X L V I I I K O N F E R E N C J A N AU K O W A
KOMITETU INŻ YNIERII LĄ DOWEJ I WODNEJ PAN
I KOMITETU NAUKI PZITB
Opole – Krynica
2002
Jan KUBIK
1
KINETYKA ZNISZCZEŃ DREWNA PRZEZ
MIKROORGANIZMY
1. Wstęp
Destrukcyjne działanie wilgoci na drewno ma złoż ony fizykochemiczny i biologiczny
charakter. Okazuje się, iż drewno nawet chronione powłokami farb podlega ró wnież
degradacji wywołanej przez mikroorganizmy, a głó wnie grzyby.
Przyjmuje się powszechnie, iż grzyby budowlane rozwijają się szczegó lnie szybko w
sprzyjających warunkach cieplno – wilgotnościowych, a mianowicie:
-
wymogi termiczne optymalne (23
¸
30
o
C) i ekstremalne (3
¸
40
o
C),
-
zawilgocenie drewna 20
¸
40%, mała wymiana powietrza,
-
znaczna wilgotność względna powietrza w otoczeniu drewna
j
> 80%,
-
odpowiedni odczyn środowiska (pH 4
¸
6)
Z uwagi na fakt, iż źró dłem pokarmu grzybó w jest drewno, a głó wnie włó kna celulozy
tam należ y się spodziewać największych ubytkó w masy. Natomiast rozwó j zniszczeń drewna
przebiega najszybciej w ciemnych i niewietrzonych pomieszczeniach. Dokładniejsze dane
odnośnie rozwoju ró ż nych mikroorganizmó w na ró ż nych podłoż ach budowlanych – tynki,
drewno podane są w pracy [8].
W pracy zaprezentowano dyfuzyjny model narastania zniszczeń drewna wywołany
głó wnie grzybami pleśniowymi. Okazuje się, iż narastanie w czasie zniszczeń drewno moż e
być opisane ró wnaniami dyfuzji.
2. Badania eksperymentalne rozwoju zniszczeń
Oceny ilościowej zniszczeń dokonuje się mierząc objętościowy lub wagowy udział stęż eń
części zniszczonych. Z uwagi na złoż oność oddziaływań biologicznych poraż enie zależ eć
będzie od wielu czynnikó w, z któ rych dominujące znaczenie posiadają m.in. stęż enia wilgoci
w otoczeniu, temperatura, pH podłoż a itp.
Badania kinetyki zniszczenia drewna przez grzyby podjęte zostały w latach 70 przez
J. B. Butchera [1, 2], G. Dwyera i J. Levy [3, 6]. Opracowana przez tych badaczy technika
pomiaró w zniszczeń pozwoliła na ilościowe szacowanie rozwoju grzyba. W badaniach
tych zakłada się przeprowadzenie eksperymentu zaró wno w laboratorium na wzorcowych
1
Prof. dr hab. inż ., Wydział Budownictwa Politechniki Opolskiej
130
koloniach mikroorganizmó w, jak i ró wnolegle na pró bkach znajdujących się na powierzchni
gleby. Stwierdzono zgodność ubytkó w masy drewna ze stęż eniem zawartego w nim azotu.
W naturalnych bowiem warunkach poraż one drewno zaró wno iglaste, jak i liściaste zawiera
większą ilość azotu aniż eli zdrowe. Fakt ten posłuż ył jako prosty sposó b oceny
rzeczywistego zakresu poraż enia drewna mikroorganizmami. Badania wykazały ponadto, ż e
w procesie zniszczenia uczestniczą głó wnie grzyby wywołujące miękką zgniliznę. W
każ dym z tych przypadkó w za miarę zniszczenia pośrednio moż na przyjąć zawartość azotu
w drewnie. W efekcie, w poraż onym drewnie bada się ubytki masy oraz zmiany stęż eń azotu
w czasie jako obiektywne mierniki postępu zniszczeń. O kumulacji zniszczeń moż na też
sądzić analizując spadki wytrzymałości drewna. Pomiary wyszczegó lnionych wielkości w
czasie tj. malejącego stęż enia objętościowego zniszczonego drewna c
a
, stęż enia azotu c
N
w
nim zawartego oraz spadku wytrzymałości stanowią podstawę oceny skuteczności
oferowanych na rynku powłok ochronnych do drewna.
Obecnie omó wimy wyniki pomiaró w zniszczeń drewna przez grzyby opublikowane w
1979 r. przez B. Kinga i J. Waite. Badacze ci przedstawili ilo ściowe wyniki zniszczeń przez
grzyby drewna lipowego (1), sosnowego (2) i bukowego (3). Eksperymentalnie badano
ubytki masy i zawartości azotu w trakcie rozwoju grzybó w na pró bkach drewnianych o
wymiarach 10x10x5 mm w odstępach po 1, 2, 3, 6, 9 i 12 tygodniach od chwili poraż enia
grzybami. W badaniach poró wnawczych zagłębiano identyczne pró bki w gruncie, dbając
przy tym o zachowanie wilgotności drewna jak w laboratorium. W każ dym pomiarze
uśredniano wyniki z 6 pró bek. Natomiast kolonie w laboratorium zawierały czyste kultury
następujących mikroorganizmó w: Coriolus versicolor (L.ex Fr.) Que’l, Coniophora puteana
(schum ex Fr.) Karst. u Chaetomium globosum Kunze.
Na kolejnych rysunkach przedstawiono procentowe ubytki masy pró bek oraz
zawartości azotu w funkcji czasu (tygodni).
Rys. 1. Kinetyka zniszczeń drewna
czas (tygodnie)
czas (tygodnie)
6
12
18
3
6
9
ub
yt
ek
m
as
y
(%
)
ub
yt
ek
m
as
y
(%
)
10
20
30
40
50
60
70
10
20
30
40
50
60
70
Badania gruntowe
Badania laboratoryjne
lipa
sosna
buk
lipa
buk
sosna
131
Rys. 2. Całkowita zawartość azotu w pró bkach drewna
+
Rys. 3. Zawartość azotu w drewnie lipy jako wynik rozwoju mikroorganizmó w
podczas badań gruntowych
czas (tygodnie)
czas (tygodnie)
6
12
18
3
6
9
za
w
ar
to
ść
a
zo
tu
(
%
)
0,2
0,4
0,6
0,2
0,4
0,6
Badania gruntowe
Badania laboratoryjne
lipa
sosna
buk
lipa
buk
sosna
czas (tygodnie)
6
12
18
za
w
ar
to
ść
a
zo
tu
(
%
)
0,2
0,4
1
2
3
1 – całkowita zawartość azotu
2 – ilość azotu wytworzonego
przez mikroorganizmy
3 – zawartość azotu w tkance
drewna
132
Rys. 4. Ilość azotu w drewnie skumulowana w wyniku biosyntezy mikroorganizmó w
Rys. 5. Biomasa mikroorganizmó w w pró bkach drewna
czas (tygodnie)
czas (tygodnie)
6
12
18
3
6
9
za
w
ar
to
ść
a
zo
tu
(
%
)
za
w
ar
to
ść
a
zo
tu
(
%
)
0,2
0,4
0,2
Badania gruntowe
Badania laboratoryjne
lipa
sosna
buk
lipa
sosna
buk
czas (tygodnie)
czas (tygodnie)
6
12
18
3
6
9
bi
om
as
a
(m
g)
bi
om
as
a
(m
g)
10
20
30
40
10
20
Badania laboratoryjne
lipa
sosna
buk
lipa
buk
sosna
Badania gruntowe
133
Rys. 6. Sucha masa pró bek drewna poraż onego mikroorganizmami
3. Kinetyka zniszczeń
Wymiary pró bek biorących udział w eksperymencie sugerują, iż oceniane były
zniszczenia powierzchniowe zawilgoconego drewna, przy zachowaniu łatwego dostępu
powietrza do pró bki.
Z charakteru rozwoju zniszczeń przedstawionych na wykresach wnosimy iż zawsze w
nim moż na wydzielić trzy kolejne fazy rozwoju, a mianowicie:
1. nukleacji zniszczeń na samym początku procesu, kiedy to proces powoli rozwija się na
powierzchni pró bki,
2. pełnego rozwoju zniszczeń związany z nieograniczonym rozrostem grzybó w,
3. spowolnionego rozwoju, któ ry odpowiada pojawianiu się ograniczeń na swobodny
rozrost grzybó w.
Wymienione fazy występują na ogó ł we wszystkich wykresach zawartości azotu w
drewnie i ubytkó w jego masy.
Podane na rysunkach 1
¸
6 wykresy moż na analitycznie opisać ró wnaniami postaci
( )
2
]
[
3
,
2
,
1
/
1
/
1
0
0
=
=
=
-
=
-
-
n
tydzień
A
t
t
A
c
c
n
n
a
a
a
(1)
gdzie
a
0
c
jest początkową wartością stęż enia objętościowego zniszczonego drewna c
a
, t
0
–
pierwszym okresem nukleacji zniszczeń a
a
= 1 oznacza lipę,
a
= 2 – sosnę a
a
= 3 – buk.
Wartości liczbowe stałych A, c
0
, t
0
występujących w ró wnaniu (3.1) opisującym ubytki
masy drewna w naturze/laboratorium wynoszą:
rodzaj
drewna
A
c
0
t
0
lipa
15,3/11
0/0
0/0
sosna
5,78/7
5/0
6/0
buk
15,5/11
0/0
3/0
Z charakteru narastania poraż eń drewna w czasie
( )
t
a
wnosimy, iż postęp destrukcji
rozwija się według analogicznych zależ ności jak zasięg wnikania masy według ró wnania
dyfuzji. Wnosimy stąd, ż e proces destrukcji drewna przez mikroorganizmy moż e być
opisany ró wnaniami typu dyfuzyjnego.
czas (tygodnie)
czas (tygodnie)
6
12
18
3
6
9
m
as
a
ca
łk
ow
it
a
(%
)
m
as
a
(%
)
10
20
30
10
20
Badania laboratoryjne
lipa
sosna
buk
lipa
buk
sosna
Badania gruntowe
134
Dyfuzyjny opis procesu zniszczeń rozpoczniemy od przyjęcia, iż w każ dym punkcie
zaatakowanego powierzchniowo drewna występują trzy składniki a mianowicie:
-
mikroorganizm o stęż eniu objętościowym c
a
,
-
drewno o stęż eniu objętościowym c
0
,
-
produkty zniszczeń o stęż eniu c
d
.
Przyjęty model procesu uwzględnia prosty fakt, iż w wyniku agresji mikroorganizmó w
na włó kna celulozy powstają produkty – czyli zniszczone warstwy drewna.
W warstwy drewna wnika grzyb stąd też ró wnania parcjalnych bilansó w stęż eń mają
postać
0
>
=
+
a
a
a
R
div
dt
dc
j
- wnikający do drewna mikroorganizm
0
0
0
<
=
R
dt
dc
- ubytki drewna
(2)
0
>
=
d
d
R
dt
dc
- produkty zniszczeń (zgnilizna)
Spełnienie zasady zachowania masy
0
0
=
+
+
a
R
R
R
d
®
(
)
a
R
R
R
d
+
=
0
prowadzi do
ró wnania transportu postaci
0
)
(
0
=
+
+
+
a
a
j
div
c
c
c
dt
d
d
lub
a
a
j
div
dt
dc
b
a
-
=
+
+
)
1
(
(3)
Ubytki drewna i produkty zniszczeń są uzależ nione od ilości wnikających w strukturę
drewna mikroorganizmó w. W najprostszym przypadku założ ymy proporcjonalność między
stęż eniami wnikających mikroorganizmó w c
a
a stęż eniami ubytkó w drewna c
0
= ac
a
oraz
stęż eniami zniszczeń c
d
= bc
a
. Wspó łczynniki bezwymiarowe a i b określają wspó łzależ ność
między ilością mikroorganizmó w a zniszczeniami drewna.
Ró wnanie fizyczne określające strumień wnikających mikroorganizmó w ma postać
a
a
a
c
grad
D
-
=
j
lub
a
a
a
c
grad
D
b
a
o
1
)
1
(
-
+
+
-
=
j
(4)
gdzie
a
0
D
- jest wspó łczynnikiem dyfuzji mikroorganizmu do drewna bez wywoływania
zniszczeń.
Ró wnanie opisujące wnikanie (dyfuzję) mikroorganizmó w po uwzględnieniu ró wnania
tworzącego (4) przyjmie ostateczną formę
a
a
a
c
D
b
a
dt
dc
2
0
1
)
1
(
Ñ
+
+
=
-
(5)
W przypadku jednowymiarowym zachodzi
2
2
x
c
D
t
c
¶
¶
=
¶
¶
a
a
a
(5’)
135
Całka tego ró wnania dla pó łprzestrzeni oraz warunku brzegowego
a
a
c
x
c
=
=
)
0
(
odpowiadającemu stęż eniu grzyba na powierzchni przy
0
)
0
(
a
a
c
t
c
=
=
ma postać
÷
÷
ø
ö
ç
ç
è
æ
-
=
-
-
t
D
x
erf
c
c
c
c
a
a
a
a
a
2
1
/
0
0
(6)
Własności otrzymanej całki a w tym rozprzestrzenianie się zniszczeń drewna
proporcjonalnie do
t
uzasadniają słuszność zastosowania dyfuzyjnego modelu do opisu
zniszczeń drewna zaatakowanego grzybami.
Z wzoru (3.6) dla danych wartości stęż eń oraz postępu zniszczeń x moż na oszacować
wartość wspó łczynnika wnikania (dyfuzji) drobnoustrojó w w drewno D
a
. Znajomość zaś tej
wielkości pozwala prognozować kinetykę zniszczeń drewna atakowanego przez grzyby
pleśniowe. Wartości tych wspó łczynnikó w oszacujemy obecnie na podstawie
eksperymentó w podanych w pracy dla drewna sosnowego, buku i lipy. Podstawą będą tutaj
ubytki masy podane na rys. 2.1.
¸
2.6.oraz całka ró wnania dyfuzji (3.6) określająca zasięg
zniszczenia zaatakowanego drewna.
Przyjmując wyjściową objętość pró bki ró wną 0,5 cm
3
obliczymy średni ubytek masy
drewna x(t) jako ró wny ubytkowi objętości pró bki podzielonemu przez powierzchnię pró bki
(F = 4 cm
2
).
Na początku procesu zniszczenia stęż enie mikroorganizmó w przyjmujemy jako ró wne
zeru, natomiast stęż enie na brzegu pró bki przyjmiemy jako średnią z badań laboratoryjnych
– prowadzonych w kontrolowanych warunkach cieplno-wilgotnościowych.
W wyniku poczynionych przyjęć wyliczony z całki (3.6) wspó łczynnik dyfuzji
wnikających mikroorganizmó w wynosi:
- buk
08
,
0
=
a
D
cm
2
/tydzień
- sosna
06
,
0
=
a
D
cm
2
/tydzień
- lipa
11
,
0
=
a
D
cm
2
/tydzień
4. Wnioski
1. Wyniki eksperymentalne pomiaró w ubytkó w masy drewna zaatakowanego grzybami
pleśniowymi dowodzą, iż istnieje moż liwość dyfuzyjnego opisu tego procesu. Szybkość
narastających zniszczeń określa wó wczas wspó łczynnik dyfuzji D stąd też jego
oszacowanie jest zasadniczym celem opracowania.
2. Pełniejsze ujęcie procesu a w tym wpływu zmian temperatury i wilgoci na rozwó j
drobnoustrojó w niszczących drewno wymaga zastosowania metod termodynamiki
układó w otwartych do opisu procesó w destrukcji biologicznej drewna.
Literatura
[1] BUTCHER J. A., Techniques for the analysis of fungal flora in wood, Mat. u. Org., 6,
1971, s. 209 – 232
[2] BUTCHER J. A., Analysis of the fungal population in wood, Proc. 2
nd
Int. Biodetn.
Symp., Applied Science Publishers, London 1972, s. 319 – 325.
136
[3] DWYER G., LEVY J. F., The colonisation of wood by microorganisms: an objective
approach, Mat. u.Org., 11, 1976, s. 13 – 20.
[4] FARYNIAK L., WIŚNIEWSKI J., Ochrona budowli, Politechnika Wrocławska (skrypt),
Wrocław 1976.
[5] GERTIS K., ERHORN H., REIß J., Klimawirkungen und Schimmelpilzbildung bei
sanierten Gebäuden, Proceedings Bauphysik - Kongreß in Berlin, 1999, s. 241-253.
[6] KING B., WAITE J., Translocation of nitrogen to wood by fungi, Int. Biodeterior. Bull.,
15, 1979.
[7] KUBIK J., ŚWIRSKA J., WYRWAŁ J., Popowodziowe zawilgocenie budowli, Studia
i Monografie, z. 107, Pol. Opolska, Opole 1999.
[8] SEDLBAUER K., Vorhersage von Schimmelpilzbildung auf und in Bauteilen ,
Dissertation. Lehrstuhl fü r Bauphysik, Univ. Stuttgart 2001.
[9] И ВАНОВ Ф . М ., Г ОР Ш И Н С. Н., Био п о вре ж де ния в ст ро ит е льст ве , Стройиздат,
М осква 1984.
THE KINETICS OF WOOD DAMAGE CAUSED
BY MICROORGANISMS
Summary
The diffusion and biochemical properties of fungi as fundamental reasons of environmental
contamination by this organisms was characterised. Because of their enzymatic activity
moulds are playing a very significant role in biological destruction of organic material.