Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обзор литературы 11
1.1 Экологические и физиолого-биохимические особенности микроскопических грибов – активных биодеградантов полимерных материалов 11
1.1.1 Агрессивные метаболиты грибов, участвующие в биодеструкции полимерных материалов 13
1.1.2 Окислительная модификация белков как показатель состояния метаболизма клеток
1.2 Биодеструкция лакокрасочных материалов микроорганизмами 21
1.3 Способы защиты материалов от биоповреждений 26
1.4 Защита лакокрасочных материалов и покрытий от биоповреждений микромицетами 30
Глава 2 Объекты и методы исследования
2.1 Объекты исследования 37
2.2 Методы исследования
2.2.1 Методы оценки устойчивости ЛКМ к действию к действию микроскопических грибов 39
2.2.2 Идентификация микроскопических грибов 40
2.2.3 Определение сублетальных концентраций химических соединений 41
2.2.4 Погруженное культивирование микромицетов в жидкой среде 41
2.2.5 Определение физико-механических характеристик лакокрасочных покрытий 42
2.2.6 Метод испытания систем лакокрасочных покрытий на наличие роста микроскопических грибов после воздействия климатических факторов старения 42
2.2.7 Методика хромато-масс-спектрометрического анализа продуктов биодеструкции полиметилакрилата (ПМА) 43
2.2.8 Метод определения активности каталазы 44
2.2.9 Метод определения активности пероксидазы 44
2.2.10 Методика определения уровня окислительной модификации белков с помощью 2,4-динитрофенилгидрозина 45
2.2.11 Определение белка в мицелии и культуральной жидкости 46
2.2.12 Статистическая обработка результатов 46
Глава 3 Результаты и их обсуждение
3.1 Исследование устойчивости к действию микроскопических грибов лакокрасочных материалов 47
3.2 Устойчивость систем ЛКП к действию микромицетов 54
3.3 Выявление истинных микодеструкторов лакокрасочных материалов, используемых в изделиях РЭА 57
3.4 Исследование физико-механических свойств некоторых ЛКМ, подвергшихся действию микроскопических грибов 59
3.5 Исследование устойчивости к действию микроскопических грибов систем лакокрасочных покрытий после воздействия ряда абиотических факторов (факторов климатического старения) 61
3.6 Изучение деструкции полиметилакрилата микромицетами хромато масс-спектрометрическим методом 64
3.7 Исследование физиолого-биохимических особенностей гриба
A. terreus - активного биодеграданта лакокрасочных материалов 69
3.7.1 Характеристика степени окислительной модификации белков гриба Aspergillus terreus при культивировании на средах различного состава 70
3.7.2 Исследование экзооксидоредуктаз A. terreus в связи с биодеструкцией акриловых полимеров 74
3.8 Определение минимальной ингибирующей концентрации ряда
химических соединений с целью возможного их использования для
защиты ЛКМ от биоповреждений, вызываемых грибами 78
3.9 Исследование воздействия биоцидов на метаболизм Aspergillus terreus 80
3.9.1 Исследование влияния биоцидов на ОМБ гриба A. terreus 82
3.9.2 Действие биоцидов Rosima 243 и Nuosept 78 на активность экзокаталазы и экзопероксидазы Aspergillus terreus 89
3.9.3 Исследование комбинированного действия биоцидных препаратов Rosima 243 и Nuosept 78 на активность экзокаталазы и экзопероксидазы A. terreus 95
3.10 Защита лакокрасочных материалов от биоповреждений с помощью введения в их состав фунгицидных добавок 98
3.11 Исследование физико-механических свойств некоторых ЛКМ с введенными биоцидными присадками, подвергшихся действию микроскопических грибов и факторов климатического старения 102
3.12 Защита систем ЛКП от биоповреждений микромицетами с помощью введения в их состав биоцидных добавок 104
3.13 Исследование устойчивости к действию микромицетов систем лакокрасочных покрытий с введенными биоцидными добавками после воздействия климатических факторов старения 106 Выводы 109
Список сокращений 111
Список литературы
- Окислительная модификация белков как показатель состояния метаболизма клеток
- Методика определения уровня окислительной модификации белков с помощью 2,4-динитрофенилгидрозина
- Исследование устойчивости к действию микроскопических грибов систем лакокрасочных покрытий после воздействия ряда абиотических факторов (факторов климатического старения)
- Исследование физико-механических свойств некоторых ЛКМ с введенными биоцидными присадками, подвергшихся действию микроскопических грибов и факторов климатического старения
Введение к работе
Актуальность темы. В процессе жизнедеятельности человек постоянно вносит во внешнюю среду различные ксенобиотики. Такими ксенобиотиками могут являться лакокрасочные материалы (ЛКМ), которые находят широкое применение в различных отраслях промышленности (Митрофанова, 2014; Платонов и др., 2011; Семенова и др., 2012). В процессе транспортировки, хранения и эксплуатации данные материалы вовлекаются в различные трофические цепи микроорганизмов, которые используют их в качестве источников питания. Наиболее активными деструкторами различных синтетических материалов, в том числе и лакокрасочных, являются микроскопические грибы. Данные организмы обладают мощными ферментными системами (оксидоредуктазы, лиазы, гидролазы и др.) и достаточно устойчивы к воздействию абиотических факторов внешней среды. Видовой состав и степень биодеградации определяются как составом самого субстрата, так и набором продуктов жизнедеятельности, выделяемых грибами при росте на материалах. В связи с этим знания о полифагии и стенофагии грибов чрезвычайно важны для прикладной экологии, микробиологии и биотехнологии.
Рост грибов сопровождается изменением декоративных и физико-химических свойств покрытий, а также изменением технических характеристик изделий, в которых используются лакокрасочные покрытия. Особенно велика угроза микробиологических повреждений радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), где даже незначительный рост грибов способен приводить к повреждениям и нарушениям работоспособности дорогостоящих приборов и оборудования.
В настоящее время проблема микробных повреждений носит эколого-технологический характер и может рассматриваться как один из разделов аутэкологии. Основной теоретической концепцией проблемы является то, что биодеградация полимерных материалов происходит в природной среде, и абиотические факторы способны оказывать влияние как на сам материал, изменяя его состав и структуру, так и на жизнедеятельность грибов, вызывая изменение их метаболизма, что в свою очередь может влиять на направление и интенсивность деструктивного процесса (Shirakawa et al., 2002; Кряжев, Смирнов, 2010; Okunye et al., 2013). В рамках этой концепции В.Д. Ильичевым и соавт. (1985) рост микроорганизмов на материалах и изделиях, приводящий к их разрушению и повреждению, рассматривается как экологическая ситуация (сочетание условий, процессов и обстоятельств природного и техногенного характера, обусловливающих состояние природных или природно-технических систем). В настоящее время изучению биодеградации лакокрасочных материалов в России и за рубежом уделяется большое внимание, однако до сих пор остаются открытыми вопросы по выявлению активных микодеструкторов в зависимости от состава лакокрасочных материалов и покрытий (Ravikumar et al., 2012; Elumalai et al., 2014). Недостаточно изучены вопросы изменения процесса биодеградации ЛКМ при использовании их в различных системах лакокрасочных покрытий (ЛКП) (Анисимов и др., 1979; Защита от коррозии…, 1987). На сегодня мало работ в области изучения механизмов биодеградации ЛКМ, сведений об участии тех или иных ферментов в данном процессе (Garg, et al. 1995; Ravikumar et al., 2012). На основе литературных данных, приходится констатировать, что недостаточно решенным остается и вопрос защиты ЛКМ от деструкции микроскопическими грибами (Сухаревич и др., 2003; Арабей, Белоглазов, 2010;
Азанова, Чижова, 2014). До сих пор защита осуществляется методом «проб и ошибок». Отсутствуют данные о целенаправленном и планомерном подборе средств защиты, основанном на изученности механизма действия данных препаратов на метаболизм микодеструктора. Недостаточно работ в области оценки влияния факторов внешней среды на биодеградацию как защищенных, так и незащищенных ЛКМ.
Цели и задачи исследования. Работа посвящена изучению биодеградации микроскопическими грибами лакокрасочных материалов, используемых в микроэлектронике, и разработке целенаправленного и планомерного подхода к защите данных материалов от биодеградации.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
1. Оценить степень биодеградации грибами лакокрасочных материалов различного
состава, используемых в изделиях РЭА.
-
Выявить изменения степени деградации различных систем лакокрасочных покрытий в зависимости от их компонентов (подложки, антикоррозионного покрытия, грунта, лакокрасочного покрытия).
-
Выявить наиболее активных микодеструкторов исследуемых материалов.
4. Исследовать физиолого-биохимические особенности гриба Aspergillus terreus –
активного деструктора ЛКМ в процессе биодеградации полимерных связующих, входящих в
состав ЛКМ (акрилатов). Изучить действие ряда биоцидных добавок (Rosima 243, Nuosept 78)
на метаболизм данного микромицета.
5. Осуществить защиту негрибостойких ЛКМ от биоразрушений с помощью биоцидных
присадок.
6. Изучить действие ряда климатических факторов на степень биодеградации
защищенных и незащищенных ЛКМ.
Научная новизна работы. Впервые проведено комплексное исследование возможности вовлечения в трофические цепи почвенных микромицетов-деструкторов ряда защитных лакокрасочных материалов на основе различных связующих и их систем, широко используемых в изделиях РЭА. Показано, что степень деградации ЛКМ в системах ЛКП меняется в зависимости от состава компонентов данных систем.
Выявлены активные деструкторы данных материалов среди стандартных культур и грибов-деструкторов, выделенных с ЛКМ в естественных условиях. Для некоторых видов наблюдалась полифагия по отношению к исследованным синтетическим субстратам. Показано, что среди микромицетов, заселяющих данные материалы, имеются виды, являющиеся истинными деструкторами данных материалов, и виды грибов, рост которых обусловлен наличием внешних загрязнений.
Установлено влияние роста грибов на физико-механические свойства исследованных ЛКМ. Наблюдалось изменение таких показателей как адгезия, прочность при ударе, эластичность. На примере полиметилакрилата (ПМА) показано, что рост грибов приводит к изменению его химической структуры.
Впервые показано, что действие абиотических факторов способно снижать устойчивость к действию микромицетов систем ЛКП. В наибольшей степени устойчивость к биоповреждениям менялась при действии влажности, обледенения и УФ-облучения.
Впервые исследованы особенности метаболизма микроскопических грибов при росте их на акрилатах (окислительной модификации белков (ОМБ), активности экзооксидоредуктаз).
Выявлен ингибирующий эффект на метаболизм гриба Aspergillus terreus биоцидов Rosima 243 и Nuosept 78.
Осуществлена научно обоснованная и направленная защита ЛКМ от биоповреждений, вызываемых микроскопическими грибами.
Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость
работы обусловлена получением новых знаний в области факториальной экологии и
экологии микроскопических грибов. Исследована способность защитных ЛКП
(ксенобиотиков) использоваться микромицетами в качестве источника питания. Выявлены наиболее и наименее биоразлагаемые ЛКМ. Сформулирован, теоретически обоснован и экспериментально подтвержден научно обоснованный подход к подбору фунгицидов для защиты конкретных ЛКМ, основанный на исследовании особенностей метаболизма микромицетов – деструкторов данных материалов, а также ингибирующего действия биоцидных присадок на агрессивные метаболиты, участвующие в биодеградации. Данный метод существенным образом снижает экологическую нагрузку на окружающую среду, связанную с использованием биоцидных препаратов. Показано влияние отдельных факторов внешней среды на интенсивность биодеструкции ЛКМ микроскопическими грибами.
Практическая значимость обусловлена тем, что:
– предложен перечень эффективных биоцидных присадок для защиты конкретных лакокрасочных материалов и определены их эффективные концентрации;
– осуществлена защита с помощью биоцидов лакокрасочных материалов, используемых в изделиях РЭА.
Результаты по защите лакокрасочных материалов от микробиологических повреждений вошли в научные отчеты, выполненных в рамках государственного контракта № 11411.1006800.11.099 от "4" августа 2011 г (ННГУ - соисполнитель) в рамках федеральной целевой программы «Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники» на 2008–2015 годы.
Соответствие паспорту научной специальности. Результаты проведенного
исследования соответствуют области исследования специальности 03.02.08 – экология, конкретно – прикладной экологии.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Степень биодеградации микромицетами систем ЛКП не может оцениваться по устойчивости к грибам соответствующих ЛКМ, а зависит от состава всех компонентов системы (подложка, антикоррозионное покрытие, грунт, покрытие).
-
Процесс окислительной модификации белков у грибов при росте их на ЛКМ и активность экзооксидоредуктаз могут быть биохимическими маркерами процесса разрушения полимерных материалов, в частности акрилатов.
-
Планомерная и научно обоснованная защита ЛКМ определенного химического состава позволит оптимизировать выбор биоцидных добавок и существенно снизить экологическую нагрузку на окружающую среду.
Апробация работы и публикации. Материалы диссертационного исследования были доложены на: третьем съезде микологов России (Москва, 2012); Международной научной
конференции «Достижения и перспективы развития биотехнологии» (Саранск, 2012); VII
Московском международном конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития»
(Москва, 2013); 18-ой сессии молодых учных – естественные, математические науки
(Нижний Новгород, 2013); Международной научно-практической конференции
«Биотехнология и качество жизни» (Москва, 2014); Шестом Всероссийском конгрессе по медицинской микологии (Москва, 2014); VIII Московском международном конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Москва, 2015); VI Всероссийской научной конференции с международным участием «Принципы и способы сохранения биоразнообразия» (Йошкар-Ола, 2015).
По материалам диссертации опубликовано 17 работ, из них 6 в изданиях, рекомендованных ВАК.
Обоснованность научных положений и выводов, сформулированных в диссертации, обеспечена применением поверенного высокоточного современного аналитического оборудования и большим объемом исследований. Выводы, сделанные автором, адекватны полученным результатам.
Личное участие автора в получении результатов, изложенных в диссертации.
Автору принадлежит решающая роль в постановке задач, выборе способов их решения, обработке экспериментальных данных, интерпретации и обобщении полученных результатов, а также оформлении результатов в виде научных статей. Экспериментальная часть диссертации выполнена в лаборатории микробиологического анализа ОХБИ НИИ химии ННГУ им. Н.И. Лобачевского лично автором или под его руководством.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав, выводов и списка литературы, включающего 216 источников, в том числе 84 – на иностранных языках. Работа изложена на 134 страницах, включает 24 рисунка, 13 таблиц.
Благодарности. За помощь в подготовке диссертации, за ценные консультации автор выражает благодарность научному руководителю профессору, д.б.н. В.Ф. Смирнову, доценту каф. высокомолекулярных соединений и коллоидной химии ННГУ, к.х.н. А.Е. Мочаловой, сотрудникам лаборатории микробиологического анализа отдела химико-биологических исследований НИИ химии ННГУ им. Н.И. Лобачевского.
Окислительная модификация белков как показатель состояния метаболизма клеток
Биодеструкция лакокрасочных материалов - одни из наиболее часто встречающихся случаев биоповреждений изделий, применяемых в радиоэлектронике. Рост грибов происходит вследствие того, что последние используют лакокрасочные покрытия (главным образом пленкообразующие соединения) в качестве источника питания, а также рост возможен за счет находящихся на поверхности ЛКП внешних загрязнений (Соломатов и др., 2001; Смирнов и др., 2003). Можно выделить следующие этапы процесса биодеградации (Семенов и др., 2007): - Перенос биодеструкторов из их источника к потенциально повреждаемой поверхности (материалу, детали, изделию). Размножение и распространение микроорганизмов происходит преимущественно посредством спор. Считается, что основными факторами, определяющими распространение спор, является скорость ветра и скорость падения спор в спокойном воздухе (Ингольд, 1957). - Закрепление на поверхности. Взаимодействие микроорганизмов с материалом начинает проявляться в непосредственной близости от его поверхности на расстоянии порядка сотен ангстрем и приводит к прикреплению клеток к материалу. Имеющиеся данные позволяют рассматривать процесс адгезии микроорганизмов как необходимое условие и первый этап собственно повреждения материала (Жукова, Морозов, 2010; Варехов, 2013). Адгезия микроорганизмов, как и мелкодисперсных частиц небиологической природы, может обусловливаться молекулярными, химическими, капиллярными и электрическими силами (Зимон, 1967). - Рост на этой поверхности микроорганизмов. Возможность и интенсивность микробиологического ростового процесса определяются сочетанием свойств субстрата (материала), как питательной среды для микроорганизмов и генетических особенностей последних, обусловливающих их способность использовать субстрат как источник питания и энергии (Перт, 1978).
Практически все лакокрасочные покрытия без специальной защиты способны подвергаться повреждению микроскопическими грибами (Пехташева и др., 2012; Ravikumar, 2012; Пехташева, 2013). Характерные признаки их проявления – пятна и налеты плесени на окрашенных поверхностях, растрескивание и отслаивание покрытий, образование каверн, газообразование (вздутые тары), появление постороннего запаха, разжижение, желатинизация, расслоение на фазы, потеря вязкости и изменение цвета (Иванов и др., 1984; Кулик, 1984; Ильичев, Бочаров, 1987; Смирнов и др., 1991; Смирнова и др., 1994; Okunye et al., 2013; Ishfaq et al., 2015). Различают три основных вида воздействия микроорганизмов на материалы - ассимиляционный (создание агрессивных сред в результате накопления продуктов жизнедеятельности), диссимиляционный (непосредственное участие в одной или более реакциях на поверхности материала) и механический путь (в результате механического воздействия мицелия микроскопических грибов) (Кулик, 1984; Ковальский, 1994; Фатееева и др., 2015).
Кроме того, биоповреждение материала сопровождается изменением технических характеристик изделий, в которых используются лакокрасочные покрытия (Черушова и др., 2004; Kumar et al., 2011). В связи с этим, исследование процесса биодеструкции лакокрасочных материалов микромицетами остается достаточно актуальным (Gu et al., 1998; Shumaila et al., 2015).
Биостойкость лакокрасочных материалов в первую очередь зависит от компонентов, входящих в их состав. Среди них можно выделить три основных: – пленкообразующий полимер. Его химический состав и физико механические свойства полученной из него пленки покрытия существенным образом влияют на устойчивость материала к действию микромицетов (Ильичев, Бочаров, 1987). В настоящее время порядка 50 % производимых ЛКМ содержит в качестве основного пленкообразователя растительные масла или продукты их переработки (Думский и др., 2013), которые являются хорошим питательным субстратом для микроорганизмов. Синтетические пленкообразующие полимеры по сравнению с природнымиболее устойчивы к повреждению микроорганизмами. Грибостойкость покрытий, содержащих синтетические пленкообразователи, уменьшается в ряду: эпоксидные, полиуретановые, меламиноалкидные, кремнийорганические, пентафталевые (Пехташева и др., 2012). Устойчивость к действию микробиологических агентов пленкообразующих веществ зависит от скорости высыхания пленкообразующего вещества, водопоглощения, шероховатости и пористости пленки. Так водорастворимые пленкообразующие вещества, такие как производные целлюлозы и белковые соединения, обладают низкой устойчивостью к действию микроорганизмов из-за их гигроскопичностью, способностью к набуханию (Carter, 1973).
Гладкие ровные и блестящие пленки более биостойки из-за того, что на них труднее адсорбируются споры грибов, и они меньше загрязняются. Так повышенной грибостойкостью отличаются покрытия, содержащие термопластичные синтетические смолы, характеризующиеся высокой твердостью, гладкостью и малой проницаемостью (Борискин и др., 2006). – пигмент. Данный компонент не только придает краскам цвет и кроющую способность, регулирует вязкость, улучшает стойкость к солнечной излучению и водостойкость покрытия, но так же может влиять на стойкость материала к действию микрорганизмов. Так оксид свинца обладает фунгицидными свойствами, повышая биостойкость содержащих его ЛКМ (Ravikumar et al., 2012), а такие наполнители, как тальк, графит снижают устойчивость к биоповреждению микромицетами (Куколева и др., 2010). Кроме того, из-за твердости частицы пигмента механически затрудняют рост и развитие мицелия микроскопических грибов. – растворитель. Используемый растворитель напрямую зависит от природы связующего вещества. В качестве растворителей используются вода, масла, спирты, кетоны, эфиры и иные углеводороды.
Учитывая то, что недостаточная биостойкость хотя бы одного составляющего компонента приводит к получению небиостойкой композиции в целом, важная роль при разработке и создании композиций с требуемым биологическим сопротивлением отводится оптимизации состава лакокрасочного материала по всем составляющим его компонентам (Ерофеев и др., 2004).
Большое влияние на стойкость к действию микроорганизмов лакокрасочных материалов оказывают абиотические факторы, такие как солнечная радиация, КВЧ-излучение, температура, влажность, поверхностные загрязнения пылью и солями и т.д., способствующие процессу старения материалов (Антонова и др., 2009; Кряжев, Смирнов, 2010). При климатическом старение изменяются как физико-механические, так и химические свойства материалов, что в совокупности увеличавает биодоступность ЛКМ для микроорганизмов.
Срок службы одного и того же покрытия может колебаться в значительных пределах в зависимости от климатических условий и загрязнения атмосферы. Так действие влаги в виде росы вызывает более сильное разрушение покрытия, чем дождь, так как конденсация влаги может происходить и в его порах. Негативное влияние на покрытия оказывают загрязнение и пыль, вызывающие механическое вымеливание пигментов и эрозию покрытия, что в свою очередь усугубляет процессы старения (Ломакин, 2013). Таким образом, биоповреждения ЛКМ чаще встречаются в условиях влажного тропического и субтропического климата, а также в сооружениях и помещениях с повышенной влажностью и температурой (Кулик, 1984; Сухарева и др., 1995).
Методика определения уровня окислительной модификации белков с помощью 2,4-динитрофенилгидрозина
Культуры грибов выращивались на качалках АПУ-4М, обеспечивающих встряхивание колб со скорость 180 об/мин. В стерильные колбы Эрленмейера на 500 мл, содержащих жидкую, обедненную по углероду, питательную среду Чапека-Докса (NaN03 (2,0 г/л), КН2Р04 (0,7 г/л), К2НР04 (0,3 г/л), КС1 (0,5 г/л),
MgS04 7H20 (0,5 г/л), FeS04 7H20 (0,01 г/л), агар-агар (20,0 г/л), сахароза (1,0 г/л)), помещали при помощи бактериологической петли споры исследуемого гриба. Затем колбы ставили на качалку при температуре плюс 27±2 С. После окончания культивирования культуральный фильтрат (жидкость) отделяли от мицелия путем фильтрования. Для дальнейших исследований использовались как культуральная жидкость (КЖ), так и мицелий. Модифицированные питательные среды
Помимо классической питательной среды Чапека-Докса в некоторых экспериментах использовались модифицированные среды, дополнительно содержащие: – акриловую эмульсию Лакротэн Э-21 (10 г/л); – сополимер бутилакрилата – стирола – акриловой кислоты (20 г/л). В процессе культивирования биоцидные присадки Rocima 243, Nuosept 78 вводились в среду на четвертые сутки роста грибов.
Прочность пленки при ударе в см определялась по ГОСТ 4765–73 с помощью прибора У-1. Метод основан на определении максимальной высоты, при падении с которой груз определенной массой не вызывает видимых механических повреждений на поверхности пластинки с лакокрасочным покрытием.
Адгезия в баллах определялась по ГОСТ 15140–78 на основе оценки усилия отрыва покрытия от подложки методом решетчатого надреза.
Эластичность пленки при изгибе в мм определялась по ГОСТ 6806–73 с помощью прибора ШГ-1. Метод заключается в определении минимального диаметра металлического цилиндрического стержня, изгибание на котором окрашенной металлической пластинки не вызывает механического разрушения или отслаивания однослойной или многослойной лакокрасочной пленки.
Системы ЛКП подвергались воздействию климатических факторов в соответствии с ГОСТ РВ 20.57.306–98 «Комплексная система контроля качества. Аппаратура, приборы, устройства и оборудование военного назначения. Методы испытаний на воздействие климатических факторов». В качестве климатических факторов старения были использованы: – пониженная влажность (атмосфера азота с гарантированной влажностью, соответствующей точке росы не выше минус 40 С) – повышенная влажность (93±3% при температуре плюс 40±2 С) – пониженная температура (минус 65 С) – повышенная температура (плюс 85 С) – соляной туман (раствор для создания тумана приготавливают из расчета (50±3) г хлористого натрия на 1 л дистиллированной воды) – атмосферные конденсированные осадки (роса и обледенение) (температура от плюс 28±2 до минус 30±2 С, давление от нормального до 22,7 кПа, влажность не менее 95%) – УФ-облучение (интегральная плотность теплового потока 1120 Вт/м 2)
После чего образцы помещались в камеру тепла и влаги MNU-1000CR и выдерживали в течение 3 суток, после чего осматривались на наличие грибов с помощью микроскопа при увеличении 56-60х.
Для выявления глубины деструкции ПМА и идентификации продуктов его биоразложения в присутствии гриба Aspergillus terreus в обедненную питательную среду Чапека-Докса добавляли 1,8 г ПМА, экспозиция составляла 8 недель, после чего проводили хромато-масс-спектрометрический анализ эфирных экстрактов, полученных из среды культивирования. Анализ проводили на хромато-масс-спектрометре Trace GC Ultra/DSQII. Использовалась капиллярная колонка TR 5 MS длиной 30 м и диаметром 0.25 мм. Проба объемом 1 мкл вводилась шприцем в инжектор хроматографа, нагретый до плюс 300 С. Скорость потока газа-носителя (гелий марки М 60) составляла 1 мл/мин. Температура колонки изменялась от плюс 60 до 300 С. Регистрировались масс-хроматограммы в диапазоне массовых чисел 35–300. Катод включался через 4 минуты после ввода пробы (30 секунд после времени выхода пика эфира). Идентификация компонентов смесей осуществлялась с использованием электронной библиотеки масс-спектров «NIST 2005».
Анализировались следующие образцы: образец 1 - диэтиловый эфир (растворитель продуктов биоразложения ПМА), образец 2 - эфирный экстракт дистиллированной воды, образец 3 - эфирный экстракт, полученный из пробы грибов в воде, образец 4 - эфирный экстракт, полученный из пробы пленки ПМА.
Исследование устойчивости к действию микроскопических грибов систем лакокрасочных покрытий после воздействия ряда абиотических факторов (факторов климатического старения)
Известно, что абиотические факторы (факторы климатического старения): влажность, температура, соляной туман, роса и обледенение, УФ-облучение, способны оказывать воздействие на системы лакокрасочного покрытий, в результате чего меняется состав и структура полимеров. Эти воздействия могут оказывать влияние на исходную устойчивость к действию микромицетов систем лакокрасочных покрытий.
В различных ГОСТах, в частности ГОСТ РВ 20.57.306–98, воздействия факторов климатического старения и грибостойкость рассматриваются отдельно без взаимосвязи. В ряде стандартов предполагается (но не является обязательным) проведение испытаний по взаимосвязи процессов старения и биоповреждений материалов. В связи с этим, нами проводилось изучение изменения грибостойкости систем ЛКП, предварительно подвергшихся воздействию ряда климатических факторов.
Анализ результатов экспериментов показал, что все системы лакокрасочных покрытий после воздействия факторов климатического старения изменили устойчивость к воздействию микроскопических грибов. Во всех вариантах наблюдалось снижение устойчивости, т.е. композиции могли служить источниками питания для микромицетов. Действие различных факторов климатического старения изменяло грибостойкость систем ЛКП неоднозначно. В наибольшей степени устойчивость к биоповреждениям систем ЛКП менялась при действии пониженной влажности, обледенения и росы, УФ-облучения, где степень грибостойкости снижалась до 5 балов. Было отмечено, что разные системы ЛКП в различной степени меняют свою грибостойкость под действием факторов климатического старения. Система с эмалью МЛ-165 утратила свои грибостойкие свойства. У эмалей МЛ-12 и ЭП-572, нанесенных на подложку АМЦ (хим. окс. фт.), изменение грибостойкости под действием факторов климатического старения происходило примерно одинаково, но в системе с эмалью ЭП-572 вышеуказанные факторы приводили к более значительному снижению грибостойкости.
В связи с этим, следует отметить, что стандартные методы испытаний материалов на устойчивость к воздействию микроскопических грибов могут рассматриваться лишь в качестве предварительных. Оценка грибостойкости в лабораторных условиях может быть неверной, так как при хранении или эксплуатации данных материалов при действии на них факторов старения их грибостойкость может изменяться. Чтобы располагать более достоверной оценкой грибостойкости, необходимо иметь результаты испытаний композиций в условиях эксплуатации и хранения. Полученные результаты подтверждают ранее высказанное в работах Кряжева Д. В. и соав. (2010) положение о том, что действие факторов климатического старения на устойчивость материалов и изделий к повреждению микроскопическими грибами должно учитываться не только при проведении натурных, но и лабораторных испытаний.
На наш взгляд, полученные нами результаты позволяют прогнозировать поведение изделий РЭА (с точки зрения появления биоповреждений) при эксплуатации в различных климатических зонах с учетом воздействия определенных климатических факторов, рассматриваемых нами.
Следовательно, для более объективной оценки устойчивость к действию. микроскопических грибов систем ЛКП в различных изделиях и для их защиты в различных условиях эксплуатации необходимо руководствоваться следующим: – выбор грибостойких систем ЛКП должен основываться на их индивидуальных испытаниях на грибостойкость; – выявленные в этом случае негрибостойкие системы ЛКП подлежат защите от биоповреждений с помощью специальных биоцидных присадок; – грибостойкие системы должны подвергаться воздействию климатических факторов и повторному испытанию на грибостойкость; – выявленные в этом случае негрибостойкие системы так же должны подвергаться последующей защите
Как уже отмечалось нами выше, среди ЛКМ, используемых в РЭА, могут применяться эмали на основе акриловых полимеров. В связи этим нами исследовалась микробная деструкция полиметилакрилата (ПМА). Длительное воздействие грибов, в том числе и Aspergillus terreus, на ПМА приводит к видимому разрушению самого материала, что показано в работах Мочаловой А. Е., Калашникова И. Н. (Калашников и др., 2011). Для исследования начальных этапов деструкции ПМА и идентификации продуктов его биоразложения в присутствии гриба A. terreus – активного биодеграданта лакокрасочных материалов в обедненную питательную среду Чапека-Докса добавляли ПМА в качестве источника углерода. Длительность деструктивного процесса составлял 8 недель.
Анализировались следующие образцы: образец 1 – диэтиловый эфир (растворитель продуктов биоразложения ПМА), образец 2 – эфирный экстракт дистиллированной воды, образец 3 – эфирный экстракт, полученный из пробы грибов в воде, образец 4 – эфирный экстракт пленки с водой, 5 – эфирный экстракт, полученный из пробы пленки ПМА.
Исследование физико-механических свойств некоторых ЛКМ с введенными биоцидными присадками, подвергшихся действию микроскопических грибов и факторов климатического старения
Результаты проведенных испытаний показали, что наибольшую эффективность проявили биоциды Fungitrol L 30 и Troysan polyphase AF-3. Грибостойкий эффект у всех исследуемых эмалей проявлялся при введении в их состав 0,5–0,75% данных фунгицидов. Фунгицидные свойства материалы приобретали при введении данных биоцидов в концентрациях 0,75–1,0%, исключение составили эмаль ЭП-572 и эмульсия Лакротэн Э-21, фунгицидный эффект для которых достигался при концентрации биоцида 1,25%.
Эмаль ЭП-572 и эмульсия Лакротэн Э-21 получали грибостойкие свойства при введении в состав Rosima 243 и Nuosept 78 в концентрации 0,5%, а фунгицидные – при концентрации 0,75%. Более высокие концентрации данных биоцидов были необходимы для придания грибостойких и фунгицидных свойств другим исследуемым эмалям. Так лак УР-231 приобретал грибостойкость при введении биоцидных присадок Rosima 243 и Nuosept 78 в концентрации 0,75%, а фунгицидность – в концентрациях 1,25% и 1,0% соответственно. У эмалей ФЛ-62, МЛ-165, МЛ-12 и ПФ-115 грибостойкий эффект проявлялся при введении в их состав 1,0–1,25% данных фунгицидов.
Наименьшим защитным эффектом обладал биоцид Биоцик Т. Для придания эмалям грибостойкости требовалось введение препарата в концентрации 1,5% (исключение составили результаты для эмалей МЛ-12 и ПФ-115, где концентрация данного биоцида была несколько выше), а фунгицидности – 2%. Следует отметить, что эмали ФЛ-62 и МЛ-165 при введении в их состав некоторых биоцидов в концентрации 2% не приобретали фунгицидные свойства.
Результаты, представленные в таблице, показывают, что Rosima 243 и Nuosept 78 эффективно защищают материалы на основе эпоксидных и акриловых полимеров, в деструкции которых участвуют грибные оксидоредуктазы (участие данных экзоферментов в деструкции эпоксидных полимеров показано в работе Анисимова А. А. (1979)). Другие ЛКМ они защищают менее эффективно, это позволяет говорить о том, что вероятно в их деструкции принимают участие иные ферменты, поэтому здесь эффективны другие биоциды.
Полученные нами данные в полной мере подтверждают предположение, что подбор максимально эффективных биоцидных добавок для каждого материала должен носить целенаправленный и индивидуальный характер, т.е. опираться на знания механизмов процесса деструкции, в частности агрессивных метаболитов, участвующих в биодеградации, а так же ингибирующего действия биоцидных присадок на эти метаболиты.
Изменение физико-химических свойств лакокрасочных материалов может происходить не только вследствие биоповреждений, но и при изменении состава рецептур. Изменение состава рецептуры может происходить как при введении в их биоцидных присадок, так и при действии на ЛКМ климатических факторов. Кроме этого сами биоцидные добавки могут подвергаться воздействию климатических факторов и это влияние в определенной степени может влиять на защитный эффект рекомендуемых биоцидов.
Нами проводилось исследование ряда технических характеристик ЛКМ (прочность пленки при ударе, адгезия, эластичность) при введении в их состав биоцидных присадок, а также при действии на вышеуказанные материалы климатических факторов (влажность, температура) и грибов. В качестве объектов исследования были использованы эмали МЛ-12, МЛ-165 и ЭП-572 с введенными биоцидными присадками Fungitrol L30, Nuosept 78, Rosima 243, в концентрациях подобранных в ранее проведенных экспериментах (таблица 10). Результаты исследований представлены в таблице 11.
Результаты исследований, представленные в таблице 11 показали, что технические характеристики ЛКП при введение в их состав биоцидов меняются незначительно. Можно отметить лишь незначительные колебания значений прочности пленки при ударе для всех исследуемых эмалей по сравнению с вариантами без биоцидов (таблица 7).
Действие климатических факторов и грибов (таблица 11) на исследуемые образцы вызывают некоторое изменения технических характеристик, в частности, у эмали МЛ-12 снижается эластичность, а у эмали ЛМ-165 увеличивается адгезия. Кроме того, наблюдается незначительное снижение прочности при ударе всех эмалей с введенным биоцидом Nuosept 78, эмалей МЛ-12 и МЛ-165 с Fungitrol L30, а так же ЭП-572 + Rosima 243.
Таким образом, введение в состав лакокрасочных материалов биоцидов, а так же воздействие климатических факторов на данные образцы существенно не изменяют их механические свойства, а полученные характеристики не превышают допустимые показатели, указанные в нормативных документах на данные материалы.
В разделах 3.1, 3.2 нами было показано, что устойчивость к действию микроскопических грибов ЛКМ и систем ЛКП может различаться. Нами предполагалось, что это возможно за счет взаимного влияния различных компонентов систем: подложки (металл, пластик), антикоррозионного покрытия (в случае металлической подложки), грунта, лакокрасочного покрытия. Таким компонентом системы ЛКП может являться и биоцид. Представляло интерес посмотреть изменяется ли его защитный эффект при введении в систему ЛКП по сравнению с вариантом ЛКМ + биоцид.
Ограниченный выбор систем ЛКП и биоцида связан прежде всего с многовариантностью этих систем даже для одной эмали и ограниченными рамками диссертационного исследования. Учитывая многообразие биоцидов и ЛКМ, в данной серии экспериментов нами был взят биоцид Rosima 243 и эмали МЛ-165, МЛ-12 и ЭП-572. Схема подбора эффективной концентрации биоцида была такая же как в разделе 3.10. Результаты экспериментов представлены в таблице 12.