Factors of Fiber Resistance of Russian Breeding Cotton to Epiphytic Microflora for Obtaining Environmental Friendly Raw Materials

Full Text

Введение

Глобальное повышение температуры и влажности на Земле – критический фактор экологии 21 века. Ряд наиболее подверженных опасным сочетаниям тепла и влажности регионов являются весьма густонаселенными с активным ведением промышленного и сельскохозяйственного производства [5]. Изменения климата ожидаемо влияют на динамику инфекционных заболеваний в результате экстремальных погодных явлений [12]. Распространенность аллергических заболеваний дыхательных путей – астмы и ринита возрастает, что связывается с изменениями в окружающей среде. Волны тепла, засухи, наводнения и ураганы способствуют распространению аллергенов плесени [6]. Глобально около 600 видов грибов вызывают заболевания человека. Например, дерматофиты вызывают кожные и проникающие инфекции у 1 миллиарда человек в мире [3]. Констатировалось, что инфицируемость людей видами Aspergillus, Candida, Cryptococcus, Pneumocystis и Mucorales являются основными причинами поражения грибком и смертности [7]. Текстиль – одежда и интерьер внутренних жилых и рабочих помещений – сопровождает человека всю его жизнь и, следовательно, активно влияет на здоровье. В условиях контрастных колебаний влажности и температуры среды текстиль становится благоприятной средой жизнедеятельности пектои целлюлозоразрушающих грибов и бактерий таксонов Aspergillus, Penicillium, Microsporum, Bacillus, Streptomyces и Pseudomonas [9; 13], продукты метаболизма которых вызывают микроэкологические, микробиотические воспалительные состояния в организме человека [4; 15] ведут к распространению ряда опасных микотоксинов – стеригматоцистина, афлатоксина [14; 16]

Селекция прядильных культур на качество волокна может являться одним из важных факторов в решении множества вышеперечисленных проблем экологии среды, эффективной адаптации современных сельскохозяйственных экосистем к меняющимся климатическим условиям для решения задач получения промышленных продуктов с высоким биологически фортифицированным качеством. В частности, исследованиями показано, что оптимизация микрорельефа поверхности текстильного волокна, его тонины, содержания в волокне целлюлозы, эффективно сказываются на биофункциональном качестве текстиля [10]. Натурально разноокрашенное хлопковое волокно содержит биологически активные метаболиты [1; 8], что может повысить биологическую устойчивость текстиля к микроорганизмам, активно снижать количество продуктов метаболизма пектои целлюлозоразрушающих бактерий и грибов в одежде и домашнем текстиле. Таким образом, исследование факторов, способствующих усилению биологической устойчивости текстильного волокна к гнилостному разрушению, является весьма актуальной задачей в создании нового поколения сортов прядильно-масличных культур.

Цель работы – изучение биологической деструкции волокна у линий и сортов хлопчатника российской селекции, выращенных в Южном ФО РФ под действием эпифитной микрофлоры и воздействием высоких температур, которым подвергается текстильное сырье в процессе промышленной переработки.

Материал и методы

Для исследований использованы образцы разноокрашенного хлопкового волокна зеленой, коричневой и белой окраски, которые были собраны с растений 9 сортов и линий хлопчатника российской селекции, принадлежащих к видам Gossypium hirsutum L. и G. herbaceum L. (таблица 1), выращеных в Южном ФО РФ – в Астраханской обл. в дельте Волги. Агроклиматические условия зоны выращивания образцов хлопчатника характеризуются умеренно-континентальным, засушливым типом, соответствующим физикогеографической зоне полупустынь со значимыми колебаниями суточных температур воздуха и незначительными осадками. За период вегетации (май-сентябрь) среднемесячное количество осадков составило 22,0 мм, температура – +21,8 °C. Средняя температура самого теплого месяца июля +32,1°C. С мая по июль было проведено 8 поливов капельным методом в норме 15-17 л/м2.

Рост колоний эпифитной микрофлоры на хлопке был стимулирован выдержкой при температуре 28±2°С и относительной влажности воздуха 90-98 процентов на период 240 суток в лабораторных условиях (экспонированное волокно). Для исследования морфологии и структурны повреждений волокна применяли световую микроскопию (микроскоп Olimpus AH-2) в 50 полях зрения. Для каждого образца наблюдения проводили трижды.

Степень деструктурированности образцов хлопка эпифитной микрофлорой К определяли вычислением показателя деструкции, который служит количественным выражением степени биоразрушенности хлопка и характеристикой степени его резистентности по формуле:

К= 0,002 × А + 0,025 ×В + 0,255 ×С ,

где: А – число разрушений с незначительными изменениям поверхности волокна, не затрагивающих внутреннего строения;

В – число разрушений как поверхности, так и внутреннего строения волокна;

С – число глубоких разрушений, повреждения всех структур волокна, рисунок 1 (б).

Волокно изучалось в трех вариантных состояниях – исходное (неэкспонированное), выдержанное во влажной среде с температурой, благоприятной развитию микроорганизмов в течение 30 суток и в течение 240 суток.

Таблица 1. Материал исследований. Образы хлопчатника Gossypium spp. – источники волокна

 

Каталог	Название	Происхождение	Окраска волокна	Вид
И:0159123	Войтенок ФРТ	Россия	Белая	G. hirsutum L.
И:0159124	Аболин ЦФН	Россия	Белая	G. hirsutum L.
И:604972	Форс	Россия	Белая	G. hirsutum L.
И:0159125	Кумбазик Марон	Россия	Коричневая	G. hirsutum L.
И:0159128	Катипок Бура	Россия	Коричневая	G. herbaceum L.
И:604982	Рунгольт	Россия	Коричневая	G. hirsutum L.
И:604968	Страумал	Россия	Зеленая	G. hirsutum L.
И:604968	Рунгрин BrSds	Россия	Зеленая	G. hirsutum L.
И:604969	Kuk5	Россия	Зеленая	G. hirsutum L.

 

Рисунок 1. Микрофотографии хлопковых волокон (100х10х2,5): не поврежденные микроорганизмами (а), повреждения класса С после 240 суток экспозиции – глубокая деструкция, разрушение оболочки с резко обозначенными краями (б), колония микроорганизмов внутри канала волокна (в)

В процессе промышленной переработки волокна, хлопок проходит множество производственных циклов при высоких температурах, что влияет на структуру и физико-механические параметры волокна. Физико-химические изменения волокна, происходящие при контролируемом повышении температуры, деградацию волокон, оценивали по изменению экзотермических и эндотермических пиков, полученных методом дифференциального

термического анализа на дериватографе Q 1000 при нагреве 5°С/мин в интервале от +20 до +400°С. Масса каждого анализированного образа волокна составляла 200 мг.

Для оценки деградации волокна под воздействием спонтанной микрофлоры и контролируемого повышения температуры, были проанализированы 20 признаков – параметров волокна, характеризующих его состояние, таблица 2. Для анализа ковариационных зависимостей между анализируемыми признаками в полученной матрице был использован анализ главных компонент – многомерный статистический метод, выявляющий латентные закономерности, выделяющий и ранжирущий факторы, описывающие исследуемые явления и ранжированные факторные нагрузки для каждого изученного признака. Метод часто используется для выявления закономерностей в различных биологических исследованиях [2; 11].

Результаты и обсуждение

Исследования показали, что из группы хлопковых волокон исходного состояния (неэкспонированные), наименее поврежденным было зеленое – коэффициент деструкции К составил 0,09 в сравнении с белым – 0,17 (таблица 2). После 30 суток выдержки во влажной среде зеленое волокно оказалось в равной степени деструктурировано, как и коричневое и белое (0,2, 0,2 и 0,2 соответственно). Через 240 суток экспозиции зеленое волокно было незначительно менее повреждено, чем белое: коэффициент деструкции К составил, соответственно, 1,43 и 1,67. Коричневое волокно оказалось более устойчивым (К=1,06). Различия в биорезистентности хлопкового волокна к микрофлоре можно объяснить различиями в метаболитах окрашенных и белых волокон [8].

Различиями в метаболитном составе зеленого, коричневого и белого волокна можно объяснить и различия в реакции волокна на нагревание до +72 и далее до +312°С. Результирующее изменение массы у неэкспонированного зеленого волокна было минимальным в сравнении с коричневым и белым, соответственно: 36,9 %, 47,2 % и 41,2 %.

 

Таблица 2. Показатели разрушения неэкспонированного, экспонированного хлопкового волокна и изменение его массы после теплового воздействия

 

Биоповреждения	Естественная окраска волокна
	Зеленое		Коричневое		Белое
	Х*	St.Err.	Х	St.Err.	Х	St.Err.
	Не экспонированные волокна
А	8,0	1,8	15,7	1,9	16,3	2,8
В	2,8	1,1	3,3	1,1	2,2	1,6
С	0	0,1	0,13	0,11	0,3	0,1
N	10,8	2,3	19,2	2,4	18,8	3,6
Суммарный К	0,09	0,04	0,15	0,04	0,17	0,07
	Экспонирование 30 суток
А	14,4	1,33	14,4	1,33	15	2,03
В	7,2	1,4	5,6	1,4	4,0	2,1
С	0,01	0,13	0,16	0,13	0,37	0,2
N	21,6	1,3	20,1	1,3	19,4	1,9
Суммарный К	0,2	0,05	0,2	0,05	0,2	0,07
	Экспонирование 240 суток
А	41,8	6,4	33,9	6,37	28	9,72
В	42,9	4,4	31,6	4,4	49,3	6,8
С	1,1	0,6	0,8	0,6	1,5	0,9
N	85,7	8,2	66,2	8,2	78,8	12,5
Суммарный К	1,43	0,16	1,06	0,16	1,67	0,2
	Неэкспонированные
Изменение массы волокна при нагреве до 50-72°С,%	3,1	1,1	4,1	1,1	5,6	1,2
Изменение массы волокна при нагреве до 293-312°С,%	34,3	1,6	43,1	1,6	48,3	1,2
Результирующее изменение массы волокна при нагреве,%	36,9	2,6	47,2	2,6	41,2	1,8
	После 240 суток экспонирования
Изменение массы волокна при нагреве до +293-+312 °С,%	17,2	2,1	36,6	2,1	39,2	2,2
Суммарное изменение массы волокна при нагреве до 293-312°С,%	18,6	3,0	39,1	3,0	43,5	1,8
*Примечания. Х– средние значения, St.Err.– стандартная ошибка, А – начальные разрушения поверхности волокна, В – разрушения на поверхности и внутри волокна, С – глубокая деформация волокна на всех уровнях, N – общее число повреждений, К – показатель деструкции

После 240 суток экспонирования образцов хлопка соотношение в степени трансформации массы волокон между зеленым волокном и остальными группами сохранилось, соответственно: 18,6 %, 39,1% и 43,5%.

Зеленое волокно хлопчатника в минимальной степени отреагировало на нагревание до +312 °С – убыль массы волокна была минимальной.

Следует предположить, что нагревание волокна до +72 °С вызвало эндотермический эффект, сопровождавшийся уменьшением массы хлопка с удалением ранее адсорбированной волокнами влаги. При температурах до +320 °С может происходить изменение теплофизических свойств образцов волокна с трансформациями хлопка по массе. Неэкспонированные волокна имели изменения массы суммарно до 63,9 %, тогда как экспонированные и подвергнутые воздействию микроорганизмов – до 77,0 %. Наибольшее посттермическое уменьшение по массе обнаружено у волокон наиболее подверженных биологическому разрушению спонтанной микрофлорой. Качественные различия в образцах разноокрашенного волокна могут быть объяснены отличиями по составу его метаболитов, которые могут оказывать влияние на ход термофизических процессов и реакции со стороны структуры целлюлозы хлопка. Следует предположить, что термические изменения целлюлозы, как полимера, зависят от сил межмолекулярного взаимодействия и эластичности цепей макромолекул. Чем более упорядочена структура полимера, тем выше термоустойчивость. Самой высокой термостабильностью среди исследованных образцов волокна характеризовались исходные, не экспонированные во влажностно-температурной среде образцы хлопка. Установлено, что при воздействии микроорганизмов термоустойчивость волокна снижалась. Это может свидетельствовать о разрушениях волокна на надмолекулярном и молекулярном уровнях. Можно предположить разориентирование и деструкцию молекулярных цепей в аморфных структурах хлопкового волокна.

 

Таблица 3. Факторные нагрузки признаков состояния неэкспонированного, экспонированного и нагретого хлопкового волокна по трем факторам

 

Показатели волокна	Фактор 1 (39,2%)	Фактор 2 (25,0%)	Фактор 3 (20,3%)
Степени повреждения:	Неэкспонированные
А, х1	0,65	−0,74	0,08
В, х2	−0,54	0,74	0,24
С, х3	−0,78	0,31	−0,51
N, ед.	−0,85	−0,51	0,11
Суммарное повреждение К	−0,84	0,41	−0,34
	Экспонирование 30 суток
А, х1	−0,65	−0,29	0,58
В, х2	0,33	0,77	0,5
С, х3	−0,77	0,4	−0,46
N, ед.	−0,21	0,5	0,71
Суммарное повреждение К	−0,45	0,82	−0,06
	Экспонирование 240 суток
А, х1	0,67	−0,22	−0,68
В, х2	0,08	0,26	0,94
С, х3	−0,31	0,93	0,16
N, ед.	0,92	0,22	0,31
Суммарное повреждение К	−0,17	0,83	0,53
Изменение массы волокна:	Неэкспонированные волокна
при нагреве до +50-72 °С, %	−0,69	−0,38	−0,37
при нагреве до +293-312°С,%	−0,86	−0,17	0,12
Результирующее изменение,%	−0,94	−0,31	−0,11
	После 240 суток экспонирования
Изменение при +293-312°С,%	−0,95	0,13	−0,26
Суммарно при нагревании,%	−0,81	0,2	−0,51

Для выявления принципиальных компонентов изученного в опыте явления – признаков биологической устойчивости хлопкового волокна – был использован факторный анализ. С применением критерия «каменистой осыпи» в исследовании было выделено три условно главных фактора описывающих деструктурированность волокна. Суммарно эти факторы объяснили 84,5 % общей дисперсии изученных признаков состояния волокна (таблица 3).

Фактор 1, описавший 39,2 % общей дисперсии показателей состояния волокна, выделил с наибольшими факторными нагрузками от –0,95 до +0,92 следующие признаки: «изменение массы неэкспонированного волокна при нагреве до 293312 °С, %», «результирующее изменение массы неэкспонированного волокна при нагреве, %» и «общее число повреждений N экспонированного 240 суток волокна». По второму главному фактору (25% дисперсии) был также выделен признак «число глубоких разрушений повреждений всех структур волокна после 240 суток экспонирования». По третьему фактору (20,3 % объясненной дисперсии) был выделен признак «число разрушений как поверхности, так и внутреннего строения волокна после 240 суток». Факторные нагрузки признаков деструктурированности волокна (виды повреждений В и С) и признаки термической деструктурированности волокна имели положительные и отрицательные знаки. Изучение реакции хлопкового волокна на термические стрессы имеет важное значение, поскольку ряд пороков, дефектов и повреждений текстильных изделий на этапах его выработки возникает при операциях опаливания и глажения.

Заключение

Исследованиями установлено, что хлопковое волокно зеленого цвета (сорт Страумал, селекционные линии Рунгрин BrSds и Kuk5) более устойчиво к биодеструкции под воздействием разрушающих микроорганизмов, чем белое. Однако наиболее устойчивым среди изученных образцов оказалось коричневое волокно сортов хлопчатника Кумбазик Марон, Рунгольт и селекционной линии Катипок Бура. Изучение показало, что принципиально важными фактором биологической устойчивости волокна к деструкции бактериями и грибами являются его исходная устойчивость к заселению патогенами и к вызываемой биологической деструкции, которая возникает и формируется при росте и созревании волокна в поле. Факторная нагрузка признаков общего числа повреждений исходного волокна N составила 0,85, а суммарных повреждений К – 0,84. Здесь важно отметить, что факторная нагрузка признака общего числа повреждений N по первому главному фактору длительно выдерживаемого во влажных и теплых условиях волокна оказалась выше – 0,92. Аналогично и по второму и третьему факторам, которые, в свою очередь, выделили признаки повреждения волокна (В и С) при его длительном экспонировании. То есть признак пост-уборочной резистентности волокна к гниению и агрессивным разрушениям со стороны эпифитных грибов и бактерий еще более значим. Из изученного следует вывод, что оценку образцов хлопчатника в селекции на устойчивость к биологической деструкции волокна следует проводить после выдержки хлопка на срок не менее 200 суток при влажных и теплых условиях лаборатории.

Исследования также показали, что при нагревании хлопка до +312 °С исходные волокна имели суммарные изменения массы до 63,9 %, тогда как экспонированные и имеющие следы разрушений микроорганизмами трансформировались по массе сильнее – до 77,0 %. Наибольшее пост-термическое уменьшение массы обнаружено у волокон, максимально подверженных биологическому разрушению. Однако термостойкость хлопкового волокна в значительной мере определяется как его исходной устойчивостью, которая сформировалась в полевых условиях роста волокна у растений сортов хлопчатника, так и устойчивостью к высоким температурам у длительно экспонированного волокна.

Проведенные исследования показали, что волокно различных образцов хлопчатника с разнообразно окрашенным волокном различается по биологической резистентности к гниению в процессе воздействия на него влажности и температур, которые благоприятны росту гнилостной микрофлоры. Селекция сортов и линий хлопчатника с резистентным к микроорганизмам волокном может быть эффективным механизмом в создании экологичного текстиля, который за счет естественных свойств, биохимического состава волокна не поддерживает развитие агрессивных целлюлозаразрушающих бактерий и грибов, снижает уровень микотоксинов в одежде и домашнем текстиле (обивка мебели, занавеси, текстильные обои). Устойчивое к биологическому разрушению волокно более устойчиво к высокотемпературным технологическим операциям отделки (обжиг и глажение), что создает дополнительные возможности в создании инновационно продвинутых экологичных продуктов.

Финансирование. Работа проводилась в соответствии с тематическим планом ВИР № FGEM-2022-0005 «Растительные ресурсы масличных и прядильных культур ВИР как основа теоретических исследований и их практического использования».

About the authors

Ksenia V. Illarionova

Peter the Great Polytechnic University

Author for correspondence.
Email: elkv@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-2563-6094

Ph.D. (Technical Sciences), Associate Professor

Russian Federation, St. Petersburg, str. Polytechnicheskaya 29

Sergey V. Grigoriev

N. I. Vavilov Institute of Plant Genetic Resources (VIR)

Email: elkv@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7670-4360

Ph.D. (Agricultural Sciences), Leading Researcher

Russian Federation, St. Petersburg, str. B.Morskaya 42, 44

References

Supplementary files