Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 9
1.1. Биоповреждения полимеров 9
1.2. Биоповреждения лакокрасочных материалов и покрытий микроскопическими грибами 12
1.3. Защита лакокрасочных материалов и покрытий от биоразрушений микроскопическими грибами 15
1.4. Механизмы действия фунгицидов 19
1.5. Производные терпеноидов, как экологически безопасные средства защиты полимерных материалов от биоповреждения 28
1.6. Основные характеристики метаболизма микромицетов 37
1.6.1. Особенности дыхания грибов 38
1.6.2. Органические кислоты микромицетов и их роль в процессах микодеструкции 39
1.6.2.1. Органические кислоты в процессах микодеструкции 41
1.6.3. Фосфатазы микромицетов как важнейший элемент энергетического обмена 43
1.6.4. Строение и механизм действия фосфатаз 46
2. Материалы и методы исследований 49
2.1. Биологически активные вещества исследуемые на фунгицидную и бактерицидную активность 49
2.2. Лакокрасочные материалы, используемые для исследования биоцидной активности 49
2.3. Определение фунгицидной активности 49
2.4. Определение бактерицидной активности 51
2.5. Гидролиз а-пинена в водно-ацетоновых растворах серной кислоты (синтез а-терпинеола) 53
2.6. Ректификация соснового маслаи а-пинена 53
2.7. Получение нового препарата «Лесептик М» на основе «Лесептик»...53
2.8. Испытания композиций ЛКМ на устойчивость к биоповреждению...54
2.9. Исследование влияния климатических факторов на бактерицидную и фунгицидную активность соснового и пихтового масла 55
2.10. Выращивание культуры плесневых грибов на жидкой питательной среде 57
2.11. Определение фосфатазной активности 57
2.12. Определение неорганического фосфора 58
2.13. Определение дикарбоновых кислот методом газожидкостной хроматографии в культуральной жидкости гриба P. chrysogenum 59
2.14. ГЖХ фракций от ректификации а-пинена и соснового масла 61
2.15. Определение интенсивности дыхания поляриметрическим методом...61
2.16. Статистическая обработка данных 63
3. Результаты и их обсуждение 64
3.1. Определение биоцидной активности монотерпеноидов 64
3.1.1. Определение бактерицидной активности монотерпеноидов 64
3.1.2. Определение фунгицидной активности монотерпеноидов 68
3.2. Изучение действия а-терпинеола на физиолого-биохимические показатели метаболизма грибов на примере Alternaria alternata, Penicillium chrysogenum 72
3.2.1. Определение интенсивности дыхания P.chrysogenum. 72
3.2.2. Определение дикарбоновых кислот в культуральной жидкости гриба Р. chrysogenum 74
3.2.3. Изучение фосфатазной активности 76
3.3. Введение препаратов на основе монотерпеноидов в ЛКМ с целью защиты от микробиологических повреждений 80
3.4. Исследование фракций от ректификации соснового масла и а-терпинеола 82
3.5. Создание и испытание нового дезинфицирующего средства на основе «Лесептик» 86
3.6. Определение изменения биоцидной активности (фунгицидной, бактерицидной) соснового масла в результате действия ряда климатических факторов (температура и ультрафиолетовое облучение) 89
Выводы 95
Цитированная литература 97
Список используемых сокращений 118
- Биоповреждения лакокрасочных материалов и покрытий микроскопическими грибами
- Фосфатазы микромицетов как важнейший элемент энергетического обмена
- Определение бактерицидной активности монотерпеноидов
- Изучение фосфатазной активности
Введение к работе
Биоразрушение различных полимерных материалов является одной из актуальных проблем. Это связано с тем, что, с одной стороны, живые организмы способны использовать техногенные и природные субстраты в качестве источников питания и, как следствие, вызывать их деструкцию, что негативно сказывается на рациональном использовании материальных ресурсов. С другой стороны, многие биодеграданты являются условно-патогенными организмами, способными вызывать тяжелые заболевания человека и животных. И то и другое в значительной степени ухудшает экологическую среду обитания человека (Sander et al., 1996, Соболев, 1998, Chapman, 1999, Piecova, Jesenska, 1999, Крыленков, 2000, Антонов, 2004, Guan et al., 2004).
Полимерные материалы находят широкое применение в различных отраслях промышленности. Известно, что в процессе эксплуатации данные материалы в значительной степени подвержены биодеструкции. Одними из наиболее активных биодеградантов являются микроскопические грибы. Быстрый рост мицелия, мощность и лабильность ферментативных систем позволяет этим микроорганизмам использовать в качестве источников питания различные полимеры как природного, так и искусственного происхождения (Лугаускас и др., 1987; Ермилова и др., 1996). Рост грибов приводит к изменению внешнего вида пластикатов, ухудшению технологических свойств данных материалов (Смирнов и др., 2000).
Самым распространенным способом защиты от биоповреждений является применение различных биоцидов (Клочков, Бочаров, 1987, Валиулина, 1991; Валиулина, Меньшикова, 1994; Иващенко и др., 2002; Смирнов и др., 2003). В связи с наличием достаточно эффективных механизмов адаптации у микроорганизмов арсенал биоцидных средств должен постоянно обновляться.
Биоцидные препараты, выделенные из лесохимических продуктов, используются в качестве средств защиты не только в промышленности, но и в сельском хозяйстве, медицине, ветеринарии (Аксенов, 1981,
5 Пасешниченко, 1995). В последнее время в качестве дезинфицирующих средств широкое применение находят антимикробные препараты на основе продуктов переработки древесины, в частности, терпеновые соединения (Кинтя, 1990, McGarvey, Croteau, 1995, Inoye et al., 2001). Известно, что соединения терпеноидной природы обладают биоцидной активностью (Григорюк, 1985; Carson et al, 1995, Demirci et al., 2001, Mahmoud, Croteau,
2002). Преимуществом использования препаратов на основе терпеноидов является то, что они относительно безопасны для позвоночных. Кроме того, эти соединения без труда разлагаются различными микроорганизмами и не накапливаются в окружающей среде (Misra, 1996, Oliveira et al., 1999, Van der Werf, 2000, Mahmoud, Croteau, 2002).
Поскольку эти соединения являются природными, возникает вопрос о создании препаратов с наименьшей экологической нагрузкой, пригодных для применения в качестве дезинфектантов, бактерицидов, фунгицидов.
Вышеуказанные соединения используются в качестве дезинфицирующих средств и обладают преимущественно бактерицидным действием. В настоящий момент практически ничего не известно о применении терпеноидов (в частности монотерпенов) в качестве средств защиты материалов от биоповреждений, вызываемых, главным образом, микроскопическими грибами. Есть сведения о возможности использования дитерпенов в качестве средств защиты ДСП от грибных разрушений (Рубцова, 2005).
Также в настоящее время практически остается вне зоны внимания вопрос, связанный с воздействием факторов климатического старения на биоцидную активность используемых средств защиты.
В то же время в литературе сравнительно мало данных о механизмах действия монотерпенов и их производных на метаболизм и жизнедеятельность микроорганизмов, что, по нашему мнению, необходимо знать для их эффективного применения и целенаправленного синтеза.
Целенаправленный и планомерный подбор биоцидов для защиты материалов, основанный на изучении механизмов ингибирующего действия биоцида, его совместимости с материалом, низкой экологической нагрузкой позволит подбирать наиболее оптимальные биоциды для защиты от биоповреждения конкретного типа материала, а также антимикробных препаратов, используемых в медицине и сельском хозяйстве.
Цели и задачи исследований. Настоящая работа посвящена изучению возможности использования монотерпеноидов в качестве средств защиты промышленных материалов от микробиологического повреждения.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи: -провести скрининг терпеноидов с целью выявления наличия у них бактерицидной и фунгицидной активности; -определить минимальную биоцидную концентрацию для выбранных соединений; -выявить наиболее резистентные и наиболее чувствительные микроорганизмы к данным соединениям; - оценить возможность использования в качестве источников питания микроскопическими грибами лакокрасочных материалов с введенными в их состав препаратами на основе монотерпеноидов; -изучить возможность повышения биологической активности уже существующих препаратов на основе терпеноидов; - получение нового биоцидного препарата (средства защиты от биоповреждений); -исследовать степень влияния некоторых климатических факторов на изменение активности биоцидных соединений на основе монотерпеноидов; изучить влияние монотерпеноидов на некоторые процессы метаболизма микроскопических грибов: дыхание, кислотообразование, ферментативную активность.
Связь темы диссертации с плановыми исследованиями. Работа выполнена по общему плану научных исследований ОБИ НИИХ ННГУ им. Н. И. Лобачевского по проблеме биодеградации различных промышленных материалов и по Всероссийской программе фундаментальных исследований
7 ООБ РАН «Проблемы общей биологии и экологии; рациональное использование биологических ресурсов (1998-2005 г.г.) Направление 12. «Экологические проблемы биоповреждений».
Научная новизна работы. На основе скрининга монотерпеноидов различной природы установлено, что данные соединения обладают фунгицидным и бактерицидным действием в отношении микроорганизмов-деструкторов промышленных материалов, причем бактерицидный эффект наиболее выражен. Наибольшая биоцидная активность показана для а-терпинеола. Выявлены наиболее резистентные и чувствительные к данным соединениям микроорганизмы (грибы, бактерии).
Антимикробное действие а-терпинеола может быть связанно с тем, что данное соединение способно оказывать ингибирующее действие на определенные процессы метаболизма микромицетов: дыхание, кислотообразование, активность экзо- и эндофосфатаз.
Впервые показано, что метод ректификации соснового масла (промышленный источник а-терпинеола) может лечь в основу повышения биоцидной активности защитных препаратов на основе монотерпеноидов. Показано, что определенные фракции от ректификации соснового масла обладают более высокой биоцидной активностью, чем чистый а-терпинеол.
Впервые изучено действие факторов климатического старения (температура, ультрафиолетовое излучение) на биоцидную активность препаратов на основе а-терпинеола (сосновое масло). Установлено, что фунгицидный и бактерицидный эффект исследуемых препаратов практически не изменяется при действии вышеуказанных факторов.
Практическая значимость работы: -результаты исследований по оценке биоцидной эффективности терпеноидов и их влияния на рост микроорганизмов могут лечь в основу разработки новых высокоэффективных биоцидов на основе природного сырья (продуктов лесохимии);
8 -на основе использования фракций от ректификации соснового масла, обладающих высокой биоцидной активностью, был создан новый препарат «Лесептик М», значительно превосходящий по своему антимикробному действию ныне существующие препараты на основе а-терпинеола; -данный препарат был использован в качестве присадки в негрибостойкие лакокрасочные материалы, в результате чего полимерные композиции приобретали не только грибостойкие, но и фунгицидные свойства.
Структура и объем работы. Материалы диссертации изложены на 118 страницах машинописного текста. Диссертация состоит из введения, 3 глав, выводов, списка литературы. В работу включено 3 рисунка, и 20 таблиц. Указатель литературы включает 212 источников, в том числе 129 на иностранных языках.
Биоповреждения лакокрасочных материалов и покрытий микроскопическими грибами
В настоящее время трудно найти группу материалов, на которую живые организмы не оказывали бы разрушающего действия или, по меньшей мере, не изменяли бы их свойств или внешнего вида. (Лугаускус и др., 1987; Коваль, Сидоренко, 1989, Черушова и др., 2001). Известно, что разрушению микроорганизмами подвергается широкий круг материалов как природного, так и синтетического происхождения, находящих применение в строительстве, а также разрушение памятников культуры (Lyalikova, Petuschkova, 1991, Ortega-Calvo et al, 1991, Palmer et al., 1991, Griffin et al., 1991, De la Torre et al., 1993, May et al., 1993., Bock, Sand, 1993, Garg et al., 1995). Процессы биоповреждений влекут за собой в экономическом отношении потери стоимости вышедших из строя строительных материалов, сооружений и конструкций, затраты на ремонт и противобиокоррозионную защиту (Mansch., Bock, 1998, Смирнова и др., 2002).
Среди полимерных материалов важную роль играют лакокрасочные материалы и покрытия. Поэтому актуально исследовать процесс биоповреждения лакокрасочных материалов микроскопическими грибами (Gu et al., 1997, Gu et al., 1998).
Большое значение в повышении долговечности и увеличении срока эксплуатации некоторых строительных конструкций (металлические конструкции, коммуникации, подземные трубопроводы, древесина, модифицированная полимерами, и некоторые другие) имеет защита их лакокрасочными покрытиями (ЛКП), способных образовывать на защищаемой поверхности декоративную пленку с определенными физико-механическими и физико-химическими свойствами. При этом функция ЛКП сводится к защите конструкций не только от атмосферных воздействий и прочих агрессивных факторов, но и от микробиологической коррозии, в частности от поражения плесневыми грибами и их метаболитами (Воинцева и др., 1994). Однако лакокрасочные материалы (ЛКМ) и лакокрасочные покрытия, эксплуатируемые в условиях, благоприятных для роста и развития плесневых грибов и бактерий, могут и сами подвергаться микробиологическим повреждениям (Смирнов и др., 2003). Пораженные микроорганизмами окрашенные поверхности покрываются разноцветными пятнами, вспучиваются, растрескиваются, отслаиваются и в результате теряют свои эксплуатационные свойства (Ильичев, 1987).
Лакокрасочные материалы (ЛКМ) и покрытия, обладая рядом ценных свойств, которые обеспечивают им широкое применение в различных областях народного хозяйства, вместе с тем имеют существенные недостатки. Известно, что водно-дисперсионные материалы (ВДМ) являются благоприятной средой для развития микроорганизмов (Беликов, Бычков, 2000, Бычков, Евпионова, 2002). Риск заражения существует также при использовании воды в смеси с органическими веществами. Микробиологическое загрязнение может наблюдаться как в самом ЛКМ, так и в отвержденном покрытии, на основе ВДМ и в органоразбавляемых ЛКМ.
Основными агентами микробиологических повреждений ЛКП являются плесневые грибы. Разрушение ЛКП происходит как в результате механического воздействия мицелия плесневых грибов так и под влиянием метаболитов, выделяемых микромицетами в процессе их жизнедеятельности (Кулик, 1984, Ковальский, 1994). Бактериальные поражения встречаются реже и проявляются в виде бесцветного или окрашенного слизистого налета. Среди микроорганизмов, повреждающих ЛКП, часто встречаются грибы родов Aspregillus, Penicillium, Fusarium, Trichoderma, Alternaria, Cephalosporium, a также бактерии родов Pseudomonas, Flavobacterium (Соломатов и др., 2001). Видовой состав грибов специфичен для различных почвенно-климатических зон. Он формируется из видов, составляющих сообщество, характерное для почв той или иной зоны (Андреюк и др., 1980, Кулик, 1984, Ильичев и др., 1985). Развитие грибов на ЛКП происходит либо за счет использования ими компонентов, входящих в состав покрытия, либо за счет веществ, загрязняющих поверхность (Соломатов и др., 2001).
Следует различать поражения ЛКМ (в особенности водоэмульсионных красок) микроорганизмами, происходящие на стадии их производства (хранения), и биоповреждения отвержденных лакокрасочных защитных и декоративных покрытий, нанесенных на подложки. В первом случае, микроорганизмы попадают в полуфабрикаты лаков и красок в процессе технологического цикла их производства (с сырьем, водой, из воздуха производственных помещений и т. д.), во втором споры грибов и бактерий оседают на поверхность готовых покрытий из окружающей среды, чему в немалой степени способствуют различные загрязнения (Андреюк и др., 1980, Коваль, Сидоренко, 1989, Gargetal., 1995).
В настоящий момент практически нет абсолютно биостойких ЛКМ и ЛКП. В зависимости от их химического состава и структуры можно говорить лишь о более или менее устойчивых к биоповреждениям композициях (Смирнов и др., 2003). Биостойкость готовых ЛКП в значительной степени зависит от их состава, химической природы полимерного связующего и пигментов. На биостойкость оказывают влияние такие компоненты лаков и красок, как разбавители, растворители, стабилизаторы, отвердители и т. д., а также материал, на который наносится покрытие. (Смирнова и др., 1994, Ерофеев и др., 2003;). Так, покрытия на древесине сохраняются лучше, чем на металле или силикатных строительных материалах; на черных металлах они бывают менее биостойкими, чем на цветных (Андреюк и др., 1980). Биостойкость ЛКП также зависит от гидрофобное покрытия и распределения конденсата влаги на поверхности материала: чем выше гидрофобность покрытия, тем выше его грибостойкость (Коваль и др., 1987). Физические свойства также имеют определенное значение. Чем быстрее высыхает пленкообразующее вещество, тем быстрее образуются сплошное высохшее покрытие, и возможность поражения микроорганизмами уменьшается. Кроме того, чем быстрее твердеет пленка лакокрасочного покрытия, тем меньше влаги оно поглощает из воздуха и тем меньше будет плесневеть (Смирнов и др., 2003). Учитывая то, что недостаточная биостойкость хотя бы одного составляющего компонента приводит к получению небиостойкой композиции в целом важная роль при разработке и создании композиций с требуемым биологическим сопротивлением отводится оптимизации состава лакокрасочного материала по всем составляющим его компонентам (Ерофеев и др., 2004).
Биоповреждения ЛКП обычно сочетаются с повреждающим действием на них других факторов внешней среды - атмосферной влаги с растворенными в ней агрессивными химическими веществами, солнечного света, повышенных температур и т. д., вызывающих старение материалов. Процессы старения и биоповреждения могут протекать одновременно или не совпадать по времени, но в большинстве случаев они взаимно дополняют друг друга, ускоряя и усугубляя разрушение материалов и ухудшая их эксплуатационно-технические свойства (Ильичев и др., 1985).
Фосфатазы микромицетов как важнейший элемент энергетического обмена
Фосфатазы являются ферментами фосфорного обмена. Экзоформы фермента являются непосредственными деструкторами материалов, эндоформы - участники энергетического обмена клетки. Они участвуют на этапе использования энергии фосфорных связей на синтезы: отщепляют неорганический ортофосфат или пирофосфат. Субстратом для этого процесса могут служить как нуклеотиды, так и фосфаты и полифосфаты (Диксон, Уэбб, 1982; Кретович,1986; Бэккер,1988; Трушкина и др., 1992).
Согласно современной классификации, фосфатазы относят к классу гидролаз, подклассу эстераз, гидролизующих эфиры фосфорной кислоты с углеводами. К фосфатазам относят также дезоксирибозу, нуклеотидазу, апиразу, пирофосфатазу, метафосфатазу и другие полифосфатазы.
В зависимости от используемого субстрата их делят на три основные группы: 1) фосфомоноэстеразы - гидролазы фосфомоноэфиров; 2) фосфодиэстеразы - гидролазы фосфодиэфиров; 3) полифосфатазы - гидролазы полифосфатов, конденсированных органических фосфатов. Установлено, что все фосфатазы атакуют в органических соединениях связь -Р-0-. Фосфатазы специфичны по отношению к фосфатной части молекулы и могут переносить фосфатные группы на другие молекулы, так что происходит разрыв непосредственно за атомом фосфора (Диксон, Уэбб, 1982). Фосфатазы делятся на специфические, действие которых направлено на один какой-то субстрат, и неспецифические, обладающие широким спектром действия. Неспецифические фосфатазы по характеру среды, в которой наблюдается максимальная их активность, подразделяются на щелочные (К.Ф. З.1.З.1.), кислые (К.Ф. 3.1.3.2.) и нейтральные. Оптимальные значения рНу них: 8,0-10,0; 4,0-5,5; 7,0; соответственно. Кислые и щелочные фосфатазы являются группой распространенных ферментов с очень широкой специфичностью. Все они действуют на различные моноэфиры ортофосфорной кислоты, как на алифатаческие, например, глицерол-1-фосфат и глицерол-2-фосфат, так и на ароматические, например, 4-нитрофенолфосфат (Диксон, Уэбб, 1982, Зуева и др., 1993). Было также показано, что очищенная щелочная фосфатаза из ряда источников гидролизует креатинфосфат, неорганический пирофосфат и некоторые полифосфаты, в том числе АТФ и метафосфат с длиной цепи средних размеров (Диксон, Уэбб, 1982). У растительных организмов обнаружена чрезвычайно активная апираза -кислая фосфатаза, катализирующая отщепление двух остатков фосфорной кислоты от АТФ (Кретович, 1980). У микромицетов также была найдена апираза, расщепляющая АТФ при рН от 3,0 до 5,0 (Беккер, 1988). Установлено, что фосфатазы могут концентрироваться в различных органеллах клетки гриба: в ядре, вакуолях, лизосомах, цитоплазматической мембране, клеточной стенке, периплазматическом пространстве. Различают растворимые и мембраносвязанные формы ферментов. Мембраносвязанные формы кислой (КФ) и щелочной фосфатаз (ЩФ) обнаружены в цитоплазматической мембране и клеточной стенке, а растворимые - в периплазматическом пространстве, лизосомах (КФ) и вакуолях (ЩФ). (Norio etal., 1975; Norio etal., 1980). Различают также конститутивную форму фосфатаз, синтез которой не зависит от наличия фосфора в среде культивирования, и репрессибельную (или адаптивную), биосинтез и секреция которой находится под контролем неорганического фосфата (Дормидонтова и др., 1998). В работах с культурой дрожжей Saccharomyces cerevisiae (Семенова и др., 1986) было обнаружено, что эти формы различаются по ряду свойств: оптимальных значений рН и температуры, устойчивости к некоторым реагентам и т.д. Кроме этого различна и физиологическая роль, выполняемая этими фосфатазами. (Шнырева, Егоров, 1990). У грибов хорошо развита дифференцированная в отношении разных фракций полифосфатов система полифосфатаз, среди которых различают категорию полифосфогидролаз, экзоферментов, гидролизирующих с отщеплением концевого остатка фосфорной кислоты с образованием ортофосфата и имеющих оптимум рН в нейтральной зоне (рН 7,1-7,5). К этой категории относятся: 1) полифосфатазы, гидролизующие высокомолекулярные полифосфаты; 2) олигополифосфатазы, гидролизующие тетра-, триполифосфаты и пирофосфат. Эти полифосфаты локализуются, в основном, на поверхности клетки. Вторая категория представляет собой эндоморфы, или деполимеразы, расщепляющие цепи полифосфатов с образованием олигополифосфатов или полифосфатов цепей меньшей длины, чем исходная. Оптимум ферментов такого типа расположен в кислой зоне и составляет рН 3,2-3,4. (Беккер, 1988). Среди ферментов, переносящих фосфат, наиболее хорошо изученным является щелочная фосфатаза. Важную роль в функционировании активного центра щелочной фосфатазы играют конформационные изменения активного центра и всей глобулы фермента.
Нековалентное присоединение субстрата на первой стадии процесса приводит к перестройке октаэдрической конформационной сферы катиона исходного фермента до тетраэдрической конфигурации. В фермент-субстратном комплексе при переходе от октаэдрической к тетраэдрической конфигурации освобождаются остатки His и Ser, входившие в число лигандов металла в "свободном" активном центре фермента. В результате чего становится возможным взаимодействие с молекулой субстрата и фосфорилирование фермента.
Ион металла, координирующий молекулу воды, удерживает субстрат в оптимальном положении и нейтрализует заряд аниона, облегчая нуклеофильную атаку на фосфор, активированным серином. Замена октаэдрической координационной сферы металла на тетраэдрическую способствует усилению этих свойств.
Определение бактерицидной активности монотерпеноидов
Результаты этой серии экспериментов показали, что МФК а- терпинеола составила 1,0 %. Смесь пиненов в отношении Penicillium chrysogenum, Aspergillus niger, Aspergillus oryzae МФК составила 5,0 % . Таким образом полученные данные позволяют говорить об а-терпинеоле, как о природном соединении возможным к использованию в качестве фунгицида.
Итак, полученные результаты по изучению бактерицидной и фунгицидной активности терпеноидов подтверждают литературные данные об их биологической активности и возможности использования в качестве бактерицидов и фунгицидов, в том числе как фактор защиты полимерных материалов от биоповреждений. В литературе сравнительно мало данных о механизмах действия терпеноидов и их производных на метаболизм и жизнедеятельность микроорганизмов, что по нашему мнению необходимо знать для их применения и целенаправленного синтеза.
Эффективное использование средств защиты промышленных материалов от разрушения микроскопическими грибами (наиболее распространенными и мощными деструкторами полимерных материалов) возможно лишь при изучении влияния биоцидов на физиолого-биохимические показатели жизнедеятельности гриба. Поэтому на следующем этапе работы изучалось влияние монотерпеноидов на процессы жизнедеятельности микроскопических грибов, в частности а-терпинеола и смеси пиненов, проявивших наибольшую фунгицидную активность. Были выбраны следующие показатели: интенсивность дыхания, процесс кислотообразования, фосфатазная активность.
Важным метаболитическим процессом клетки является дыхание. Известно, что грибы обладают высоким уровнем дыхания (Билай, 1980). В связи с этим нами изучалось влияние а - терпинеола и смеси пиненов на интенсивность дыхания гриба P. chrysogenum - одного из активных деструкторов промышленных материалов. Причем, для определения возможных точек действия на дыхательный процесс исследование проводилось на фоне NaF известного ингибитора гликолиза (подавляет ключевой фермент гликолиза - енолазу, а также является ингибитором фосфатаз).
Результаты по изучению влияния бицоидов на дыхание представлены на рисунке 3. Нами показано, что эти вещества способны подавлять интенсивность дыхания по отношению к контролю. Использование в качестве ингибитора а - терпинеола привело к снижению активности дыхания до 52,99%, тогда как использование одного NaF снизило показатели до 60,53% по отношению к контролю. При совместном действии NaF и а -терпинеола ингибирующий эффект остался на уровне действия NaF и а -терпинеола при независимом использовании и составил 54,23%) активности. Учитывая эти данные можно предположить, что возможным механизмом действия а - терпинеола могут быть механизмы близкие к действию NaF, т.к. при независимом использовании показатели снижения активности дыхания были сопоставимы, а при совместном действии суммирования не наблюдалось и показатель лишь незначительно изменился в сторону снижения активности. В большей степени ингибирование наблюдалось при совместном действии NaF и смеси пиненов и составила 33,19%) активности по отношению к контролю. Показатель ингибирования смеси пиненов составил 62,90%) от исходной активности. Видимо механизм действия данных монотерпенов отличается от механизма действия а - терпинеола, и поскольку показатели совместного действия ниже чем при индивидуальном введении веществ, то можно предположить о дополнительных точках воздействия на процесс дыхания со стороны смеси пиненов. Это в какой-то мере косвенно подтверждается полученными нами данными по воздействию на эндофосфатазы, т.к. применительно к гликолизу ингибируются глюкофосфатазы.
Промежуточными продуктами дыхания являются органические кислоты, которые образуются в цикле Кребса. Работами В.Д. Ильичева (1987) показано, что повреждение материалов плесневыми грибами происходит, в том числе и за счет воздействия на них различных продуктов метаболизма, в первую очередь органических кислот и ферментов. Кроме того, образующиеся органические кислоты участвуют в кислотном катализе различных реакций расщепления. Также кислоты изменяют рН окружающей среды, что может способствовать увеличению активности других метаболитов и экзоферментов, а также изменять свойства компонентов полимерных материалов и изменять их эксплуатационные качества и свойства.
В наших экспериментах в культуральной жидкости гриба обнаружены следующие кислоты: щавелевая, фумаровая, яблочная, кето-глутаровая, янтарная, лимонная.
Результатами этой серии экспериментов показано, что происходит ингибирование процесса кислотобразования. Сумма кислот снизилась под действием а- терпинеола до 23,23 г/дм , смеси пиненов до 10,62 г/дм тогда как в контроле сумма кислот составила 33,62 г/дм3, что свидетельствует о нарушении обмена органических кислот и дыхания вследствие действия вышеуказанных соединений. В сумме кислот большая доля приходится на щавелевую кислоту и составляет 25,57 г/дм (76,05%) в контроле; 17,80 г/дм (76,62%) с а-терпинеолом; 5,28 г/дм3 (49,72%) со смесью пиненов. Сумма яблочной и фумаровой кислот составила 4,38 г/дм (13,03%) в контроле; 4,03 г/дм3 (17,34%) с а-терпинеолом и 3,39 г/дм3 (31,92%). В то время как доля кето-глутаровой в контроле составила 2,85 г/дм (8,45%); 0,91 г/дм (3,91%) с а-терпинеолом и 0,82 г/дм (7,72%) со смесью пиненов. Доля янтарной кислоты составила 0,13 г/дм3 (0,4%) в контроле; 0,072 г/дм3 (0,03%) с а-терпинеолом; 0,028 г/дм3 (0,03%) со смесью пиненов. Доля лимонной кислоты менялась следующим образом. В контроле количество кислоты составило 0,69 г/дм (2,05%); 0,42 г/дм (1,8%) с а-терпинеолом и 0,56 г/дм (5,3%)) со смесью пиненов. Таким образом можно говорить о том, что под действием терпенов изменяется не только количество кислот, но и изменяется их соотношение в сумме.
Ингибирование процесса кислотообразования исследуемыми биоцидами в определенной степени оправдывает перспективу их использования в качестве защиты полимерных материалов от биоповреждений, т.к. Penicillium chrysogenum является грибом, выделяющим в среду относительно большое количество кислот. Данные представлены в таблице 7.
Изучение фосфатазной активности
В последнее время встает вопрос о том, что необходимо учитывать действие климатических факторов не только на полимерные материалы, но и на биоцидные присадки, которые в них используются для защиты от биоповреждений. Это связано с тем, что климатические факторы способны изменять биоцидную активность используемых средств защиты. Данный вопрос является малоизученным, и проведение таких исследований позволит дать научно обоснованную рекомендацию о возможности использования биоцидов для защиты промышленных материалов от микробиологических повреждений в определенных климатических условиях. В связи с этим интересно было определить изменение биоцидной активности (фунгицидной, бактерицидной) соснового, а также пихтового масла (основной компонент борнеол) в результате действия на них ряда климатических факторов, таких как температура и ультрафиолетовое облучение. Известно, что климатические факторы способны по-разному влиять на биоцидную активность - или изменять ее (увеличивать, уменьшать), или придавать соединению биоцидный эффект, или вызывать его исчезновение; наиболее разнообразно действие климатических факторов проявляется на бактерицидной активности. Полученные данные позволят осуществить целенаправленный подбор биоцидов, а именно позволит отобрать биоцидные препараты, фунгицидный и бактерицидный эффект которых не меняется (или меняется незначительно) в зависимости от действия факторов старения и дать научно обоснованные рекомендации по их использованию для защиты тех или иных конкретных полимерных материалов от биоповреждений, вызываемых бактериями и грибами с учетом действия факторов климатического старения.
При изучении бактерицидных свойств производных терпеноидов наблюдалась следующая картина: пихтовое масло проявило бактерицидное действие на Bacillus megaterium, Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, Escherichia coli; сосновое масло - на все виды изучавшихся тест-культур бактерий и в том числе на ассоциативную культуру бактерий, то есть сосновое масло обладает большими бактерицидными свойствами. Действие высокой температуры на пихтовое масло приводило к появлению у него бактерицидного действия на ассоциативную культуру бактерий, а так же на культуру Streptococcus salivarius и к увеличению бактерицидных свойств по отношению к Escherichia coli, для культуры Pseudomonas aeruginosa наблюдалось снижение бактерицидного эффекта; в случае с сосновым маслом воздействие высокой температуры вызывало снижение бактерицидного действия на культуры Streptococcus salivarius, Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa.
Воздействие пониженной температуры на пихтовое масло приводило к возникновению у него бактерицидного действия на ассоциативную культуру и снижению бактерицидных свойств по отношению к Staphylococcus aureus и Pseudomonas aeruginosa; у соснового масла наблюдалось снижение бактерицидных свойств по отношению к Streptococcus salivarius, Pseudomonas aeruginosa, Proteus vulgaris и Escherichia coli, а также повышение бактерицидного действия на Staphylococcus aureus. Действие УФО на пихтовое масло приводило к увеличению бактерицидных свойств по отношению к культурам Bacillus megaterium и Escherichia coli и возникновению бактерицидного эффекта по отношению к культуре Proteus vulgaris; у соснового масла наблюдалось увеличение бактерицидного действия на ассоциативную культуру и на Bacillus megaterium и Staphylococcus aureus, и его снижение по отношению к культурам Proteus vulgaris и Escherichia coli (таблица 17).
Действие высокой и пониженной температур на оба вида масел не приводило к изменению их фунгицидных свойств по отношению к ассоциативной культуре, однако по отношению к Trichoderma viride наблюдалось снижение фунгицидных свойств у соснового масла и полное их исчезновение у пихтового. Действие УФО в целом не меняло фунгицидности вышеуказанных масел, однако у соснового масла при действии данного фактора наблюдалось увеличение фунгицидных свойств по отношению к культуре Trichoderma viride (таблица 18). Фунгицидная активность определялась к ассоциативной культуре по ГОСТ 9.049-91 (без гриба Trichoderma viride) и отдельно к культуре Trichoderma viride, которая является антагонистом и может оказывать негативное действие на развитие других тест-культур.
В целом, можно отметить, что факторы климатического старения не оказали на сосновое масло существенного воздействия, которое могло бы ограничить его применение в качестве биоцидной присадке к ЛКП и ЛКМ.
Для сравнения нами изучалось действие данных факторов старения на другие природные биоциды - аскорбат и сукцинат хитозана (природные полимеры, в последнее время используются в качестве биоцидной присадки, повышающей устойчивость полимерной композиции к действию микроорганизмов). Данные представлены в таблицах 19,20. Результаты показали, что действие факторов климатического старения приводило к снижению его бактерицидного действия на Bacillus megaterium и полному исчезновению бактерицидного действия на Streptococcus salivarius, Proteus vulgaris, Escherichia coli; у сукцината хитозана в этом случае наблюдалось снижение бактерицидных свойств по отношению к Bacillus megaterium, Pseudomonas aeruginosa и Escherichia coli, а так же полное исчезновение бактерицидного действия на Streptococcus salivarius. Действие пониженной температуры на аскорбат хитозана подавляло его бактерицидное действие на Streptococcus salivarius и появлению бактерицидного эффекта для культуры Pseudomonas aeruginosa; у сукцината хитозана наблюдалось исчезновение бактерицидного действия на Streptococcus salivarius и Pseudomonas aeruginosa. Действие УФО полностью подавляло бактерицидную активность обоих вышеуказанных соединений. Проведенные исследования показывают, что аскорбат и сукцинат хитозана оказывают незначительное фунгицидное действие на ассоциативную культуру, а сукцинат хитозана действует и на Trichoderma viride; при действии всех изучаемых нами климатических факторов фунгицидные свойства у данных соединений пропадают (за исключением действия пониженной температуры на сукцинат хитозана по отношению к Trichoderma viride).
