• 5.5.1.   Введение

Термин «биоповреждение» вошел в наш язык лишь в послед­нее время, но обозначаемые им процессы известны человеку издавна, с тех пор, как он начал перерабатывать природное сырье и заботиться о сохранности пищевых продуктов. Орга­низмы, ответственные за процессы биоповреждения, сопровож­дали нас и в еще более отдаленном прошлом, будучи сущест­венным звеном в круговороте элементов биосферы. Человек ра­но осознал необходимость защиты сырья и пищевых продуктов от возвращения их в этот круговорот и стал использовать для замедления жизнедеятельности микроорганизмов консервирова­ние или другие защитные способы. Консервирование как эмпи­рический процесс существует несколько тысячелетий, и имеется множество описаний его использования.

Однако для более полного понимания принципов этого процесса и его научного осмысления потребовалось появление микроскопа и возможностей селективного культивирования и идентификации организмов, вызывающих биоповреждения.

Начало исследованиям процессов биоповреждения положи­ла вторая мировая война; это было связано с поступление^м чувствительных к биологическим воздействием материалов на театры военных действий, где высокая температура и влаж­ность ускоряли их порчу. C тех пор мы все более глубоко осознаем те проблемы, которые связаны с биоповреждениями продуктов, изготовленных из природного, а позднее — из син­тетического сырья. Для полного понимания природы этих про­цессов требуются совместные усилия экологов, физиологов, биохимиков и ученых других, небиологических направлений, таких как технология и материаловедение.

• 5.5. 2. Определение биоповреждений

Под биоповреждением понимают «любое нежелательное изме­нение свойств какого-либо материала, вызванное жизнедея­тельностью различных организмов». В широком смысле это процесс, приводящий к уменьшению ценности любого матери­ала. При этом имеются в виду те свойства данного материала, которые обусловливают его использование в определенных це­лях. По своей природе эти изменения могут быть механически­ми, физическими или касаться эстетических свойств материала и не обязательно приводят к его химическому разрушению. Последний момент важен для определения различий между биоповреждением и биоразложением (биодеградацией). «Био­повреждение»— термин более широкий, «биоразложение» — ограниченный, относящийся только к разрушению какого-либо продукта (часто сырья), попавшего в окружающую среду (на­пример, нефтепродуктов, пестицидов или детергентов). В об­щем смысле биоповреждение — процесс нежелательный, а био­разложение обычно рассматривается как желательный.

Употребление слова «организм» предусматривает участие в этом процессе представителей животного и растительного мира; так оно и есть на самом деле. Микроорганизмы как фак­торы биоповреждения широко изучались и хорошо представле­ны в литературе. Однако нельзя недооценивать роль насеко­мых, грызунов, зеленых растений (в том числе водорослей) и даже птиц.

• 5.5.3 Классификация процессов биоповреждения

Использование термина «материалы» в определении биопов­реждений означает, что речь идет о «неживом», в отличие от патологии, изучающей различные нежелательные процессы в живой материи. Различия эти зачастую очень тонки, иногда наблюдается перекрывание в том смысле, что организмы, об­наруживаемые в живой материи или органических остатках,, сохраняют свою жизнедеятельность и в неживой материи,, уменьшая ценность данного продукта в процессе хранения. Однако во многих случаях со смертью организма-хозяина из­меняются условия питания и клеточные компоненты, что при­водит к изменению и типа организма, «колонизирующего» дан­ный материал. Так, говоря о действии грибов на хлебные зла­ки, мы разграничиваем «полевые грибы» и «грибы хранилищ».

Условно можно выделить три типа биоповреждений (табл. 5.1), которые часто в значительной мере перекрываются.

Таблица 5.1. Классификация типов биоповреждений

Об их наличии очень полезно знать при выборе направления исследований или при разработке рекомендаций, касающихся условий хранения продуктов и материалов.

• 5.5.4. Материалы, подверженные биоповреждениям

При описании биоповреждений легче всего проводить их клас­сификацию по типу продукта. Однако это оказывается затруд­нительным, если мы имеем дело со сложными продуктами, на­пример с красками, где встречаются комбинации исходного сырья, такого как целлюлоза и синтетический полимер; здесь классификация по типу продукта невозможна. Было показано, что среда, в которой хранится и используется данный продукт, часто оказывает заметное влияние на организмы, которые в нем обитают, и на активности этих организмов. В следующих разделах мы вкратце рассмотрим продукты, подвергающиеся биоповреждениям. Для более полного знакомства с этими процессами читателю следует обратиться к списку рекомендуе­мой литературы в конце главы.

Пищевые продукты

В тех странах, где наиболее остро стоит продовольственная проблема, особенно велики и потери сырья после уборки уро­жая. В развитых странах продукты различными способами защищают от грибов, насекомых и грызунов, так что потери сводятся к минимуму. При хранении зерна необходимо исполь­зовать различные химические и физические способы защиты, например пестициды и высушивание. Много неприятностей при­чиняет присутствие микотоксинов в продуктах, которые были заражены грибами, часто на ранних стадиях хранения. Это мо­жет приводить к браковке крупных партий зерна, тем более если оно используется в качестве корма. Особенно тщательной должна быть защита от заражения готовых продуктов. Упаков­ка может приводить как и подавлению роста микроорганизмов, так и к его стимулированию. Использование немногочисленных химических консервантов регулируется в соответствии с их хи­мической природой законодательным путем.

Целлюлоза

Целлюлоза в своей исходной форме, в виде различных волокон и древесины, столетиями служила сырьем для получения мно­гих материалов и продуктов. Специалисты по защите материа­лов постоянно занимались вопросами сохранности изделий из материалов на основе целлюлозы, и сегодня результаты этих исследований широко используются в деревообрабатываю­щей и текстильной промышленности. Организмы, расщепляю­щие целлюлозу, составляют лишь небольшой процент от обще­го числа известных видов грибов и бактерий; несмотря на это,разрушение материалов на основеце ллюлозы представляет собой весьма распространенное явление и в соответствующих условиях может происходить очень быстро. В земле при 25 ^oC хлопчатобумажная ткань полностью теряет сеою прочность за 10 сут. Насколько нам известно, за разрушение целлюлозы ответственны скорее всего грибы. Условия внутри целлюлоз­ных материалов (относительная влажность меньше 90%, очень низкое содержание азота, кислый pH) часто оказываются бла­гоприятными для их развития. Разветвленные гифы грибов с легкостью проникают сквозь клеточные стенки, ближе к цел­люлозе, обычно тесно связанной с лигниновой и гемицеллюлоз­ной матрицей. Определенную роль, несомненно, играют и бак­терии: они наверняка участвуют в разрушении пектиновых слоев и углублений в древесине мягких пород, что приводит к проникновению внутрь древесины воды и бактерий.

Подверженность древесины биоповреждениям обусловлена характером распределения в ней питательных веществ. Если древесина соответствующим образом не просушена, а заболонь не срезана для предотвращения миграции питательных веществ, то во влажных условиях может развиться ее голубое окраши­вание и начаться поверхностное повреждение.

Для повышения качества или улучшения тех или иных свойств древесины ее можно химически модифицировать. По­вышенной устойчивостью к микроорганизмам (видимо, из-за уменьшения гидролизуемости) обладают ацетат целлюлозы, вискоза и различные замещенные производные целлюлозы (на­пример, карбокси- и этоксицеллюлоза). При введении в эмуль­сии замещенные производные целлюлозы действуют как напол­нители и агенты, влияющие на вязкость.

Продукты животного происхождения

Большинство продуктов животного происхождения, чувстви­тельных к биоповреждениям, имеет белковую природу. К ним относятся шкуры, шерсть и клеи. Бактерии и грибы часто ока­зывают неблагоприятное воздействие на шкуры и шерсть уже на ранних этапах их обработки. Более того, из-за большой за­грязненности свежих шкур или шерсти их порча может начать­ся в течение 48 ч, еще на бойне или в помещении для стрижки. Для предотвращения этого процесса шкуры дубят, а шерсть обезжиривают. Однако при некоторых способах дубления шку­ры вымачивают вначале в воде. Если такое вымачивание про­водится при повышенных температурах и продолжается дли­тельное время, происходит размножение бактерий. В коже, используемой для изготовления книжных переплетов, нередко бывает повышено содержание углеводов, что способствует раз­витию плесени при хранении в условиях повышенной влаж­ности.

В целом шерсть наиболее чувствительна к бактериям во время обработки, а клеи могут разрушаться как при хранении в различных емкостях, так и после высыхания и образования пленки.

Поверхностные покрытия

Поверхностные покрытия (краски, различные типы лаков) иг­рают двоякую роль: они выполняют декоративную функцию и защищают покрываемую поверхность от вредных воздействий среды, в том числе и от микроорганизмов. Из-за постепенного отказа от введения свинца в состав красок и широкого рас­пространения эмульсионных покрытий возникла проблема био­повреждения самих красок. Такое повреждение происходит как при хранении красок в емкостях, так и после нанесения их на поверхность и высыхания с образованием пленки. Большинст­во исследований в этой области направлено на создание эф­фективных защитных систем, которые действовали бы все то время, пока существует данное покрытие. Краски содержат пигменты, связывающие вещества, эмульгаторы, масла, смолы и смачивающие агенты; они могут быть растворены в воде или в специальных растворителях. Некоторые из этих ингредиен­тов, например казеин, крахмал, целлюлоза и пластификаторы, могут разрушаться микробами, а применение альтернативных, устойчивых к микробному разрушению компонентов зачастую невозможно. Развитие микроорганизмов в пленках очень силь­но зависит от факторов окружающей среды: температуры, влажности, наличия на поверхности питательных веществ (на­пример, удобрений, приносимых ветром). Повреждения в ем­костях часто связаны с жизнедеятельностью бактерий, но могут быть обусловлены и развитием грибов. Кроме того, в жидких эмульсионных красках могут оставаться внеклеточные фермен­ты, например входящие в состав целлюлазной системы; эти ферменты способны снижать вязкость эмульсии.

Резины и пластмассы

Резины и пластмассы представляют собой материалы, содер­жащие каучук или какой-либо синтетический полимер. До 50% их состава может приходиться на долю добавок, используемых в качестве пластификаторов, антиоксидантов и веществ, защи­щающих данный материал от гидролиза и УФ-света. Кроме то­го, добавки служат наполнителями и пигментами. Многие из них чувствительнее к повреждениям, чем сам полимерный «ске­лет». Так, поливинилхлорид (ПВХ) в непластифицированной форме очень устойчив к биоповреждениям, однако применение его как такового ограничивается тем, что он не пластичен. Для придания такому материалу пластичности в него вводят пластификатор, которым часто служит сложный эфир органи­ческой кислоты, однако этот же пластификатор повышает чув­ствительность материала к биоповреждениям.

Природные каучуки состоят из регулярно повторяющихся изопреновых остатков, подверженных окислению, в результате которого возрастает вероятность разрушения их под действием микроорганизмов. Введение поперечных сшивок и добавление антиоксидантов замедляют этот процесс. Были созданы синте­тические каучуки с улучшенными свойствами, в том числе ус­тойчивые к биоповреждениям. Очень устойчивы к действию микробов силиконовые, нитрильные и неопреновые резины.

В целом синтетические полимеры, используемые в качестве пластмасс (такие, как полиэтилен, полистирол и ПВХ), сами по себе устойчивы к микроорганизмам. Однако некоторые из полимеров, применяемых все более широко, оказались чувстви­тельными к ним. Таковы полиуретаны —нечетко ограниченное семейство полимеров, выделяемое по признаку наличия урета­новой группировки; молекула их содержит также замещенные мочевинные, биуретовые, амидные и аллофанатные группиров­ки. Кроме того, для придания такому полимеру эластичности в него химическим путем вводят простые и сложные эфирные группировки. Большая часть всех этих группировок в соответ­ствующих условиях чувствительна к химическому, а также, ве­роятно, к ферментативному гидролизу. Видимо, подвержен­ность гидролизу определяется конфигурацией молекулы; из­вестно также, что сложноэфирные связи особенно легко гидролизуются микроорганизмами. По крайней мере в одном случае было показано, что вероятность биоповреждения умень­шается в результате использования соединений, препятствую­щих гидролизу. Тем не менее наши знания относительно путей расщепления полиуретанов остаются далеко не полными. Высо­кая износоустойчивость полиуретанов и их стойкость к истира­нию гарантировали им прочное место на рынке пластмасс, и ма­ловероятно, что в ближайшем будущем им будет найдена за­мена.

Топлива и смазочные материалы

К этой группе веществ относятся прежде всего фракции нефти с четко выраженными гидрофобными свойствами. При их кон­такте с водой может происходить целый ряд процессов с уча­стием микроорганизмов. Подобно пластмассам, эти продукты содержат многочисленные добавки, улучшающие их свойства,, которые повышают чувствительность такого рода продуктов к биоповреждениям.

В качестве топлива для реактивных самолетов широко ис­пользуют керосин. В емкостях для его хранения и в топливных баках самолетов неизбежно присутствует вода, поэтому на по­верхностях раздела топливо — вода и вода — металл начина­ется рост грибов. При отсутствии контроля развивающиеся грибы отделяются от поверхности и попадают в топливную си­стему. Это приводит к засорению фильтров и топливопроводов и тем самым к искажениям показаний приборов. Из сред по­добного рода неоднократно выделяли особый гриб Cladosporiuin resinae. Перемещение топлива внутри топливных систем само­лета увеличивает аэрацию, а в ультразвуковом самолете топли­во служит тепловым амортизатором. Внутри некоторых топлив­ных баков температура доходит до 55⁰C. По-видимому, все это способствует росту термофильных грибов.

Более тяжелая фракция нефти (масла) используется про­мышленностью в гидравлических системах для их смазки, а также применяется для облегчения механической обработки металлов на токарных станках и при шлифовании. Попадание воды в такие системы приводит к их повреждению либо в ре­зультате заклинивания из-за снижения эффективности смазоч­ного материала, либо в связи с началом коррозии, вызываемой кислыми промежуточными продуктами жизнедеятельности ми­кробов. В металлообрабатывающей промышленности важней­шие проблемы связаны с микробным заражением рабочих жид­костей; оно вызывает расслоение эмульсий, коррозию обраба­тываемых деталей и повышенный износ токарных станков. Относительная роль отдельных микроорганизмов в биоповреж­дениях масел подобного типа до конца не изучена. Однако в подходящих условиях, видимо, можно легко выделить орга­низмы, способные к прямому использованию данного масла, разрушению эмульгатора и образованию сероводорода.

Металлы и камни

Строгих доказательств связи между активностью определенных микроорганизмов и процессами коррозии не существует. Воз­можны три механизма коррозии: образование корродирующих веществ (кислоты, сероводород, аммиак); образование ячеек с различной аэрацией; катодная деполяризация. Все это при­водит к появлению ржавчины, а затем к разъеданию стенок емкостей для хранения горючего, имеющих водный отстой, и баков для самолетного топлива, а также к образованию в во­допроводных трубах пробок, затрудняющих ток воды. Для за­щиты от коррозии применяются обычные методы, в том числе механические ингибиторы, поверхностные покрытия и анодная защита.

Камни подвержены воздействиям многочисленных химиче­ских и иных факторов окружающей среды, способствующих их эрозии. Проблема биоповреждений камня возникает в связи с применением его в строительстве или для изготовления па­мятников, когда необходимо сохранить данную конструкцию. Как и в случае металлов, продемонстрировать непосредствен­ное участие микроорганизмов в подобных процессах разруше­ния крайне трудно. Тем не менее было предложено несколько механизмов. Первый из них — механическое воздействие: раз­витие микроорганизмов способствует накоплению воды, замер­зание и оттаивание которой приводит к разрушению поверхно­стей. Второй механизм состоит в расширении и сжатии микробных клеток, а третий — в образовании хелатных комп­лексов между минералами и органическими кислотами, выде­ляемыми микробами. Было показано, что бактерии могут пере­водить в раствор нерастворимые фосфаты и силикаты за счет образования 2-кетоглутаровой кислоты. Видимо, в разрушении камней существенную роль играют не упоминавшиеся до сих пор лишайники, что может быть обусловлено их способностью к сжатию и расширению (изменение влажности от 15 до 300% за 2—3 ч) при высушивании или увлажнении и к проникнове­нию внутрь пород. Недавно были изучены спилы пород, насе­ленных лишайниками; показано, что гриб-симбионт способен глубоко в них проникать и избирательно растворять минераль­ные компоненты.

ЛИТЕРАТУРА

Микробное выщелачивание

Brierley С. L. (1978). Bacterial leaching, Crit. Rev. Microbiol., 6, 207—262.

Brierley C. L. (1982). Microbiological mining, Scient. Am., 247, 42—51.

Fenchel T., Blackburn T. H. (1979). Bacteria and Mineral Cycling, Academic Press, London.

Murr L. E., Torma A. E., Brierley J. A. (eds.) (1978). Metallurgical Applications of Bacterial Leaching and Related Microbiological Phenomena, Academic Press, New York.

Potter G. M. (1981). Design factors for heap leaching operations, Mining Eng., 33, 277—281.

Иммобилизация металлов

Kelly D. P., Norris P. R., Brierley C. L. (1979). Microbiological methods for the extraction and recovery of metals. In: Microbial Technology: Current State, Future Prospects (eds. Bull. A. T., Ellwood D. C. and Ratledge C.), Cambridge University Press, Cambridge.

Norris P. R., Kelly D. Р. (1979). Accumulation of metals by bacteria and yeast, Devs ind. Microbiol., 20, 299—308.

Norris P. R., Kelly D. P. (1977). Accumulation of cadmium and cobalt by Sac- Charomyees cereυisiae, J. gen. Microbiol., 99, 317—324.

Norris P. R., Kelly D. P. (1982). The use of mixed microbial culture in metal recovery. In: Microbial Interactions and Communities, Vol. I (eds. Bull A. T., Slater J. H.), Academic Press, London.

Strandberg G. W, Shumate S. E., Parrot J. R. (1981). Microbial cells as biosor­bents for heavy metals: accumulation of uranium by Saccharomyces Cerevisiae and Pseudomonas aeruginosa, Appl. Environ. Microbiol., 41, 237—245.

Tuovinen O. H., Kelly D. P. (1974). Use of microorganisms for the recovery of metals, Int. Metall. Revs, 19, 21—31.

Биополимеры

Baird J. K-, Sandford P. A., Cottrell I. W. (1983). Industrial applications of some new microbial polysaccharides, Biotechnology, 1, 778—783.

Berkely R. C. W, Gooday G. W, Ellwood D. C. (eds.) (1979). Microbial Poly­saccharides and Polysaccharases, Society for General Microbiology and Aca­demic Press, London.

Dawes E. A., Senior P. J. (1973). Energy reserve polymers in microorganisms, Adv. Microbial. Physiol., 10, 136—266.

Sutherland I. W. (1982). Biosynthesis of microbial exopolysaccharides, Adv. Mic­robial Physiol., 24, 79.

Sutherland I. W. (1983). Extracellular polysaccharides, In: Biotechnology, Vol. 3, Biomass, Microorganisms, Products 1, Energy (ed. Dellweg H.), Verlag Che­mie, Weinheim.

Биоповреждение материалов

Eggins H. O. W, Oxley T. A. (1980). Biodeterioration and Biodegradation Bull., 16, 53—56.

Gilbert L. 1, Lovelock D. W. (eds.) (1975). Microbial Aspects of the Deteriora­tion of Materials, Academic Press, London.

Onions A. H. S., Allsopp D, Eggins H. O. W. (1981). Smith’s Introduction to Industrial Mycology, 7th edn, Edward Arnold, London.

Rose A. H. (ed.) (1981). Microbial Biodeterioration, Economic Microbiology, Vol, 6, Academic Press, London.

Seal K. J, Eggins N. O. W. (1981). The bioterioration of materials. In: Essays in Applied Microbiology (eds. Norris J. R. and Richmond M. H.), John Wiley and Sons, Chichester.