Биоповреждение материалов и изделий и их защита

Министерство  образования и науки РФ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Красноярский государственный торгово-экономический  институт» 

Кафедра товароведения и экспертизы непродовольственных  товаров 
 

Реферат 

По дисциплине: «биологическая повреждаемость непродовольственных  товаров» 

На тему: «Биоповреждение материалов и изделий и их защита» 
 
 
 
 
 
 
 

Проверил:

Доктор  биологических наук,

Профессор

Степень Р. А. 
 

                                                                                  Выполнила: 

Астапова  А.С.

ФТК, ТН–09-1 
 
 
 
 
 
 

Красноярск 2011 

Содержание 

Введение

1. Процессы биоповреждения

2. Классификация биоповреждений

3.Факторы, влияющие на жизнедеятельность микроорганизмов

4.Способы защиты материалов и изделий от биоповреждений

Вывод

Библиографический список 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Введение

     Бурное  развитие техники, освоение необжитых  территорий, активное градостроительство, создание новых материалов сделали  проблему биоповреждений одной из наиболее актуальных и научно-практических проблем. Человек издавна боролся с  обрастанием судов, с молями и  кожеедами, с дерево разрушающими грибами, однако все это составляло лишь ничтожную  долю тех потерь, с которыми он столкнулся в наши дни, и тех усилий, которые  он вынужден тратить на защиту от биоповреждений. Бактерии, грибы, лишайники, водоросли, высшие растения, простейшие, кишечнополостные, черви, мшанки, моллюски, членистоногие, иглокожие, рыбы, птицы, млекопитающие - таков перечень групп, представители которых выступают в роли биоповреждающих агентов, нанося огромный ущерб хозяйству человека.

     Мишенью биоповреждающего действия стали кирпичные и каменные здания и строительные сооружения, древесина и разнообразные изделия из нее, металл и металлические изделия, бумага, документы, фото архивы, библиотечные фонды, музейные ценности, краски, клеи, кожи, шерсть, одежда, обувь, стекло, силикаты, оптика, разнообразные пластмассы, полимеры, резины, радиоаппаратура и электрооборудование, дорожные покрытия, транспорт и многое другое. В одних случаях живые организмы разрушают материалы и изделия, в других - ухудшают их технологические характеристики и свойства, в-третьих, - затрудняют нормальную работу.

     Однако  защита материалов и изделий от биоповреждений - это только одна сторона проблемы, один круг задач. А нельзя ли биоповреждающих areufbi заставить работать на человека? В наше время планета все более «захламляется» старыми изделиями и материалами, и нам все труднее избавляться от них. Биоразрушение - новое перспективное направление в проблеме биоповреждений, изучающее возможности живых организмов именно с этой точки зрения.

     Что означает решение проблем защиты от биоповреждений для народного  хозяйства нашей страны? Это прежде всего повышение ресурсов эксплуатируемой техники, изделий, лучшая сохранность промышленных сооружений, памятников культуры. Это экономия материалов, а следовательно, экономия сырья, более рациональное его использование. Защищая изделия из древесины от биоповреждений, мы сохраняем наши леса, а значит, улучшаем нашу среду.

     Проблемы  защиты от биоповреждений требуют комплексного решения. Они являются частью биосферных программ, поскольку создаваемые  человеком материалы и изделия  становятся частью биосферы. Это проблемы не только сегодняшнего, но и завтрашнего  дня, ибо создавая новые материалы  и изделия, мы должны учитывать, как  они будут работать завтра, как  их будут разрушать живые организмы, как к ним будет относиться биосфера. Мы должны думать об экологическом  «иммунитете» того, что создаем.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

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

     Биоповреждения  – особый вид разрушения материалов конструкций техники, связанный  с воздействием микроорганизмов (бактерий, грибов и др.)

     Механизм  биоповреждений весьма сложен. Микроорганизмы могут непосредственно разрушать  материал конструкций, но чаще они стимулируют  процессы биоповреждений. Классификация  процессов биоповреждений по видам, механизму и условиям их протекания представлена в табл. 1.

     Классификация биоповреждений построена с учетом биофакторов и подверженных их воздействию объектов. На основании накопленного фактического материала за основу можно взять среду обитания, биофактор или повреждаемые  материалы.

     По  среде обитания следует различать  биоповреждения в почве, грунте, в  водной среде, в органических средах, например продуктах нефтепереработки, в наземной (воздушной) среде, в космосе.

     По  биофакторам различают:

     а) воздействие микроорганизмов:

     простейшие, грибы, бактерии, лишайники. Все микроорганизмы относят к прокариотам (бактерии) и эукариотам (грибы, простейшие). Лишайники  обычно состоят из водорослей и грибов; 
 
 
 
 
 
 
 

     Таблица 1    Классификация процессов  биоповреждений

     1) Биокоррозия подразделяется на бактериальную (в водных средах, при наличии особого вида бактерий в почве, воде, топливе) и грибную (в атмосферных условиях, при контакте с почвой, при увлажнении поверхности, наличии загрязнений, спор и мицелия грибов)

     2)  Значительные эффекты разрушения  материала в результате сочетания  процессов с разными механизмами  могут привести к внезапным  отказам техники, находящейся  в эксплуатации.

     3)  Повреждения в водных средах, в том числе при воздействии  обрастателей, разрушение железобетонных сооружений, заглубленных в почву, при воздействии грибов, бактерий и других микроорганизмов. 

     б) воздействие макроорганизмов:

       растения, животные с клеточным,  органным и системным уровнями  организации (беспозвоночные  и   хордовые).

     По  механизму процесса, кроме перечисленных  в табл. 3, можно рассматривать  биоповреждения как физическое, биохимическое, физико-биохимическое разрушения материалов.

     По  поврежденным материалам различают  действие: на кирпич, камень, здания, сооружения, стекло, силикаты, оптику, дорожные покрытия, древесину и изделия из нее, металл, металлоизделия, полимеры, резину, нефть, нефтепродукты, бумагу, документы, фото, книги, музейные коллекции, краски, клей, кожи, шерсть, одежду, обувь,  радио-  и электрооборудование. 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Факторы, влияющие на жизнедеятельность микроорганизмов

     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).

     Окислительно-восстановительные  процессы характеризует показатель гН2 (отрицательный логарифм давления молекулярного водорода, выражающий степень аэробности). При перенасыщении среды кислородом гН2 = 41. Если среда насыщена молекулярным водородом, то гН2 = 0. Равновесие окислительных и восстановительных процессов характеризуется гН2 = 28. Как показано выше, потребность в кислороде у микроорганизмов различна. Анаэробы существуют при гН2 = 8 ... 10, аэробы – при гН2 =10 ... 30. Факультативные анаэробы жизнеспособны при гН2 = 0 ... 30.

     Биологические факторы учитывают взаимоотношения  микроорганизмов в окружающей среде. Они могут быть симбиотическими  и антагонистическими. При симбиозе виды, находящиеся в сожительстве, поддерживают развитие друг друга, извлекая взаимную пользу. Симбиоз может принимать  следующие формы. Метабиоз – использование  продуктов жизнедеятельности одного микроорганизма другим (сапрофиты расщепляют белки до аминокислот, которые служат исходным материалом для нитрофицирующих бактерий). Метабиоз – основная форма взаимоотношений почвенных микробов. Комменсализм – форма существования микроорганизмов, когда они питаются за счет макроорганизмов, не нанося последним ущерба. Мутуализм – также симбиоз микро- и макроорганизмов, выгодный для обоих.

     При антагонизме одни виды микроорганизмов в результате своей жизнедеятельности губят другие. Это происходит косвенным путем: в среде накапливаются продукты жизнедеятельности одних организмов, губительные для других, например, антибиотики микромицетов и грибов подавляют многие бактерии, фитонциды многих растений также обладают бактерицидными свойствами. Возможно подавление прямым путем – паразитизм. Микроб-паразит использует в качестве источника питания другой организм, что приводит к гибели последнего. Явление антагонизма микроорганизмов может служить основой для разработки биохимических и экологических методов защиты от биоповреждений. 

     4.Способы  защиты материалов и изделий  от биоповреждений

           Защитой продовольственных  и непродовольственных товаров  от биоповреждений люди занимаются с  давних времен. Так, в Египте еще 4 тысячи лет назад для предохранения  тканей мумий использовали травы  и специи. Позднее для этой цели использовали кедровое масло. В Сибири для предохранения одежды и продовольствия от моли, прокисания и т.п. мебель и  посуду делали из кедра. Для сдерживания  размножения микроорганизмов в  оде  священнослужители давно  используют серебро. С прошлого века для защиты хлопка и других целлюлозных  материалов от плесени применяли химические вещества: фенол, формальдегид, борную кислоту и прочее.

     Безусловно, лучшим способом защиты материала и  изделий от повреждения микрофлорой  является исключение их контактирования. Однако это практически невозможно, поскольку пока не достижимы технологическое производство и эксплуатация продукции в стерильных условиях. Вместе с тем строгое соблюдение установленных правил производства, хранения и эксплуатации дает возможность существенно повысить устойчивость продукции к воздействию микроорганизмов. В первую очередь это касается смазочно-охлаждающих жидкостей, парфюмерно-косметических изделий и оптических систем.

     Снижение  влажности материалов до 8-10 % также  надежно защищает продукцию от биоповреждения. Обезвоживание успешно и широко применяется для сохранности  тканей, живописи и документов. Для  этого достаточно температуры в  интервале 15-20 С и относительной влажности воздуха 40-60%. При этом практически не отмечается развитие мицелиальных грибов и бактерий. Однако такое решение трудно достижимо при эксплуатации большинства продукции.

     Все возрастающее многообразие материалов, многоэтапный процесс их переработки, эксплуатации и хранения вызывает значительные трудности в борьбе с биоповреждениями. Невозможно создать безвредные для  людей и биосферы универсальные средства защиты, действующие одновременно на все биоповреждающие агенты. Это заставляет обратить внимание на разработку и поиск локальных мер защиты конкретных материалов изделий и сооружений применительно к определенным климатическим зонам и ландшафтам.

     Среди основных методов защиты материалов от биоповреждения можно выделить следующие:

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

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