CC BY
59
И. Г. Калинина, К. З. Гумаргалиева, О. Н. Кузнецова,
Г. Е. Заиков
ВЗАИМОСВЯЗЬ АДГЕЗИИ КОНИДИЙ МИКРОСКОПИЧЕСКОГО ГРИБА (TRICHODERMA VIRIDE) С ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ МЕТАЛЛОВ
Ключевые слова: адгезия, микроскопические грибы.
Адгезия микроорганизмов является начальной стадией биообрастания материалов, в том числе металлов, в воздушной и водной средах. В настоящей работе изучена адгезия конидий микроскопического гриба Trichoder-ma viride к поверхности металлов, различающихся окислительными потенциалами, и определены количественные кинетические параметры, характеризующие стадию адгезии конидий Tr. viride.
Keywords: Adhesion, Trichoderma viride.
The adhesion of microorganisms is initial stage of the materials biodegradation number including of metalls in the condition of action air and water environment. In this work was studied the adhesion of the conidien of microscopic fungi Trichoderma viride to metallic surfaces, differenced oxidative potencials and were defined quantitative kinetical parameters characterizing the adhesion stages of Trichoderma viride conidies.
Введение
В современных условиях экологически нагруженной внешней среды и быстрой адаптации различных видов микроорганизмов к изменяющимся условиям среды, с одной стороны, и накопления различных отходов материалов синтетического происхождения, с другой стороны, необходимы исследования в области разработки как быстроразлагаю-щихся материалов в случае необходимости их утилизации так и стойких материалов в случае защиты от биоразрушения. Современное состояние проблемы подтверждает необходимость изучения природы адгезионного взаимодействия на границе раздела: материал - стенка клетки микроорганизма, с одновременной попыткой количественной оценки этого процесса [1 -5].
Процессу биодеструкции - биоповреждению предшествуют две стадии: адгезия или прикрепление микроорганизмов к поверхности материала с последующим ростом биомассы микроорганизма в результате утилизации субстрата - подложки. Эти две стадии предопределяют дальнейшие процессы разрушения материала. Адгезированные клетки микроорганизмов действуют как агрессивные биоагенты в результате выделения экзоферментов или других низкомолекулярных веществ, организующих, так называемую, биопленку. Поэтому количественные параметры адгезии, в свою очередь, являются определяющими для скоростей биообрастания и биоразрушения материалов [6 - 9].
Биоповреждения металлов и металлоконструкций принято называть биокоррозией или микробиологической коррозией металлов. Основные стадии микробиологической коррозии - это транспорт микроорганизмов из воздушной, водной среды или из почвы на поверхность метало - конструкционных изделий с последующей адгезией (прилипанием). Необратимость адгезии микроорганизмов на поверхность определяется прочностью адгезионного взаимодействия спор микроорганизмов с поверхностью металла, характером загрязнений и условиями
эксплуатации, организацией биопленки на границе раздела, определяющей сродство адгезирующих поверхностей подложки, клеточной стенки и раствора веществ - нутриентов [10].
Реагенты и продукты электрохимических реакций, встречающиеся на металлической поверхности, взаимодействуют с реагентами и продуктами микробиальных, метаболических процессов, находящихся в биопленках, комплексным путем, некоторые из этих взаимодействий ускоряют коррозию, а некоторые могут ингибировать ее [11]. В настоящее время не существует универсального механизма микробиально вызванной коррозии, позволяющего разработать математические модели процессов коррозии, учитывающие значимость физико - химических факторов [12-15].
Целью нашей работы поэтому явилась количественная оценка прочности адгезионной связи (сродства) поверхность металла - споры микроорганизмов, природы связи.
Методика эксперимента
Микроскопические грибы выращивали на агаризованной среде Чапека - Докса при температуре 30оС в течение 14 суток, конидии отбирали смывом дистиллированной водой, использовали суспензию в воде с титром 106 - 107 клеток в 1мл. Перечень и характеристика использованных в эксперименте металлов, определяющая их способность к окислению, приведены в таблице 1.
Образцы листовых металлов размером 65 х10 мм подвергали холодной пластической деформации в цилиндрических валках на 20 - 30 %. Образцы очищали в течение 30 мин в растворе детергента и столько же в деионизованной воде меняя ее трижды, проводя оба процесса либо при кипячении (способ а), либо при комнатной температуре (способ б), затем промывали ацетоном марки хч и высушивали в эксикаторе. Для алюминия и цинка, которые легко окисляются, обработка по способу (а) дает в сравнении со способом (б) увеличение ум (предель-
ного числа адгезии) на 15 %. Для трудно окисляющихся металлов картина обратная, поэтому в основных опытах все металлы очищали способом (б). Таблица 1 - Характеристика металлов
Металл Марка Состав, % Свободная энтальпия образования окислов №, 298 К
Алюминий А999 99,999 -400,50 (А^Оз)
Вольфрам ОСЧ 99,999 -140,94 ^О2)
Медь МОО 99,999 -37,23 (СиО)
Железо Армко ОСЧ - -197,3 (Бе2Оз)
Молибден ОСЧ 99,999 -140,8 (МоО2)
Никель ОСЧ 99,999 -57,3 (№О)
Платина ОСЧ - -
Свинец ОСЧ - -51,94 (РЬО, желтый)
Серебро ОСЧ - -7,42 (А&О)
Тантал ТВЧ - -
Титан ВТ 1 -00 -225,50 (ТіО2) -123,9 (ТіО)
Цинк ЦВЧ 99,999 -83,24 (гиО)
Золото ОСЧ 99,999
На очищенный образец наносили 0,1 мл суспензии конидий микроскопических грибов в расчете 105 - 106 клеток на образец. Затем 20 мин высушивали при комнатной температуре с помощью вентилятора и выдерживали в эксикаторе при 22оС и относительной влажности 95 % воздуха в течение различного времени.
Адгезию конидий к металлу оценивали методом центрифугального отрыва в водной среде [16, 17]. Для этого образцы пластичных металлов и фольги приклеивали к твердой подложке клеем, чтобы исключить деформацию при центрифугировании. Пластины жестких металлов помещали непосредственно в центрифужные стаканы. Образцы металлов с нанесенными и высушенными конидиями выдерживали в эксикаторе при относительной влажности 95 % (от 30 мин до 5 суток), центрифугировали в водной среде, трехкратно повторяя каждый опыт. Цетрифуга марки К-24 !ЛЫБ2К1, частота вращения от 1000 до 18000 об/мин, время центрифугирования - 10 мин. Число конидий, необратимо адгезированных, определяли микроскопическим методом, используя камеру Горяева. При исследовании взвеси спор подсчитывали количество спор или конидий в единице объема жидкости. По числу конидий, оставшихся после центрифугирования, нельзя судить о прочности их прикрепления к поверхности, поэтому более точное представление о прочности связи конидий с поверхностью дает величина «числа адгезии» - у. «Числом адгезии» назы-
вают долю конидий, оставшихся на образце после центрифугирования, выраженную в процентах:
у = (1-№№) * 100, % (1)
где N0 - число конидий, нанесенных на образец, а N
- число оторвавшихся конидий.
Предельным ум считали значение у, которое не изменяется в данном силовом поле независимо от времени выдерживания конидий на образце и центрифугирования. Время достижения стационарной скорости вращения ротором центрифуги составляло три минуты, длительность опыта - 10 мин.
Из интегральных кривых распределения конидий по силам адгезии, характеризующих зависимость доли оторвавшихся частиц от силы отрыва, определяли силу, соответствующую отрыву 50 % конидий от общего числа всех адгезированных на поверхности металла конидий, которую рассчитывали по формуле:
Р50=л3/675^К(ркл-рср)ча2т3,дин/клетку, (2)
где рср - плотность среды (вода), р кл - плотность конидий, равная 1,15 г /см3 , Я = 4 см - радиус ротора центрифуги, ю - угловая скорость вращения ротора центрифуги - число оборотов в минуту, г - радиус конидий Tгichodeгma viгide, равный (3 ±0,3) • 10-4 см.
Результаты и обсуждение
Отработку методических вопросов нанесения, высушивания суспензии микробиальных клеток на поверхность металла, оптимального времени и условий центрифугирования, электронномикроскопическое изучение кинетики адгезии клеток, проводили при изучении адгезии РаесПотусе8 vaгioti (средний радиус споры - 5,5 мкм) на алюминиевых подложках. На рис.1 приведены кинетические кривые адгезии конидий РаесПотусе8 vaгioti при различных температурных режимах адгезии, откуда следует, что наиболее благоприятным температурным режимом является температура 220С при влажности воздуха 95%. Из электронномикроскопических наблюдений мы обнаружили, что споры РаесПотусе8 varioti отрываются при незначительном усилии (угловая скорость вращения центрифуги 1000 об/мин) слипшимися группами вследствие того, что сила сцепления конидий между собой превосходит силу адгезии к подложке.
При анализе экспериментальных кривых процесса адгезии на рис. 1, 3, на одинаковую алюминиевую подложку, но разных по размеру и форме микроскопических грибов, видим огромную разницу в количественных параметрах, вызванную существенным влиянием морфологии и размеров спор, неоднородностью поверхности подложки. Из этих результатов следует, что количественно изучать процесс адгезии необходимо с помощью конидий Tгichodeгma viгide, которые сильнее прикрепляются к металлической подложке в отличии от конидий Paecilomyces varioti, что немаловажно при центри-фугальном изучении процесса адгезии.
Время, мин
Рис. 1 - Кинетические кривые адгезии конидий РаесПошусез уапой к алюминиевой подложке при относительной влажности воздуха 95% и различных температурах: 1- 6оС, 2- 22оС, 3 - 37оС, угловая скорость вращения ротора центрифуги -1000 об/мин, время центрифугирования - 15 мин, вода
л*10'3, мин'1
Рис. 2 - Распределение числа адгезии конидий Тгі-choderma viride в зависимости от угловой скорости вращения центрифуги на поверхности металлов: 1
- золото, 2 - титан, 3 - кремний при 22оС, относительная влажность воздуха 95 %, время выдержки конидий на поверхности металла - 24 ч
Время, мин.
Рис. 3 - Кинетические кривые адгезии конидий Тп-choderma viride к алюминиевой подложке при разных угловых скоростях центрифугирования: 1 -11000об/мин, 2 - 15000 об/мин, температура 22о С, относительная влажность воздуха 95%, время выдержки конидий на поверхности металла - 24 ч
Адгезию конидий Trichoderma viride к поверхности металла характеризовали двумя параметрами: ум и Р50 . Кинетические кривые адгезии конидий Trichoderma viride к различным металлам пред-
ставлены на рис.4, количественные параметры адгезии (значения ум и Б50) приведены в таблице 2.
Константы скорости формирования адгезионных сил (рис. 4) из - за соизмеримости времени высыхания капли суспензии конидий Trichoderma viride на воздухе со временем выхода на плато трудно определить с достаточной точностью, поэтому из кинетических кривых были определены только предельные значения адгезионных чисел.
0 5 10 15 20 25 30
Время, час.
Рис. 4 - Кинетические кривые адгезии конидий Trichoderma viride к различным металлам, температура 22оС, относительная влажность воздуха 95 %, при угловой скорости вращения центрифуги 15000 об/мин: 1 - цинк, 2 - медь, 3 - алюминий, 4 - никель, 5 - титан, 6 - тантал, 7 - молибден
Таблица 2 - Средние значения адгезионных параметров конидий Trichoderma viride при Т=22оС и ю = 15000 об / мин. в водной среде к металлам, обработанным в растворителе: а) кипячением, б) при температуре 22оС
Металлы а б
У«, % % % О Рн У«, % % % , Рн
Алюми- ний 95 ± 5 - 82 ± 5 3,0-10-4
Вольфрам 0 1,86-10-7 0 1,9-10-7
Золото - - 25 ± 5 2,3-10-5
Медь 85 ± 3 4,1 ■ 10-4 93 ± 7 5,8-10-4
Молибден - - 34 ± 5 7,4-10-5
Никель 62 ± 5 1,67-10-4 79 ± 8 2,0-10-4
Платина - - 53 ± 5 2,2-10-4
Свинец 96 ± 2 7,00-10-4 100 ± 1 7,0-10-4
Серебро - - 78 ± 5 5,0-10-4
Тантал 63 ± 8 2,97 -10-4 65 ± 10 2,5-10-4
Титан 76 ± 5 1,35-10-4 71 ± 3 9,0-10-5
Цинк 100 - 97 ± 3 6,7-10-4
Изученные металлы по адгезионным параметрам можно разделить на две группы: первую характеризуют Б50 > 10-4 дин / кл.; вторую Б50 от 10-5 до 10-7 дин /кл. Большую роль играет предыстория поверхности, например, на никеле, подвергнутом холодной пластической деформации ум = 79 ± 8 %, Б50 = 2.0 • 10-4 дин / кл., а на никеле, выдержанном 1 ч при температуре 700о и давлении 10-4 мм рт.ст., ум = 50 ±2%, Б50 = 8,2 • 10-4 дин / кл.
Минимальная адгезия наблюдается на золоте, вольфраме и молибдене, максимальная - на цинке, свинце и меди. Алюминий и титан занимают промежуточное положение.
В целом ряд по уменьшению предельного числа адгезии выглядит следующим образом: Pb > Zn > ^ > Al > № > Ag > ^ >Tl >Pt > Mo > Au > W; а по уменьшению значений силы 50 % - ого отрыва конидий: Pb > Zn > Cu > Ag > Al > Tl > Pt > Ni > Ti > Mo > Au > W.
Таким образом, к металлам, которые в условиях эксперимента не окисляются и не образуют оксидов, например, золото, конидии Trichoderma viride практически не адгезируют.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что основная характеристика адгезии - сила адгезии увеличивается со временем, достигая равновесного значения и определяется природой поверхности материала и видом микроскопического гриба. Также отмечен экспериментальный факт распределения сил адгезии в зависимости от приложенного напряжения. Этот эффект не был изучен ранее и вероятно обусловлен как неоднородностью поверхности материала, так и неоднородностью самих конидий по размерам [18].
При изучении адгезии грибных спор на полимерных материалах нами было показано, что адгезионные свойства внешней стенки спор микроскопических грибов зависят от соотношения белко-во - липидных компонент [18]. При этом кинетические параметры процесса адгезии, рост величины силы адгезии определяются количеством белковой компоненты. В случае металлической поверхности, аналогично полимерной подложке, рост силы адгезии определяется электрохимическим потенциалом или степенью окисляемости металла. Таким образом, адгезия микроскопических грибов к металлам -многофакторный процесс, требующий дальнейших исследований с учетом физико - химических свойств как подложки, так и адгезирующего агента. Для прогнозирования биостойкости полимерных и металлических конструкционных материалов необходимо знание макрокинетических параметров, описывающих адгезию.
Литература
1. И.Г. Калинина, Г.П. Белов, К.З. Гумаргалиева, Ю.С. Петронюк, С.А.Семенов, Ж. Химическая физика, 2, 1- 9 (2011);
2. К.З. Гумаргалиева, И.Г. Калинина, Полим. матер., 7-8, 58-62 (2010);
3. К.З.Гумаргалиева, И.Г. Калинина, Полим. матер., 10, 18-24 (2010);
4. Microbiologic adhesion and aggregation. Ed. By Marschall K.C., Springer - Verlag, Berlin, 1984. 424 p.
5. K.Z. Gumargalieva and G. E. Zaikov. Biodegradation and
Biodeterioration of Polymers: Kinetical Aspects.Nova
Science Publishers, Inc. Commack, New York, 1998. 409 p.
6. H. Onose, T. Miyazaki, S. Nomoto, J. Dent. Res. 59, 7, P. 1179 (1980).
7. A.S. Gordon, S.M. Gerchakov, L.R. Udey , Canad. J. Microbiol., 27, 7, P. 698 (1981).
8. K. C. Marchall, R. Stout and R. Mitchell, J. of Gen. Microbiology, 68, P. 337 (1971).
9. P.J. Boyle, M. Walch, R. Mitchell, VIII Internat. Congr. of Microbiology (Boston, USA Program and abstracts. Inter-nat. Union of Microbiol. Soc., 1982. P. 75.
10. Z. Lewandowski, H. Beyenal, Fundamentals of biofilm reseach. 2007. CRC.
11. Z. Lewandowski, H. Beyenal, Mechanisms of Miucrobial-ly Influenced Corrosion, Springer - Verlag Berlin Heidelberg, 2008.
12. I. B. Beech, J. A Sunner, K. Hiraoka, Int. Microbiol., 8, 157 - 168 (2005).
13. H. C Flemming, J. Wingender, Water Sci. Technol., 43, P. 9 - 16 (2001)
14. K. Miyanaga, R. Terashi, H. Kawai, H. Unno, Y. Taji, Biotechnol. Bioeng, 97, 850 - 857 (2007).
15. J. Starosvetsky, D. Starosvetsky, R. Armon, Eng. Fail Anal., 14, P. 1500 - 1511 (2007).
16. А. Д. Зимон. Адгезия пыли и порошков. Химия, Москва, 1976. 430 c.
17. J. Schauersberger, M Amon, D. Aichinger and Apostoulos Georgopoulos, J. of Cataract and Refractive Surgery, 29, 2, P.361 (2003).
18. К.З. Гумаргалиева, И. Г. Калинина, С.А. Семенов, В сб. Биоповреждения материалов. Химическая и биологическая кинетика. Новые горизонты. Химия, Москва, 2005. С. 596 - 619.
19. В. Ф. Смирнов, А. С. Семичева, Матер. Конф. Биологические проблемы экологического материаловедения (Пенза, Россия, 1995). С. 79.
20. F. B Oppermann, S. Pickartz and A. Steinbuchel, Polym. Degrad. and Stabilyty, 59, 1-3, P. 337 (1998).
21. A. M. Gallardo - Moreno, M. L Gonzblez, J. M. Bruque and Pijrez C.- Giraldo, 1 - st Int. Meeting on Appl. Phys. Colloids and Surfaces A, Physicochemical and Engineering Aspects, 249, 1 - 3, P. 99 (2004).
© И. Г. Калинина - канд. техн. наук, ст. науч. сотр. Института химической физики им. Н.Н.Семенова; К. З. Гумаргалиева -д-р хим. наук, проф., зав. лаб. Института химической физики им. Н.Н.Семенова; О. Н. Кузнецова - канд. техн. наук, доц. каф. технологии полимерных материалов КНИТУ; Г. Е. Заиков - д-р хим. наук, проф. Института биохимической физики РАН, [email protected].
