и при затяжных дождях может полностью увлажняться.

При поражении древесины гнилью происходит распад целлюлозы, лигнина, пентозанов, смол и жиров. В процессе разрушения в древесине значительно возрастает содержание водорастворимых веществ, а также веществ, растворимых в слабых щелочах, что является, очевидно, основными показателями деструкции. Плотность древесины в зависимости от стадии поражения снижается по сравнению со здоровой древесиной на 32 — 39 %.

Биоповреждения древесины, как  правило, сочетаются со старением под действием погодных факторов, механических или других эксплуатационных нагрузок. Под влиянием периодических увлажнений, смены температуры, солнечного света и других факторов происходит разрыхление волокон поверхностного слоя древесины, повышение ворсистости (мацерация). Здесь скапливаются влага и пыль и создаются условия, благоприятные для развития спор грибов. Пораженная гнилью древесина легче впитывает воду. Имеющиеся трещины за счет усадки древесины расширяются. Замерзающая в трещинах вода усиливает разрушения, появляются сколы и осыпи заболони. Более уязвимым становится ядро древесины.

Помимо микроскопических грибов повреждение  древесины вызывают насекомые. Хотя в целом ущерб, причиняемый древесине насекомыми, меньше, чем ущерб от грибов, в отдельных случаях и в некоторых районах жуки, и особенно термиты, настолько опасны, что требуют применения специальных мер защиты.

По ГОСТ 2140—81 «Пороки древесины» не допускаются следующие пороки:

наружная трухлявая гниль, при  которой пораженная древесина легко распадается и растирается в порошок;

заболонная  гниль в виде пятен и полос  более '/з площади;

сучки табачные, в которых древесина  полностью или частично заменена рыхлой массой табачного или белесого цвета, либо загнившие, имеющие мягкую гниль, занимающую более '/з площади разреза сучка;

червоточины — ходы и отверстия, проделанные в древесине насекомыми (неглубокие, глубокие и сквозные), допускаются  только поверхностные, глубиной не более 3 мм при условии заделки.

Защита  древесины от биоповреждений. Защита должна осуществляться комплексно, включая мероприятия по профилактике биоповреждений, путем предотвращения увлажнения древесины, рационального использования ее природных защитных свойств, путем подбора соответствующих пород, разработки оптимальных конструктивных решений и, наконец, применения химических средств защиты — биоцидов (в практике защиты древесины их называют антисептиками).

Химическая защита древесины от биоповреждений осуществляется в случаях применения древесины в наиболее жестких условиях, например, при постоянном или периодическом контакте с почвой, влажной атмосферой воздуха и водой. Обработке биоцидами должно подвергаться около 5—10% всей потребляемой в промышленных целях и строительстве древесины. В результате в несколько раз увеличивается срок службы изделий и сооружений. Так, например, при правильном применении антисептирования древесины срок службы стандартных деревянных домов может в среднем увеличиться с 15 до 50 лет.

Антисептики для защиты древесины должны:

- защищать древесину от дереокрашивающих и плесневых грибов и сохранять ее не менее двух месяцев;

- быть устойчивыми к атмосферным влияниям и не окрашивать древесину;

- обладать способностью проникновения в достаточном количестве в древесину на глубину не менее 0,5 мм;

- хорошо растворяться в воде;

- быть безопасными для рабочих и обслуживающего персонала;

- быть стойкими при хранении, не испаряться с выделением вредных веществ.

Водорастворимые антисептики — твердые сыпучие порошки, которые применяют в виде водных растворов, суспензий и паст.

Недостатком водорастворимых антисептиков является необходимость дополнительной операции по просушке древесины. Кроме того, просушка древесины сопровождается усадкой и образованием трещин.

При погружении древесины в жидкий антисептик происходит его проникновение  в поры, трещины и щели. Плотную  древесину с мелкими порами предварительно накалывают на специальных станках  для увеличения поглощения антисептика. Пропитку осуществляют в ваннах, заполненных раствором антисептика, в котором выдерживают древесину. Более глубокую пропитку и лучшую защиту обеспечивает пропитка горячим растворителем, а затем холодным раствором антисептика. При нагревании находящийся в трещинах и порах древесины воздух расширяется и частично выходит. Благодаря вакууму, создающемуся в порах в результате сжатия воздуха при охлаждении, холодный раствор антисептика глубоко проникает в поры.

Обычно защиту древесины от биоповреждений совмещают с защитой от возгорания. Для этого в состав препаратов наряду с антисептиками включают антипирены.

Защитной обработке антисептиками  подвергают также некоторые материалы, изготавливаемые из древесины — фанеру, древесноволокнистые и древесно-стружечные плиты и др. Антисептирование осуществляется путем добавления биоцида в состав клея, применяемого для склеивания листов шпона, или путем пропитки готового материала.

 

3. Биоповреждения и защита бумаги

Наряду с материальным ущербом  от повреждения бумаги микроорганизмами, необходимо учитывать неподдающийся  оценке ущерб, связанный с невосполнимой  утратой важных для науки, искусства, истории культуры рукописных и печатных текстов.

В этой связи анализ возникновения  биоповреждения бумаги и картона  различного назначения, изучение механизма  повреждения и видов микроорганизмов, вызывающих его, выявление факторов, способствующих и препятствующих развитию этого процесса, и изыскание защитных средств от повреждения микроорганизмами представляют собой важнейшую задачу, достаточно успешно решаемую современной наукой и практикой.

Биологические обрастания в целлюлозно-бумажной промышленности развиваются на технологическом оборудовании предприятий, в бассейнах и трубопроводах, содержащих жидкую бумажную массу. Суспензия целлюлозы и древесной массы, остатки варочных щелоков и экстракты из древесины при изготовлении древесной массы создают благоприятные условия для обильного развития микрофлоры. Эти обрастания формируются из бактерий и грибов и представляют собой рыхлую слизистую массу, покрывающую внутренние стенки оборудования. В толще обрастаний содержится также волокно и наполнитель, применяемый в производстве бумаги.

Состав микрофлоры бумаги во многом обусловлен процессом ее изготовления, средой хранения и эксплуатации. Поэтому  микроорганизмы, обитающие на бумаге и вызывающие ее повреждение, необходимо рассматривать в связи со сферой производства и окружения.

В бумажном производстве носителями микроорганизмов, вызывающих повреждение бумаги, могут быть используемое сырье, оборудование, вода, воздух.

Все исходные сырьевые материалы отличаются обилием грибов и бактерий, причем видовой состав их весьма разнообразен. Каждый период производства бумаги также характеризуется разным видовым составом микроскопических грибов в зависимости от влажности и режимов производства.

Отличительной особенностью микроскопических грибов бумажного производства является их низкая устойчивость к неблагоприятным факторам, в частности к высоким температурам, поэтому микроорганизмы бумажной массы погибают во время обезвоживания бумажного полотна на сушильной машине при температуре 120 °С.

Суспензия целлюлозы и древесной  массы, остатки варочных щелоков  и экстракты из древесины при  изготовлении бумажной массы создают  благоприятные условия для развития микроорганизмов. Обрастания, образуемые при этом формируются преимущественно из бактерий, в меньшей степени из грибов. Среди бактерий преобладает род Bacillus, например, термофильные варианты Вас. subtilis с оптимальной температурой развития +(45... 50) °С. При этом отмечено, что рост одних микроорганизмов может усиливаться под влиянием других. Например, бактерии подавляют рост отдельных грибов, тогда как отдельные виды грибов стимулируют рост друг друга.

Число микроорганизмов на поверхности  бумажной продукции быстро увеличивается  вследствие использования и гигиенического состояния окружающей среды. Так, например, на книгах, поступивших в библиотеку после пользования читателями, обнаружено примерно в четыре раза больше спор грибов, чем на бумаге новых поступлений экземпляров печатной продукции.

Биостойкость бумаги зависит от многих факторов: вида и способа обработки волокон, состава и качества наполняющих и проклеивающих веществ, особенностей технологии производства, условий эксплуатации. Главным условием предохранения бумаги от воздействия микроорганизмов является соблюдение режима относительной влажности воздуха не выше 55 %.

В зависимости от степени повреждения  изделий из бумаги и размера нанесенного  ущерба грибы могут быть подразделены на пять групп:

- грибы, постоянно встречающиеся на бумаге и приводящие ее к полному разрушению (Afumigatus, A.terreus и т.д., всего 25 видов);

- грибы, постоянно встречающиеся на бумаге и вызывающие лишь некоторое нарушение ее текстуры (A.niger, A.flavus и т.д.);

- грибы, использующие отдельные неспецифические компоненты в бумаге — воск, парафин, асфальт, шерсть, каучук, синтетические полимеры и др. Состав грибов этой группы непостоянен и расширяется по мере использования новых соединений в составе бумаги (Oidium dioxamii и т.д.);

- грибы, присутствие которых на бумаге зависит от окружающей микрофлоры. Особенностью грибов этой группы является то, что иногда они преобладают над основными разрушителями бумаги;

- случайные представители грибов.

Бумаги различных видов, зараженные грибом Penicillium ochrochloron (часто обнаруживается на книгах), имеют разную биостойкость (табл.8), которую оценивали в соответствии с ГОСТ 9.801—82 по потере механической прочности, определяемой по числу двойных перегибов.

Воздействие грибов на бумагу представляет собой комплекс химических и биохимических  процессов. При этом повреждение  бумаги определяется не только использованием ее в качестве питательного субстрата, что в частности зависит от ее физических особенностей как капиллярно-пористой системы. В бумаге создаются неоднородные капиллярно-пористые системы с дискретными очагами, благоприятными для возникновения поражения. Капилляры бумаги заполнены воздухом и водой. Влага, содержащаяся в бумаге, во многом определяет ее свойства, в том числе и биостойкость. Так, при относительной влажности воздуха 30 — 40 % в целлюлозе практически отсутствует капиллярная вода и микроорганизмы в этих условиях не способны развиваться. При относительной влажности воздуха 55 — 65% соотношение капиллярной и связанной воды близко — это своего рода переходная зона. При относительной влажности 70 — 75 % капиллярная конденсация воды обнаруживается в достаточно крупных капиллярах бумаги, это позволяет микроорганизмам прорастать и развиваться на бумаге.

Микроорганизмы снижают качество бумаги различным образом. Микроскопические грибы, развивающиеся только на поверхности бумаги, оставляют разноокрашенные пятна. Так, гриб Pullularia pullulans сообщает бумаге светло-синий цвет, Trichoderma или Penicillium — зеленый, Cladosporium — темный.