Способы защиты материалов от биоповреждений

Среди основных методов защиты материалов от биоповрежде­ния микроорганизмами можно выделить следующие:

1. Механическое удаление загрязнений.

2. Поддержание правильного санитарно-гигиенического и температурно-влажностного режима (20>t°C>60; относительная влажность окружающего воздуха менее 80%, аэрация).

3. Физические методы (бактериальные фильтры, электромаг­нитное, радиационное и ультрафиолетовое облучение, ультразвук, электрохимическая защита).

4. Гидрофобизирование поверхности.

5. Предотвращение проникновения микроорганизмов к объек­ту биоповреждений (герметизация, очистка воздуха, вакуум, биоцидная газовая среда).

6. Удаление одного из элементов, необходимых для роста мик­робов (например, использование хелатных соединений железа и магния, связывающих металлы, необходимые для роста микроор­ганизмов).

7. Биологическая защита (антагонизм, конкуренция микроорганизмов).

8. Создание материалов с заданными свойствами по их биостойкости (один или несколько компонентов материала обладают биоцидными свойствам).

9. Применение биоцидных соединений — один из наиболее эф­фективных и распространенных способов защиты.

По характеру своего действия токсиканты подразделяются на биоциды, уничтожающие микробных возбудителей биоповреж­дений; биостатики, тормозящие рост микроорганизмов; репел­ленты, вызывающие отпугивающий эффект у агентов биопо­вреждений.

В связи с тем, что микрофлора, поражающая материалы и из­делия, очень разнообразна и нередко включает организмы, при­надлежащие к разным группам, наиболее целесообразно приме­нять биоциды широкого спектра действия, а также смеси различ­ных соединений. 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.

Применение биоцидов может преследовать две цели — во-пер­вых, это защита материалов от действия микроорганизмов; во-вторых, это создание материалов, защищающих человека от дей­ствия патогенных микроорганизмов.

Классификация биоцидов. Химические средства защиты от био­повреждений классифицируют по биологическому действию, на­значению и объектам применения, химическому составу. По био­логическому (биоцидному) действию к химическим средствам за­щиты от биоповреждений относят:

фунгициды — для защиты материалов и изделий от поврежде­ния грибами (главным образом плесневыми);

бактерициды — для защиты от гнилостных, слизеобразующих, кислотообразующих и других бактерий;

альгициды и моллюскициды — для защиты морских судов, гид­ротехнических сооружений, систем промышленного водоснабже­ния и мелиорации от обрастания водорослями и моллюсками;

инсектициды — для защиты древесины, полимерных, текстиль­ных и других материалов от повреждения термитами, древоточца­ми, молью, кожеедами и другими насекомыми;

гербициды — для защиты зданий, сооружений, в особенности памятников архитектуры, городских территорий и строительных площадок, обочин автомобильных и насыпей железных дорог, аэродромных взлетно-посадочных полос от высших растений;

зооциды — для защиты от позвоночных животных — вредите­лей: родентициды — для защиты от крыс, мышей и других грызу­нов, авициды — для защиты от птиц, причиняющих ущерб в го­родах и особенно на аэродромах.

По техническому назначению и применению биоциды классифи­цируют на следующие группы материалов:

древесина, бумага, картон и другие целлюлозосодержащие материалы;

синтетические материалы (пластики, резины, пленки, компа­унды, искусственные кожи и т.д.);

текстильные материалы;

натуральная кожа и изделия из нее;

нефтепродукты (топлива, масла, смазки);

смазочно-охлаждающие жидкости;

лакокрасочные материалы и покрытия (в том числе необрастающие) и др.

Эта классификация в определенной мере условна, поскольку многие биоциды по комплексу биоцидных и физико-химических свойств могут использоваться для защиты нескольких групп мате­риалов.

Классификация биоцидов по химическому составу следующая 1) неорганические соединения; 2) углеводороды, галогенуглево-дороды и нитросоединения; 3) спирты, фенолы и их производ­ные; 4) альдегиды, кетоны, органические кислоты и их произ­водные; 5) амины, соли аминов и четвертичные аммониевые со­единения; 6) элементорганические соединения; 7) гетероцикли­ческие соединения.

Биоциды, содержащие в молекуле несколько функциональных групп или реакционных центров, как правило, относят при их классификации по химическому составу к группе, которую при­нято считать ответственной за биоцидное действие.

В ряде случаев применяемые на практике биоциды представляют не индивидуальные соединения, а смеси нескольких веществ. Такие препараты относят к той или иной группе по основному компо­ненту, определяющему биоцидное действие препарата в целом.

Механизм действия фунгицидов и бактерицидов основан:

на взаимодействии с биологически важными веществами клетки микроорганизма (клеточными метаболитами);

подавлении активности ферментов;

нарушении структуры и функционирования биомембран и кле­точных стенок.

В настоящее время описано несколько тысяч биоцидов, отно­сящихся к различным классам химических соединений.

1. Неорганические соединения. Ряд катионов тяже­лых металлов обладает токсическим действием на живые организ­мы. По интенсивности фунгицидного действия основные металлы можно разделить на три группы: наиболее токсичные — серебро, ртуть, медь; средней токсичности — кадмий, хром, свинец, ко­бальт, цинк; наименее токсичные — железо, кальций.

Неорганические соединения в основном применялись в каче­стве антисептиков для защиты древесины, текстильных материа­лов (соли меди и хрома), натуральной кожи (фтористый и крем-нефтористый натрий), лакокрасочных покрытий (окиси цинка и свинца, сулема), но позднее были вытеснены более эффективны­ми органическими и элементорганическими соединениями.

Любопытные факты

История использования неорганических биоцидов насчитыва­ет несколько веков. В России одно из самых ранних их испытаний было проведено при Петре I. Заботясь о продлении срока службы кораблей и узнав о предохраняющем от повреждения древесину средстве арканум (сульфат меди), он приказал испытать его для пропитки деревянных свай и применять там, где нужно защитить древесину от гниения.

2. Углеводороды, их галоген- и нитропроизводные. Из углеводородов в качестве биоцида в основном нашел применение дифенил, который обладает невысокой токсичностью, поэтому его используют для пропитки бумаги (вместе с парафи­ном), в которую завертывают хранящиеся плоды цитрусовых.

Ассортимент галоген- и нитропроизводных углеводородов ис­пользуемых в качестве биоцидов более широк и разнообразен. Вследствие их высокой летучести, они могут использоваться не только как контактные биоциды для защиты натуральной кожи (бромтан), лакокрасочных покрытий, древесины, полимерных пле­нок, но и как фумиганты.

3. Спирты, фенолы и их производные. Эти соеди­нения обладают широким спектром биоцидного действия. Биоцидная активность фенолов значительно выше, чем активность спиртов. Это такие соединения, как 2-окси-дифенил (вводят на стадии жирования кож, используют для сохранения фруктов и овощей), 2-нитрофенол (для защиты натуральной кожи, вводят в лакокрасочные материалы), гексахлорофен (используют в косме­тических кремах, входит в состав пластмасс); пентахлорфенол (по­лучил широкое распространение для защиты целлюлозных мате­риалов).

4.Альдегиды, кетоны, органические кислоты и их производные. Самым известным биоцидом этой группы является формальдегид (40%-й водный раствор формальдегида называется формалином). Он используется для дезинфекции склад­ских помещений, тары и др.

Цимид вводят в ПВХ композицию при изготовлении искусст­венных кож специального назначения.

Салициланилид используется в производстве биостойкой упа­ковочной бумаги и картона, для защиты текстильных материалов.

Тиурам вводится в рецептуру при производстве резин и явля­ется лучшей защитой их от обрастания плесневыми грибами.

5. Амины, соли аминов, четвертичные аммони­евые соединения. К этой группе относится метацид, кото­рый в последнее время находит широкое применение консерви­рующего вещества для защиты натуральных кож, а также добав­ки к лакокрасочным материалам, различным полимерным по­крытиям.

Катамин АБ используется для дезинфекции тканей, металли­ческих и деревянных поверхностей, его вводят в состав цемента: он в течение двух и более лет защищает бетон от обрастания.

6. Элементорганические соединения. В этих соеди­нениях металл или другой элемент связан с одним или более ато­мом углерода, входящим в органический радикал.

К ним относятся органические соединения ртути, оловоорганические, мышьякорганические и другие соединения.

Среди ртутьорганических биоцидов наибольшую известность приобрели мертиолат (используется в качестве летучего фунгици­да для защиты оптических, радиоэлектронных и других прибо­ров), этилмеркурфосфат (используется в качестве антисептика дре­весины, белковых клеев и для борьбы со слизеобразованием в бумажной промышленности).

Значение оловоорганических соединений для промышленно­сти настолько велико, что, несмотря на высокую стоимость и де­фицит олова, они изготавливаются за рубежом десятками тысяч тонн. Эти соединения способны защищать самые различные мате­риалы от биоповреждений.

К мышьякорганическим соединениям относятся такие биоци­ды, как оксофин (эффективен в составе эмульсионных и масля­ных красок), хлофин (вводят в состав хлорсодержащих полимеров в качестве фунгицида, свето- и термостабилизатора).

7. Гетероциклические соединения. Наиболее извест­ными биоцидами этой группы являются:

фурацилин (используют для смазочно-охлаждающих жидко­стей);

нитрофурилакролеин (получено поливинилспиртовое волокно «летилан», обладающее широким спектром антимикробного дей­ствия);

8-оксихинолят меди (купроцин) давно (еще с 1947 г.) занима­ет ведущее положение среди биоцидов для защиты тканей и кра­сок, древесины бумаги, пластмасс. Применяется для обработки тары, помещений, оборудования.

Применение антимикробных материалов. Введение антимикроб­ных добавок в различные материалы не только предохраняет их от воздействия микроорганизмов в критических условиях эксплуата­ции, но и дает возможность придавать товарам антимикробные свойства, например, устойчивость к воздействию болезнетворных организмов.

К таким товарам относятся всем известные антимикробные носки и антимикробное мыло, препараты для мытья посуды и др. В настоящее время появляются все новые товары, обладающие такими свойствами. Однако следует отличать товары с антимик­робными свойствами, по-настоящему нужные от тех, в которых антимикробные свойства используются как маркетинговый при­ем привлечения покупателей.

Вследствие того, что антимикробные текстильные материалы могут препятствовать распространению неприятного запаха, воз­никающего при длительном контакте нижнего белья и других пред­метов обихода с телом человека, соответствующие изделия из них Делаются особенно пригодными для эксплуатации в условиях, когда по тем или иным причинам затруднено проведение меро­приятий личной гигиены.

Подавляя развитие микроорганизмов на коже человека, анти­микробные полотна могут задерживать разложение входящих в со­став пота органических веществ, продукты распада которых явля­ются непосредственным источником запаха. Это позволяет реко­мендовать изделия из антимикробных материалов для использо­вания лицами, находящимися, например, в длительном подвод­ном плавании, в полевых условиях.

Гигиенические свойства антимикробных материалов предопре­деляют целесообразность использования изделий из них в виде предметов повседневного обихода в обычных условиях. Например, для профилактики грибковых заболеваний применяется гигиени­ческая отделка иглопробивных нетканых материалов, используе­мых в качестве подкладок и стелек для обуви, портянок и носоч­ных изделий для военнослужащих, обувных материалов для спорт­сменов.

Перспективным является использование полотенец и салфе­ток с антимикробной пропиткой в быту, в поездах и самолетах, в учреждениях, так как они сохраняют свою чистоту длительное время. Находят также широкое применение материалы с анти­микробной активностью для подстилок на полках и ящиках при хранении и транспортировании товаров в районах с повышенной влажностью и температурой, а также подстилок на дне мусорных баков в мусоросборниках для устранения запаха и предотвраще­ния появления плесени.

Антимикробные материалы важны и для изготовления пред­метов больничного обихода, таких, как халаты, полотенца, носо­вые платки, пеленки для новорожденных, постельное и натель­ное белье, матрацные чехлы, одеяла, особенно в инфекционных лечебных учреждениях и родильных домах. Здесь можно использо­вать и декоративные изделия из антимикробных полотен — зана­веси, портьеры, драпировки и т.п.

В иностранной литературе имеются сведения по применению иглопробивных нетканых полотен с антимикробной активнос­тью в качестве напольных покрытий в больницах, школах, сана­ториях, детских садах, гостиницах и других общественных уч­реждениях, а также и в быту. В настоящее время еще существует представление, что нетканые напольные покрытия, по сравне­нию с гладкими синтетическими, являются как бы скопищем микробов. Однако применение биоцидов и влажная уборка могут создавать на нетканом напольном покрытии перманентную де­зинфицирующую среду. Дезинфекция полов может осуществляться также при применении антимикробных материалов для швабер-ных покрытий.

Большое практическое значение имеют оберточные и упако­вочные материалы с антимикробными свойствами. Они обеспе­чивают длительную сохранность упаковываемых предметов, что

может найти большое применение в торговле, особенно внеш­ней.

Очень полезны антимикробные полотна и для технических це­лей, в частности, в качестве фильтрующих материалов. Фильтры с антимикробными свойствами могут найти применение для обез­зараживания пресной воды, в качестве консервантов фруктовых соков. Бактериальные воздушные фильтры требуются при конди­ционировании и вентиляции воздуха в больницах, различных мик­робиологических лабораториях. Требование к стерильности технологического воздуха возникает при производстве различных фар­мацевтических и косметических препаратов, витаминов, пище­вой лимонной кислоты; здесь большое практическое применение могут найти материалы с заранее запланированными антимик­робными свойствами.

Требования к биоцидам. Общим требованием, предъявляемым к любому современному биоциду, является высокая активность в отношении вредных биофакторов в сочетании с безопасностью в обращении и отсутствием отрицательного воздействия на окру­жающую среду.

Биоциды должны быть доступными и относительно дешевыми.

Применяемые биоциды не должны оказывать влияния на фи­зико-химические, физико-механические и другие свойства материалов, не должны ускорять их старение и вызывать кор­розию.

Основными являются гигиенические требования к биоцидам — препараты должны быть малотоксичными для животных и че­ловека, не накапливаться в окружающей среде, не быть аллер­генами и т.п.

К биоцидам предъявляют также специальные требования, ко­торые связаны с конкретными особенностями защищаемого ма­териала.

Например, биоциды, предназначенные для защиты от биопов­реждений полимерных и лакокрасочных материалов и применяе­мые в качестве компонентов этих материалов, должны: легко ра­створяться в органических растворителях, совмещаться с други­ми компонентами материала или равномерно распределяться в них с образованием стойкой эмульсии или суспензии; быть непо­лярными соединениями, если к материалу предъявляются особые требования в отношении электрофизических свойств; не вступать во взаимодействие с защищаемым материалом или его составны­ми частями.

Специфические требования предъявляются к биоцидам для дре­весины, которые называют также антисептиками древесины. Они Должны легко проникать и прочно закрепляться в древесине от­части за счет химического взаимодействия с ней. При этом не Должны негативно влиять на способность древесины склеиваться

и окрашиваться, если она предназначена для отделочных работ и изготовления мебели.

Методы оценки антимикробных свойств биоцидов. При разработ­ке химических средств защиты материалов и изделий от биопо­вреждений обязательным является исследование биоцидных - свойств как самих соединений, так и проверка их эффективности в составе материала.

В настоящее время применяется много методов испытаний био­цидов. Одни из них используются лишь для определения отдель­ных биоцидных свойств. Это относительно быстрые лабораторные методы. Другие — для определения защищающей способности, включают как лабораторные эксперименты, так и испытания в природных условиях (натурные испытания).

Одна из наиболее острых проблем — разработка эффективных средств защиты от повреждений, вызываемых плесневыми гриба­ми, и поэтому подавляющее большинство новых соединений про­ходит испытания в качестве фунгицидов.

Известен ряд лабораторных методов оценки фунгицидных свойств различных веществ. Наиболее применяемые из них сво­дятся к высеву грибов на поверхности твердой питательной сре­ды, в которую тем или иным способом вводят антисептик. Затем отмечают, задерживает ли исследуемое вещество развитие гри­бов.

Метод испытания эффективности фунгицидов регламентиро­ван ГОСТ 9.803 — 88 «ЕСЗКС. Фунгициды. Метод определения эффективности», который основан на оценке кинетических па­раметров развития грибов на питательной среде, содержащей фун­гициды.

Самым простым лабораторным методом оценки антимикроб­ных свойств биоцидов на твердых средах является измерение раз­меров зон задержки роста тест-культур вокруг образцов (диаметр 10 мм) биоцидного материала или пропитанных раствором био­цида дисков фильтровальной бумаги.

Для испытания антисептических свойств тканей бытового на­значения образцы материала размером 2 х 2 см помещают в чашки Петри, приливают привитую питательную среду (в качестве тест-культур используют бактерии Bacillus subtilis, Escherihia coli; грибы Aspergillus niger). Критерием оценки служит рост культур, выра­женный в баллах: 1 балл — над образцом интенсивность роста та­кая же, как и вокруг образца; 2 балла — отдельные проросшие колонии над образцом; 3 балла — над образцом рост культур, пол­ностью подавлен; 4 балла — вокруг образца имеется зона задержки роста микроорганизмов не более 2 мм; 5 баллов — вокруг образца имеется зона задержки роста микроорганизмов более 2 мм.

Для антисептированных материалов (в основном, предназна­ченных для эксплуатации в районах с тропическим климатом)

;существуют следующие стандартные технические условия и мето­ды испытаний, представленные в табл. 7.

Таблица 7

Нормативные документы на антисептированные материалы и изделия и методы испытания их на биостойкость