Химическая физика, 2022, T. 41, № 2, стр. 57-61

ВВЕДЕНИЕ

Известно, что деградация функциональных свойств лакотканевой изоляции (далее – лакоткани) электропроводов при их эксплуатации в составе изделий техники часто связана с развитием на ней плесневых грибов [1]. Наиболее активным и часто встречающимся на лакоткани ее деструктором является гриб Aspergillus niger (А. niger) [2]. В работах [3–8] проанализированы все три основные стадии процесса повреждения материала грибом: 1) адгезия микроорганизмов, 2) их рост на материале, 3) изменение свойств последнего. Каждую стадию авторы характеризуют набором специфических параметров, которые, как подтверждено экспериментально, чувствительны к природе полимерного материала и виду гриба-деструктора. Это позволило нам предположить, что и первые две стадии, на которых изменение свойств материала еще незаметно, и третья стадия чувствительны также к условиям протекания процесса и, вероятно, могут использоваться для оценки и прогнозирования биодеградации изоляции при ее эксплуатации в различных климатических условиях. Важнейшими из этих условий, с точки зрения взаимодействия микроорганизмов с материалами, являются температура и влажность [9].

Ранее [10] это предположение было подтверждено для начального этапа процесса – адгезионного взаимодействия А. niger с лакотканью. Целью данной работы было изучение закономерностей влияния температурно-влажностных условий окружающей среды на параметры роста А. niger на лакоткани.

Рост грибов на полимерных материалах изучался, как правило, только при благоприятных для микроорганизмов температурах и влажности. В большинстве работ [2–6, 11–13] его характеризуют величиной массы микроорганизмов (биомассы) на зараженной ими площади. При этом параметрами процесса являются максимальная, достигаемая в эксперименте, величина биомассы, константа скорости ее роста и продолжительность периода, предшествующего началу увеличения массы гриба на зараженном материале, т.е. периода, характеризующего время, необходимое для адаптации гриба к материалу как к источнику питания (далее – период адаптации, L). Перечисленные параметры позволяют проводить оценку устойчивости материалов к росту грибов. Чем меньше L и выше значения максимальной биомассы и константы скорости ее роста, тем быстрее микроорганизм адаптируется к материалу, интенсивнее протекает его развитие и, следовательно, тем материал менее стоек к росту на нем плесневого гриба. Указанные параметры взаимосвязаны между собой, поэтому для проведения оценок устойчивости материалов к поражению микроскопическими грибами они могут использоваться совместно или по отдельности. При выполнении рассматриваемых в статье исследований процесс развития А. niger на лакоткани характеризовали параметром L, так как экспериментальное определение его значения менее продолжительно и трудоемко, чем других параметров [12, 14].

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Исследовали лакоткань, представляющую собой хлопчатобумажную нитяную основу, пропитанную этилцеллюлозным лаком ЭЦ-959 (ТУ-6-10-691-74). Материал испытывали в составе провода БПВЛ (ТУ 16.505.911-76), представляющего собой медную токопроводящую жилу с внутренним слоем изоляции из поливинилхлоридного пластика и наружной лакотканевой оплеткой. В экспериментах использовали образцы провода сечением 10 мм² и длиной 50 мм.

Тест-культурой служил штамм А. niger ВКМ F-2039, являющийся активным биодеструктором полимерных материалов, в том числе лакоткани [2–6]. Все работы с грибом (пересев, выращивание, хранение, приготовление суспензии спор, определение ее концентрации, заражение, инкубирование образцов и др.) проводили, используя стандартизованные приемы, методы и режимы [11, 12]. Гриб выращивали на агаризованной среде Чапека–Докса при температуре (29 ± 2) °С в течение 12 сут. Споры выросшего А. niger использовали для приготовления их суспензии в водной среде. Бактериологической петлей их переносили в колбу со средой и тщательно перемешивали. Плотность суспензии составляла ~10⁶ клеток в 1 мл воды. Ее контролировали микроскопически с помощью счетной камеры Горяева.

Суспензию методом распыления наносили на предварительно очищенные от внешних загрязнений образцы. Количество спор гриба на их поверхности 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 объемом 150 дм³, где поддерживали режимы с различными сочетаниями температуры и влажности. Эксперименты проводили при температурах (t) 15, 20, 24, 28 °С и относительной влажности воздуха (φ) 75, 85, 98%. При выборе температурно-влажностных условий учитывали, что температура (29 ± 2) °С и относительная влажность более 95% являются наиболее благоприятными для развития А. niger [11, 12, 14, 15]. 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 продолжительности периода адаптации микроорганизма к материалу проводили, основываясь на методе оценки интенсивности роста грибов на полимерных материалах [11, 12]. Образцы лакоткани извлекали из испытательной камеры и осматривали под микроскопом (×100), фиксируя внешние признаки развития А. niger – появление незначительно развитого мицелия. Осмотры проводили на 4-е сутки инкубации, затем – каждые сутки и через каждые 6–10 ч после появления признаков роста хотя бы на одном образце. При обнаружении на образце указанных внешних признаков его испытания прекращали, а при их отсутствии образец возвращали в камеру тепла и влаги. Величину L принимали равной интервалу времени от начала инкубации зараженного грибом образца до момента обнаружения на нем внешних признаков развития гриба. При каждом сочетании температуры и влажности испытывали пять образцов. Обработку экспериментальных данных проводили по алгоритмам программы STATISTICA 6.1. Разброс результатов не превышал 10%. Его характеризовали отношением среднего квадратичного отклонения (R²) к математическому ожиданию.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1 представлены полученные методом наименьших квадратов линейные зависимости времени адаптации гриба А. niger к лакоткани от влажности воздуха (при различных постоянных значениях температуры). Средние значения L приведены с доверительным интервалом, определенным при уровне значимости α = 0.05.

Видно, что в исследованном температурно-влажностном интервале параметр L чувствителен к варьируемым факторам внешней среды. Минимальное его значение, как и следовало ожидать, наблюдается при наиболее благоприятных для гриба условиях: t = 28 °С и φ = 98%. Снижение температуры до 15 °С (при постоянной влажности воздуха) приводит к возрастанию времени адаптации гриба к материалу более чем в четыре раза. Снижение влажности до 75% (при постоянной температуре воздуха) сопровождается незначительным (менее 10%) увеличением величины L. Таким образом, влияние относительной влажности воздуха (при постоянной температуре) на продолжительность адаптации незначительно. Поэтому в качестве обобщающей характеристики периода адаптации гриба к материалу (при данной температуре) можно использовать среднее значение L_ср из полученных при всех исследованных влажностях. Расчеты показали, что в изученном диапазоне температур зависимость L_ср от абсолютной температуры T с высокой точностью (R² = 0.998) описывается простым эмпирическим законом вида (рис. 2):

где T – в К, a = (4.64 ± 0.22) · 10^–2 в с^–1 и b = (1.32 ± ± 0.069) · 10^–2 в К/с – коэффициенты, полученные при численном моделировании.

Зависимость 1/L_ср от 1/T в форме уравнения Аррениуса

где E_L – энергия активации процесса адаптации гриба к материалу, А_L – предэкспоненциальный множитель, а R – универсальная газовая постоянная, для тех же экспериментальных точек выполняется заметно хуже (R² = 0.944). Это объясняется тем обстоятельством, что температура t = 15 °С (288 К) является в определенном смысле “пограничной”, ниже которой адаптация гриба к материалу не наблюдается. Если данные, полученные при 15 °С при анализе средних значений L_ср не учитывать, то уравнение (2) выполняется с высокой точностью (R² = 0.999). Величина энергии активации Е_L в этом диапазоне температур составляет (52.1 ± 1.9) кДж/моль, а значение параметра A_L = = (2.81 ± 0.14) · 10³ с^–1.

Период адаптации гриба к полимерному материалу является в определенном смысле аналогом индукционных периодов термо- [16–19] и фотодеструкции полимеров [20, 21]. Детальный анализ неингибированного термоокисления полимеров [16] свидетельствует о том, что величина индукционного периода определяется кинетическими закономерностями накопления и расходования гидропероксидных групп – основных промежуточных продуктов, ответственных за вырожденно-разветвленный цепной характер процесса. Значения параметров уравнения Аррениуса зависят от химической структуры полимера и составляют (при оценке непосредственно величины индукционного периода) 10⁶–10¹⁴ с^–1 для A и 65–153 кДж/моль для E. Полученные в данной работе при исследовании начального периода микробиологической деструкции лакоткани значения E_L существенно меньше, а значения A_L больше, чем при термоокислительной деструкции полимеров. Однако необходимо иметь в виду, что для биохимических процессов [22], так же как и для термических [16] наблюдается компенсационный эффект: чем меньше величина E, тем больше A.

Принято считать, что зависимость типа (2) в отличие от эмпирической зависимости (1) имеет определенный физический смысл. Можно полагать, что и в данном случае параметры A_L и E_L в известной степени связаны с химическими и физическими процессами в системе микроскопический гриб – материал.

В частности, авторами монографии [22] при рассмотрении и анализе биохимических процессов обмена веществ в живом организме успешно использовались известные представления о протекании химических реакций. При этом смысл уравнения (2) для рассматриваемого процесса может быть объяснен следующим образом. Известно [15], что скорость процесса развития микроорганизма в период его адаптации к питательному субстрату контролируется специфичными для этого периода биохимическими реакциями синтеза ферментов и других биологически активных веществ, необходимых для последующего роста биомассы. Тогда величина 1/L будет характеризовать скорость увеличения содержания в клетках этих вещества, а уравнение (2) – ее зависимость от температуры.

По аналогии с химическими процессами можно полагать, что параметр E_L уравнения (2) характеризует энергетическую, а А_L – пространственную затрудненность процессов, определяющих скорость адаптации микроорганизма к материалу. Отмеченное выше различие параметров E_L и А_L от значений от аналогичных параметров для химических процессов, связано, очевидно, с особенностями биохимических процессов по сравнению с простыми химическими реакциями. Так, например, в работе [22] при исследовании термоинактивации микробных клеток оно объяснялось спецификой разрыва множества (а не единичных) химических связей при термораспаде белковых соединений.

Необходимо отметить, что эмпирический характер выявленных зависимостей ограничивает возможности их применения только для исследованной пары лакоткань – А. niger. Вместе с тем общность закономерностей процесса роста плесневых грибов на различных субстратах позволяет предполагать, что рассмотренный подход может быть использован для широкого спектра полимерных материалов и микроорганизмов-биодеструкторов. Кроме того, вероятно, что наряду с уравнением Аррениуса для анализа исследуемого процесса могут быть использованы и другие закономерности протекания химических реакций, в частности присущие им кинетические уравнения. Целесообразно в дальнейшем оценить возможность и границы их применения для описания роста микроорганизмов-деструкторов на полимерных материалах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При благоприятных для развития грибов температуре (15–28 °С) и влажности (75–98%) продолжительность периода, предшествующего увеличению массы плесневого гриба А. niger на лакоткани (периода адаптации гриба к материалу) определяется преимущественно температурой и практически не зависит от влажности окружающей среды. Предложена простая аналитическая зависимость, описывающая изменение периода адаптации во всем изученном диапазоне температур. Она позволяет вычислить продолжительность этого периода при любых сочетаниях величин температуры и влажности воздуха в исследованном диапазоне их изменения. Показано, что величина периода адаптации гриба к материалу в интервале температур, наиболее благоприятном для роста микроорганизмов (20–28 °С), связана с температурой аналитической зависимостью, аналогичной уравнению Аррениуса. Полученные результаты могут быть использованы при разработке методов оценки и прогнозирования стойкости полимерных материалов к росту на них плесневых грибов в различных климатических условиях.

Работа выполнена в рамках финансирования госзадания ФИЦ ХФ им. Н.Н. Семенова РАН.