臭氧處理對真菌生長，化學(xué)成分和代謝的影響

木地板材料的表面形態(tài)特征

 

摘要

研究了臭氧處理和提取對竹地板和紅橡木地板材料真菌活性的影響。一組木材樣品用環(huán)己烷和乙醇萃取48小時，以去除可萃取的化合物。將另一組材料暴露于臭氧（2000 ppbv±63 ppbv）中五天。溶劑萃取和

將臭氧處理過的樣品在密閉室內(nèi)于85％±2％RH和30℃±℃下孵育。定期將它們移出以評估真菌的生長。臭氧處理導(dǎo)致這兩種木材的化學(xué)成分略有變化。例如，觀察到木質(zhì)素成分的降解是隨著IR譜帶在1450 cm-1到1 cm-1范圍內(nèi)的減少。

1610厘米-1。同樣，臭氧處理過的竹炭樣品和對照竹樣品在潮濕環(huán)境中暴露十周后被霉菌稍微覆蓋，而直到兩周后，提取的樣品均未見到可見的真菌生長，這可能是因為提取物去除了一些限制真菌生長的成分。橡木樣品在相同的暴露時間內(nèi)沒有霉菌生長的跡象，這表明橡木中含有一些抑制真菌的成分。

 

含義

木質(zhì)纖維素作為可再生建筑材料的利用和研究日益受到公眾的關(guān)注。 但是，當(dāng)木質(zhì)材料暴露于臭氧和濕氣等環(huán)境條件下時，會發(fā)生顏色變化，物理和微生物降解。 研究目的是使用各種技術(shù)評估臭氧處理和提取對化學(xué)成分和形態(tài)特征的影響，以便更好地了解某些常見木材表面上的降解過程。

 

介紹

建筑材料的選擇取決于許多標(biāo)準(zhǔn)，例如，低揮發(fā)性有機化合物（VOC）的排放量，耐久性和可回收性。對于基于纖維素的建筑材料，它們對霉菌生長的敏感性非常重要。大量研究表明，在各種產(chǎn)品（例如石膏板上）上霉菌的生長；纖維素絕緣材料，含纖維素的天花板磚；刨花板，木質(zhì)地板材料[Herrera 2005; Dillavou等。 2007; Karunasena等。 2000]。 Hoang等人的 很新研究。 2010年指出，富含纖維素的材料在直接暴露于水或暴露于高濕度后極易發(fā)霉。他們的結(jié)果表明，不同的木質(zhì)材料以不同的水平支持霉菌的生長，每種材料的化學(xué)成分可能是一個主要因素，因為某些木材含有天然的抗真菌化合物，可以防止或減少真菌的生長。實際上，由于木質(zhì)材料的高分子量組分的復(fù)雜異質(zhì)性（主要包含纖維素（40％至50％）），很難定義其化學(xué)性質(zhì)。木質(zhì)素（15％至35％）;半纖維素（20％至35％）和可溶于溶劑的提取物（3％至10％），例如萜烯，單寧，芳香族和脂肪族酸[MacDonald等。 1969]。近來，臭氧已經(jīng)被提倡對建筑物進(jìn)行消毒，因為已經(jīng)證明，較高的臭氧水平（1000 ppmv至2000 ppmv）可以使真菌孢子失活[Currier et al。，2001; 2001; Palou等，2003]。然而，臭氧與材料表面的反應(yīng)令人擔(dān)憂，因為它們是二次揮發(fā)性有機化合物和顆粒形成的潛在來源[Poppendieck等。 2007]。在造紙工業(yè)中，臭氧通常用于木質(zhì)產(chǎn)品的脫木質(zhì)素處理，因為它被認(rèn)為是分解木質(zhì)素的強反應(yīng)物[Kobayashi等人。 2005]。

 

目前關(guān)于臭氧反應(yīng)和萃取對臭氧的影響的信息很少。

改變木質(zhì)材料的表面化學(xué)和形態(tài)。這項研究的目標(biāo)是：

-研究兩種不同的木質(zhì)地板材料（竹和橡木硬木）的真菌敏感性。

-確定木材提取物對真菌生長的影響。

-評估臭氧處理過的木材表面的抗真菌性。

 

 

方法

本研究選擇了竹地板和橡木地板材料。這些材料是從當(dāng)?shù)毓?yīng)商處購買的，然后在進(jìn)行實驗之前存儲在拉鏈袋中。將材料切成2.3厘米x 2.3厘米的相同尺寸，并用臭氧或如下所述的混合溶劑處理：

 

臭氧處理：將材料樣品放入一個4升的玻璃燒瓶中，該燒瓶用2000 ppbv±63 ppbv的空氣連續(xù)通風(fēng)5天。臭氧通過使用衰減全反射（ATR）光譜記錄的紅外光譜確定材料表面上的臭氧官能團(tuán)的變化。為了避免由外部因素（例如接觸壓力）引起的光譜差異，將所有木材光譜均歸一化為1030 cm-3譜帶，該譜帶在處理過程中變化的可能性較小[Collom等。 2003;穆勒等。 2003]。

 

溶劑萃?。涸谒魇陷腿∑髦杏铆h(huán)己烷和乙醇的混合物處理另一系列的材料樣品。從ASTM D1105-96標(biāo)準(zhǔn)中調(diào)整萃取程序，并稍微改變?nèi)軇┖浚ōh(huán)己烷：乙醇= 2：1體積比）。該過程進(jìn)行了三天，每天大約有12個循環(huán)。提取完成后，將提取的標(biāo)本用于抗真菌性評估。收集剩余的溶劑并干燥直至恒重，以確定產(chǎn)物中萃取物的百分比。還使用GC / MS分析了提取物中的成分組。

 

然后將經(jīng)過臭氧處理和溶劑萃取的樣品均在相對濕度為85％±2％，溫度為30℃的調(diào)節(jié)室內(nèi)進(jìn)行培養(yǎng)，以評估臭氧處理和萃取對木材抗真菌性的影響。重要的是要注意，未用臭氧或環(huán)己烷/乙醇處理過的對照樣品在相似的培養(yǎng)箱中孵育。用光學(xué)顯微鏡在3個月內(nèi)定期監(jiān)測所有材料，以檢測材料表面的真菌生長。此外，為了更好地了解兩種材料的吸濕性，使用IGASORP吸附分析儀確定每個10％RH步驟的平衡水分含量。重要的是要注意，除水分等溫線實驗外，所有實驗均重復(fù)進(jìn)行兩次或三次。等溫線分析儀的公布精度不到5％。

 

結(jié)果

圖1顯示了在幾個孵育時間步驟（第0周，第11周和第13周）中竹材背面的霉菌生長。在第10周后，在對照和臭氧處理的樣品上觀察到可見的真菌生長，而在第13周之前，在溶劑處理的樣品上未檢測到真菌。與對照或溶劑萃取的樣品相比，在臭氧處理的樣品上生長的真菌也更多。需要進(jìn)一步分析以驗證這一觀察結(jié)果。有趣的是，沒有橡樹標(biāo)本在背面顯示出真菌生長（數(shù)據(jù)未顯示）。

圖1：竹地板材料背面的真菌生長觀察

 

吸水率

圖2顯示了未經(jīng)處理的橡木和竹子樣品在30℃和大氣壓下的吸濕等溫線。兩種材料均顯示出相同的吸濕模式，隨濕度變化。有趣的是，在相對濕度介于0％至70％之間的情況下，竹子吸收的水比橡木少。但是，竹子的吸濕率比RH較高的橡樹大，在70％到90％之間，這導(dǎo)致兩個吸附等溫線之間發(fā)生交叉。這一發(fā)現(xiàn)對于室內(nèi)應(yīng)用（例如地板）非常重要，因為在典型的室內(nèi)環(huán)境條件下，竹子中的水分含量少于橡木中的水分含量。但是，在濕度很高的環(huán)境中會發(fā)現(xiàn)相反的情況。

圖2. 30℃溫度下的等溫線圖。

 

木制品的紅外光譜

圖3顯示了未經(jīng)處理和經(jīng)臭氧處理的橡木樣品的紅外光譜。兩個樣品之間的差異光譜以粗線顯示，正峰代表增加，反之亦然。對于竹材料也發(fā)現(xiàn)了相同的觀察結(jié)果。很明顯，臭氧處理后，木材材料上觀察到輕微變化。羥基（OH）基團(tuán)（3350 cm-1）的強烈廣泛拉伸和2920 cm-1-3000 cm-1區(qū)域的C-H拉伸顯示強度增加。相反，在1750 cm-1和1040 cm-1范圍內(nèi)的條帶強度降低。這種衰減似乎代表了通過臭氧處理對木質(zhì)素和纖維素成分的降解。

圖3.未處理和臭氧處理的橡木的FT-IR光譜

 

木制品的提取成分

GC / MS結(jié)果表明，提取物分別占橡木和竹子干物質(zhì)質(zhì)量的3.4％±0.4％和2.6％±0.3。同樣，在橡木提取物中發(fā)現(xiàn)了香蘭素，糠醛成分，丁香醛和其他酚類，而竹提取物包括苯甲酸，癸醛和其他醛。

 

討論

在有利的環(huán)境條件下（例如，RH = 80％至90％；溫度= 30℃），如果提供營養(yǎng)（來自物質(zhì)成分或外部來源），真菌的孢子就會發(fā)芽。顯然，不同的物質(zhì)在不同程度上支持真菌的生長，

因為有些材料提供了容易被真菌分解的“食物”，而另一些則包含了可能抑制真菌生長的有毒化合物[Hoang等。 2010]。在這項研究中，在潮濕的房間中孵育10周后，竹子樣品上的真菌生長明顯，而橡木則沒有顯示出對真菌生長的支持?？赡艿脑蚴窍鹉镜匕宀牧现泻邢闾m素和其他可使真菌孢子失活的酚類成分[López-Malo等。 1997]。然而，眾所周知，竹子由于其豐富的淀粉和糖分而易受真菌的侵害[Li 2004，Zhang等。 2010]。另外，吸附

圖2所示的等溫線表明，在實驗條件下（RH = 85％；溫度30℃），竹子可以更快地吸收水分，并且比橡木具有更高的水分含量。 Hoang等。 2010年，纖維素基材料中的霉菌生長速率與其平衡水分含量[EMC]呈正相關(guān)。換句話說，EMC較高的材料似乎更容易發(fā)霉。因此，EMC可用作評估纖維素基材料中霉菌生長風(fēng)險的指標(biāo)。在不同的竹子樣本中發(fā)現(xiàn)了另一個有趣的真菌生長觀察結(jié)果。經(jīng)過臭氧處理的標(biāo)本比其他在臭氧下的真菌生物量更高。

相同的實驗條件。這一發(fā)現(xiàn)表明，臭氧處理可能會分解某些木材成分，并產(chǎn)生更多有利于真菌生長的化合物。例如，圖3中的紅外光譜顯示臭氧處理后木質(zhì)素的降解，這可能會使木質(zhì)材料更容易受到真菌侵襲。另外，少得多

在溶劑萃取的樣品上觀察到生長；甚至真菌也需要更長的時間才能開始在這些樣品上發(fā)芽。有可能提取了一些真菌類成分。在Zhang等人的 很新研究中也觀察到了相同的觀察結(jié)果。 2010年。他們發(fā)現(xiàn)一些不同種類的竹子中含有可促進(jìn)竹生物量侵染的提取物。

真菌目前尚未討論具體成分，這表明需要進(jìn)一步研究。

 

結(jié)論

研究表明，內(nèi)部成分，例如提取物，對木質(zhì)材料的抗真菌性起關(guān)鍵作用。例如，橡樹含有抑制性化合物，如香蘭素，可增加對真菌生長的抵抗力。臭氧處理通過分解一些高分子量化合物（例如木質(zhì)素和纖維素）而稍微改變材料的化學(xué)成分。建議如果選擇臭氧作為建筑物的污染物，則應(yīng)考慮這些影響。