Upload
ovidiu-cimpan
View
156
Download
19
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Protectia lemnului
Citation preview
Cursuri postuniversitare de Master
Modulul Protectii specifice, moderne la cladiri din lemn
I. ASPECTE PRIVIND STRUCTURA LEMNULUI1. Structura compozit a lemnului
1.1. Structura celulozei1.2. Structura hemicelulozelor1.3. Structura ligninei
2. Structura membranei celulare3. Morfologia tulpinii plantelor
3.1. Structura primar a tulpinii3.2. Structura secundar a tulpinii
4. Structura microscopic a lemnului4.1. Structura microscopic a lemnului de conifere4.2. Structura microscopic a lemnului speciilor de foioase
5. Structura macroscopic a lemnului6. Anomaliile i defectele lemnului
6.1. Anomaliile de cretere6.2. Anomalii de structur6.3. Defecte traumatice
Protectii specifice, moderne
II. PROPRIETILE FIZICE ALE LEMNULUI2.1. Sorbia apei
2.1.1. Influena umiditii asupra proprietilor lemnului2.1.2. Determinarea umiditii lemnului2.1.3. Umflarea i contragerea lemnului2.1.4. Fenomene nsoitoare ale umflrii i contragerii2.1.5. Procedee de stabilizare dimensional a lemnului2.1.6. Consecinele contragerilor i umflrilor asupra lemnului masiv
2.2. Densitatea lemnului2.2.1. Influena umiditii asupra densitii
2.3. Proprietile termice ale lemnului
III. BIODEGRADAREA LEMNULUI3.1. Microorganisme care metabolizeaza tesuturile vegetale3.2. Cresterea hifelor in lemn si microscopia degradarii3.3. Biodegradarea lemnului
3.2.1. Biodegradarea celulozei3.2.2. Biodegradarea hemicelulozelor3.2.3. Biodegradarea ligninei
Protectii specifice, moderne
IV. AGENTI DE PROTECTIE A LEMNULUI4.1. Agenti chimici de protectie a lemnului
4.1.1. Principii generale4.1.2. Istoric si dezvoltare a protectiei lemnului4.1.3. Materiale antiseptice pentru protectia mediului
4.2. Agenti de protectie a lemnului solubili in apa. Compusi anorganici4.2.1. Generalitati4.2.2. Agenti de protectie a lemnului pe baza de cupru4.2.3. Distributia componentelor si fixarea lor in lemn4.2.4. Reactiile compusilor pe baza de cupru cu substante model4.2.5. Produsii de reactie ai agentilor cu materialul lemnos4.2.6. Mecanismul de reactie a agentilor de protectie cu lemnul4.2.7. Implicatii biologice
4.3. Compusii anorganici ai borului4.4. Aspecte privind rolul apei din lemn in procesele de biodegradare sibioprotectie4.5. Compusii pe baza de saruri cuaternare de amoniu4.6. Agenti de protectie solubili in solventi organici4.7. Compozitii antiseptice utilizate la conservarea lemnului4.8. Materiale pentru finisarea lemnului prin vopsire si lacuire
Protectii specifice, moderne
Fondul forestier
Protectii specifice, moderne
Fondul forestier
Protectii specifice, moderne
Fondul forestier
Protectii specifice, moderne
Fondul forestier
Protectii specifice, moderne
Protectii specifice, moderne
Lemnul material compozit
Figura 1. Structura matricii din lemn:liniile ngroate reprezint ghemurile macromoleculare de lignin, legate ntre
ele prin puni rare; liniile subiri figureaz lanurile liniare hemicelulozice:a - matricea nemodificat;
b - matricea parial degradat pe seama destruciei reelei L
Lemnul material compozit
Figura 2. Reprezentarea schematic a structurii peretelui celular
Lemnul material compozit
Figura 3. Reprezentarea schematic a polizaharidelor coninute n peretele primar al celulei lemnoase
Lemnul material compozit
Tabelul 1.Analiza compoziional (% din masa uscat) a hidrailor de carbon din
hidrolizatele a patru tipuri diferite de materiale lignocelulozice
Tabelul 2.Coninutul de polizaharide (% din masa uscat) pentru patru tipuri diferite de
materiale lignocelulozice
22,50,2122,744,50,351,47Trestie
22,60,1722,838,10,662,46Paie
6,1911,427,144,12,331,29Rinoase
13,72,1522,744,10,340,27Foioase
XilozManozLigninGlucozGalactozArabinozSursa
62,553,862,958,3Total
0,340,562,290,33Galactan
1,402,081,280,25Arabinan
0,200,1511,02,05Manan
21,418,95,9413,0Xilan
38,831,942,442,4Glucan
TrestiePaieRinoaseFoioasePolizaharida
Lemnul material compozit
Lemnul material compozit
Molid (Picea excelsa)C=49,4 + 0,06X; r = 0,89 ; n= 26 arbori; X= 32-150 ani L=25,6+0,047X; r=0,96; (C+L+P) = 85,3 102% P = 6,0+ 0,34 X; r=0,98;
Fag (Fagus silvatica)C=43, 35 +0,053X;r=0.97;n=24 arbori ; X- 30-129 ani L=18,63+0.053X ;r=0,93 (C+L+P)=79-96 %P=12,41+0,064X; r=0,81
Mesteacan (Betula verrucosa) Salcie (Salix alba)C=43,13+0,14X; X=8-44ani C=42,87+0,34X; r=0,94; n=10L=14,6 + 0.2X; (C+L+P)=73-95% L=14,0+0,38; r=0,98; X=10-37P=10,37+0,25X; P=12,16+0,24X; r=0,92
(C+L+P)=79-104%Stejar (Quercus robur)C=37,37+0,073X; r=0,97; X=30-140ani L=19,5+0,053X; r=0,76; (C+L+P)=73-100 % Exercitiul 1P=8,73+0,12X; r=0,96;
Lemnul material compozit
1.1. Structura celulozei
Fig.4. Structura molecular a celulozei in scrierile Haworth i Fischer
Lemnul material compozit
Structura spatiala a celulozei
Exercitiul 2
Lemnul material compozit
Structura cristalin i polimorfismul celulozei
Figura 5. Grupa cristalografic spaial C22P21(A); C22P grupa primitiv monociclic 21 (B) cu ax de simetrie elicoidal
Lemnul material compozit
Structura cristalin i polimorfismul celulozei
Lemnul material compozit
Structura secundar a celulozei
Figura 6. Legturile de hidrogen intermoleculare i intramolecularen cazul celor doi alomorfi (I i II) ai celulozei
Lemnul material compozit
Structura supramolecular a celulozei
Lemnul material compozit
Structura supramolecular a celulozei
Fig.7. Reprezentarea schematizata a lamelelor din microfibrile a,b)-orientarea lamelelor ; c)-sectiunea transversala a microfibrilelor
Lemnul material compozit
Structura supramolecular a celulozei
(a) (b)
Fig.8. Evidentierea zonelor cristaline si amorfe din microfibrilele celulozice (a); Aranjarea microfibrilelor in elemente structurale (b)
Lemnul material compozit
Structura supramoleculara a celulozei
Tabelul 3. Marimea microfibrilelor de diverse proveniente
Exercitiul 3
2,52,02celuloza din lemn
4,02,2bumbac
(nm)(nm)Preparatulcelulozic
0200400600800
1000120014001600
1 11 21 31 41 51 61
2
U
.
A
.
(002)
(101) (101) (040)
Lemnul material compozit
Structura hemicelulozelor
4 X 1 4 X 1 4 X 1 4 X 1 4 X 1 4 X 1 4 X 1 4 X 1 4 X 1 3 2 2 AMG Ac LAf
Figura 6. Structura unui lan macromolecular de xilan substituit parial
Lemnul material compozit
Structura hemicelulozelorTabelul 4.
Natura substituenilor lanurilor hemicelulozice
Substituent
Tipul de legtur cu lanul de xiloz
Sursa
Uniti terminale singulare acid -D-Glucuronic acid -4-O-Metil-D-Glucuronic -L-Arabinofuranoz Oligozaharide complexe -D-Xilp-(12)--L-Araf -D-Galp-(15)--L-Araf -D-Galp-(14)-D-Xilp-(12)- -L-Araf 4-Me--D-GalpA-(14)-D-Xi lp- (14)- D-Galp Lanuri de Arabinoz Oligo-(12)-L-Arabinofuranoz Oligo-(13)-L-Arabinofuranoz Oligo-(15)-L-Arabinofuranoz Oligo-(12,3)-L-Arabinofuranoz Substitueni nezaharidici Acid acetic Acid feruli c
12 13
13 13
13
13
13 13 13 13
2, 3, 2,3
L-Arabinofuranoz (5)-L-Arabinofuranoz
Angiosperme Gimnosperme Gimnosperme
Boabe de porumb
Bambus
Bambus
Bambus
Boabe de gru Boabe de gru Boabe de gru Boabe de gru
Angiosperme Angiosperme
Monocotiledonate
Lemnul material compozit
Structura ligninei
Lemnul material compozit
Legatura mutuala intre lignina si hemiceluloza
Lemnul material compozit
Legatura mutuala intre lignina si hemiceluloza
Lemnul material compozit
Modelele organizarii supramoleculare a componentilor chimici ai lemnului
Structura peretelui celular
Structura peretele celular Imagine microscop
Structura peretelui celular
Fig. 11. Structura schematic a membranei celulare: M - lamela median; P - peretele pimar; S1, S2 - straturile peretelui secundar; T - peretele teriar; L - lumenul, 1 - por; 2, 3 - pelicule interstraturi;
Structura peretelui celular
Fig.12. Diagrama organizrii membranei celulare stratificate
Structura peretelui celular
Tabelul 5. Dimensiunile membranelor celulare la Picea abies
Tabelul 6. Constituenii chimici ai lemnuluiComponentul
chimic Proporia
(%) Natura
polimerului GP Unitatea de
repetiie Rolul
CELULOZA 45 - 50 cristalin lanuri liniare
5000 -
10000
- D - gluco - piranoza
component structural
HEMICELU- LOZELE
20 - 25 amorf lanuri ramificate
150 - 200
resturi de zaharuri
component matriceal
LIGNINA 20 - 30 amorf ; reea tridimensional
100 - 1000
fenil - propanic
component matriceal
EXTRAC-TIBILE
0 -10 lanuri polimere
- polifenoli ncrustare
Membrana Grosimea (m) Volum (%) Grosimea (m) Volum (%) (Stratul) Lemn de primvar Lemn de toamn
(P + LM) / 2 0,09 4,3 0,09 2,1 S1 0,26 12,4 0,38 8,8 S2 1,66 79,0 3,69 85,8
S3 (T) 0,09 4,3 0,14 3,3
Total 2,1 100 4,3 100
Structura peretelui celular
Fig. 13. Distribuia componenilor chimici n peretele celular
Structura microscopica a lemnului
a) foioase: A-transversal; B-radial; C-tangential
Structura microscopica a lemnului
Elemente anatomice la foioase
Structura microscopica a lemnului
Elemente anatomice la foioase
Structura microscopica a lemnului
Elemente anatomice la foioase
Structura microscopica a lemnului
Proportia fibrelor la foioase
Structura microscopica a lemnului
Dimensiunile fibrelor la foioase
Exercitiul 4
Structura microscopica a lemnului
Dimensiunile fibrelor la foioase
Structura microscopica a lemnului
a) conifere: A-transversal; B-radial; C-tangential
Structura microscopica a lemnului
Conifere: lemn timpuriu, lemn tarziu
Structura microscopica a lemnului
Elemente anatomice la conifere
Structura microscopica a lemnului
Punctuatii: simple, semiareolate si areolate
Structura microscopica a lemnului
Proportia traheidelor la conifere
Structura microscopica a lemnului
Dimensiunile traheidelor la conifere
Structura microscopica a lemnului
Lemnul de reactie: de compresie si de tensiune
Structura microscopica a lemnului
Lemnul de reactie: de compresie si de tensiune
Structura macroscopica a lemnului
Structura macroscopica a lemnului
Structura macroscopica a lemnului
Structura macroscopica a lemnului
Structura macroscopica a lemnului
Structura macroscopica a lemnului
Structura macroscopica a lemnului
Structura macroscopica a lemnului
Anomaliile si defectele lemnului
Structura macroscopica a lemnului
Anomaliile si defectele lemnului
Structura macroscopica a lemnului
Anomaliile si defectele lemnului
Structura macroscopica a lemnului
Anomaliile si defectele lemnului
Proprietatile fizice ale lemnului
Sorbtia apei
- lemn verde, cu o umiditate relativ mare (35 % la foioase i 55 % la conifere fiind funcie i de anotimp);- lemn ud, constituie lemnul dobort care primete o cantitate de ap prin plutire sau pstrare n ap, mai mare dect a avut la doborre ;- umiditate de transport este un termen convenional ce privete materialul lemnos acceptat pentru a fi transportat dup un timp oarecare de la debitare. Valoarea acestei umiditii este de 18-22 % ;- umiditate de echilibru n aer liber (lemn uscat la aer), depinde de coninutulde umiditate din aer i variaz ntre 12-15 % ;- umiditatea lemnului de construcii, cca 7-8 % ;-lemn absolut uscat (anhidru), este materialul lemnos care n mod practic nu mai conine ap (lemnul uscat artificial i care nu se poate menine n condiii normale).Se deosebesc dou moduri de exprimare a umiditii :- umiditate relativ care se raporteaz la cantitatea de material umed i umiditatea absolut care se raporteaz la lemnul absolut uscat.
Proprietatile fizice ale lemnului
Sorbtia apei
-n contact cu umiditatea, lemnul absoarbe cantiti de ap proporional cu concentraia umiditii din mediul ambiant
-Fenomenele de sorbie, difuzie i umflare sunt influenate de structura molecular a componenilor chimici ai lemnului, de structura lor supramolecular, de structura submicroscopic a membranelor celulare, de structura microscopic a elementelor lui fibroase i nefibroase i de structura sa anatomic.
-Izotermele de sorbie a vaporilor de ap de ctre lemnul diverselor specii lemnoase prezint forme asemntoare, diferind ntre ele prin cantitatea apei absorbite
- toate izotermele, indic o histerez cu att mai pronunat cu ct dimensiunile probelor sunt mai mici
- Umiditatea lemnului reprezint apa situat att n membranele celulare ct i n golurile celulare.
Proprietatile fizice ale lemnului
Sorbtia apei
- Apa din membranele celulare se gsete sub form lichid i sub form de vapori, reprezint apa de constituie sau apa legat
- Apa din spaiile celulare se afl n stare lichid i formeaz aa-numita ap liber
Exist urmtoarele posibiliti de fixare a apei :a. Sorbia molecular (chemosorbia). Apa n stare de vapori care ptrunde n
membranele celularesufer o disociere dipolar i se leag de gruprile hidroxilice din lemn libere, att prin valene chimice ct i prin fore electrostatice. Datorit formrii acestei legturi apare o cantitate nsemnat de cldur sub form de cldur de reacie sau de umflare.
b. Sorbia capilar (condensare capilar). Pe lng fenomenul de sorbie molecular, n spaiile interfibrilare ale fibrelor celulozice din lemn ianatere i fenomenul sorbiei capilare. Sorbia capilar se realizeaz iniial sub form de vapori care ulterior se condenseaz n pelicule, dnd aa-numita condensare capilar.
Proprietatile fizice ale lemnului
Sorbtia apei
- Se precizeaz c, pn la umiditatea de 6 % a lemnului are loc fenomenul de sorbie molecular. La umiditi ntre 6 % i 15 % are loc fenomenul de sorbie capilar n stare de vapori, iar de la umiditatea de 15 % pn la saturaia fibrei are loc fenomenul de condensare capilar
- Componenii chimici principali ai lemnului celuloza, hemicelulozele, lignina joac un rol esenial n comportarea lemnului la variaiile de umiditate : admind valoarea 1,0 pentru capacitatea de sorbie a lemnului, capacitatea relativ a celorlali componeni echivaleaz cu 1,09 la holoceluloz, 0,94 la celuloz, 0,60 la lignin i 1,56 la hemiceluloze, ceea ce conduce la urmtoarea repartiie a ntregii uniditi fixate de lemn : 47% ap sunt reinte de celuloz, 37% de ctre hemiceluloze i 16 % de ctre lignin. Suprafaa intern ce revine unui g de lemn se repartizeaz astfel : 63 m2 corespund celulozei, ligninei 63 m2, iar hemicelulozelor 92 m2
- Prin sorbia apei de ctre masa lemnoas are loc o contragere a lemnului, adic volumul total al lemnului i al apei sorbite este mai mic dect suma volumelor separate al lemnului i al apei. Contragerea maxim se manifest la primele nceputuri ale sorbiei.
Proprietatile fizice ale lemnului
Sorbtia apei
- Viteza de sorbie i desorbie a umiditii lemnului este determinat de viteza de ptrundere a moleculelor apei n lemn i n membranele celulare, adic de difuzia apei n lemnul propriu-zis i in pereii celulari
- La o umiditate iniial a lemnului de 20%, valoarea coeficientului de difuzie nlemnul coniferelor este 4.10-7 cm2/s i circa 4,6.10-7 cm2/s, att n alburnul cti n duramenul trunchiurilor de foioase. Dar cu creterea umiditii iniiale a lemnului de la 2 la 28%, valoarea coeficientului de difuzie crete exponenialde la 0,2.10-7 cm2/s la 15,0.10-7 cm2/s. Cu creterea temperaturii, coeficientulde difuzie crete proporional cu presiunea vaporilor saturai ai apei la temperaturile corespunztoare. Viteza de difuzie prin pereii celulari n direcietangenial i radial reprezint circa 1/2-1/3 din viteza de difuzie n direcielongitudinal.
Proprietatile fizice ale lemnului
Sorbtia apei
- Rolul fundamental n difuzia reactivilor (vapori i lichide) n proceseleindustriale de impregnare, antiseptizare, uscare etc., l joac structura capilara lemnului constituit din cavitile vaselor, a traheidelor, de lumenul celulelorce alctuiesc razele medulare i care se reunesc ntre ele prin intermediulpunctuaiilor i a porozitilor din membranele celulare.
Permeabilitatea lemnului reprezint capacitatea lui de a permite trecereagazelor sau lichidelor prin structura sa la presiune, fiind condiionat de sistemul su microcapilar. Viteza de deplasare a lichidelor n direcialongitudinal este de 50-200 ori mai mare dect n direcie transversal. nlemnul absolut uscat, capilarele din membranele celulare sunt obturate, rmnnd active doar cavitile celulare.
Proprietatile fizice ale lemnului
Sorbtia apei
n lemnul rinoaselor, cile de ptrundere n structur reprezint lumenultraheidelori al celulelor din razele medulare, iar de aici se trece n celulelenvecinate prin intermediul punctuaiilor sau porozitilor.
La speciile de foioase, vasele constituie cile de acces ale structurii, iar, maideparte porozitatea faciliteaz trecerea n cavitile celulelor nvecinate; ndirecie radial elementele de transport l constituie cavitile celulelor din razele medulare.
Diametrul porozitilor din pereii celulari este de 40-100nm la speciile foioaselor i, ceva mai mari, la punctuaiile de la speciile coniferelor (circa 200 nm). Permeabilitatea duramenului este mai sczut dect a alburnului. Rolul membranelor celulare n transportul substanelor prin difuzei devine esenial
Cantitatea maxim de ap ce poate fi reinut prin sorbia molecular i capilar formeaz umiditatea de saturaie sau punctul de saturaie. Deoarece dimensiunile capilarelor i compoziia lor chimic sunt diferite de la o specie la alta, punctul de saturaie al fibrei va fi i el diferit. Astfel, pentru tei, salcie, plop, mesteacn, fag foioase ce prezint pori mprtiai n inelul anual saturaia fibrei se realizeaz la umiditatea de 32-35 %
Proprietatile fizice ale lemnului
Sorbtia apei
n lemnul rinoaselor, cile de ptrundere n structur reprezint lumenultraheidelori al celulelor din razele medulare, iar de aici se trece n celulelenvecinate prin intermediul punctuaiilor sau porozitilor.
La speciile de foioase, vasele constituie cile de acces ale structurii, iar, maideparte porozitatea faciliteaz trecerea n cavitile celulelor nvecinate; ndirecie radial elementele de transport l constituie cavitile celulelor din razele medulare.
Diametrul porozitilor din pereii celulari este de 40-100nm la speciile foioaselor i, ceva mai mari, la punctuaiile de la speciile coniferelor (circa 200 nm). Permeabilitatea duramenului este mai sczut dect a alburnului. Rolul membranelor celulare n transportul substanelor prin difuzei devine esenial
Cantitatea maxim de ap ce poate fi reinut prin sorbia molecular i capilar formeaz umiditatea de saturaie sau punctul de saturaie. Deoarece dimensiunile capilarelor i compoziia lor chimic sunt diferite de la o specie la alta, punctul de saturaie al fibrei va fi i el diferit. Astfel, pentru tei, salcie, plop, mesteacn, fag foioase ce prezint pori mprtiai n inelul anual saturaia fibrei se realizeaz la umiditatea de 32-35 %
Proprietatile fizice ale lemnului
Sorbtia apei
- n aerul saturat, umiditatea de echilibru va atinge un maxim, care este tocmaiumiditatea de saturaie (punctul de saturaie al fibrei). La acest punct nceteazsorbia ca fenomen al higroscopicitii lemnului i poate s nceap desorbiadac se schimb condiiile mediului exterior.
- Deoarece umiditatea relativ a aerului este funcie de temperatur i de presiune, rezult c i umiditatea de echilibru este dependent nemijlocit de umiditatea relativ i de temperatur i n funcie de acestea exist un ntregdomeniu de umiditi de echilibru.
-Curbele ce descriu evoluia procesele de sorbie i desorbie a apei nu se suprapun conducnd la zon de histerezis. Histerezisul indic o putere maislab de reinere a apei din partea capilarelor uscate n comparaie cu cele din membrana n stare umed, datorit faptului c membranele celulare suferunele deformri remanente n timpul sorbiei
- Histerezisul are un rol deosebit n uscarea i aburirea lemnului ca i nexplicarea tensiunilor interne.
Proprietatile fizice ale lemnului
Sorbtia apei
- Dac se consider dou probe de lemn din aceeai specie i cu aceeaistructur, una din ele avnd umiditatea maxim, iar cealalt fiind absolutuscat i dac se las aceste probe n atmosfer liber un anumit timp, se constat c au loc procese de desorbie i sorbie pn la atingerea unei stride echilibru.
-Umiditatea lemnului la care nceteaz sorbia i desorbia poart denumireade umiditate de echilibru. Umiditatea de echilibru este funcie de umiditateaatmosferic, o dat cu schimbarea acesteia schimbndu-se i umiditatea de echilibru.
- Modificarea umiditii atmosferice poate avea loc n mod natural n spaiideschise sau artificial, n spaii nchise.
Proprietatile fizice ale lemnului
Influena umiditii asupra proprietilor lemnului
- Umiditatea alturi de densitate, este factorul fizic care influeneazproprietile fizice, mecanice i dimensionale ale lemnului.
-Majoritatea proprietilor mecanice ale lemnului scad, cu excepia elasticitii care crete, pe msur ce crete umiditatea din membranele celulare.
- Rezistena electric a lemnului scade aproximativ de 100.000 de ori cnd umiditatea crete de la 7 % pn la umiditatea de saturaie a fibrei.
-Prin creterea umiditii din membranele celulare dimensiunile liniare i volumice ale lemnului cresc. Umiditatea din materialul proaspt debitat i mai ales repartiia inegal a umiditii are efecte asupra uscrii, contragerii i supradimensionrii modelelor la debitare.
Proprietatile fizice ale lemnului
Sorbtia apei
Determinarea umiditii lemnului
Metode directe-Determinarea umiditii prin procedeul gravimetric (uscarea probelor la etuv);
- Determinarea umiditii prin substane chimice avide de ap. Aceast variant se aplic n cazul materialului bogat n substane volatile iar determinarea umiditii se realizeaz cu ajutorul unor aparate speciale, n care se folosesc pentru extracia apei i a substanei volatile solveni, care rmn separai de ap i de celelalte substane.n cazul n care materialul lemnos nu trebuie retezat n vederea confecionrii epruvetelor, se scot probe cu ajutorul unor burghie. Talaul se extrage cu ajutorul unor burghie speciale i apoi se introduce imediat ntr-o fiol de cntrire tarat i apoi se determin umiditatea prin uscare.
Proprietatile fizice ale lemnului
Sorbtia apei
Metode indirecte:
- Determinarea umiditii prin procedeul electric. Procedeul se bazeaz pe determinarea rezistenei curentului electric ce trece prin lemn. Cu ct lemnul este mai umed, cu att conduce mai bine curentul electric i cu att capacitatea sa electric este mai mic. Cele mai multe aparate electrice se bazeaz pr principiul rezistiv. Fiecare aparat are o construcie proprie, fiind prevzute cu un anumit echipament.
- Determinarea umiditii cu ajutorul srurilor chimice. Unele sruri, de exemplu clorura de cobalt, au propietatea de a se colora mai mult sau mai puin intens, n raport cu cantitatea de ap rece care ptrunde n cristalele srii. Astfel, dac n lemn se practic un orificiu, n interiorul cruia se stabilete echilibrul higroscopic ntre umiditatea lemnului i atmosfer, iar n acest orificiu se introduce o hrtie tratat cu sare de cobalt, aceasta se va colora n raport cu gradul de umiditate de la care a suferit impresionarea. Comparnd culoarea hrtiei cu o culoare etalon, se poate aprecia umiditatea lemnului, cu o aproximaie de pn la 3 %.
Proprietatile fizice ale lemnului
Conifere Foioase
Proprietatile fizice ale lemnului
Umflarea si contragerea lemnului
Umflarea lemnului este corelat cu fenomenul higroscopicitii acestuimaterial. Din momentul n care un lemn anhidru ncepe s absoarb ap, ncepe i variaia dimensiunilor sale.
Teoretic dimensiunile membranelor celulare trebuie s creasc liniarcu creterea coninutului de umiditate, prin simpla nsumare a dimensiuniloriniiale ale membranei i al apei ptrunse.
n realitate, fenomenul este mult mai complex. n prima faz a sorbiei (sorbie molecular) forele de atracie electrice, ntre grupele hidroxilice ale componentelor din lemn i dipolii apei disociate sunt att de puternice, nct se formeaz un agregat coloidalo-hidric, al crui volum este mai mic dect suma volumelor care intr n reacie (ap+lemnul). Stadiul final al schimbrilor dimensionale din timpul creterii umiditii se produce la atingerea punctului de saturaie al fibrei cnd are loc umflarea total a lemnului.
Umflarea lemnului este condiionat de caracterul coloidal al substanelor de structur din pereii celulari i reprezint primul stadiu al multorprocese de prelucrare chimic a lemnului.
Proprietatile fizice ale lemnului
Umflarea si contragerea lemnului
Gradul de umflare a lemnului este strns legat de capacitatea apeisorbite, iar mrimea sorbiei depinde de capacitatea de umflare a lemnului, cci prin umflare se formeaz mereu noi centri de sorbie.
Datorit contraciei, mrimea umflrii volumetrice este proporionalcu cantitatea de ap sorbit, n particular n intervalul iniial de 5-7 % umiditate, cnd procesul de sorbie devanseaz umflarea.
Contragerea, datorit anizotropiei lemnului, se dezvolt mai mult n direcie tangenial (cca. 8%), mai puin n direcie radial (~3%) i foarte puin n cea longitudinal (~0,2%); lemnul alburn se contrage mai puin dect duramenul.
Dar gradul de umflare al lemnului i anizotropia lui sunt condiionate esenial de direcia de orientare a microfibrilelor n textura pereilor P (primar) i straturile S1 i S2 ale membranei secundare care frneaz umflarea stratului fundamental S2 al peretelui celular.
Proprietatile fizice ale lemnului
Umflarea si contragerea lemnului
Schimbrile dimensionale liniare nu sunt unitare n cele trei direcii de orientare structural: longitudinal, transversal i radial, nici ca mrime inici ca dinamic
Umflarea radial reprezint n medie 50% din cea tangenial, iar dinamica umflrii radiale este cu 10-15% mai mic dect cea tangenial. Umflarea longitudinal este nensemnat ca mrime i ca dinamic.
Neuniformittea fenomenului de umflare este determinat de specia, structura lemnului, dimensiunile pieselor i de compoziia anatomic a lemnului (raze medulare i membrane celulare).
Contragerea ca fenomen invers umflrii se produce concomitent cu desorbia (eliminarea) apei din membrana celular.
Umflarea i contragerea sunt fenomene naturale ce nu pot fi oprite, ele fiind cel mult atenuate constituind unul din neajunsurile materialului lemnos.
Proprietatile fizice ale lemnului
Umflarea si contragerea lemnului
Pentru caracterizarea mrimii umflrii i contragerii materialului lemnos se definesc o serie de indici cum ar fi: umflarea liniar, umflarea volumic, contragerea liniar, contragerea volumic.
Lemnul cu contragere foarte mic (pinul, plopul, bradul), mic (castanul, teiul) i mijlocie (cireul, ararul, mesteacnul) se consider lemn bun pentru utilizrile materialului lemnos masiv.
Proprietatile fizice ale lemnului
Umflarea si contragerea lemnului
Proprietatile fizice ale lemnului
Fenomene nsoitoare ale umflrii i contragerii
Presiunea de umflarePresiunea maxim la umflarea lemnului n ap variaz de la 9,2 la 36 kgf/cm2iar la umflarea n mediu saturat cu vapori 14-41 kgf/cm2
Presiunea de umflare nu este unitar n toate celulele, mrimea acesteia depinznd de grosimea membranei celulare. Din aceast cauz, n timpul umflrii i contragerii lemnului se nasc tensiuni inegale care pot s provoace crpturi interne i externe, mai ales cnd se produce o eliminare rapid a apei din membranele celulare. Eliminarea apei din membranele celulare conduce la o contragere puternic a acestora sau chiar ruperea lor.
Fenomenul de colaps, reprezint procesul de degradare al membranei celulelor lemnoase, care se produce datorit presiunilor mari ce iau natere n timpul uscrii artificiale a lemnului la temperaturi nalteLemnul n care sa produs colapsul n timpul uscrii are celulele aproape complet lipsite de lumen, astfel nct la microscop acestea apar turtite (nfundarea lumenului).
Proprietatile fizice ale lemnului
Fenomene nsoitoare ale umflrii i contragerii
Fenomenul se produce n condiiile membranelor celulare pline cu ap, forat de cldur s se evapore n afara legilor difuziei apei n corpurile coloidale (membrana celular).
Colapsul se poate preveni prin aburirea i rcirea lemnului. Aburirea nu umezete membrana n interior, ci numai n afar, prevenind uscarea ei n continuare i datorit proprietilor termoplastice ale lemnului diminueaz tensiunile aprute n timpul uscrii. La acele pri unde s-a produs prbuirea membranei (colaps), aburirea, practic nu salveaz situaia.Practica a dovedit c uscarea lemnului la temperaturi mai joase nu prezint niciodat colaps
Cldura de umflaren timpul umflrii lemnului se degaj o cantitate de cldur-aa numita cldur de umflare, ce poate varia de la 16 la 20 cal/g
Proprietatile fizice ale lemnului
Procedee de stabilizare dimensional a lemnului
-acoperirea pieselor de lemn cu vopsele sau substane chimice hidrofobe. Se utilizeaz vopsele pe baz de aluminiu sau lacuri din rini sintetice. Aceste substane mpiedic n suficient msur absorbia apei i deci i consecinele nsoitoare ale umflrii i contragerii lemnului;
-meninerea piesei ntr-o stare de umflare total i permanent prin introducerea forat n celulele lemnului a unor sruri i zaharuri care ntrein o stare de umiditate ridicat. Prin acest procedeu ns, rezistenele lemnului sunt diminuate i de aceea are aplicabilitate redus;
- blocarea grupelor hidroxilice din lem, care n mare msur sunt cauza higroscopicitii. Aceasta se poate realiza prin umplerea capilarelor din lemn cu parafin topit sau cu alt material hidrofob. Cu timpul ns, apa ntr totui n contact cu grupele OH, prin crpturi capilare noi care se ivesc n pereii membranelor sau n stratul de parafin. Acest mijloc s-a dovedit destul de eficace n hidrofobizarea PAL i PFL, prin amestecarea acestor substane hidrofobe cu adezivi sau rini termorigide care posed grupe funcionale, cum ar fi rinile-ureo-formaldehidice;
Proprietatile fizice ale lemnului
Procedee de stabilizare dimensional a lemnului
- blocarea grupelor OH prin acetilare, cnd acestea sunt nlocuite cu grupeacetil OCOCH3 mai puin hidrofile. Drept agent de acetilare se utilizeazanhidrida acetic iar catalizatorul acidul sulfuric la temperatur de 50-60 OC ipresiune 1,5 atm.
Prin acetilare, n afara reducerii contragerii i umflrii se amelioreazunele proprieti mecanice ale lemnului ct i durabilitatea sa.
- tratarea termic a lemnului prin uscare la temperaturi nalte, eventual nprezena unor gaze (oxigen, hidrogen) al cror efect de hidrofobizare se explic printr-o uoar descompunere a celulozei
- aburirea lemnului conduce la stabilizarea dimensional i impiedic apariia colapsului.
Proprietatile fizice ale lemnului
Consecinele umflrii i contragerii lemnului
- Deformarea. Dup debitarea buteanului i confecionarea piselor, acestea se vor deforma,
sau vor avea tendina de deformare, difereniat dup pozitia lor din butean. Deformarea determinat de structura i orientarea structurii lemnului se manifest n toate construciile, mai ales unde intr lemnul masiv.
Curbarea cherestelei sau a pieselor mbinate este provocat ndeosebi de contragerea longitudinal inegal.
Tabliile construite prin asociere (furniruire) cu furnir prea umed se pot curba sau poate crpa furnirul aplicat. Dubla furniruire atenueaz ntr-o oarecare msur aceast deformaie.
Pentru a preveni contrageriile i consecinele acestora, pisele lemnoase trebuiesc supradimensionate, cazurile concrete de dimensionare fiind
prevzute n standarde.
Proprietatile fizice ale lemnului
Consecinele umflrii i contragerii lemnului
Proprietatile fizice ale lemnului
Densitatea lemnului
Factorii care contribuie la calculul densitatii:
Calculul densitii substanei lemnoase - celuloz (densitatea = 1,5 g/cm3), lignin (densitatea=1,40 g/cm3), hemiceluloze (densitate= 1,5 g/cm3) -arat o valoare de 1,5 g/cm3 pentru rinoase i 1,55 g/cm3 pentru foioase.
Volumul peretelui celular in raport cu golurile, cavitatile si spatiile intercelulare. Densitate lemnului tarziu la conifere este mai mare de 2-3 ori decat a lemnului timpuriu (0.6-0.9 la lemnul tarziu si de 0.25-0.32 la lemnul timpuriu)
Cantitatea substantelor extractibile din lemn care aduc un aport suplimentar la calculul densitatii
Se intalnesc urmatorii termeni: densitate aparenta si densitate conventionala
Proprietatile fizice ale lemnului
Densitatea lemnului
n mod convenional, se utilizeaz ndeosebi, densitatea pentru lemnul avnd umiditatea de 15 % (umiditatea de echilibru higroscopic pentru lemnul pstrat n atmosfer liber timp ndelungat), pentru lemnul cu umiditatea de 18-20% (umiditatea de transport), pentru lemnul cu umiditatea de 30 % (umiditatea de saturaie a fibrei) i pentru lemnul din arboret sau buteni proaspt dobori (lemn verde) i se noteaz cu 15, 18, 30, u. Densitatea la diferite umiditi are o nsemntate deosebit n transportul materialului lemnos, n industrie etc.
Pentru comparaie densitatea lemnului este redus n toate cazurile la umiditatea de 15 % :
u = 15 (1+0,01)1+v)(15-w)) n care v reprezint coeficientul de contragere volumic =0,6 la mesteacn, fag, molid i cu 0,5 la celelalte specii;w reprezint coninutul de umiditate.
Densitatea convenional (c) reprezint raportul dintre masa de lemn a.u. (anhidru) i volumul maxim al aceleiai probe (volumul maxim l prezintlemnul cu fibra saturat de umiditate) : c = Mo / Vmax
Proprietatile fizice ale lemnului
Densitatea lemnului
Proprietatile fizice ale lemnului
Densitatea lemnului: a- conifere (0,371+/-0,046)
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
0.55
30 35 40 45 50 55 60 65 70ani
d
e
n
s
i
t
a
t
e
a
,
g
/
c
m
3
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
0.55
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
H, m
d
e
n
s
i
t
a
t
e
a
,
g
/
c
m
3
Proprietatile fizice ale lemnului
Densitatea lemnului: b- foioase (0,478 +/-0,1)
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
0.55
0.6
0.65
0.7
30 40 50 60 70 80 90ani
%
ro
Proprietatile fizice ale lemnului
Densitatea lemnului
Proprietatile fizice ale lemnului
Densitatea lemnului
Proprietatile fizice ale lemnului
Densitatea lemnului de reactie la conifere
Proprietatile fizice ale lemnului
Influena umiditii asupra densitii
Umiditatea din lemn influeneaz n mare msur densitatea. Variaia densitii poate apare datorit umflrii sau contragerii lemnului.
Pentru practic valorile orientative se obin din grafice care dau dependena densitii de umiditate.
Fiecare specie de lemn are densitatea medie caracteristic. Pentru comparaie se ia densitatea absolut (lemn absolut uscat); din acest punct de vedere toate speciile lemnoase se clasific n urmtoarele 6 clase :specii de lemn foarte grele (o > 0,8 g/cm3) : mesteacn, corn, abanos, eucalipt;lemne grele (0,71< o < 0,8 g/cm3) : salcm, pr, stejar, tisa, gorun;lemne semigrele (0,61< o < 0,7 g/cm3) : fag, carpen, ulm, frasin, mr;lemne semiuoare (0,51< o < 0,6 g/cm3) : ienupr, castan;lemne uoare (0,41< o < 0,5 g/cm3) : molid, tei, plop;lemne foarte uoare (o < 0,4 g/cm3) : brad, pin.
Proprietatile fizice ale lemnului
Determinarea densitatii lemnului
Determinarea densitii aparente a lemnului masiv presupune confecionarea unor pise de forme regulate cu dimensiuni bine stabilite i apoi ctrirea lor cu o precizie de 0,1 g.
Determinarea densitii substanei lemnoase se realizeaz prin metoda picnometrului utilizndu-se un lichid (benzin, petrol) a crui densitate se cunoate cu precizie (l, M). Se scoate din picnometru o parte din lichid i se introduce o anumit cantitate de lemn uscat mrunit foarte fin (m). Dup agitare se aduce lichidul din picnometru la reperul iniial, prin adugare din lichidul scos, apoi se cntrete din nou. (M1).Calcule : M2=M-(M1-m) ; Vmat lem =M2/l ; =m/Vmat lem
n calcule, aceast densitate se ia 1,5 g/cm3.
Proprietatile fizice ale lemnului
Proprietile termice ale lemnului
Dilatarea termic a lemnului = l/(t.l1) =(l2 l1)/l1(t2 - t1), [mm/mm OC], se numete coeficient de dilatare termic i indic cu ct s-a mrit unitatea de lungime cnd temperatura a crescut cu 1 OC, unde: l2 = l1[1+(t2 t1)]
Proprietatile fizice ale lemnului
Proprietile termice ale lemnului
Conductivitatea termic a lemnului
, W/m OC )(
.
12 ttAgQ
=
Proprietatile fizice ale lemnului
Proprietile termice ale lemnului
Conductivitatea termic a lemnului este o mrime variabil i depinde de specie, densitate, umiditate i temperatur.
Influena densitii. Creterea densitii conduce i la o cretere accentuat a conductivitii termice a lemnului. Lemnul mai greu transmite mai bine cldura dect cel uor. Acelai lucru se observ i n cadrul aceleiai specii ntre lemnul trziu i cel timpuriu.n raport cu direcia fibrelor s-a dovedit c propagarea cldurii are loc ceva mai uor n direcie paralel cu fibrele, iar n direcie transversal ceva mai greu.
Influena umiditii. Prin creterea umiditii are loc o cretere nsemnat a conductivitii termice, datorit faptului c aerul ru conductor de cldur este nlocuit cu apa bun conductor de cldur. Acest fapt prezint importan deosebit n calculul tratamentelor termice ale lemnului.Dac se consider conductivitatea termic medie n sens transversal pentru lemnul uscat de = 0,46 W/m OC, atunci conductivitatea termic u pentru o umiditate u crete cu cca 1,25 % la fiecare procent de cretere a umiditii. ntre dou valori ale lui corespunztoare la dou umiditi se poate stabili relaia : 2 = 1 [1 - 0,0125 (u1 u2)]
Proprietatile fizice ale lemnului
Proprietile termice ale lemnului
Influena temperaturii. Problema variaiei conductivitii termice n funcie de temperatura la care are loc transmiterea cldurii are o importan deosebit la calculul izolaiilor, ct i n calculu tratamentului termic.
La substanele izolante (poroase) influena temperaturii asupra conductivitii termice se manifest n sens pozitiv i este cu att mai accentuat cu ct volumul porilor din material este mai mare.
Experimental s-a determinat c la o cretere a temperaturii lemnului uscat cu 1 OC, conductivitatea sa termic crete cu 0,25 %.
Cldura specific (cantitatea de cldur pe care trebuie s o acumuleze un corp pentru ca temperatura unitii de mas sau de volum s creasc cu un grad) :c = Q / m . t , J/kg OC
Proprietatile fizice ale lemnului
Proprietile termice ale lemnului
Lemnul are o cldur specific mult mai mare n raport cu metalele, ceea ce nseamn c pentru o cantitate de cldur dat, lemnul va atinge o temperatur mai sczut dect metalele nclzite n aceleai condiii.Factorii care influeneaz cldura specific a lemnului sunt : temperatura i umiditatea. Trebuie menionat faptul c, specia i densitatea lemnului nu au o influen semnificativ asupra cldurii specifice.
Influena temperaturii. Lemnul face parte din clasa materialelor care prezint creteri liniare ale cldurii specifice cu temperatura. Astfel, s-au stabilit diverse relaii de calcul empirice a cldurii specifice pentru astfel de materiale :
c = 0,266 + 0,00116 t, kcal/kg OC, pentru lemnul absolut uscat cu = 0,23-1,1 g/cm3c = 0,28 (1 + t/100)0,2 + 0,09, kcal/kg OC.
Influena umiditii. Cldura specific a lemnului este puternic influenat de umiditate, deoarece se nlocuiete aerul din pori cu o cldur specific mic, cu ap care are o cldur specific mult mai mare.
Proprietatile fizice ale lemnului
Proprietile termice ale lemnului
Capacitatea calorica a lemnului
3. MICROORGANISME CARE METABOLIZEAZA LEMNUL
Materialele celoligninice cu un coninut sub 18 - 20 % n lignin sunt degradate
n proporie crescnd cu descreterea coninutului n lignin, de ctre celulaze si
hemicelulaze,respectiv de bacteriile si fungii care secret aceste enzime (fig.13). Astfel
fungi din majoritatea claselor, ca si bacterii aerobe sau anaerobe,pot degrada parial si
metaboliza substraturile menionate.
Dup ce polizaharidele accesibile sunt ndeprtate, miezul rezidual mbogit n
lignin devine progresiv rezistent la degradarea ulterioara, dei exist microorganisme
care degradeaz si lignin.
In esuturile "puternic lignificate" (coninut n lignin > 20 %) agenii de
degradare majori sunt fungii filamentosi n primul rnd Basidiomycete, care produc
putregaiul alb al lemnului,pot metaboliza lignin si sunt rspndii n peste 2.000 de
specii, reflectnd importanta ecologica a grupului.
Un alt grup al Basidiomycetelor ce degradeaz lemnul l constituie cele care
produc putregaiul brun al lemnului,degradeaz esuturile puternic lignificate dar fr o
desprindere substanial a ligninei din sistem.
Fig.13 Relaia ntre coninutul n lignin al materialelor celoligninice si digestibilitatea enzimelor celulolitice hemicelulolitice
Diferite Ascomycete si Fungi Imperfeci produc aa numitul "putregai moale" al
lemnului, pus in evidenta n ultimii 25 de ani, aceti fungi fiind din clasa celor ce
acioneaz si n sol.
Un numr de specii de Ascomycete din familia Xylariaceae au fost incriminate a
provoca putregaiul alb al lemnului (de exemplu: Xylaria polymopha, Hypoxylon
deustum). Ali cercettori au artat ca unele specii de Xylariaceae pot cauza pierderea
n greutate a lemnului, dar procesul a fost mult lent dect cel provocat de
Basidiomycete, favorizat fiind de umiditatea ridicata si limitat la suprafaa exterioar a
lemnului ca n cazul celui produs de putregaiul moale.
A fost recent demonstrat si o degradare a ligninei de ctre bacterii din sol.
Imposibilitatea celor mai multe bacterii de a strbate substratului celoligninic limiteaz
probabil, n parte, viteza si ntinderea atacului lor.
In acord cu cele observate este faptul c cele mai multe microorganisme ce
degradeaza efectiv lignina sunt de form filamentoas (Streptomyces, Nocardia),
procesul fiind posibil datorit capacitii de penetrare a hifelor lor.
3.1 CRETEREA HIFELOR IN LEMN SI MICROSCOPIA DEGRADRII
Hife ale fungilor putregaiului alb si brun au fost gsite n lumenul celulelor, pe
cnd cele ale fungilor putregaiului moale apar att aici cat si n pereii celulelor. La
instalarea lor n lemn, toi aceti fungi, aparent adopt calea minimei rezistente si cu
hran potrivit colonizeaz nti razele medulare, canalele si vasele. Hifele penetreaz
din celul n celul, n primul rnd prin golurile celulare (vacuole) acoperite cu
membrana de pectin si apoi prin penetrare direct a pereilor celulari. Wilcox a
prezentat n detaliu aspectele microscopice ale degradrii lemnului (fig.14,15,16).
Fig.14 Imagine microscopic a degradrii pereilor celulari ai pinului de ctre hife ale putregaiului alb Phlebia radiata
Din primele stadii ale degradrii lemnului de ctre fungii putregaiului alb si brun,
pot fi observate hife n practic oricare celul n care condiiile de
mediu sunt favorabile.
Fig.15 Efecte ale degradrii lemnului de pin de ctre fungii putregaiului alb (a si c) si ai putregaiului brun (b si d)
(Coriolus versicolor si Poria placenta)
Fig.16 Caviti formate de fungul Allescheria terrestris n lumenul lemnului de mesteacn
Prin studii de microscopie electronica s-a pus n evidenta dizolvarea peretelui
celular cauzat de secreia de enzime ce degradeaz peretele
celoligninic de-a lungul suprafeei laterale a hifelor ca si lng vacuolele n cretere,
vezi (fig.14).
De asemenea, studiile microscopice au relevat faptul ca fungii putregaiului alb
produc o subtiere progresiva si uniform a peretelui celular secundar, ncepnd cu
suprafeele lumenului (fig.15). Celulele atacate tind sa se contracte i se destram
datorit degradrii celulozei. Att investigaiile microscopice cat si cele chimice au
indicat ca descompunerea de ctre fungii putregaiului alb are loc pe suprefetele expuse,
in timp ce n cazul putregaiului brun, agenii de degradare penetreaz complet matricea
celoligninica n primele stadii le descompunerii.
Modul de degradare a lemnului de ctre fungii putregaiului moale este diferit fat
de cel al fungilor putregaiului alb si brun, fiind limitat n general la suprafaa exterioar
a lemnului. Putregaiul moale este n mod obinuit gsit in lemn n condiii de mediu
speciale, de extrem umiditate si cicluri frecvente umed - uscat. Se pare c limitarea
oxigenului este rspunztoare pentru acest mod de atac al suprafeei, chiar dac exist
o toleranta aparent pentru oxigen in cantitate sczut, care permite fungilor
putregaiului moale s degradeze lemnul mbibat de ap.
Putrezirea avanseaz numai cnd suprafaa extern a fost distrus. Putregaiul
moale difer de asemenea de celelalte specii prin forma cavittiilor pe care le produce
n lemn, tip catenate, n form de fus sau de diamant, orientate dup microfibrilele de
celuloz, att la suprafeele lumenului, n jurul hifelor ce penetreaz ct si n interiorul
peretelui secundar (fig.16).
3.2 CHIMIA SI BIOCHIMIA DEGRADRII LEMNULUI
In fig.17 sunt ilustrate schimbrile n compoziia chimic a lemnului, ca urmare a
degradrii de ctre fungii putregaiului alb, brun si moale. Celulozele i hemicelulozele
sunt metabolizate de ctre toate cele trei grupe de fungi. Lignina este degradat doar
parial de ctre fungii putregaiului brun si mai rapid si aprofundat de fungii putregaiului
alb dect de fungii putregaiului moale.
Fig.17 Descompunerea celulozei,ligninei si hemicelulozelor (pentozan, xilan) datorita degradrii cu fungiile putrgaiului brun si alb
(Coriolus versicolor si Porja placenta) si putregaiului moale (Chaetomium qlobosum)
3.2.1 BIODEGRADAREA CELULOZEI
3.2.1.1 MICROORGANISME SI ENZIME
Datorita naturii eterogene a materialelor celulozice, bariera structurala a
acestora fat de atacul enzimatic complica mult procesul de biodegradare.
Microorganismele care produc enzime ce hidrolizeaza legaturile glucozidice sunt larg distribuite n diferite grupuri taxonomice. Astfel abilitatea de a utiliza celuloza este
caracteristic bacteriilor, actinomicetelor si fungiilor superioare. O parte din aceste
microorganisme se caracterizeaz prin producerea unei activiti enzimatice ridicate,
fapt ce le confer posibilitatea de a realiza si "in vitro" degradarea celulozei pn la
zaharuri solubile. Astfel de microorganisme sunt: bacterii (Clostridium thermocellum,
thermomonospora sp., Cellulomonas sp., Streptomyces flavogriseus), fungi
(Trichoderma reesei, numit anterior Trichoderma viride, T. Koningii, T.lignorun,
Sporotrichum pulverulentum, Penicillium funiculosum, P.iriensis, Asperqillus wentii,
Polyporus adustus, Fusarium solani, A.niger, Schizophyllum comune, etc.
Degradarea celulozei cristaline este un proces complex care necesita participarea
mai multor enzime ce acioneaz sinergetic. Prin tehnici cromatografice a fost
demonstrat complexitatea sistemului enzimatic celulolitic produs de T.viride.
Activitatea fat de diferite substraturi, coninutul in hidrati de carbon, efectele de
inhibare de ctre ionii metalici sau acizii organici, precum si stabilitatea n funcie de pH
si temperatur a fraciunilor izolate constituie dovezi ale existentei diferiilor
componeni n sistemul celulolitic. Ulterior, omogenitatea fiecreia din fraciunile
separate a fost confirmata prin ultracentrifugare. Numrul componentelor sistemului
celulazic difer n studiile efectuate. Astfel, n literatur se raporteaz cinci, dou sau
trei componente pentru enzimele produse de T.viride si una, trei pn la cinci, sase,
noua constitueni pentru sistemul celulolitic aparinnd micoorganismului Myrothecium
verrucaria. Existenta mai multor enzime n complexele analizate a fost explicat parial
prin numrul mare de ci de sintez, prin neomogenitatea genetic, variaia n vrst si
nutriie a celulelor care produc proteina sau prin influentele proteolitice sau de
denaturare care afecteaz structura proteinei dup secreie fr a influenta activitatea
enzimatic.
Dei natura multicomponent a sistemului celulazic variaz considerabil printre
organisme, mecanismul de aciune asupra substratului este similar. Bazat pe faptul c
multe microorganisme capabile de a utiliza forme modificate chimic ale celulozei au o
slab activitate fat de celuloza nativ, s-a presupus c microorganismul celulolitic
produce cel puin dou celulaze: una denumit "C1" care provoac hidroliza celulozei
native n catene polizaharidice mai scurte si alta "Cx" responsabil pentru scindarea
acestora in molecule mici solubile, capabile de difuzie in celul. Aceast ipotez a fost
modificat ulterior prin adugarea altei enzime clasificat ca celobiaz, care
hidrolizeaz produsul final de degradare a celulozei, celobioza, n glucoza.
Cercetrile efectuate asupra aciunii enzimelor fata de substraturile iniiale si
intermediare si cele referitoare la reactivitatea componenilor celu-
lazici individuali au condus la concluzia c, complexul enzimatic este alctuit din patru
componente: 1) endo- -1,4 - glucanaza; 2)exo- 1,4 - glucanaza; 3) 1,4 - glucancelobiozilhidrolaza si 4)/ glucozidaza. Endo- 1,4 - qlucanaza In aceast grup se includ enzimele "Cx" cu activitate fat de carboxi-
metilceluloz. Rolul enzimei este de a scinda statistic catenele de celuloz si se
presupune c ea acioneaz n principal asupra regiunilor amorfe din fibra de celuloz.
Enzima realizeaz o scdere rapid a gradului de polimerizare cnd este inhibat cu
celuloza modificat chimic.
Exo - 1,4 - qlucanaza Aceast categorie de enzime separ o singura unitate de glucoza de le captul
nereducator al catenei de celuloz. Enzimele produc o cretere rapid a cantitii de
zaharuri reductoare si o scdere lent a gradului de polimerizare atunci cnd sunt
incubate pe celuloz modificat chimic.
1,4 - Glucancelobiozil hidrolaza Enzimele de acest tip separa o unitate de celobioz de la captul nere- ductor al
catenei de celuloza. Deoarece ele acioneaz asupra regiunilor cristaline din fibra de
celuloz (si nu asupra derivai lor solubili ai celulozei cum ar fi carboximetilceluloza) pot
fi considerate de tip " C1 ".
Glucozidaza Unele enzime din aceast clas sunt capabile de a hidroliza aril- glucozide fr a manifest activitate fat de celuloz. D-glucozidazele precum si celobiazele sunt enzime de baz care catalizeaz hidroliza celulozei la produsul final glucoza, in
biodegradarea materialelor celulozice. Ele acioneaz de asemenea asupra catenelor
scurte de celooligozaharide pentru a elibera glucoza. Viteza de hidroliza scade
apreciabil cu creterea n lungime a catenei polizaharidice.
3.2.2 MECANISMUL BIODEGRADARII CELULOZEI
Componenii sistemului enzimatic, conform funciilor lor individuale catalizeaz
reaciile consecutive sau paralele de scindare a catenelor lungi de celuloz pn la
glucoza. Fizic enzimele se deplaseaz spre suprafaa substratului si sunt absorbite pe
poziiile de reacie pentru a realiza scindarea. Din punct de vedere biologic, producerea
enzimelor de ctre celule este determinata de inducie, reglat prin reprimare si
controlat prin inhibare. Adsorbtia celulazei pe suprafaa materialului celulozic se
consider in general mai rapid, comparativ cu viteza global de hidroliza. Cantitatea
de celulaz adsorbit este n general dependent de suprafaa accesibil si de
concentraia celulazei; prin urmare natura si concentraia celulozei si a celulazei sunt
doi factori care controleaz adsorbtia n sistemul celuloz-celulaz. Se presupune c
regiunile amorfe din fibrele de celuloz sunt primele atacate, ceea ce conduce la o
concentrare a domeniile cristaline, care n cele din urm sunt solubilizate gradat odat
cu separarea regiunilor periferice. Acest proces concord cu formarea progresiv a
fibrelor scurte observata n studiile iniiale ale scindrii enzimatice ale bumbacului.
Avnd n vedere treptele majore ale biodegradrii celulozei care includ transferul
de mas , reacia pe suprafaa materialului, reglarea enzimelor si activitatea celulara,
modul schematic de aciune a biocatalizatori-
lor asupra substratului poate fi reprezentat ca n (fig.11).
Din diagram se pot observa reaciile posibile pentru cele patru componente ale
sistemului celulazic n care fiecare din acestea poate fi inhibat sau dezactivat si n
care producerea de enzima poate fi reprimat.
EG - Endoglucanaza ; CBH - Celobiozilhidrolaza;G - - Glicozidaza Figura 18 Reprezentarea schematic a modului de aciune a enzimelor complexului celulazic
Astfel, treptele, biodegradrii celulozei sunt urmtoarele :
1- secreia enzimelor celulazice de ctre celule
2- difuzia endoglucanazei la suprafaa regiunilor amorfe
3- adsorbtia endoglucanazei la poziiile active pentru a forma complexul
4- eliberarea oligozharidelor cu caten scurt din complexul celuloz -
endoglucanaz
5- reacia repetitiva a oligozaharidelor cu caten scurta cu endoglucanaz pentru
a fi scindate. Reacia oligozaharidelor cu caten scurt cu exoglucanaza pentru a
elibera glucoza de la captul nereductor.
6- difuzia exoglucanazei la suprafaa regiunilor amorfe
7- adsorbtia exoglucanazei la poziiile adive pentru a forma complexul
8- eliberarea glucozei de la captul nereductor al complexului celuloz-
exglucanaz
9- difuzia celobiozilhidrolazei la suprafaa regiunilor cristaline
10-adsorbtia celobiozilhidrolazei pe poziiile active pentru a forma
complexul
11- eliberarea celobiozei de la captul nereductor al complexului celuloz -
celobiozilhidrolaz
12- reacia celobiozei cu - glucozidaza pentru a forma glucoza 13,14,15,16 - dezactivarea componentelor celulazice
17,18,19,20 - inhibarea componentelor celulazice
21- matabolizarea produselor de ctre celul
22- reglarea produciei de celulaz prin inducie si reprimare
Enzimele hidrolitice nu sunt unicele implicate n degradarea celulozei de ctre
fungii putregaiului alb. Cercetri recente au pus in evident o hemoproteina,
celobiozoxidaza, care oxideaz celobioza la celobiono -- lacton, cu 02 servind ca acceptor de electroni. Enzima este responsabil pentru hidroliza mult mai rapid a
celulozei n prezenta 02 dect n atmosfer de N2, probabil deoarece se ndeprteaz
celobioza, prevenind astfel reaciile de transglicozilare si inhibarea activitii
endoglucanazei care apare cnd se formeaz celobioza. O activitate oxidant similar
nu este gsit n cazul Fungilor Imperfecti examinai. Celobioza este de asemenea
oxidat la celobiono -- lacton de ctre celobiozo - chinon oxidoreductaza; chinonele
servesc ca acceptori de electroni pentru aceast reacie. O glucozo oxidaz este de
asemenea implicat n procesul total; ea oxideaz glucoza la gluconolacton cu 02 ca
acceptor de electroni.
Aceste variate activiti de oxidare regleaz nivelurile glucozei si celulozei si
coordoneaz vitezele de hidroliza a celulozei si metabolismul produilor finali. Fenolii
afecteaz de asemenea nivelurile activitii endoglucanazei fungilor putregaiului alb.
Figura 19 nfieaz interconversiunile si interaciunile de reglare n cazul hidrolizei
celulozei de ctre fungii putregaiului alb.
Fig.19 Enzime implicate n degradarea celulozei si reglarea celulara n
Sporotrichum pulverulentum; 1) endo-1,4 -- glucanaze; 2) exo -1,4 - - glucanaze; 3) -glucozidaza 4) glucozo oxidaza; 5) celobiozo oxidaza;6) celobiozo chinon oxidoreductaza
Degradarea celulozei n lemn de ctre fungii putregaiului brun este un proces mai
neobinuit. Preparatele de enzime extracelulare din aceti fungi posed doar activitate
endo-1,4 --glucanazic. Astfel, filtratele de culturi din fungi ai putregaiului brun nu degradeaz celuloza cristalin. Mai mult, producia de endogluconaz a multor fungi ce
produc putregaiul brun nu este re-presat de monozaharide; enzima este produs in
timpul creterii monozaharidelor. S-a demonstrat deasemenea c in filtratele de cultur
ale Poria placenta exist un complex mare de enzime ce hidrolizeaz
carboximetilceluloza, xilani, glucomanani si glicozide. Atacul iniial al fungilor
putregaiului brun asupra celulozei din lemn, nu este totui prin celulaze ci in primele
stadii de degradare a lemnului de ctre Poria monticola, virtual toat celuloza este
sever depolimerizat. Aceast descoperire explica efectele destructive mari ale acestor
fungi n lemn, care implic multiple ci biochimice, deoarece numai o mic proporie din
celuloza din lemn este accesibil enzimelor celulolitice si anume cea expus lumenului
celulelor si vacuolelor nvecinate. Astfel, degradarea enzimatic cauzeaz o pierdere
gradat a integritii celulozei, dup cum este observabil n cazul putregaiului alb.
Agentul depolimerizant al fungilor putregaiului alb nu ajunge la celuloza numai
prin pereii celulari ci penetreaz complet microfibrile cristaline indicnd clar c doar
molecule foarte mici pot fi responsabile. S-au ntreprins experimente de depolimerizare
a celulozei n condiii fiziologice cu H2O2 si sruri feroase (reactiv Fenton). Totodat s-a
demonstrat c fungii putregaiului brun secreta H2O2 i c lemnul conine suficient fier
pentru o posibil implicare a sistemului Fe2+-H202 in degragarea celulozei. Alte cercetri
au indicat c celuloza este oxidat de fapt n timpul atacului fungilor putregaiului brun
Poria placenta si ca acidul oxalic care este secretat de aceti fungi reduce Fe3+ prezent
normal n lemn la Fe2+, forma activ a reactivului Fenton. S-a propus un mecanism
descris n fig.20 pentru depolimerizarea celulozei de ctre fungii putregaiului brun si s-a
demonstrat degradarea celulozei marcate cu 14C de ctre Gloeophylium trabeum printr-
o membrana cu o limit de excludere molecular de 1000.
Depolimerizarea oxidativ iniial a celulozei deschide structura pereilor celulari
din lemn astfel nct enzimele celulolitice si hemicelulolitice s poat ajunge la
substraturile lor n ciuda prezenei ligninei.
Din cauz c fungii putregaiului alb secret de asemenea H202 este interesant c
ei nu polimerizeaza oxidativ celuloza. O explicaie ar putea fi ca ei posed oxalat
decarboxilaza, care descompune oxalatul, n timp ce fungii putregaiului brun aparent nu
o fac.
Fig.20 Schem ipotetic pentru degradarea oxidativ a celulozei de catre fungii putregaiului brun
3.3 BIODEGRADAEA HEMICELULOZELOR
3.3.1. MICROORGANISME SI ENZIME
Comparativ cu biodegradarea enzimatic a celulozei, biodegradarea
hemicelulazelor a fost mai puin studiata, deoarece glucoza, produsul degradrii
celulozei este mai valoroas ca materie prim, fa de compuii de degradare a
hemicelulozelor, care sunt mai neomogene din punct de vedere chimic si nu duc la
scindare hidrolitic la un singur produs.
Totui, hemicelulozele constituie componenta polizaharidic care se degradeaz
cel mai uor sub aciunea microorganismelor. In general, enzimele incluse n procesul
de hidroliz a hemicelulozelor sunt produse de aceleai microorganisme care
sintetizeaz si celuloza, cum ar fi fungiile: Myrothecium verrucaria, Aspergillus oryzae,
A.niger, A.Wentii ,A.terreus, Coniphora cerebella, Trichoderma reesei, Pennicilium
janthinellum si altele.
Experimentele privind coninutul de enzime care degradeaz hemicelulozele
efectuate pentru fungii: Asperqillus niqer, A.terreus si Trichoderma viride, au evideniat
c toate preparatele enzimatice obinute au n compoziie alturi de celulaze,
glicozidaz si enzime hemicelulazice. Dintre cele trei microorganisme considerate,
A.niger se distinge printr-un potenial mai ridicat de producere a hemicelulazelor.
Studiile de fracionare au evideniat in cazul microorganismului Asperqillus
sp.,existenta unui complex enzimatic (fig.21) n care s-a identificat o gama variata de
biocatalizatori.
Din aceste date,este posibil sa se deosebeasc dou grupe de enzime, n funcie
de masa lor molecular. Prima grup conine enzime cu dimensiuni moleculare mari,
cum ar fi: - glucozidaza, aril -- glucozidaza, manozidaza si xilozidaza. A doua grupa include mananaza, celulaza si xilanaza, care se caracterizeaz prin mase moleculare
mai mici. Aceasta difereniere este corelata cu modul de aciune a enzimelor.
Fig.21 Distribuia activittiilor enzimatice dup fracionarea pe
gel permeabil (Sephadex G -75) in dou coloane cuplate n serie. Volumul sistemului 1170
ml.Volumul fraciunii colectate 27 ml. 1-celulaz;2-mananaz;3- -glucozidaz;4-aril-- glucozidaz etc.
A doua categorie particip la degradarea structurilor polimere care pot fi uor
penetrate numai de molecule cu dimensiuni reduse. Prima grup de enzime acioneaz
preferenial asupra oligozaharidelor solubile rezultate n urma scindrii
macromoleculelor hemicelulozelor prin mecanisme ce vor fi discutate ulterior. Totodat
,prin determinarea punctelor izoelectrice s-au evideniat eterogeneiti ale unor
componente ale complexului enzimatic (celulaza, xilanaza si aril--glucozidaza).
Rezultatele obinute prin separare izoelectric arata c majoritatea enzimelor
investigate sunt proteine cu caracter acid, iar valoarea optim a pH-ului este aprox.4.
Eterogeneitatea complexelor enzimatice a fost semnalat si in cazul fungiilor
Trichoderma koningii la care au fost identificate dou endo - 1,4 --D - xilanaze care se difereniaz prin mase molare (29.000 pentru xilanaza 1 si 18.000 pentru xilanaza 2) si
puncte izoelectrice.
Fiecare din enzime scindeaz oligozaharide cu structur diferit din araboxilanul
din paiele de ovz, dar numai xilanaza 1 pune in libertate L-arabinoza si D-xiloza.
Fungii Trichoderma reesei sintetizeaz cel puin trei xilanaze cu mobilitate
electroforetic diferit. Enzimele sunt glicoproteine care conin 14 % hidrati de carbon
si prezint activitate fat de xilanul insolubil din mesteacn la pH = 4,0 - 5,0. Din
reacia de hidroliz rezult xiloza si xilooligozaharide.
Producerea de enzime hemicelulazice este in funcie de natura microorganismului
si a substratului pe care acesta se gsete. Substraturile celulozice (Solka-Flok si
Avicel) asociate cu galactomanan constituie un mediu prielnic pentru stimularea
fungiilor Trichoderma viride in formarea de xilanaza. Creteri semnificative ale
activitaiilor celulazelor si hemicelulazelor au fost observate intr-o fermentaie cu
structuri mixte de Trichoderma reesei si Aspergillus wentii,atunci cnd cel de-al doilea
microorganism se inoculeaz dup 15 ore. Sinteza enzimelor hemicelulazice poate fi
stimulat de prezenta unor substraturi specifice sau a unor produse cu caracter
inductor. De exemplu o polizaharid izolat din semine de Tamarindus indica s-a
dovedit a fi convenabil ca substrat pentru fungii Asperqillus terreus, in experimentele
de producere a enzimelor celulazice si hemicelulazice. Pe de alt parte, tiocelobioza si
tioxilobioza au manifestat efecte de stimulare sau difereniere a enzimelor cu aciune
celulazic si hemicelulazic n cazul microorganismelor Trichoderma harzianum,
T.liqnorum si Sporotrichum dimerphosporum.
Unii compui aromatici (vanilina,guiacolul si acidul p - cumaric) introdui in
mediile de cultura (concentraii 1 mg/mL) in prezenta xilanului sau arabanului, suprima
complet sau inhiba creterea microorganismului Asperqillus japonicus.
Dup cum este cunoscut, in multe plante xilanul exist sub form acetilat.
Pentru o degradare completa a acestei polizaharide este necesar ndeprtarea
grupelor acetil, reactie care are loc sub aciunea unor esteraze specifice. Astfel, s-a
demonstrat c pentru hidroliza enzimatic complet a xilanului este necesar o aciune
sinergetic a esterazelor si xilanazelor, fr de care ar fi scindate numai un numr
limitat de legturi.
3.3.2 MECANISMUL HIDROLIZEI ENZIMATICE A HEMICELULOZELOR
Enzimele care acioneaz asupra hemicelulozelor fac parte din categoria
hidrolazelor si sunt denumite enzime hemicelulolitice sau hemicelulaze. Aceste glicani
hidrolaze degradeaz catenele principale ale poliozelor. Prin urmare, hemicelulazele
tipice sunt : - D - galactonaze, -D - mananaze si - D-xilanaze. Din aceast grup se exclud exoglicozidazele specifice cum ar fi: si , xilozidaze. Aceste enzime sunt capabile s hidrolizeze nu numai glicozidele cu mas molecular sczut ci si catenele
scurte,si s elibereze monozaharidele care reprezint ramificaii ale catenei principale
hemicelulozice. Actiunea glicozidazelor este necesar pentru a realiza hidroliza total a
hemicelulozelor pan la monozaharide, deoarece enzimele menionate acioneaz
sinergetic cu hemicelulazele.
Asemntor majoritii enzimelor care degradeaz polizaharidele, hemice-
lulazele acioneaz asupra substratului in dou moduri: exo- si endohidrolitic.
O exoenzim degradeaz poliozele prin separarea succesiv a unittiilor mono -sau
oligozaharidice, iar scindarea avanseaz n trepte, in mod obinuit de la captul
nereductor al catenei polizaharidice. Endoenzimele acioneaz ntr-c manier statistic
provocnd o hidroliza multipl care este nsoita de o scdere marcat a gradului de
polimerizare a substratului. Polimerul este astfel degradat progresiv n fragmente mai
scurte pan la produse ce numai pot fi scindate (in mod obinuit mono- si dizaharide).
Cile prin care enzimele fungale acioneaz asupra hemicelulozelor sunt
prezentate in fig.22 si cuprind urmtoarele etape: 1) atacul exoglicozidazelor ce
precede pe cel al hemicelulazelor (xilanaze, galactonaze si -mananaze); au ca efect separarea ramificaiilor cu deschiderea si expunerea catenei de glican pentru reacia
ulterioar. In acest mod, degradarea va avea loc mai uor, deoarece se reduce
mpiedicarea steric provocat de catenele laterale; 2)actiunea endohemicelulazelor
asupra catenei de glican neramificat sau cu un grad redus de ramificare. Din aceasta
reacie pot rezulta si oligozaharide cu structur mixt care ulterior sunt scindate att de
exoglicozidaze ct si de endohemicelulaze.
Figura 22 a
Fungii ce provoac degradarea lemnului secret enzime capabile s hidrolizeze o
varietate de substrate glucanice legate -1-4, de tip manan sau xilan ca si diferite glicozide. Enzimele corespunztoare celor trei grupe de microorganisme ce produc
degradarea lemnului par sa acioneze similar sau asemntor si altor microorganisme.
Endoglucanazele secretate de fungii putregaiului brun, alb si moale acioneaz
aparent intmpltor producnd produi oligomerici dimeri si cu grad mai mare de
polimerizare.
Figura 22 b
Fig.22 Modul de aciune a enzimelor hemicelulazice asupra: a) araboglucuronoxilanilor,
araboxilanilor/glucurono xilanilor;b) galactoglucomananilor;glucomananilor
Oligozaharidele substituite cu acid uronic sunt produse de substraturi
glucuronoxilanice. Nu au fost identificate enzime care sa catalizeze hidroliza legturii
xiloza - acid uronic. Din fungii putregaiului bruna fost purificat o mananaz ce
hidrolizeaza att legtura manoze - (1-4) - glucoza ct si legtura glucoza - (1-4) -
manoz. Un complex enzimatic cu multipl activitate glucan si glicozid hidrolitic a fost
pus n evident n fungul putregaiului brun Poria placenta.
Cu excepia acestui complex/care are o mas molecular de 185.000,
hemicelulazele (endoglucanazele) secretate de fungii ce provoac degradarea lemnului
au mase moleculare de 3-6. 1014 si toate au un pH optim acid.
Glucozidaze active asupra dizaharidelor derivate din hemicelulozele lemnului sunt
produse deasemenea de fungi ce degradeaz lemnul, pe cnd exohidrolaze ale
oligozaharidelor hemicelulozelor nu au fost evideniate.
O activitate hemicelulazic multipl a fost gsit si in filtratele culturilor fungilor
putregaiului alb si brun dup creterea pe o varietate de substraturi. Producia de
hemicelulaze difer pentru fungii putregaiului brun care manifest o bun activitate
hemicelulazica in timpul creterii pe zaharuri simple spre deosebire de fungii
putregaiului alb.
Producerea de enzime pe medii de cultur pe baz de zaharuri simple, poate fi
indus ca rspuns la degradarea substratului datorit constituenilor din pereii hifelor,
cum este cazul xilanazei produs de Stereum sanquinolentum. Hemicelulazele fungiilor
putregaiului moale Chaetomium qlobosum sunt aparent induse specific de substraturile
lor.
3.3 BIODEGRADAREA LIGHINEI
3.3.1 MICROORGANISME CD ACTIVITATE LIGNOLITICA
Datorita structurii tridimensionale a polimerului fenilpropanic, a diverselor
legaturi carbon - carbon si eterice ntre unitile monomere fenilpropanice care nu sunt
hidrolizabile rapid, lignina este considerabil mai rezistenta la degradarea microbiana n
comparaie cu polizaharidele si ali biopolimeri naturali. Cu toate acestea,
Basidioinycetele putregaiului alb cum ar fi Coriolus versicolor, Phanerochaete
chrysosporium si Phlebia radiata au fost gsite ca microorganisme tipice de degradare a
ligninei. Principalele grupe de microorganisme care degradeaz lignina sunt prezentate
n tabelul 1.
Din datele de literatura rezulta ca pentru biodegradarea ligninei sunt
recomandate fungiile putregaiului alb,care ns se difereniaz ntre ele prin capacitatea
de biotransformare a componenilor chimici principali ai lemnului.
Astfel, unele dintre microorganisme pot consuma in mod egal att polizaharidele
i lignina n timp ce altele degradeaz mai rapid acest din urm constituent. Pe de alta
parte, s-a constatat ca acelai microorganism nu poate aciona eficient asupra ligninei
din toate categoriile de materiale vegetale, fapt pentru care este necesar utilizarea
unor tulpini specifice pentru a realiza o degradare maxima a polimerului aromatic.
Tabel nr.1 Microrganisme care degradeaz lignina Microorganisme Substrat Metoda de apreciere a
gradului de biodegradare ACTINOMYCETE
Nocardia
Streptomyces
lignina sintetic tulpini de porumb esut floematic de conifere
I I
FUNGI IMPERFECI Fusarium
Paulospora Paecilomyces
lignina sintetica blocuri de lemn
II III
ASCOMYCETES Chaetomium
blocuri de lemn, lignina sintetica, tulpini de porumb
III
BASIDOMYCETES Collybia /Mycena
Coriolus Phanrochaete
Lentinus, Pleurotous Gloeophyllum
Poria Coniophora
sol de pdure blocuri de lemn lemn lignina sintetica
III III I
III IV I
I - transformarea ligninei marcate 14C in 14CO2; II - creterea pe lignina; III - bilanul de masa bazat pe determinarea gravimetric a ligninei; IV - analize chimice structurale.
In ultimii zece ani, chimia si biochimia biodegradarii ligninei de ctre
Basidiomycetele putregaiului alb au avansat mult pe dou ci complementare: 1)
analiza chimica a protoligninei degradate si 2) elucidarea mecanismului de degradare a
compuilor model de structura ligninic.
3.3.2 BIOCHIMIA DEGRADRII LIGHINEI
Transformrile chimice produse n procesul de biodegradare sunt complicate, pe
de o parte datorit aciunii particulare a fiecrui microorganism, iar pe de alta parte
datorit faptului c cea mai mare parte din legturile din lignina nu sunt
hidrolizabile,fragmentarea majoritii polimerilor naturali fiind hidrolitic. Cercetrile
ntreprinse asupra fungiilor putregaiului alb au relevat ca procesul de degradare este
oxidativ, c sistemul ligninolitic este nespecific, c nu este indus de lignin si c
depolimerizarea nu este o etapa iniiala obligatorie. Enzimele fenoloxidazice (lactaza si
peroxidaza) au fost considerate ca responsabile in procesul degradrii, ulterior, fiind
incluse si celobiozochinonoxidoreductaza si NAD (P) H: chinonoxidoreductaza, ceea ce a
permis si explicarea unor aspecte contradictorii in degradarea ligninei. Astfel, se
cunoate ca lacaza poate polimeriza alcoolul coniferilic pn la lignin, proces care
decurge prin intermediul chinonelor si radicalilor fenoxi. Celobiozo-
chinonooxidoreductaza, n prezenta celobiozei reduce chinonele si radicalii fenoxi
prevenind astfel procesul de polimerizare. In acest fel se explica si necesitatea
prezentei unei surse de tip hidrat de carbon drept cosubstrat n biodegradarea ligninei.
De asemenea, enzimele de tipul lacazei oxideaz acizii vanilic, vaniloil - formic si
guiacilpiruvic cu formarea de dioxid de carbon.
Analizele chimice ale ligninelor din lemnul degradat au indicat scderea
remarcabil a coninutului in grupe metoxil si ale substructurilor -O-4 si creterea coninutului in oxigen, in grupe carboxilice alifatice si aromatice (mai ales benzoice). In
timpul acestor procese pariale si secveniale de degradare a ligninei rezult compui
micromoleculari solubili. Produsele aromatice izolate din lemnul degradat si mediile de
cultur de la fungiile cultivate pe lignine separate au fost: acizii vanilic, ferulic, siringic,
p - hidroxibenzoic,p -hidroxi-cinamic si 3 - metoxi - 4 hidroxi-fenilpiruvic; vanilina,
aldehidele coniferilic, siringic, p-hidroxicinamic, guiacil glicerina, eterul sau beta -
coniferilic etc. Microorganismele solului care includ bacterii,drojdii si fungii asimileaz
uor aceti compui. Din analiza datelor de literatura se pot sistematiza urmtoarele
secvene de reacie in degradarea ligninei:
1-demetilarea cu formarea structurilor o-difenolice:
Eterii de tipul ArOCH3 sunt rezisteni la atacul hidrolitic si majoritatea fungiilor si
bacteriilor atac oxidativ aceste produse prin intermediul unei oxigenaze pentru a
genera fenolii corespunztori:
ArOCH3 + 02 + 2[H] H20 + [ArOCH2OH] ArOH + CH20 In fluidul extracelular al culturilor lignolitice de P.chrysosporium s-a identificat o
enzim care elibereaz metanolul din lignin si o - metoxifenoli via oxidare fenolic, iar
ulterior s-a evideniat modul n care se metabolizeaza produsul acestei reacii de
scindare.
2- hidroxilarea la C2 al nucleelor aromatice
3- scindarea nucleelor aromatice o-si m-hidroxil substituite cu formarea de grupe
carboxil alifatice
4- scindarea legaturilor C - C - din catena lateral (reacie de baz din care
rezulta produse alifatice si aromatice).
Dup unele ipoteze se considera c asemenea reacii au loc sub aciunea
enzimelor dioxigenaze care particip la scindarea legaturilor C-C din ciclurile
cumaronice, arilgliceril - arileterice si/sau aromatice. Oxidarea legaturilor C-C cu
formarea unei grupe carbonil la C si demetilarea nucleelor aromatice par a fi reacii
absolut necesare pentru ruperea legaturilor carbon - carbon din lignin. De asemenea
se considera ca trebuie s existe enzi-ne care catalizeaz fragmentarea legturii C-C
din catena lateral a unitii fenil - propanice. Astfel, s-a formulat ipoteza conform
creia pentru degradarea ligninei este esenial o oxidare nestereospecific, urmata de
o alta stereospecifica la nivelul catenei laterale, schema 1.
Pe baza datelor obinute la degradarea compuilor model ai ligninei de ctre
P.chrysosporium s-a stabilit c hidroxilarea la C are loc simultan cu, sau dup
scindarea legturii C-C si formarea unei aldehide la C. Utilizarea in studiile de
biodegradare a compuilor marcai cu tritiu in poziiile si ale catenei laterale a evideniat c aceste poziii sunt foarte mult afectate (pn la 20 - 30 %) prin reacii
radicalice catalizate de lacaz si peroxidaza.
Aceste enzime catalizeaz separarea unui electron de la grupele hidroxil fenolice
att din compuii model, cat si din lignin producnd radicali fenoxi care sufer o
varietate de reacii n plus fat de demetoxilare. Astfel, prin aciunea acestor
enzime se formeaz grupele -carbonilice. Importanta oxidarii la C este legat de reducerea complexitii sterice a polimerului ligninic, care devine astfel mai accesibil
atacului enzimatic. Lacaza si peroxidaza pot oxida in poziia alfa din unitile structurale
fenolice.
Aceste rezultate arat c descompunerea ligninei de ctre fungii putregaiului alb
ar fi iniiata de scindarea simultana att a catenei laterale, ct si a nucleelor aromatice
din polimerul ligninic.
O alt ipotez consider existenta unei dioxigenaze in fungii putregaiului alb care
ar cataliza oxigenoliza legturii C-C cu grupele deja formate prin reacii radicalice
nestereospecifice. Ipoteza presupune aciunea nestereospecific a sistemelor lacaz /O,
peroxidaza/ HO sau a altor specii radicalice de ex. anionul superoxid, produse de alte
sisteme enzimatice, care sunt mult mai avantajoase dect cele stereospecifice in atacul
structurilor asimetrice din polimerul aromatic. In favoarea acestui mecanism s-au adus
urmtoarele dovezi:
- coninutul de grupe -carbonilice este mai mare in lignina degradata de fungii putregaiului alb, dect in cea din lemnul sntos
- lignina degradat se caracterizeaz printr-un coninut ridicat de acid vanilic
legat
- in cazul compuilor model de tipul eterului guiacil-glicerol-- guiacilic/fenilcumarone si pinorezinol, fungii putregaiului alb scindeaz legtu
ra C-C, cu formare de acid vanilic, schema 2.
Schema 2
Conform acestei scheme, gruparea alcool benzilic din lignina este oxidata mai
nti enzimatic sau neenzimatic la cetone corespunztoare. Apoi catena laterala este
scindata ntre poziiile CC, prin intermediul mono- sau dioxigenazelor n prezena oxigenului molecular (trepta 2). Astfel rezult lignina degradat ce conine ca unitate
final acidul vaniliec sau acidul glicoilvanilic care apoi pot fi eliberai prin hidroliza
(trepta 3). Acizii alifatici si aromatici simplii sunt ulterior metabolizai n natura de
multe microorganisme. Aldehida formic s-ar putea forma din grupa hidroximetil a
substratului ligninic dup oxidarea acidului glicolic la acid glioxalic (treapta 4) i apoi la
acid formic i CH0COOH (treapta 5) de ctre glicolatoxidaz si peroxidaz/H2O2. Acidul
formic poate fi redus la aldehida in prezenta NADH2 (treapta 6).
Astfel, reaciile de biodegradare a ligninei pot avea loc cu participarea unui
complex enzimatic alctuit din fenoloxidaze (I), oxigenaze (II) si hidrolaze (III),
schema 3.
Schema 3
In aceste condiii, pentru degradarea structurilor guiacil-gliceril--guiacil eterice sunt posibile trei trepte pentru fiecare rut pn cnd scindarea legturii arileterice este
complet pentru a regenera alt unitate fenolic care sa fie implicat n acelai proces.
ruta 1 A B C D ruta 2 A E C D ruta 3 B F C D
Conform acestei ipoteze se pot cunoate a priori intermediarii de reacie astfel
nct se poate proiecta o abordare experimental a degradrii enzimatice. Pe de alta
parte se pot preciza poziiile vulnerabile din lignina care sunt supuse atacului enzimelor
fenoloxidaze (I) si oxigenaze, schema 3.
Progrese semnificative in elucidarea biochimismului biodegradarii ligninei de
ctre fungii putregaiului alb s-au fcut in ultimii ani pe baza informaiilor obinute din
caracterizarea polimerului ligninic degradat, separat din lemnul tratat cu fungi, din
identificarea produselor cu mas molecular sczut rezultate din materialul
biodegradat si din elucidarea cilor de biotransformare a compuilor model ai ligninei.
Astfel, degradarea macrcmoleculelor de lignina de ctre fungii putregaiului alb
Phanerochaete chrysosporium include dou ci majore: ruperea legturii C - C din
catenele laterale si scindarea oxidativa a nucleelor aromatice. Prima reacie a fost
demonstrat prin identificarea unor derivai ai acidului benzoic, alcool benzilic si
aldehida benzoic ca produse de degradare fungal a ligninei si a compuilor model ai
acesteia. Enzima care catalizeaz aceast reacie acioneaz in prezenta apei
oxigenate, fiind deci o peroxidaz, denumita ligninaza. Folosind cromatografia de
schimb ionic a fost posibila separarea si caracterizarea enzimei care are o masa
moleculara de cca. 40.000 daltoni, conine 15 % hidrati de carbon si un hem
protoporfirinic n care este prezent manganul. Ligninaza catalizeaz si alte reacii cum
ar fi: oxidarea acoolilor benzilici la aldehide sau cetone, hidroxilarea grupei metilen
benzenice scindarea intradiolic a fenilglicolilor si oxidarea structurilor stiril la fenil
glicoli. De asemenea, s-a constatat ca enzima catalizeaz oxidarea 1,4 -dialcoxi-
benzenilor la alcanolii corespunztori si p-benzochinone. In toate aceste conversii s-au
stabilit ca intermediari aril radicalii cationi, ceea ce poate explica diversitatea
substraturilor si a produselor formate nu numai de ctre ligninaza ci si de culturile
lignolitice.
Studiile cinetice ale reaciei enzimatice au relevat ca ligninaza este o peroxidaz
adevrat si c ea acioneaz printr-un mecanism "ping - pong" care include o oxidare
iniiala a enzimei de ctre apa oxigenata, iar forma oxidata a acesteia acioneaz apoi
oxidativ asupra substratului.
Pe baza celor discutate anterior se poate imagina un mecanism in care se
evidenteaza modul de inducere si aciune a unor enzime implicate in degradata ligninei
(fig.23)
Fig.23 Schema unor mecanisme incluse n degradarea ligninei
O alta enzim, celobiozochinon oxidoreductaza catalizeaz oxidarea celobiozo-- lactonei cu transferul de elctroni de la chinone sau radicali fenoxi. Enzima nu este
necesar pentru degradarea ligninei, dar previne polimerizarea fenolilor i acumularea
chinonelor produse de fenoloxidaze. In acest fel degradarea ligninei este facilitat
indirect prin blocarea reaciilor secundare i reducerea chinonelor potenial inhibitoare.
Prezena acestei enzime n ciclul de reacii inclus n degradarea ligninei ar putea explica
si rolul hidrailor de carbon n aceste transformri si comportarea contradictorie a unor
oxidaze.
Pe de alt parte, funcie de modul n care se poate regla activitatea enzimelor se
pot realiza att procese de depolimerizare cat si de polimerizare. Acestea din urma,
sunt mai evidente n mediile lipsite de celuloz si confirm astfel importana prezenei
unui cosubstrat de tip hidrat de carbon alturi de lignin pentru a realiza transformarea
dorit.
Glucozoxidaza, o alt enzim care ia parte la metabolizarea hidrailor de carbon,
pare a fi de o important deosebit, deoarece poate furniza apa oxigenat necesar
degradrii ligninei:
Glucoza 2-cetoglucoza + CO2 (in prezenta Glucoz-2-oxidaza) In aceste condiii, glucozoxidaza coopereaz cu celelalte enzime conform datelor
de literatur. Ansamblul datelor prezentate evideniaz complexitatea procesului de
biodegradare a ligninei
4. Materiale antiseptice pentru protecia lemnului
In general, duntorii naturali ai lemnului se pot clasifica dup cum urmeaz:
a) animale;
b) insecte;
c) duntori vegetali
- bacterii
- mucegaiuri
- ciuperci, acionnd ca:
1. Ageni ai putrezirii lemnului n picioare
2. Ageni ai putrezirii lemnului n depozite
3. Ageni ai putrezirii lemnului din construcii.
Dintre acetia, bacteriile i mucegaiurile au o importan secundar, iar
agenii de putrezire a lemnului n picioare, apar numai parazitar pe pe arborele viu.
Ceilali factori ns, i n special agenii de putrezire ai lemnului n depozite i n
construcii de lemn, provocnd pagube uriae.
Dup natura aciunii lor substanele antiseptice se mpart n:
a) Insecticide distrug insectele
b) Ovicide distrug ouale insectelor
c) Fungicide distrug ciupercile
d) Ierbicide distrug ierburile
Dup compoziia chimic avem:
a) antiseptice organice
b) antiseptice anorganice
c) antiseptice combinate.
n funcie de metodele de aplicare, agenii de protecie a lemnului pot fi
mprii n urmtoarele grupe:
a) Uleiuri obinute din gudron de huil (creozot)
b) Uleiuri obinute din gudron de lignit
c) Ali ageni uleioi
d) Preparate pe baz de clornaftalin
e) Preparate de uleiuri i sruri, emulsii
f) Fluoruri ale metalelor alcaline
g) Sare tip U (nevolatil), sare tip UA
h) Compui ai zincului
i) Clorur mercuric
Pentru alegerea agenilor de protecie ai lemnului de o importan
hotrtoare sunt urmtorii factori:
a) Special lemnului
b) Umiditatea i starea de sntate a lemnului
c) Felul utilizrii
d) Gradul de periclitate al materialului
e) Metodele de impregnare
4.1. Mecanismul de aciune a antisepticelor asupra duntorilor
naturali
Ciupercile care provoac degradarea lemnului prin albstrire, putrezire alb,
putrezire brun, acoperindu-l cu diferite mucegaiuri, cauzeaz lemnului importante
pagube.
n privina aciunii antisepticelor asupra celulelor vii, au fost emise
numeroase ipoteze.
Unele din acestea au stabilit c aciunea substanelor care opresc dezvoltarea
ciupercilor, ncep nainte de a fi distrus protoplasma celulelor vii. Acest fenomen se
poate explica prin faptul c substanele toxice, inactiveaz vitaminele necesare
activitii vitale a organismelor; inactiveaz fermenii specifici, impiedic mersul
normal al produselor de oxidare sau, invers, oxideaz zaharurile sau alte surse de
energie, ducnd la uciderea ciupercilor prin foame.
Alte ipoteze explic sporirea toxicitii antisepticelor prin introducerea unui
grup asimilabil n molecula acestora. Astfe