Влияние биоповреждений на структуру и свойства природноокрашенного хлопка новых селекционных линий хлопчатника

Хлопок давно известно человечеству и широко используется во всем мире во многих отраслях промышленности. Основная доля рынка принадлежит хлопчатобумажным (ХБ) тканям, емкость которого начиная с 1998 г. стабильно растет за счет собственного производства, и их доля в настоящее время занимает 87% [22, 86]. Мировое производство хлопкового волокна в 2005;2006 гг. по предварительной оценке составит 25 млн. т, доля которого составит 79% производства натуральных волокон, а потребление — 24,4 млн. т [8, 97, 149]. В 20 062 007 гг. прогнозируется увеличение объемов производства до 25,1 млн. т и потребления до 24,9 млн. т [97]. Увеличение спроса на хлопковое волокно (ХВ) обусловлено комплексом уникальных свойств ХБ продукции [49].

В настоящее время, во всех странах, где возможно возделывание хлопчатника, ведется целенаправленная научно-исследовательская работа по созданию новых скороспелых, продуктивных сортов этой культуры с качественным волокном. Одним из наукоемких направлений работы селекционеров, генетиков, молекулярных биологов с культурой является селекция линий с природноокрашенным (ПО) ХВ. Больше всего цветного волокна производит Китай, Туркменистан (1995 год — около 7,5 тыс. тонн), США (1995 год — около 1,5 тыс. тонн), Австралия, Израиль, Перу в небольших и экспериментальных количествах [25, 163]. В США занимаются производством и реализацией естественноокрашенного (ЕО) хлопка на коммерческой основе [169]. В этом направлении достигнуты определенные результаты и учеными Всероссийского института растениеводства им. Н. И. Вавилова, которые могут иметь важное значение для текстильной промышленности России. Созданы линии, имеющие ПОХВ с приемлемыми для условий юга России показателями скороспелости и урожаем хлопка-сырца [40, 42, 43].

Основные результаты в области исследований ПОХВ связаны с изучением их технологических и физико-механических свойств. Исследований, касающихся взаимодействия ПОХВ с микроорганизмами, изменений их свойств, структуры и цветовых характеристик под влиянием микроорганизмов и защиты их от биоповреждений в литературе не обнаружено. Вопросы, затрагивающие аспекты биостойкости, в науке освещают лишь качество белого хлопка.

Качество готовой продукции из ПО хлопка непосредственно зависит от свойств исходного сырья, которые определяют не только основные потребительские требования, но и условия их эксплуатации, в большинстве случаев способствующих развитию на них микроорганизмов разных групп, вызывая повреждение волокнистых материалов и снижая их качество. Развитие патогенных форм микроорганизмов па одежде может привести к заболеваниям человека.

В настоящее время уделяется огромное внимание требованиям экологичности потребляемых человеком продуктов и качества повседневной одежды. За прошедшее десятилетие в мире развернулось направление «organic agriculture» -производство экологически абсолютно чистой, «биосертифицироваиной» продукции для человека. С развитием фармацевтической промышленности и внедрением в лечебную практику всё новых химических препаратов ныне принимают все большую актуальность вопросы осложнений при антибиотикотерапии, выработки устойчивости патогенной микрофлоры к широко применяемым человеком лекарственным препаратам, дополнительной аллергической нагрузки на организм, проявлению лекарственной болезни и множества других осложнений у человека [158]. Всё это служит толчком к поиску новых безопасных, высокоэффективных и вместе с тем экологически чистых и относительно недорогих натуральных источников веществ для человека.

Актуальность проблемы выпуска безопасной и экологически чистой продукции подчеркивается в федеральном законе РФ «О техническом регулировании» [131]. Важность исследований в данной области, недостаточное количество экспериментальных данных, отсутствие общепринятых методов оценки безопасности отмечается рядом авторов [155, 156, 161].

Окрашенность волокна, как показывает практика, оказывается тесно связана с гигиеническими свойствами текстильной продукции. По мнению Фурсова Н. В. [136], изделия из ЕОХВ лучше аэрируются, имеют большую теплоемкость, они не аллергенны, как многие окрашенные и синтетические ткани.

В этой связи исследование устойчивости ПОХВ к воздействию микроорганизмов, оценка изменения их свойств и цветовых характеристик от степени их биоповреждения и выявление микроорганизмов-деструкторов ПОХВ приобретает особую актуальность, имеет теоретическое и практическое значение.

Диссертационная работа выполнялась по плану Всероссийской программы РАН фундаментальных исследований «Проблемы общей биологии и экологиирациональное использование биологических ресурсов (2005;2010). Направление 12: Экологические проблемы биоповреждений», связана с основным научным направлением кафедры экспертизы потребительских товаров СПГТЭИ.

Целью диссертации явилось изучение свойств ПОХВ и их изменений при воздействии микроорганизмов. Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:

1. Изучить состав микрофлоры ПОХВ, оценить действие на волокно микроорганизмов разных групп и определить характер воздействия ПОХВ на микроорганизмы.

2. Исследовать характер и степень повреждения ПОХВ микроорганизмами.

3. Оценить влияние биоповреждений на структуру и свойства ПОХВ.

4. Установить степень устойчивости окраски ПОХВ в результате воздействия микробиологической деструкции и инсоляции.

5. Определить взаимосвязь между исходной поврежденностью, зрелостью, районами и условиями выращивания, естественным цветом хлопкового волокна и степенью его биостойкости.

Методологической и научной основой диссертационной работы явились труды российских и зарубежных ученых. В работе использовались разработанные и стандартные методы исследований. Обработка результатов исследований проведена с использованием персонального компьютера при помощи пакетов прикладных программ Microsoft EXEL 2000, Statgraphics v. 3.0, 1990 и Statistica v. 6.5, 2001 с применением методов математической статистики и корреляционного анализа. Научная новизна работы заключается в следующем:

— впервые проведено комплексное исследование изменений свойств ПОХВ под воздействием микроорганизмов;

— устойчивости ПОХВ разных цветовых гамм и мест произрастания к действию микроорганизмов;

— выявлены и оценены зависимостии между свойствами ПОХВ и показателями их биодеструкции;

— установлено влияние биоповреждений на структуру ПОХВ;

— разработаны методика определения действия текстильных волокон на патогенные микроорганизмы, усовершенствованная методика оценки грибостойкости ПОХВ.

Практическая значимость работы. Результаты комплексного анализа микробиологических, колориметрических и физико-механических свойств могут быть использованы в текстильной промышленности — при производстве нетканых материалов, меланжевых тканей, составлении смесей, рабочих сортировок и формировании ассортимента тканей, а также в изучении генетических ресурсов хлопчатника, селекции новых сортов с ПОХВ для улучшения потребительских свойств ХБ продукции.

Результаты исследований биостойкости, технологических и физико-механических свойств волокна линии Кг 10 с ЖО волокном, были использованы при создании в ГНУ ГНЦ ВИР сорта хлопчатника Марон, который в 2006 году был рекомендован Астраханским филиалом Госкомиссии по испытанию и охране селекционных достижений для включения сорта в Государственный реестр сортов РФ, допущенных к использованию в России.

Созданные методики оценки антимикробного действия текстильных волокон и грибостойкости ПОХВ рекомендуется применять с целью оптимизации выбора волокнистого состава сырья для придания гигиенических и свойств безопасности камуфляжным тканям для обмундирования военнослужащих, преобретающих особенно важное значение при использовании в экстремальных условиях и повышения биостойкости текстильной материалов при выпуске экологически чистого текстиля.

Сведения о влиянии биоповреждений на изменение структуры и свойств.

ПОХВ могут использоваться как справочные данные при прогнозировании поведения ЕОХВ в процессе эксплуатации и хранения текстиля в условиях повышенной влажности и температуры воздуха.

Результаты исследований используются в учебном процессе и при проведении научно-исследовательских работ в СПГТЭИ и ГНУ ГНЦ ВИР (ВНИИР им. Н.И. Вавилова), а также в производстве текстильных изделий, о чем свидетельствуют соответствующие акты внедрения.

Основные результаты работы докладывались и получили одобрение на:

— Международной студенческой конференции, посвященной 300-летию Санкт-Петербурга. — СПб.: ТЭИ, 2003. г;

— заседаниях комиссии по биоповреждениям Русского ботанического общества РАН в декабре 2003 и июне 2005 г.;

— семинаре в отделе качества ОАО «Прядильно-ниточного комбината им. С.М. Кирова» в 2005 г.;

— заседании специалистов отдела генетических ресурсов масличных и прядильных культур ГНУ ГНЦ ВИР.

По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения и рекомендаций, общих выводов, библиографического списка и приложений, представлена на 203 страницах.

Общие выводы.

1. Впервые проведено исследование биостойкости ПОХВ разных селекционных линий и установлено, что наибольшей деструкцией среди исследованных образцов характеризуются: ЖЗ волокно селекции Н-194-f, ЖО — селекции Sf и белое — линии Р5503, а наименьшей — селекции 1/29, II-190 и Р8703, соответственно.

2. Впервые установлена степень повреждения ПОХВ в зависимости от их цветовой гаммы: белые ХВ менее устойчивы к воздействию микроорганизмов, чем ПОХВ и более интенсивно изменяются их цветовые и прочностные характеристики в результате влияния деструктирующих факторов, а ЖО ХВ характеризуются высокой биостойкостью и наименьшим изменением свойств по сравнению с ЖЗ.

3. Выявлено, что степень повреждения также зависит от их цвета, исходной поврежденности, района произрастания, состава микроорганизмов-деструкторов и продолжительности воздействия. ПОХВ, выращенные на юге России менее биостойкие, чем волокна, выращенные на юге Италии. Методами математической статистики установлена сила влияния исходной поврежденности, цветовой гаммы и районов произрастания ПОХВ на его деструкцию.

4. Показано, что общее количество повреждений, вызываемых микроорганизмами, и их интенсивность увеличиваются во времени, наблюдается переход повреждений из начальной стадии (класса А) к более сильным повреждениям (классов В и С), сопровождающихся изменением структуры волокна. Значения показателя деструкции увеличиваются от 0,04 до 2,27, что свидетельствует о ее нарастании, повреждении внутренних участков волокна.

5. Методами ДТА и вискозиметрии выявлены особенности процессов микробиологической деструкции ЕОХВ на молекулярном и надмолекулярном уровнях.

6. Показано влияние степени повреждения микроорганизмами ПОХВ на их физико-механические свойства. Установлено снижение прочностных характеристик в результате воздействия микроорганизмов, варьирующееся в пределах одного промышленного сорта, что свидетельствует о слабой степени разрушения волокна и его структурных изменениях с истечением 8 месяцев экспозиции.

7. С ПОХВ выделены и идентифицированы микроорганизмы разных групп. Впервые определен состав микромицетов с волокон новых селекционных линий и проведена оценка степени их деструктирующей активности. Установлено, что доминирующими видами грибов являются: Aspergillus ustus (Bainier) Thorn et Church, Aspergillus niger v. Tiegh., Rhizopus nigricans Ehrenb, Aspergillus fumigatus Fresen. и Penicillium aurantiogriseum Dierckx.

8. Выявлена и идентифицирована бактериальная микрофлора ПОХВ, установлено, что состав видов является немногочисленным и относится к постоянно присутствующим на хлопковом растении и волокне.

9. Сформированы, но экологическим группам, исходя из их биохимических особенностей, особенностей жизненного цикла и их активности два набора грибов, составленных из микромицетов, выделенных с ЕОВХ, которые рекомендовано использовать в качестве тест-культур в усовершенствованной методике оценки грибостойкости ПОХВ.

10. Впервые проведена оценка антимикробного действия ПОХВ на патогенные микроорганизмы, присутствующие на коже человека и установлено, что ЕОХВ обладают более высокими бактерицидными свойствами (20,6−60,6%), чем белые (7,1%). Разработана методика определения действия текстильных волокон на патогенные микроорганизмы, позволяющая оценивать безопасность и бактерицидные свойства текстильных волокон.

11. Определены физико-механические и технологические характеристики исходных ПОХВ, позволяющие рекомендовать исследуемые волокна для производства хлопковой и смешанной пряжи.

12. Результаты диссертации используются в учебном процессе и при проведении научно-исследовательских работ на кафедре экспертизы потребительских товаров СПТЭИ, анализе генофонда и создании новых сортов хлопчатника с ПОВ ВИР им. В. Н. Вавилова.

Заключение

.

Впервые проведенные исследования зависимости биостойкости ПОХВ от цветовой гаммы, селекции хлопчатника и условий его выращивания позволили придти к следующему заключению.

Исследование структуры исходных ПОХВ микроскопическим методом (таблицы J1.1, J1.2) свидетельствует о наличии на всех образцах незначительного обрастания микроорганизмами и продуктами их обмена, слабой испещренности класса А, которые не влияют на деструкцию надмолекулярной и молекулярной структур, а соответственно и свойства волокна (приложение В). Повреждения класса В в виде более значительной местной испещренности наблюдаются у селекций Н-194-f, Sf, V3−20 и К-4307.

Общее количество повреждений у ЖЗ волокон находится в пределах от 1,9 (Arkansas) до 9,9 (V3−20) из Италии, а у ЖО волокон — от 12,2 (II-190, Италия) до 23,5 (Sf, Астраханская обл.) при этом показатель деструкции колеблется от 0,004 до 0,112 у зеленых селекций и от 0,024 до 0,276 у ЖО линий. Данные исследования свидетельствует, в первом случае лишь о присутствии микроорганизмов и их метаболитов (К~0), а во втором случае — начальным изменениям поверхности волокна, не затрагивающим его внутренней структуры (0<К<0,3).

Анализ структуры исходного белого ХВ селекции Р5503 (Астраханская обл.) (таблица JI.2) свидетельствует о наличии повреждений класса А, В и С (приложение В) и при этом имеет общее количество повреждений равное 19,3 и показатель деструкции 0,358, что свидетельствует о деструкции не только поверхности, но и внутренних участков волокна, сопровождающейся начальными изменениями его структуры.

Исследование ЕО ХВ, подвергнутых воздействию микроорганизмов в течение 8 месяцев, методом световой микроскопии показало, что общее количество повреждений и их интенсивность увеличиваются во времени, наблюдается переход повреждений из начальной стадии класса, А к более сильным повреждениям классов В и С, сопровождающихся изменением структуры волокна. Наибольшей степенью деструкции внутри определенной цветовой гаммы характеризуются: ЖЗ волокно Н-194-f селекции (К=2,272), ЖО волокно Sf селекции (К=1,382) и белое волокно Р5503 селекции (К=2,238), а наименьшей — образцы: Arkansas (К=1,011) и II-190 (К=0,730), соответственно (таблица JI.2). Эти результаты свидетельствуют об увеличении повреждений внутренних участков волокна. Высокую биостойкость волокон Arkansas и II-190 селекций можно объяснить индивидуальными биоцидными свойствами волокон, а также присутствием пигмента в их химическом составе.

По степени биостойкости образцы ПО и белых волокон хлопка можно расположить в следующий нисходящий ряд: ЖО > ЖЗ > белые. Возможно, более высокие антисептические свойства ЖО волокна, подавляющие активность микроорганизмов и асептические особенности ЖЗ хлопка, не способствующие развитию микрофлоры, обуславливают меньшую степень деструкции волокон ЖО ЦГ по сравнению с ЖЗ и ЖЗ — с белыми [134].

Биологические особенности селекционных линий, почвенно-климатические условия места возделывания волокна, которые отразились на его биохимическом составе и заселенности эпифитной микрофлорой возможно объясняют меньшую степень деструкции ХВ, выращенного на юге Италии по сравнению с волокном, выращенным на юге России.

Результаты воздействия ПОХВ на микобиоту кожи человека выявили подавление ее роста на специальной диагностическо-дифференциальной питательной среде (таблица JI.2) у ЖЗ ПОХВ на 20,6−60,6%, у ЖО волокон — на 24,8−52,8%, а у белого волокна — на 7,1%. Результаты взаимодействия ПОХ с микроорганизмами кожи человека, которая содержит собственную микрофлору (эпидермальные стафилококки, микрококки, сарцины и непатогенные коринебактерии) и транзисторную микрофлору (возможное нахождение золотистых стафилококков и различных видов стрептококков), выявили способность волокна проявлять высокую антимикробную активность по сравнению с белым, что вероятно обусловлено его цветом, определяющим особенности химического состава волокна, который содержит катехины и флавоноиды, придающие ему окраску и бактерицидные свойства [134, 120].

Исследование физико-механических свойств волокон хлопка показало, что наибольшей удельной разрывной нагрузкой внутри зеленой ЦГ обладает образец Н-194-f, значение которого 35,9 сН/текс, а наименьшей — Arkansas, равное 21,8 сН/текс. Селекционная линия Sf ЖО волокна имеет наибольшее значение этого показателя, равное 25,1 сН/текс, а линия II-190 — наименьшее — 23,2 сН/текс. Удельная разрывная нагрузка белого волокна хлопка селекции Р5503 составляет 27,3 сН/текс (таблица J1.2). Таким образом, ПОХВ имеют меньшую прочность, чем белые. Это объясняется тем, что у ЕОХВ содержание жировосковых веществ значительно выше, чем у белых, что приводит к ослаблению межмолекулярных связей и в результате снижению их прочности [134].

Незначительное уменьшение удельной разрывной нагрузки ХВ в результате воздействия микроорганизмов, варьирующееся в пределах одного промышленного сорта, свидетельствует о слабой степени разрушения волокна и его структурных изменениях с истечением 8 месяцев экспозиции.

Данные результатов микроскопического исследования (таблица Л. 1) и расчет показателя микробиологической деструкции позволили установить, что ЖО ХВ характеризуются большей биостойкостью к воздействию микроорганизмов спонтанной микрофлоры (0,730<К<1,382) и набора микромицетов (0,161<К<0,529), чем ЖЗ (1,011<К<2,272 и 0,429<К<0,573, соответственно). При этом анализ термогравиметрических кривых показал повышение суммарного изменения массы образцов, поврежденных микроорганизмами спонтанной микрофлоры на 1,0 — 2,6% и микромицетами на 5,2 — 10,5% в процессе термического разложения целлюлозы, что подтверждает деструкцию надмолекулярной структуры ПОХВ выявленную в результате микроскопического исследования и количественной оценки степени деструкции.

Изменения показателей характеристической вязкости (молекулярной массы) и деструкции (таблица JI.2) свидетельствуют о более сильном повреждении ПОХВ ЖЗ ЦГ по сравнению с ЖО под воздействием микроорганизмов, принимая более высокие значения: характеристической вязкости — 0,0039 и 0,0097- у ЖЗ образцов и 0,0023 и 0,0073- у ЖОдеструкции — 1,007 и 2,035, 0,706 и 1,110, соответственно.

Полученные результаты снижения значений характеристической вязкости и, следовательно, молекулярной массы целлюлозы также подтверждают повреждение ПОХВ на молекулярном уровне, обусловленное понижением степени ее полимеризации и кристалличности в процессе молекулярной деструкции [159].

По результатам исследования цветовых характеристик ХВ (таблица J1.2) установлено, что цветовой тон ПОХВ не только не теряет яркости и насыщенности, но и становится более интенсивным под воздействием микроорганизмов и незначительно ослабевает в результате инсоляции по сравнению с белыми волокнами. Выявленная особенность имеет большое значение для текстильной промышленности не только при формировании технологических и потребительских свойств материалов, но и при их дальнейшем использовании. Высокую светостойкость ПО волокна можно объяснить тем, что в молекуле красителя НОХВ содержатся электроноакцепторные группы (хромофоры) и они, вероятно, блокируют электроннодонорные (ауксохромы) за счет образования внутри молекулярных водородных связей [25].

Повреждения структуры вызываемые микроорганизмами ПОХВ менее интенсивны по сравнению с белыми, о чем свидетельствуют результаты полученные методами микроскопии, дериватографии и вискозиметрии, выявляющие особенности биодеструкции волокна на макро-, надмолекулярном и надмолекулярном уровнях. Вследствие биодеструкции ПОХВ снижаются его физико-механические и повышаются цветовые характеристики.

Рекомендации по применению результатов работы:

Селекционные линии ПОХ: Кг 10, II-190, К-4307, ВАК-2000 с ЖО и 1/29, Arkansas, F3II-188 с ЖЗ волокном характеризуются достаточно высокими показателями физико-химических, микробиологических, технологических, эстетических, эксплуатационных свойств и представляют интерес для селекционных работ при изучении генетических ресурсов хлопчатника и для производства экологичной готовой продукции. Результаты исследований комплекса потребительских свойств волокна линии Кг 10 с ЖО волокном, были использованы для создания сорта хлопчатника Марон, рекомендованного в 2006 году.

Астраханским филиалом Госкомиссии для включения сорта в Государственный реестр селекционных достижений РФ, допущенных к использованию в России.

Методики оценки грибостойкости ПОХВ и антимикробного действия текстильных волокон (приложения И, К) рекомендуется применять с целью оптимизации выбора волокнистого состава сырья для придания гигиенических и свойств безопасности камуфляжным тканям для обмундирования военнослужащих, преобретающих особенно важное значение при использовании в экстремальных условиях и повышения биостойкости текстильной материалов при выпуске экологически чистого текстиля.

Сведения о влиянии биоповреждений на изменение структуры и свойств ПОХВ могут использоваться как справочные данные при прогнозировании поведения ЕОХВ в процессе эксплуатации и хранения текстиля в условиях повышенной влажности и температуры воздуха.

Результаты комплексного анализа микробиологических, колористических и физико-механических свойств могут быть использованы в текстильной промышленности — при производстве нетканых материалов, меланжевых тканей, составлении смесей, рабочих сортировок и формировании ассортимента тканей и их потребительских свойств.