Методы оценки биостойкости материалов

Е. Л. Пехташева, А. Н. Неверов, Г. Е. Заиков,

С. Ю. Софьина, Н. Е. Темникова

МЕТОДЫ ОЦЕНКИ БИОСТОЙКОСТИ МАТЕРИАЛОВ

Ключевые слова: материалы, биостойкость, методы оценки, бактерии, микроскопические грибы, моль, грызуны,

текстильные волокна.

Авторами обсуждаются методы оценки биостойкости различных материалов (в первую очередь, текстильных волокон). Рассмотрено обрастание материалов микроскопическими грибами, а также повреждения их бактериями, молью и грызунами.

Keywords: materials, biological stability, evaluation methods, bacteria, microscopic fungi, moths, rodents, textile fibers.

The authors discuss methods for assessing the biological stability of different materials (primarily textile fibers).

The accretion of materials with microscopic fungi, as well as their damage to the bacteria, moths and rodents is considered.

Испытания материалов на стойкость к воздействию микроорганизмов проводят как в лабораторных, так и в натурных условиях [1-5].

Длительные натурные испытания позволяют получить наиболее достоверные данные о биостойкости материалов. Исследования проводят в естественных условиях (на климатических станциях), как на открытых стендах, так и в специальных помещениях без доступа прямых солнечных лучей при ограниченной аэрации и повышенной влажности. Образцы материалов и изделий расставляют на стенды под углом 45 - 75° для обеспечения оседания на их поверхности атмосферной пыли, растительных остатков и т.д. [6,7]

Существует также множество лабораторных методов оценки биостойкости промышленных материалов и товаров, классификация которых может быть проведена по различным признакам [8-10].

Методы различаются:

• по применяемым биофакторам (почвенная микрофлора, спонтанная микрофлора, микроскопические грибы, бактерии, насекомые, грызуны);

• по условиям экспонирования (влажность, температура, эксикаторы, климатические камеры, чашки Петри, колбы, сроки экспонирования);

• по способу оценки результатов (потеря механической прочности, потеря массы образцов, изменение структуры материалов, по типу оценки (визуальная четырех- или пятибалльная), численности микрофлоры на материалах, приросту биомассы и другим физикохимическими методам).

В России одним из наиболее распространенных способов исследования биостойкости текстильных материалов, пластиков, резин и других неметаллических материалов является почвенный метод. Готовят почву следующего состава: конский навоз, садовая земля, песок в соотношении 1:1:1 с рН 6 - 7,5. На образец испытуемого материала наносят слой приготовленной почвы толщиной 25 см с влажностью 28 % и помещают во влажную камеру на определенный промежуток времени, где выдерживают при температуре +(24... 26) °С. Затем

определяют прочность на разрыв. Результаты имеют большой разброс и плохую воспроизводимость.

Другим примером могут служить

испытания на стойкость к плесневым грибам. В стерильные чашки Петри наливают питательную среду, после ее застывания на поверхность помещают испытуемый образец, который обрабатывают (инокулируют) суспензией спор набора тест-культур, выдерживают в термостате при температуре (29 ±1) °С в течение 14 сут. Образцы осматривают визуально и оценивают грибостойкость в баллах по степени обрастания.

Критерием оценки биостойкости в

стандартных методах чаще всего является визуальный осмотр образцов (балльная оценка).

Так, степень обрастания

микроскопическими грибами выражается в баллах следующим образом:

• 0 - при осмотре под микроскопом рост плесневых грибов не виден;

• 1 - при осмотре под микроскопом видны

проросшие споры и незначительно развитый мицелий в виде неветвящихся гиф;

• 2 - при осмотре под микроскопом виден

мицелий в виде ветвящихся гиф возможно спороношение;

• 3 - при осмотре невооруженным глазом рост грибов едва виден, но отчетливо виден под микроскопом;

• 4 - при осмотре невооруженным глазом

отчетливо виден рост грибов, покрывающих менее 25 % испытываемой поверхности;

• 5 - при осмотре невооруженным глазом

отчетливо виден рост грибов, покрывающих более 25 % испытываемой поверхности.

Степень повреждения молью тканей также может оцениваться в баллах:

• 0 - повреждения не обнаружены;

• 1 - незначительные повреждения поверхности

ткани, малозаметное повреждение ворса;

• 2 - выгрызы с краев, борозды на поверхности, заметное уничтожение ворса;

• 3 - сквозные отверстия.

Степень повреждения материалов грызунами в баллах:

• 0 - образец не поврежден;

• 1 - на поверхности образца имеются следы зубов (неглубокие царапины);

• 2 - повреждено покрытие или поверхность образца (по краю образца на поверхности имеются погрызы);

• 3 - образец значительно поврежден, но не прогрызен;

• 4 - образец прогрызен.

Примерами оценки изменений структуры материалов могут быть следующие:

• стандартная градация структурной

повреждаемости и бактериальной зараженности меховых невыделанных шкурок,

• метод количественной оценки повреждаемости текстильных волокон, предложенный проф. И.А. Ермиловой [11-14].

Для меховых шкурок установлено 4 градации поврежденности (по исследованию под микроскопом окрашенных гистологических срезов кожевой ткани):

1. Нормальные шкурки (структурная поврежденность и бактериальная зараженность отсутствуют):

• полная сохранность микроструктуры с четким выявлением ядер клеток;

• коллагеновые пучки с четкими контурами и равномерной окраской;

• плотный контакт эпидермиса с дермой;

• корневое влагалище волосяного фолликула интенсивно окрашено в сине-фиолетовый цвет со слабым выявлением границ составляющих его веретенообразных клеток;

• кожевая ткань не содержит бактерий (или они только на мездровой поверхности шкуры).

2. Слабая степень поврежденности и бактериальной зараженности:

• окраска ядер клеточных структур несколько ослаблена;

• коллагеновые пучки с четкими контурами и равномерной окраской;

• плотный контакт эпидермиса с дермой;

• в отдельных волосяных фолликулах появляются первые признаки повреждения внутреннего корневого влагалища, выражающиеся в появлении промежутков между составляющими его веретенообразными клетками, т. е. в нарушении их спаянности;

• в нижней части сетчатого слоя кожевой ткани -единичные бактерии.

3. Средняя степень повреждености и бактериальной зараженности:

• окраска ядер клеточных структур резко ослаблена;

• эпидермис отслаивается (потеря связи его с дермой);

• в отдельных волосяных фолликулах четко выражены повреждения: нарушение луковицы,

распад оболочки внутреннего корневого влагалища на веретенообразные клетки;

• в сетчатом слое - набухшие коллагеновые пучки с нечеткими размытыми контурами (первые признаки желатинизации);

• бактерии проникают глубоко в сосочковый и сетчатый слой кожевой ткани, образуя скопления.

4. Сильная степень поврежденности и бактериальной зараженности:

• окраска ядер клеточных структур практически отсутствует;

• подавляющее число волосяных фолликул с глубокими разрушениями (распад оболочек и луковиц);

• эпидермис отслоен или полностью отсутствует;

• сильная желатинизация пучков, возможно окрашивание отдельных участков в синефиолетовый цвет;

• коллагеновые пучки могут быть сплавлены в специфические образования неправильной формы;

• кожевая ткань пронизана бактериями;

• теклость волосяного покрова;

• расслоение и распад кожевой ткани.

Для оценки бактериальной зараженности кожевенного сырья и шерстяных волокон также предложено использовать показатель,

предложенный проф. А.И.Сапожниковой, характеризующий степень обесцвечивания раствора резазурина, относящегося к слабым органическим красителям и являющегося в данном случае акцептором водорода и служащего индикатором не только присутствия, но и активности фермента редуктазы. Это дает возможность по степени обесцвечивания раствора судить о количестве активных микроорганизмов, присутствующих в исследуемых объектах.

Для текстильных волокон может быть использован метод оценки степени деструкции, основанный на изучении макроструктуры волокон с помощью оптической микроскопии и количественном учете всех видов повреждений волокна, вызываемых микроорганизмами (рис. 1).

Все типы повреждений делятся на три

класса:

Класс А - характеризуется совокупностью начальных изменений поверхности волокон: обрастания микроорганизмами и продуктами их обмена (рис. 1);

Класс В - объединяет более сильные проявления деструкции: вздутия, утонения,

повреждения стенки (рис. 1);

Класс С - включает сильные и глубокие повреждения микроорганизмами волокон: расслоение, распад волокна до отдельных конгломератов (рис. 1).

Повреждения класса А не влияют на изменение внутренней структуры и свойств волокон. Однако появление этих начальных

стадий деструкции позволяет судить о возникновении процесса повреждения волокна, который в

определенных условиях может прогрессировать.

% ' *Г •

4

Рис. 1 - Виды повреждений текстильных волокон микроорганизмами (на примере хлопковых волокон) (х480): 1 - обрастание, 2 - вздутие, 3 -повреждение стенки, 4 - зернистый распад

Появление повреждений класса В сопровождается деструкцией не только поверхности, но и внутренних участков волокна. Подобные повреждения влияют на изменение свойств волокон (снижается, например, их прочность).

Появление повреждений класса С свидетельствует о глубокой биологической деструкции структуры волокон. Механические свойства волокон, у которых преобладают повреждения подобного рода, резко снижаются.

Для оценки поврежденности волокон используют следующие показатели:

• N - общее число повреждений;

• X] - число повреждений класса А;

• - число повреждений класса В;

• - число повреждений класса С.

Показатель деструкции волокна рассчитывают по формуле:

K(xi, Х2, хз) = К + К2+ К3; Ki = aiXi; K2 = a2X2; K3 = азХз; K(xi, Х2, хз) = aiXi + a2X2 + азХз где К - показатель биодеструкции; ai, a2, аз -коэффициенты весомости повреждений классов А,

В и С соответственно. ai = 0,002; a2 = 0,025; a3 = 0,255.

Изменения показателя деструкции волокна в интервале 0 - 0,3 соответствуют начальным изменениям поверхности волокна, не затрагивая его внутренней структуры. В интервале

0.3.- 3,55 наблюдается деструкция не только поверхности, но и внутренних участков волокон, сопровождающихся начальными изменениями, и в интервале 3,55 - 42,25 - глубокая биологическая деструкция структуры волокна на всех его уровнях [15-17].

Литература

1. Pehtasheva E.L., Neverov A.N., Sinizin N.M. Die Rolle und Nutzung Mikrobiologischer Prozesse im Lebenszyklus von Materialien unter Besonderer Berucksichtigund von textilien // Forum ware, 30(2002), NR.1-4, - S. 73-76.

2. Ермилова И.А., Алексеева Л.Н., Шамолина И.И., Хохлова В.А. Влияние микроорганизмов на структуру синтетических волокон // Текстильная промышленность. - 1981. - № 9. - С. 55-57.

3. Ермилова И. А. Теоретические и практические основы микробиологической деструкции текстильных волокон и способов их защиты от воздействия микроорганизмов: Дисс. ... д-ра техн. наук // Л.: ЛИТЛП им. С.М.Кирова, 1982. - 470 с.

4. Ермилова И.А. Изменение структуры волокон под действием микроорганизмов // Под ред. З.А. Роговина. Межвуз. сб. науч. тр. «Проблемы качества товаров народного потребления». - Л.: ЛИСТ, 1980. - С.193-196.

5. Ермилова И.А., Амбайнис Л.Я., Афанасьева Г.И., Вольф Л.А. Повышение микробиологической устойчивости поликапроамидных нитей путем изменения их структурной организации // Под ред Н.А. Платэ. Межвуз. сб. науч. тр. «Качество промышленных товаров и методы их оценки». - Л.: ЛИСТ, 1983. - С.233.

6. Пехташева Е.Л. Биостойкость природоокрашенных хлопковых волокон / Пехташева Е.Л., Нестеров А.Н., Заиков Г.Е., Софьина С.Ю// - Вестник Казан. технол. ун-та. - 2012. - Т. 15, № 5. - С. 110-113.

7. Пехташева Е.Л. Микробиологическая коррозия и защита от нее / Пехташева Е.Л., Нестеров А.Н., Заиков Г.Е., Софьина С.Ю., Дебердеев Р.Я., Стоянов О.В. // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2012. - Т. 15, № 5. - С. 131-134.

8. Ермилова И.А., Калинина Т.Н., Вольф Л.А. Влияние степени термопластификационного вытягивания ПВС волокон на их микробиологическую устойчивость // Под ред. З.А. Роговина. Межвуз. сб. науч. тр. «Исследование потребительских свойств и структуры ассортимента промышленных товаров». - М.: ЗИСТ, 1981. - Вып.18. - С. 28-33.

9. Ермилова И.А. Влияние защитных обработок шерстяного волокна на его микробиологическую устойчивость. - Л.: ЛИСТ, 1977. - 23 с.

10. Неверов А.Н., Шишкина И.Г. Разработка методики

определения прочности связи волоса с кожевой тканью меха // Под ред. А.Н. Неверова. 11 Международные Плехановские чтения: Тезисы докл./ М.: Изд-во Рос. экон. акад., 1998, 28 с.

11. Неверов А.Н., Шишкина И.Г., Лычников Д.С.,

Пехташева Е.Л. Совершенствование метода

определения теплозащитных свойств пушно-меховой продукции. - 2-ая Межрегиональная науч.-практ конф. «Развитие меховой промышленности России»: Под ред. А.Н. Неверова. Сб. тез. докл., 28.03.2000. - М.: Изд. дом «Меха мира», 2000. - С. 45-46.

12. Пехташева Е.Л., Неверов А.Н., Гордиенко И.М.,

Сапожникова А.И., Лычников Д.С. Изменение структуры и свойств кожевой ткани норки под действием

микроорганизмов / Под ред. А.Н. Неверова. Сб. статей V

Межд. науч.-практ. конф. «Современные проблемы

биологических повреждений материалов» 2002 г. - Пенза: Науч. Совет РАН по повреждениям. - С.123-125.

13. Неверов А.Н., Пехташева Е.Л., Шишкина И.Г. Новый способ повышения качества меховой продукции в процессе дубления // Мягкое золото России. - 2001. - №13. - С. 112113.

14. Неверов А.Н., Шишкина И.Г., Пехташева Е.Л. Новый метод определения теплозащитных свойств меха // Мягкое золото. - 2000. - №19(144)1. - С.19.

15. Пехташева Е.Л., Сапожникова А.И., Неверов А.Н., Синицин Н.М. Оценка степени микробной обсемененности шерстяных волокон // Технология текстильной промышленности. Известия ВУЗов, 2003. -№ 2(271). - С. 18-20.

16. Веретенникова Е.П., Ермилова И.А. Экспресс-метод оценки грибостойкости поликапроамидных нитей // Микология и фитопатология. - 1989. - Т.23. - Вып. 2. -С. 178-181.

17. Ермилова И.А., Виноградов А.В., Катаменкова О.Г.

Влияние цвета на биоповреждения

природноокрашенных натуральных волокон и окрашенных дисперсными красителями

синтетических волокон // Под ред. Н.А. Платэ. Современные проблемы биологических повреждений материалов (Биоповреждения-2002): Сб. статей V Междунар. науч.-практ. конф. - Пенза: Научный совет РАН по биоповреждениям, 2002. - С. 39-41.

© Е. Л. Пехташева - Российский экономический университет им. Г.В. Плеханова, г.Москва, pekhtashevael@mail.ru; А. Н. Неверов - Российский экономический университет им. Г.В. Плеханова, г.Москва, pekhtashevael@mail.ru; Г. Е. Заиков -д-р хим. наук, проф. Института биохимической физики РАН, chembio@sky.chph.ras.ru; С. Ю. Софьина - канд. техн. наук, доцент каф. технологии пластических масс КНИТУ; Н. Е. Темникова - асп. той же кафедры.