Účinek nových nátěrů na dřevo s fungicidními vlastnostmi na bázi nanočástic a nové směry vývoje

Úvod

Dřevomorka domácí (Serpula lacrymans (Wulfen) P. Karst.) je v interiérech nejčastěji se vyskytující basidiomycet ve střední Evropě [1]. Skládá se přibližně z 90 % vody a z 10 % sušiny. Aby tato sušina mohla být syntetizována, musí být houba schopna zajistit asimilaci látek, které slouží jako její prekurzory. S. lacrymans, jakožto saprotrofní houba hnědé hniloby (brown rot – BR), využívá jako zdroj organického uhlíku, dusíku a energie, kterou získává z polysacharidů obsažených ve dřevní hmotě. Nejvýznamnější fází z hlediska degradace dřevní hmoty je fáze tvorby a funkce mycelia. S. lacrymans je specifická svou schopností rychle kolonizovat substrát díky rozsáhlému myceliu a zároveň také díky silnému enzymatickému aparátu, který jí napomáhá při rozkladu polysacharidů (celulóz a hemicelulóz) přítomných ve dřevní hmotě [2].

Výzkumy z poslední doby dokazuji, že její mycelium je velice dynamická struktura, která dokáže pohotově reagovat na lokální deficit živin a do místa zvýšené enzymatické činnosti potřebné látky aktivně transportovat [3]. Z pohledu ekonomických ztrát a destruktivního potenciálu je to jedna z nejvýznamnějších hub vůbec. S. lacrymans je schopna rychle kolonizovat a následně efektivně štěpit substrát díky masivnímu šíření mycelia. Každoročně způsobí významné ekonomické ztráty po celém světě. Zatím nebylo zjištěno, jaký faktor je konkrétně zodpovědný za to, že S. lacrymans je pro lidské stavby nebezpečnější než ostatní jí příbuzné druhy nacházející se ve volné přírodě. Vlastnost, která se nabízí, je schopnost přežít i delší dobu bez kontinuálního přisunu živin a vody. Vodu je navíc S. lacrymans schopna, společně s dalšími živinami, transportovat na velké vzdálenosti. Zejména z důvodu síly destrukce konstrukcí objektů je S. lacrymans stále diskutované téma. Uvedený příspěvek si klade za cíl seznámit s dílčími výsledky projektu [4], který řeší inaktivaci S. lacrymans pomocí různých forem záření a nově vyvinutého fungicidu na bázi nanomateriálů. Nový fungicid je chráněn patentem.

Materiál a metodika

Pro ověření účinnosti vybraných forem energie byly vyrobeny speciální modely zhotovené ze smrkového dřeva (Picea abies). Modely byly vyrobeny zvlášť pro zatížení sálavým teplem a zvlášť pro vystavení mikrovlnnému záření. Rozměry obou typů modelů byly totožné: 195 × 215 mm, šířka 270 mm (obr. 1). Pro samotnou expozici byly vybrány modely, které nevykazovaly žádné známky biotického napadení. Každý z modelů byl podélně rozříznut v hloubce 80 mm a do vzniklé plochy byly napříč modelu vyfrézovány drážky, tak aby do nich mohla být vložena tělíska infikovaná vybranou dřevokaznou houbou. Modely vystavené sálavému teplu měly vyfrézovány dvě drážky, modely určené pro zatížení mikrovlnnou energií měly drážky tři (obr. 2).

Obr. 1a, b, c: Dokumentace modelů ze smrkového dřeva pro exponování mikrovlnným zářením (Thermo Sanace s.r.o.)

Obr. 2a, b: Schematické znázornění modelů a drážek pro umístění nainfikovaných tělísek pro oba způsoby ohřevu (Thermo Sanace s.r.o.)

Tělíska o rozměru 15 × 15 × 15 mm byla houbou nainfikována v laboratoři Mikrobiologického ústavu AV ČR, v. v. i., kulturou Dřevomorky domácí (Serpula lacrymans) CCBAS 263 po dobu tří měsíců, ve tmě a při teplotě 24 °C. Tloušťka vrchní vrstvy modelů 80 mm byla zvolena s ohledem na rozměry modelů a také s ohledem na délku vlny mikrovlnného záření, která je 12,5 cm, což vzhledem k obsahu vlhkosti a výskytu biotických činitelů v těchto hloubkách teoreticky zaručovalo dostatečnou intenzitu pro likvidaci dřevokazné houby. Tělíska po kultivaci byla měřena ve svých příčných rozměrech a vážena s přesností 0,001 g pomocí digitální váhy Precisa XB620M. Následně byla tělíska vložena do modelů a podle jednotlivých způsobů ohřevu exponována. Po expozici byly vzorky ihned váženy, zkoumány byly také změny struktury dřeva pomocí digitálního vysokorychlostního mikroskopu Keyence VHX 5000. Doplňkově byla měřena vlhkost modelů před ohřevem a po ohřevu pomocí dielektrického vlhkoměru Meterlink M0297 (obr. 3).

Obr. 3a, b: Ukázka měření mikroskopické struktury dřeva na digitálním mikroskopu Keyence VHX 5000 a měření vlhkosti dielektrickým vlhkoměrem Meterlink M0297 (Thermo Sanace s.r.o.)

Pro každý způsob tepelného zatížení byly vytvořeny 4 soubory vzorků (tzv. sady). Pro sálavé teplo bylo v sadě vždy 18 ks nainfikovaných tělísek (celkem tedy 72 ks), pro mikrovlnné záření bylo v sadě 27 ks (celkem 108 ks). Dvě sady z každého tepelného zatížení byly natírány před zatížením modifikovanými nanočásticemi selenu (chemicky značeno SeNP) a dvě sady tělísek byly do nanočástic SeNP máčeny po tepelném zatížení. Uvedené modifikované nanočástice byly připravovány na pracovišti Ústavu mikroelektroniky, Fakulty elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně. Nanočástice selenu byly syntetizovány mokrou chemickou metodou – chemickou redukcí, syntéza byla založena na kyselině selenové jako prekurzoru a chitosanu jako redukčního a stabilizačního činidla.

Nanočástice selenu

Selen patří k velmi účinným látkám, které jsou schopné zajistit inhibici růstu nežádoucích mikroorganismů, jako jsou bakterie či kvasinky. Nanočástice selenu se ukázaly jako vhodnou alternativou pro vývoj antimikrobiálních látek, zejména v humánní a veterinární medicíně, ať už jako součást preparátů k hojení a dezinfekci poranění, ale i jako povrchová úprava medicínských nástrojů. Kromě výše zmíněných vynikajících výsledků z pohledu antimikrobiální aktivity je také výhodou estetický aspekt, a to barevnost koloidního roztoku selenu: oproti nanočásticím stříbra, které jsou černé, mají nanočástice selenu oranžovou barvu. Nanočástice selenu (obr. 4) o velikosti v rozmezí 30 až 60 nm, opatřené na povrchu organickou slupkou, k jejímuž vytvoření byl použit L-cystein, polyvinylpyrolidon, popřípadě další látky, byly modifikovány tak, aby měly inhibiční účinek na dřevokazné houby. Účinek selenu je patrný na mikroskopickém snímku (obr. 5, vzorek B a D), kde je patrná celistvost struktury dřeva ošetřeného vrstvou nanočástic selenu, na rozdíl od vzorků bez ošetření (vzorky A, C). Na nich je patrná kolonizace hyfovými vlákny skrze kapiláry dřeva, která způsobuje destrukci dřevní hmoty. Nově vzniklý preparát a jeho výsledky jsou patentově chráněny.

Obr. 4a, b: Se nanočástice z elektronového mikroskopu (STEM) SeNP ve dvou různých zobrazovacích polích: A) 2,07 μm; a B) 1,04 μm. Průměrná velikost částic SeNP je ≈ 45 nm (VUT Brno)

Obr. 5: Snímky struktury smrkového dřeva z rastrovacího elektronového mikroskopu, kde vzorky A a C jsou kontrolní bez ošetření. Vzorky B a D jsou ošetřeny nanočásticemi selenu a kultivovány houbou (VUT Brno)

Parametry expozice – horký vzduch

Sterilizační teplota jako parametr při ohřevu horkým vzduchem byla zvolena 55 °C a byla měřena v geometrickém středu modelů. Modely byly uloženy do horkovzdušné trouby s cirkulací vzduchu a byly vystaveny teplotě okolního prostředí 100 °C (obr. 6). Dosažená teplota (55 °C) v geometrickém středu všech modelů byla měřena pomocí termoelektrického snímače, který byl napojen na PC pro přímý odečet teplot. Při dosažení sterilizační teploty byla ještě teplota v troubě udržována po dobu 60 minut.

Obr. 6: Dokumentace ohřevu modelů horkým vzduchem a detail tělísek po ohřevu (Thermo Sanace s.r.o.)

Parametry expozice – mikrovlnné záření

Při aplikaci mikrovlnného ohřevu pro experiment bylo využito mobilního zařízení se zdrojem mikrovlnné energie a aplikátorem s magnetronem. Zdroj obsahuje transformátor pro napájení katody a anody magnetronu, řídicí obvody pro regulaci vysokofrekvenčního výkonu mikrovlnného systému, spínače a řídicí prvky. Aplikátor využíval pro usměrnění toku energie anténu s pyramidálním tvarem o vnitřních rozměrech 170 × 170 mm (obr. 7). Expozice byla cyklická, skládající se z doby ohřevu a doby relaxace, tedy doby, kdy bylo zařízení vypnuto a struktura dřeva i infikované vzorky měly prostor přeměnit vodu v páru a difundovat ji do okolního prostředí. Expozice byla zvolena 5 minut ohřev, 2 minuty relaxace a 5 minut ohřev jako jeden cykl.

Obr. 7: Dokumentace ohřevu mikrovlnnou energií a detail tělísek po ozáření (Thermo Sanace s.r.o.)

Výsledky a diskuse

Na obr. 8 je uveden graf průběhů teplot z termoelektrických snímačů. Uvedeny jsou hodnoty pro všechny vzorky ve všech sadách, spolu s teplotami vzduchu. Z grafu je patrné, že při zatížení sálavým teplem se jako první ohřály vzorky v sadě č. 2 a 4, a to ve 125. minutě, pak č. 3 ve 148. minutě a jako poslední dosáhla dané teploty sada se vzorky č. 1 ve 170. minutě. Přibližně tedy za 4 hodiny byl uvedený průřez, který simuloval reálný stavební prvek dřeva v konstrukci, ohřátý na sterilizační teplotu 55 °C. Na obr. 9 je zobrazen krabicový graf znázorňující hmotnostní úbytky vzorků při zatížení teplem. V tabulce 1 je uvedena popisná statistika.

Obr. 8: Grafické znázornění průběhů teplot při ohřívání vzorků sálavým teplem

Obr. 9: Krabicový graf znázorňující hmotnostní úbytky při zatížení vzorků teplem

Podle výsledků mortality (obr. 10), kterou provedl Mikrobiologický ústav AV ČR, v. v. i., na sadě č. 2 byla 100% mortalita, tedy z celkového počtu 18 infikovaných vzorků byla činnost dřevokazné houby prokazatelně zastavena u všech. Uvedená tělíska byla zatížena sálavým teplem a po ohřevu máčena po dobu 10–15 s do nanočástic SeNP. Synergický efekt sálavého tepla (snížení vlhkosti) a nanočástic v této posloupnosti tedy vedl k inaktivaci S. lacrymans. Ze sady č. 1 z celkového počtu 18 vzorků vykazovaly znaky růstu S. lacrymans 4 vzorky, mortalita 77,78 %. U sady č. 4 byla rovněž zjištěna vysoká mortalita dřevokazné houby, u 88,89 % vzorků. U této sady byly vzorky ošetřeny filmem z nanočástic před samotným zatížením teplem. Sada č. 3 vykazovala nejnižší hodnoty mortality, a to 61,11 %. Vzorky sice rostly pomalu, ale ve velkém počtu. Uvedené výsledky je možné přisuzovat aplikaci nanočástic selenu SeNP (pouze z jedné strany vzorku).

Obr. 10: Zobrazení mortality nainfikovaných vzorků v jednotlivých sadách

Při aplikaci mikrovlnného ohřevu ve zvolených časech expozice nebylo možné díky skutečnosti, že jsou mikrovlnné technologie bezkontaktní, měřit teploty v geometrických středech prvků. I při pokusech o získání těchto dat nebylo možné je interpretovat. Uvedený čas expozice vycházel z reálných způsobů sanace. Na obr. 11 jsou zobrazeny úbytky hmotnosti v jednotlivých sadách včetně popisné statistiky uvedené v tabulce 2. Na obr. 12 je graficky znázorněna mortalita nainfikovaných vzorků v sadách a na obr. 13 je zobrazen detail mikroskopické struktury vzorků po ohřevu.

Obr. 11: Krabicový graf znázorňující hmotnostní úbytky při zatížení mikrovlnným zářením

Obr. 12: Zobrazení mortality nainfikovaných vzorků v jednotlivých sadách

Při exponování vzorků mikrovlnnému záření byl dodržen stejný postup nanášení nanočástic jako u prvního způsobu zatížení. Tedy sady č. 1 a 2 byly ošetřeny fungicidem až po ozáření a sady č. 3 a č. 4 byly ošetřeny před ozářením. Z výsledků je zřejmé, že ze sady č. 1 z celkového počtu 27 vzorků dosahovalo viditelného růstu 5 vzorků (mortalita 81,48 %). Některé vzorky ze sady č. 2 byly znehodnoceny přehřevem mikrovlnného pole a spálením povrchu.. Stav struktury dřeva po ohřevu je zobrazen na obr. 13. Z celkového počtu 21 vzorků byla mortalita 90,48 %. Dřevokazná houba na vzorku č. 34 rostla, ale daleko lépe než na vzorku č. 43 a vykazovala veškeré morfologické znaky S. lacrymans již po pár týdnech růstu. U sady č. 3 z celkového počtu 21 vzorků přežila houba na 4 vzorcích (mortalita 80,95 %). U sady č. 4 bylo hodnoceno celkově 15 tělísek a z toho 3 tělíska vykazovala růst (mortalita 80 %). Z výsledků mortality je možné konstatovat, že nezáleží na pořadí aplikace nanočástic selenu SeNP a ozařování. Mortalita je v obou případech podobná. Sada č. 2 dosáhla nejvyšších hodnot mortality. Houby na všech vzorcích (vyjma vzorku č. 34) rostly pomalu. Houba na vzorku č. 34 rostla v normálním čase a vykazovala všechny morfologické znaky již po pár týdnech růstu. Co způsobilo tuto odchylku, není zřejmé, možná šlo o špatně provedený nátěr SeNP či vzorek díky nehomogennímu poli mikrovlnného záření nebyl exponován plnou dávkou mikrovlnného záření.

Obr. 13: Detail mikroskopické struktury vzorků po ohřevu. Vlevo nahoře detail podélného řezu a dole příčného řezu vzorku ošetřeného horkým vzduchem. Vpravo detail struktury po ohřevu mikrovlnným zářením.

Závěr

Z výsledků dílčího experimentu je možné usuzovat, že kombinace horkého vzduchu a nanočástic selenu SeNP může být účinným způsobem vedoucím ke zpomalení růstu a případné inaktivaci S. lacrymans. V sadě č. 2 z prvního experimentu byla dosažena mortalita až u 100 % infikovaných vzorků. Srovnání mortality hub bylo obdobné u obou způsobů ohřevu. I u mikrovlnného ohřevu bylo dosaženo nejvyšší mortality u sady č. 2. Je však pravdou, že díky vysoké nehomogenitě mikrovlnného pole bylo mnoho vzorků znehodnoceno včetně povrchu modelů. Také byla patrná fluktuace výkonu generátorů. Jeví se jako účinné při aplikaci mikrovlnného záření dodržovat určitou vzdálenost mezi směrovou anténou a povrchem vzorků, ovšem na úkor intenzity samotného pole. Nově vyvinutý fungicid na bázi nanočástic selenu vykazuje dostatečné inhibiční účinky a může se doplňovat se zvolenými sanačními postupy nebo se stát zcela novým preparátem. Využití selenových nanočástic jako antifungálního přípravku proti perzistentním dřevokazným houbám, jako je například houba hnědé hniloby Dřevomorka domácí (Serpula lacrymans) je inovativním řešením, které nebylo publikováno v žádné odborné literatuře ani v patentových databázích. Výhodou takového řešení je rovněž barevnost roztoku selenových nanočástic, která nebude negativně ovlivňovat barevnost dřevěných konstrukcí. Otázkou zůstává aplikace v reálných podmínkách a stanovení rozsahu použití. Zatím se jeví jako vhodné preparát využít jako sanační prostředek lokálního charakteru. Neméně důležitou otázkou je likvidace látky v případě produktové výroby a další otázky samotného technologického postupu výroby.

Poděkování

Výsledky uvedené v článku byly získány v rámci řešení projektu GAČR 17-05497S, vzniklý fungicid a kompletní výsledky jsou patentově chráněny.

Původní verze článku byla otištěna ve Zpravodaji Společnosti pro technologie ochrany památek STOP 1/2020. Pro portál TZB-info upravena s respektováním návrhů recenzenta.

Použité zdroje

1. Schmidt O. (2006) Wood and Tree Fungi: Biology, Damage, Protection and Use. Springer, Heidelberg.
2. Li C., Wang X., Chen F., Zhang C., Zhi X., Wang K., Cui D. (2013) The antifungal activity of graphene oxide-silver nanocomposites. Biomaterials. 34 (15), 3882-90.
3. Fricker M. D., Lee J. A., Bebber D. P., Tlalka M., Hynes J., Darrah P. R., Watkinson S. C., Boddy L. (2008) Imaging complex nutrient dynamics in mycelial networks. J. Microsc. 231, 317–331.
4. Nasswettrová A., Gabriel J., Drbohlavová J., Grossová O., Švec K., Polievková E. (2019) Účinek vybraných forem energie a preparátů na bázi nanočástic na ochranu staveb před dřevomorkou domácí. TZB-info 2019, https://stavba.tzb-info.cz/drevostavby/19040-ucinek-vybranych-forem-energie-a-preparatu-na-bazi-nanocastic-na-ochranu-staveb-pred-drevomorkou-domaci.