1448

Масталыгина Е. Е. и др.

Журнал прикладной химии. 2022. Т. 95. Вып. 11-12

УДК 547.458.81:544.032.1:678.019.38

ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ШТУРМА В ИССЛЕДОВАНИИ КИНЕТИКИ

БИОРАЗЛОЖЕНИЯ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ И ЕЕ ПРОИЗВОДНЫХ

В. А. Овчинников^1,3, П. В. Пантюхов^1,2

¹ Научная лаборатория «Перспективные композиционные материалы и технологии»,

Российский экономический университет им. Г. В. Плеханова,

1117997, г. Москва, ул. Зацепа, д. 43

² Лаборатория физикохимии синтетических и природных полимеров,

Институт биохимической физики им. Н. М. Эмануэля РАН,

119334, г. Москва, ул. Косыгина, д. 4

³ Лаборатория фотобионики,

Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н. Н. Семёнова РАН,

119334, г. Москва, ул. Косыгина, д. 4

E-mail: * Mastalygina.EE@rea.ru; **Abushahmanova.ZR@rea.ru

Поступила в Редакцию 15 декабря 2022 г.

После доработки 25 декабря 2022 г.

Принята к публикации 25 декабря 2022 г.

Работа посвящена изучению кинетики биологического разложения полисахаридных материалов:

порошковой целлюлозы, микрокристаллической целлюлозы, гидратированной целлюлозы (вискозного

волокна) и нативного крахмала (в качестве референта). Кинетику процесса биоразложения оцени-

вали по динамике накопления углекислого газа в процессе минерализации органических веществ под

действием почвенной микробиоты (почвенный инокулят) с применением метода Штурма. Было пока-

зано, что степени биоразложения порошковой волокнистой целлюлозы и гидратированной целлюлозы

практически не различались — 69.2 и 67.0% за 98 сут. Микрокристаллическая целлюлоза оказалась

устойчивой к микробиологической деструкции (2.0% разложения), что объясняется высокой стабиль-

ностью кристаллических образований при воздействии продуктов метаболизма микроорганизмов.

После проведения биоразложения образцы целлюлозы, имеющие высокую способность к деградации,

характеризовались многочисленными дефектами структуры и изменением цветности, были обнару-

жены признаки развития микромицетов. На ИК-спектрах зафиксировано уменьшение интенсивно-

сти поглощения в областях, соответствующих колебаниям O—H и C—O, что свидетельствует о

деструкции полисахаридов. При этом интенсивность пиков, относящихся к колебаниям N—H-связей,

увеличилась, что говорит о накоплении хитина, основного компонента клеточной стенки микроскопи-

ческих грибов, которые закрепились и проросли на поверхности образцов. Биоразложение приводит к

снижению молекулярной массы образцов порошковой целлюлозы и гидратированной целлюлозы, что

подтверждается уменьшением температуры термоокислительной деструкции.

Ключевые слова: степень биоразложения; метод Штурма; порошковая целлюлоза; микрокристалли-

ческая целлюлоза; гидратированная целлюлоза; вискоза

DOI: 10.31857/S0044461822110093; EDN: GRESSB

Целлюлоза является природным полимером с вы-

стадии разложения целлюлоза под воздействием фер-

сокой способностью к биологической деградации.

мента целлюлазы (содержится в почвенных грибах и

D. Chmolowska и др. [1] было показано, что за 10 не-

бактериях) расщепляется на дисахарид целлобиозу,

дель экспонирования в почве целлюлоза разлагается

затем в процессе принимает участие фермент цел-

на 82-95% в зависимости от типа почв. На первой

лобиаза, в результате целлобиоза разрушается до

Применение метода Штурма в исследовании кинетики биоразложения целлюлозы и ее производных

1449

глюкозы [2]. Согласно результатам недавнего иссле-

целлюлозы и производных целлюлозы не уделяется

дования, целлюлозосодержащие материалы с боль-

значительного внимания.

шим количеством компонентов разной химической

Установление закономерностей биоразложения

природы в составе более биоразлагаемы, чем чистые

целлюлозы и ее производных позволит определить

вещества [3]. Химическая модификация целлюлозы,

области применения и подходы к утилизации изделий

как правило, замедляет процессы гидролиза и биоло-

на основе исследуемых веществ.

гического разложения. В работе [4] выстроен следую-

Цель работы — исследование влияния модифи-

щий ряд по степени устойчивости к биологическому

кации физико-химической целлюлозы на биоразла-

разложению: микрокристаллическая целлюлоза >

гаемость. Задачи исследования: изучение биораз-

> хлопок > вискоза.

лагаемости порошковой и микрокристаллической

Для изучения степени биоразложения целлюло-

целлюлоз, гидратированной целлюлозы (вискозы), а

зосодержащих веществ могут быть использованы

также нативного крахмала методом Штурма с после-

различные методы и критерии оценки, в частности,

дующей оценкой изменений их массы, микрострук-

фиксация визуальных повреждений при выдержке в

туры, химического состава и термостойкости после

почвенном грунте [1], определение массы мицелия

частичной биодеградации.

на поверхности водных экстрактов и оценка степе-

ни биообрастания микромицетами агаризованных

Экспериментальная часть

сред [3], измерение расхода кислорода в закрытом

респирометре в различных инокулированных водных

Объектами исследования являлись следующие ма-

средах* [4], измерение количества выделившегося

териалы полисахаридной природы: порошковая цел-

углекислого газа при исследовании биоразлагаемости

люлоза марки Полицелл ПЦС-0.25 (ЗАО «Полицелл»)

методом Штурма.**

(массовая доля воды 8%, размер фракции менее

В работе [5] с применением метода Штурма в ус-

250 мкм); микрокристаллическая целлюлоза мар-

ловиях лабораторного компостирования сравнивали

ки М-101 (ФГУП «Прогресс») (массовая доля воды

биоразлагаемость чистой целлюлозы и ацетатов цел-

3-5%, насыпная плотность 0.26-0.34 г·мл^-1, степень

люлозы. Было показано, что целлюлоза разрушается

полимеризации 200-250); нетканый материал на ос-

за 55 сут на 67%, что значительно больше, чем у аце-

нове вискозных волокон (гидратированная целлюлоза

татов целлюлозы (~45-50%). Сравнение биоразлага-

или вискоза) марки Спанлейс (ООО «Авангард»);

емости производных целлюлозы в различных средах

нативный крахмал растворимый (ч.д.а., ООО

представлено в недавнем обзоре [6]. Исследуется

«Русхим.ру») (референтный образец).

биоразлагаемость не только чистых полисахаридов,

Изучению подвергались как исходные материалы,

но и полимерных композиционных материалов, в

так и образцы, подвергнутые экспонированию в био-

которых целлюлозосодержащие частицы являются

логически активной среде почвенных микроорганиз-

наполнителем [7, 8]. При этом исследованию законо-

мов (в микробиологической установке ускоренного

мерностей изменения свойств частично разрушенной

определения биодеградации) в течение 98 сут.

Исследование динамики биологического разложе-

ния образцов проводили по методике.*** Испытание

* ISO 14851:2019. Determination of the ultimate

проводилось в течение 98 сут при температуре

aerobic biodegradability of plastic materials in an aqueous

25 ± 2°С. Биоразлагающей средой являлся почвенный

medium — Method by measuring the oxygen demand in a

closed respirometer.

инокулят, приготовленный согласно методике.****

** ГОСТ 32427-2013. Методы испытаний химической

Грунт, состоящий в равных долях из садовой зем-

продукции, представляющей опасность для окружающей

ли, песка, конского навоза, выдерживали в течение

среды. Определение биоразлагаемости: 28-дневный тест.

2 мес в деревянном ящике, ежедневно перемеши-

ГОСТ 32433-2013. Методы испытаний химической

продукции, представляющей опасность для окружающей

среды. Оценка биоразлагаемости органических соедине-

*** ГОСТ 32427-2013. Методы испытаний химиче-

ний методом определения диоксида углерода в закрытом

ской продукции, представляющей опасность для окружа-

сосуде.

ющей среды. Определение биоразлагаемости: 28-дневный

ASTM D 5988. Standard test method for determining

тест (метод B): испытание по биодеградации под действи-

aerobic biodegradation of plastic materials in soil.

ем почвенных микроорганизмов по выделению диоксида

ISO 17556:2019. Plastics — Determination of the

углерода (метод Штурма).

ultimate aerobic biodegradability of plastic materials in soil

**** ГОСТ 9.060-75. Ткани. Метод лабораторных ис-

by measuring the oxygen demand in a respirometer or the

пытаний на устойчивость к микробиологическому разру-

amount of carbon dioxide evolved.

шению.

1450

Масталыгина Е. Е. и др.

вая, поддерживая постоянную влажность 60 ± 5%.

деляли интенсивность биологического обрастания

Химический состав грунта представлен в работе [8].

материалов с последующей оценкой степени био-

Далее готовили раствор грунта в бидистиллирован-

обрастания (интенсивность роста) по методике.**

ной воде (бидистиллятор БЭ-4, ООО ПФ «Ливам») в

Анализ химического состава образцов проводили

концентрации 30 мас% и процеживали через сито с

методом инфракрасной спектроскопии с преобразова-

размером ячеек 0.5 мм. Полученный раствор подвер-

телем Фурье с помощью ИК-Фурье-микроскопа сред-

гали сепарированию на лабораторной центрифуге в

ней области инфракрасного спектра Lumos (Bruker) в

течение 5 мин при скорости вращения 1500 об·мин^-1.

соответствии со стандартной методикой.*** Спектры

Полученную суспензию трижды пропускали через

регистрировали при температуре 22 ± 2°С в диапазо-

фильтровальную бумагу с целью удаления твердых

не волновых чисел 4600-650 см^-1 методом нарушен-

частиц и простейших, после чего использовали в

ного полного внутреннего отражения с применением

качестве биоразлагающей среды для дальнейшего

алмазного кристалла ATR Platinum Diamond (Bruker).

эксперимента.

Обработка спектров производилась с помощью про-

Степень биоразложения определяли по ко-

граммного обеспечения OPUS (Bruker).

личеству выделившегося при экспонировании в

Процессы термоокислительной деструкции были

почвенном инокуляте СО₂. Количество СО₂ опре-

изучены методом термогравиметрического анализа

деляли методом обратного кислотно-основного кон-

на приборе TGA/DSC3+ (Mettler Toledo) в токе воз-

дуктометрического титрования (ТИТРИОН-2, ООО

духа (скорость потока 200 мл·мин^-1) в динамическом

«Эконикс-Эксперт») после пропускания газа через

режиме со скоростью 10 град·мин^-1 в диапазоне 30-

0.0125 М раствор Ba(OH)₂ (ч.д.а., ООО «Русхим.ру»).

600°С. Полученные термограммы обрабатывали при

Титрование проводили 0.05 М раствором НСl (х.ч.,

помощи программного обеспечения TC 11 (Mettler

ООО «Экросхим»). Из полученных данных по кон-

Toledo).

центрации CO₂ вычитали значение нулевого контроля

(проба, содержащая только инокулят без добавки по-

Обсуждение результатов

лисахаридных материалов), получая итоговый резуль-

тат по биоразложению образцов, без учета внешних

Гидратированная целлюлоза (вискоза) и по-

факторов, способных исказить результат. Расчетный

рошковая целлюлоза характеризуются равномерной

период полного разложения материалов определялся

структурой волокон, нативный крахмал имеет зер-

путем линейной экстраполяции в предположении о

нистую структуру. Частицы порошковой целлюло-

сохранении постоянной скорости биоразложения.

зы представляют собой длинные извитые волок-

Не разложившиеся после испытания на биораз-

на (рис. 1) со средним диаметром 31.9 ± 13.3 мкм.

ложение остатки образцов извлекали из тестовых

Микрокристаллическая целлюлоза состоит из окру-

колб путем фильтрования с применением бумажных

глых частиц неправильной формы с высокой удель-

фильтров типа «белая лента» (ООО «Экросхим») с

ной площадью поверхности и средним диаметром

последующей сушкой на воздухе при температуре

частиц 26.7 ± 10.2 мкм. Некоторые частицы имеют

25 ± 2°С. Изменение массы образцов осуществля-

продолговатую форму, среднее характеристическое

лось с помощью аналитических весов GR-200 (AND).

отношение составляло 4.1 ± 1.9. Нетканое полот-

Поверхностную и объемную плотность нетканого

но с диаметром волокон 10.5 ± 1.2 мкм из гидра-

полотна из волокон вискозы определяли по методике*

тированной целлюлозы имеет сложный характер

путем анализа пяти образцов материала.

переплетения, обусловленный технологией произ-

Определение размерно-структурных параметров

водства «Спанлейс». Поверхностная и объемная

объектов проводили с помощью оптического микро-

плотность полотна составляют 49.7 ± 2.5 г·м^-2 и

скопа BX3M-PSLED (Olympus) при увеличении 50× и

0.151 ± 0.074 г·м^-3 соответственно. Зерна нативного

200× в отраженном и проходящем свете. Расчет сред-

крахмала представляют собой округлые образования

них размеров производили путем анализа 10 структур-

диаметром 47.7 ± 5.4 мкм с характеристическим от-

ных элементов в 10 полях зрения. Характеристическое

ношением 1.5 ± 0.3.

отношение для полисахаридных веществ определяли

по отношению длины к диаметру частиц. Методом

оптической микроскопии в отраженном свете опре-

** ISO 846:2019. Plastics — Evaluation of the action of

microorganisms.

* ГОСТ 15902.2-2003. Полотна нетканые. Методы

*** ГОСТ Р 57941-2017. Композиты полимерные.

определения структурных характеристик.

Инфракрасная спектроскопия. Качественный анализ.

Применение метода Штурма в исследовании кинетики биоразложения целлюлозы и ее производных

1451

Рис. 1. Микрофотографии в проходящем свете: порошковая целлюлоза (а), микрокристаллическая целлюлоза (б),

нетканое полотно из вискозы (гидратированная целлюлоза) (в), нативный крахмал (г).

Образцы нативного крахмала показали высокую

способность к биоразложению (94.1% за 98 сут)

(рис. 2), что согласуется с данными предыдущих ис-

следователей [9]. Целлюлоза имела меньшую подвер-

женность разрушению по сравнению с крахмалом.

Микрокристаллическая целлюлоза показала высокую

устойчивость к воздействию почвенных микроор-

ганизмов (2% разложения), что объясняется ее вы-

сокой кристалличностью 55-85% [10]. Порошковая

целлюлоза представляет собой аморфные домены

вещества [11], поэтому она характеризуется высо-

кой подверженностью гидролизу под действием

продуктов метаболизма микроорганизмов. Нетканое

волокнистое полотно вискозы представляет собой

особую структурную модификацию целлюлозы —

гидратированную целлюлозу (или регенерированную

целлюлозу) [12]. Гидратированная целлюлоза более

Рис. 2. Кинетические кривые биоразложения (минера-

гигроскопична, обладает большей растворимостью и

лизации) образцов под воздействием почвенного грунта:

реакционной способностью, чем нативная порошко-

нативный крахмал (1), порошковая целлюлоза (2), ги-

вая целлюлоза [13]. Несмотря на это, образец ви-

дратированная целлюлоза (вискоза) (3), микрокристал-

скозы характеризовался степенью биоразложения,

лическая целлюлоза (4).

1452

Масталыгина Е. Е. и др.

Таблица 1

Показатели интенсивности биоразложения образцов

Масса неразложившегося

Степень биоразложения, %

Степень

Расчетный период

остатка, %

Образец

биообрастания,

полного разложения,

стандартное

средняя

балл

сут

средняя

отклонение

Порошковая целлюлоза

69.2

5.3

142

27.6

1.4

Микрокристаллическая

2.0

0.3

4900

98.6

2.3

целлюлоза

Вискоза

67.0

7.1

145

31.1

1.1

Нативный крахмал

94.1

1.6

103

1.7

0.2

Рис. 3. Изображение образцов полисахаридных материалов до (а-г) и после экспонирования в почвенном инокуляте

в течение 98 сут (д-з): порошковая целлюлоза (а, д), микрокристаллическая целлюлоза (б, е), гидратированная

целлюлоза (вискоза) (в, ж), нативный крахмал (г, з).

сходной с порошковой целлюлозой. Кинетическая

зы и гидратированной целлюлозы (вискозы) составит

кривая биоразложения имеет период индукции про-

около 5 мес при сохранении скорости разложения.

цесса, составляющий 10 сут, что свидетельствует о

Период разложения микрокристаллической целлюло-

присутствии в образце компонентов, угнетающих

зы составит более 13 лет, таким образом, этот матери-

развитие микробиоты на начальном этапе. Вероятно,

ал не может быть отнесен к биоразлагаемым согласно

в вискозе присутствуют стерилизующие компоненты,

критериям стандарта по биоразлагаемой упаковке.*

которыми промывают волокно для предотвращения

Микрокристаллическая целлюлоза не претерпела

микробиологической порчи в процессе хранения до

внешних изменений, что говорит об устойчивости

использования [14].

этого материала (рис. 3). Образцы порошковой цел-

Дальнейшему исследованию подвергался нераз-

люлозы, вискозы и нативного крахмала после про-

ложившийся остаток, извлеченный из реакционных

цесса биоразложения становились более рыхлыми

колб, профильтрованный и просушенный. Значения

массы разложившегося остатка коррелируют с данны-

* ГОСТ EN 13432-2015. Упаковка. Требования к ис-

ми по определению концентрации углекислого газа

пользованию упаковки посредством компостирования и

в процессе разложения (табл. 1). Расчетный период

биологического разложения. Проверочная схема и крите-

полного разложения образцов порошковой целлюло-

рии оценки для распределения упаковок по категориям.

Применение метода Штурма в исследовании кинетики биоразложения целлюлозы и ее производных

1453

и изменяли цвет (желто-коричневое окрашивание).

Обнаружены значительные изменения микро-

Причинами таких явлений могут быть как нарушение

структуры материалов (разрыхление волокон, сокра-

структуры исходного материала (деструкция поли-

щение их длины) и признаки биообрастания микро-

сахарида с образованием более низкомолекулярных

биотой (локальные потемнения и изменения цвета)

компонентов), так и окрашивание видимых поверх-

(рис. 4). Экспонирование образцов вискозы в почвен-

ностей бактериальными образованиями и (или) про-

ном инокуляте привело к нарушению целостности

дуктами их жизнедеятельности [15].

полотна и многочисленным обрывам волокон. Также

Рис. 4. Микрофотографии, полученные с помощью оптического микроскопа в отраженном свете, образцов

полисахаридных материалов до (а, в, д) и после экспонирования в почвенном инокуляте в течение 98 сут (б, г, е):

порошковая целлюлоза (а, б), гидратированная целлюлоза (вискоза) (в, г), нативный крахмал (д, е).

1454

Масталыгина Е. Е. и др.

на остатках нетканого материала на основе вискозы

стойкостью к гидролитическому расщеплению по

были обнаружены признаки развития колоний ми-

α-гликозидным связям.

кроскопических грибов* (более 50% поверхности

На ИК-спектрах образцов изучаемых полисаха-

покрыто биопленкой микроорганизмов). Согласно

ридов после экспонирования в почвенном инокуляте

работе S. Varshney и соавт. [16], вискозные волокна

обнаружено появление новых пиков поглощения в

характеризуются высокой наношероховатостью, что

диапазоне волновых чисел 1700-1500 см^-1 (рис. 5).

обусловливает высокую адгезию микроорганизмов

Наиболее интенсивным увеличением оптической

на волокнах и в последующем более интенсивную

плотности этого диапазона характеризовались об-

деградацию. Порошковая целлюлоза показала более

разцы гидратцеллюлозы (вискозы). Указанные по-

интенсивное биообрастание, чем вискозное полотно,

лосы поглощения соответствуют колебаниям N—H-

практически вся поверхность образца была поражена

связей [18], входящих в состав хитина, основного

микромицетами с признаками развития спороноше-

компонента клеточных стенок микроскопических

ния. Факт развития спороношения свидетельствует о

грибов и некоторых бактерий. Кроме того, показано

возможности использования порошковой целлюлозы

уменьшение интенсивности полос поглощения при

в качестве источника питания для микромицетов. Это

3600-3000 и 1100-900 см^-1, относящихся к колебани-

обусловливает возможность применения порошковой

ям —С—O—H и —С—O—С— связей в полисахари-

целлюлозы в качестве добавки в пластмассы, иници-

дах соответственно [19]. Таким образом, результаты

ирующей биоразложение после выхода материалов из

ИК-спектроскопии свидетельствуют о биообрастании

эксплуатации [17]. Большинство волокон порошковой

объектов исследования микроорганизмами, деграда-

целлюлозы подверглись разрушению с формирова-

ции целлюлоз и крахмала с уменьшением молекуляр-

нием рыхлой неравномерной структуры материала.

ной массы. Наиболее заметные изменения химиче-

Нативный крахмал после процесса биоразложения

ской структуры наблюдались для нативного крахмала.

представлял собой сгусток биомассы, исходные зерна

Все исследованные полисахариды были стабиль-

стали неразличимы. Более высокая подверженность

ны при нагреве до 250°С в воздушной среде (рис. 6).

крахмала биодеградации обусловлена его низкой

Первая ступень уменьшения массы (3-7 мас%) соот-

ветствует испарению воды. Вторая ступень разложе-

ния фиксируется в диапазоне 250-380°С (разложение

целлюлозы с образованием летучих продуктов) и

* ГОСТ 9.048-89. Единая система защиты от коррозии

характеризуется максимальной скоростью потери

и старения. Изделия технические. Методы лабораторных

массы (5.5 мас%·град^-1). Третья ступень разложения

испытаний на стойкость к воздействию плесневых грибов.

Рис. 5. ИК-Фурье-спектры образцов полисахаридных материалов до (2, 3, 5) и после экспонирования в почвенном

инокуляте в течение 98 сут (1, 4, 6): гидратированная целлюлоза (вискоза) (1, 2), порошковая целлюлоза (3, 4),

нативный крахмал (5, 6).

Применение метода Штурма в исследовании кинетики биоразложения целлюлозы и ее производных

1455

Рис. 6. Термогравиметрические кривые (а) и дифференциальные термогравиметрические кривые (б) образцов

полисахаридных материалов до (1, 3) и после экспонирования в почвенном инокуляте в течение 98 сут (2, 4):

порошковая целлюлоза (1, 2), гидратированная целлюлоза (вискоза) (3, 4).

(свыше 380°С) относится к процессу догорания кок-

уменьшалась после этапа биоразложения. Данный

сового остатка [20]. При температуре свыше 470°С

факт объясняется снижением молекулярной массы

порошковая целлюлоза и вискоза пиролитически

целлюлоз и возможным ускорением процесса де-

разрушались с образованием твердого несгораемого

струкции под действием органических кислот и пе-

остатка.

рекисных соединений, которые являются продуктами

Температура начала деструкции как порошко-

метаболизма микроорганизмов. Наблюдалось появ-

вой целлюлозы, так и гидратированной целлюлозы ление низкотемпературного плеча на дифференци-

Таблица 2

Термические характеристики и зольность образцов до и после экспонирования в почвенном инокуляте

Температура

Характеристика дифференциальных

Масса

начала

термогравиметрических пиков, °С

Потеря

Образец

несгораемого

деструкции,

температура

массы, %

остатка, %

°С

№ пика

начала

максимума

окончания

Порошковая целлюлоза

294

0.04

1-й

111

2-й

208

331

411

3-й

411

435

466

Порошковая целлюлоза

248

3.16

1-й

после экспонирования в

2-й

187

335

396

почвенном инокуляте

3-й

400

477

568

Вискоза

273

2.30

1-й

2-й

221

320

385

3-й

385

453

470

Вискоза после экспониро-

261

5.20

1-й

129

вания в почвенном ино-

2-й

166

313

397

куляте

3-й

384

467

585

1456

Масталыгина Е. Е. и др.

альной термогравиметрической кривой порошковой

их биодеградацией: уменьшение интенсивности по-

целлюлозы после экспонирования в почвенном ино-

лос поглощения в ИК-спектрах, соответствующих

куляте, при этом медленный процесс деструкции

колебаниям С—О- и H—O-связей; снижение темпе-

начинался уже при 187°С. Появление плеча свиде-

ратуры начала термодеструкции.

тельствует об образовании продуктов гидролиза цел-

Скорость биоразложения целлюлозы ниже, чем у

люлозы — целлодекстринов, которые характеризуют-

крахмала. Химическая обработка целлюлозы с по-

ся меньшей стабильностью к термоокислению, чем

следующим получением из нее волокна (вискозы)

исходная целлюлоза [21].

не влияет на биоразлагаемость целлюлозы. Однако

Продукт прокаливания гидратированной целлюло-

структурная модификация, приводящая к повышению

зы при 600°С представлял собой белый несгораемый

степени кристалличности целлюлозы, значительно

остаток (2.3 мас%), что говорит о присутствии в мате-

снижает ее реакционную способность и, как след-

риале неорганического наполнителя. Обнаруженный

ствие, биоразлагаемость.

зольный остаток, возможно, является продуктом тер-

мического разложения стерилизующего вещества,

Благодарности

которым производитель обрабатывал полотно, что

подтверждается наличием периода индукции процес-

Исследования проводились с применением обору-

са биоразложения.

дования центра коллективного пользования ФГБОУ

Скорость разложения коксового остатка образ-

ВО «РЭУ им. Г. В. Плеханова».

цов порошковой и гидратированной целлюлоз по-

сле испытания на биоразложение уменьшалась по

Финансирование работы

сравнению с исходными образцами (табл. 2), что

говорит об увеличении полидисперсности молекул

Работа выполнена при финансовой поддержке

полисахаридов [22]. Увеличение содержания несго-

ФГБОУ ВО «РЭУ им. Г. В. Плеханова».

раемого остатка для образцов после биоразложения

(на 3 мас%), по-видимому, связано с привнесением в

Конфликт интересов

образцы неорганических компонентов из почвенного

инокулята.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта инте-

ресов, требующего раскрытия в данной статье.

Выводы

Информация о вкладе авторов

Показаны высокая степень биоразложения на-

тивного крахмала, средняя степень разложения по-

Е. Е. Масталыгина — проведение исследований

рошковой и гидратированной целлюлоз и низкая для

методами оптической микроскопии, ИК-Фурье-

микрокристаллической целлюлозы под воздействием

спектроскопии; З. Р. Абушахманова — проведение

почвенных микроорганизмов. Высокая биостойкость

исследования методом ИК-Фурье-спектроскопии;

микрокристаллической целлюлозы обусловлена вы-

С. Д. Бровина — проведение исследования методом

сокой степенью кристалличности.

термогравиметрического анализа; М. Ю. Гуйван —

Потеря массы образцами не является точной ха-

проведение исследования методом оптической ми-

рактеристикой степени биоразложения. Биоразло-

кроскопии, определение размерно-структурных пара-

жение образца приводит к снижению его массы, а

метров; В. А. Овчинников — проведение испытания

нарастающий грибной мицелий, наоборот, массу уве-

методом Штурма; П. В. Пантюхов — проведение

личивает. Наиболее точно степень биоразложения

испытания методом Штурма.

органических веществ под действием микробиоты

отражает количество выделившегося углекислого

Информация об авторах

газа (метод Штурма). После эксперимента по био-

разложению на поверхности материалов обнаружены

Масталыгина Елена Евгеньевна, к.х.н.

аминогруппы, свидетельствующие о наличии хити-

ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3684-6521

на, основного компонента клеточной стенки микро-

WOS Research ID: B-1879-2014

скопических грибов. Зафиксировано значительное

Scopus Author ID: 57144608400

изменение химического состава и надмолекулярной

ID РИНЦ: 711157

структуры порошковой целлюлозы и вискозы после

Абушахманова Зубаржат Рафисовна

экспонирования в почвенном инокуляте, вызванное

ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4848-357X

Применение метода Штурма в исследовании кинетики биоразложения целлюлозы и ее производных

1457

WOS Research ID: AAC-5115-2022

[7]

Шабарин А. А., Кузьмин А. М., Матюшкина Ю. И.,

Scopus Author ID: 57258868000

Шабарин И. А. Получение биоразлагаемых поли-

ID РИНЦ: 1092234

мерных упаковочных материалов на основе поли-

олефинов и древесной муки // Химия раст. сырья.

Бровина Софья Дмитриевна

2022. № 2. С. 307-314.

ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9209-0183

https://doi.org/10.14258/jcprm.2022029532

Гуйван Мария Юрьевна

EDN: BLEFZG

ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7345-3436

[8]

Zykova A. K., Pantyukhov P. V., Mastalygina E. E.,

Овчинников Василий Андреевич, к.х.н.

Chaverri-Ramos C., Nikolaeva S. G., Saavedra-

ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1827-905X

Arias J. J., Popov A. A., Wortman S. E., Poletto M.

WOS Research ID: AAH-5290-2020

Biocomposites of low-density polyethylene plus wood

Scopus Author ID: 56055405900

flour or flax straw: Biodegradation kinetics across

ID РИНЦ: 999422

three environments // Polymers. 2021. V. 13. N 13.

Пантюхов Петр Васильевич, к.х.н.

ID 2138. https://doi.org/10.3390/polym13132138

ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8967-2089

[9]

Gamage A., Liyanapathiranage A., Manamperi A.,

WOS Research ID: I-9817-2014

Gunathilake C., Mani S., Merah O., Madhujith T.

Applications of starch biopolymers for a sustainable

Scopus Author ID: 55368433100

modern agriculture // Sustainability. 2022. V. 14. N 10.

ID РИНЦ: 623324

ID 6085. https://doi.org/10.3390/su14106085

[10]

Rizkiansyah R. R., Mardiyati S., Suratman R.

Crystallinity and thermal resistance of microcrystalline

Список литературы

cellulose prepared from manau rattan (Calamusmanan)

[1] Chmolowska D., Hamda N., Laskowski R. Cellulose

// AIP Conf. Proc. 2016. V. 1725. ID 020071.

decomposed faster in fallow soil than in meadow soil

https://doi.org/10.1063/1.4945525

due to a shorter lag time // J. Soils Sediments. 2017.

[11]

Moon R. J., Martini A., Nairn J., Simonsen J.,

V. 17. N 2. P. 299-305.

Youngblood J. Cellulose nanomaterials review:

https://doi.org/10.1007/s11368-016-1536-9

Structure, properties and nanocomposites // Chem.

[2] Bayer E. A., Shoham Y., Lamed R. Cellulose-

Soc. Rev. 2011. V. 40. N 7. P. 3941-3994.

decomposing bacteria and their enzyme systems / Eds

https://doi.org/10.1039/c0cs00108b

M. Dworkin, S. Falkow, E. Rosenberg, K.-H. Schleifer,

[12]

Kennedy J. F., Knill C. J. Biomaterials utilised in

E. Stackebrandt. The Prokaryotes. New York: Springer

medical textiles: An Overview // Medical textiles

NY, 2006. P. 578-617.

and biomaterials for healthcare. Sawston: Woodhead

https://doi.org/10.1007/0-387-30742-7_19

Publishing, 2006. P. 3-22.

[3] Mastalygina E. E., Pantyukhov P. V., Popov A. A.

https://doi.org/10.1533/9781845694104.1.3

Biodegradation of natural reinforcing fillers for polymer

[13]

Jedvert K., Heinze T. Cellulose modification and

composites // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2018.

shaping — A Review // J. Polym. Eng. 2017. V. 37.

V. 369. N 1. ID 012044.

N 9. P. 845-860.

https://doi.org/10.1088/1757-899X/369/1/012044

https://doi.org/10.1515/polyeng-2016-0272.

[4] Zambrano M. C., Pawlak J. J., Daystar J., Ankeny M.,

[14]

Sun S., Sun S., Cao X., Sun R. The role of

Goller C. C., Venditti R. A. Aerobic biodegradation

pretreatment in improving the enzymatic hydrolysis of

in freshwater and marine environments of textile

lignocellulosic materials // Bioresour. Technol. 2016.

microfibers generated in clothes laundering: Effects

V. 199. P. 49-58.

of cellulose and polyester-based microfibers on the

https://doi.org/10.1016/j.biortech.2015.08.061

microbiome // Mar. Pollut. Bull. 2020. V. 151. ID 110826.

[15]

Watcharakul S., Umsakul K., Hodgson B.,

https://doi.org/10.1016/j.marpolbul.2019.110826

Chumeka W., Tanrattanakul V. Biodegradation of a

[5] Van Der Zee M., Stolrrjesdijk J. H., Feil H., Feijen J.

blended starch/natural rubber foam biopolymer and

Relevance of aquatic biodegradation tests for predicting

rubber gloves by Streptomyces coelicolor CH13 //

degradation of polymeric materials during biological

Electron. J. Biotechnol. 2012. V. 15. N 1.

solid waste treatment // Chemosphere. 1998. V. 36. N 3.

http://dx.doi.org/10.2225/vol15-issue1-fulltext-10

P. 461-473.

[16]

Varshney S., Sain A., Gupta D., Sharma S.

https://doi.org/10.1016/s0045-6535(97)10017-0

Factors affecting bacterial adhesion on selected

[6] Erdal N. B., Hakkarainen M. Degradation of cellulose

textile fibres // Indian J. Microbiol. 2021. V. 61. N 1.

derivatives in laboratory, man-made, and natural

P. 31-37.

environments // Biomacromolecules. 2022. V. 23. N 7.

https://doi.org/10.1007/s12088-020-00903-5

P. 2713-2729.

[17]

Lynd L. R., Weimer P. J., van Zyl W. H., Pretorius I. S.

https://doi.org/10.1021/acs.biomac.2c00336

Microbial cellulose utilization: Fundamentals and