Экологические основы диагностики процессов биодеструкции природных и синтетических полимерных материалов в условиях воздействия ряда абиотических факторов внешней среды

Кряжев, Дмитрий Валерьевич

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Экологические основы диагностики процессов биодеструкции природных и синтетических полимерных материалов в условиях воздействия ряда абиотических факторов внешней среды
ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Экологические основы диагностики процессов биодеструкции природных и синтетических полимерных материалов в условиях воздействия ряда абиотических факторов внешней среды"

На правах рукописи

КРЯЖЕВ ДМИТРИЙ ВАЛЕРЬЕВИЧ

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДИАГНОСТИКИ ПРОЦЕССОВ БИОДЕСТРУКЦИИ ПРИРОДНЫХ И СИНТЕТИЧЕСКИХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ В УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ РЯДА АБИОТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ

ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ

03.02.08 - экология (биологические науки)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

I СЕН 2015

Нижний Новгород 2015

005561741

Работа выполнена на кафедре биохимии и физиологии растений биологического факультета и в отделе химико-биологических исследований Научно-исследовательского института химии федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского»

Научный консультант: доктор биологических наук, профессор

Смирнов Василий Филиппович

Официальные оппоненты: Я°™Эр биологических наук, доцент, профессор

кафедры микробиологии и иммунологии Нижегородской государственной медицинской академии

Заславская Майя Исааковна

доктор биологических наук, профессор, профессор кафедры биотехнологии, биоинженерии и биохимии факультета биотехнологии и биологии Мордовского государственного университета им. Н.П. Огарева Кадималиев Давуд Али-оглы

доктор биологических наук, доцент, заведующая лабораторией микробиома человека и средств его коррекции Нижегородского научно-исследовательского института эпидемиологии и микробиологии им. академика И.Н. Блохиной Соловьева Ирина Владленовна

Ведущая организация: ФГБУН Институт проблем экологии и

эволюции им. А.Н. Северцова Российской академии наук (ИПЭЭ РАН, г. Москва)

Защита диссертации состоится «7» октября 2015 г. в 15 00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.166.12 при ННГУ по адресу: 603950 г. Нижний Новгород,

пр. Гагарина, д. 23 корп. 1, ауд. 321, биологический факультет.

E-mail: dis212.166.12@gmail.com факс: (831)462-30-85

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ННГУ, с авторефератом - в сети Интернет на сайте ННГУ по адресу https://diss.unn.ru/files/2015/472/diss-Kryazhev-472.pdf, на сайте ВАК России http://vak2.ed.gov.ru/catalogue

Автореферат разослан « 73 » Л^1цсТЛ. 2015 года

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук

Н.И. Зазнобина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Огромное количество полимерных материалов и изделий из них применяется в настоящее время в различных областях деятельности человека. Пребывая в биосфере, материалы могут подвергаться негативным воздействиям различных микроорганизмов, главным образом микроскопических грибов (Анисимов, 1985; Дормидонтова и др., 2002; Premraj, Mukesh, 2005; Leja, Lewandowicz, 2010). За счет лабильности ферментативных систем, интенсивного размножения с помощью спор и гиф микромицеты способны быстро адаптироваться к различным материалам как к источникам питания, при этом повреждая материал, к условиям внешней среды и к средствам защиты. Кроме того, в процессе эксплуатации при воздействии различных факторов внешней среды биостойкость материалов может значительно снижаться; в результате таких воздействий происходит изменение основных физико-химических характеристик материала и его механическое и биологическое разрушение (Дрозд, 1995; Zammit et al., 2008; Aswin Kumar et al., 2011). В связи с этим подавляющее большинство промышленных и строительных материалов способно подвергаться биоповреждениям. Важным экологическим аспектом проблемы биоповреждений является вопрос ресурсосбережения и рационального природопользования, решение которого состоит в создании материалов, устойчивых к биологическим и климатическим воздействиям, защищенных от биоповреждений на длительный срок. С другой стороны существует проблема охраны окружающей среды от долгоживущих полимерных отходов, причиняющих природе непоправимый ущерб, -необходимо добиваться их скорейшей биоутилизации.

Проблеме биоповреждения материалов (видовому составу грибов-деструкторов, механизмам деструкции, изменению свойств материала, защите от микробиологических повреждений) посвящено огромное количество публикаций в отечественной и зарубежной литературе (Андреюк и др., 1980; Каневская, 1983; Иванов и др., 1984; Ильичев и др., 1984; Ильичев, 1987; Жиряева и др., 1991, 1992; Новикова, 1994; Розенталь, 1994; Соломатов, 2001; Ross, 1969; Booth, 1971; Pirt, 1980; Griffin, 1994; Chiellini, 2003; Bastioli, 2005; Smith, 2005; Platt, 2006 и др.).

В процессе эксплуатации в естественных условиях полимерные материалы подвергаются воздействию факторов внешней среды - меняется их состав. Средства защиты, вводимые в состав полимера, также подвергаются воздействию факторов -меняется их эффективность. Микроорганизмы-деструкторы под влиянием внешних факторов способны изменять свою деструктивную активность.

Для защиты материалов и изделий от поражения микромицетами, а также для их уничтожения используется ряд физических факторов. Однако механизмы воздействия физических факторов на микромицеты-деструкторы и на полимерные материалы, которые они призваны защищать, изучены пока недостаточно. Также мало изучены и особенности и закономерности комплексного воздействия биодеструкторов и небиологических факторов внешней среды на полимерные материалы.

Вследствие отсутствия нового подхода к проблеме биоповреждений, который бы учитывал ее экологические аспекты, снижается эффективность прогнозирования, ранней диагностики и целенаправленной защиты полимерных материалов от микробиологических повреждений в естественных условиях эксплуатации.

Успешное решение данной проблемы может быть достигнуто комплексными исследованиями экологических закономерностей взаимодействия материалов с биодеструкторами и факторами внешней среды. Эти исследования позволят понять фундаментальные основы поведения и развития популяций микромицетов-деструкторов, предсказывать изменение их активности; обосновать научно-методические подходы к объективной, достоверной оценке и прогнозированию микробиологической стойкости

материалов и изделий; будут способствовать разработке биостойких и биоутилизируемых материалов, эффективных средств и способов биозащиты, повышению качества жизни человека.

Цель работы: Теоретически обосновать и верифицировать комплексный подход к диагностике и прогнозированию процессов деструкции микромицетами полимерных материалов, основанный на учете воздействия абиотических факторов среды на всех участников биоповреждающего процесса.

Задачи исследования:

1. Исследовать возможность использования микроскопическими грибами в качестве источника питания синтетических и природных полимеров и их новых композиций. Выявить наиболее активные микромицеты-деструкторы.

2. Выявить среди грибов, заселяющих полимерные материалы, истинных деструкторов, способных использовать материал в качестве источника питания.

3. Исследовать влияние микромицетов - активных деструкторов на изменение физико-механических свойств полимерных материалов в процессе роста на них.

4. Изучить роль и влияние ряда абиотических факторов внешней среды (температура, влажность, электромагнитные излучения, химические соединения) на процесс деструкции различных полимеров микромицетами, эффективность средств защиты от биоповреждений, а также жизнедеятельность грибов - активных биодеградантов.

5. Исследовать возможность участия отдельных ферментов грибов в деструкции композиций на основе синтетических и природных полимеров.

6. Исследовать возможность регулирования процессов биодеструкции как путем модификации состава композиций на основе синтетических и природных полимеров в экспериментах, моделирующих естественные условия их эксплуатации, так и путем воздействия некоторых абиотических факторов среды (ультрафиолетовое и миллиметровое электромагнитные излучения и их сочетанное действие совместно с химическими соединениями, обладающими биоцидным эффектом).

Научная новизна. Впервые проведено комплексное исследование возможностей вовлечения в трофические цепи почвенных микромицетов и объяснено наличие биостойких свойств у 15 синтетических полимерных материалов и их ингредиентов, широко используемых в отечественной промышленности и медицине, и 18 синтезированных полимерных композиций на основе различных природных и синтетических полимеров (хитозан, крахмал, целлюлоза, акрилаты, виниловые мономеры) в условиях воздействия абиотических факторов.

Выявлены и теоретически обоснованы особенности заселения микромицетами полимерных материалов в лабораторных и природных условиях. Показано, что среди микромицетов, заселяющих полимерный материал, имеются виды-стенофаги и случайные виды; установлены ингредиенты полимерных композиций (аммиачный комплекс кобальта, персульфат аммония, алкилдиметилбензиламмоний хлорид, производные бензтиазола), способные ингибировать жизнедеятельность микромицетов-деструкторов.

В лабораторных условиях исследовано влияние роста грибов на физико-механические свойства: эмульсии Акрэмос-203 Б; привитых сополимеров акрилонитрила на хитозан; бумаги, обработанной смесью хитозана и полиакрилового флоккулянта; привитых сополимеров натрий-карбоксиметилцеллюлозы с метилакрилатом и блок-сополимеров натрий-карбоксиметилцеллюлоза - метилакрилат. Установлено, что уже на стадии формирования вегетативного мицелия на полимерных пленках и бумаге наблюдается снижение таких показателей как твердость пленки, разрушающее напряжение, относительное удлинение, характеристическая вязкость, прочность,

деформация, обосновано использование данных показателей в качестве критериев ранней экспресс-диагностики процесса биоповреждения.

Впервые показано, что степень воздействия факторов климатического старения на полимерные материалы и биоцидные добавки по-разному меняет их устойчивость к действию микромицетов: у материалов снижается биостойкость, у биоцидных добавок фунгицидные свойства могут как снижаться, так и возрастать.

Показано, что действие высокой температуры и ультрафиолетового излучения повышает способность исследуемых материалов к биодеструкции.

Определены основные оптимальные экологические условия (влажность 98%, температура 30°С), обеспечивающие наибольшую деструктивную активность плесневых грибов по отношению к исследуемым материалам.

У грибов - активных деструкторов показана роль экзоэстеразы и экзохитозаназы в процессе разрушения ими ряда исследованных нами полимерных материалов, дано объяснение данного факта с позиций концепции микробного катаболизма.

Показано, что в составе сополимеров природные полимеры утилизируются значительно легче, чем синтетические субстраты, что особенно хорошо заметно на мало разлагаемых композициях. Дано объяснение этому явлению с позиций химического строения субстратов, а также диауксического роста на них микромицетов.

Впервые изучено влияние КВЧ-излучения на рост мицелия, выживаемость пропагул, экзопероксидазную и экзокаталазную активность у микромицетов-деструкторов.

Выявлен сочетанный биоцидный эффект от совместного воздействия ультрафиолетового и миллиметрового излучений и полигексаметиленгуанидин гидрохлорида, алкилдиметипбензиламмоний хлорида, гипохлорида натрия на микромицеты-деструкторы, предложено объяснение вероятного механизма данного эффекта.

Разработан и обоснован подход, применяющий экологическую диагностику для прогнозирования эксплуатационных возможностей и защиты от биоповреждений полимерных материалов.

Теоретическая значимость работы. Получены новые знания, расширяющие представления о начальных механизмах деструкции полимерных композиций в естественных условиях их эксплуатации. Сформулирован, теоретически обоснован и экспериментально подтвержден новый комплексный подход к проблеме регулирования биостойкости полимерных материалов. Получены новые знания о закономерностях воздействия низкоинтенсивных электромагнитных волн (КВЧ) на микроскопические грибы.

Практическая значимость работы

• Выявлены устойчивые к действию грибов материалы (компаунд ЭЗК-6, клей-мастика ГИПК-23-12, стеклотекстолит СТЭФ-1, блок-сополимер ХТЗ-МА - солевая форма, композиция ПВХ : ХТЗ (1:0,1) и композиции ПВХ с целлюлозой) и материалы, легко биоутилизируемые (клей «Лейконат», герметик УТ-34, пластик АБС-2020-31, полистирол УПС-825Д, гетерополимерные композиции хитозана с поливинилпирролидоном и поливинилспиртом, привитые сополимеры акрилонитрила на хитозан, блок-сополимеры хитозана с крахмалом и полиакриламидом, модифицированные хитозаном образцы бумаги, сополимеры крахмала и полиметилакрилата).

• Разработан алгоритм получения полимерных материалов с регулируемой биостойкостью. На основе алгоритма разработаны рекомендации по созданию биостойких полимерных композиций, позволяющие существенным образом

расширить эксплуатационные возможности полимерных материалов и продлить их сроки эксплуатации в различных климатических зонах.

• Разработаны рекомендации по совершенствованию стандартных методов испытаний на грибостойкость с целью получения более объективных данных. Результаты работы востребованы Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии, Минобороны и Минпромторгом Российской Федерации; ОАО «Завод им. Г.И. Петровского», ОАО «НПП «Полёт», а также научными и учебными учреждениями, связанными с проблемой разработки новых биостойких материалов и их испытаниями в натурных условиях эксплуатации, либо занимающимися вопросами ликвидации техногенных образований и отходов.

• Результаты работы могут быть использованы для разработки строительных норм и правил для организаций, занимающихся проектированием и возведением сооружений и конструкций, устойчивых к воздействию биологических факторов.

• Полученные теоретические данные используются в учебном процессе на кафедре биохимии и физиологии растений биологического факультета ННГУ им. Н.И. Лобачевского в лекциях по курсу «Экологическая биотехнология».

Основные положения, выносимые на защиту

1. Полимерная композиция является эмерджентной системой с особыми свойствами, не всегда присущими её компонентам, поэтому ее биостойкие свойства невозможно предсказать на основе знания свойств ее ингредиентов и взаимодействий между ними, рассматриваемых изолированно.

2. Критерием отнесения микромицетов, присутствующих в составе микробного ценоза на поверхности полимерного материала, к истинным деструкторам является установление факта стенофагии по отношению к полимеру.

3. В качестве способа ранней экспресс-диагностики устойчивости полимерных материалов к биодеградации целесообразно использовать измерение физико-механических свойств материалов, проводимое на стадии формирования вегетативного мицелия микромицетов-деструкторов.

4. Установление и последующее исключение микробного антагонизма среди используемых тест-культур является необходимым элементом корректировки существующих стандартных методов испытания полимерных материалов на устойчивость к биодеструкции.

5. Абиотические факторы внешней среды способны влиять не только на биостойкость полимерных композиций и жизнедеятельность микромицетов-деструкторов, но и изменять биоцидную активность используемых средств защиты, в связи с чем необходим комплексный учет действия факторов внешней среды на всех участников процесса биоповреждения (материал, биодеструктор, средства защиты).

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации доложены на всероссийской научно-практической конференции «Экологические проблемы биодеградации промышленных, строительных материалов и отходов производств» (Пенза, 2000); I международном конгрессе «Биотехнология - состояние и перспективы развития» (Москва, 2002); V международной научно-практической конференции «Современные проблемы биологических повреждений материалов (Биоповреждения - 2002)» (Пенза, 2002); VII международной конференции «Современные перспективы в исследовании хитина и хитозана» (Санкт-Петербург, 2003); международной научно-технической конференции «Актуальные вопросы строительства» (Саранск, 2004); II международной научно-технической конференции «Биоповреждения и биокоррозия в строительстве» (Саранск, 2006); IV международной научно-практической конференции «Научни дни -2008» (София, 2008); 5-м съезде Общества биотехнологов России им. Ю.А. Овчинникова

(Москва, 2008); V международном конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Москва, 2009); международной научно-практической конференции «Биотехнология: экология крупных городов» (Москва, 2010); VII международной научно-практической конференции «Perspecktywiczne opracowania sa nauka i technikami» (Lodz,

2011); 5-м международном научно-практическом симпозиуме «Природные условия строительства и сохранения храмов православной Руси» (Нижний Новгород, 2012); VIII международной научно-практической конференции «Найновите постижения на европейската наука - 2012» (София, 2012); третьем съезде микологов России (Москва,

2012); VII международном конгрессе «Биотехнология: Состояние и перспективы развития» (Москва, 2013); международной научно-практической конференции «Биотехнология и качество жизни» (Москва, 2014).

По материалам диссертации опубликовано 88 работ, из них 17 в изданиях, рекомендованных ВАК.

Личный вклад. Весь материал диссертации собран, обработан и проанализирован автором лично. Вклад автора является определяющим и в обсуждении результатов исследования в научных публикациях и докладах.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 3 глав, заключения, выводов, списка цитированной литературы и приложения. Диссертация иллюстрирована 49 рисунками и 61 таблицей. Основной текст изложен на 305 страницах. Библиографический указатель включает 275 источников литературы (220 отечественных и 55 иностранных).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

В главе на основе данных отечественной и зарубежной литературы приведены сведения об экологических, физиологических и биохимических особенностях микроскопических грибов - активных деструкторов различных материалов и изделий, создаваемых человеком и эксплуатируемых в биосфере; об экологической концепции биоповреждений и основных экологических аспектах микодеструкции; о роли агрессивных метаболитов микромицетов в процессах биоповреждения. Приведена информация о возможностях использования в качестве источника питания полимерных материалов на основе природных и синтетических компонентов отдельными микроорганизмами и микробными сообществами. Изложены представления о полимерных материалах как о биотопе для микроорганизмов, приведен характерный для данного биотопа комплекс условий, определяющий видовой состав микромицетов-деструкторов. Освещены вопросы выбора средств и способов защиты от биоповреждений, вызываемых микроскопическими грибами. Даны представления о механизмах действия фунгицидов, ультрафиолетового излучения и миллиметровых волн на клеточные структуры и метаболизм микроорганизмов. Собраны и проанализированы данные о влиянии абиотических факторов внешней среды (факторов климатического старения) на возникновение, развитие и интенсивность процесса биоповреждения у различных полимерных материалов.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 2.1. ОБЪЕКТЫ, МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1.1. Объем экспериментальных данных

Исходя из цели и задач настоящей работы, были определены вид и схема модельных экспериментов и опытов, подобраны тест-культуры микромицетов. Общий объем экспериментальных данных представлен в таблице 1.

Объем экспериментальных данных

Вид эксперимента Количество тест-культур Общее количество экспериментов

Исследование биостойких свойств

7 синтетических промышленных полимерных материалов 20 140

18 гибридных полимерных композиций . 20 360

Исследование биостойких свойств у полимеров, подвергнутых воздействию факторов климатического старения

9 синтетических промышленных полимерных материалов 15 135

1 гибридная полимерная композиция 15 15

действие факторов климатического старения на биостойкость и биоцидную активность у 3-х полимерных композиций и 3-х веществ, тормозящих их био деструкцию. 2 14

Исследование влияния различных значений температуры и влажности на деструктивную активность мнкромицетов

Рост на чашках Петри 2 18

Рост на материале 16 64

Исследование роли экзоферментов в процессе деструкции полимерных композиций

определение экзохитиназной активности 4 6

определение экзохитозаназной активности 4 14

определение экзоамилазной активности 4 8

определение экзоэстеразной активности 3 4

исследование действия факторов, тормозящих биодеструкцию на активность экзоферментов 5 18

Исследование влияния ЭМИ на физиолого-биохимические показатели микромицетов- деструкторов

влияние на рост мицелия и выживаемость пропагул 10 110

влияние на активность внеклеточной пероксидазы и каталазы 2 8

Оценка фунгицидной и биозащитной эффективности сочетанного действия физических и химических факторов

фунгицидный эффект 10 10

биозащитный эффект 1 6

В ходе выполнения диссертационного исследования были также выполнены следующие научно-исследовательские работы:

1. Проведена сравнительная оценка устойчивости к действию грибов 3-х синтетических промышленных полимерных материалов при испытаниях стандартным и модифицированным методами.

2. Выявлены природные деструкторы полимерных композиций на основе хитозана, крахмала и целлюлозы с акриловыми и виниловыми полимерами: выделено в чистые культуры 168 изолятов, относящихся к 3 классам, 4 порядкам, 5 семействам, 27 видам.

3. Исследовано действие микромицетов-деструкторов на основные физико-механические свойства 8-ми полимерных материалов.

4. Создан алгоритм получения полимерных материалов с регулируемой биостойкостью.

2.1.2. Объекты исследований

Объектами испытаний на способность служить источником питания для микромицетов служили следующие полимерные композиции:

Пленки хитозана (ХТЗ), полученные методом полива из водных растворов уксусной и соляной кислот; полимерные пленки поливинилпирролидона (ПВПД) и поливинилового спирта (ПВС); пленки из механических смесей ХТЗ+ПВПД и ХТЗ+ПВС; привитые сополимеры акрилонитрила на хитозан; образцы бумаги, модифицированные хитозаном, метакрилатом, сополимерами или их смесями; сополимеры картофельного крахмала с метакрилатом; блок-сополимеры хитозана с полиакриламидом. Привитой сополимер хитозана с метилакрилатом (Прив. сп. ХТЗ-МА). Блок-сополимер хитозана с метилакрилатом (Блок-сп. ХТЗ-МА). Привитой сополимер хитозана с акриламидом (Прив. сп. ХТЗ-АА). Смесь привитого сополимера хитозан - акриламид с полиакриламидом (ПАА), взятых 1:1,7 по массе, соответственно. Привитой сополимер хитозана с акрилонитрилом (Прив. сп. ХТЗ-АН). Блок-сополимер ацетата хитозана с метилакрилатом (Блок-сп. ХТЗ-МА солевая форма). Смесь поливинилового спирта с крахмалом (ПВС-крахмал).

Ряд лакокрасочных материалов, клеев, герметиков и пластиков, используемых в промышленности и медицине:

1. Клей «Лейконат» (ТУ 6-05-251-128-82)

2. Клей-мастика ГИПК-23-12 (ОСТ 5.8224-81)

3. Герметик УТ-34 (ТУ 221-019-00203521-96)

4. Компаунд ЭЗК-6 (ГОСТ 24285-80)

5. Лак ФЛ-98 (ТУ 2296-004-39903592-00)

6. Эмаль ПФ-115 белая (ГОСТ 12294-66)

7. Эмаль МЛ-12 серая (ГОСТ 12295-66)

8. Пластик АБС-2020-31 (ТУ 6.05-1587-84)

9. Полистирол УПС-825Д (ТУ 6.05-1588-84)

10. Стеклотекстолит СТЭФ-1 (ГОСТ 12652-74)

11. Краска масляная МА-15 (ТУ 2317-015-45822449-99)

12. Краска водоэмульсионная ВД-КЧ 22 (ТУ 2316-001-45145919-96)

13. Нити хирургические шовные

14. Полиамиды марки «ПА-6-211-ДС неокрашенный» и «ПА-6-211-ДС-КЭ окрашенный»

15. Эмульсия Акрэмос 203 Б

Объектами исследований фунгицидной активности служили различные группы соединений:

1. Масла - продукты, содержащие природные терпеноиды, в частности сосновое и пихтовое масло

2. Соли низкомолекулярного природного полимера - хитозана, в частности 10% раствор аскорбата хитозана и 10% раствор сукцината хитозана

3. Соли тяжелых металлов, в частности 5% раствор хлорида кобальта (II) и 5% раствор нитрата кобальта (II); соединения кобальта: [Co(NH3)6]C13; Со[Со(СОЗ)6]

4. Средство дезинфицирующее с моющим эффектом «Авансепт». Содержит 6% полигексаметиленгуанидин гидрохлорид и 4,5% алкилдиметилбензиламмоний

хлорид в качестве действующих веществ, а также вспомогательные компоненты: краситель, отдушку и воду. Производитель ООО «МК ВИТА-ПУЛ», Россия.

5. Водный раствор гипохлорида натрия (NaClO). Данное вещество применяется для обеззараживания поверхностей, посуды, белья, выделений больного, санитарно-технического оборудования, уборочного инвентаря. Также применяется для обеззараживания питьевой воды, воды в бассейнах, для отбелки тканей и целлюлозы, в качестве окислителя в химических производствах, для дезинфекции и обеззараживания сточных вод.

Использовались следующие ингибиторы метаболизма микромицетов: биоциды «Экодез» (ЧАС) в концентрации 0,005%; «KATHON LXE» (производное бензтиазола) в концентрации 0,0005%; сульфат меди в концентрации 0,01%. В качестве активатора метаболизма микромицетов использовался хлорид кальция в концентрации 0,05%.

Источниками ЭМИ КВЧ служили

1. Аппарат «СЕМ ТЕСН», производимый ООО «Спинор» (г. Томск), в настоящее время используемый для КВЧ- и ИК-терапии в стационарных, амбулаторных и домашних условиях. При подключении излучателей на их поверхности обеспечивается плотность потока импульсной мощности 5x10"10 Вт/см2. Частота импульсов излучения - фиксированная - 9 Гц.

2. Аппарат КВЧ-терапии шумовым излучением АМФИТ-02/10-01 (ТУ 9444-00502070387-96). Диапазон рабочих частот 53,57-78,33 ГТц. Спектральная плотность мощности шума 2х 10"'8 - 4х 10~16 Вт/Гц. Интегральная мощность излучения не менее 0,2 мкВт.

Источником ультрафиолетового излучения служил облучатель ультрафиолетовый кварцевый ОУФК-01 «Солнышко», производимый ОАО «ГЗАС им. А.С. Попова» (г. Нижний Новгород) Эффективный спектральный диапазон излучения: 230-400 нм. Облученность в эффективном спектральном диапазоне 1,0 Вт/м2. Генератором УФ-лучей в данном приборе является лампа бактерицидная ДРТ 125-1 (ТУ 16-675.013-83) ультрафиолетовая, разрядная, ртутная, высокого давления, дуговая, трубчатая, предназначенная для работы в установках, применяемых в медицине, биологии, сельском хозяйстве. Лампа рассчитана для работы в сети переменного тока частоты 50 Гц напряжением 220 В с соответствующим активным балластным сопротивлением.

2.1.3. Основные методы исследований

Исследование способности служить источником питания для микромицетов и фунгицидных свойств у полимерных материалов проводили согласно ГОСТ 9.049-91 (по методам 1 и 3) и ГОСТ 9.050-75 (по методам 1 и 2). В качестве тест-организмов использовали штаммы 17 видов микроскопических грибов, известных как активные деструкторы различных материалов, из коллекции ВКМ.

В биохимических экспериментах использовались следующие штаммы микроскопических грибов: Alternaría alternata (Fríes) Keissler; Aspergillus niger van Tieghem; A. oryzae (Ahlburg) Cohn.; A. amstelodami (Mangin) Thom et Church; Aspergillus terreus Thom; Penicilliwn cyclopium Westling; Paecilomyces variotii Bainier. «Дикие» штаммы Paecilomyces sp. НУ-10 и Penicillium sp. НУ-12, выделенные из воздуха.

Для выделения чистой культуры исследуемый материал сеяли на плотную среду Чапека-Докса и выращивали в течение 2-Л недель при 28±2°С. Полученные колонии идентифицировали по морфологическим, культуральным и биологическим свойствам (Воробьев и др., 2003).

Идентификацию микромицетов проводили на основании их морфолого-культуральных особенностей, используя определители и пособия: К.В. Raper, Ch. Thom,

D.I. Fennell (1949); M.A. Литвинов (1967); T.C. Кириленко (1977); K.H. Domsch, W. Gams, T.N. Anderson (1980); А.Ю. Лугаускас, A.H. Микульскене, Д.Ю. Шляужене (1987); В.И. Билай, Э.З. Коваль (1988).

Действие факторов климатического старения моделировалось в климатических камерах TSK-300 по методике искусственного старения «Шоковый термоудар», а также с учётом рекомендаций программы «Мороз-6».

Воздействие на образцы полимерных композиций высокой температуры осуществлялось согласно нормативам ГОСТ 28200-89.

Воздействие на образцы полимерных композиций низкой температуры осуществлялось согласно нормативам ГОСТ 28199-89.

Воздействие на образцы полимерных композиций ультрафиолетового излучения осуществлялось согласно нормативам ГОСТ 28202-89.

Испытания при повышенной влажности проводили на приборе «Климатическая камера влажности».

Культуру гриба выращивали на среде следующего состава: NaN03 - 2,0 г; KCl -0,5 г; MgS04- 0,5 г; КН2Р04- 0,7 г; К2НР04- 0,3 г; FeS04- 0,01 г; сахароза - 30 г; Н20 - 1 л.

Инкубацию проводили в колбах Эрленмейера (V=500 мл) на качалках марки АВУ-6с, при скорости вращения 150-200 об/мин. Культивирование проводили при температуре 28+2 °С. Время культивирования варьировали от 4 до 14 суток, в зависимости от цели опыта.

Активность хитозаназы определяли калориметрическим методом по ее способности осахаривать хитозан (Miller, 1959). Метод основан на том, что глюкоза образует с 3,5-динитросалициловой кислотой соединение, окрашенное в красный цвет.

Активность амилаз в культуральной жидкости плесневого гриба определяли калориметрически модифицированным методом Г.А. Кочетова (1980). Метод основан на учёте количества расщеплённого под действием фермента крахмала.

Определение эстеразной активности проводилось методом Е.Л. Рубан (Рубан и др., 1976). Определение велось титрометрическим методом, основанном на учёте свободных органических кислот, образовавшихся в результате гидролиза сложных эфиров.

Определение активности каталазы проводили спектрофотометрически (СФ-2000) (Patterson et al., 1984). В качестве субстрата использовали ЗОмМ пероксид водорода. Измерения проводили приЛ^ = 240 нм.

Определение активности пероксидазы проводили спектрофотометрически по модифицированному методу Aurand'a (Aurand et al.,1956). В качестве субстрата использовали 0,03% пероксид водорода и 0,1 М парафенилендиамин. Измерения проводили при Я„ = 535нм.

Определение белка в культуральной жидкости мицелиальных грибов проводили по методу Лоури (Lowry et al., 1951).

Математическую обработку полученных данных проводили с использованием компьютерной программы Statistica для Windows версии 6.0 (Боровиков, 2001), рассчитывая среднюю арифметическую, стандартную ошибку и доверительный интервал. Оценка достоверности различий изучаемых показателей проводилась с использованием парного Т-критерия Стьюдента при уровне значимости Р < 0,05 (п = 3; t = 4,303). Полученные в экспериментах, изучающих влияние микроскопических грибов-деструкторов на физико-механические характеристики полимерных пленок, данные обрабатывались статистически методом непараметрического критерия Манна -Вилконсона - Уитни, ввиду того что они не подчинялись нормальному распределению (Гублер, Генкин, 1973).

2.2. Стратегия и теоретическое обоснование методологии проведения диссертационного исследования

В настоящее время существует классическая система оценки устойчивости промышленных материалов к биодеструкции. Данная система возникла на основе эколого-технологической концепции биоповреждений.

Вкратце данную систему можно описать следующим образом: испытуемые материалы в лабораторных условиях подвергаются воздействию микроорганизмов, причем в качестве тест-культур могут быть использованы как стандартные культуры -активные деструкторы тех или иных материалов, описанные и депонированные в уполномоченные коллекции, так и дополнительные виды, выделенные с поверхности материала в процессе его натурной эксплуатации. Оценочным критерием способности материала подвергаться биодеструкции является либо рост микроорганизмов на его поверхности, либо изменение его физико-механических свойств в процессе роста микроорганизмов. В соответствии с данной системой испытуемые материалы оцениваются либо как устойчивые (не способные подвергаться биодеструкции), либо как неустойчивые (способные к биодеструкции). Для неустойчивых материалов впоследствии методом проб и ошибок могут быть подобраны средства защиты от биодеструкции, таким образом, они могут стать защищенными (устойчивыми) материалами.

В рамках вышеприведенной классической системы отражаются отношения между участниками биоповреждающей ситуации, которые могут быть представлены в виде т. н. «триады биоповреждающего процесса» (рис. 1).

СмикромицЕтьГ>

материалы средства

защиты

Рис. 1. «Триада биоповреждающего процесса».

Основные положения вышеописанной системы оценки устойчивости к биодеструкции проверены и не вызывают сомнений, однако постоянно корректируются. На сегодня имеется измененная и дополненная система, отличающаяся от классической введением в процесс оценки способности к биодеструкции физиолого-биохимической компоненты - изучения агрессивных метаболитов микроорганизмов в модельных средах -позволяющая регулировать процессы биоповреждения: за счет целенаправленного подбора средств защиты (ингибиторов метаболической активности) создавать устойчивые (защищенные) материалы, либо, вводя целенаправленно подобранные активаторы агрессивных метаболитов, получать биоразлагаемые материалы.

Сравнительный анализ двух вышеописанных систем выявляет один весьма серьезный, на наш взгляд, недостаток: в классической системе оценки воздействие абиотических факторов внешней среды на участников биоповреждающего процесса не предусмотрено (испытания проводятся в постоянно заданных лабораторных условиях). В измененной и дополненной системе воздействие абиотических факторов на испытуемые материалы является допустимым, но необязательным элементом оценки и его использование определяется требованиями нормативно-технической документации, предъявляемыми к тем или иным материалам и изделиям. Подобный подход не учитывает

комплексного воздействия абиотических факторов внешней среды на всех участников процесса биоповреждения.

Учет этого ключевого, на наш взгляд, элемента являлся основой стратегии проведения настоящего диссертационного исследования, реализованной в собственных исследованиях, представленных в настоящей работе.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В результате работы было установлено, что среди исследованных нами полимерных композиций имеются как высоко устойчивые (неспособные утилизироваться микромицетами) - таблица 2, так и неустойчивые (способные к утилизации) материалы -таблица 3.

Таблица 2

Способность к утилизации у исследованных пластиков, клеев и герметиков

Материал Степень утилизации Активные мнкодеструкторы

клей «Лейконат» ++ Aspergillus terreus Thorn Chaetomium globosum Kunze Pénicillium cyclopium Westling Pénicillium chrysogenum Thorn Pénicillium funiculosum Thorn

клей-мастика ГИПК-23-12 ++ Aspergillus terreus Thorn Pénicillium funiculosum Thorn Trichoderma viride Persoon

компаунд ЭЗК-6 + Chaetomium globosum Kunze

герметик УТ-34 ++ Aspergillus terreus Thom

пластик АБС-2020-31 ++ Aspergillus terreus Thom Aspergillus niger van Tieghem Aspergillus oryzae (Ahlburg) Cohn. Chaetomium globosum Kunze Pénicillium cyclopium Westling Pénicillium chrysogenum Thom Pénicillium funiculosum Thom Paecilomyces variotii Bainier Trichoderma viride Persoon

полистирол УПС-825Д ++ Aspergillus terreus Thom Aspergillus niger van Tieghem Aspergillus oryzae (Ahlburg) Cohn. Chaetomium globosum Kunze Pénicillium cyclopium Westling Pénicillium chrysogenum Thom Pénicillium funiculosum Thom Paecilomyces variotii Bainier Trichoderma viride Persoon

СТЭФ-1 ++ Trichoderma viride Persoon

+ - степень обрастания до 2 баллов по стандартной методике (низкая степень утилизации)

++ - степень обрастания 2-3 балла (средняя степень утилизации)

+++ - степень обрастания от 4 и более баллов (высокая степень утилизации)

Таблица 3

Способность к утилизации у исследованных полимерных композиций

Материал Степень утилизации Активные микодеструкторы

Блок-сополимер ХТЗ - МА +++ Aspergillus terreus Thorn Chaetomium globosum Kunze Pénicillium cyclopium Westling

Привитой сополимер ХТЗ - АА ++ Pénicillium funiculosum Thorn

Привитой сополимер ХТЗ-АН +++ Pénicillium cyclopium Westling Trichoderma viride Persoon

ПВХ : ХТЗ 1:0.2 ++ Aspergillus terreus Thorn

ПВХ: крахмал 1:0.5 + Chaetomium globosum Kunze

ПВХ : опилки 1:05 + Chaetomium globosum Kunze Paecilomyces variotii Bainier

ПВХ: этилметилцеллюлоза 1:02 ++ Pénicillium cyclopium Westling

ПВХ: оксиэтилцеллюлоза 1:0.2 + Pénicillium funiculosum Thorn

Блок-сополимер ХТЗ - МА солевая форма ++ Aspergillus terreus Thorn Pénicillium cyclopium Westling

Смесь ПВС 3% и крахмала 3% +++ Aspergillus terreus Thom Pénicillium cyclopium Westling

При проведении оценочных испытаний нами были выделены три материала, имеющие низкую степень утилизации - клей-мастика ГИПК-23-12, компаунд ЭЗК-6, СТЭФ-1 - их степень обрастания по отношению ко всем тест-культурам не превышала 1-2 баллов. Клей «Лейконат» и герметик УТ-34 также характеризуются достаточно низкой способностью к утилизации (в особенности герметик УТ-34), однако по отношению к грибу Aspergillus terreus их степень обрастания оценивалась в 3 балла. Пластик АБС-2020-31 и полистирол УПС-825Д имеют высокую степень утилизации.

Нами было выдвинуто предположение о том, что о степени утилизации полимерных композиций (сополимерных или механических) некорректно судить исходя из способности к утилизации их составляющих. Экспериментальным подтверждением данного предположения могут служить результаты, представленные в таблице 3. Анализ результатов данной серии опытов показывает, что в результате взаимодействий в композиционных материалах их способность к утилизации может меняться в ту или иную сторону. В противоположность индивидуальным полимерам - ПВХ, этилметилцеллюлозе, хитозану, сосновым опилкам, крахмалу, оксиэтилцеллюлозе - все композиции на основе ПВХ, полученные по пластизольной технологии с включением других биодеградируемых компонентов оказались плохим субстратом для грибов. Напротив, композиция на основе ХТЗ и МА (блок сополимер) является легко утилизируемой. В случае же блок-сополимера хитозана в солевой форме и метилакрилата композиция проявляет хорошую устойчивость

к действию микроскопических грибов. Легко утилизируемыми грибами композициями были также сополимер хитозана и акрилонитрила, смесь поливинилового спирта с крахмалом.

Возникает вопрос: чем руководствоваться на стадии разработки материалов, чтобы спрогнозировать степень утилизации полимера в биосфере?

В настоящее время общепринятой является концепция, согласно которой степень устойчивости полимерной композиции к биоповреждениям определяется биостойкостью ее составных компонентов. Однако полученные нами результаты свидетельствуют о том, что такая концепция не в полной мере верна - подтверждающий пример представлен в таблице 4; несмотря на то, что в состав герметика УТ-34 входят только грибостойкие компоненты - тиокол, двуокись марганца и дифенилгуанидин, - он, тем не менее, поражается грибом Aspergillus terreus на 3 балла.

Таблица 4

Способность к утилизации у герметика УТ-34 и его составляющих

Материал Степень утилизации Активные микодеструкторы

герметик УТ-34 в его составе: ++ Aspergillus terreus Thorn

тиокол* + —

двуокись марганца* + —

дифенилгуанидин* + —

* - по литературным данным

Использование при синтезе привитых сополимеров акрилонитрила на хитозан инициирующей системы ДАК также приводит к увеличению степени утилизируемости композиции. Данная полимерная композиция является более доступным источником питания в сравнении с аналогичной, синтезированной с участием аммиачного комплекса кобальта (таблица 5).

Следовательно, объективно прогнозировать устойчивость полимерных композиций к действию грибов исходя только из качественного и количественного состава компонентов не всегда удаётся. Поэтому любая полимерная композиция должна подвергаться исследованию на устойчивость к действию микромицетов.

В условиях, моделирующих естественную среду (оранжереи тропических и субтропических растений ботанического сада Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского в чистые культуры нами были выделены с обследуемых полимерных материалов (композиции ХТЗ, крахмала и целлюлозы с акриловыми и виниловыми полимерами) 168 изолятов, относящихся к 27 видам, 5 семействам, 4 порядкам, 3 классам.

Было установлено, что не все виды грибов, рост которых обнаруживается на полимерных материалах, являются истинными деструкторами, т.е. способны использовать сам полимерный материал в качестве единственного источника питания (таблица 6). В лабораторных условиях исследованные образцы полимерных композиций нами были очищены от внешних загрязнений и инокулированы спорами изолятов грибов, выделенных в чистую культуру.

Таблица 5

Способность к утилизации у синтезированных по различным рецептурам привитых сополимеров акрилонитрила на хитозан

Материал Степень утилизации Активные микодеструкторы

ХТЗ+ДАК+7 мл АН +++ Aspergillus terreus Thorn Aspergillus amstelodami (Mangin) Thorn et Church Aspergillus oryzae (Ahlburg) Cohn. Auerobasidium pullulons (Bubak) W. B. Cooke Alternaria alternata (Fries) Keissler Pénicillium ochro-chloron Biourge Pénicillium cyclopium Westling Pénicillium brevi-compactum Dierckx Trichoderma viride Persoon

ХТЗ+Со+7 мл АН + Fusarium moniliforme Sheldon Pénicillium ochro-chloron Biourge

Как видно из рисунка 2 и таблицы 7, истинными деструкторами-стенофагами оказались только штаммы микромицетов, относящихся к 13 видам, тогда как рост остальных культур происходил за счет утилизации ими различных внешних загрязнений. Именно этим, на наш взгляд, можно объяснить противоречивость сообщений разных авторов о биоутилизируемости одних и тех же полимеров.

Чтобы избежать подобных противоречий, считаем необходимым внести в существующую концепцию следующие коррективы:

1. Необходимо выделять среди растущих на поверхности полимера грибов случайные виды и истинные деструкторы-стенофаги.

2. В качестве дополнительных видов грибов должны использоваться только истинные деструкторы, способные использовать тот или иной материал в качестве единственного источника питания.

В большинстве стандартных методов оценки устойчивости материалов к действию микромицетов рекомендуется использовать ассоциативные культуры; однако наши исследования показали, что у отдельных видов грибов и их ассоциаций имеются разные возможности использовать полимерный материал в качестве источника питания; в ассоциативной культуре не учитываются антагонистические взаимоотношения между грибами, что может приводить к подавлению роста и таким образом искажать оценку степени утилизации материала.

Полимерный материал можно рассматривать как экологическую нишу для грибов-деструкторов, а внутри каждой ниши действует правило Гаузе: только один вид может доминировать в данных условиях.

Подобное утверждение хорошо иллюстрируется нашими данными. Как видно из таблицы 8 клей «Лейконат» и Герметик УТ-34 при действии ассоциативной культуры демонстрируют устойчивость (имеют оценку степени обрастания мицелием грибов О баллов), однако оба материала способны поддерживать рост культуры гриба Aspergillus terreus на 3 балла.

Стенофагичность микромицетов, выделенных с полимерных композиций в природных условиях

Alternaria humicola Oudem. Botryosporium longibrachiatum (Oudem.) Maire *Penicillium cyclopium Westling

*Alternaria alternata (Fries) Keissler Botrytis terrestris (Link) Persoon Pénicillium fellutanum Biourge

*Aspergillus flavus Link *Chaetomium globosum Kunze *Penicillium funiculosum Thom

*Aspergillus niger van Tieghem Cladosporium herbarum (Pers.) Link Pénicillium lanosum Westling

Aspergillus sydowii (Bainier and Sartory) Thom and Church Fusarium culmorum (W.G. Sm.) Sacc. *Pénicillium martensii Biourge

*Aspergillus terreus Thom Fusarium oxysporum Schltdl. *Penicillium purpurogenum Stoll

Aspergillus ustus (Bainier) Thom et Church Monilia sitophila (Mont.) Sacc. Stemphylium macrosporoideum (Berk.) Sacc.

Aspergillus versicolor (Vuill.) Tirab. Mucor globosus A. Fisch. *Trichoderma koningii Oudem.

*Aureobasidium pullulans (Bubak) W.B.Cooke *Paecilomyces carneus (Duche and R. Heim) *Trichoderma viride Persoon

*- штаммы грибов истинных деструкторов полимерных композиций

истинные

Рис. 2. Процентное соотношение между случайными видами микромицетов и истинными деструкторами, выделенными с полимерных композиций в природных условиях.

Истинные деструкторы полимерных материалов, выделенные в природных условиях

Полимерный материал Истинные деструкторы

Привитой сополимер ХТЗ-МА 1:1 Aspergillus niger Aspergillus terreus Paecilomyces carneus Pénicillium martensii

Блок-сополимер ХТЗ-МА 1:3 Aspergillus niger Aspergillus terreus Paecilomyces carneus Pénicillium martensii

Привитой сополимер ХТЗ-АА Aspergillus flavus Aspergillus terreus Aureobasidium pullulans Paecilomyces carneus Pénicillium martensii

Смесь привитого сополимера ХТЗ-АА + пАА Aureobasidium pullulans Paecilomyces carneus Pénicillium martensii

Привитой сополимер ХТЗ-АН 1:1 Paecilomyces carneus Pénicillium cyclopium Pénicillium martensii

Блок-сопололимер ХТЗ-МА солевая форма Aspergillus terreus Paecilomyces carneus

ПВХ:ХТЗ 1:0,1 Aspergillus flavus Aspergillus terreus Paecilomyces carneus

ПВХ: ХТЗ 1:0,2 Paecilomyces carneus Pénicillium cyclopium Pénicillium martensii

ПВХ : крахмал 1:0,5 Alternaria alternata Aureobasidium pullulans

ПВС 3% : крахмал 3% Aspergillus niger Aspergillus terreus Pénicillium cyclopium

ПВХ: опилки 1:0,2 Chaetomium globosum Cladosporium herbarum Trichoderma viride

ПВХ: опилки 1:0,5 Aspergillus flavus Trichoderma koningii Trichoderma viride

ПВХ: этнлметилцеллюлоза 1:0,2 Aspergillus terreus Pénicillium funiculosum Pénicillium cyclopium

ПВХ : оксиэтилцеллюлоза 1:0,2 Aspergillus terreus Pénicillium purpurogenum

Степень утилизации полимерных материалов различными видами тест-культур микромицетов

Материал Степень утилизации Тест-культура

клей «Лейконат» + ассоциативная*

++ Aspergillus terreus Thom

герметик УТ-34 + ассоциативная*

++ Aspergillus terreus Thom

* - в состав ассоциативной культуры входят следующие виды микромицетов: Aspergillus terreus Thorn, Aspergillus niger van Tieghem, Aspergillus oryzae (Ahlburg) Cohn., Chaetomium globosum Kunze, Pénicillium cyclopium Westling, Pénicillium chrysogenum Thorn, Pénicillium funiculosum Thorn, Paecilomyces variotii Bainier, Trichoderma viride Persoon.

Полученные нами результаты говорят о том, что испытание полимерных материалов согласно классической схеме с использованием ассоциативной культуры может приводить к искажению оценки степени утилизации полимеров. Поэтому, в свете полученных данных, мы считаем, что в стандартные испытания необходимо внести ряд изменений и дополнений, чтобы исключить антагонистические отношения между тест-культурами:

- либо проводить испытания к отдельным видам грибов,

- либо исключить из ассоциативной культуры сильных антагонистов,

- либо разделять при проведении испытаний микромицеты на группы, внутри которых не будет антагонистических отношений.

Необходимо отметить, что классическая схема оценки устойчивости полимерных материалов в качестве критерия степени утилизации материала использует не только обрастание его поверхности мицелием грибов, но и количественную оценку степени изменения их физико-механических свойств при деструктивном воздействии грибов.

Наши исследования показали, что изменение физико-механических свойств у полимерного материала в процессе деструкции может происходить гораздо раньше, чем визуализируется степень его обрастания мицелием; следовательно, физико-механические свойства материала могут служить не только количественным, но и качественным индикаторным критерием степени биоповреждения полимерного материала.

Нами исследовалось комплексное действие грибов Aspergillus niger, Aspergillus oryzae и Pénicillium ochro-cloron на изменение механической прочности, выражающейся через разрушающее напряжение (Н/см2) у привитых сополимеров акрилонитрила на хитозан. Объектами исследования были следующие полимерные композиции: полимер №1 (ХТЗ + ДАК + 7 мл АН); полимер № 2 (ХТЗ + Со3+ + 7мл АН); полимер № 3 (ХТЗ + Со3+ + 12 мл АН).

Измерения проводились в период 30-дневного выдерживания образцов на поверхности газона грибов, выращенного из ассоциативной культуры вышеуказанных микромицетов. Результаты данного опыта представлены на рисунке 3.

700

К О.

ге

600

500

ф ф

2 га

>«

о.

« 200 о.

400

300

100

Время, сутки

Рис. 3. Изменение механической прочности привитых сополимеров акрилонитрила на хитозан под действием микроскопических плесневых грибов.

Установлено, что уже на 5 сутки прочность полимерных материалов существенно снижается. Всего же за 30 суток механическая прочность снизилась: для полимера № 1 на 90,5%; для полимера № 2 на 60,0%; для полимера № 3 на 63,0%.

Таким образом, путем оценки физико-механических свойств полимера можно судить о его биоповреждении уже на 5-е сутки от начала воздействия грибов-деструкторов, тогда как обрастание его поверхности мицелием грибов будет визуально наблюдаться только на 28-е сутки.

Известно, что разрушение материалов грибами происходит за счет экзоферментов. Проведенные нами исследования позволили определить возможность участия в начальных стадиях деструкционного процесса внеклеточных эстераз в утилизации сополимеров крахмала и полиметилакрилата, а также экзохитозаназы в утилизации сополимеров хитозана и метилакрилата. О возможности участия того или иного фермента судили по

индикация биоповреждения по изменению

физико-механических свойств

1 - ХТЗ + ДАК + 7 мл АН

2 - ХТЗ + Со3+ + 7мл АН 3-ХТЗ + Со3++ 12 мл АН

индикация биоповреждения по обрастанию мицелием

2 3

повышению его активности при использовании полимера в качестве питательного субстрата.

Нами было проведено определение эстеразной активности у культур Aspergillus oryzae и Paecilomyces variotii - активных деструкторов полимеров на основе крахмала и полиметилакрилата. В качестве контроля аналогичное определение проводилось для гриба Aspergillus amstelodami, являющегося активным деструктором чистого полиметилакрилата.

Результаты данного эксперимента представлены на рисунке 4. Результаты исследований показали, что культуры Aspergillus oryzae и Paecilomyces variotii обладают высокой активностью внеклеточных эстераз и по данному показателю превосходят культуру Aspergillus amstelodami.

Я У

то sc С Ф

s х

О то Z с s

3,5 3 2,5 2 1,5 1

0,5 0

Aspergillus oryzae

Paecilomyces variotii

вид гриЬа

Aspergillus amstelodami

Рис. 4. Экзоэстеразная активность грибов-деструкторов полиметилакрилата.

На рисунке 5 представлены результаты биохимических исследований гриба Pénicillium cyclopium при росте его на привитом сополимере хитозан : MA.

Как видно из данных рисунка, при внесении в среду культивирования полимерного материала наблюдается резкое увеличение ферментативной активности экзохитозаназы. Активность увеличивается примерно в 6 раз.

о 1200

га

X 1000 га

ш ю

Я! I-

га а

I-

ю >

800

600 -

400 -

200 -

опыт контроль

вариант опыта

Рис. 5. Активность хитозаназы Pénicillium cyclopium в процессе деструкции композиции «привитой сополимер хитозан : MA (1 : 1)».

Согласно концепции, иллюстрируемой классической схемой, нами были изучены возможные ингибиторы экзоферментов микромицетов, активно участвующие в деструкции полимерных композиций.

Нами была проведена серия экспериментов по определению в культуральной жидкости эстеразной активности в присутствии в инкубационной среде персульфата аммония (выполняющего роль инициатора при синтезе полимерной композиции на основе крахмала и полиметилакрилата) в количестве равном его доле к массе полимера - 10%. Результаты данного эксперимента представлены на рисунке 6. Нами было показано снижение ферментативной активности по сравнению с контролем у Aspergillus oryzae в 2 раза, у Paecilomyces variotii в 1,4 раза и практически полное отсутствие активности у Aspergillus amstelodami.

Далее нами исследовался ингибирующий эффект ряда химических соединений различного строения на активность хитозанаы гриба Aspergillus terreus - одного из наиболее активных биодеградантов ранее изученных нами композиций на основе природных и синтетических полимеров. В качестве биоцидов использовались: сульфат меди; биоциды «Катон LXE» (производное бензтиазола) и «Экодез» (ЧАС). Выбор этих соединений основывался на многочисленных литературных данных о возможности ингибирования ими оксидоредуктаз и гидролаз различных микроорганизмов. Концентрации биоцидов подбирались экспериментально и были на уровне сублетальных доз (ингибирование роста А. terreus под влиянием токсикантов происходило в пределах 50-80%). Результаты данных исследований представлены на рисунке 7.

re у

it Ц

to |_

re Z с;

3,5

2,5

1,5

0,5 0

контроль опыт контроль опыт Aspergillus oryzae Paecilomyces variotii

контроль опыт Aspergillus amstelodami

Вид гриба

Рис. 6. Экзоэстеразная активность грибов-деструкторов полиметилакрилата при влиянии персульфата аммония.

10000

ге у

1000

го ü

ю 5

I-

ге а. ь о

ю >,

100

10 -

контроль Си-сульфат КАТНОЫ 1.ХЕ вариант опыта

Экодез

Рис. 7. Действие химических соединений на активность экзохитозаназы A. terreus.

Установлено, что все исследованные биоциды практически полностью подавляли активность экзохитозаназы, особенно эффективно в этом плане действовал «Экодез».

Все исследованные нами соединения, ингибирующие метаболическую активность микромицетов, а, следовательно, являющиеся факторами, тормозящими деструкцию полимеров, могут быть рекомендованы в качестве средств защиты соответствующих полимерных материалов. Таким образом, согласно нашим результатам, часть классической схемы, касающаяся выбора средств защиты материала, не нуждается в изменениях и дополнениях.

В рамках вышеописанной классической схемы оценки устойчивости промышленных материалов к биоповреждениям отражаются отношения между участниками биоповреждающей ситуации, которые обобщенно могут быть представлены в виде т.н. «триады биоповреждающего процесса» (рис. 1).

Однако общемировая практика показывает, что очень часто устойчивый к действию грибов в лабораторных условиях материал при эксплуатации в природных условиях подвергается утилизации, аналогичная картина наблюдается и для защищенных биоцидами материалов. Это позволяет нам утверждать, что в существующей классической схеме не учитывается действие экологических абиотических факторов внешней среды, которые, постоянно действуя на всех участников биоповреждающей ситуации, приводят к изменению способности материалов к утилизации.

Для иллюстрации справедливости нашего утверждения было проведено сравнительное изучение изменения степени утилизации ряда полимерных материалов, ранее испытанных в лабораторных условиях после воздействия на них климатических факторов.

Действие факторов климатического старения моделировалось в климатических камерах ТБК-ЗОО по методике искусственного старения, позволяющей сымитировать период эксплуатации материала до десяти лет. Результаты данного исследования представлены в таблицах 9, 10, 11.

Результаты наших исследований показали, что некоторые полимерные материалы, исходно биостойкие, после 10 лет старения могут утилизироваться микромицетами.

Также мы исследовали как изменяется степень утилизации ряда материалов (краска масляная МА-15, краска водноэмульсионная ВД-КЧ 22), защищенных биоцидами, при воздействии климатических факторов. Нами было показано, что воздействие «Шокового термоудара» приводило к повышению степени утилизации большинства опытных образцов, за исключением краски ВД-КЧ 22, защищенной нитратом кобальта (II), где степень утилизации не изменялась (таблица 12).

Таблица 9

Изменение степени утилизации лака ФЛ-98 под действием факторов старения

Вариант опыта Степень утилизации Активные микодеструкторы

контроль + Aspergillus terreus Thorn Pénicillium martensii Biourge

старение 3 года ++ Aspergillus terreus Thom Aspergillus niger van Tieghem Fusarium moniliforme Sheldon Pénicillium ochro-chloron Biourge Pénicillium chrysogenum Thom Pénicillium funiculosum Thom Pénicillium martensii Biourge Pénicillium brevi-compactum Dierckx. Tricltoderma viride Persoon

старение 10 лет +++ Aspergillus terreus Thom Aspergillus niger van Tieghem Fusarium moniliforme Sheldon Pénicillium ochro-chloron Biourge Pénicillium chrysogenum Thom Pénicillium funiculosum Thom Pénicillium martensii Biourge Pénicillium brevi-compactum Dierckx. Trichoderma viride Persoon

Таблица 10 Изменение степени утилизации лака клея-мастики ГИПК-23-12 под действием факторов старения

Вариант опыта Степень утилизации Активные микодеструкторы

контроль + Aspergillus terreus Thom Pénicillium funiculosum Thom Trichoderma viride Persoon

старение 3 года ++ Aspergillus terreus Thom Aspergillus niger van Tieghem Aspergillus oryzae (Ahlburg) Cohn. Chaetomium globosum Kunze Pénicillium cyclopium Westling Pénicillium chrysogenum Thom Pénicillium funiculosum Thom Trichoderma viride Persoon

старение 10 лет ++ Aspergillus terreus Thom Aspergillus niger van Tieghem Aspergillus oryzae (Ahlburg) Cohn. Chaetomium globosum Kunze Pénicillium cyclopium Westling Pénicillium chrysogenum Thom Pénicillium funiculosum Thom Trichoderma viride Persoon

Изменение степени утилизации стеклотекстолита СТЭФ-1 под действием факторов старения

Вариант опыта Степень утилизации Активные микодеструкторы

контроль + Trichoderma viride Persoon

старение 3 года ++ Pénicillium chrysogenum Thorn Trichoderma viride Persoon

старение 10 лет +++ Aspergillus terreus Thom Aspergillus oryzae (Ahlburg) Cohn. Chaetomium globosum Kunze Pénicillium cyclopium Westling Pénicillium chrysogenum Thom Trichoderma viride Persoon

Таблица 12

Изменение степени утилизации испытуемых образцов ассоциативной культурой микромицетов с исключенными антагонистами* под действием «Шокового термоудара» (+50°С / -15°С)

Краска MA-15 Краска MA-15 Краска ВД-КЧ 22 Краска ВД-КЧ 22 Краска ВД-КЧ 22 Краска ВД-КЧ 22

сосновое масло контроль сосновое масло опыт + + + +

хлорид Coll контроль хлорид Coll опыт нитрат Coll контроль нитрат Coll опыт

+ ++ + ++ + +

* - в состав ассоциативной культуры входят следующие виды микромицетов: Aspergillus terreus Thorn, Aspergillus niger van Tieghem, Alternaria alternata (Fries) Keissler, Fusarium moniliforme Sheldon, Pénicillium ochro-chloron Biourge, Pénicillium chrysogenum Thorn, Pénicillium funiculosum Thorn, Pénicillium martensii Biourge Pénicillium brevi-compactum Dierckx.

В дальнейшем нами исследовалось влияние ультрафиолетового облучения, температурного воздействия и влажности на физико-механические свойства модельной системы: «Пленочные материалы на основе блок-сополимеров хитозана с метилакрилатом до и после микробной деструкции» (таблица 13).

Из таблицы 13 видно, что при воздействии на пленки блок-сополимеров хитозана с метилакрилатом ультрафиолетового облучения и повышенной температуры происходит увеличение их прочности (о) с 39 до 46 МПа и деформации (е) с 6 до 11%, в то время как при действии влажности и низкой температуры физико-механические свойства материала практически не изменяются. При воздействии на пленочные материалы, предварительно подвергшиеся воздействию климатических факторов и микромицетов Aspergillus niger и А. terreus во всех случаях наблюдается снижение показателей физико-механических свойств (разрушающего напряжения и деформации при разрыве), которое свидетельствует о биодеградации полимеров. Предварительная обработка полимеров повышенной

температурой, способствует интенсификации роста грибов на материале, и как следствие, наибольшему снижению его прочности до 18 МРа.

Таблица 13

Физико-механические свойства модельной системы: «Пленочные материалы на основе блок-сополимеров хитозана с метилакрилатом до

и после микробной деструкции»

Фактор Воздействие фактора Воздействие фактора и грибов

о, МПа е, % о, МПа Е, %

Ультрафиолетовое облучение 46.73 8.74 21.17 16.28

Влажность 39.28 9.74 29.45 14.17

Высокая температура 42.24 11.35 18.83 10.22

Низкая температура 40.90 7.10 21.54 8.58

Исходный блок-сополимер 39.15 6.33 39.15 6.33

р < 0,05 , иго=4=1, иоп=4=1

Таким образом, нами было убедительно показано, что под влиянием факторов старения способность к биоутилизации у полимерных материалов может меняться. Под воздействием факторов старения в полимерных материалах начинаются изменения химического состава и структуры. В зависимости от вида, интенсивности и длительности воздействия факторов старения полимерные материалы, претерпевая химические изменения, через некоторое время могут стать соединениями, отличающимися по химическому составу и структуре от исходных.

В работах ряда авторов показано, что старение является важным процессом, способствующим накоплению низкомолекулярных фракций в полимерных материалах (Павлов, 1982). Таким образом, в определённый момент эти материалы (исходно биостойкие) начинают подвергаться деструкции и использоваться в качестве источника питания определёнными видами грибов, располагающими соответствующим комплексом метаболитов.

В наших экспериментах в большинстве случаев имело место увеличение степени биоутилизируемости исследуемых материалов при воздействии факторов старения. Однако изменение биостойкости материалов было неоднозначно. Можно выделить две группы материалов: первая группа - не изменяющие (мало меняющие) биостойкость при действии факторов старения (физических факторов) даже в течение длительных воздействий, имитирующих до 10 лет эксплуатации в естественных условиях; вторая группа - материалы, способные в значительной степени уменьшать свои грибостойкие свойства, т.е. становиться более биоутилизируемыми даже при очень непродолжительном воздействии факторов старения.

В данном случае мы видим еще один механизм диагностики биостойкости материалов. С одной стороны, это очень важно, чтобы прогнозировать интенсивность процесса биодеградации материалов под воздействием микромицетов в природных условиях, а с другой стороны, создавать материалы определенного химического состава,

способные легко разлагаться микроорганизмами при их эксплуатации в естественных условиях. Но в этих случаях необходимо обратить внимание на тот факт, что слишком быстрая биоутилизация под воздействием старения не всегда приемлема и нужна. В этом случае, чтобы в определенной степени вызвать замедление влияния физических факторов на грибостойкость материалов, в их состав необходимо вводить определенные химические вещества-антистарители.

В процессе эксплуатации полимерные материалы подвергаются воздействию различных факторов окружающей среды, как климатических, так и техногенных, что может приводить к изменению свойств материалов, а соответственно и изменению их способности к деструкции под действием микромицетов.

Проделанная работа позволяет сделать следующее заключение: для того, чтобы располагать более достоверной оценкой грибостойкости полимерных композиций, необходимо иметь результаты их испытаний в природных условиях эксплуатации. В лабораторных же методах испытаний в качестве обязательных следует предусмотреть исследование на грибостойкость полимерных композиций, предварительно подвергнутых действию факторов старения, максимально объективные данные по биостойкости того или иного материала могут быть получены лишь при имитации периода эксплуатации данного материала в натурных условиях в период не менее десяти лет.

Анализируя все материалы экспериментов данного раздела нашей работы, можно предложить обобщенную схему взаимосвязи факторов, определяющих биостойкость полимерных материалов в естественных условиях их эксплуатации (см. рис. 8).

Рис. 8. Факторы, определяющие биостойкость полимерного материала в естественных условиях эксплуатации и взаимосвязь между ними.

В настоящее время, эффекты влияния химических факторов на микромицеты хорошо известны, но недостаточно изученным остается воздействие факторов физических. Физические факторы, действующие в биосфере на полимерные материалы, биоцидные

присадки и грибы-деструкторы могут использоваться в качестве средств защиты. Целенаправленный и планомерный подбор средств биозащиты невозможен без знания эффектов их влияния на жизнедеятельность грибов.

Нами был выполнен цикл экспериментальных работ в вышеописанной области. Было показано, что электромагнитные излучения, как существующие в биосфере с момента ее возникновения (УФ), так и введенные в нее человеком сравнительно недавно (КВЧ), оказывают существенное влияние на выживаемость пропагул микромицетов-деструкторов, что необходимо учитывать при эксплуатации полимерного материала в различных условиях внешней среды (таблицы 14, 15).

Таблица 14

Изменение титра пропагул микромицетов при воздействии УФ, доза 60 мДж/см2

Вид тест-культуры КОЕ/мл

контроль опыт AT, %*

Alternaria alternata (Fries) Keissler 59±8 26±4 55.93

Aspergillus niger van Tieghem 180±7 51±11 71.67

Chaetomium globosum Kunze 24±3 14±4 41.67

Fusarium moniliforme Sheldon 131±7 2±2 98.47

Pénicillium chrysogenum Thorn 121+14 21±6 82.64

ассоциативная культура** 162+22 91+5 43.83

Таблица 15

Изменение титра пропагул микромицетов при воздействии КВЧ-излучения шумового спектра, доза 0,009 мДж/см2

Вид гриба КОЕ/мл

контроль опыт дт, %*

Alternaria alternata (Fries) Keissler 37+2 14±3 62

Aspergillus niger van Tieghem 25±2 12±3 52

Chaetomium globosum Kunze 49±2 23±2 53

Fusarium moniliforme Sheldon 74±5 33+1 55

Pénicillium chrysogenum Thorn 24±4 12+4 50

ассоциативная культура** 168±3 86±3 49

* - ингибирующий эффект в процентах к контролю

** - ассоциативная культура составлена из вышеуказанных в таблице монокультур

Также было установлено, что ЭМИ способны оказывать биоцидное действие на очаг биоповреждения материалов и снижать степень их утилизации микромицетами. При совместном их воздействии с химическими биоцидными факторами наблюдается аналогичная картина, более того - в данном случае материалы могут даже приобретать биостойкие свойства (таблицы 16, 17).

Таблица 16

Воздействие УФО и биоцида

на очаг биоповреждения* строительных и промышленных материалов

Материал Степень обрастания в баллах (метод 1)

контроль УФО 60 мДж/см2 УФО 60 мДж/см2 + Авансепт 0,5%

резина 6 ГС-4 +++ ++ +

гипсокартон +++ ++ ++

древесина +++ +++ +++

Таблица 17

Воздействие КВЧ-излучения и биоцида на очаг биоповреждения* строительных и промышленных материалов

Материал Степень обрастания в баллах

контроль КВЧ 0,018 мДж/см2 КВЧ 0,018 мДж/см2 + Авансепт 0,5%

резина 6 ГС-2 +++ ++ +

гипсокартон +++ +++ ++

древесина +++ +++ ++

* - ситуация очага биоповреждения моделировалась путем инокуляции поверхности материалов ассоциацией культур Aspergillus niger, Alternaría alternata, Chaetomium globosum, Fusarium moniliforme, Pénicillium chrysogenum, которые наиболее часто выделяются с поверхности и из толщи подверженных биоповреждению промышленных и строительных материалов.

Нами оценивалась динамика изменения активности ряда экзооксидоредкутаз у Aspergillus niger после однократного воздействия на него ЭМИ. Активность экзопероксидазы в период культивирования достоверно отличается от контроля (рисунки 9, 10).

Рис. 9. Динамика активности пероксидазы A. niger при воздействии УФ в дозе 60 мДж/см"

60 -I

i 50 -

ä 40

о. 30

5 20

сутки

м!

ЕЗконтроль □ опыт

Рис. 10. Активность экзопероксидазы Aspergillus niger при воздействии КВЧ-излучения в дозе 0,009 мДж/см2.

Также изучалось действие высокой температуры (+60°С) на экзохитозаназу А. terreus; было проведено 2 серии экспериментов: в первой серии воздействию подвергался непосредственно мицелий гриба, во второй - его споры (рисунки 11, 12).

и 7 -

га

X 6 -

га

а Ц 5 -

<и

ю |_ 4 -

3 -

га

а 1- 2 -

U 5 0 -

до воздействия

после воздействия

вариант опыта

Рис. 11. Действие высокой температуры на активность экзохитозаназы Aspergillus terreus (обработке подвергался мицелий).

до воздействия воздействие

температурой

вариант опыта

Рис. 12. Действие высокой температуры на активность экзохитозаназы Aspergillus terreus (обработке подвергались споры гриба).

Как видно из данных, представленных на рисунках, воздействие высокой температуры приводит к существенному ингибированию хитозаназной активности в обоих вариантах.

Полученные результаты показывают, что, воздействуя через посредство физических факторов на ферментативный аппарат микромицетов, мы можем регулировать их деструктивные возможности. Этот факт необходимо учитывать при прогнозировании и оценке устойчивости материалов к деструкции.

Таким образом, на основе проведения комплекса экспериментов нами были изучены экологические и физиолого-биохимические аспекты начальных этапов деструкции композиций на основе природных и синтетических полимеров микроскопическими грибами. Это позволило нам разработать алгоритм получения полимерных материалов с регулируемой биостойкостью, основанный на учете взаимосвязи процессов утилизации полимерных материалов и воздействия на них факторов внешней среды. Блок-схема данного алгоритма представлена на рисунке 13.

Рис. 13. Алгоритм получения полимерных материалов с регулируемой Оиостойкостью.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Обобщая полученный экспериментальный материал, необходимо отметить, что очень часто устойчивый к действию грибов в лабораторных условиях материал при эксплуатации в природных условиях подвергается утилизации, аналогичная картина наблюдается и для защищенных биоцидами материалов. Это позволяет нам утверждать, что в существующей классической схеме оценки устойчивости промышленных материалов к биоповреждениям не учитывается действие экологических абиотических факторов внешней среды, которые, постоянно действуя на процесс биоповреждения, приводят к изменению способности материалов к утилизации. Это, в свою очередь, позволяет нам предложить новое видение отношений между участниками биоповреждающей ситуации, ранее описываемых в виде «триады биоповреждающего процесса» (рис. 1), которое может быть представлено в виде схемы на рисунке 14, иллюстрирующей процесс

Рис. 14. Отношения между участниками биоповреждающей ситуации с учетом действия на них факторов внешней среды.

В ходе выполнения работ в рамках цели и задач настоящего диссертационного исследования были получены новые знания о возможности использования микроскопическими грибами синтетических полимеров и гибридных композиций природных полимеров с синтетическими в качестве источника питания; выявлены новые закономерности в оценке устойчивости материалов к биоповреждениям, изменению их физико-механических свойств в процессе биоповреждения, в подборе грибов-деструкторов. Предложен новый подход комплексной оценки процесса деструкции микромицетами полимерных материалов, основанный на учете взаимосвязи процессов утилизации полимерных материалов и воздействия на них факторов внешней среды (экологии субстрата), схематично представленный на рисунке 15. Это в значительной степени повышает объективность оценки устойчивости полимерных материалов к

микробиологическим повреждениям, позволяет прогнозировать устойчивость материалов в естественных условиях эксплуатации, управлять процессами биоповреждения и биоразрушения в реальной среде, дает возможности для ранней индикации биоповреждений и целенаправленного поиска эффективных средств биозащиты полимерных материалов.

Обобщая полученные результаты можно сформулировать следующее заключение: при разработке методов оценки устойчивости полимерных материалов к действию микромицетов-деструкторов и способов повышения данной устойчивости ключевым аспектом является учет влияния экологических факторов на процессы микодеструкции.

микромицеты (стандартные культуры - исключение антагонизма)

Рис. 15. Модифицированная схема оценки устойчивости промышленных материалов к биоповреждениям, учитывающая влияние экологических факторов на процессы микодеструкции.

выводы

1. Синтетические полимерные материалы клей «Лейконат», герметик УТ-34, пластик АБС-2020-31, полистирол УПС-825Д и материалы, содержащие природные полимеры - гетерополимерные композиции хитозана с поливинилпирролидоном и поливинилспиртом, привитые сополимеры акрилонитрила на хитозан, блок-сополимеры хитозана с крахмалом и полиакриламидом, модифицированная хитозаном бумага, сополимеры крахмала и полиметил акрилата - могут использоваться в качестве источника питания микроскопическими грибами. Компаунд ЭЗК-6, клей-мастика ГИПК-23-12, стеклотекстолит СТЭФ-1, блок-сополимер ХТЗ-МА - солевая форма, композиция ПВХ : ХТЗ (1:0,1) и композиции ПВХ с целлюлозой являются биостойкими, то есть не поддерживают рост микромицетов.

2. Многокомпонентная полимерная композиция является системой, характеризующейся свойством эмерджентности, ее биостойкие свойства невозможно предсказать на основе знания свойств ее ингредиентов и взаимодействий между ними, рассматриваемых изолированно. Поэтому любая вновь синтезированная полимерная композиция должна подвергаться исследованию на устойчивость к действию микромицетов.

3. К истинным деструкторам полимерной композиции относятся не все микромицеты, рост которых обнаруживается на материале в природных условиях, а только виды-стенофаги, способные использовать данный материал в качестве единственного источника питания.

4. Наиболее активными деструкторами являются: клеев, герметиков и пластиков -грибы Aspergillus terreus, Chaetomium globosum, Pénicillium cyclopium, Trichoderma viride; хитозана и полимеров на его основе - Aspergillus niger, Aspergillus oryzae, Aspergillus terreus, Pénicillium funiculosum, Pénicillium ochro-chloron, Pénicillium sp. НУ-12, Paecilomyces sp. НУ-10, Trichoderma viride; сополимеров крахмала и полиметилакрилата - Aspergillus oryzae и Paecilomyces variotii.

5. Действие микроскопических грибов - активных деструкторов приводит к изменению у полимеров следующих свойств: разрушающее напряжение, характеристическая вязкость, прочность и деформация при разрыве; это свидетельствует о биодеградации полимеров. Следовательно, измерение данных свойств можно использовать в качестве способа ранней экспресс-диагностики процесса биоповреждения полимеров на стадии формирования вегетативного мицелия микромицетов, то есть на 3-7 сутки от начала деструкционного процесса.

6. В начальных стадиях деструкционного процесса показана роль следующих ферментов микромицетов - внеклеточные эстеразы (при утилизации сополимеров крахмала и полиметилакрилата) и экзохитозаназа (при утилизации сополимеров хитозана и метилакрилата).

7. Абиотические (физические) факторы способны не только снижать степень биостойкости полимерных материалов, но и увеличивать или уменьшать биоцидную активность у средств их защиты, в ряде случаев придавая биоцидный эффект или вызывая его исчезновение, что может сказаться на биостойкости материала при эксплуатации в определенных климатических зонах.

8. Установлено, что ультрафиолетовое и миллиметровое излучения и высокая температура оказывают влияние на физиолого-биохимические характеристики микромицетов - активных деструкторов исследованных нами полимерных материалов: рост мицелия, выживаемость пропагул, активность экзопероксидазы и экзокаталазы, активность экзохитозаназы.

9. С целью увеличения объективности оценки существующих стандартных методов испытания полимерных материалов на устойчивость к биодеструкции необходимо внести в них ряд изменений и дополнений: раннюю диагностику процесса биоповреждения; учет экологических аспектов воздействия факторов внешней среды на материал, средства его защиты и агентов биоповреждения, а также учет явления антагонизма среди используемых тест-культур.

10. В процессе проведения диссертационного исследования был разработан экологический подход к процессу биодеструкции полимерных материалов, включающий комплексный учет воздействия абиотических факторов внешней среды на свойства полимера, жизнедеятельность микромицетов-деструкторов, эффективность средств биозащиты, который может использоваться для диагностики и прогнозирования биостойких свойств, как незащищенных, так и защищенных биоцидами материалов, в реальных условиях их эксплуатации.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Работы, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК:

1. Дормидонтова, О. В. Деструкция полимерных композиций на основе хитозана микромицетами / О.В. Дормидонтова, В.Ф. Смирнов, Л.А. Смирнова, Д.В. Кряжев, H.A. Копылова // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. Сер. Химия. - 2000. - Вып. 1 (2). - С. 55-58.

2. Кряжев, Д. В. Деструкция хитина микроскопическими грибами / Д.В. Кряжев, В.Ф. Смирнов, Л.А. Смирнова // Биотехнология. - 2003. - № 4. - С. 88-90.

3. Кряжев, Д. В. Исследование устойчивости к действию микромицетов композиций на основе природных полисахаридов и синтетических полимеров / Д.В. Кряжев, В.Ф. Смирнов, Л.А. Смирнова, H.A. Андриянова, В.В. Медведева // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. Сер. Химия. - 2004. - Вып. 1 (4).-С. 111-116.

4. Кряжев, Д. В. Амилолитическая активность грибов - деструкторов полимерных материалов / Д.В. Кряжев, В.Ф. Смирнов, В.В. Медведева // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. Сер. Биология. - 2005. -Вып. 2(10).-С. 208-210.

5. Кряжев, Д. В. Роль факторов климатического старения в оценке устойчивости лакокрасочных материалов наружного применения к действию микроскопических грибов / Д.В. Кряжев, В.Ф. Смирнов // Лакокрасочные материалы и их применение. - 2010. - № 3. - С. 44-47.

6. Кряжев, Д. В. Роль факторов климатического старения в оценке устойчивости полимерных материалов к действию микроскопических грибов / Д.В. Кряжев, В.Ф. Смирнов // Пластические массы. - 2010. —№ 6. - С. 46-48.

7. Кряжев, Д. В. Новые аспекты применения низкоинтенсивных излучений (КВЧ) в экобиотехнологии / Д.В. Кряжев, В.Ф. Смирнов // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. - 2010. - № 2 (2). - С. 418^422.

8. Кряжев, Д. В. Устойчивость композиционных материалов на основе синтетических и природных полимеров к действию микромицетов в природных условиях / Д.В. Кряжев, В.Ф. Смирнов, А.Е. Мочалова, О.Н. Смирнова, Е.А. Захарова, К.А. Зотов, Л.А. Смирнова // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. -2010.-№2(2).-С. 536-540.

9. Смирнов, В. Ф. Деструкция микромицетами композиций на основе сополимеров хитозана с виниловыми мономерами / В.Ф. Смирнов, Л.А. Смирнова, А.Е.

Мочалова, Д.В. Кряжев, Н.Е. Цверова, К. А. Зотов // Биотехнология. - 2011. - № 4. - С. 47-56.

10. Смирнов, В. Ф. Деструкция микромицетами композиционных материалов на основе природных и синтетических полимеров / В.Ф. Смирнов, А.Е. Мочалова, О.Н. Смирнова, Е.А. Захарова, Д.В. Кряжев, JI.A. Смирнова // Поволжский экологический журнал. - 2011. - № 4. - С. 537-541.

11. Зотов, К. А. Микробиологические и физико-химические аспекты деструкции микромицетами композиций на основе акриловых полимеров и хитозана / К.А. Зотов, Е.А. Захарова, О.Н. Смирнова, Д.В. Кряжев, А.Е. Мочалова, JI.A. Смирнова, Н.Ю. Кокурина, И.Н. Калашников, В.Ф. Урьяш, В.Ф. Смирнов // Пластические массы. - 2012. - № 4. - С. 59-64.

12. Кряжев, Д. В. Эффекты комбинированного действия низкоинтенсивного миллиметрового излучения (КВЧ) и высокоинтенсивных химических и физических фунгицидных факторов / Д.В. Кряжев, A.A. Ичеткина, В.Ф. Смирнов // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. Сер. Биология. - 2012. -Вып. 2 (3). - С. 64-69.

13. Кряжев, Д. В. Анализ методов оценки биостойкости промышленных материалов (критерии, подходы) / Д.В. Кряжев, В.Ф. Смирнов, О.Н. Смирнова, Е.А. Захарова, H.A. Аникина // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. -2013. -№2(1). -С. 118-124.

14. Аникина, Н. А. Исследование устойчивости к действию микроскопических грибов лакокрасочных материалов, используемых в строительстве, приборо и машиностроении / H.A. Аникина, В.Ф. Смирнов, Д.В. Кряжев, О.Н. Смирнова, Е.А. Захарова, E.H. Григорьева // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. - 2014. - № 2 (1). - С. 100-105.

Патенты:

15. Патент на изобретение № 2343707 Российская Федерация, МПК A01N 25/00, заявка № 2007136719/15 от 03.10. 2007, зарег. во ФГУП «Роспатент» 20.01.2009. Способ инактивации микроорганизмов биоцидами (варианты) / A.M. Кожемякин, Ю.А. Ткаченко, В.Ф. Смирнов, Д.В. Кряжев, P.A. Плохое. Заявитель ЗАО «СЕМ Технолоджи», патентообладатель ООО «Спинор».

16. Патент на полезную модель № 81491 Российская Федерация, МПК C02F 1/30, заявка № 2008128173/22 от 10.07.2008, зарег. во ФГУП «Роспатент» 20.03.2009. Устройство для обработки водосодержащих жидких сред / В.Ф. Смирнов, A.M. Кожемякин, P.A. Плохов, Д.В. Кряжев. Заявитель ЗАО «СЕМ Технолоджи», патентообладатель ООО «Спинор».

17. Патент на изобретение № 2398877 Российская Федерация, МПК C12N 13/00, заявка № 2009104895/13 от 12.02.2009, зарег. во ФГУП «Роспатент» 10.09.2010. Способ подавления микроорганизмов / A.M. Кожемякин, Ю.А. Ткаченко, P.A. Плохов, Д.В. Кряжев. Заявитель ЗАО «СЕМ Технолоджи», патентообладатель ООО «Спинор».

Монографии и главы из монографий:

1. Kryazhev D.V., Plokhov R.A., Tkachenko U.A., Kozhemyakin A.M., Smirnov V.F. Low intensity physical influences use for increasing acepticity of biotechnological processes and microbiological cleanness in living accomodations. In: Biotechnology in Medicine, Foodstuffs, Biokatalysis, Environment and Biogeotechnology / Editors: S.D. Varfolomeev et al., NY: Nova Science Publishers, Inc. 2010. P. 115-123.

2. Кряжев Д.В. Деструкция микромицетами полимерных композиций. Экологические и физиологические аспекты / Saarbrücken: LAP LAMBERT Academic Publishing Gmbh. 2011. 153 p.

3. Smirnov V.F., Zotov K.A., Smirnova L.A., Mochalova A.E., Kryazhev D.V., Tsverova N.E. The Destruction of the Compositions Based on Chitosan Copolymers with Acrylic Monomers By Micromycetes. In. Biochemistry and Biotechnology: Research and Development / Editors S.D. Varfolomeev, G.E. Zaikov, L.P. Krylova. NY: Nova Sei. Publ. Inc. 2012. P.131-142.

Статьи в других изданиях:

4. Kryazhev, D. V. Chitin destruction by fungi / D.V. Kryazhev, V.F. Smirnov, L.A. Smirnova // Biotechnology in Russia. - 2003. - № 4. - P. 85-88.

5. Кряжев, Д. В. Новые аспекты применения низкоинтенсивных излучений (КВЧ) в дезинфекционном деле / Д.В. Кряжев, В.Ф. Смирнов // Ремедиум Приволжье, 2011, № 7 (97), С. 33-35.

Тезисы и материалы докладов международных, всероссийских и региональных

конференций и семинаров:

6. Дормидонтова, О. В. Исследование деградации хитозана и полимеров на его основе микроскопическими грибами / О.В. Дормидонтова, М.В. Сергеева, В.Ф. Смирнов, JI.A. Смирнова, Д.В. Кряжев // Тезисы Всероссийской научно-практической конференции «Экологические проблемы биодеградации промышленных, строительных материалов и отходов производств». - Пенза, 2000. - С. 53-55.

7. Кряжев, Д. В. Исследование возможности деструкции хитина микроскопическими грибами / Д.В. Кряжев, В.Ф. Смирнов, JI.A. Смирнова // Материалы 1-го международного конгресса «Биотехнология - состояние и перспективы развития». -Москва, 2002.-С. 314.

8. Кряжев, Д. В. Изучение путей утилизации хитина микромицетами / Д.В. Кряжев, В.Ф. Смирнов, JI.A. Смирнова // Сборник статей V Международной научно-практической конференции «Современные проблемы биологических повреждений материалов (Биоповреждения - 2002)». - Пенза, 2002. - С. 106-109.

9. Кряжев, Д. В. Изучение деструкции хитина под действием микроскопических грибов / Д.В. Кряжев, В.Ф. Смирнов, J1.A. Смирнова // Материалы международной конференции молодых ученых «От фундаментальной науки к новым технологиям. Химия и биотехнология биологически активных веществ, пищевых продуктов и добавок. Экологически безопасные технологии». - Тверь, 2002. - С. 28-29.

10. Кряжев, Д. В. Изучение возможностей использования микроскопических грибов для утилизации хитозансодержащих сельскохозяйственных отходов / Д.В. Кряжев // Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Эколого-экономические основы формирования агробиоценозов». - Нижний Новгород, 2002. -С. 186-191.

11. Смирнов, В. Ф. Возможность использования хитозана в качестве средства защиты полимерных материалов от микробиологических повреждений / В.Ф. Смирнов, Л.А. Смирнова, Д.В. Кряжев // Материалы Седьмой международной конференции «Современные перспективы в исследовании хитина и хитозана». - Санкт-Петербург; Репино, 2003. - С. 413-414.

12.Мочалова, А. Е. Новые композиционные материалы на основе хитозана и (мет)акрилатов / А.Е. Мочалова, H.A. Андриянова, Д.В. Кряжев // «Биология наука XXI века» 8-я международная пущинская школа-конференция молодых ученых. -Пущино, 2004. - С. 270.

13. Смирнов, В. Ф. Совершенствование методики испытаний изделий и материалов на грибоустойчивость / В.Ф. Смирнов, Д.В. Кряжев, A.B. Маркина // Международная конференция «Великие реки-2005». - Нижний Новгород, 2005. - С. 37.

14. Кряжев, Д. В. Исследование эстераз микромицетов - деструкторов полимерных композиций на основе крахмала и полиметакрилата / Д.В. Кряжев // «Биология наука XXI века» 9-я международная школа-конференция молодых ученых. -Пущино, 2005. - С. 198.

15. Кряжев, Д. В. Действие факторов климатического старения на эффективность действия ряда фунгицидов / Д.В. Кряжев, В.Ф. Смирнов, О.Н. Смирнова, Д.А. Кузьмин // Материалы второй международной научно-технической конференции «Биоповреждения и биокоррозия в строительстве». - Саранск, 2006. - С. 251-254.

16. Кряжев, Д. В. Повышение биостойкости сополимерных композиций путем модификации их состава / Д.В. Кряжев, В.Ф. Смирнов // Материали за IV международна научна практична конференция «Научни дни - 2008». - Том 14. Селско стопанство. Ветиринарна наука. Биологии. - София, 2008. - С. 62-64.

17. Кряжев, Д. В. Влияние ряда климатических факторов на жизнедеятельность микромицетов - деструкторов полимерных материалов / Д.В. Кряжев,

B.Ф. Смирнов // «Проблемы биоэкологи и пути их решения: Вторые Ржавитинские чтения». - Саранск, 2008. - С. 390-391.

18. Кряжев, Д. В. Использование низкоинтенсивных физических воздействий для повышения асептичности биотехнологических процессов и микробиологический чистоты в жилых помещениях / Д.В. Кряжев, P.A. Плохов, Ю.А. Ткаченко, A.M. Кожемякин, В.Ф. Смирнов // Материалы 5-го международного конгресса «Биотехнология: состояние и перспективы развития». - Часть 2. - Москва, 2009. -

C. 212-213.

19. Кряжев, Д. В. Антимикробные эффекты низкоинтенсивного шумового излучения КВЧ-диапазона / Д.В. Кряжев, P.A. Плохов, Ю.А. Ткаченко, A.M. Кожемякин, В.Ф. Смирнов // Тезисы V международного конгресса «Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине». - Санкт-Петербург, 2009. - С. 17.

20. Лазарева, Е. С. Исследование роли оксидоредуктаз и гидролаз грибов в деструкции композиционных материалов, обладающих различной грибостойкостью / Е.С. Лазарева, Ю.В. Синицина, И.В., Стручкова, К.А. Зотов, Д.В. Кряжев, В.Ф. Смирнов // Материалы международной научно-практической конференции «Биотехнология: экология крупных городов». - Москва, 2010. - С. 335-336.

21. Гаврилова, Е. С. Микробная деструкция композиционных материалов на основе природных и синтетических полимеров в натурных и лабораторных условиях / Е.С. Гаврилова, Д.В. Кряжев, О.Н. Смирнова, В.Ф. Смирнов, К.А. Зотов // Материалы международной научно-практической конференции «Биотехнология: экология крупных городов. - Москва, 2010. - С. 35 -352.

22. Кряжев, Д. В. Разработка алгоритма получения полимерных композиций с регулируемой биостойкостью / Д.В. Кряжев, JI.A. Смирнова, А.Е. Мочалова, В.Ф. Смирнов, К.А. Зотов, Ю.В. Синицина, И.В. Стручкова // Материалы VI международного конгресса «Биотехнология: состояние и перспективы развития». -Москва, Россия, 2011. - С. 336-337.

23. Смирнов, В. Ф. Защита храмовых комплексов от микробиологических повреждений на примере Нижегородской области: успехи и проблемы / В.Ф. Смирнов, В.Т. Ерофеев, О.Н. Смирнова, Е.А. Захарова, Д.В. Кряжев, А.Д. Богатов, C.B. Казначеев // Сборник тезисов 5-го Международного научно-практического симпозиума «Природные условия строительства и сохранения храмов православной Руси». - Нижний Новгород, 2012. - С. 147-148.

24. Ичеткина, А. А. Физиологическая адаптация микромицетов-деструкторов к влиянию высоко- и низкоинтенсивных электромагнитных излучений / A.A. Ичеткина, Д.В. Кряжев, О.Н. Смирнова, Е.А. Захарова, В.Ф. Смирнов // «Современная микология в России». Тезисы докладов третьего съезда микологов России. - Москва, 2012.-С.151-152.

25. Кряжев, Д. В. О применении низкоинтенсивных излучений (КВЧ) в экобиотехнологии / Д.В. Кряжев, A.M. Кожемякин, В.Ф. Смирнов //Научные труды VI Международного конгресса «Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине». - Санкт-Петербург, 2012. - С. 162,

26. Ичеткина, А. А. К вопросу о комбинированном применении высоко- и низкоинтенсивных электромагнитных излучений и химических биоцидных препаратов в противоплесневой дезинфекции / A.A. Ичеткина, Д.В. Кряжев, И.П. Иванова, C.B. Трофимова, В.Ф. Смирнов // «Актуальные проблемы современной науки». Материалы трудов участников 8-ой международной телеконференции. -Том 1, №2. - Томск, 2012. - С. 7-8.

27. Ичеткина, А. А. Особенности роста мицелия оппортунистических микромицетов под воздействием искрового разряда и ультрафиолетового излучения / A.A. Ичеткина, H.JI. Буянова, C.B. Трофимова, Д.В. Кряжев, И.П. Иванова, В.Ф. Смирнов // Materialy IX Miçdzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji «Strategiczne pytania swiatovvej nauki - 2013». - Volume 25. - Przemysl, 2013. -P. 12-14.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ХТЗ - хитозан

MA - метилакрипат

АА - акриламид

АН - акрилонитрил

ПВХ - поливинилхлорид

ПВС - поливиниловый спирт

ДАК - динитрил азоизомаслянной кислоты

УФ - ультрафиолет

УФО - ультрафиолетовое облучение

КВЧ - излучение крайне высокой частоты миллиметрового диапазона ЭМИ - электромагнитное излучение ЭМП - электромагнитные поля КОЕ - колониеобразующая единица

Подписано в печать 03.07.2015 г. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать цифровая. Усл. печ. л. 2. Заказ № 441. Тираж 150 экз.

Отпечатано с готового оригинал-макета В РИУ ИНГУ им. Н.И. Лобачевского 603000, г. Нижний Новгород, ул. Б. Покровская, 37

Информация о работе

Кряжев, Дмитрий Валерьевич
доктора биологических наук
Нижний Новгород, 2015
ВАК 03.02.08

Автореферат

Экологические основы диагностики процессов биодеструкции природных и синтетических полимерных материалов в условиях воздействия ряда абиотических факторов внешней среды - тема автореферата по биологии, скачайте бесплатно автореферат диссертации

Похожие работы