Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время для республики наиболее важным является создание научного фундамента новых ресурсосберегающих наукоемких технологий. В нашей республике развита промышленность химических волокон и тканей, имеются все увеличивающиеся потребности в новых материалах. Основным направлением технического прогресса в промышленности химических волокон в настоящее время является не только разработка новых типов волокнообра-зующих полимеров, предназначенных для производства многотоннажных химических волокон, в первую очередь синтетических, но и модификация известных химических волокон, вырабатываемых в промышленных масштабах. Модификация этих волокон придает им новые, заранее заданные свойства, улучшает качество и расширяет области их применения.
При создании новых композиционных материалов регулирование взаимодействия компонентов осуществляют различными методами, например, путем механического, плазмохимического, радиационного воздействия. Наиболее распространен способ обработки волокон веществами, имеющими химическое сродство к волокну и связующему. Однако подбор таких веществ сложен, а синтез новых соединений с необходимыми свойствами зачастую осуществить не удается, применение других методов связано со значительными технологическими и экологическими ограничениями. Особенно трудно достичь эффекта при модификации современных высокопрочных органических волокон.
Существенно новые возможности в регулировании межфазного взаимодействия в системе матрица - волокно открыл метод биохимической модификации с помощью микроорганизмов, позволяющий управлять в достаточно широких пределах физико-химическими свойствами и структурой макромолекул поверхностных слоев полимерных компонентов.
Систематические исследования волокон крупнотоннажного производства, в частности полиамидных (ПА) волокон, не проводились. В то же время имеется необходимость в улучшении свойств ПА-волокон, что стимулировало проведение исследований, описанных в настоящей диссертационной работе.
Анализ публикаций, посвященных воздействию микроорганизмов на химические волокна, позволяет сделать вывод, что в настоящее время преобладает представление о микробиологической деструкции как о негативном процессе и практически отсутствуют идеи какого-либо ее использования.
Исследование особенностей взаимодействия микроорганизмов с полиамидными волокнами в процессе биомодификации необходимо не только для всестороннего изучения механизмов направленного биохимического воздействия, что позволит подобрать максимально эффективные режимы и условия обработки полиамидных волокон, но и для более детального изучения самых ранних этапов биодеструкции, для прогнозирования состояния биологической устойчивости по-
лиамида в соответствующих условиях эксплуатации, для определения конкретных путей защиты волокон от повреждения микроорганизмами.
Связь работы с крупными научными программами, темами. Работа по теме диссертации была начата в 1991 году. Исследования, вошедшие в данную работу, были выполнены в Отделе проблем ресурсосбережения НАНБ, на кафедре биохимии и биотехнологии Гродненского государственного университета им. Я. Купалы, Институте биохимии НАНБ г. Гродно, Институте механики металлополи-мерных систем НАНБ (г. Гомель), Институте микробиологии НАНБ (г. Минск), Институте физики НАНБ (г. Минск), Институте микробиологии Чешской академии наук (г. Прага). Работа выполнялась в течение 1991-1992 г.г. как часть плановой темы ОПР НАНБ; с 1992 по 1994 г. как проект Фонда фундаментальных исследований (проект №Т4-017).
Настоящая работа была также частично поддержана Международной Со-росовской Программой образования в области точных наук.
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы явилось, во-первых, изучение влияния микроорганизмов на химическую структуру и физико-механические характеристики полиамидных волокон и, во-вторых, исследование реакции микроорганизмов на присутствие волокон в среде.
Выполнение поставленной цели потребовало решения следующих задач:
-
Разработать методику биомодификации полиамидных волокон.
-
Определить виды микроорганизмов, оказывающих наибольшее влияние на изменение физико-химических свойств полиамидных волокон.
-
Изучить особенности взаимодействия микроорганизмов с поверхностью полиамидного волокна во время биомодификации и их влияние на структуру и свойства полиамидного волокна в процессе биомодификации.
-
Исследовать влияние присутствия полиамидного волокна на физиолого-биохимические особенности микроорганизмов.
-
Изучить различия в реакции микроорганизмов на низкомолекулярные вещества, вымываемые в среду из волокон, твердую поверхность и химическую структуру волокна.
-
Изучить особенности микроорганизмов, адаптированных к полиамидному волокну.
Научная новизна полученных результатов. Разработана методика биомодификации полиамидных волокон, позволяющая существенно улучшить их физико-механические параметры. Выявлены перспективные в данном направлении штаммы микроорганизмов.
Комплексное исследование воздействия различных видов бактерий и грибов на полиамидные волокна позволило выявить основные элементы механизма биомодификации. Показано, что биообработка волокон приводит к образованию более однородных и более развитых поверхностей с мелкой фибриллоподобной структурой, которые обладают преимуществом в формировании большей площа-
ди адгезионного контакта. Выявлены центры на полиамиде, по которым бактерии могут селективно взаимодействовать с волокном.
Установлено отсутствие строгой зависимости между протеолитической и эфиролитической активностями микроорганизмов и способностью к биомодификации полиамидного волокна.
Изучены особенности микроорганизмов, адаптированных к волокну путем многократных пересевов.
Исследована способность микроорганизмов к индуцированному синтезу эк-зо- и эндопротеннов в ответ на присутствие в среде волокна. Показаны различия в реакции на наличие в среде низкомолекулярных веществ, вымываемых из волокон, химически инертную твердую поверхность волокна и химическую структуру нитей.
Практическая значимость полученных результатов. Биохимическая модификация полимеров микроорганизмами является новым перспективным направлением в области создания композиционных материалов на основе полимерных волокон. В результате выполнения исследований по теме диссертации были найдены виды бактерий и разработаны режимы биообработки, позволяющие на 20% увеличить прочность волокна, в 1.5-2 раза повысить адгезию волокон к полимерным связующим и в 1,5-1,8 раз снизить термоусадку полиамидного корда.
Экономическая значимость полученных результатов. Для промышленности выбор метода модификации определяется экономическими факторами. При этом учитываются: стоимость реагентов и растворителей, их токсичность, эффективность и длительность процесса, энергетические затраты. Необходимо учитывать также стоимость уничтожения отходов или побочных продуктов производства, экологичность процесса. Метод биохимической модификации не требует дорогостоящих реактивов, энергетических затрат, и является экологически чистым.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту.
-
Выбор микроорганизмов, способных улучшать физико-механические параметры полиамидного волокна в процессе биомодификации.
-
Результаты исследования воздействия микроорганизмов на микротопографию поверхности полиамидных волокон.
-
Результаты изучения структуры и физико-механических характеристик биомодифнцированных полиамидных волокон.
-
Анализ биомодифицирующего воздействия штаммов с протеолитической, эфиролитической и пероксидазной активностями, а также микробных метаболитов на волокно.
-
Анализ особенностей реагирования микроорганизмов на присутствие в среде волокон с различной химической структурой, низкомолекулярных соединений, твердую поверхность волокна.
6. Результаты изучения особенностей адаптированных штаммов к полиамидному волокну.
Личный вклад соискателя. Соискатель разработала методику биомодифицирования применительно к полиамидному волокну. Ею был проведен скрининг 31 вида микроорганизмов, выявлены наиболее перспективные для биомодификации. Проведена адаптация штаммов к полиамиду, и изучены их особенности, а также анализ реагирования микроорганизмов на присутствие в среде волокна.
Соискатель являлась ответственным исполнителем проекта T4-Q17 Фонда Фундаментальных Исследований Республики Беларусь. Она осуществила выбор методов исследования, получила, обобщила и обосновала экспериментальные данные диссертационной работы.
Апробация работы. Основные результаты доложены и обсуждены:
на областной конференции молодых ученых. Гродненский государственный Мединститут (Гродно, 1993);
на ежегодной конференции VAAM "Bioengineering" (Германия, 1993);
ежегодно с 1993 г. по 1995 г. на Апрельской научной конференции биологического факультета Гродненского госуниверситета;
на ежегодной конференции VAAM "Bioengineering" (Германия, Ганновер, 1994);
на Международной научно-технической конференции
"Ресурсосберегающие и экологически чистые технологии" (Гродно, 1994);
- на Международном симпозиуме по адгезии (Япония, Йокогама, 1994);
на ежегодной конференции немецкого микробиологического общества VMM "Biospectrum" (Германия, Штутгард, 1995);
на Международной конференции "Fall meeting materials research society" (США, Бостон, 1996).
Опубликованность результатов. Основные материалы диссертации опубликованы в 10 печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертация содержит 123 страницы машинописного текста, включая 30 рисунков, 22 таблицы, список литературы 103 наименований. Работа включает; введение, общую характеристику работы, обзор литературы, главу материалы и методы, 5 глаз собственных исследований, выводы.