Влияние на разграждането на кафявото гниене върху загубата на маса и якостта на натиск на китайската топола (Populus simonii)

Джефри Дж. Морел 3

1 Колеж по инженерство и технологии, Североизточен горски университет, Харбин, Китай

2 Катедра по дървознание и инженерство, Държавен университет в Орегон. Орегон, САЩ

3 Национален център за издръжливост и дизайн на дървесината, Университет на Слънчевото крайбрежие, Куинсланд, Австралия

Дървесината от видове топола обикновено се възприема като податлива на гниене, но тополата все още се използва широко като колони в традиционните китайски сгради. Разбирането как гниенето влияе върху компресионните свойства на този материал ще помогне на инженерите да оценят по-добре състоянието на дървесината по време на рутинна проверка и поддръжка. Ефектите от гниенето върху компресионните свойства на китайската топола са изследвани с помощта на кафява гниеща гъба (Gloeophyllum trabeum). Промените в якостта на компресия бяха доста линейни и по-тясно свързани с загубата на маса (R 2 = 0,75). Резултатите предполагат, че остатъчната якост на натиск може да бъде грубо прогнозирана, като се използва плътност на дървесината като заместителна мярка.

Ключови думи: Биологично влошаване; гниещи гъбички; Gloeophyllum trabeum; механични свойства; Populus simonii.

Гниещите гъби могат да имат силен ефект върху свойствата на дървесината в ранните етапи на гниене. Загубата на маса от 1 до 3% може да доведе до загуба на якост на огъване, приближаваща се до 60 до 80% (Wilcox 1978, Yang et al. 2006). Гъбичките от гниене на кафяво гниене са склонни да бъдат свързани с по-бърза загуба на свойствата на дървесната якост, отколкото гъбите от бяло гниене, поради способността им да разцепват произволно целулозните вериги далеч преди растежа на гъбичките (Zabel and Morrell 1992). Якостта на огъване и опън е сред свойствата, които обикновено се използват за оценка на ефектите от гъбична атака върху свойствата на дървото; но дървото се използва в многобройни ситуации на натоварване, когато други свойства са важни (Jin et al. 1988, Curling et al. 2002, Ge et al. 2016, Liese and Stamer 1934 (както е цитирано в Brische et al 2008), Malda et al. 2015, Winandy and Morrell 1993, Witomski et al. 2016).

Дървеният материал често се използва в колони, където свойствата на компресия и огъване са важни (Laboratories Forest Products 2010). За разлика от якостта на опън или огъване, якостта на натиск има тенденция да бъде по-тясно свързана с плътността и следователно трябва да бъде по-тясно свързана със загубата на маса (Forest Products Laboratory 2010). Това би направило разликите в стратегиите за гниене на гъбите от бяло и кафяво гниене по-малко важни. Тенденцията на гъбите от кафяво гниене да деполимеризират целулозата може да има други, по-фини ефекти върху якостта на натиск (Jin et al. 1988).

Тополите обикновено се засаждат в Северен Китай, където бързият им растеж и способността им да издържат на тежки условия ги правят привлекателен вид за усилията за повторно залесяване. Тополите обикновено се възприемат като нетрайни, но те имат дълга история на употреба като колони в традиционните китайски структури, където са изложени извън контакт с почвата и като цяло са защитени от намокряне. В тези структури обаче се случва гниене и е важно да се разбере как гъбичките влияят на свойствата на колоните.

Целта на този проект беше да се оцени въздействието на гъбата от кафяво гниене върху якостта на натиск, успоредна на зърното на китайската топола (Populus simonii).

Материали и методи

Малки прозрачни греди от екземпляри от китайска топола (Populus simonii, Carrière) бяха изрязани от 1 м дълъг зелен участък. Дървеният труп е отрязан на 1,3 м над земята от 30-годишно тополово дърво, добито от Dailing Forest в планината Гранд Хинган, разположена в североизточен Китай. Двадесет и една проби изсушени на въздух P. simonii бяха нарязани на дължина 20 на 20 на 50 мм. Пробите се сушат в сушилня (104 ° C) и се претеглят (най-близко 0,001 g), преди да се стерилизират чрез нагряване при 121 ° C в продължение на 90 минути.

Камерите за гниене се приготвят чрез добавяне на 15 g китайски дървени стърготини и 8,5 g царевично брашно към 150 g чист речен пясък (AQSIQ SAC 2009a). Сместа се поставя в 500 ml Erlenmeyer колба. Към пясъчната смес бяха добавени сто мл смес, съдържаща 9,4% малцов екстракт и 1 г нерафинирана тръстикова захар. Четири парчета топола (с дължина 20 на 20 на 5 мм), всяка с малка дупка, пробита на повърхността, бяха поставени върху пясъчната повърхност, за да служат като захранващи ленти за тестовите гъбички. Колбите се затварят с плътно прилепнали памучни тапи, преди да се стерилизират чрез нагряване при 121 ° С в продължение на 90 минути и се оставят да се охладят. Тапите ограничават риска от замърсяване, но позволяват известна обмяна на въздух.

Изпитваната гъба (Gloeophyllum trabeum (Pers.ex. Fr.) Murr. (Изолат # 5,98 Североизточен горски университет, Харбин, Китай) е отглеждана върху 1,5% картофен декстрозен агар, докато покрие напълно повърхността на средата. Малки дискове бяха отрязани от ръба на активно растящата култура и поставени в отворите, пробити в лентите за подаване на топола. Колбите бяха покрити и инкубирани при 25 ° C и 70% относителна влажност, докато гъбичките покриха повърхностите на захранващата лента. Тестовите блокове бяха поставени върху захранващите ленти (напречно сечение с лицето надолу) и колбите бяха инкубирани при 25 ° C и 70% относителна влажност за 15 до 90 дни.

Ефектът от гъбичната атака върху свойствата на дървесината се оценява на интервали от 15 дни чрез отстраняване на осем тестови проби, които са изсушени в пещ и претеглени, както е описано по-горе. За изчисляване на загубата на маса се използва разликата между първоначалната и крайната загуба на тегло. Горните 20 mm от всеки блок бяха отрязани, а останалата част беше кондиционирана до постоянно тегло при 23 ° C и 65% относителна влажност (до приблизително съдържание на влага от 12%). Остатъкът от всеки блок е използван за микроскопско изследване.

Компресията, успоредна на зърното, беше оценена съгласно процедурите, описани в китайския стандарт GB/T 1935-2009 (AQSIQ SAC 2009 b). Накратко, образецът беше поставен на изпитателна машина CMT-6305 (SUNS Company, Zhuhai, Китай) и върху напречното сечение беше приложено натоварване със скорост 10 mm/минута. Натоварването и изместването се записват непрекъснато и изпитването продължава, докато пробите достигнат границата на добива. След това се изчислява якостта на натиск, използвайки уравнение 1:

Където: σw е якостта на натиск, успоредна на зърното при w% от съдържанието на влага в пробата, MPa; P max е максималното натоварване, N; b е широчина на пробата, mm, а t е дълбочината на пробата, mm.

След това данните за якост на натиск бяха коригирани, като се използва уравнение 2:

Където σ12 е якостта на натиск, успоредна на зърното при 12% съдържание на влага в образеца, MPa; W е действителното съдържание на влага в пробите,%.

Останалата част от 20 mm, изложена на гниещата гъба, беше използвана за изследване на колонизацията на гъбички. Малки кубчета бяха изрязани от вътрешния край на пробите, изсушени през градуирана алкохолна поредица и накрая напоени с пентен. Пентенът се оставя да се изпари и сухият образец се разпръсква със златен паладий. Образците бяха изследвани с помощта на микроскоп Quanta 200 Electron при ускоряващо напрежение 10,0kV. Изследвани са минимум 5 полета за всеки образец. Това изследване не беше количествено; той беше предназначен само да определи къде гъбичките са най-разпространени в дървесните клетки.

Резултати и дискусия

Загубата на маса е средно 2,14% след 15-дневно излагане на гъбички и непрекъснато се увеличава с времето на инкубация до средно 44% загуба на маса след 90 дни (Таблица 1).

Таблица 1: Ефект от излагането на G. trabeum върху загубата на маса и якостта на натиск, успоредна на зърното на екземпляри от китайска топола a

кафявото

a Стойностите представляват средни стойности от 8 екземпляра за времева точка, докато цифрите в скоби представляват едно стандартно отклонение

Скоростта на разпадане първоначално беше бавна, нарасна значително между 30 и 45 дни и след това се забави. Този модел е в съответствие с предишни тестове, при които загубата на маса е ограничена, докато гъбата расте през субстрата, консумирайки лесно достъпни захари и след това става по-значителна, след като гъбата започне активно да разгражда дървесните полимери (Bari et al. 2017, Li et al . 2018 г.). Откритите масови загуби след 90 дни също съответстват на класификацията на китайската топола като неустойчива на гъбични атаки съгласно ASTM D2017-2001 (ASTM 2001).

Якостта на натиск не се променя значително между 0 и 15 дни на излагане на гъбички. Въпреки че тези резултати предполагат, че гъбичките са имали слаб ефект върху свойствата, предишните резултати ясно илюстрират тенденцията на тази гъба да причинява рязко намаляване на свойствата на огъване (Yang et al. 2006). Якостта на натиск намалява с близо 18% при 30-дневната оценка, което показва, че гъбичките са започнали да предизвикват по-съществени ефекти върху свойствата на дървесината. Якостта на натиск намалява само до 24% от първоначалната си стойност след 90 дни излагане.

Предишни проучвания показват, че атаката на дървеното с кафяво гниене предизвиква почти експоненциални загуби при огъване и якост на опън и че тези ефекти се появяват в началото на процеса на разпадане, когато загубите на гъбична маса остават относително малки (Ge et al. 2016, Wilcox 1978). Загубите на якост на натиск изглежда се отклоняват от тази тенденция със загуби в якостта на натиск, следвайки почти линейна връзка или със загуба на маса, или с време (Фигура 1).

Фигура 1: Връзка между загубата на маса и якостта на натиск на китайски тополови блокове, изложени на G. trabeum при тест за разпадане до 90 дни.

Фигура 2: Примери за степента на гъбична колонизация на китайски тополови блокове, изложени на G. trabeum в продължение на 0 до 90 дни.

Колонизацията на гъбички, както се оценява с помощта на SEM, следва тенденции, подобни на тези, наблюдавани за загуба на маса. Гъбичните хифи бяха разпръснати във влакна в блокове, изложени на изпитваната гъба само за 15 дни и след това станаха все по-чести през следващите 75 дни (Фигура 2). Хифите са били в изобилие в съдовете, особено след излагане на 75 и 90 дни. Резултатите бяха в съответствие със степента на загуба на маса и якост на натиск.

Излагането на екземпляри от китайска топола на G. trabeum е свързано с постоянни, тясно корелирани спадове както на маса, така и на якост на натиск. Резултатите предполагат, че загубите на якост на натиск могат да бъдат оценени по-лесно чрез промени в масата, отколкото свързаните с гъбички ефекти други свойства на дървесината.

Тази работа беше финансово подкрепена от Фондовете за фундаментални изследвания за централните университети на Китай (2572018BL08), Проект за научноизследователска и развойна дейност на приложните технологии в Харбин (2017RAQXJ078) и финансиране от Китай за стипендии (201706605016). Няма конфликт на интереси между авторите.

AQSIQ. SAC. 2009а. Устойчивост на дървесината - Част 1: Метод за лабораторно изпитване на естествена устойчивост на разпадане. GB/T 13942.1-2009. AQSIQ. SAC: Пекин, Китай. [Връзки]

AQSIQ. SAC. 2009б. Метод за изпитване на якост на натиск успоредно на дървесни зърна. GB/T 1935-2009. AQSIQ. SAC: Пекин, Китай. [Връзки]

ASTM International. 2001. Стандартен метод за ускорено лабораторно изпитване на естествената устойчивост на гниене на дърветата. ASTM D-2017. 2001. В: Годишна книга за стандарти на ASTM, том 4.10 Дърво. ASTM: West Conshohocken, PA. стр.322-326. [Връзки]

Бари, Е .; Систани, А .; Taghiyari, H.R .; Morrell, J.J .; Cappellazzi, J. 2017. Влияние на метода за изпитване върху биоразграждането на бамбуково-пластмасови композити от гъбички. Maderas-Cienc Tecnol 19 (4): 455-462. [Връзки]

Бришке, С .; Welzbacher, C.R .; Huckfeldt, T. 2008. Влияние на разпадането на гъбички от различни базидиомицети върху структурната цялост на дървесината от смърч от Норвегия. Holz als Roh und Werkstoff 66: 433-438. [Връзки]

Кърлинг, S.F .; Клаузен, C.A .; Winandy, J. E. 2002. Експериментален метод за количествено определяне на прогресивните етапи на гниене на дървесината от базидиомицетни гъби. Международно биоразграждане и биоразграждане 49: 13-19. [Връзки]

Лаборатория за горски продукти. 2010. Наръчник за дърво: Дървото като инженерен материал. Общ технически доклад FPL-GTR-190. Лаборатория за горски продукти на USDA: Madison, WI. 509p. [Връзки]

Ge, X.W .; Wang, L.H .; Hou, J.J .; Rong, B.B .; Yue, X.Q .; Zhang, S.M. 2016. Връзка между микроструктурата, механичните свойства и химичните състави в беловината на Populus cathayana по време на гниене на кафяво гниене. Вестник на Пекинския горски университет 38 (10): 112-122. [Връзки]

Джин, З.У .; Ти, J.X .; Той, W.L .; Li, Y.J. 1988. Изследвания за деградация и защита на дървото от топола. J Nanjing Forestry Univ 12: 66-73. [Връзки]

Li, X.P .; Leavengood, S .; Капелаци, J .; Morrell, J.J. 2018. Лабораторна устойчивост на гниене на палмировата палмова дървесина. Maderas-Cienc Tecnol 20 (3): 353-358. [Връзки]

Малда, К .; Охта, М .; Момохара, И. 2015. Връзка между профила на масата и профила на якостните свойства на гниещата дървесина. Wood Sci Technol 49: 331-344. [Връзки]

Wilcox, W.W. 1978. Преглед на литературата за ефектите от ранните етапи на разпад върху здравината на дървесината. Дърво и влакна 9 (4): 252-257. [Връзки]

Winandy, J.E .; Morrell, J.J. 1993. Връзка между започващото разпадане, силата и химичния състав на сърцевината на дъглас-ела. Дървени влакна Sci 25: 278-288. [Връзки]

Витомски, П .; Olek, W .; Бонарски, Й.Т. 2016. Промени в силата на бял бор (Pinus silvestris L.), разложен от кафяво гниене (Coniophora puteana) и бяло гниене (Trametes versicolor). Строителство и строителни материали 102: 162-166. [Връзки]

Ян, Z .; Jiang, Z.H .; Fei, B.H. 2006. Преглед на литературата за настъпващото гниене в дървото. Scientia Silvae Sinicae 42: 99-103. [Връзки]

Zabel, R.A .; Morrell, J.J. 1992. Микробиология на дървесината. Академична преса: Сан Диего, Калифорния. 476 страници. [Връзки]

Получено: 26 юни 2018 г .; Приет: 22 декември 2018 г.