Курсовая работа: Проблемы защиты от биоповреждений

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. Проблемы решаются в тесном взаимодействии ученых и практиков. Об их совместной работе и рассказывается в данном сборнике.

1. Биоповреждения – эколого-технологическая проблема

Для борьбы с различными биоповреждающими агентами и защиты от них человечество использует различные методы – химические, механические и т.д. Средства разные, но подходы в сущности были одинаковые: обнаружил биоповреждающее действие – защищайся, нет биоповреждающего действия – живи спокойно. Такая стратегия, направленная на то, чтобы защититься от уже возникших неприятных ситуаций, ликвидировать их последствия, с давних времен была основной в борьбе с биоповреждениями. Она является основной и в настоящее время. Она защищала материалы и изделия в прошлом, она защищает их теперь. Но мы все отчетливее ощущаем недостатки подобной системы и вынуждены все чаще задумываться о ее модернизации. В самом деле, «сиюминутная» стратегия имеет ряд крупных недостатков.

Во-первых, она не обеспечивает прогнозирования и не способна предусмотреть защиту от биоповреждений в условиях завтрашнего дня; она, собственно, и не ставит таких задач ни перед учеными, ни перед практиками. А такая задача очень важна: одни изделия работают годы, другие – десятки лет, третьи, как, например, архивные ценности, мы просто обязаны хранить столетиями. Что ждет изделия завтра, об этом ученые и практики должны думать сейчас. В химическую структуру создаваемых полимеров должны вноситься элементы, обеспечивающие материалу биоцидные свойства, способные защищать материал от живых организмов долгие годы. Пропитывая древесину, мы должны думать о завтрашнем дне, о ее сохранности на долгие годы вперед.

Во-вторых, подобная стратегия не учитывает взаимодействия живых организмов – биоповреждающих агентов между собой. Между тем, биоповреждающее действие сплошь и рядом является результатом атак не одного вида, а многих, принадлежащих к разным, подчас далеким систематическим группам. Днища кораблей обрастают моллюсками, ракообразными, водорослями. Древесину поражают многие виды грибов и насекомых, шерстяные изделия портят несколько видов молей, с самолетами сталкиваются чайки, врановые, голуби и т.д. Биоповреждающие действия – это суммарный эффект их соединенных усилий, и этот эффект зависит от состава участников и их взаимоотношений между собой. И конечно, от этого зависят те меры защиты, которые мы должны применять.

В-третьих, «сиюминутная» стратегия не учитывает связей живого организма – биоповреждающего агента с окружающей средой. Заметим, что это обстоятельстве существенно влияет на биоповреждающий эффект и средства защиты, которые против него применяют. В одних условиях защищают одни средства, в других– иные. В различных условиях биоповреждающее действие на один и тот же материал оказывают разные виды. Степень биоповреждающего действия зависит от окружающих условий. Не учитывать этого обстоятельства не может ни практик, ни ученый.

В-четвертых, стратегия, направленная на решение узких конкретных задач, не предусматривает общих экономико-статистических оценок биоповреждающего действия и защиты от него в масштабах страны и не может обеспечить получение таких оценок. А без этого трудно разрабатывать меры защиты, оценивать их эффективность, давать рекомендации различным отраслям народного хозяйства.

Следовательно, если говорить кратко, разработка эффективных мер защиты от биоповреждений требует комплексных подходов как в научно-исследовательской работе, так и в проводимых практических мероприятиях. На какой основе мы должны вырабатывать такие комплексные подходы, которые объединят бесконечное разнообразие ситуаций, связанных с биоповреждениями?

Попробуем взглянуть на проблему биоповреждений с обще экологической точки зрения. В широком смысле биоповреждения – реакция окружающей среды, биосферы на то новое, что вносит в нее человек. Создаваемые человеком материалы и изделия включаются в естественные биоценозы, становятся их функционирующей частью, вовлекаются в естественные процессы, протекающие в биосфере. В некоторых случаях биосферная роль материалов и изделий настолько активна, что они группируют вокруг себя новые, искусственные сообщества, становятся их важнейшим звеном. В этом случае биоповреждающее действие будет усиливаться или ослабляться в зависимости от того, какие партнеры по сообществу с ними взаимодействуют и их окружают. «Единицей» биоповреждающего действия становится не один вид, а целое сообщество, сформировавшееся вокруг этого вида.

Человек заинтересован в том, чтобы созданные им новые материалы и изделия в определенных экологических условиях работали, не подвергаясь нападению живых организмов, а затем, отработав, разрушались с их помощью. Образно говоря, задача сводится к тому, чтобы материалы и изделия обладали экологическим «иммунитетом» по отношению к живым организмам, который определял бы оптимальный для человека регламент их существования. Таким образом, во всех ситуациях, связанных с биоповреждениями, взаимодействуют два начала. Одно из них – живой организм и окружающая среда, в которой он живет и в которой существует объект его нападения – мишень, представленная творениями рук человека и олицетворяющая собой второе начало. Это дает нам основание считать проблему биоповреждений эколого-технологической проблемой, изучающей взаимоотношения, взаимодействия двух компонентов – экологического и технологического – прежде всего с точки зрения их значения для хозяйственной деятельности и существования человека в окружающей среде. Признание этого обстоятельства означает важный шаг в решении проблемы.

Основная стратегия борьбы с биоповреждениями сегодня – локальная защита материалов и изделий, решение конкретных «сиюминутных» задач. В соответствии с этим на первых этапах проблема развивалась по отдельным узким направлениям, почти не связанным между собой. Жизнь показала неправильность таких подходов, поставила вопрос о комплексировании, взаимодействии. В настоящее время между отдельными направлениями налаживаются связи, складывается ядро участников. Ученые и практики обсуждают круг основных задач, терминологию. Проблема приобретает свое лицо как самостоятельная область, возникшая на стыке различных наук и отраслей хозяйства. Контакт биологических, химических и технических партнеров имеет особое значение в решении проблемы биоповреждений. От них пришли сюда идеи и методы. Они поставляли кадры, успешно работающие в области защиты от биоповреждений. Сегодня они активно участвуют в инвентаризации биоповреждений и в решении других задач.

Инвентаризация биоповреждающих агентов, повреждаемых ими материалов, и изделий имеет огромное значение. Каталог биоповреждений, включающий живые организмы, повреждаемые объекты, а также методы защиты, необходим для разработки программ по прогнозированию и перспективным мероприятиям, для создания новых материалов с биоцидными свойствами. За весь предшествующий период сделаны только первые шаги в выявлении биоповреждений, их каталогизации. Это объясняется не только разнообразием живых организмов, нападающих на материалы и изделия, но и тем, что круг организмов – биоповреждающих агентов – все расширяется. Появляются новые материалы и изделия, и биосфера использует новые средства и формы защиты. В этом смысле задача каталогизации является «вечной» и в то же время она должна решаться сегодня. Важным этапом этой работы должна стать классификация биоповреждений. Классификация определит направления дальнейших поисков, позволит прогнозировать хозяйственные ситуации, связанные с биоповреждениями.

На пути создания классификации мы встречаем немало трудностей. Первой из них является незавершенность инвентаризации. На сегодняшний день наши знания о биоповреждениях напоминают сложную мозаику «конфликтных» взаимоотношений живых организмов, материалов и изделий в условиях почвы, водной и наземной сред. Оценка и анализ хозяйственных ситуаций, связанных с биоповреждениями, не могут осуществляться путем перебора всех ячеек мозаики – это делает задачу классификации невыполнимой, по крайней мере, в обозримое время. В проявлении биоповреждающих свойств в различных группах животных, растений и микроорганизмов, различных классах материалов и изделий, в их взаимоотношениях друг с другом следует искать сходные, параллельные черты, познание которых может послужить основой для классификации.

Изучая живые организмы как Биоповреждающие агенты, мы должны учитывать, – что эти организмы в естественных биоценозах имеют свои природные мишени, «защищенные» самой природой. Взаимоотношения организмов с объектами их нападения в природных условиях могут подсказать новые подходы к разработке классификации биоповреждающих явлений и новые способы защиты от биоповреждений.

Проблема биоповреждений ни в теоретическом отношении, ни практически не может решаться вне обще экологических и технологических программ, направленных на защиту окружающей среды от загрязнений. Используя живые организмы, мы очищаем планету от старых отработавших свой срок материалов и изделий. Защищая действующие нужные нам материалы и изделия от биоповреждений с помощью химических средств защиты, мы в то же время в какой-то степени загрязняем этими средствами окружающую среду. Процессы биоповреждения действующих материалов и биоразрушения отработавших протекают в одних и тех же экологических условиях, и наша задача заключается в том, чтобы защититься от одних и поставить на службу человеку другие.

2. Микроорганизмы – агенты биоповреждений

Благодаря широкому распространению в природе, разнообразному набору ферментов микроорганизмы способны использовать для питания и местообитания различные субстраты, вызывая разного рода их разрушения или приводя их в состояние негодности. Такими субстратами могут быть промышленные изделия, деловая древесина и постройки из нее, топливо, смазочные масла и другие нефтепродукты, музейные ценности, книги, документы и всевозможные изделия из бумаги, оптическое стекло и многое другое. Например, по данным литовских ученых, наблюдается постоянное развитие грибов на деталях телевизоров, изготовленных из фенопласта, смолы капроновой, на некоторых покрытиях и красителях и прочих материалах. Повреждающими агентами могут быть грибы, особенно микроскопические, бактерии, отчасти водоросли и лишайники, иногда высшие растения. Грибы – наиболее активные и наиболее частые виновники биоповреждений, поэтому основное внимание в данном разделе мы уделим этим организмам.

Воздействие микробов на изделия и материалы может быть прямым и косвенным. При прямом воздействии весь материал или его составная часть, используемая микробами в качестве источника энергии и необходимых для него питательных веществ, приходят в негодное состояние. Например, гриб Cladosporium rcsi-пае использует углеводороды продуктов переработки нефти в качестве единственных источников углерода. От этого портятся нефтепродукты, а скопление сгустков мгшслня в путях подачи топлива в моторы может быть причиной аварии самолетов. О случаях аварий самолетов, связанных с развитием в реактивном топливе микроорганизмов, сообщают американские ученые. Кроме того, этот гриб при развитии на нефтяных маслах образует органические кислоты (винную, щавелевую), которые вызывают коррозию резервуаров для хранения топлива и являются субстратом для вторичной микрофлоры, довершающей разрушение нефтепродуктов.

Под влиянием ферментов грибов, поселяющихся на бумаге или изделиях из нее (книгах, документах и т.п.), увеличивается ее ломкость, появляются пятна, портящие ее внешний вид и т.д. Сходные разрушения они причиняют текстильным изделиям, произведениям искусства и т.п. Шерстяное волокно, инфицированное бактериями, теряет прочность более чем на 50%, причем разрушение его наиболее интенсивно происходит при высокой влажности воздуха. Поражение грибами искусственных кож приводит к снижению прочности сцепления пленок волокнистой основы и к резкому снижению жесткости кож в обоих направлениях. Некоторые грибы влияют на прочность склеивания древесных материалов.

II. П. Блинов считает, что биологическая коррозия материалов связана с воздействием на них органических кислот, продуцируемых грибами или другими микроорганизмами. Такой тип коррозии известен при развитии грибов на металлах, оптическом стекле и многих других материалах. 3. А. Туркова, изучавшая кислотообразование грибов, развивающихся на изделиях медицинской техники, показала, что по интенсивности кислотообразования они разделяются на три группы. К первой относятся грибы, дающие стойкое закисление и, вероятно, вызывающие наиболее сильную коррозию изделий; ко второй – грибы, вызывающие временное закисление среды, и к третьей – грибы, почти не образующие кислот. Каждой из групп кислотообразователей соответствуют определенные виды грибов, поэтому по составу микроорганизмов, обнаруживаемых на тех или иных изделиях, можно прогнозировать возможную степень их разрушения. Интересно, что музейные культуры обладают меньшей активностью кислотообразования, поэтому для испытания активности грибов следует пользоваться свежее выделенными культурами. Не только продукты обмена, но и механическое воздействие грибов могут разрушать субстрат. Например, некоторые виды шляпочных грибов способны разрушать асфальтовые, и даже бетонные покрытия за счет давления, развиваемого вырастающими под слоем покрытия плодовыми телами. Описан случай разрушения бетонного и асфальтового пола в Ленинграде плодовыми телами шампиньонов. При этом грибница в виде белых шнуров пронизывала куски цементированной щебенки, распространяясь по различным трещинам. Мицелий местами скапливался, утолщался и вместе с развивающимися плодовыми телами давил на покрытие, приподнимая и разрывая его. Интересный случай произошел при строительстве Киевского метро. Продувание кислорода при проходке тоннеля активизировало деятельность тионовых бактерий, что привело к повышению содержания в подземных водах серной кислоты, быстро разъедавшей металлические конструкции тоннеля.

Большинство грибов, вызывающих повреждения, – сапротрофы, встречающиеся в природе на различных субстратах (в почве, органических остатках, в воде) и оттуда переходящие на материалы и изделия. Свойство ассимилировать углеводороды (парафин, дизельное топливо) широко распространено у мукоровых, пенициллов, аспергиллов и фузарнев, обычно живущих в почве или в других местах, как сапротрофы. Это указывает на то, что все подобные грибы при попадании на нефтепродукты могут быть причиной их повреждений. Однако не всегда материалы и изделия заражаются извне. Некоторые грибы, повреждающие древесину, начинают свою разрушительную деятельность, поселяясь сначала на живых деревьях, а затем продолжают ее уже на мертвой древесине и на различных изделиях из нее. Группа грибов, называемых домовыми, не живет на живой древесине, а разрушает деревянные постройки или деревянные конструкции зданий. Шпалы чаще всего разрушает так называемый шпальный гриб, известны грибы, преимущественно развивающиеся на столбах и заборах.

На некоторых субстратах сложился постоянный состав повреждающих их микроорганизмов, причем часто наблюдается довольно хорошо выраженная последовательность заселения ими того или иного материала или изделия. Сначала поселяются наиболее специфичные для данного субстрата микроорганизмы, обладающие coответствующими ферментами и начинающие процесс разрушения. Затем их сменяет – группа микробов, использующих уже начинающий разрушаться субстрат, и наконец, наступает очередь организмов, живущих уже на полностью разрушенных материалах. Таким образом, материалы (особенно уже давно используемые человеком) представляют собой экологическую нишу обычно с постоянным составом и уже сложившейся сменяемостью поселяющихся на них микроорганизмов.

Специфичные грибы живут и на других материалах. Как увидим ниже, на оптическом стекле развиваются свойственные этому субстрату грибы из рода Aspergillus, растущие на сухих материалах, не содержащих воду в жидком состоянии (стекла, металлы). По-видимому, появление таких необычных рас – процесс длительной эволюции, связанный с возникновением у грибов свойств, позволяющих им жить в необычных условиях. Наличие таких рас и биотипов у видов грибов и бактерий, вызывающих повреждения, известно. Подобные расы различаются по степени повреждения разных но химическому составу, но одноименных видов материалов. Например, у гриба Cladosporium resinae, повреждающего нефтепродукты, выявлены две расы, утилизирующие разные по составу углеводороды.

Новые формы микроорганизмов могут возникать путем мутаций, причем мутагенным фактором бывают вещества (препараты), употребляемые для защиты материалов от биоповреждения. Появляющиеся новые расы в дальнейшем способны закрепляться и вытеснять уже существующие, если найдут Достаточно подходящие условия для своего развития. Имеются сведения, что некоторые химические вещества, применяемые для защиты от биоповреждений материалов и изделий (соединения олова, паранитрофенол и др.), изменяют морфологические свойства грибов, вызывают у них уродливые спороношения. Известно и непостоянство состава микроорганизмов, вызывающих повреждения некоторых материалов. Например, показано, что видовой состав грибов, разрушающих деревянные крепи и шиферную ткань, из которой изготавливают изоляционные трубы в подземных горных выработках, зависит ют того, какие виды грибов заносятся вместе с крепежным лесом. Поскольку лес поступает из разных мест, то соответственно меняется и состав занесенных грибов. Ограниченные размеры статьи не позволяют рассмотреть все микроорганизмы, вызывающие повреждения материалов, поэтому расскажем о наиболее известных. Древесина и изделия из дерева. Встречается несколько типов повреждения древесины микроорганизмами.

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--