Использование монотерпеноидов в качестве средств защиты промышленных материалов от микробиологических повреждений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.07, кандидат биологических наук Кузьмин, Денис Александрович

• Кузьмин, Денис Александрович
• кандидат биологических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат биологических наук Кузьмин, Денис Александрович

Введение.

1. Обзор литературы.

1.1. Биоповреждения полимеров.

1.2. Биоповреждения лакокрасочных материалов и покрытий микроскопическими грибами.

1.3. Защита лакокрасочных материалов и покрытий от биоразрушений микроскопическими грибами.

1.4. Механизмы действия фунгицидов.

1.5. Производные терпеноидов, как экологически безопасные средства защиты полимерных материалов от биоповреждения.

1.6. Основные характеристики метаболизма микромицетов.

1.6.1. Особенности дыхания грибов.

1.6.2. Органические кислоты микромицетов и их роль в процессах микодеструкции.

1.6.2.1. Органические кислоты в процессах микодеструкции.

1.6.3. Фосфатазы микромицетов как важнейший элемент энергетического обмена.

1.6.4. Строение и механизм действия фосфатаз.

2. Материалы и методы исследований.

2.1. Биологически активные вещества исследуемые на фунгицидную и бактерицидную активность.

2.2. Лакокрасочные материалы, используемые для исследования биоцидной активности.

2.3. Определение фунгицидной активности.

2.4. Определение бактерицидной активности.

2.5. Гидролиз а-пинена в водно-ацетоновых растворах серной кислоты (синтез а-терпинеола).

2.6. Ректификация соснового масла и а-пинена.

2.7. Получение нового препарата «Лесептик М» на основе «Лесептик».

2.8. Испытания композиций ЛКМ на устойчивость к биоповреждению.

2.9. Исследование влияния климатических факторов на бактерицидную и фунгицидную активность соснового и пихтового масла.

2.10. Выращивание культуры плесневых грибов на жидкой питательной среде.

2.11. Определение фосфатазной активности.

2.12. Определение неорганического фосфора.

2.13. Определение дикарбоновых кислот методом газожидкостной хроматографии в культуральной жидкости гриба P. chrysogenum.

2.14. ГЖХ фракций от ректификации а-пинена и соснового масла.

2.15. Определение интенсивности дыхания поляриметрическим методом.

2.16. Статистическая обработка данных.

3. Результаты и их обсуждение.

3.1. Определение биоцидной активности монотерпеноидов.

3.1.1. Определение бактерицидной активности монотерпеноидов.

3.1.2. Определение фунгицидной активности монотерпеноидов.

3.2. Изучение действия а-терпинеола на физиолого-биохимические показатели метаболизма грибов на примере Alternaria alternata, Penicillium chrysogenum.

3.2.1. Определение интенсивности дыхания P.chrysogenum.*.

3.2.2. Определение дикарбоновых кислот в культуральной жидкости гриба Р. chrysogenum.

3.2.3. Изучение фосфатазной активности.

3.3. Введение препаратов на основе монотерпеноидов в JIKM с целью защиты от микробиологических повреждений.

3.4. Исследование фракций от ректификации соснового масла и а-терпинеола.

3.5. Создание и испытание нового дезинфицирующего средства на основе «Лесептик».

3.6. Определение изменения биоцидной активности (фунгицидной, бактерицидной) соснового масла в результате действия ряда климатических факторов (температура и ультрафиолетовое облучение).

Выводы.

Цитированная литература.

Список используемых сокращений.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Использование монотерпеноидов в качестве средств защиты промышленных материалов от микробиологических повреждений»

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,

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

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);

-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.