Биоповреждения синтетических волокон

Синтетические волокна по структуре принципиально отличаются от натуральных и искусственных волокон и, будучи для микроорганизмов инородным субстратом, повреждаются ими труднее. После появления синтетических тканей примерно в 1950;е гг. предполагали, что они «вечные» и не подвергаются утилизации микроорганизмами. Однако со временем было установлено, что, во-первых, микроорганизмы, хотя и медленнее, но все же способны заселять синтетические ткани и утилизировать их углерод в процессе развития (т.е. вызывать биоповреждения), и, во-вторых, среди синтетических тканей есть и более, и менее стойкие к воздействию микроорганизмов.

Среди микроорганизмов, повреждающих синтетические волокна, идентифицированы грибы рода Trichoderma, которые на начальных стадиях развиваются за счет замасливателей и аппретов, не повреждая волокна, а затем опутывают их мицелием, разрыхляют нити и тем самым снижают прочность тканей.

При изучении биостойкости тканей из нитрона, лавсана, капрона было установлено, что почвенные грибы и бактерии оказывают примерно одинаковое влияние на характеристики этих тканей, вызывая повышение степени набухания волокон на 20 — 25%, снижение прочности на 10 — 15% и уменьшение относительного разрывного удлинения на 15 — 20%.

Синтетические волокна — потенциальный источник энергии и питания микроорганизмов. Способность микроорганизмов прикрепляться к поверхности нерастворимых твердых тел, используя их в дальнейшем в качестве питательного субстрата, достаточно известна. Живые клетки микроорганизмов имеют сложное строение, только на поверхности бактериальных клеток обнаружены комплексы белков, липидов, полисахаридов; она содержит гидрофильные и гидрофобные участки, разнообразные функциональные группы, мозаичный электрический заряд (при суммарном отрицательном заряде клеток).

Первый этап процесса взаимодействия микроорганизмов с синтетическими волокнами правомерно рассматривать с позиций теории адгезии с учетом особенностей структуры и свойств микроорганизмов как биологической системы.

Весь процесс воздействия микроорганизмов на волокно можно условно разделить на несколько этапов: прикрепление к волокну, рост и размножение на волокне, использование его в качестве источника питания и энергии.

Ферменты, выделяемые бактериями, действуют только в непосредственной близости от оболочки бактерий. Адсорбируясь на волокне, жизнеспособные клетки закрепляются на поверхности и адаптируются к новым условиям существования. Способность адсорбироваться на поверхности синтетических волокон обусловлена:

особенностями химической структуры волокон. Так, к адсорбирующим микроорганизмы волокнам относятся полиамидные и поливинилспиртовые; к волокнам, практически не адсорбирующим микроорганизмы, относится, например, волокно фторин;

физической структурой волокна. Например, волокна с меньшей линейной плотностью, с замасливателем на поверхности поглощают большее количество микроорганизмов;

наличием на поверхности волокна электрического заряда, его величиной и знаком. Химические волокна, заряженные положительно, адсорбируют практически все бактерии, а волокна, не имеющие электрического заряда, адсорбируют большинство бактерий, волокна с отрицательным зарядом бактерии практически не адсорбируют.

Надмолекулярная структура также обуславливает возможность микроорганизмов и их метаболитов диффундировать во внутренние участки волокна. Освоение волокна микроорганизмами начинается с его поверхности, однако дальнейшее протекание процессов деструкции и их скорость определяется микрофизическим состоянием волокна. Проникновение продуктов жизнедеятельности микроорганизмов во внутренние участки волокон и в глубинные слои кристаллического материала возможно лишь при наличии капилляров.

Повреждению химического волокна, протеканию процессов деструкции, начинающихся с поверхности, во многом способствуют дефекты в виде трещин, сколов, вмятин, которые могут возникнуть в процессе получения и отделки волокон. биостойкость синтетический микроорганизм Не только физическая, но и химическая неоднородность может способствовать процессу биодеструкции синтетических волокон. Химическая неоднородность возникает при производстве полимера и его тепловых обработках и проявляется в различном содержании в материале мономеров, тех или иных концевых групп. Возможность проникновения продуктов обмена микроорганизмов в структуру синтетических волокон зависит от количества и доступности функциональных концевых групп полимера, которые в большом количестве содержаться в олигомерах.

Способность синтетических волокон к набуханию также облегчает проникновение биологических агентов во внутренние малоупорядоченные участки волокон и приводит к ослаблению межмолекулярных взаимодействий, разориентации макромолекул, деструкции в аморфной и кристаллической областях. Следствием структурных изменений является снижение прочностных свойств волокон.

Экспериментально удалось подтвердить теоретические положения, что полиамидные волокна с менее упорядоченной структурой (невытянутые капрон и анид; капрон и анид разных режимов термообработки), а также полиамидные волокна с большим содержанием олигомеров отличаются меньшей устойчивостью к воздействию микроорганизмов, чем волокна с хорошо организованной структурой и меньшим содержанием низкомолекулярных соединений.

Таким образом, наиболее быстрому возникновению и протеканию процесса биодеструкции синтетических волокон способствуют слабая упорядоченность и малая степень ориентации макромолекул волокон, их низкая плотность, невысокая кристалличность, а также наличие дефектов в макрои микроструктуре волокон, поры и пустоты в их внутренних участках.

Более стойкими к микробиологическим повреждениям являются волокна на основе карбоцепных полимеров — полиолефинов, полихлорвинила, полифторвинила, полиакрилонитрила, поливинилового спирта. Менее биостойки волокна на основе гетероцепных полимеров — полиамидные, полиэфирные, полиуретановые и др.

При сравнительных почвенных испытаниях на биостойкость искусственных и синтетических волокон было показано, что вискозное волокно полностью разрушается на 17-е сут. испытаний, на лавсане колонии бактерий и грибов появляются на 20-е сут., капрон обрастает мицелием грибов на 30-е сут. Наиболее биостойкими оказались хлорин и фторлон, начальные признаки биоповреждений которых проявлялись только через 3 мес. после начала испытаний.

При изучении биостойкости тканей из нитрона, лавсана и капрона было установлено, что почвенные грибы и бактерии оказывают примерно одинаковое влияние на характеристики этих тканей, вызывая увеличение степени набухания волокон на 20 — 25%, снижение прочности на 10 — 15% и уменьшение относительного разрывного удлинения на 15 — 20%. При этом в целом нитрон показал лучшие значения биостойкости, чем лавсан и капрон.

Установлено, что многие виды бактерий могут использовать полимерные волокна как единственный источник углерода и азота. Например, из е-капролактам выделено до 15 видов таких бактерий. Доказано, например, что капроновые волокна могут служить единственным источником углерода и азота для бактерий штамма Bacillus subtilis К1, при этом происходит выделение е-аминокапроновой кислоты, которая затем также утилизируется этой бактерией.

При воздействии микроскопических грибов Aspergillus niger на капроновые волокна увеличивается количество концевых карбоксильных и аминогрупп, что также свидетельствует о химическом воздействии микроскопических грибов на синтетические волокна.