Биоповреждения

 

 

СОДЕРЖАНИЕ:

 

1. Процессы биоповреждения
2. Классификация биоповреждений
3. Факторы, влияющие на жизнедеятельность микроорганизмов
4. Способы защиты материалов и изделий от биоповреждений
5. Вывод
6. Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ПРОЦЕССЫ БИОПОВРЕЖДЕНИЯ

Биоповреждения – особый вид  разрушения материалов конструкций техники, связанный  с воздействием микроорганизмов (бактерий, грибов и др.) К биоповреждениям  относят также разрушение промышленных и строительных материалов насекомыми и грызунами, повреждения летательных  аппаратов птицами, а речных и  морских судов, кораблей ВМФ и  гидротехнических сооружений водными  организмами – обрастателями. 
     Все перечисленное можно считать  биофакторами при рассмотрении процессов повреждения конструкций техники в результате влияния факторов среды или биоагентами при рассмотрении биоповреждений отдельных материалов. 
     Биофакторы могут воздействовать специфически (микроорганизмы потребляют материалы конструкций в качестве источников питания) после определенного периода адаптации или косвенно (продукты жизнедеятельности микроорганизмов повышают агрессивность среды и стимулируют процессы коррозии металлов, старения полимеров) также через период времени, необходимый для образования   колоний, сообществ (биоценоза). 
     Процессы  биоповреждений по своему механизму  различны и зависят как от биофактора, так и от особенностей подверженного его действию объекта. Например, механическое повреждение самолета, столкнувшегося со стаей птиц во время полета, равно как и электрохимическая коррозия трубопроводов, связанная с жизнедеятельностью железобактерий,  относятся к разряду биоповреждений. 
     Если  млекопитающие, птицы, рыбы и некоторые  другие организмы чаще вызывают механические повреждения, то в основе биоповреждающего действия микроорганизмов находятся, как правило, ферментативные реакции. Здесь преимущество должно быть отдано ферментам – оксидоредуктазам и гидролазам. Для проявления активности ферментов необходима водная среда. Вода может быть в большем или меньшем количестве в повреждаемом объекте. Влага может вноситься за счет самих микробных клеток, содержащих 80 % и более воды. Ее достаточно, чтобы индуцировать соответствующие ферментативные реакции. 
     При заметном размножении микроорганизмов  в какой-либо среде необходимо учитывать  не только ферментативные реакции, приводящие к химическому изменению объекта, но и микробную массу, засоряющую, например, топливопроводы и топливные баки, забивающую фильтры, клапаны и сопла двигателей в самолетах. 

 

2. КЛАССИФИКАЦИЯ БИОПОВРЕЖДЕНИЙ

Все виды биоповреждений протекают по довольно сложным механизмам. Микроорганизмы чаще всего только стимулируют коррозионный процесс, но могут и непосредственно разрушать материалы.

Классификация  биоповреждений по среде обитания микроорганизмов:

- в водных средах;

- в почве;

- в космосе;

- в грунте;

- в органических средах (продукты  нефтепереработки и т.п.);

- в воздушной среде (наземной).

Биоповреждению подвергаются: стекло, камень, здания, сооружения, кожа, нефть, силикаты, полимеры, металл и металлоизделия, нефтепродукты, клеи, дорожные покрытия, одежда, краски, оборудование и т.д.

По биологическим факторам различают повреждения от:

- микроорганизмов: бактерий, простейших, лишайников, грибов;

- макроорганизмов: хордовые и беспозвоночные  животные, растения.

Классификация процессов биологических повреждений:

- химическое разрушение материалов;

- прямое разрушение микроорганизмами;

- коррозионное электрохимическое  разрушение;

- комплексное воздействие (одновременное  влияние микроорганизмов, продуктов  их жизнедеятельности и переменных климатических условий).

По тому, как протекает  процесс биокоррозии, его можно разделить на: биохимическое, физическое,  физико-биохимическое разрушение.

3. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ОРГАНИЗМОВ

Развитие  микроорганизмов неразрывно связано  с окружающей средой, жизнедеятельность  их зависит от внешних  воздействующих факторов. 
     Процессы  повреждений материалов конструкций  и сооружений с участием микроорганизмов  необходимо изучать  с учетом этих факторов. 
     Физические  факторы – влажность среды, концентрация веществ в водных растворах, осмотическое давление, температура, радиация. 
     Влажность среды – определяющий фактор жизнедеятельности многих микроорганизмов. Нитрифицирующие бактерии, например, при недостатке влаги погибают. Грибы и споры многих бактерий, наоборот, сохраняют жизнеспособность в высушенном состоянии десятки лет. Почвенные микрогрибы развиваются наиболее интенсивно при влажности около 60 %. Высокое содержание некоторых веществ в водной среде нарушает нормальный обмен между средой и клеткой. Вода выходит из клетки, цитоплазма отделяется от клеточной оболочки (плазмолиз), поступление в клетку питательных веществ прекращается. На этом свойстве основаны методы консервации (соление) пищевых продуктов. Употребляются 16-30 %-ные растворы хлорида натрия или 60-70 %-ные растворы сахара. С ростом концентрации веществ растет осмотическое давление. Консервирующий эффект заметен при  осмотическом давлении » 5 МПа. 
     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).

 

4. СПОСОБЫ ЗАЩИТЫ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ ОТ БИОПОВРЕЖДЕНИЙ

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

По  характеру действия химические вещества подразделяются на 1)биоциды, уничтожающие микробные возбудители биоповреждений; 2)биостатики, тормозящие рост микроорганизмов; 3)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.  

 

5. ВЫВОД

Процессы  биологических повреждений объектов в конкретных условиях вызывают различные  организмы или их ассоциации. В  природных условиях организмы существуют и проявляют свою активность, как  правило, в ассоциациях, которые  могут изменяться под воздействием привносимых в биосферу новых, ранее  не существовавших объектов, например, синтетических полимерных материалов и изделий из них. Поэтому проблему биоповреждений относят к числу  экологических. Люди должны заботиться о среде своего существования, сохраняя и поддерживая ее на оптимальном  уровне. В плане технологических  проблем важно создавать такие  материалы, которые в составе  изделий служили бы требуемый  период времени без текущего и  последующего загрязнения биосферы или нарушения экосистем в  ней. Однако в результате повреждающего  действия биофакторов объекты подвержены соответствующим изменениям, которые в свою очередь ведут к отказам. В качестве примера можно отметить: обрастание подводной части судов организмами – обрастателями, нарушающими лакокрасочные покрытия, снижающими ходовые качества кораблей, приводящими к перегреву и преждевременному износу систем и двигателей; повреждение грызунами целлюлозных материалов (бумаги, картона, древесины), резиновых изделий, пластмасс, лакокрасочных   покрытий; повреждение птицами архитектурных сооружений, памятников культуры, транспортных средств и летательных аппаратов; уничтожение хлопка, шерсти, мехов и других материалов насекомыми; повреждения микроорганизмами оптики, произведений искусств, изделий из кожи, хлопчатобумажных тканей, древесины, пластмасс и ряда других материалов. 

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Пехташева Е. А. «Биоповреждения и защита непродовольственных товаров»: Учебник для студентов высших учебных заведений. / Под ред. А.Н.Неверова. – М.: Мастерство, 202 – 224с 
2. Герасименко А. А. Защита от коррозии старения и биоповреждений машин оборудования и сооружений, М.: Машиностроение, Т1, 1987, 688 с.
3. Ильичев В. Д. Биоповреждения, М.: Высшая школа, 1987, 338 с.