Účinek vybraných forem energie a preparátů na bázi nanočástic na ochranu staveb před dřevomorkou domácí
Cílem článku je prezentovat výsledky výzkumu v oblasti ochrany dřevěných konstrukcí před výskytem dřevomorky domácí (Serpula lacrymans L.). Zkoumány byly dvě formy energie, sálavého tepla a mikrovlnný ohřev. Nově byl vyvinut preparát na bázi nanočástic a sledován byl jeho účinek v inaktivaci degradačního účinku dřevomorky domácí. Rovněž byl zkoumán synergický efekt různých forem záření doplněný o účinek nanočástic. Zkoumaným materiál se stalo dřevo smrku (Picea abies) jako nejpoužívanější stavební řezivo. Výsledky jsou uvedeny a popsány v předkládaném článku.
1. Úvod
Dřevomorka domácí (Serpula lacrymans) (Wulfen) P. Karst je v interiérech nejčastěji se vyskytující basidiomycet ve střední Evropě [1]. Skládá se přibližně z 90 % vody a 10 % sušiny. Aby tato sušina mohla být syntetizována, musí být houba schopna zajistit asimilaci látek, které slouží jako její prekurzory. S. lacrymans je saprotrofní houba hnědé hniloby (brown rot – BR), zdrojem organického uhlíku, dusíku a energie jsou pro ni polysacharidy obsažené ve dřevní hmotě. Nejvýznamnější fází z hlediska degradace dřevní hmoty je tvorba mycelia. S. lacrymans je specifická svojí schopností rychle kolonizovat substrát díky rozsáhlému myceliu a silnému enzymatickému aparátu, který ji napomáhá při rozkladu polysacharidů (celulóz a hemicelulóz) přítomných ve dřevní hmotě [2].
Výzkumy z poslední doby dokazuji, že její mycelium tvoří velice dynamická struktura, která dokáže pohotově reagovat na lokální deficit živin a do místa zvýšené enzymatické činnosti potřebné látky aktivně transportovat [3]. Z pohledu ekonomických ztrát a destruktivního potenciálu je to jedna z nejvýznamnějších hub vůbec. S. lacrymans je schopna rychle kolonizovat a následně efektivně štěpit substrát masivním šířením mycelia. Každoročně způsobí výrazné ekonomické ztráty po celém světě. Zatím nebylo zjištěno, jaký faktor je konkrétně zodpovědný za to, že S. lacrymans je pro lidské stavby nebezpečnější než ostatní jí příbuzné druhy, nacházející se ve volné přírodě. Vlastnost, která se nabízí, je schopnost přežít i delší dobu bez kontinuálního přisunu živin a vody. Vodu je navíc S. lacrymans schopna, společně s dalšími živinami, transportovat na velké vzdálenosti. Zejména z důvodu síly destrukce konstrukcí objektů je S. lacrymans stále diskutované téma. Uvedený příspěvek si klade za cíl seznámit s prvními výsledky projektu, který řeší inaktivaci S. lacrymans pomocí různých forem záření a nově vyvinutého fungicidu na bázi nanomateriálů.
2. Materiál a metodika
Pro ověření účinnosti vybraných forem energie se použily speciální modely zhotovené ze smrkového dřeva (Picea abies). Modely byly vyrobeny zvlášť pro zatížení sálavým teplem a zvlášť pro vystavení mikrovlnnému záření. Rozměry obou typů modelů byly totožné, 195 mm × 215 mm a šířku 270 mm (Obr. 1). Pro samotnou expozici byly vybrány modely, které nevykazovaly žádné známky biotického napadení. Každý z modelů byl podélně rozřezán v hloubce 80 mm a do vzniklé plochy byly napříč modelu vyfrézovány drážky tak, aby do nich mohla být vložena tělíska infikovaná vybranou dřevokaznou houbou. Modely vystavené sálavému teplu měly vyfrézovány dvě drážky, modely určené pro zatížení mikrovlnnou energií měly drážky tři (Obr. 2).
Obr. 1 – Dokumentace modelů ze smrkového dřeva pro exponování mikrovlnným zářením
Obr. 2 – Schematické znázornění modelů a drážek pro umístění nainfikovaných tělísek pro oba způsoby ohřevu
Tělíska o rozměru 15 mm × 15 mm × 15 mm byla houbou infikována v laboratoři Mikrobiologického ústavu AV ČR v.v.i. Tloušťka vrchní vrstvy 80 mm byla zvolena s ohledem na rozměry modelů, a také s ohledem na délku vlny mikrovlnného záření, která je 12,5 cm, což vzhledem k obsahu vlhkosti a výskytu biotických činitelů v těchto hloubkách, teoreticky zaručovalo dostatečnou intenzitu pro likvidaci dřevokazné houby. Tělíska po kultivaci byla měřena ve svých příčných rozměrech a vážena s přesností 0,001 g pomocí digitální váhy Precisa XB620M. Následně byla tělíska vložena do modelů a podle jednotlivých způsobů ohřevu exponována. Po měření byly vzorky ihned váženy, zkoumány byly také změny struktury dřeva pomocí digitálního vysokorychlostního mikroskopu Keyence VHX 5000. Doplňkově byla měřena vlhkost modelů před ohřevem a po ohřevu pomocí dielektrického vlhkoměru Meterlink M0297 (Obr. 3.)
Obr. 3 – Ukázka měření mikroskopické struktury dřeva na digitálním mikroskopu Keyence VHX5000 a měření vlhkosti dielektrickým vlhkoměrem Meterlink M0297
Pro každý způsob tepelného zatížení byly vytvořeny 4 soubory vzorků (tzv. sady). Pro sálavé teplo bylo v sadě vždy 18 ks infikovaných tělísek (celkem tedy 72 ks), pro mikrovlnné záření 27 ks těles v sadě (celkem 108 ks). Dvě sady z každého tepelného zatížení byly natírány před zatížením modifikovanými nanočásticemi selenu chemicky značeno Se NP a dvě sady tělísek byly do nanočástic Se NP máčeny po tepelném zatížení. Uvedené modifikované nanočástice byly připravovány na pracovišti Ústavu mikroelektroniky, Fakulty elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně. Nanočástice selenu byly syntetizovány mokrou chemickou metodou – chemickou redukcí, syntéza byla založena na kyselině selenové jako prekurzoru a chitosanu, jako redukční a stabilizační činidlo.
2.1 Parametry expozice – horký vzduch
Sterilizační teplota jako parametr při ohřevu horkým vzduchem byla zvolena 55 °C a byla měřena v geometrickém středu modelů. Modely byly uloženy do horkovzdušné trouby s cirkulací vzduchu a vystaveny teplotě okolního prostředí 100 °C (Obr. 4). Dosažená teplota (55 °C) v geometrickém středu všech modelů byla měřena pomocí termoelektrického snímače, který byl napojen na PC pro přímý odečet teplot. Při dosažení sterilizační teploty byla ještě teplota v troubě udržována po dobu 60 minut.
Obr. 4 – Dokumentace ohřevu modelů horkým vzduchem a detail tělísek po ohřevu
2.2 Parametry expozice – mikrovlnné záření
Při aplikaci mikrovlnného ohřevu pro experiment bylo využito mobilního zařízení se zdrojem mikrovlnné energie a aplikátorem s magnetronem. Zdroj obsahuje transformátor pro napájení katody a anody magnetronu, řídící obvody pro regulaci vysokofrekvenčního výkonu mikrovlnného systému, spínače a řídící prvky. Aplikátor využíval pro usměrnění toku energie anténu s pyramidálním tvarem o vnitřních rozměrech 170 × 170 mm (Obr. 5). Expozice byla cyklická, skládající se z doby ohřevu a doby relaxace, tedy doby, kdy bylo zařízení vypnuto, a struktura dřeva i infikované vzorky měly prostor přeměnit vodu v páru a difundovat ji do okolního prostředí. Expozice byla zvolena 5 minut ohřev, 2 minuty relaxace a 5 minut ohřev jako jeden cyklus.
Obr. 5 – Dokumentace ohřevu mikrovlnnou energií a detail tělísek po ozáření
3. Výsledky a diskuse
Na obrázku 6 se nachází graf průběhů teplot z termoelektrických snímačů. Uvedeny jsou hodnoty pro všechny vzorky ve všech sadách spolu s teplotami vzduchu. Z grafu je patrné, že při zatížení sálavým teplem se jako první ohřály vzorky v sadě č. 2 a 4, a to ve 125. minutě, pak č. 3 ve 148. minutě a jako poslední dosáhla dané teploty sada se vzorky č. 1., ve 170. minutě. Přibližně tedy za 4 hodiny byl uvedený průřez, který simuloval reálný stavební prvek dřeva v konstrukci ohřátý na sterilizační teplotu 55 °C.
Obr. 6 – grafické znázornění průběhů teplot při ohřívání vzorků sálavým teplem
Na obrázku 7 je zobrazen krabicový graf znázorňující hmotností úbytky vzorků při zatížení teplem. V tabulce 1 je uvedena popisná statistika.
Obr. 7 – Krabicový graf znázorňující hmotností úbytky při zatížení vzorků teplem
Tab. 1 – Popisná tabulka pro jednotlivé sady zatížené teplem
Podle výsledků mortality (Obr. 8), kterou provedl Mikrobiologický ústav AV ČR v.v.i. na sadě č. 2 byla 100% mortalita, tedy z celkového počtu 18 infikovaných vzorků byla činnost dřevokazné houby zastavena u všech. Uvedená tělíska byla zatížena sálavým teplem a po ohřevu máčena po dobu 10–15 s do nanočástic Se NP. Synergický efekt sálavého tepla (snížení vlhkosti) a nanočástic v této posloupnosti tedy vedl k inaktivaci S. lacrymans. Ze sady č. 1 z celkového počtu 18 vzorků vykazovaly znaky růstu S. lacrymans 4 nainfikované vzorky, mortalita 77,78 %. U sady č. 4 byla rovněž zjištěna vysoká mortalita, a to 88,89 %. U této sady byly neinfikované vzorky ošetřeny filmem z nanočástic před samotným zatížením teplem. Sada č. 3 vykazovala nejnižší hodnoty mortality, a to 61,11 %. Vzorky sice rostly pomalu, ale ve velkém počtu. Uvedené výsledky je možné přisuzovat aplikaci nanočástic selenu SeNP (pouze z jedné strany vzorku).
Obr. 8 – zobrazuje mortalitu neinfikovaných vzorků v jednotlivých sadách
Při aplikaci mikrovlnného ohřevu ve zvolených časech expozice nebylo díky skutečnosti, že jsou mikrovlnné technologie bezkontaktní měřit teploty v geometrických středech prvků. I při pokusech o získání těchto dat nebylo možné je interpretovat. Uvedený čas expozice vycházel z reálných způsobů sanace. Na obrázku 9 jsou zobrazeny úbytky hmotnosti v jednotlivých sadách včetně popisné statistiky uvedené v Tab. 2.
Obr. 9 – Krabicový graf znázorňující hmotností úbytky při zatížení mikrovlnným zářením
Tab. 2 – Popisná tabulka pro jednotlivé sady zatížené mikrovlnným zářením
Při exponování vzorků mikrovlnným zářením byl dodržen stejný postup nanášení nanočástic jako u prvního způsobu zatížení. Tedy sady č. 1 a 2 byly ošetřeny fungicidem až po ozáření a sady č. 3 a č. 4 byly ošetřeny před ozářením. Z výsledků je zřejmé, že ze sady č. 1 z celkového počtu 27 vzorků dosahovaly viditelného růstu 5 infikovaných vzorků (mortalita 81,48 %). Některé vzorky ze sady č. 2 byly znehodnoceny přehřevem mikrovlnného pole a spálením povrchu. Z celkového počtu 21 vzorků, začaly opětovně růst 2 infikované vzorky (mortalita 90,48 %). Vzorek č. 34 rostl ale daleko lépe než vzorek č. 43 a vykazoval veškeré morfologické znaky S. lacrymans již po pár týdnech růstu. U sady č. 3 z celkového počtu 21 vzorků přežily 4 infikované vzorky (mortalita 80,95 %). U sady č. 4 bylo hodnoceno celkově 15 tělísek a z toho 3 tělíska vykazovala růst (mortalita 80 %). Z výsledků mortality je možné konstatovat, že nezáleží na pořadí aplikace nanočástic selenu SeNP a ozařování. Mortalita je v obou případech podobná. Sada č. 2 dosáhla nejvyšších hodnot mortality. Všechny vzorky až na vzorek č. 34 rostly pomalu. Co způsobilo tuto odchylku není zřejmé, možná šlo o špatně provedený nátěr SeNP či vzorek díky nehomogennímu poli mikrovlnného záření nebyl exponován plnou dávkou mikrovlnného záření.
Obr. 10 – zobrazuje mortalitu neinfikovaných vzorků v jednotlivých sadách
4. Závěr
Z prvotních výsledků je možné usuzovat, že kombinace horkého vzduchu a nanočástic selenu Se NP může být účinným způsobem vedoucím ke zpomalení růstu a případné inaktivaci S. lacrymans. V sadě č. 2 z prvního experimentu dosáhla mortalita u vzorků až 100 %. U mikrovlnného záření bylo zřejmé, že mortalita je u obou způsobů podobná. I u tohoto zatížení dosahovala sada č. 2 největší mortality. Je však pravdou, že kvůli vysoké nehomogenitě mikrovlnného pole bylo mnoho vzorků znehodnoceno včetně povrchu modelů. Také byla patrná fluktuace výkonu generátorů. Jeví se jako účinné při aplikaci mikrovlnného záření dodržovat určitou vzdálenost mezi směrovou anténou a povrchem vzorků, ovšem na úkor intenzity samotného pole. Uvedené vede k závěru, že je nutné v experimentu pokračovat a směřovat pozornost i do dalších forem záření, jako je například gama záření a také zpřesnit samotnou metodiku práce.
Poděkování
Výsledky uvedené v článku byly získány v rámci řešení projektu GAČR 17-05497S.
Literatura
- Schmidt O. (2006) Wood and Tree Fungi: Biology, Damage, Protection and Use. Springer, Heidelberg.
- Li C., Wang X., Chen F., Zhang C., Zhi X., Wang K., Cui D. (2013) The antifungal activity of graphene oxide-silver nanocomposites. Biomaterials. 34 (15), 3882–90.
- Fricker M. D., Lee J. A., Bebber D. P., Tlalka M., Hynes J., Darrah P. R., Watkinson S. C., Boddy L. (2008) Imaging complex nutrient dynamics in mycelial networks. J. Microsc. 231, 317–331.
The aim of the article is to present the results of the research in the field of protection of wooden structures against the occurrence of domestic woodpecker (Serpula lacrymans L.). Two forms of energy, radiant heat and microwave heating were studied. A new nanoparticle preparation has been developed and its effect on inactivating the degradation effect of domestic woody was monitored. Also studied was the synergistic effect of various radiation shapes supplemented by the effect of nanoparticle selenium. The studied material became spruce wood as the most used building timber. The results are presented and described in the present article.