Stop biodeterioracji – szybka detekcja aktywnych grzybów pleśniowych

Doniesienia naukowe
2019-05-27
lubie to symbol 0 udostepnij symbol 0

Stop biodeterioracji – szybka detekcja aktywnych grzybów pleśniowych

Rozwój gospodarczy, postępy osiągane w nauce oraz transformacja nowoczesnych technologii w połączeniu z konsumpcjonistycznym podejściem do życia sprzyjają masowemu wzrostowi produkcji dóbr materialnych. Zagrożeniem dla trwałości przedmiotów są zniszczenia

Przedmioty codziennego użytku, żywność, kosmetyki czy sprzęt elektroniczny podlegają naturalnym procesom niszczenia, które są spowodowane działaniem zarówno czynników środowiskowych takich, jak: temperatura, wilgotność względna, promieniowanie, zanieczyszczenie środowiska, mikroorganizmy, jak i czynników wewnętrznych, do których należy zaliczyć np. związki chemiczne wchodzące w skład produktu. Większość wymienionych czynników powoduje zmiany właściwości fizykochemicznych produktów, natomiast mikroorganizmy powodują ich niszczenie, w drodze procesu nazywanego biodeterioracją.

Przedmioty codziennego użytku, żywność, kosmetyki czy sprzęt elektroniczny podlegają naturalnym procesom niszczenia.

Biodeterioracja

Biodeterioracja, będąca konsekwencją aktywności metabolicznej mikroorganizmów, jest poważnym zagrożeniem dla trwałości różnych produktów. Zarówno bakterie, jak i grzyby pleśniowe, w sprzyjających warunkach mikroklimatu, mogą rozwijać się w miejscu przechowywania produktów oraz w nich samych. Zniszczenia spowodowane działaniem mikroorganizmów mają różny charakter. Mogą obejmować zmiany w wyglądzie produktów, np. zmianę barwy, czy pojawienie się charakterystycznej, widocznej grzybni, ale mogą być również znacznie poważniejsze i doprowadzić do osłabienia struktury materiałów, np. drewna.
Oznacza to, że postępująca biodeterioracja prowadzi do obniżenia wartości towaru lub do jej całkowitej utraty. 
Dokładne wyliczenie strat wynikających z niszczącego działania mikroorganizmów jest bardzo trudne. Przegląd literatury wskazuje, że straty spowodowane przez mikroorganizmy odnotowywane są w wielu gałęziach przemysłu.

Statystyki podawane dla rynku niemieckiego wskazują, że biodeterioracja samych materiałów budowalnych przynosi straty w budownictwie sięgające corocznie 20 mln Euro. Innym przykładem, opisującym wysokość strat poniesionych w wyniku niszczącej działalności mikroorganizmów, może być zdarzenie, które miało miejsce w kanadyjskim Muzeum Nauki i Techniki. Muzeum zostało zamknięte w 2014 roku z powodu rozwoju grzybów pleśniowych na całej powierzchni poddasza, po zalaniu spowodowanym nieszczelnością dachu. Koszty renowacji budynku oszacowano na 80 mln dolarów kanadyjskich. Przytoczone sytuacje obrazują przykładową wartość zasięgu strat ekonomicznych, spowodowanych niszczącą działalnością mikroorganizmów.

Przyjmuje się obecnie, że straty w polskiej gospodarce spowodowane niszczącą działalnością mikroorganizmów sięgają 5% PKB.

Szybka identyfikacja zagrożenia

Bez wątpienia klasyczne badania mikrobiologiczne pozwalają na zidentyfikowanie i ocenę zagrożenia mikrobiologicznego i związanej z nim biodeterioracji. Trzeba jednak przyznać, że klasyczne metody hodowlane są długotrwałe, a następująca po hodowli identyfikacja mikroorganizmów jest bardzo żmudna. Dlatego uznano, że bardzo pomocna byłaby innowacyjna metoda pomiarowa umożliwiająca wczesne i szybkie wykrycie obecności aktywnych mikroorganizmów rozwijających się na produktach lub w miejscu ich przechowywania. Dzięki takiej metodzie można byłoby podjąć działania zapobiegawcze już w początkowej fazie rozwoju mikroorganizmów, a co za tym idzie zminimalizować straty materialne. Jak wspomniano powyżej proces biodeterioracji może być spowodowany aktywnością zarówno grzybów, jak i bakterii. Z uwagi na fakt, że bakterie potrzebują do rozwoju bardzo wysokiej zawartości wody w produkcie, w porównaniu z grzybami, można przyjąć, iż grzyby są częściej odpowiedzialne za biodeteriorację produktów, w szczególności produktów nieżywnościowych.
Metoda pomiarowa, która spełnia przedstawione powyżej wymagania, odnośnie szybkiej i wczesnej detekcji aktywnych grzybów pleśniowych, została opracowana w pracowni chemicznej Katedry Mikrobiologii WTiZP UEK w ramach projektu „Badania biodeterioracji obiektów zabytkowych na podstawie analizy lotnych związków organicznych emitowanych przez grzyby pleśniowe”, sfinansowanego przez Narodowe Centrum Nauki (2013-2016 r). Procedura ta oparta jest na pomiarach wykonywanych przy użyciu dwóch sprzężonych ze sobą technik: chromatografii gazowej i spektrometrii mas. Wymienione techniki są dobrze znane i od dawna stosowane w badaniach. Jednak w tym przypadku znalazły one całkowicie nowe zastosowanie. Wykorzystano je do pomiarów „zapachów pleśni”, czyli mieszaniny mikrobiologicznych lotnych związków organicznych (MLZO), które emitowane są przez żywe formy grzybów na każdym etapie ich rozwoju. Poprzez pomiar MLZO możliwe jest wykrycie ich aktywnych form, odpowiedzialnych za biodeteriorację. Zaletą tej metody jest przede wszystkim jej wysoka czułość, dokładność oraz znaczne skrócenie czasu analizy, w porównaniu do klasycznych mikrobiologicznych metod hodowlanych.

Jak to działa?

Sam pobór próbki jest prosty. W miejscu, co do którego istnieje podejrzenie obecności rozwijającej się pleśni, przykładane jest włókno, na końcu którego znajdują się trzy różne sorbenty, wychwytujące lotne związki organiczne z otoczenia. Po zakończeniu wyłapywania związków, włókno umieszcza się w chromatografie gazowym, w którym uwolnione z sorbentów związki ulegają rozdzieleniu, po czym trafiają do spektrometru mas, gdzie z kolei poddawane są analizie.

Wskaźniki aktywności grzybów pleśniowych

W trakcie prowadzonych badań udało się ustalić, że wśród około 150 lotnych związków organicznych, emitowanych przez różne gatunki grzybów pleśniowych rosnących na różnych materiałach organicznych, istnieją trzy grupy związków, wskazujących na aktywność biologiczną mikroorganizmów. Są to tzw. wskaźniki, bioindykatory aktywności metabolicznej pleśni. W sumie we wspomnianych trzech grupach wyróżniono około 12 związków, potwierdzających obecność aktywnej pleśni. To one pozwalają na ocenę ryzyka zniszczenia badanego materiału przez rozrastającą się pleśń. Obecność bioindykatorów świadczy o tym, że pleśń obecna w miejscu poboru próby jest w formie aktywnej, czyli zdolnej do wzrostu. Brak bioindykatorów wśród zbadanych związków wskazuje, że pleśń jest nieaktywna.

Ochrona zabytków

Po zakończeniu I fazy badań, w ramach których dopracowano i zoptymalizowano opisywaną metodę pomiarową, i które prowadzono w warunkach laboratoryjnych, przystąpiono do kolejnego etapu badań, tym razem realizowanych „w terenie”. Zaproponowana metoda została wykorzystana do zbadania dóbr materialnych o szczególnej wartości rynkowej, historycznej i społecznej – badania prowadzono bowiem na obiektach zabytkowych. 
W przypadku tych pomiarów pobór prób wyglądał podobnie. Włókno przykładano do miejsca, w którym stwierdzono „podejrzany” zapach, lub w którym pojawiła się zmiana, wskazująca na możliwość rozwoju pleśni na badanym obiekcie zabytkowym. 
Na podstawie tego pomiaru możliwym było udzielenie odpowiedzi na pytanie konserwatora: czy zmiana, którą widzi na powierzchni np. kartki starodruku, tkaniny jedwabnej czy pergaminu, to aktywny grzyb, który będzie niszczył obiekt; czy jest to grzyb nieaktywny i nie ma potrzeby interwencji i dezynfekcji. W niektórych przypadkach, np. tkanin jedwabnych, taka dezynfekcja jest bardzo niekorzystna i wręcz pogłębia stopnień zniszczenia tkaniny. 
W ciągu dwóch lat przy użyciu opracowanej metody przebadano różne zabytki w wielu miejscach w Polsce, m.in. w 23 krakowskich kościołach i klasztorach. Badano różne obiekty – od pergaminów, jedwabnych i wełnianych tkanin, do starodruków, na których występowały zmiany wskazujące na obecność pleśni. Sprawdzano, czy pleśń na każdym z tych obiektów jest aktywna, czy też nie. 
Podczas prac nad koncepcją podjęto współpracę m.in. z Muzeum Narodowym w Krakowie; Muzeum Katedralnym na Wawelu; Akademią Sztuk Pięknych w Warszawie; Wydziałem Sztuk Pięknych w UMK; University Collage of London; Departamentem Badań Geologicznych Ministerstwa Infrastruktury Narodowej w Izraelu. Opracowane rozwiązanie, choć można je traktować jako nowe, cieszy się dużym zaufaniem archiwistów i konserwatorów sztuki. Zostało dopuszczone do wachlarza metod, jakimi badano teczki TW “Bolka”, po przeniesieniu ich do siedziby IPN w Warszawie. Zastosowano je również w badaniach obrazu Leonarda da Vinci, „Dama z gronostajem”.

Narzędzie szybkiej detekcji zagrożenia

Można stwierdzić, że lotne wskaźniki aktywności grzybów pleśniowych są uniwersalnym probierzem obecności aktywnych grzybów, ponieważ są one emitowane przez różne gatunki, niezależnie od rodzaju materiału, na którym rosną. Tym samym stworzono narzędzie wczesnego wykrycia zagrożenia mikrobiologicznego, związanego z niszczącym działaniem grzybów pleśniowych. Metoda ta pozwala szybko zidentyfikować proces biodeterioracji, dzięki czemu działania zapobiegawcze mogą być podjęte odpowiednio wcześnie co pozwala ograniczyć straty materialne.

Autor: dr hab. Tomasz Sawoszczuk

  • Katedra Mikrobiologii
  • Wydział Towaroznawstwa i Zarządzania Produktem
  • Uniwersytet Ekonomiczny w Krakowie

O autorze

Redakcja uniwersytetu ekonomicznego