INCD URBAN-INCERC: Solutii inovatoare sustenabile favorabile implementarii tehnologiilor emergente cu impact transversal asupra industriilor locale prin dezvoltarea de materiale compozite avansate, eco-inteligente, in contextul dezvoltarii durabile a mediului construit (III)

(continuare din nr. 216 – august 2024)

STUDIU PRIVIND STADIUL ACTUAL AL CUNOASTERII IN DOMENIU, DIN PUNCT DE VEDERE AL PERFORMANTELOR FIZICO-MECANICE, DE DURABILITATE SI DE REZISTENTA LA SOLICITARE BIOLOGICA

Peste tot in lume exista o schimbare a stilului de viata al populatiei, multe dintre activitatile de zi cu zi mutandu-se din spatiul exterior in spatiul interior (Haleem Khan si Karuppayil, 2012). In prezent, se cunoaste ca dezvoltarea microorganismelor (mucegaiuri, bacterii, virusi, alge, licheni, acarieni) pe suprafetele constructiilor are efecte negative, pe de o parte asupra sanatatii populatiei, mai ales daca dezvoltarea are loc pe suprafetele interioare, iar, pe de alta parte, asupra sanatatii constructiilor, determinand, pe langa un aspect neplacut, costuri pentru intretinere si reparatii. Deja este cunoscuta existenta unui asa-numit „sindrom al cladirii bolnave (SBS)” care se manifesta la populatia care isi desfasoara activitatea, partial sau total, in interiorul unor cladiri afectate de mucegai sau colonii de bacterii (Haleem Khan si Karuppayil, 2012; Ebbehoj et al., 2002; Zeliger, 2003).

Sporii de mucegai sunt omniprezenti si se dezvolta cu usurinta pe orice fel de suprafete, mai ales daca au conditii propice de temperatura si umiditate: minimum 75% umiditate ambientala si 0 ‒ +50°C (Viitanen et al., 2007). Dezvoltandu-se pe suprafetele interioare, aceste mucegaiuri elibereaza spori in aerul interior si pot produce afectiuni ale sistemului respirator, reumatologice sau ale pielii, dar nu numai. 600 de tipuri de mucegai sunt identificate ca fiind posibil in contact cu oamenii, dintre acestea, 50 mai frecvente (Phipatanakul, 2003; Khan et al., 2009; Khan, 2009; Khan si Karuppayil, 2010, 2011). Conform studiilor, cel mai des intalnite tipuri de mucegai sunt din familiile Alternaria, Aspergillius, Cladosporium si Penicillium (Haleem Khan si Karuppayil, 2012; Samet si Spengler, 2003; Sailer et al., 2010; Thacker, 2004; Doherty et al., 2011; James et al., 2007).

Cercetarile in domeniu au mai aratat ca 15% ‒ 40% dintre cladirile de locuit din America de Nord si nordul Europei sufera din cauza problemelor de dezvoltare a mucegaiurilor (Andersen et al., 2011).

Dezvoltarea mucegaiurilor pe suprafetele constructiilor este influentata de numerosi factori, dintre care conditiile de mediu, nutrientii existenti, disponibilitatea si concentratia sporilor sunt cele mai cuprinzatoare categorii (Moon si Augenbroe, 2005; Moon, 2005; Moon si Augenbroe, 2004). Conform cercetarilor (Moon si Augenbroe, 2005; Morris, 1991), exista 5 parametri dominanti luati in calcul in modelarile matematice ale fenomenului, care cu certitudine influenteaza dezvoltarea mucegaiurilor pe suprafetele constructiilor: coeficientul de debit masic de aer, sursa de umiditate, coeficientul de transfer exterior de caldura prin convectivitate, expunerea la vant si conductivitatea izolatiei.

Pornind de la premisele si contextul principiilor conceptelor de Dezvoltare Durabila si Economie Circulara, studiul de fata prezinta o sinteza a cercetarilor in domeniul dezvoltarii unor materiale de interes, de tip compozite cementoase sau geopolimeri activati alcalin. Pentru fiecare dintre acestea, pe baza literaturii de specialitate, s-a analizat influenta unor factori de natura compozitionala sau tehnologica asupra performantelor fizico-mecanice, capacitatii de autocuratare si capacitatii biocide obtinute. Rezultatele cercetarii efectuate indica interesul real si in continua crestere pentru dezvoltarea acestor materiale, dar si existenta unor elemente inca controversate sau insuficient analizate, prin urmare concluzionandu-se necesitatea continuarii cercetarilor in aceste domenii.

In anul 1985, s-a demonstrat pentru prima data mecanismul fotocatalitic de ucidere a celulelor de Saccharomyces cerevisiae (drojdie), Lactobacillus acidophilus si Escherichia coli (bacterii) si Chlorella vulgaris (alge verzi) in apa tratata cu nanoparticule de TiO₂ (Matsunaga, 1985; Matsunaga et al. 1985).

In prezent se cunoaste ca mecanismul biocid si capacitatea de autocuratare a suprafetelor compozite cu continut de nanoparticule de TiO₂ este rezultatul a doua mecanisme, cel de superhidrofilitate si cel de degradare, distrugere a moleculelor de natura organica, deci, implicit, a celulelor microorganismelor, acestea avand o structura de natura organica (Zailan et al., 2017).

Daca, in cazul substantelor anorganice care adera pe suprafata compozita, este suficient mecanismul de superhidrofilitate pentru manifestarea capacitatii de autocuratare (pelicula de apa preia si spala particulele anorganice de pe suprafata compozita), in cazul substantelor organice, al moleculelor organice cu volum mare si in cazul celulelor microorganismelor, este necesar ca aceasta superhidrofilitate sa fie completata de capacitatea de degradare a moleculelor organice si / sau celulelor.

Concomitent cu dezvoltarea superhidrofilitatii, folosindu-se energia furnizata de radiatia UV, mai mare decat diferenta de banda de valenta a TiO₂, sunt generate perechi de electroni (e-) si vacante (h⁺), care reactioneaza cu O₂ si H₂O, formand radicali anionici (O₂^–) si (OH). Aceste specii oxidative (h⁺, (O₂^–) si (OH)) sunt toate extrem de reactive, contribuind la distrugerea celulelor microorganismelor conform unei succesiuni de reactii chimice (fig. 1). Acest mecanism de distrugere a celulei organice se cumuleaza cu mecanismul de superhidrofilitate specific suprafetelor compozitelor cementoase imbogatite cu nanoparticule de TiO₂, astfel ca, dupa initierea distrugerii la nivel celular, reziduul organic, inca nedegradat complet la CO₂ si H₂O, poate fi mai rapid si mai usor indepartat de pe suprafata prin simpla spalare (in conditii de ploaie), ceea ce conduce la cresterea performantelor din punct de vedere al gradului de siguranta si igiena a suprafetelor.

Fig. 1: Reprezentarea schematica a mecanismului de degradare si distrugere a celulelor microorganismelor

In ceea ce priveste compozitiile cementoase imbogatire cu 3%, respectiv 5%, nanoparticule de TiO₂, s-a demonstrat ca rata de viabilitate a bacteriilor E-coli se reduce, dupa 24 de ore, cu 60%, respectiv cu 70%, comparativ cu situatia lipsei nanoparticulelor de TiO₂, conform studiului raportat de Hamdany. Explicatia acestei capacitati ar fi, in conformitate si cu raportarile facure de Daly et al., Carre et al. si Kubacka et al., ca, prin formarea de radicali liberi si anioni puternic oxidati prin fotoactivarea nano-TiO₂ (OH^● si O₂^–), la nivel celular membrana celulara este rupta iar componente plasmatice precum AND, ARN, lipide, proteine sunt distruse.

In cadrul cercetarilor efectuate la INCD URBAN-INCERC Sucursala Cluj-Napoca, compozitul cementos s-a turnat in tipare, obtinand-se placi dreptunghiulare din care s-au extras epruvete sub forma de discuri cu diametrul de 17,4 mm, sau placute cu dimensiunile 24 mm x 30 mm. Aceste epruvete au fost supuse fotoactivarii prin mentinere timp de 24 h sub actiunea razelor UV, utilizand o sursa de lumina cu emisie in spectrul 400-315 nm, corespunzator benzii UVA, amplasata la distanta de 10 cm deasupra suprafetei epruvetelor, ceea ce a determinat o intensitate a fluxului luminos de 860 lux.

Concomitent, au fost pregatite vase Petri, φ 9 cm, in care s-a plasat subtrat nutritiv de Potato Dextrose Agar (PDA), cunoscut ca fiind mediu propice pentru cresterea culturilor de mucegai. Substratul nutritiv PDA a fost preparat prin dizolvarea substrantei deshidratate in apa fierbinte (39 g/l) si turnarea solutiei astfel obtinute in vasul Petri. Dupa racirea si intarirea solutiei de PDA, vasele Petri au fost amplasate in instalatia de raze UV pentru sterilizare.

Pentru testarea rezistentei la actiunea mucegaiurilor s-au utilizat solutii de spori de Penicillium expansum, respectiv de Aspergillius Niger. Aceste solutii s-au preparat prin recoltarea din culturile de mucegai si introducerea a 2 anse 10 μl material biologic in 1 ml apa distilata.

In fiecare vas Petri cu substrat nutritiv de PDA, sterilizat, s-a aplicat 1,5 ml suspensie de spori de mucegai care s-a distribuit astfel incat sa fie acoperita toata suprafata de PDA, dupa care s-a amplasat central epruveta de compozit cementos cu adaos de nanoparticule, fotoactivata, in conditii de manipulare care nu au permis contaminarea incrucisata a sistemului. Ulterior, pe epruveta de compozit cementos, s-au mai aplicat 0,5 ml suspensie de spori si s-a amplast capacul vasului Petri, intregul sistem fiind izolat pe margine cu banda de etansare pentru a nu permite contaminarea incrucisata.

Sistemele de crestere astfel pregatite au fost amplasate in conditii de laborator. La intervale regulate de timp (24 h) probele au fost examinate vizual si microscopic pentru identificarea semnelor de crestere / dezvoltare a materialului biologic si s-a urmarit dezvoltarea haloului de inhibitie, inregistrandu-se diametrul acestuia (D), respectiv distanta de la marginea epruvetei de compozit cementos pana la marginea exterioara a haloului de inhibitie (d).

Rezultatele obtinute experimental privind comportarea compozitelor cementoase cu adaos de TiO₂ in mediu contaminat cu spori de Penicillium expansum sunt prezentate in fig. 2 si 3. Evolutia spectului vizual al probelor este ilustrata in fig. 4.

Fig. 2: Diametrul haloului de inhibitie (D) in conditii de contaminare cu Penicillium Expansum

Fig. 3: Reducerea diametrului haloului de inhibitie in timp (%), RDT in conditii de contaminare cu Penicillium Expansum

Fig. 4: Examinare vizuala privind comportarea matricilor compozite cementoase expuse in mediu contaminat cu spori de Penicilium expansum

Rezultatele obtinute experimental privind comportarea compozitelor cementoase cu adaos de TiO₂ in mediu contaminat cu spori de Aspergillius niger sunt prezentate in fig. 5 si 6. Evolutia spectrului vizual este redata in fig. 7.

Fig. 5: Diametrul haloului de inhibitie (D) in conditii de contaminare cu Aspergillius Niger

Fig. 6: Reducerea diametrului haloului de inhibitie in timp (%), RDT in conditii de contaminare cu Aspergillius Niger

Fig. 7: Examinare vizuala privind comportarea matricilor compozite cementoase expuse in mediu contaminat cu spori Aspergillius niger

(va urma)

BIBLIOGRAFIE

[1] Andersen, B.; Frisvad, J.C.; Søndergaard, I.; Rasmussen, I.S.; Larsen, L.S. (2011). Associations between Fungal Species and Water-Damaged Building Materials. Applied and Environmental Microbiology 77(12), 4180–4188;

[2] Carre, G.; Estner, M.; Gies, J.-P.; Andre, P.; Hamon, E.; Ennahar, S.; Keller, V.; Keller, N.; Lett, M.-C.; Horvatovich, P. (2014). TiO₂ Photocatalysis Damages Lipids and Proteins in Escherichia coli. Appl. Environ. Microbiol. 80, 2573–2581;

[3] Daly, M.J.; Gaidamakova, E.K.; Matrosova, V.Y.; Vasilenko, A.; Zhai, M.; Leapman, R.D.; Lai, B.; Ravel, B.; Li, S.-M.W.; Kemner, K.M.; Fredrickson, J.K. (2007). Protein Oxidation Implicated as the Primary Determinant of Bacterial Radioresistance. PLOS Biol. 5, 92;

[4] Davidson, H.; Poon, M.; Saunders, R.; Shapiro, I.M.; Hickok, N.J.; Adams, C.S. (2015). Tetracycline tethered to titanium inhibits colonization by Gram-negative bacteria. J. Biomed. Mater. Res. B Appl. Biomater. 103, 1381–1389;

[5] Doherty, W.O.S.; Mousavioun, P.; Fellows, C.M. (2011). Value-adding to cellulosic ethanol: Lignin polymers. Industrial Crops and products 33(2), 259–276;

[6] Ebbehoj, N.E.; Hansen, M.O.; Sigsgaard, T.; Larsen, L. (2002). Building-related symptoms and molds: a two-step intervention study. Indoor Air 12, 273–277;

[7] Haleem Khan, A.A.; Mohan Karuppayil, S. (2012). Fungal pollution of indoor environments and its management. Saudi J. Biol. Sci. 19, 405–426;

[8] James, M.; Seltzer, M.D.; Marion, J.; Fedoruk, M.D. (2007). Health Effects of Mold in Children. Pediatr. Clin. N. Am. 54, 309–333;

[9] Khan, A.A.H. (2009). Studies on Indoor Fungi and Their Control (Thesis). Department of Biotechnology, School of Life Sciences, Swami Ramanand Teerth Marathwada University, Nanded;

[10] Khan, A.A.H.; Karuppayil, S.M. (2010). Potential natural disinfectants for indoor environments. International Journal of Clinical Aromatherapy 7, 1–5;

[11] Khan, A.A.H.; Karuppayil, S.M. (2011). Practices contributing to biotic pollution in Air-conditioned indoor environments. Aerobiologia 27, 85–89;

[12] Kubacka, A.; Diez, M.S.; Rojo, D.; Bargiela, R.; Ciordia, S.; Zapico, I.; Albar, J.P.; Barbas, C.; Martins dos Santos, V.A.P.; Fernandez-Garcia, M.; Ferrer, M. (2014). Understanding the antimicrobial mechanism of TiO₂-based nanocomposite films in a pathogenic bacterium. Sci. Rep. 4, 4134;

[13] Lorenzetti, M.; Dogsa, I.; Stosicki, T.; Stopar, D.; Kalin, M.; Kobe, S.; Novak, S. (2015). The Influence of Surface Modification on Bacterial Adhesion to Titanium-Based Substrates. ACS Appl. Mater. Interfaces 7, 1644-1651.Matsunaga et al. 1985;

[14] Matusunga, T. (1985). Sterilization with particulate photosemiconductor. J. Antibact. Antifung. Agents 13, 211–220;

[15] Moon, H.J. (2005). Assessing Mold Risks in Buildings under Uncertainty (Thesis). College of Architecture. Georgia Institute of Technology, Atlanta;

[16] Moon, H.J.; Augenbroe, G. (2004). Towards a practical mold growth risk indicator. Building services engineering research & Technology 25(4), 317-326;

[17] Moon, H.J.; Augenbroe, G. (2005). A mixed simulation approach to analyze mold growth under uncertainty. Ninth International IBPSA Conference, Montréal, Canada August 15-18, 2005;

[18] Morris, M.D. (1991). Factorial Sampling Plans for Preliminary Computational Experiments. Technometrics, 33(2), 161-174;

[19] Peng, Z.; Ni, J.; Zheng, K.; Shen, Y.; Wang, X.; He, G.; Jin, S.; Tang, T. (2013). Dual effects and mechanism of TiO₂ nanotube arrays in reducing bacterial colonization and enhancing C3H10T1/2 cell adhesion. Int. J. Nanomedicine 8, 3093–3105.Phipatanakul, 2003;

[20] Sailer, M.F.; van Nieuwenhuijzen, E.J.; Knol, W. (2010). Forming of a functional biofilm on wood surfaces. Ecological Engineering 36(2), 163–167;

[21] Samet, J.M.; Spengler, J.D. (2003). Indoor environments and health: Moving into the 21^st century. American Journal of Public Health 93(9), 1489–1493;

[22] Thacker, P.D. (2004). Airborne mycotoxins discovered in moldy buildings. Environmental Science Technology 38(15), 282A;

[23] Viitanen, H.; Ritschkoff, A.C.; Ojanen, T.; Salonvaara, M. (2015). Moisture conditions and biodeterioration risk of building materials and structure;

[24] Zailan, S.N.; Mahmed, N.; Al Bakri Abdullah, M.M.; Sandu, A.V.; Shahedan, N.F. (2017). Review on Characterization and Mechanical Performance of Self-cleaning Concrete. MATEC Web Conf. 97, 01022;

[25] Zeliger, H.I. (2003). Toxic effects of chemical mixtures. Archives of Environmental Health: An International Journal 58(1), 23–29.

Autor:

dr. ing. Adrian-Victor LAZARESCU – CS II, INCD URBAN-INCERC, Sucursala Cluj-Napoca

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 220 – decembrie 2024, pag. 151-153