Изменение физико-химических, диэлектрических свойств и технологических параметров промышленных материалов под влиянием агрессивных метаболитов мицелиальных грибов

Выделяемые плесневыми грибами органические кислоты, ферменты, пигменты и некоторые другие метаболиты вызывают существенные изменения физико-механических, диэлектрических и других свойств материалов, резко ухудшают их технологические параметры. Под влиянием плесени значительно увеличивается интенсивность старения пластмасс. При этом существенно изменяются такие показатели, как прочность на разрыв и относительное удлинение. Пораженный грибами полиуретан уже через 12 недель инкубации во влажной камере при 30°С теряет свои амортизационные свойства, эластичность и быстро раскалывается под давлением и при растяжении. Под влиянием микромицетов у кремнийорганических защитных покрытий увеличивается смачиваемость, коэффициент гидрофильности (Э. З. Коваль, 1982).

Под действием метаболитов грибов в условиях относительной влажности воздуха не ниже 90% и температуре 29°С снижаются напряжение при растяжении (σ_р), относительное удлинение при разрыве (Е_р) и модуль упругости при растяжении (Е) свободных пленок эмалевых покрытий ЭП-525, ЭП-567 по грунтовке AK-070. Под действием плесени полиэфирные покрытия обесцвечиваются, становятся ломкими, приобретают затхлый запах. При воздействии грибов на поливинилспиртовые волокна винол и метилан наблюдаются структурные повреждения материала, снижается прочность волокна, уменьшается его толщина, увеличивается разрывное удлинение. Прочность некоторых стеклопластиков при действии микроорганизмов снижается на 20-30 %.

При обрастании плесневыми грибами оптических систем наблюдается изменение коэффициентов светопропускания и светорассеяния. Даже при сравнительно слабом развитии плесневых грибов на 21-е сутки испытания коэффициент светопропускания уменьшается на 28 %, а коэффициент светорассеяния увеличивается в 5 раз. Большинство плесневых грибов образуют пигментацию светлоокрашенных поверхностей различных материалов. Так, в результате роста грибов на поверхности ПВХ-пластиков светлых тонов появляются пигментные пятна желтого, красного, бурого цвета. Такая пигментация происходит только в кислой среде, при рН 3,5 – 6,8. Поверхность полиэтилена, обросшего плесенью, становится шероховатой и покрывается мозаичными черно-коричневыми пятнами.

Развитие плесневых грибов на электроизоляционных материалах ухудшает их диэлектрические свойства. Образование плесени на поверхности материалов вследствие высокого содержания влаги в клетках грибов (до 90 %) приводит к поверхностным перекрытиям между токоведущими частями. Органические кислоты и некоторые другие метаболиты грибов, обладающие высокой проводимостью, могут быть основной причиной ухудшения диэлектрических свойств: снижения удельного поверхностного и объемного сопротивлений, напряжения пробоя, увеличения тангенса диэлектрических потерь. Частичные разрушения поверхности материала при поражении плесенью также могут оказать влияние на электрические показатели. При этом у эпоксидных компаундов увеличивается тангенс угла диэлектрических потерь и снижается прочность. Поверхность становится матовой, неровной,

У пресс-материалов (типа АГ-4С, К-18-2, АГС, ЛСК) максимальное изменение напряжения пробоя наблюдается в тех местах образцов, которые наиболее сильно поражены плесневыми грибами. В отдельных случаях напряжение пробоя уменьшается после воздействия грибов в 3-5 раз. Удельное объемное и поверхностное сопротивления материалов начинают резко снижаться в момент интенсивного прорастания мицелия, в первые 48-72 ч после начала обрастания их плесневыми грибами. Эту закономерность наблюдали для многих полимерных материалов: полиэтилена, полистирола, фторопластов, полифениленоксида, фенопластов и др. Удаление налета плесени и влаги с дальнейшим кондиционированием образцов полимерных материалов в нормальных условиях восстанавливают ρ_v и ρ_s во многих случаях практически до исходного значения. У разных видов и марок пластмасс степень изменения диэлектрических показателей под влиянием плесневых грибов может существенно различаться. Так, после 12-месячного воздействия плесени при влажности воздуха 97% величина ρ_v у фторопласта Ф-4М, фенопласта К-114-35 практически не менялась, а у фторопласта 8-2М и фенопласта ВХ4-080-34 уменьшалась в 10 раз, у полиэтилена 158-10, полистирола УП-1Э, фенопласта Э6-014-30 – в 100 раз (И. С. Филатов, 1983).

Нефтепродукты в условиях эксплуатации, хранения и транспортировки сильно поражаются микроорганизмами. Следствием этого является резкое ухудшение физико-химических и эксплуатационных свойств топлив, масел, смазок и других продуктов переработки нефти. Накопление продуктов метаболизма грибов, в частности органических кислот, сульфидов, перекисей, сероводорода и т. д., ведет к коррозии металлических поверхностей, с которыми соприкасается пораженный материал, а образуемые гелеобразные осадки забивают трубопроводы, топливные фильтры, отводы для изменения уровня топлива и др. По зарубежным источникам имеют место массовые случаи значительного повреждения коррозией топливных систем самолетов (баков-кессонов) с разрушением герметика и последующей коррозией силовых элементов конструкций. Внутренняя поверхность емкостей для топлива в крыльях самолетов повреждается коррозией почти на 30% всего за 4-месячный срок, глубина коррозионных пятен достигает 0,3 мм. Значительно повышается кислотность топлива, а также содержание в нем смол. Одним из наиболее распространенных микроорганизмов, способных вызывать деструкцию авиатоплива, является гриб Cladosporium resinae, за которым в научно-технической и научно-популярной литературе закрепилось название «керосиновый гриб». По мнению некоторых английских ученых, он явился причиной ряда авиакатастроф, так как развитие этого гриба и других микробов в дистиллятных топливах или водных подушках приводило к образованию большого количества слизеобразных эмульсий, которые забивали топливные фильтры, что и вызывало в конечном итоге нарушение работы двигателя и выход его из строя.

Смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ), используемые при обработке металлов, представляют собой водные эмульсии веществ углеводородной природы. Поэтому при определенных условиях окружающей среды (t°, влажность, рН) СОЖ являются хорошей питательной средой для развития углеводородокисляющих бактерий и многочисленных грибов (Aspergillus, Penicillium, Cladosporium, Trichoderma и др.). Развитие микрофлоры отрицательно сказывается на таких физико-химических и эксплуатационных свойствах СОЖ, как запах, цвет, вязкость, смазочная способность, стабильность, коррозия металлов и пенообразование. Так, многие побочные продукты обмена веществ микроорганизмов имеют сильный неприятный запах (амины, сероводород). В результате ухудшаются санитарно-гигиенические свойства эмульсии и затрудняется применение СОЖ в условиях производства. Очень часто СОЖ под воздействием микроорганизмов изменяет свой первоначальный цвет: сульфиды металлов, образующиеся в результате жизнедеятельности сульфатвосстанавливающих бактерий, делают СОЖ темной и даже могут превращать ее в черную. Сульфиды могут также образовывать черные пятна на оборудовании и обрабатываемом металле. Побочные продукты жизнедеятельности микроорганизмов (органические кислоты, сульфиды) способствуют появлению разноцветных пятен на железе, никеле, меди, молибдене, алюминии и других металлах. Присутствие большого количества микроорганизмов повышает вязкость СОЖ, а большая биомасса различных бактерий и грибов способна закупорить насосы, трубопроводы и откладываться в емкостях, что создает дополнительные трудности в работе.

СОЖ содержат различные масла (минеральные, животные, растительные), а также реагенты, используемые для смазывания и смачивания инструмента, стружки и обрабатываемой детали. Микроорганизмы способны разрушать эти компоненты, что приводит к увеличению трения и как следствие – к ухудшению качества шлифовки поверхности детали и уменьшению срока службы инструментов. Накапливающиеся продукты метаболизма, в частности органические кислоты, сероводород и перекиси, попадающие в СОЖ, могут вызывать коррозию оборудования и обрабатываемых деталей. СОЖ, подверженные микробиологической коррозии, часто приводят к дерматитам и желудочно-кишечным заболеваниям у рабочих-станочников, так как пораженная смазка служит благоприятной средой для развития патогенных бактерий.

Следствием развития плесневых грибов на резинах является появление пигментных пятен, потускнение поверхности, неприятный запах. Волокна плесеней, растущих на изоляционных резинах, ухудшают поверхностное электросопротивление. Образование плесени на уплотнительных резиновых деталях вызывает потерю герметичности конструкций, а в соединительных (или проводящих) трубках (шлангах) прекращение подачи топлива или кислорода, что может приводить к авариям. В ряде случаев плесневые грибы вызывают изменения прочностных показателей резин. Кроме того, появление плесени на резинах может ухудшать оптические и антикоррозионные свойства соприкасающихся с резинами материалов. Большой экономический ущерб наносят микроорганизмы, повреждая волокнистые материалы в виде сырья и готовых изделий. Особенно подвержены биоразрушениям натуральные волокна: хлопок, лен, шерсть. Развиваясь на этих материалах, микроорганизмы вызывают их частичное или полное разрушение, уменьшают прочность на разрыв, изменяют окраску и ухудшают прядильные свойства волокон.

Многие виды грибов разрушают памятники культуры, живописи, художественные изделия из кожи, кости, керамики и дерева. Эти повреждения могут быть механическими, когда гифы, развиваясь в виде окрашенных налетов, искажают изображение, и химическими, в результате которых происходит ферментативное разложение компонентов живописи, приводящее к ослаблению пленки и ее отслаиванию. Кроме этого грибы, поражающие произведения искусства, выделяют органические кислоты, пигменты и другие метаболиты, являющиеся факторами повреждения. Пигментные пятна, образующиеся в результате жизнедеятельности грибов, практически невозможно удалить с произведений живописи, выполненных на текстильных тканях, так как пигменты грибов, окрашенный мицелий и продукты его разложения глубоко внедряются между волокнами тканей.

Вопрос о повреждении металлов грибами наименее изучен, поскольку до недавнего времени предполагали, что биоповреждения металлов вызываются главным образом бактериями. Однако грибная коррозия металлов существует, и в ряде случаев она наносит не меньший вред производству, чем бактерии. Удерживая на поверхности металлов влагу и выделяя органические кислоты, грибы способствуют коррозии деталей из латуни, меди, стали, алюминия и его сплавов. Продукты микробиологической коррозии, а также мицелий грибов, образующий мосты между металлическими контактами изделий, способствуют появлению электролитов на поверхности контактов и приводят к замыканию электрических цепей или к ухудшению электрических параметров изделий. Гриб А. niger вызывает сильную питтинговую коррозию сплава В95А-Т1-0 и полное растворение образца сплава свинца на 15-е сутки. Массовые потери от коррозии после испытания в течение 12 суток в присутствии А. niger достигли для алюминия 4 г/м², для меди 18 г/м², для железа 33 г/м², что в 4 раза превышает потери каждого металла от коррозии в контроле. Основным фактором, вызывающим коррозию металлов в присутствии грибов, является изменение физико-химических свойств среды в процессе метаболизма, о чем свидетельствует изменение рН, окислительно-восстановительного потенциала среды, стационарных потенциалов металлов. Изменение электрохимического поведения сплава свинца в средах, содержащих грибы, по сравнению с контролем объясняется значительным увеличением скорости анодного растворения. У сплава алюминия в этих условиях происходит сдвиг потенциала питтингообразования в отрицательную сторону.

При испытании пластинок из электролитической меди, полученных в различных условиях спекания и отжига, в солевой среде после нанесения взвеси конидий грибов на поверхность их, а также при их погружении в культуральную среду после роста А. niger и А. flavus были выявлены рост грибов и повреждение пластинок во всех вариантах опыта. Наблюдалось поражение грибами отдельных видов порошковых материалов и биметаллической проволоки при экспериментальном изучении и в условиях тропического климата. Высказано предположение, что как первичный механизм повреждения следует рассматривать внедрение гиф грибов в определенные участки поверхности образца, а как вторичный – действие на поверхности продуктов их метаболизма.

Исследование характера действия отдельных метаболитов, выделенных из грибов, на промышленные материалы только еще начинается, однако уже имеются интересные результаты. Так, в опытах кафедры биохимии Горьковского государственного университета с эпоксидными компаундами тангенс диэлектрических потерь (tg б) значительно увеличивался при действии яблочной, щавелевоуксусной, щавелевой кислот (от 0,028 до 0,037). Лимонная, фумаровая, янтарная и α-кетоглутаровая кислоты влияли на tg б в меньшей степени. Ухудшение такого показателя, как ε (диэлектрическая проницаемость), наблюдалось только при действии щавелевоуксусной и янтарной кислот, тогда как другие органические кислоты практически не изменяли эту характеристику. На ρ_v и ρ_s (удельное объемное и поверхностное сопротивления) все органические кислоты значительного влияния не оказали.

Ю. П. Нюкша и сотр. исследовали влияние ферментного препарата целлюлазы в 1 % -ной концентрации на физико-механические показатели целлюлозосодержащих материалов (бумагу и ткань). Установлено, что под действием целлюлаз снижается прочность бумаги на излом, прочность ткани на разрыв и падает степень полимеризации целлюлозы. Снижение сопротивления бумаги на излом наблюдалось также под действием раствора органических кислот, состоящего из щавелевой, молочной, янтарной, яблочной и лимонной кислот в равном соотношении в концентрации 30 г/л.


Смотрите также:
Биоповреждения
Особенности защиты материалов, изделий и сооружений от повреждения насекомыми
Особенности строения грибов
Способы размножения грибов