臭氧處理對真菌生長，化學成分和代謝的影響

木地板材料的表面形態特征

 

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。臭氧處理導致這兩種木材的化學成分略有變化。例如，觀察到木質素成分的降解是隨著IR譜帶在1450 cm-1到1 cm-1范圍內的減少。

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注。 但是，當木質材料暴露于臭氧和濕氣等環境條件下時，會發生顏色變化，物理和微生物降解。 研究目的是使用各種技術評估臭氧處理和提取對化學成分和形態特征的影響，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準，例如，低揮發性有機化合物（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霉。他們的結果表明，不同的木質材料以不同的水平支持霉菌的生長，每種材料的化學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，由于木質材料的高分子量組分的復雜異質性（主要包含纖維素（40％至50％）），很難定義其化學性質。木質素（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，臭氧已經被提倡對建筑物進行消毒，因為已經證明，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令人擔憂，因為它們是二次揮發性有機化合物和顆粒形成的潛在來源[Poppendieck等。 2007]。在造紙工業中，臭氧通常用于木質產品的脫木質素處理，因為它被認為是分解木質素的強反應物[Kobayashi等人。 2005]。

 

目前關于臭氧反應和萃取對臭氧的影響的信息很少。

改變木質材料的表面化學和形態。這項研究的目標是：

-研究兩種不同的木質地板材料（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。這些材料是從當地供應商處購買的，然后在進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的空氣連續通風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]。

 

溶劑萃取：在索氏萃取器中用環己烷和乙醇的混合物處理另一系列的材料樣品。從ASTM D1105-96標準中調整萃取程序，并稍微改變溶劑含量（環己烷：乙醇= 2：1體積比）。該過程進行了三天，每天大約有12個循環。提取完成后，將提取的標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℃的調節室內進行培養，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，未用臭氧或環己烷/乙醇處理過的對照樣品在相似的培養箱中孵育。用光學顯微鏡在3個月內定期監測所有材料，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，所有實驗均重復進行兩次或三次。等溫線分析儀的公布精度不到5％。

 

結果

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。需要進一步分析以驗證這一觀察結果。有趣的是，沒有橡樹標本在背面顯示出真菌生長（數據未顯示）。

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，這導致兩個吸附等溫線之間發生交叉。這一發現對于室內應用（例如地板）非常重要，因為在典型的室內環境條件下，竹子中的水分含量少于橡木中的水分含量。但是，在濕度很高的環境中會發現相反的情況。

圖2. 30℃溫度下的等溫線圖。

 

木制品的紅外光譜

圖3顯示了未經處理和經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。對于竹材料也發現了相同的觀察結果。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（3350 cm-1）的強烈廣泛拉伸和2920 cm-1-3000 cm-1區域的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結果表明，提取物分別占橡木和竹子干物質質量的3.4％±0.4％和2.6％±0.3。同樣，在橡木提取物中發現了香蘭素，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

在有利的環境條件下（例如，RH = 80％至90％；溫度= 30℃），如果提供營養（來自物質成分或外部來源），真菌的孢子就會發芽。顯然，不同的物質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。可能的原因是橡木地板材料中含有香蘭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。換句話說，EMC較高的材料似乎更容易發霉。因此，EMC可用作評估纖維素基材料中霉菌生長風險的指標。在不同的竹子樣本中發現了另一個有趣的真菌生長觀察結果。經過臭氧處理的標本比其他在臭氧下的真菌生物量更高。

相同的實驗條件。這一發現表明，臭氧處理可能會分解某些木材成分，并產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素的降解，這可能會使木質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果。 2010年。他們發現一些不同種類的竹子中含有可促進竹生物量侵染的提取物。

真菌目前尚未討論具體成分，這表明需要進一步研究。

 

結論

研究表明，內部成分，例如提取物，對木質材料的抗真菌性起關鍵作用。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（例如木質素和纖維素）而稍微改變材料的化學成分。建議如果選擇臭氧作為建筑物的污染物，則應考慮這些影響。