CC BY
140
Физико-химическая биология Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2010, № 2 (2), с. 536-540
УДК 579.66:[620.193.8+504.054]
УСТОЙЧИВОСТЬ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ СИНТЕТИЧЕСКИХ И ПРИРОДНЫХ ПОЛИМЕРОВ К ДЕЙСТВИЮ МИКРОМИЦЕТОВ В ПРИРОДНЫХ УСЛОВИЯХ
© 2010 г. Д.В. Кряжев, В.Ф. Смирнов, А.Е. Мочалова, О.Н. Смирнова,
Е.А. Захарова, КА. Зотов, ЛА. Смирнова
Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского
fungo .cem@gmail.com
Поступила в редакцию 02.11.2009
Исследована устойчивость к действию микромицетов 14-и новых полимерных композиций на основе синтетических и природных полимеров. Идентифицированы до вида и выделены в чистую культуру грибы - активные деструкторы данных композиций, рост которых был обнаружен на материалах в природных условиях. Выявлены биостойкие и биоутилизируемые полимерные композиции. Показана зависимость видового состава деструкторов от химического состава композиций.
Ключевые слова: полимерные композиции, природные и синтетические полимеры, микромицеты-деструкторы, чистые культуры, видовой состав, микробиологическая стойкость, агрессивные метаболиты.
Введение
Биостойкость и биоразлагаемость различных полимерных материалов является важной эко-лого-технологической проблемой [1]. Один из важнейших аспектов этой проблемы - устранение бытовых отходов и отходов промышленных производств [2]. Известно, что немаловажную роль в процессах деструкции материалов играют микроскопические грибы. Мощность ферментных систем, их разнообразие и лабильность позволяют этой группе живых организмов использовать в качестве источников питания различные полимеры как природного, так и синтетического происхождения [3].
В последнее время большое внимание уделяется получению полимерных композиций на основе природных (хитин, хитозан, крахмал, целлюлоза) и синтетических полимеров. Преимуществом таких материалов является их регулируемая устойчивость к действию микроорганизмов, что позволяет получать композиции как биостойкие, так и, напротив, легко биоразлагаемые.
Важной биотехнологической задачей является поиск эффективных микроорганизмов (мик-ромицетов) - деструкторов полимерных композиций. Целью данной работы являлось выявление и выделение в чистую культуру микроскопических грибов - активных биодеградантов исследуемых композиций, а также сравнение микробной устойчивости материалов в зависимости от их химического состава и видов биодеструкторов.
Экспериментальная часть
В качестве объектов исследования были использованы полимерные композиции, состав которых представлен в табл. 1
Результаты и их обсуждение
На первом этапе работы ставилась задача выделить из природной среды «дикие» штаммы микроорганизмов, способные участвовать в деструктивных процессах исследуемых полимерных композиций. Моделью природных условий служили условия хранения (складские помещения) одного из предприятий Нижнего Новгорода (влажность 80% и более, температура 28±2°С). С обследуемых материалов в чистые культуры нами были выделены 168 изолятов, относящихся к 3 классам, 4 порядкам, 5 семействам, 27 видам (табл. 2).
Известно, что не все виды грибов, рост которых обнаруживается на полимерных материалах, являются истинными деструкторами, т.е. способными использовать сам материал (его компоненты) в качестве источника питания. На полимерных материалах могут находиться случайные штаммы, рост которых происходит за счет утилизации ими различных органических загрязнений, находящихся на поверхности материалов.
Нами в лабораторных условиях исследованные образцы полимерных композиций были очищены от внешних загрязнений и инокулиро-
Устойчивость композиционных материалов к действию микромицетов в природных условиях 537
Таблица 1
Истинные деструкторы полимерных композиций, выделенные в природных условиях
№ образца Полимерная композиция Истинные деструкторы
1 Прив. сп. ХТЗ-МА, 1:1 Aspergillus niger Aspergillus terreus Paecilomyces carneus Penicillium martensii
2 Блок-сополимер ХТЗ-МА, 1:1.3 Aspergillus niger Aspergillus terreus Paecilomyces carneus Penicillium martensii
3 Прив. сп. ХТЗ-АА; 1:4.2 Aspergillus flavus Aspergillus terreus Aureobasidium pullulans Paecilomyces carneus Penicillium martensii
4 Смесь прив. сп. ХТЗ-АА + пАА, 1:1.7 Aureobasidium pullulans Paecilomyces carneus Penicillium martensii
5 Прив. сп. ХТЗ-АН, 1:1 Paecilomyces carneus Penicillium cyclopium Penicillium martensii
6 Блок-сп. ХТЗ-МА, солевая форма, 1:1.3 Aspergillus terreus Paecilomyces carneus
7 ПВХ:ХТЗ:пластификатор, 1:0.1:1 Aspergillus flavus Aspergillus terreus Paecilomyces carneus
8 ПВХ:ХТЗ:пластификатор, 1:0.2:1 Paecilomyces carneus Penicillium cyclopium Penicillium martensii
9 ПВХ:крахмал:пластификатор, 1:0.5:1 Alternaria alternata Aureobasidium pullulans
10 ПВС:крахмал, 1:0.25 Aspergillus niger Aspergillus terreus Penicillium cyclopium
11 ПВХ:опилки:пластификатор, 1:0.2:1 Chaetomium globosum Cladosporium herbarum Trichoderma viride
12 ПВХ:опилки:пластификатор, 1:0.5:2 Aspergillus flavus Trichoderma koningii Trichoderma viride
13 ПВХ:этилметилцеллюлоза: пластификатор, 1:0.2:1 Aspergillus terreus Penicillium funiculosum Penicillium cyclopium
14 ПВХ:оксиэтилцеллюлоза: пластификатор, 1:0.2:1 Aspergillus terreus Penicillium purpurogenum
Таблица 2
Видовой состав микромицетов, выделенных с полимерных композиций в природных условиях
Alternaria humicola Botryosporium longibrachiatum Penicillium cyclopium
Alternaria alternata Botrytis terrestris Penicillium fellutanum
Aspergillus flavus Chaetomium globosum Penicillium funiculosum
Aspergillus niger Cladosporium herbarum Penicillium lanosum
Aspergillus sydowi Fusarium culmorum Penicillium martensii
Aspergillus terreus Fusarium oxysporum Penicillium purpurogenum
Aspergillus ustus Monilia sitophila Stemphylium macrosporoideum
Aspergillus versicolor Mucor globosus Trichoderma koningii
Aureobasidium pullulans Paecilomyces carneus Trichoderma viride
Устойчивость полимерных композиций к диким культурам микромицетов
№ образца (номера образцов соответствуют представленным в табл. 2) Виды грибов/ рост в баллах
Тг. koningii НУ-ГЗ/5 Тг. УІГІСІЄ НУ- ГЗ/2 Раес. сагпеш НУ- ГЗ/15 р. таНепяіі НУ-ГЗ/12 А. ¡еггеыя НУ- ГЗ/10 А. niger НУ- ГЗ/1 А. /1а\ш НУ- гз/з АыгеоЬая. риііиіапя НУ-ГЗ/8 р. сусіоріит НУ-ГЗ/4 АН. акетакі НУ-ГЗ/2 С/гае?. globosum НУ-ГЗ/11 Р. /ипісиїояит НУ-ГЗ/7 Р. purpurogenum НУ-ГЗ/13
1 1 1 3 3 3 3 3 2 2 1 1 2 2
2 1 2 3 3 4 3 2 1 1 2 1 2 1
3 1 1 2 2 2 1 2 2 1 1 0 1 0
4 1 1 2 2 1 1 1 2 0 1 0 1 0
5 1 2 4 4 3 2 1 2 4 1 1 1 1
6 0 1 2 2 1 1 0 1 0 1 0 1 0
7 0 1 2 1 2 0 3 1 1 0 1 0 1
8 1 1 2 2 1 1 2 1 1 1 0 1 1
9 0 1 1 1 0 1 1 2 1 2 0 1 0
10 1 2 2 1 5 4 3 2 4 2 2 2 1
11 1 2 1 1 1 0 1 0 1 1 2 0 0
12 2 2 0 1 1 0 2 0 0 0 2 1 0
13 1 1 0 1 2 0 1 0 2 0 1 2 0
14 1 1 0 0 2 0 1 0 1 0 1 0 2
ваны спорами изолятов грибов, выделенных с соответствующих материалов в чистую культуру. Как видно из табл. 1, истинными деструкторами полимерных материалов оказались только штаммы микромицетов, относящихся к 13 видам, тогда как рост других штаммов, относящихся к 14 видам, происходит за счет внешних загрязнений.
Сравнение видового состава истинных деструкторов с химическим строением исследуемых полимеров (табл. 1) показало следующее. На всех видах композиций, содержащих хитозан, наблюдался рост Paecilomyces carneus и Penicillium martensii. Известно, что эти грибы характеризуются высокой ферментативной активностью гликозидаз (хитиназ и хитозаназ), что позволяет им успешно утилизировать хито-зан. Грибы Aspergillus terreus, A. niger известны как мощные продуценты эстераз, этим, вероятно, и объясняется их рост на материалах, содержащих метилакрилат и поливиниловый спирт. Высокая активность протеолитических ферментов и ряда оксидоредуктаз (каталаза, пероксидаза, фенолоксидаза) характерна для Aspergillus flavus, A. terreus, Aureobasidium pullulans. Это объясняет их рост на полиамидных и поливинилхлоридных композициях. Trichoderma viride, Penicillium cyclopium, P. purpurogenum отличаются высокоактивным комплексом целлюлитических ферментов, поэтому рост представителей этих видов биохимически обоснован на композициях, содержащих целлюлозу. Следует отметить, что среди видов грибов - природных деструкторов выявлены виды, которые используются при стандартных испытаниях (стандартные тест-культуры) полимерных материалов на устойчивость к действию микроскопических грибов по ГОСТ 9.049-75(91) [4].
Ранее нами было показано, что 14 новых полимерных композиций на основе синтетических и природных полимеров способны проявлять различную устойчивость к действию стандартных культур микромицетов по ГОСТ 9.049-75(91). В частности, все композиции на основе ПВХ, полученные по пластизольной технологии с включением других биодеградируемых компонентов, оказались высоко устойчивым субстратом для тест-культур (образцы № 7-9 и № 11-14). Блок-сополимер хитозана в солевой форме и метилакрилата (образец № 6) проявил высокую устойчивость к действию микроскопических грибов. Напротив, композиции на основе хитозана и метилакрилата (образцы № 1 и № 2) по отношению к большинству тест-культур являются легко биоутилизируемыми. Также легко утилизируемыми грибами компо-
зициями были: сополимер хитозана и акрило-нитрила (образец № 5), смесь поливинилового спирта с крахмалом (образец № 10). В качестве активных деструкторов композиций выступали культуры Aspergillus niger, A. terreus, Penicillum cyclopium, P. chrysogemum, Trichoderma viride.
Представляло интерес сравнить способность исследуемых полимерных композиций использоваться в качестве источника питания стандартными и «дикими» культурами микромицетов. В этих опытах нами использовались наиболее активные «дикие» штаммы грибов, рост которых наблюдался на исследуемых полимерных композициях. Результаты данных исследований представлены в табл. 3.
Полученные результаты показывают, что тенденция устойчивости полимерных композиций различного состава к действию штаммов «диких» микромицетов аналогична действию на полимерные композиции стандартных тест-культур грибов. Однако следует отметить, что дикие штаммы проявили более низкие деструктивные способности по сравнению со стандартными тест-культурами грибов. Исключение составлял гриб Aspergillus flavus, который в ряде случаев вызывал более интенсивную деструкцию исследуемых полимеров по сравнению со стандартными культурами. Таким образом, «дикие» штаммы микромицетов наряду со стандартными культурами могут быть рекомендованы для использования в биотехнологических процессах, связанных с разработкой методов биоутилизации отходов на основе синтетических и природных полимеров.
Заключение
Выявлены и выделены в чистые культуры 43 штамма диких микромицетов, способных участвовать в деструкции полимерных композиций на основе синтетических и природных полимеров. Показано, что не все штаммы грибов, рост которых наблюдался в природных условиях, являются истинными деструкторами исследованных материалов. Большая часть из них способна осуществлять свой рост за счет внешних загрязнений.
Выполнено сравнение устойчивости композиций к действию микромицетов («диких» и стандартных) культур. Показано, что среди сме-севых композиций имеются как биостойкие, так и биоутилизируемые. Степень биостойкости композиций приблизительно одинакова при действии как «диких», так и стандартных культур, хотя у последних деструктивные способности более ярко выражены. Установлено, что грибостойкость композиций может быть связа-
на как с их химической рецептурой, так и с видовым составом микромицетов-деструкторов.
Работа выполнена при финансовой поддержке АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы (2009—2010 годы)» в рамках проекта № 1056.
Список литературы
1. Легонькова О.А., Сухарева Л.А. Тысяча и один полимер от биостойких до биоразлагаемых. М.: РадиоСофт, 2004. 272 с.
2. Пономарева В.Т., Лихачева Н.Н., Ткачик З.А. Использование пластмассовых отходов за рубежом // Пластические массы. 2002. № 5. С. 44-48.
3. Васнев В.А. Биоразлагаемые полимеры // Вы-сокомолек. соед. Сер. Б. 1997. Т. 39. № 12. С. 20732086.
4. ГОСТ 9.048-75-Г0СТ 9.055-75. Методы испытаний на микробиологическую устойчивость, единая система защиты от коррозии и старения материалов и изделий. М.: Гос. ком. стандартов Совета министров СССР, 1978. 63 с.
STABILITY OF SYNTHETIC AND NATURAL POLYMER COMPOSITE MATERIALS TO THE ACTION OF MICROMYCETES UNDER NATURAL CONDITIONS
D. V. Kryazhev, V.F. Smirnov, A.E. Mochalova, O.N. Smirnova, E.A. Zakharova, K.A. Zotov, L.A. Smirnova
The resistance of 14 new synthetic and natural polymer compositions to the micromycete action has been studied. Active micromycetes-destructors whose growth has been found on the compositions under natural conditions have been identified to the species level and isolated in pure culture. Bio-resistant and bio-utilizable polymeric compositions have been revealed. The dependence of species composition of destructors on chemical composition of polymer compositions has been shown.
Keywords: polymer compositions, natural and synthetic polymers, micromycetes-destructors, pure cultures, species composition, microbiological resistance, aggressive metabolites.
