CC BY
47
Е. Л. Пехташева, А. Н. Неверов, Г. Е. Заиков,
В. И. Бутовецкая
МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВРЕЖДЕНИЕ ХЛОПКОВЫХ ВОЛОКОН
Ключевые слова: хлопок, волокно, повреждение, микроорганизмы, стойкость, старение.
Определены количества клеток микроорганизмов на хлопковых волокнах различного сорта до и после действия микрофлоры. Микробиологическая деструкция как природных, так и синтетических полимеров сопровождается на начальных этапах разрушением неупорядоченных (аморфных) областей, которые играют роль «цемента», скрепляющего структуры в полимерных материалах.
Keywords: cotton, fiber, damage, microorganisms, resistance, aging.
The number of microbial cells on the cotton fibers of different grades was determined before and after the action of microorganisms. Microbial degradation of both natural and synthetic polymers is accompanied on the initial stages by the destruction of disordered (amorphous) regions, which play the role of "cement" bonding the structure in polymeric materials.
Целью исследования являлось определение количе- ствия спонтанной микрофлоры в течение 14-
ства клеток микроорганизмов на хлопковых волокнах 1 и 28 суток инокуляции. Результаты представле-
5 сортов (средневолокнистый, Казахстан) до и после дей- ны в таблице 1.
Таблица 1 - Количественный и качественный состав микроорганизмов, выделенных из образцов хлопка после различных сроков действия спонтанной микрофлоры (на 1 г волокна)
Сорт хлопкового волокна Время действия микроорганизмов, сутки Количество грибных про-пангул Виды микроорганизмов Количество бактериальных клеток
1 сорт Исх. (контроль) 2,8-104 Asp. niger, Asp. terreus, Pen. sp. 3,9404
14 2,4-106 Asp. niger, Asp. ochraceus-group, Asp. oryzae-group, Pen. sp. Не определяли
28 2,6-107 Asp. niger, Asp. terreus, Asp. oryzae-group, Pen. sp., Rhizopus sp. 3,2408
5 сорт Исх.(контроль) 7,8^104 Asp. niger, Asp. terreus, Asp. oryzae-group, Pen. sp., Rhizopus sp. 6,6^ 105
14 7,4406 Asp. niger, Asp. terreus, Asp. oryzae-group, Pen. sp., Mucor sp., Acremonium sp. Не определяли
28 5,4107 Asp. niger, Asp. terreus, Asp. oryzae-group, Pen. sp., Rhizopus sp. 4,5408
С исходных хлопковых волокон, включенных в исследование, методом разведения [1, 2, 3] были выделены различные микроорганизмы, количество которых в зависимости от сорта колеблется от 2,8-104 грибных и 3,9-104 бактериальных клеток на 1 г волокна у 1 сорта до 7,8-104 грибных и 6,6-105 бактериальных клеток на 1 г волокна у 5 сорта.
Через 28 суток инкубации у волокон 1 сорта обнаружено на 1 г волокна 2,6-107 грибных и 3,2-107 бактериальных клеток. У волокон 5 сорта - 5,4-107 грибных и 4,5-108 бактериальных клеток.
Видовое разнообразие микромицетов всех образцов представлено практически одинаковыми видами: Aspergillus niger, Penicillium sp., Aspergillus terreus. У исходных образцов 5 сорта выделено большее количество родов микромицетов (таблица 2).
Через 28 суток развития спонтанной микрофлоры видовой состав хлопковых волокон 1 и 5 сорта совершенно идентичен.
Полученные данные свидетельствуют о том, что, как правило, чем больше засоренность
и более низкая сортность, тем большее количество микроорганизмов содержится на нем в исходном состоянии.
Однако количество микроорганизмов не является прямым показателем биостойкости волокна и его плохого качества: многие микроорганизмы, попадающие на него из окружающей среды, могут не стать деструкторами волокна. Биостойкость хлопкового волокна, по-видимому, в большей степени зависит от особенностей структуры самого волокна, т. е. может ли оно стать доступным источником питания.
С помощью сканирующей электронной микроскопии можно наблюдать изменения структуры волокна и рост микроорганизмов на нем.
На рис. 1 представлена микрофотография поверхности хлопкового волокна 1 сорта после действия спонтанной микрофлоры в течение 7 суток. Как видно на микрофотографии, бактериальные клетки скапливаются в местах повреждения волокна, на хорошо заметных трещинах.
На рис. 2 показана поверхность хлопкового волокна 1 сорта после действия культуры Asp. niger в течение 14 суток. На поверхности волокна виден мицелий.
Рис. 1 - Хлопок 1 сорта, 7 суток экспозиции (спонтанная микрофлора) (х 10000)
Рис. 2 - Хлопок 1 сорта, зараженный Asp. niger, после 14-й суточной экспозиции (х 3000)
Согласно нашей гипотезе микробиологическая деструкция как природных, так и химических полимеров сопровождается на начальных этапах разрушением неупорядоченных областей (аморфных), которые играют роль «цемента», скрепляющего любую структуру. За счет утилизации микроорганизмами низкомолекулярных фракций, возможно повышение средней молекулярной массы материала, в дальнейшем может происходить и разрушение более упорядоченных областей.
Для исследования изменения структуры хлопкового волокна использовали метод ЭПР-зонд-радикала. Полученные ЭПР-спектры (рис. 3) имеют простой триплет, показывающий только быстрое движение радикала во всех образцах. Выявлено, что после воздействия микроорганизмов время корреляции зонд-радикала, введенного в структуру, возрастает в 1,6—1,4 раза, а скорость вращательного движения радикала снижается (табл. 2).
Таблица 2 - Время корреляции (т) зонд-радикала в образцах хлопковых волокон при воздействии спонтанной микрофлоры
Ботани- ческий сорт Про- мыш- лен- ный сорт т І - O с
Ис- ходн. (кон- троль) Время действия микроорганизмов, сутки
7 2S
Казахстан (30-38) 1 9,S 11,5 16,0
Казахстан (30-38) 5 12,6 15,7 1S,3
Таджики- стан 1 11,7 13,1 13,4
Таджики- стан 5 13,1 13,4 15,4
Как следует из полученных данных, у хлопковых волокон в результате действия микроорганизмов происходит увеличение «внутренней вязкости» системы, и тем больше, чем ниже сортность хлопкового волокна. Это согласуется с выдвинутым нами предположением о преимущественном разрушении микроорганизмами аморфных неупорядоченных участков волокна, приводящим к относительному увеличению доли упорядоченной фазы, где подвижность зонд- радикала ниже. Со снижением сортности волокон их устойчивость к микробиологическому разрушению уменьшается, приводя к более заметным изменениям скорости вращения зонд-радикала.
Методом светорассеяния на установке «Coulter» исследовали распределение макромолекул полимера по размерам до и после воздействия микроорганизмов на хлопковые волокна.
Данные молекулярно-массового распределения частиц по размерам дают возможность анализировать изменение среднечислового диаметра клубков макромолекул (среднее арифметическое диаметров измеренных частиц), среднемассового диаметра клубков (среднее арифметическое масс измеренных частиц), полидисперсности.
Результаты, полученные с помощью метода оптического смешения, представленные в табл. 3 и на рис. 4 в виде гистограмм, достаточно наглядно иллюстрируют распределение относи-
20З
тельной массы клубков макромолекул. Растворителем служила концентрированная соляная кислот (НС1).
б
Рис. 3 - ЭПР-спектры зонд-радикала в волокнах хлопка 1 сорта: а - исходный образец, б - после 28 суток действия микроорганизмов
Таблица 3 - Распределение по размерам клубков макромолекул целлюлозы в растворах хлопковых волокон разного сорта в соляной кислоте (п=5)
Сорт хлопка Среднечисленное значение диаметра; Ьп, нм Относительная дисперсия; в2 Сред-немассовое значение диаметра; Ьш, нм От- носи- тель ная дис- пер- сия; в2 dw
Крупная фракция
1 со рт 992 9,4 6082 5,4 6,13
2 со рт 913 9,8 6280 5,6 6,87
4 со рт 631 9,3 7586 4,4 12,02
5 со рт 413 1,8 7499 3,8 18,15
диаметр частиц, нм
Рис. 4 - Распределение относительной массы частиц по размерам в растворах волокон хлопка в соляной кислоте (крупная фракция): 1 - 1 сорт, 2 - 2 сорт, 3 - 4 сорт, 4 - 5 сорт
На рисунке 4 представлены кривые распределения частиц по размерам.
Как видно из полученных данных у хлопковых волокон высоких сортов по сравнению с низкими среднечисленное значение диаметра клубков макромолекул более высокое - у 1 сорта 992 нм; у 5 сорта 413 нм; среднемассовое значение диаметра наоборот несколько ниже - у 1 сорта 6082 нм; у 5 сорта - 7499 нм.
Важным параметром молекулярно-
массового распределения является показатель
полидисперсности М»I .Ё». I. В случае преобла-
М„ ^ Ё
дания деструкции макромолекул, увеличивается вклад «малых» макромолекул в распределение частиц и отношение уменьшается. Если пре-М„
обладает процесс сшивания, то увеличивается вклад «больших» макромолекул и полидисперсность возрастает [3].
Таким образом, показатель полидисперсности ^ тем меньше, чем выше сортность
хлопковых волокон, т. е. структура волокон высоких сортов более равномерная, чем у низких сортов.
Для анализа механизма биодеструкции хлопковых волокон методом динамического светорассеяния были исследованы образцы хлопка 1-го и 5-го сортов до и после действия спонтанной микрофлоры. Результаты исследования представлены в таблице 4 и на рисунках 5, 6.
Выявлено, что у волокон 1 сорта под действием микроорганизмов среднемассовое значение диаметра клубков макромолекул увеличивается в динамике с 6082 нм у исходного до 8689 нм через 28 суток воздействия. У хлопка 5 сорта такой динамики обнаружено не было.
Среднечисленное значение диаметра макромолекул у волокон 1 сорта также увеличивается - в 1,4 раза через 28 суток действия микроорганизмов. У хлопковых волокон 5 сорта через 28 суток воздействия диаметр уменьшается с 413 нм до 307 нм.
Интерес представляет анализ изменений полидисперсности макромолекул. Этот показа-
тель у всех образцов возрастает - у 1 сорта с 6,1 до 6,3, у 5 сорта с 18,2 до 22,4.
Таблица 4 - Распределение клубков хлопковых волокон 1 и 5 сортов в растворе соляной кислоты до и после воздействия спонтанной микрофлоры
Полученные результаты дают возможность предположить, что под действием микроорганизмов увеличивается доля упорядоченных областей в структуре (более крупных фракций) за счет снижения количества неупорядоченных (более мелких фракций).
Эти данные согласуются с результатами, полученными в работе [5], где было доказано, что при микробиологическом разрушении доля неупорядоченных областей в целлюлозе хлопка уменьшается с 15,7% до 12,7%, а доля упорядоченных областей возрастает с 76,5% до 80,4%, а соотношение малоупорядоченных изменяется незначительно.
диаметр частиц, нм
Рис. 5 - Дифференциальные кривые распределения клубков макромолекул хлопковых волокон (1 сорт) в растворах соляной кислоты: 1 - исходные, 2 - после действия спонтанной микрофлоры в течение 7 суток, 3 - после действия спонтанной микрофлоры в течение 28 суток
Как показали исследования распределения макромолекул по размерам у исходных хлопковых волокон 1-5 сортов, низший сорт имеет в структуре большее количество и мелких и крупных фракций, их полидисперсность в 3 раза выше, чем у волокон 1 сорта. Очевидно, что микроорганизмам легче утилизировать именно мелкие фракции. В связи с этим, возможно и связано увеличение среднечисленного значения диаметра клубков макромолекул.
диаметр частиц, нм
Рис. 6 - Дифференциальные кривые распределения клубков макромолекул хлопковых волокон (5 сорт) в растворах соляной кислоты: 1 - исходные, 2 - после действия спонтанной микрофлоры в течение 7 суток, 3 - после действия спонтанной микрофлоры в течение 28 суток
Весьма интересная информация была получена в результате исследования поверхности хлопковых волокон методом сканирующей электронной микроскопии.
На рисунках 7 и 8 представлены снимки поверхности исходных хлопковых волокон 1 и 5 сортов соответственно. Видно, что адсорбция микроорганизмов на поверхности исходного волокна 1 сорта ниже, чем у волокна 5 сорта.
На рис. 9 и 10 представлены снимки поверхности хлопковых волокон, зараженных бактериями Вас. БиЫШБ (экспозиция 14 суток): на волокнах 1 сорта (рис. 9) бактериальные клетки рассеяны по поверхности отдельно и не образуют конгломератов, на волокнах 5 сорта они присутствуют, что говорит об их активности [6].
Рис. 7 - Поверхность исходного образца хлопка 1 сорта (х 4500)
Рис. 8 - Поверхность исходного образца хлопка 5 сорта (х 4500)
Сорт хлоп- ко- вых воло- кон Время воздействия, нед. Сред-нечисленное значение диаметра; Ьп, нм Отно носи си- тель ная дис- пер- сия; 82 Сред-немассовое значение диаметра; ^ нм Отно носи си- тель ная дис- пер- сия; 82 Поли- дисперс перс- ность, Ьп
исх. 992 9,4 6082 5,4 6,1
1 1 1324 6,6 8199 4,2 6,2
4 1376 1,2 8689 2,7 6,3
5 исх. 413 1,8 7499 3,8 18,2
4 307 1,8 9887 4,7 22,4
Рис. 9 - Хлопок 1 сорта, зараженный Bacillus subtilis 14-ти суток экспозиции (х 4500)
Литература
1. Практикум по микробиологии / Под ред. Н.С. Егорова. - М.: МГУ, 1976. - 307с.
2. Методы экспериментальной микологии / Под ред. В.И. Билай. - К.: Наукова думка, 1982. - 550с.
3. Пехташева Е.Л. Биостойкость природоокрашенных хлопковых волокон / Пехташева Е.Л., Нестеров А.Н., Заиков Г.Е., Софьина С.Ю// - Вестник Казанского технологического университета. - 2012. - № 5.
- с. 110-113.
4. Эмануэль Н.М, Бучаченко А.Л. Химическая физика старения и стабилизации полимеров. - М.: Наука, 1982.
- 360 с.
5. Тагер А.А. Физико-химия полимеров. - М.: Химия, 1978. 544 С.
6. N.M. Emanuel, A.L. Buchachenko “Chemical physics of degradation and stabilization of polymers”, VSP International Science Publ., Utrecht, 1982, 354 pp
Рис. 10 - Хлопок 5 сорта, зараженный Bacillus subtilis (14 суток экспозиции) (х 4500)
© Е. Л. Пехташева - Российский экономический университет им. Г.В. Плеханова, г.Москва, [email protected]; А. Н. Неверов - Российский экономический университет им. Г.В. Плеханова, г.Москва, [email protected]; Г. Е. Заиков -д-р хим. наук, проф. Института биохимической физики РАН, [email protected]; В. И. Бутовецкая - канд. хим. наук, доцент каф. технологии пластических масс КНИТУ.
