Систематизация и диагностика биоповреждений промышленных товаров и материалов

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

С. Ю. Софьина, О. В. Стоянов

СИСТЕМАТИЗАЦИЯ И ДИАГНОСТИКА БИОПОВРЕЖДЕНИЙ

ПРОМЫШЛЕННЫХ ТОВАРОВ И МАТЕРИАЛОВ

Ключевые слова: систематизация, диагностика, биоповреждения, товары, материалы, бактерии, грибы, насекомые,

грызуны.

В статье изложена систематизация и диагностика биоповреждений промышленных товаров и материалов. Даны определения основных факторов в процессах биоповреждения. Представлена схема воздействия живых организмов на сырье, материалы и изделия. Обсуждаются виды повреждений материалов под действием различных биофакторов. Приводится классификация дефектов материалов по степени значимости под действием микроорганизмов, насекомых и грызунов.

Keywords: systematization, diagnostics, biodegradation, goods, materials, bacteria, fungi, insects, rodents.

The systematization and diagnosis of biodegradation of industrial goods and materials are described in the article. Definitions of the main factors in the process of biodegradation are given. The scheme of the impact of living organisms on raw materials and products is presented. The types of material damage due to various biofactors are discussed. The classification of defects in materials in order of their importance by microorganisms, insects and rodents is given.

Воздействие живых организмов на промышленное сырье, материалы и изделия может существенно изменить их потребительские свойства, снизить качество, а в ряде случаев привести к полному их разрушению.

Эти свойства сырья могут изменяться при хранении, эксплуатации, иногда и при производстве под воздействием механических, физико-химических и биологических факторов, вызывая соответствующие повреждения [1-10].

При этом негативное воздействие на материалы факторов природной среды выражается совокупностью химических, физических и

биологических превращений материалов, которые протекают параллельно или последовательно, усиливая друг друга.

Нет сомнений в том, что при любых нарушениях условий хранения, тем более при аварийных ситуациях возникают биологические повреждения, существенно изменяющие свойства материалов и товаров.

Согласно нормативным документам понятие биоповреждение определяется как повреждение сырья, материалов и изделий под воздействием биологического фактора [11].

Биологический фактор (биофактор) - это организмы или сообщества организмов, вызывающие нарушение работоспособного состояния объекта.

Однако, эти формулировки, представленные в стандарте [11], не отражают влияния биоповреждений промышленных товаров на одно из важнейших их потребительских свойств - безопасность. Безопасность - это отсутствие риска для жизни, здоровья и имущества потребителей при эксплуатации или потреблении товаров.

В зависимости от природы воздействий, влияющих на безопасность, выделяют санитарногигиеническую безопасность, означающую отсутствие

недопустимого риска, который может возникнуть при разного рода биоповреждениях потребительских товаров и, которые, в свою очередь, могут не только привести к потере имущества, но также могут быть опасными для здоровья потребителей. Особенно это касается загрязнения товаров патогенными

микроорганизмами.

При гигиенической оценке одежды, белья, обуви и других изделий определяют степень накопления на них микроорганизмов. Считается, что чем больше при эксплуатации накапливается микроорганизмов на белье и во внутреннем пространстве обуви (чулочно-носочные изделия, стельки), тем меньше их остается на поверхности кожи потребителя. Выявлено, что обсемененность кожи человека при использовании одежды и белья из хлопка и вискозы в 2-3 раза меньше, чем при использовании белья из капрона [12].

Таким образом, биоповреждения тесно связаны с такими комплексными показателями качества товаров, как надежность,

функциональность, эргономичность и т. д.

Объектами биоповреждений являются сырье, материалы, изделия и сооружения, которые в процессе воздействия на них живых организмов изменяют свои свойства. Агенты биоповреждений -живые организмы, атакующие эти объекты и вызывающие изменения их свойств.

В реальных условиях хранения и эксплуатации на непродовольственное сырье, материалы и изделия повреждающее воздействие оказывают микроорганизмы (бактерии,

микроскопические грибы), насекомые (моли, жуки-кожееды, жуки-точильщики, термиты, тараканы) и животные (грызуны: крысы и мыши).

Стойкость к воздействию биологического фактора (биостойкость) - свойство объекта

сохранять значение показателей в пределах, установленных нормативно-технической

документацией, в течение заданного времени в процессе или после воздействия биофактора. Этот термин применяется с указанием конкретного биофактора: бактериостойкость - стойкость к

воздействию бактерий; грибостойкость - стойкость к воздействию грибов; стойкость к повреждению термитами; стойкость к повреждению молью; стойкость к повреждению грызунами; микробиологическая стойкость - устойчивость материалов к группе микроорганизмов (бактерий, грибов) при испытаниях на биостойкость в природных условиях [11].

Воздействие живых организмов на материалы может приводить к неблагоприятному или благоприятному для человека итогу. В первом случае речь идет условно о биоповреждении (англ. -

Ь^йепогайоп), во втором о биоразрушении (англ.-biodegradation) материалов, отслуживших свой срок и загрязняющих окружающую среду [5, 13 - 18].

Биотехнология также может применяться при биоотделке, например, текстильных материалов [16].

На рисунке 1 представлена предлагаемая нами схема воздействия живых организмов на сырье, материалы и изделия. Эта схема отличается от общепринятой включением в нее таких микробиологических процессов, как создание биоразрушаемых полимеров и биоотделка [13, 19].

Повреждения биологического характера (первый вид воздействия на схеме), при всем многообразии живых организмов и способов их воздействия, приводят к биохимическим и механическим изменениям материалов.

Микроорганизмы в данном случае оказывают на материалы, прежде всего, биохимическое воздействие, а насекомые и животные наносят, прежде всего, механические повреждения [6, 19].

Повреждения материалов живыми организмами можно свести к двум типам:

- использование материала в качестве источника энергии и питания: в случае

микроорганизмов - это ассимиляция; в случае насекомых и грызунов - это пищевые повреждения;

Рисунок 1 - Схема воздействия живых организмов на сырье, материалы и изделия

- воздействие на материал с его механическим или химическим разрушением: в случае микроорганизмов - это деструкция; в случае насекомых и грызунов - это непищевые повреждения.

Вторым видом воздействия живых организмов (в основном микроорганизмов и растений) на сырье, материалы и изделия является обрастание поверхности. Оно может сопровождаться

биохимическим воздействием на материал или происходить без него [1, 2, 6-8].

Третий вид воздействия биологического фактора - биозасорение. Биологическое засорение объекта (биозасорение) - состояние объекта, связанное с присутствием биофактора, после удаления которого, восстанавливаются функциональные свойства объекта

[11].

Таким образом, микроорганизмы,

развивающиеся на материалах и субстратах, могут быть различны по типам питания. Одни используют в качестве источника питания и энергии органические вещества самих материалов (ассимиляция). Другие развиваются за счет использования метаболитов и вызывают повреждение материалов продуктами своей жизнедеятельности (деструкция). Есть

микроорганизмы, развивающиеся на поверхности материалов только за счет минеральных и органических загрязнений, скапливающихся на этой поверхности, не затрагивая самого материала. Они не влияют на его свойства, и лишь вызывают его биозасорение [8].

Повреждения, наносимые насекомыми сырью, материалам и изделиям, могут носить пищевой или непищевой характер [20, 21]. В большинстве случаев личинки, обитающие внутри или на поверхности материала используют его в пищу. Если изделия имеют удобные для поселения насекомых полости и отверстия, тогда возможно только внутреннее загрязнение изделия. Если насекомые, развивающиеся в полостях материала, используют его частицы для строительной деятельности, как, например, некоторые гусеницы молей при сооружении чехлика, то сам материал уже в некоторой степени повреждается. Наиболее характерным для насекомых-вредителей является использование материалов растительного и животного происхождения в пищу, причем вредители материалов растительного происхождения более разнообразны.

Среди живых организмов, повреждающих материалы, грызуны занимают особое положение, так как наносимые ими повреждения носят чаще всего непищевой характер и связаны с их проявлением физиологических особенностей.

Повреждения разнообразных материалов и изделий при воздействии различных биофакторов, по нашему мнению, можно свести к следующим видам (таблица 1) [19].

В результате воздействия живых организмов на сырье, материалы и изделия в них возникают дефекты.

По степеням значимости различают дефекты критические, значительные и малозначительные. Критические дефекты - несоответствие изделий установленным требованиям, которые могут нанести вред здоровью или имуществу потребителей или

окружающей среде. Значительные дефекты -несоответствия, влияющие на свойства материалов, но не влияющие на безопасность для потребителя или окружающей среды.

Малозначительные дефекты - несоответствия, которые не оказывают влияния на свойства изделий, в первую очередь, на назначение, надежность и безопасность. К ним, в частности, относится биозасорение, если оно не связано, например, с болезнетворными микроорганизмами

[12].

В результате анализа литературных источников [1-8] нами проведена классификация и систематизация дефектов разного вида, возникающих при воздействии живых организмов на сырье, материалы и изделия разного происхождения. При этом приведены обобщающие данные по изменению органолептических и других потребительских свойств, а также структуры различных объектов (материалов), возникающих при критических дефектах биологического характера. Результаты проведенного анализа представлены в таблицах 2 и 3.

В зависимости от наличия методов обнаружения дефекты подразделяются на явные, для которых предусмотрены методы и средства обнаружения, и скрытые, для которых методы и средства обнаружения не предусмотрены или их применение нецелесообразно.

Для биоповреждений характерны именно скрытые дефекты, обнаружение которых требует специального оборудования.

В зависимости от наличия методов и средств устранения дефекты делятся на устранимые и неустранимые.

Устранимые - дефекты, после устранения которых товар может быть использован по назначению. Такие дефекты характерны только для биозасорения. Неустранимые - дефекты, которые невозможно или экономически невыгодно устранять. Например, при

биоповреждении оптики, прибор может быть восстановлен только после разборки и дополнительной шлифовки поверхности стекла. В других случаях критические дефекты при биоповреждениях практически неустранимы.

Таким образом, при биоповреждении сырья, материалов и изделий может происходить: изменение химических свойств в результате окисления или гидролиза компонентов материала (изменяется кислото- и щелочестойкость, устойчивость к действию окислителей, восстановителей и органических растворителей); изменение физико-механических свойств

материалов (потеря прочности древесины, резины, пластиков, тканей, набухание резины, потеря адгезии лакокрасочных покрытий); изменение оптических свойств (цвета, блеска, прозрачности, преломления света); ухудшение

электрофизических свойств (снижение электроизоляционных свойств материалов);

изменение органолептических свойств (появление дурного запаха, появление слизи на твердых поверхностях); потеря части материала вследствие его повреждения (грызунами или насекомыми).

Благоприятный для человека итог воздействия микроорганизмов на материалы может быть получен при использовании биоутилизации (биоразрушения) и биоотделке [15].

Отходы полимерных материалов являются источником загрязнения окружающей среды. Особую опасность представляет тара разового использования и упаковочные материалы. В настоящее время разрабатываются и выпускаются полимеры, способные сохранять потребительские свойства при эксплуатации и лишь затем биоразрушаться [16].

Таблица 1- Виды повреждений материалов под дей

Основными направлениями получения биоразлагаемых полимеров являются - создание полимерных композиций, содержащих различные наполнители, которые являются питательной средой для микроорганизмов; создание фоторазрушаемых полимеров, которые могут разлагаться до низкомолекулярных фракций, в дальнейшем разрушаюшихся почвенной микрофлорой; создание полимеров, имеющих структуру, сходную со структурой природных полимеров; микробиологический синтез полимеров (биополимеров) [5, 6].

[ различных биофакторов

Материал ы Микроорганизмы Насекомые Грызуны

Бактери и Грибы Моли Жуки- кожеед ы Жуки- точильщик и Термиты Тараканы Пищевые повреждения я « « 8 <и В з й § & ео К а

Ассимиляция Деструкция Ассимиляция Деструкция Пищевые Непищевые Пищевые Непищевые Пищевые Непищевые Пищевые Непищевые Пищевые Непищевые

Неорганиче ские: - Металлы - Силикаты - + х - х + - - - - - - - - - - - х х

Органическ ие химические: - Полимеры - Синтетические - волокна + + + + + + + + х х х х х х х х х х х х

Органическ ие природные: - Древесина, бумага х х + + х х + + + + х х х +

- Текстильные волокна + + + + + + х х - - + + х х х +

- Кожа, мех (готовые) х х + + + + + + - - + + х х + +

- Кожевенное сырье + + х х + + + + - - + + х х + +

Примечание: - - отсутствует;

х - присутствует в редких случаях; + - присутствует.

Таблица 2 - Классификация дефектов материалов по степени значимости под действием микроорганизмов

Материалы Малозначи- тельные (биозасо- рение) Значи- тельные Критические

Органолептические изменения Изменение структуры материалов Изменение физикомеханических и физикохимических свойств

1 2 3 4 5 6

1. Неорган ические - металлы Видимая под микроскопом адсорбция микроорганизм ов Наличие слизи, налеты плесени, видимые невооруженн ым глазом, покрывающи е менее 25% поверхности Наличие слизи, покрывающей более 25% поверхности Коррозия поверхности металла - Снижение прочностных показателей. - Изменение электропроводящи х свойств. - Потеря массы после удаления продуктов биокоррозии

- силикаты - Наличие плесени, покрывающей более 25% поверхности. - Потеря блеска и снижение прозрачности Коррозия поверхности стекла Снижение светопропускания, светорассеивания

2. Видимая под Наличие - Наличие слизи, - Коррозия - Снижение

Органически микроскопом слизи, налетов плесени, поверхности. прочностных

е химические адсорбция налеты покрывающей более - Разрушение показателей.

- полимер микроорганизм плесени, 25% поверхности. наполнителя - Снижение

ы ов видимые - Гнилостный запах твердости.

(пластмассы, невооружен - Изменение окраски, - Снижение

текстильные ным глазом, пятна. гибкости.

волокна) покрывающ - Шероховатость - Изменение

ие менее поверхности. вязкости.

25% - Исчезновение - Изменение

поверхности блеска. электрофизических

- Растрескивание свойств

3. Видимая под Наличие - Наличие плесени, Разрушение - Потеря массы.

Органическ микроскопом слизи, покрывающей более клеточных стенок - Снижение

ие адсорбция налеты 25% поверхности. сосудов прочностных

природные микроорганизм плесени, - Запах плесени. показателей.

ов видимые - Появление - Увеличение

- древесина невооружен разноокрашенных водопроницаемост

ным глазом, пятен. и

покрывающ - Легко распадается и

ие менее растирается в

25% порошок

поверхности

- бумага, - Наличие плесени. Разрушение - Потеря массы.

картон - Пигментное волокон вплоть до - Снижение

окрашивание. полного прочности на

- Запах плесени растворения излом

- текстиль- - Наличие слизи, - Расслоение - Снижение

ные налетов плесени. (фибриллизация). прочностных

волокна, - Гнилостный запах. - Глубокое показателей.

ткани, - Изменение окраски повреждение - Потеря массы

трикотаж, стенки.

нетканые - Распад до

конгломератов

Окончание таблицы 2

1 2 3 4 5 6

- кожа, мех - Наличие слизи, налетов плесени. - Гнилостный запах. - Ослизнение. - Теклость волоса. - Пятна. - Шероховатость лицевого слоя - Желатинизация и растворение коллагеновых пучков и их сплавление. - Распад луковиц волоса. - Отслоение эпидермиса - Снижение прочностных показателей. - Увеличение гигроскопичности

Таблица 3 - Классификация дефектов материалов по степени значимости под действием насекомых и грызунов

Насекомые Грызуны

Материалы Мало- значительные (биозасорение) Значительн ые Критические Мало- значительные (биозасорение) Значительн ые Критические

1. Неорган Наличие Обильное Загрязнение Наличие Загрязне- Загрязнение

ические следов наличие болезнетворным следов ние болезнетвор-

- Металлы жизнедеятель следов и микроорганиз- присутствия экскремен- ными

- Силикат ности в присут- мами тами, микроорганиз-

ы приборах и оборудовании ствия (тараканы) шерстью мами. Погрызы

2. в приборах Загрязнение Наличие Загрязнени Загрязнение

Органически и оборудо- болезнетвор- следов е болезнетвор-

е химические вании ными присутствия экскремент ными

- Полимер микроорганиз- ами, микроорганиз-

ы мами шерстью мами.

(пластмассы, Погрызы

текстильные

волокна)

3. Наличие Загрязне- Загрязнение Наличие Загрязне- Загрязнение

Органическ следов ние болезнетворными следов ние болезнетвор-

ие жизнедеятель шкурками, микроорганизма присутствия экскремен- ными

природные ности экскремен ми. тами, микроорганиз-

- древесина тами, Потери части шерстью мами.

- бумага, наличие материала: Погрызы

картон яиц, - червоточина

- личинок - погрызы

текстильные - молеедина

волокна, - кожеедина

ткани,

трикотаж,

нетканые

- кожа, мех

Важным направлением биоутилизации является культивирование специальных адаптивных штаммов микроорганизмов, способных разрушать определенные материалы.

Одним из направлений современных исследований полезной деятельности

микроорганизмов является создание «биополимеров». Уже сегодня имеются предложения по синтезу различных полисахаридов микробиологическими

методами, которые могут быть использованы для получения волокнообразующих мономеров и

полимеров. Так, например, некоторые полиэфиры могут быть прямо получены путем микробиологического синтеза [7, 8].

На основе микробиологического синтеза получены некоторые виды фиброиноподобных волокнообразующих полипептидов. В некоторых случаях содержат этих продуктов может

достигать 40% от ко. :тва биомассы и они могут

быть использованы как перспективное сырье для получения химических волокон. Исследования в

этом направлении широко ведутся как во многих странах мира, так и в России.

Благоприятный для человека итог использования микроорганизмов достигается, например, при использовании различных вариантов биоотделки текстильных материалов. Применение ферментных препаратов позволяет активно вытеснять традиционно экологически «грязные» химические технологии в отделке.

Наиболее широкое применение ферментные технологии находят при очистке текстильных материалов от загрязнений различной природы (биоотварка) - для удаления шлихты, очистки и беления хлопка и льна, удаления пектиновых спутников и т. д. [16].

Разработаны технологии крашения тканей в присутствии ферментов. Такие технологии улучшают колористические характеристики изделий, при этом уменьшается содержание вредных веществ в сточных водах. Промышленное значение имеет применение ферментов при обработке окрашенных тканей. В результате такой обработки происходит неравномерное обесцвечивание, что придает изделиям модный «поношенный» вид [1-9].

Ферменты используются также для улучшения гигиенических, например, сорбционных свойств синтетических текстильных волокон. Доказано, что ферменты могут гидролизовать эфирные связи на поверхности полиэфирных волокон [11]. Биотехнологии используются для биополировки изделий из хлопка или шерсти для придания им гладкости и снижения пиллингуемости.

В следующих стаьях будут приведены конкретные примеры биоповреждения материалов.

Литература

1. Актуальные вопросы биоповреждений // Под ред. Н.А. Платэ. - М.: Наука, 1983. - 265 с.

2. Актуальные проблемы биологических повреждений и защиты материалов, изделий и сооружений: Сборник статей // Под ред. Н.А. Платэ. - М.: Наука, АН сСсР, Научный Совет по биоповреждениям, 1989. - 256 с.

3. Wokerley Donalds. Microbial corrosion in UK industry // Chem. and Ind. - 1979. - №19. - P. 656-658.

4. Андреюк Е.И., Билай В.И., Коваль Э.З., Козлова И.А. Микробная коррозия и её возбудители. - Киев: Наукова Думка, 1980. - 258 с.

5. Биоповреждения и методы оценки биостойкости материалов. Сборник статей // Под ред. Н.А. Платэ. - М.: Наука, АН СССР, Научный Совет по биоповреждениям, 1988. - 140 с.

6. Ильичев В. Д., Бочаров Б. В., Анасимов А. А.

Биоповреждения: Учебное пособие биологических

спец. вузов // Под ред. В. Д. Ильичева. - М.: Высшая школа, 1987. - 352 с.

7. Ильичев В. Д., Бочаров Б.В., Горленко М.В.

Экологические основы защиты от биоповреждений. -М.: Наука, 1985. - 264 с.

8. Микроорганизмы и низшие растения - разрушители материалов и изделий // Под ред. Н.А. Платэ. - М.: Наука, 1979. - 225 с.

9. Повреждение промышленных материалов и изделий под воздействием микроорганизмов / Т. С. Бобков, И.

B. Злочевская, А. К. Рудаков, Л. Н. Чекунова. - М.: Изд-во МГУ, 1978. - 148 с.

10. 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 Казанского технологического университета. -2012. - № 5. - с. 131-134.

11. ГОСТ 9.102-91. ЕСЗКС. Воздействие биологических факторов на технические объекты. Термины и определения. - М.: Изд-во стандартов, 1991. - 7 с.

12. Методические указания по гигиенической оценке одежды и обуви из полимерных материалов. - М.: Мин-во здравоохранения СССР, 1977. - 47 с.

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

14. Eggins H.O.W., Exley T.A. Biodeterioration and biodegradation // Intern. Biodeterior. Bull. - 1980, Vol. 16, № 2. - р. 53-56.

15. Salerno-Kochan R. Biodegradation of textile materials as

a method of utilisation the wastes // Мат. междунар. конф. «Товарознавство - наука, практика та

перспективи розвитку в умовах ринку». Киев: 1999. -

C. 40.

16. Способ расшлихтовки и отбеливания тканей, содержащих хлопковое волокно: Пат. 2070243, Россия, МКИ6Д06а1/14 // Чешкова А.В., Лебедева В.И. и др. опубл. 10.12.96.

17. Akin Danny E., Rigsby Luanne L., Perkins Warren. Qality properties of flax fibers retted with enzymes // Text. Res. J. - 1999. - 69, N 10. - P. 747-753.

18. Raschle R. Mikrobiologie in der textion Materialprüfund // Textilveredlung. - 1987. - 22, N 10. - P. 381-386.

19. Пехташева Е.Л. Биоповреждения и защита непродовольственных товаров: Учеб. для студ. высш. учеб. заведений // Под ред. А.Н. Неверова. - М.: Мастерство, 2002. - 224 с.

20. Первая Всесоюзная конф. по биоповреждениям. Тез. докл. // Под ред. А.Н. Неверова. - М.: Наука, АН СССР, 1978. - 226 с.

21. Проблемы биологического повреждения материалов. Экологические аспекты // Под ред. А.Н. Неверова. -М.: АН СССР, Научный Совет по биоповреждениям, 1988. - 124 с.

© 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. хим. наук, доц. каф. технологии пластических масс КНИТУ, stoyanov@mаil.ru; О. В. Стоянов - д-р техн. наук, проф., зав. каф. технологии пластических масс КНИТУ, stoyanov@mаil.ru.