Биоповреждение материалов и изделий и их защита

     Температура среды – важнейший фактор, влияющий на жизнь микробов. Каждому виду микроорганизмов соответствует свой температурный интервал жизнедеятельности и свой оптимум. Микроорганизмы делят на три группы: психрофилы (холодолюбивые) с интервалом жизнедеятельности 0-10 °С и оптимумом ~10 °С; мезофилы (предпочитающие средние температуры) – соответственно 10-40 °С и 25 °С и термофилы (теплолюбивые) – 40- 80 °С и 60 °С.

     Губительное действие высоких температур используют для уничтожения (частичного или  полного) микроорганизмов. Пастеризация – нагрев до 60-70 °С в течение 20-30 мин и до 70-80 °С в течение 5-10 мин, в результате которого погибают вегетативные формы микроорганизмов. Стерилизация – нагрев до 100-130 °С в течение 20-40 мин, при котором уничтожаются практически все формы микроорганизмов, в том числе и споры бацилл.

     Излучение (солнечный свет, особенно ультрафиолетовые лучи)  губительно для микроорганизмов.

     Рентгеновские и другие радиоактивные излучения  в малых дозах стимулируют  развитие некоторых микробов, в больших  дозах убивают их. Электрический ток высокой частоты, механические сотрясения (вибрации), ультразвук уничтожают микроорганизмы, высокие давления влияют слабо.

     Отдельные виды бактерий обитают в океане на глубине до 9 км. Некоторые виды грибов выдерживают давление до 102  МПа.

     Химические  факторы – состав и реакция среды, а также ее окислительно-восстановительные действия. В окружающей среде могут содержаться вещества, которые стимулируют или ингибируют жизнедеятельность микроорганизмов.

     Стимулируют жизнедеятельность микроорганизмов  различные загрязнения. Они же –  важнейший фактор инициирования  процесса биоповреждений. Биоцидное действие для многих микробов оказывают соли тяжелых металлов (ртути, свинца, серебра, меди), галогены, некоторые галоиды и окислители, особенно хлорид бария, перекись водорода, перманганат и бихромат калия, борная кислота, углекислый и сернистый газы, фенол, крезол, формалин. Природа действия этих веществ различна, результат практически один – гибель микроорганизмов.

     Реакция среды – существенный фактор, определяющий жизнедеятельность микроорганизмов. Ее характеризует водородный показатель рН (отрицательный логарифм концентрации ионов  водорода).

     При рН = 0 ... 6,9 – кислые среды; 7,1 ... 14 – щелочные;   7 – нейтральные.

     Большинство бактерий лучше развиваются в  нейтральной и слабощелочной  среде, рН = 7 ... 7,5.

     Для грибов и дрожжей благоприятны среды  с рН = 3 ... 6. В очень кислых и очень щелочных средах микроорганизмы погибают, за исключением специфических видов   (молочно-кислые, уксусно-кислые).

     Окислительно-восстановительные  процессы характеризует показатель гН2 (отрицательный логарифм давления молекулярного водорода, выражающий степень аэробности). При перенасыщении среды кислородом гН2 = 41. Если среда насыщена молекулярным водородом, то гН2 = 0. Равновесие окислительных и восстановительных процессов характеризуется гН2 = 28. Как показано выше, потребность в кислороде у микроорганизмов различна. Анаэробы существуют при гН2 = 8 ... 10, аэробы – при гН2 =10 ... 30. Факультативные анаэробы жизнеспособны при гН2 = 0 ... 30.

     Биологические факторы учитывают взаимоотношения  микроорганизмов в окружающей среде. Они могут быть симбиотическими  и антагонистическими. При симбиозе виды, находящиеся в сожительстве, поддерживают развитие друг друга, извлекая взаимную пользу. Симбиоз может принимать  следующие формы. Метабиоз – использование  продуктов жизнедеятельности одного микроорганизма другим (сапрофиты расщепляют белки до аминокислот, которые служат исходным материалом для нитрофицирующих бактерий). Метабиоз – основная форма взаимоотношений почвенных микробов. Комменсализм – форма существования микроорганизмов, когда они питаются за счет макроорганизмов, не нанося последним ущерба. Мутуализм – также симбиоз микро- и макроорганизмов, выгодный для обоих.

     При антагонизме одни виды микроорганизмов в результате своей жизнедеятельности губят другие. Это происходит косвенным путем: в среде накапливаются продукты жизнедеятельности одних организмов, губительные для других, например, антибиотики микромицетов и грибов подавляют многие бактерии, фитонциды многих растений также обладают бактерицидными свойствами. Возможно подавление прямым путем – паразитизм. Микроб-паразит использует в качестве источника питания другой организм, что приводит к гибели последнего. Явление антагонизма микроорганизмов может служить основой для разработки биохимических и экологических методов защиты от биоповреждений. 

     4.Способы  защиты материалов и изделий  от биоповреждений

           Защитой продовольственных  и непродовольственных товаров  от биоповреждений люди занимаются с  давних времен. Так, в Египте еще 4 тысячи лет назад для предохранения  тканей мумий использовали травы  и специи. Позднее для этой цели использовали кедровое масло. В Сибири для предохранения одежды и продовольствия от моли, прокисания и т.п. мебель и  посуду делали из кедра. Для сдерживания  размножения микроорганизмов в  оде  священнослужители давно  используют серебро. С прошлого века для защиты хлопка и других целлюлозных  материалов от плесени применяли химические вещества: фенол, формальдегид, борную кислоту и прочее.

     Безусловно, лучшим способом защиты материала и  изделий от повреждения микрофлорой  является исключение их контактирования. Однако это практически невозможно, поскольку пока не достижимы технологическое производство и эксплуатация продукции в стерильных условиях. Вместе с тем строгое соблюдение установленных правил производства, хранения и эксплуатации дает возможность существенно повысить устойчивость продукции к воздействию микроорганизмов. В первую очередь это касается смазочно-охлаждающих жидкостей, парфюмерно-косметических изделий и оптических систем.

     Снижение  влажности материалов до 8-10 % также  надежно защищает продукцию от биоповреждения. Обезвоживание успешно и широко применяется для сохранности  тканей, живописи и документов. Для  этого достаточно температуры в  интервале 15-20 С и относительной влажности воздуха 40-60%. При этом практически не отмечается развитие мицелиальных грибов и бактерий. Однако такое решение трудно достижимо при эксплуатации большинства продукции.

     Все возрастающее многообразие материалов, многоэтапный процесс их переработки, эксплуатации и хранения вызывает значительные трудности в борьбе с биоповреждениями. Невозможно создать безвредные для  людей и биосферы универсальные средства защиты, действующие одновременно на все биоповреждающие агенты. Это заставляет обратить внимание на разработку и поиск локальных мер защиты конкретных материалов изделий и сооружений применительно к определенным климатическим зонам и ландшафтам.

     Среди основных методов защиты материалов от биоповреждения можно выделить следующие:

1. Механическое удаление загрязнений;
2. Поддержание правильного санитарно-гигиенического и температурно-влажностного режима  (20>t >60; отностельная влажность окружающего воздуха менее 80%, аэрация);
3. Физические методы защиты ( бактериальные фильтры, ультрафиолет, ультразвук и т.д.)
4. Гидрофобизирование поверхности;
5. Предотвращение проникновения микроорганизмов к объекту биоповреждения (герметизация, очистка воздуха, вакуум, биоцидная газовая среда);
6. Удаление или снижение содержания одного из элементов, необходимого для роста микроорганизмов;
7. Организация биологической защиты (антагонизм и пр.);
8. Создание материалов заданными свойствами по биостойкости (один или несколько компонентов материала обладает биоцидными свойствами);
9. Применение химических средств защиты.

     Химические  средства защиты от биоповреждений, вызываемых грибами, бактериями, насекомыми и другими  микроорганизмами, объединяются в общую  группу биоцидов. Их классифицируют по назначению и объектам применения, биологическому действию, а также составу.

     Химические  вещества, предназначенные для защиты от биоповреждений, могут обладать узким специфическим или широким универсальным биодействием. По этому признаку они в зависимости от объекта воздействия разделяются на фунгициды (против грибов), бактерициды (бактерии), альдегиды (химические препараты из группы гербицидов для уничтожения водных растений в каналах, водохранилищах и т.п.) и моллюскициды (моллюски), инсектециды (насекомые)и др.

     По  характеру действия химические вещества подразделяются на биоциды, уничтожающие микробные возбудители биоповреждений; биостатики, тормозящие рост микроорганизмов; репелленты, отпугивающие насекомых. Поскольку воздействие микрофлоры в большинстве случаев бывает комплексным, то наиболее целесообразно применять биоциды широкого спектра действия. Особый интерес представляют биоциды с ограниченным сроком действия, поскольку с истечением определенного времени снимается вопрос  о токсичности материала. С практической точки зрения интересно использование полимерных биоцидов (оловоорганических и др.), менее опасных для окружающей среды, чем низкомолекулярные соединения. Перспективны также «химические прививки» на полимеры консервирующих веществ, которые имеют активные группы, вступающие в химические реакции с функциональной группой полимера.

     Классификация биоцидов по химическому составу включает следующие группы:

     - спирты, фенолы и производные;

     -альдегиды,  кетоны, органические кислоты и  их производные;

     - четвертичные аммониевые соединения  и соли аминов;

     - элементорганические соединения;

     - гетероциклические соединения.

     Во  многих случаях применяемые на практике биоциды представляют собой не индивидуальные вещества, а их смеси или технические продукты, которые относят к той или иной группе по основному компоненту, ответственному за биоцидные действия.

     При решении проблемы биоповреждения материалов значительное внимание уделяется развитию прикладных методов их защиты от разрушения. Успехи в этой области стали возможны благодаря проведению фундаментальных  исследований, показавших, в частности, наличие тесной связи между химическим строением биостойкостью материла.

     Токсичные для микроорганизмов препараты  обычно вводятся в состав материала  в процессе его изготовления или  с их участием обрабатываются его  поверхности, подверженные микробному поражению. Например, в пластмассы и  лакокрасочные покрытия биоциды вводят тремя способами:

     - в чистом виде в готовую  для обработки смесь

     -готовую  смесь в виде раствора в  пластификаторе 

     - в качестве добавки в пресс-порошок. 

     Применение  биоцидов может преследовать две цели – во-первых, это защита материалов от микроорганизмов; во-вторых, это создание материалов, защищающих человека от действия патогенных микроорганизмов.

     Механические  же способы защиты просты и экономичны, что служит их большим достоинством. Недостатком этих методов является ограниченность их применения для незначительного числа потребительских товаров.

     Предохранение материалов от поражения микроорганизмами и уничтожения последних физическими  способами основаны на создании экстремального температурно-влажностного режима, использование  ионизирующего и ультрафиолетового  излучения, обработки в электромагнитном поле и лучами лазера. Они широко и успешно используются для защиты от биоповреждения оптических приборов. Гамма-излучения эффективно при стерилизации при интегральных микросхем изделий медицинского назначения, функциональные свойства которых не ухудшаются после воздействия. 

     Бактерицидные действия ионизирующих излучений применяется  и для защиты авиационных топлив, смазочных материалов и других специальных  жидкостей от повреждения микрофлорой. При этом радиационная обработка нефтепродуктов может осуществляться в упакованном виде. Для стерилизации топлив можно использовать также высокочастотное и ультрафиолетовое облучение.

     Электрохимические методы широко внедряются для защиты морских гидрохимических соединений, магистральных морских трубопроводов  и водозаборов от обрастания водными  организмами. Эти методы обеспечивают значительный экономический эффект. Вакуум также способен вызвать гибель микрофлоры. Однако характер его действия зависит от природы объекта. Одни микроорганизмы устойчивы к этому  фактору, другие – менее устойчивы, третьи – полностью погибают в  этих условиях.