Цель исследования: изучить особенности процесса биодеградации синтетической и хлопчатобумажной ткани в различных видах почвы в заданных температурных условиях.

Задачи исследования:

1. Изучить процесс биодеградации хлопчатобумажной ткани в различных видах почвы и при разных температурных режимах
2. Изучить процесс биодеградации синтетической ткани в различных видах почвы и при разных температурных режимах
3. Дать сравнительную оценку биодеградации хлопчатобумажной и синтетической ткани

Материалы и методы

Использовались лоскуты хлопчатобумажной и полипропиленовой ткани размером 9,5 х 4 см.

Фрагменты ткани закапывались в горшки объемом 7 л с садовой землей, лесной землей, суглинком и песком, в т. ч. обогащенными культурами почвенных микроорганизмов. Для обогащения почвы использовались фирменные микробиологические препараты:

1. Байкал ЭМ-1 — комплекс микроорганизмов, повышающих плодородие почвы. В состав входят бактерии (молочнокислые, фотосинтезирующие, азотфиксирующие) и дрожжи.

2. ТаМирЭм — комплекс микроорганизмов с усиленной способностью к переработке и ферментации органических отходов. Содержит бактерии (молочнокислые, фотосинтезирующие, азотфиксирующие, целлюлозоразрушающие) и одноклеточные грибы.

Горшки хранились в открытом виде в природных условиях со среднесуточной температурой 17 градусов С. Лоскуты в горшках с землей также были размещены в теплицу со среднесуточной температурой 27 градусов С. Увлажнение субстрата в теплице проводилось в соответствии с природными осадками.

Образцы ткани выкапывались из субстрата через 1 и 2 недели, через 1,2 и 3 месяца. Проводилась макроскопическая и микроскопическая оценка образцов с 50-кратным увеличением.

Макроскопически целые образцы подвергались оценке прочности на разрыв ткани с использованием цифрового безмена. В лоскуте на расстоянии 2 см от одного из краев делалось отверстие диаметром 4 мм и цеплялось за крюк толщиной 4 мм. Производилась видеорегистрация показаний безмена в момент разрыва ткани.

Результаты исследования:

Исследован процесс биоразложения хлопчатобумажной ткани в садовой земле. При макроскопической оценке отмечаются последовательное разволокнение, фрагментация и разрушение ткани на маленькие фрагменты за 1 месяц эксперимента. Итоговый размер определяющихся фрагментов 1,5 х 0,5 см.

При микроскопической оценке отмечается постепенное изменение структуры волокон и разрушение ткани: набухание и «пушистость» волокон с сохраненной структурой образца через 1 неделю, потеря и истончение волокон, повышенная пористость через 2 недели, дальнейшее истончение волокон, разрушение структуры ткани через 1 месяц исследования.

При исследовании процесса биоразложения хлопчатобумажной ткани в садовой земле в условиях теплицы, выявлены аналогичные процессы, происходящие с большей скоростью.

Исследование процесса биоразложения хлопчатобумажной ткани в лесной земле. Макроскопически видимые изменения структуры х/б ткани из лесной земли появились через 1 месяц от начала эксперимента.

К 2 месяцу единичные оставшийся фрагмент ткани уменьшился до

неровной полосы размером 1 х 5 см. При микроскопической оценке отмечается постепенное изменение структуры волокон и разрушение ткани также к 2 месяцу эксперимента.

Макроскопически едва заметные изменения структуры х/б ткани из суглинка появились через 1 месяц от начала эксперимента. К 2 месяцу единичные оставшийся фрагмент ткани уменьшился до многоугольника с рваными краями размером 4 х 5 см. При микроскопической оценке отмечается замедленное изменение структуры волокон (до 2 недели эксперимента) и частичное разрушение ткани к 2 месяцу эксперимента.

Макроскопически заметные изменения структуры х/б ткани из песка появились через 2 месяц от начала эксперимента. Значимого изменения размера образца не было. К 3 месяцам эксперимента фрагменты ткани уже не определялись. При микроскопической оценке отмечается замедленное изменение структуры волокон (до 1 месяца эксперимента) и частичное разрушение ткани к 2 месяцам эксперимента

Исследование биоразложения хлопчатобумажной ткани в садовой земле с привнесенными почвенными микроорганизмами, повышающими плодородие почвы. При макроскопической оценке отмечаются минимальные изменения ткани за 1 месяц эксперимента. Итоговый размер определяющихся фрагментов не изменился по сравнению с исходным. При микроскопической оценке отмечается крайне медленное изменение структуры волокон, сопоставимое с изменениями х/б ткани в садовой земле за 1 неделю

Исследование биоразложения хлопчатобумажной ткани в садовой земле с привнесенными почвенными микроорганизмами, ускоряющими переработку органических веществ. При макроскопической оценке отмечаются изменения ткани за 1 месяц эксперимента сходные с действием на ткань садовой земли. Размер конечного фрагмента 1 х 4 см.

При микроскопической оценке изменения структуры волокон, аналогичны изменениям х/б ткани в садовой земле и соответствуют по срокам

Исследование биотрансформации хлопчатобумажной ткани в песке с привнесенными почвенными микроорганизмами, повышающими плодородие почвы. При исследовании образцов в указанные сроки, значимых макроскопических изменений не выявлено. Микроскопические изменения также минимальные.

Биоразложение синтетической ткани (полипропилен) в различных субстратах исследовалось через 3 месяца от начала эксперимента. Макроскопических и микроскопических изменений образцов выявлено не было.

Произведена приблизительная оценка площади исследуемых фрагментов, которые условно принимались за прямоугольник.

Изменение площади ткани в разных субстратах с течением времени (см ² )

Наиболее быстрое уменьшение размеров образцов наблюдалось в садовой земле в условиях теплицы, в садовой земле в естественных условиях и в садовой земле с привнесенными микроорганизмами для переработки органических веществ. Образцы синтетический ткани в течение 3 месяцев в размерах не менялись.

Исследование прочностных характеристик ткани

Максимальный прилагаемый вес для разрыва исходной х/б ткани составлял 1,2 кг.

Через 1 неделю исследования, макроскопически сохранные образцы во всех субстратах полностью утратили механическую прочность. Вес для разрыва ткани зафиксировать не удалось.

Прилагаемый вес для разрыва исходной синтетической ткани составлял 4,0 кг. К 3 месяцу исследования, несмотря на отсутствие микро- и макроскопических изменений, прочность образцов снизилась.

Изменение прочности синтетической ткани в разных субстратах с течением времени

Выводы:

1. Процесс биодеградации хлопчатобумажной ткани характеризуется последовательными макроскопическими изменениями в виде разволокнения и фрагментации ткани. На микроскопическом уровне определяются последовательные изменения структуры в виде набухания и «пушистости» волокон, затем их истончения и повышенной пористости ткани с последующим разрушением структуры ткани. Прочность ткани также прогрессивно снижается с течением времени.
2. Процесс биодеградации хлопчатобумажной ткани протекает быстрее в садовой земле и при повышенной среднесуточной температуре. По мере уменьшения содержания органических веществ в субстрате, скорость микро- и макроскопических изменений ткани снижается.
3. Привнесенные извне в субстрат почвенные микроорганизмы, повышающие плодородие почвы, значительно замедляют процесс биодеградации хлопчатобумажной ткани, по всей видимости, за счет конкурентных отношений с природными почвенными микроорганизмами. Добавление биокультуры почвенных микроорганизмов, перерабатывающих органические отходы, замедляло процесс биодеградации хлопчатобумажной ткани в меньшей степени.
4. Синтетическая ткань (полипропилен) не подвергается визуальному биоразложению в течение исследуемого периода времени. При макро- и микроскопической оценке образцов ткани в разных субстратах, изменений выявлено не было. Однако, отмечалось снижение прочности ткани, наиболее выраженное в субстратах, богатых органическими веществами.

Практическое применение

Применение натуральных биоразлагаемых материалов является предпочтительным, в т. ч. для производства упаковки, посуды и т. п., и позволит предотвратить долговременное загрязнение окружающей среды.

Литература:

1. Богданов К. И., Костина Н. В., Плакунов В. К., Журина М. В. Влияние гуминовых кислот на формирование биопленок на поверхности полиэтилена и его биодеградацию почвенными бактериями // Почвоведение, № 4, 2022. — С. 469–481.
2. Поляк Ю. М., Сухаревич В. И. Почвенные ферменты и загрязнение почв: биоразложение, биоремедиация, биоиндикация // Агрохимия, № 3, 2020. — С. 83–93.
3. Турковская О. В., Позднякова Н. Н., Муратова А. Ю., Дубровская Е. В., Голубев С. Н. Деградационный потенциал растений и микроорганизмов в отношении полициклических ароматических углеводородов // Биомика, Т.10 (2): 2018. — С. 193–201.