Химическая физика, 2021, T. 40, № 6, стр. 71-75

ВВЕДЕНИЕ

В условиях эксплуатации нередко имеет место негативное влияние плесневых грибов на лакотканевую изоляцию электропроводов электрической сети изделий техники (далее – лакоткань). Споры грибов могут быть занесены на лакоткань различными путями, например воздушными потоками, атмосферно-почвенными загрязнениями и др. Некоторые виды грибов, чаще всего Aspergillus niger (А. niger), способны развиваться на изоляционном материале, вызывая изменение его свойств, а в ряде случаев – и полную потерю работоспособности и разрушение [1]. Начальным необходимым условием протекания процесса микробиологического повреждения является адгезионное взаимодействие спор грибов с материалом. Оно обуславливает такое состояние пары “спора гриба – поверхность”, при котором требуется сила для ее разделения.

В работах [2–4] нами исследована адгезия спор А. niger к лакоткани и другим полимерным материалам. Процесс охарактеризован числом адгезии (γ, %), представляющим собой отношение количества спор, оставшихся на образце после воздействия определенной силы отрыва, к числу спор, находившихся на нем первоначально. Формирование адгезионного взаимодействия происходит в течение определенного времени (до 36 ч), а зависимость величины γ от времени близка к экспоненциальной. Параметрами процесса являются предельная (максимальная) величина числа адгезии γ_∞ (далее – γ_max), достигаемая в эксперименте, и константа скорости k изменения γ.

Экспериментально показано, что параметры γ_max и k чувствительны к природе полимерных материалов и могут быть использованы для оценки их стойкости к заражению грибами (биозаражению). Чем больше величины этих параметров, тем быстрее протекает процесс закрепления спор и выше сила их адгезии к поверхности. При этом менее вероятной становится возможность удаления микроорганизмов с поверхности материала в результате различных внешних воздействий. Параметры γ_max и k изменяются симбатно, что позволяет при проведении испытаний использовать только один из них.

Результаты исследований [2–4] позволили предположить, что параметры адгезии чувствительны и к условиям протекания процесса и, следовательно, могут использоваться для прогнозирования биозаражения изоляции электропроводов при эксплуатации в различных климатических условиях. Принято считать, что наиболее важными условиями, определяющими эффективность взаимодействия микроорганизмов с материалами, являются температура и влажность, и именно их значения регламентируются в стандартах на испытания [5, 6]. Поэтому основная цель настоящей работы – установление закономерностей влияния данных характеристик на параметры адгезионного взаимодействия. Выбор в качестве объектов исследования спор А. niger и лакоткани обусловлен предварительными данными, свидетельствующими о высокой адгезии, а также важной практической значимостью корректной оценки устойчивости этого материала к биоповреждению.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Исследовали лакоткань, представляющую собой хлопчатобумажную нитяную основу, пропитанную этилцеллюлозным лаком ЭЦ-959 (ТУ 6-10-691-74). Этот материал способен поддерживать интенсивный рост плесневых грибов [4]. Образцы размером 50 × 20 мм для испытаний вырубали специальным штампом-ножом из предварительно удаленной с провода БПВЛ (ТУ 16.505.911-76) лакотканевой оплетки и наклеивали на подложки из алюминиевого сплава с целью придания им жесткости.

В качестве тест-культуры использовали штамм гриба А. niger ВКМ F-2039, являющийся активным биодеструктором полимерных материалов, в том числе лакоткани [1–6]. Все работы с микроскопическим грибом (пересев, выращивание, хранение культуры, приготовление суспензии спор, определение ее концентрации, заражение, инкубирование образцов и др.) проводили, используя стандартизованные приемы, методы и режимы [5, 6]. Гриб выращивали на агаризованной среде Чапека–Докса при температуре (29 ± 2) °С в течение 12 сут. Споры выросшего А. niger с помощью бактериологической петли переносили в колбу с дистиллированной водой. Плотность их суспензии составляла ~10⁶ клеток в 1 мл воды. Ее определяли микроскопически с помощью счетной камеры Горяева.

Суспензию капельным методом наносили на предварительно очищенные от внешних загрязнений образцы. Количество спор гриба на их поверхности (N₀) составляло (1÷2) ⋅ 10⁵. После заражения образцы выдерживали до испарения воды с поверхности в течение 20–40 мин и помещали в камеру тепла и влаги КТВ-0.15 (150 л), где поддерживали режимы с различными сочетаниями температуры и влажности. Эксперименты проводили при температурах 15, 20, 28 °С и относительной влажности воздуха 65, 80, 98%. При выборе температурно-влажностных условий учитывали, что температура (29 ± 2) °С и относительная влажность более 95% являются наиболее благоприятными для развития А. niger [5–8]. Предварительные исследования показали, что дальнейшее повышение температуры приводит к снижению интенсивности роста микроорганизма. При температуре 15 °С и влажности менее 75% признаки роста гриба на лакоткани не обнаруживаются.

Определение величины максимально достигаемого в эксперименте числа адгезии γ_max спор гриба к лакоткани проводили методом центрифугирования, подробно изложенным в работе [4]. Для этого часть образцов извлекали из камеры, размещали в центрифужных стаканах и центрифугировали в воздушной среде с использованием центрифуги марки К-24 JANEZKI. Режимы центрифугирования экспериментально обоснованы в [4]. Скорость вращения центрифуги n = 7000 об/мин, время вращения – 15 мин. Возникающая при вращении центробежная сила, обеспечивающая отрыв спор, равна (но противоположна по знаку) силе их адгезионного взаимодействия с материалом. После окончания воздействия силового поля определяли количество отделившихся от материала спор, N_отд. Для этого образец удаляли из центрифужного стакана и фиксированным объемом дистиллированной воды (4 мл) смывали со дна и стенок стакана отделившиеся от лакоткани споры гриба. В полученной суспензии определяли количество спор путем ее разведений и высевов на твердую питательную среду Чапека–Докса. Затем рассчитывали величину числа адгезии γ = [(N₀ – N_отд)/N₀] ⋅ 100%. Последнюю определяли периодически, через каждые 1–3 сут экспонирования образцов. Испытания прекращали, если полученные в трех последовательных отборах значения γ не увеличивались, и при отсутствии на образцах внешних признаков роста грибов. Это значение принимали равным γ_max.

В экспериментах испытывали семь образцов для одного определения величины γ. Обработку экспериментальных данных проводили по алгоритмам программы STATISTICA 6.1. Разброс результатов не превышал 10%. Его характеризовали отношением среднего квадратичного отклонения к математическому ожиданию.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1 представлены полученные методом наименьших квадратов линейные зависимости числа адгезии γ_max спор А. niger к лакоткани от температуры при различных постоянных значениях относительной влажности воздуха, φ. Средние значения γ_max приведены с доверительным интервалом, определенным при уровне значимости α = 0.05.

Видно, что в исследованном температурно-влажностном интервале показатель γ_max чувствителен практически только к одному из варьируемых факторов внешней среды. Его величина значительно возрастает при увеличении влажности. Максимальное значение γ_max наблюдается при наиболее благоприятной для развития грибов влажности воздуха, равной 98%.

Напротив, при повышении температуры от 15 °С до наиболее благоприятной для роста грибов температуры в 28 °С (при постоянной влажности воздуха) имеет место небольшое снижение величины γ_max. Однако оно не превышает 5–7% и не выходит за пределы ошибки определения адгезионного показателя. Таким образом, влияние температурных условий адгезионного контакта (при постоянной относительной влажности) на показатель γ_max незначительно. Это позволяет рассчитать среднее значение γ_max для данной влажности, используя его средние значения при всех исследованных температурах. Анализ полученных таким образом максимальных чисел адгезии γ_max для 0.65 < φ ≤ 0.98 показал, что их зависимость от влажности (рис. 2) с достаточно высокой точностью (коэффициент детерминации R² > 0.98) аппроксимируется линейным уравнением вида

где (γ_max)_φ – значение γ_max при относительной влажности воздуха φ; (γ_max)_φ1 – значения γ_max при относительной влажности φ₁; α – влажностной коэффициент, характеризующий степень влияния влажности на параметр γ_max. При φ < φ₁ правая часть уравнения представляет собой сумму, а при φ > φ₁ – разность соответствующих величин. Значение влажностного коэффициента α составляет 1.130.

Таким образом, можно заключить, что определяющее воздействие на процесс адгезии спор грибов к лакоткани оказывает влажность окружающей среды. Уравнение позволяет проводить сравнительные и прогностические оценки адгезионного взаимодействия гриба с лакотканью при любых сочетаниях температуры и влажности воздуха в исследованном диапазоне их изменения. Необходимо отметить, однако, что эмпирический характер выявленных зависимостей ограничивает возможности их применения только для исследованной пары “лакоткань – гриб А. niger”.

Ранее объектами наших исследований были полимерные материалы, различающиеся по химическому строению, структуре и составу входящих в них компонентов. При этом для всех исследованных адгезионных пар имеет место общность закономерностей формирования адгезионного взаимодействия [3, 4, 9]. Поэтому, по-видимому, рассмотренный подход к проведению оценок адгезионного взаимодействия лакоткани с грибом А. niger при различных температурно-влажностных условиях может быть использован для широкого круга полимерных материалов и микроорганизмов-биодеструкторов.

Единые закономерности адгезии различных материалов и микроорганизмов свидетельствуют также о том, что силы, обуславливающие это явление, имеют общую природу. Представленные в статье экспериментальные результаты позволяют предложить гипотезу о природе взаимодействия спор с материалом [10–12].

Известно [8, 13–16], что адгезия частиц небиологической природы, а также бактериальных клеток может обуславливаться взаимодействиями различных типов. Наиболее важными из них являются химические, электростатические и капиллярные взаимодействия. Характерным признаком многих химических и биохимических процессов служит увеличение их скорости при повышении температуры. Однако установлено (рис. 1), что изменение температуры не оказывает заметного влияния на величину показателя γ_max при незначительной тенденции к его возрастанию с понижением температуры в интервале от 28 до 15 °С. Такой характер температурной зависимости дает основания предполагать, что химические процессы не оказывают определяющего влияния на адгезионное взаимодействие спор грибов с лакотканью.

В качестве иного механизма адсорбции можно рассматривать результаты работы [14], которые свидетельствуют о заметной роли в адгезионном процессе веществ, продуцируемых микроорганизмами при их контакте с материалом. Однако этот механизм, по-видимому, реализуется только в активной фазе жизнедеятельности, а не в состоянии покоя, в котором находятся споры грибов.

В условиях эксперимента при высокой относительной влажности (более 65%) вероятно присутствие пленки воды между контактирующими поверхностями спор и материала. В этом случае практически исключается возможность заметного влияния на адгезионную связь электростатического взаимодействия, обусловленного донорно-акцепторными процессами при непосредственном контакте между телами. Следовательно, можно полагать, что для используемых нами режимов испытаний электростатическое взаимодействие не оказывает заметного влияния на адгезию спор грибов к поверхности.

Вероятно, наличие воды обеспечивает как увеличение площади контакта за счет снижения микрошероховатости, так и “активацию” поверхностей спор и материала за счет увеличения молекулярной подвижности. Кроме того, в условиях высокой относительной влажности существенное влияние на адгезию могут оказывать и капиллярные эффекты, обусловленные конденсацией жидкости в зазоре между поверхностями.

В монографии [13] приведены теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение зависимости адгезионного взаимодействия от размеров (эффективного радиуса) мелкодисперсных частиц. Учитывая это и другие имеющиеся данные, в целях дальнейшего изучения природы адгезионного взаимодействия целесообразно провести экспериментальные исследования адгезии к материалу спор грибов различных видов, различающихся по геометрическим размерам.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Показано, что использование в качестве параметра максимально достигаемого в эксперименте числа адгезии γ_max спор гриба A. niger к лакоткани позволяет оценивать способность пары “материал – микроорганизм” к адгезионному взаимодействию в различных температурно-влажностных условиях. При благоприятной для развития грибов температуре (свыше 15 °С) и влажности (более 65%) величина γ_max определяется преимущественно влажностью и практически не чувствительна к температуре окружающей среды. Получена аналитическая зависимость, связывающая этот адгезионный параметр с величиной влажности воздуха. Результаты исследований могут быть использованы для разработки методов оценки и прогнозирования стойкости материалов к заражению микроорганизмами-биодеструкторами в различных климатических условиях.

Предложена гипотеза о физико-химической природе процессов, обуславливающих адгезию спор гриба А. niger к лакоткани в исследованных температурно-влажностных условиях. По-видимому, это межмолекулярное взаимодействие между макромолекулами материала и спор с участием в качестве активатора прослойки воды между материалом и спорами, роль которой может усиливаться вследствие капиллярной конденсации жидкости в зазоре между ними.

В целях дальнейшего изучения природы адгезионных сил целесообразно провести экспериментальные исследования адгезии к материалу спор грибов различных видов, различающихся геометрическими характеристиками, способными влиять на соотношение и характер сил адгезии.

Работа выполнена в рамках финансирования госзадания ФИЦ ХФ им. Н.Н. Семёнова РАН № ГЗ-0082-2019-0008 (АААА-А20-120030590042-8), а также в соответствии с госзаданием № 0082-18-006 (номер государственной регистрации AAAA-A18-118020890097-1).