A barna rothadás lebomlásának hatása a kínai nyár tömegének veszteségére és nyomószilárdságára

A barna rothadás lebomlásának hatása a kínai nyár (Populus simonii) tömegveszteségére és nyomószilárdságára

Jeffrey J. Morrell 3

1 Mérnöki és Technológiai Főiskola, Északkeleti Erdészeti Egyetem, Harbin, Kína

2 Oregoni Állami Egyetem Fatudományi és Mérnöki Tanszék. Oregon, USA

3 Nemzeti Faanyagtarthatósági és Design Életközpont, Sunshine Coast Egyetem, Queensland, Ausztrália

A nyárfajok fáját általában rothadásra érzékelik, a nyárat azonban továbbra is széles körben használják oszlopként a hagyományos kínai épületekben. Annak megértése, hogy a bomlás hogyan befolyásolja ennek az anyagnak a nyomó tulajdonságait, segít a mérnököknek a fa állapotának jobb felmérésében a rutinvizsgálat és karbantartás során. A bomlás hatásait a kínai nyár nyomó tulajdonságaira barna rothadásgátló gomba (Gloeophyllum trabeum) segítségével tártuk fel. A nyomószilárdság változása meglehetősen lineáris volt, és szorosabban korrelált a tömegveszteséggel (R 2 = 0,75). Az eredmények arra utalnak, hogy a maradék nyomószilárdság nagyjából megjósolható a fasűrűség helyett, mint helyettesítő intézkedés.

Kulcsszavak: Biodegradáció; bomlási gombák; Gloeophyllum trabeum; mechanikai tulajdonságok; Populus simonii.

A bomlási gombák a pusztulás korai szakaszában mélyen befolyásolhatják a fa tulajdonságait. Az 1-3% -os tömegveszteség a hajlítószilárdság veszteségét megközelíti a 60-80% -ot (Wilcox 1978, Yang et al. 2006). A barna rothadásgombák általában a fa szilárdsági tulajdonságainak gyorsabb elvesztésével járnak, mint a fehér rothadásgombák, mivel képesek véletlenszerűen hasítani a cellulózláncokat jóval a gomba növekedése előtt (Zabel és Morrell 1992). A hajlítás és a szakítószilárdság a gomba támadásának fa tulajdonságaira gyakorolt hatásainak értékeléséhez általában használt tulajdonságok közé tartozik; de a fát számos rakodási helyzetben használják, ahol más tulajdonságok fontosak (Jin és mtsai 1988, Curling és mtsai 2002, Ge és mtsai 2016, Liese és Stamer 1934 (idézi Brische és mtsai 2008), Malda és mtsai. 2015, Winandy és Morrell 1993, Witomski et al. 2016).

A faragókat gyakran használják olyan oszlopokban, ahol a nyomó- és hajlító tulajdonságok egyaránt fontosak (Forest Products Laboratory 2010). A feszültségtől vagy a hajlítószilárdságtól eltérően a nyomószilárdság általában szorosabban kapcsolódik a sűrűséghez, ezért szorosabban összefüggésben kell állnia a tömegveszteséggel (Forest Products Laboratory 2010). Ez kevésbé fontosá tenné a fehér és barna rothadásgombák bomlási stratégiai különbségeit. A barna rothadásgombáknak a cellulóz depolimerizációjára való hajlamának azonban más, finomabb hatása lehet a nyomószilárdságra (Jin és mtsai 1988).

A nyárfákat általában Észak-Kínában ültetik, ahol gyors növekedésük és a zord körülményeknek való ellenállóképességük vonzó fajokká teszi őket az erdőfelújítás érdekében. A nyárfákat általában nem tartósnak tartják, de hosszú múltra tekintenek vissza oszlopként a hagyományos kínai szerkezetekben, ahol talajjal érintkezés nélkül vannak kitéve és általában védve vannak a nedvesedéstől. A bomlás azonban előfordul ezekben a szerkezetekben, és fontos megérteni, hogy a gombák hogyan befolyásolják az oszlop tulajdonságait.

A projekt célja egy barna rothadásgomba nyomószilárdságra gyakorolt hatásának értékelése volt, párhuzamosan a kínai nyár (Populus simonii) szemével.

Anyagok és metódusok

A kínai nyárfa (Populus simonii, Carrière) példányainak kis tiszta gerendáit 1 m hosszú zöld rönkszakaszból vágták ki. A rönköt 1,3 méterrel a föld felett vágták ki egy 30 éves nyárfáról, amelyet a Dailing Forest-ből szedtek le a Grand Khingan-hegységben, Kína északkeleti részén. A levegőben szárított P. simonii 21 mintáját 20x20x50 mm hosszúra vágtuk. A mintákat kemencében szárítottuk (104 ° C), és lemértük (0,001 g pontossággal), majd 90 percig 121 ° C-on történő hevítéssel sterilizáltuk.

A bomlási kamrákat 15 g kínai nyárfűrészpor és 8,5 g kukoricaliszt hozzáadásával 150 g tiszta folyami homokhoz adtuk (AQSIQ SAC 2009a). Az elegyet egy 500 ml-es Erlenmeyer-lombikba tettük. Száz ml 9,4% malátakivonatot és 1 g finomítatlan nádcukrot tartalmazó keveréket adunk a homok keverékhez. Négy darab nyarat (20 x 20 x 5 mm hosszú), mindegyiknek egy kis lyukát fúrva a felületre, a homok felületére helyeztük, hogy táplálékcsíkként szolgáljanak a teszt gomba számára. A lombikokat szorosan illeszkedő pamutdugókkal lezártuk, majd 90 percig 121 ° C-on hevítettük és hagytuk lehűlni. A dugók korlátozták a szennyeződés kockázatát, de lehetővé tették bizonyos légcserét.

A tesztgombát (Gloeophyllum trabeum (Pers.ex. Fr.) Murr. (Isolate # 5,98 Northeast Forestry University, Harbin, Kína)) 1,5% burgonya-dextróz-agaron tenyésztettük, amíg teljesen el nem fedte a táptalaj felületét. az aktívan növekvő tenyészet széléről kivágtuk és a nyár etetőcsíkjaiba fúrt lyukakba helyeztük. A lombikokat lefedtük és 25 ° C-on és 70% relatív páratartalomban inkubáltuk, amíg a gomba el nem fedte az adagolócsík felületét. az adagolócsíkokra helyezzük (keresztmetszettel lefelé), és a lombikokat 25 ° C-on és 70% relatív páratartalom mellett inkubáljuk 15-90 napig.

A gombatámadásnak a fa tulajdonságaira gyakorolt hatását 15 napos időközönként értékeltük, nyolc vizsgálati mintát eltávolítva, amelyeket kemencében szárítottak és a korábban leírt módon lemértek. A tömegveszteség kiszámításához a kezdeti és a végső fogyás különbségét használtuk. Mindegyik blokk felső 20 mm-ét levágtuk, és a maradékot 23 ° C-on és 65% relatív páratartalom mellett állandó tömegig kondicionáltuk (hozzávetőlegesen 12% -os nedvességtartalomig). Az egyes blokkok fennmaradó részét mikroszkópos vizsgálatra használtuk.

A szemcsével párhuzamos tömörítést a GB/T 1935-2009 kínai szabványban (AQSIQ SAC 2009 b) leírt eljárásokkal értékeltük. Röviden, a mintát egy CMT-6305 tesztgépre (SUNS Company, Zhuhai, Kína) helyeztük, és a keresztmetszetet 10 mm/perc sebességgel terheltük. A terhelést és az elmozdulást folyamatosan rögzítettük, és a vizsgálatot addig folytattuk, amíg a minták elérték a hozamhatárt. A nyomószilárdságot ezután az 1. egyenlet felhasználásával számítottuk:

Ahol: σw a szemcsével párhuzamos nyomószilárdság a minta nedvességtartalmának w% -ában, MPa; P max a legnagyobb terhelés, N; b a próbatest szélessége, mm és t a próbatest mélysége, mm.

A nyomószilárdsági adatokat a 2. egyenlet segítségével állítottuk be:

Ahol σ12 a szemcsével párhuzamos nyomószilárdság a mintában a nedvességtartalom 12% -ánál, MPa; W a minták tényleges nedvességtartalma,%.

A bomlási gombának kitett fennmaradó 20 mm hosszú részt a gomba kolonizációjának vizsgálatára használtuk. A próbatestek belső végéből kis kockákat vágtak ki, osztályoztak alkoholos sorozatokon és végül penténbe áztatták. Hagytuk, hogy a pentén elpárologjon, és a száraz mintát porlasztva arany palládiummal vontuk be. A mintákat Quanta 200 Electron mikroszkóppal vizsgáltuk 10,0 kV gyorsítófeszültségen. Legalább 5 mezőt vizsgáltunk meg minden példány esetében. Ez a vizsgálat nem volt kvantitatív; csak annak meghatározására készült, hogy a gomba hol terjedt el leginkább a fasejtekben.

Eredmények és vita

A tömegveszteség átlagosan 2,14% volt 15 napos gombás expozíció után, és az inkubációs idővel folyamatosan nőtt, átlagosan 44% -os tömegveszteségre számított 90 nap után (1. táblázat).

1. táblázat: A G. trabeumnak való kitettség hatása a tömeges veszteségre és a nyomószilárdságra a kínai nyárminták szemcséivel párhuzamosan

a Az értékek 8 minta átlagát jelentik időponttal, míg a zárójelben lévő számok egy szórást mutatnak

A bomlási sebesség kezdetben lassú volt, 30 és 45 nap között jelentősen megnőtt, majd lassult. Ez a mintázat összhangban van a korábbi tesztekkel, ahol a tömegveszteség korlátozott, miközben a gomba szaporodik a szubsztráton, könnyen hozzáférhető cukrokat fogyasztva, majd lényegesebbé válik, amint a gomba aktívan lebontani kezdi a fa polimerjeit (Bari et al. 2017, Li et al. . 2018). A 90 nap elteltével tapasztalt tömegveszteségek összhangban voltak a kínai nyár ASTM D2017-2001 (ASTM 2001) szerinti gomba támadással szembeni ellenállóvá minősítésével is.

A nyomószilárdság nem változott szignifikánsan a gombáknak való kitettség 0-15 napja között. Míg ezek az eredmények arra engednek következtetni, hogy a gomba csekély hatással volt a tulajdonságokra, a korábbi eredmények egyértelműen szemléltetik ennek a gombának azt a tendenciáját, hogy a hajlító tulajdonságok éles csökkenését okozza (Yang és mtsai 2006). A 30 napos értékelésnél a nyomószilárdság közel 18% -kal csökkent, ami azt jelzi, hogy a gomba elkezdett jelentősebb hatásokat váltani a fa tulajdonságaiban. A nyomószilárdság az eredeti értéknek csak 24% -ára csökkent 90 napos expozíció után.

Korábbi tanulmányok kimutatták, hogy a fa barnarothadási támadása csaknem exponenciális veszteséget okoz a hajlításban és a szakítószilárdságban, és ezek a hatások a bomlási folyamat korai szakaszában jelentkeznek, amikor a gomba tömegvesztesége viszonylag kicsi marad (Ge et al. 2016, Wilcox 1978). Úgy tűnik, hogy a nyomószilárdság-veszteségek ettől a tendenciától eltérnek a nyomószilárdság csökkenésével, amely a lineáris összefüggést követi akár tömegvesztéssel, akár idővel (1. ábra).

1. ábra: A G. trabeumnak kitett kínai nyártömbök tömegvesztesége és nyomószilárdsága közötti összefüggés bomlási tesztben akár 90 napig.

2. ábra: Példák a gomba kolonizáció mértékére 0–90 napig G. trabeum-nak kitett kínai nyárblokkokban.

A gomba kolonizáció, a SEM alkalmazásával értékelve, hasonló tendenciákat követett, mint a tömegvesztés. A gombás hifákat szálakban szórták szét a tesztgombának kitett blokkokban csak 15 napig, majd a következő 75 napban egyre gyakoribbá váltak (2. ábra). A hifák bőven voltak az erekben, különösen 75 és 90 napos expozíció után. Az eredmények összhangban voltak mind a tömeg, mind a nyomószilárdság veszteség mértékével.

A kínai nyárminták G. trabeum-nak való kitettségéhez a tömeg és a nyomószilárdság egyenletes, szorosan összefüggő csökkenése társult. Az eredmények azt sugallják, hogy a nyomószilárdság veszteségei könnyebben értékelhetők a tömegváltozásokkal, mint a gombákkal kapcsolatos egyéb fa tulajdonságok.

Ezt a munkát anyagilag támogatta a Kínai Központi Egyetemek Alapkutatási Alapja (2572018BL08), az alkalmazástechnika kutatási és fejlesztési projektje Harbinban (2017RAQXJ078), valamint a Kínai Ösztöndíj Tanács finanszírozása (201706605016). A szerzők között nincs összeférhetetlenség.

AQSIQ. ZACSKÓ. 2009a. A fa tartóssága. 1. rész: A természetes bomlási ellenállás laboratóriumi vizsgálatának módszere. GB/T 13942.1-2009. AQSIQ. SAC: Peking, Kína. [Linkek]

AQSIQ. ZACSKÓ. 2009b. A faanyaggal párhuzamos nyomószilárdság vizsgálatának módszere. GB/T 1935-2009. AQSIQ. SAC: Peking, Kína. [Linkek]

ASTM International. 2001. A fák természetes bomlási ellenállásának gyorsított laboratóriumi vizsgálatának standard módszere. ASTM D-2017. 2001. In: ASTM Annual Book of Standards, kötet 4.10 Wood. ASTM: West Conshohocken, Pennsylvania. 322-326. [Linkek]

Bari, E .; Sistani, A .; Taghiyari, H.R .; Morrell, J. J.; Cappellazzi, J. 2017. A vizsgálati módszer hatása a bambusz-műanyag kompozitok gombák biodegradációjára. Maderas-Cienc Tecnol 19 (4): 455-462. [Linkek]

Brischke, C .; Welzbacher, C.R .; Huckfeldt, T. 2008. A különböző bazidiomiceták által okozott gombabomlás hatása a norvég fenyőfa szerkezeti integritására. Holz als Roh und Werkstoff 66: 433-438. [Linkek]

Curling, S.F .; Clausen, C.A .; Winandy, J. E. 2002. Kísérleti módszer a fa pusztulásának progresszív szakaszainak számszerűsítésére bazidiomycete gombákkal. Nemzetközi biodegradáció és biodegradáció 49: 13-19. [Linkek]

Erdészeti Termékek Laboratórium. 2010. Fa kézikönyv: A fa mint mérnöki anyag. Általános műszaki jelentés FPL-GTR-190. USDA Erdészeti Termékek Laboratórium: Madison, WI. 509p. [Linkek]

Ge, XW; Wang, L.H .; Hou, J.J .; Rong, B.B .; Yue, X.Q .; Zhang, S.M. 2016. Kapcsolat a mikrostruktúra, a mechanikai tulajdonságok és a kémiai összetételek között a Populus cathayana sapwoodban a barna rothadás során. Journal of Beijing Forestry University 38 (10): 112-122. [Linkek]

Jin, Z. W.; Te, J.X .; Ő, W. L.; Li, Y.J. 1988. A nyárfa lebomlásának és védelmének kutatása. J Nanjing Forestry Univ 12: 66-73. [Linkek]

Li, X.P .; Leavengood, S .; Cappellazzi, J .; Morrell, J.J. 2018. A palmyra pálmafa laboratóriumi bomlási ellenállása. Maderas-Cienc Tecnol 20 (3): 353-358. [Linkek]

Malda, K .; Ohta, M .; Momohara, I. 2015. A rothadt fa tömegprofilja és szilárdsági tulajdonságprofilja közötti kapcsolat. Wood Sci Technol 49: 331-344. [Linkek]

Wilcox, W.W. 1978. Áttekintés a bomlás korai szakaszainak faanyagra gyakorolt hatásairól. Fa és rost 9 (4): 252-257. [Linkek]

Winandy, J. E.; Morrell, J.J. 1993. A Douglas-fenyő szívfa kezdeti bomlása, erőssége és kémiai összetétele közötti kapcsolat. Wood Fiber Sci 25, 278-288. [Linkek]

Witomski, P .; Olek, W .; Bonarski, J.T. 2016. A fenyőfa (Pinus silvestris L.) szilárdságának változásai a barna rothadás (Coniophora puteana) és a fehér rothadás (Trametes versicolor) által elpusztultak. Építőanyagok és építőanyagok 102: 162-166. [Linkek]

Yang, Z .; Jiang, Z.H .; Fei, B.H. 2006. A fa kezdeti bomlásával foglalkozó irodalom áttekintése. Scientia Silvae Sinicae 42: 99-103. [Linkek]

Zabel, R.A .; Morrell, J.J. 1992. Fa mikrobiológia. Academic Press: San Diego, Kalifornia. 476 oldal. [Linkek]

Beérkezett: 2018. június 26 .; Elfogadva: 2018. december 22