XLVIII KONFERENCJA NAUKOWA
KOMITETU INŻYNIERII L
DOWEJ I WODNEJ PAN
I KOMITETU NAUKI PZITB
Opole  Krynica 2002
Jan KUBIK1
KINETYKA ZNISZCZEC
DREWNA PRZEZ
MIKROORGANIZMY
1. Wstęp
Destrukcyjne działanie wilgoci na drewno ma złożony fizykochemiczny i biologiczny
charakter. Okazuje się, iż drewno nawet chronione powłokami farb podlega również
degradacji wywołanej przez mikroorganizmy, a głównie grzyby.
Przyjmuje się powszechnie, iż grzyby budowlane rozwijają się szczególnie szybko w
sprzyjających warunkach cieplno  wilgotnościowych, a mianowicie:
- wymogi termiczne optymalne (23 ÷ 30oC) i ekstremalne (3 ÷ 40oC),
- zawilgocenie drewna 20 ÷ 40%, maÅ‚a wymiana powietrza,
- znaczna wilgotność wzglÄ™dna powietrza w otoczeniu drewna Õ > 80%,
- odpowiedni odczyn Å›rodowiska (pH 4 ÷ 6)
Z uwagi na fakt, iż z
ródłem pokarmu grzybów jest drewno, a głównie włókna celulozy
tam należ y się spodziewać największych ubytków masy. Natomiast rozwój zniszczeń drewna
przebiega najszybciej w ciemnych i niewietrzonych pomieszczeniach. Dokładniejsze dane
odnośnie rozwoju różnych mikroorganizmów na różnych podłożach budowlanych  tynki,
drewno podane sÄ… w pracy [8].
W pracy zaprezentowano dyfuzyjny model narastania zniszczeń drewna wywołany
głównie grzybami pleśniowymi. Okazuje się, iż narastanie w czasie zniszczeń drewno może
być opisane równaniami dyfuzji.
2. Badania eksperymentalne rozwoju zniszczeń
Oceny ilościowej zniszczeń dokonuje się mierząc objętościowy lub wagowy udział stężeń
części zniszczonych. Z uwagi na złożoność oddziaływań biologicznych porażenie zależeć
będzie od wielu czynników, z których dominujące znaczenie posiadają m.in. stężenia wilgoci
w otoczeniu, temperatura, pH podłoża itp.
Badania kinetyki zniszczenia drewna przez grzyby podjęte zostały w latach 70 przez
J. B. Butchera [1, 2], G. Dwyera i J. Levy [3, 6]. Opracowana przez tych badaczy technika
pomiarów zniszczeń pozwoliła na ilościowe szacowanie rozwoju grzyba. W badaniach
tych zakłada się przeprowadzenie eksperymentu zarówno w laboratorium na wzorcowych
1
Prof. dr hab. inż., Wydział Budownictwa Politechniki Opolskiej
130
koloniach mikroorganizmów, jak i równolegle na próbkach znajdujących się na powierzchni
gleby. Stwierdzono zgodność ubytków masy drewna ze stężeniem zawartego w nim azotu.
W naturalnych bowiem warunkach porażone drewno zarówno iglaste, jak i liściaste zawiera
większą ilość azotu aniżeli zdrowe. Fakt ten posłuż ył jako prosty sposób oceny
rzeczywistego zakresu porażenia drewna mikroorganizmami. Badania wykazały ponadto, że
w procesie zniszczenia uczestniczą głównie grzyby wywołujące miękką zgniliznę. W
każdym z tych przypadków za miarę zniszczenia pośrednio można przyjąć zawartość azotu
w drewnie. W efekcie, w porażonym drewnie bada się ubytki masy oraz zmiany stężeń azotu
w czasie jako obiektywne mierniki postępu zniszczeń. O kumulacji zniszczeń można też
sądzić analizując spadki wytrzymałości drewna. Pomiary wyszczególnionych wielkości w
czasie tj. malejącego stężenia objętościowego zniszczonego drewna cą, stężenia azotu cN w
nim zawartego oraz spadku wytrzymałości stanowią podstawę oceny skuteczności
oferowanych na rynku powłok ochronnych do drewna.
Obecnie omówimy wyniki pomiarów zniszczeń drewna przez grzyby opublikowane w
1979 r. przez B. Kinga i J. Waite. Badacze ci przedstawili ilościowe wyniki zniszczeń przez
grzyby drewna lipowego (1), sosnowego (2) i bukowego (3). Eksperymentalnie badano
ubytki masy i zawartości azotu w trakcie rozwoju grzybów na próbkach drewnianych o
wymiarach 10x10x5 mm w odstępach po 1, 2, 3, 6, 9 i 12 tygodniach od chwili porażenia
grzybami. W badaniach porównawczych zagłębiano identyczne próbki w gruncie, dbając
przy tym o zachowanie wilgotności drewna jak w laboratorium. W każdym pomiarze
uśredniano wyniki z 6 próbek. Natomiast kolonie w laboratorium zawierały czyste kultury
następujących mikroorganizmów: Coriolus versicolor (L.ex Fr.) Que l, Coniophora puteana
(schum ex Fr.) Karst. u Chaetomium globosum Kunze.
Na kolejnych rysunkach przedstawiono procentowe ubytki masy próbek oraz
zawartości azotu w funkcji czasu (tygodni).
Badania laboratoryjne
Badania gruntowe
70
70
lipa
60
60
50
50
buk
40
40
buk
sosna
30
30
lipa
20
20
sosna
10
10
12 18 3 6 9
6
czas (tygodnie)
czas (tygodnie)
Rys. 1. Kinetyka zniszczeń drewna
ubytek masy (%)
ubytek masy (%)
 131
Badania gruntowe Badania laboratoryjne
0,6
0,6
lipa
0,4
0,4
sosna
lipa
buk
0,2
0,2
sosna
buk
12 18 3 6 9
6
czas (tygodnie)
czas (tygodnie)
Rys. 2. Całkowita zawartość azotu w próbkach drewna
+
1
1  całkowita zawartość azotu
0,4
2  ilość azotu wytworzonego
przez mikroorganizmy
2
3  zawartość azotu w tkance
drewna
0,2
3
6 12 18
czas (tygodnie)
Rys. 3. Zawartość azotu w drewnie lipy jako wynik rozwoju mikroorganizmów
podczas badań gruntowych
zawartość azotu (%)
zawartość azotu (%)
132
Badania gruntowe
Badania laboratoryjne
lipa
0,4
buk
buk
sosna
0,2
0,2
sosna
lipa
12 9
18 3 6
6
czas (tygodnie)
czas (tygodnie)
Rys. 4. Ilość azotu w drewnie skumulowana w wyniku biosyntezy mikroorganizmów
Badania gruntowe
Badania laboratoryjne
40
buk
30
lipa
20 20 sosna
lipa
10 10
sosna
buk
3 6 9
12 18
6
czas (tygodnie)
czas (tygodnie)
Rys. 5. Biomasa mikroorganizmów w próbkach drewna
zawartość azotu (%)
zawartość azotu (%)
biomasa (mg)
biomasa (mg)
 133
Badania gruntowe
Badania laboratoryjne
30
lipa
20 20
buk
lipa
sosna buk
sosna
10 10
3 6 9
12 18
6
czas (tygodnie)
czas (tygodnie)
Rys. 6. Sucha masa próbek drewna porażonego mikroorganizmami
3. Kinetyka zniszczeń
Wymiary próbek biorących udział w eksperymencie sugerują, iż oceniane były
zniszczenia powierzchniowe zawilgoconego drewna, przy zachowaniu łatwego dostępu
powietrza do próbki.
Z charakteru rozwoju zniszczeń przedstawionych na wykresach wnosimy iż zawsze w
nim moż na wydzielić trzy kolejne fazy rozwoju, a mianowicie:
1. nukleacji zniszczeń na samym początku procesu, kiedy to proces powoli rozwija się na
powierzchni próbki,
2. pełnego rozwoju zniszczeń związany z nieograniczonym rozrostem grzybów,
3. spowolnionego rozwoju, który odpowiada pojawianiu się ograniczeń na swobodny
rozrost grzybów.
Wymienione fazy występują na ogół we wszystkich wykresach zawartości azotu w
drewnie i ubytków jego masy.
Podane na rysunkach 1 ÷ 6 wykresy moż na analitycznie opisać równaniami postaci
1/ n
cą - cą = A(t-t0) ą =1,2,3 A =[tydzień]-1/ n n=2 (1)
0
Ä…
gdzie c0 jest początkową wartością stężenia objętościowego zniszczonego drewna cą, t0 
pierwszym okresem nukleacji zniszczeń a ą = 1 oznacza lipę, ą = 2  sosnę a ą = 3  buk.
Wartości liczbowe stałych A, c0, t0 występujących w równaniu (3.1) opisującym ubytki
masy drewna w naturze/laboratorium wynoszÄ…:
rodzaj
A c0 t0
drewna
lipa 15,3/11 0/0 0/0
sosna 5,78/7 5/0 6/0
buk 15,5/11 0/0 3/0
Z charakteru narastania porażeń drewna w czasie (a t) wnosimy, iż postęp destrukcji
rozwija się według analogicznych zależności jak zasięg wnikania masy według równania
dyfuzji. Wnosimy stąd, że proces destrukcji drewna przez mikroorganizmy moż e być
opisany równaniami typu dyfuzyjnego.
masa (%)
masa całkowita (%)
134
Dyfuzyjny opis procesu zniszczeń rozpoczniemy od przyjęcia, iż w każdym punkcie
zaatakowanego powierzchniowo drewna występują trzy składniki a mianowicie:
- mikroorganizm o stężeniu objętościowym cą ,
- drewno o stężeniu objętościowym c0,
- produkty zniszczeń o stężeniu cd.
Przyjęty model procesu uwzględnia prosty fakt, iż w wyniku agresji mikroorganizmów
na włókna celulozy powstają produkty  czyli zniszczone warstwy drewna.
W warstwy drewna wnika grzyb stąd też równania parcjalnych bilansów stężeń mają
postać
dcÄ…
+ div jÄ… =RÄ… > 0 - wnikajÄ…cy do drewna mikroorganizm
dt
dc0
= R0< 0 - ubytki drewna
dt
(2)
dcd
= Rd > 0 - produkty zniszczeń (zgnilizna)
dt
Spełnienie zasady zachowania masy Rd +R0 +Rą =0 (Rd =R0 +Rą ) prowadzi do
równania transportu postaci
d dcÄ…
(cÄ… + c0 + cd )+ div jÄ… =0 lub (1+a+ b) = -div jÄ… (3)
dt dt
Ubytki drewna i produkty zniszczeń są uzależ nione od ilości wnikających w strukturę
drewna mikroorganizmów. W najprostszym przypadku założymy proporcjonalność między
stężeniami wnikających mikroorganizmów cą a stężeniami ubytków drewna c0 = acą oraz
stężeniami zniszczeń cd = bcą. Współczynniki bezwymiarowe a i b określają współzależność
między ilością mikroorganizmów a zniszczeniami drewna.
Równanie fizyczne określające strumień wnikających mikroorganizmów ma postać
Ä…
jÄ… =- DÄ… gradcÄ… lub jÄ… =-(1+ a + b)-1Do grad cÄ… (4)
Ä…
gdzie D0 - jest współczynnikiem dyfuzji mikroorganizmu do drewna bez wywoływania
zniszczeń.
Równanie opisujące wnikanie (dyfuzję) mikroorganizmów po uwzględnieniu równania
tworzÄ…cego (4) przyjmie ostatecznÄ… formÄ™
dcÄ…
Ä…
= (1 + a + b)-1 D0 "2cÄ… (5)
dt
W przypadku jednowymiarowym zachodzi
" cÄ… "2cÄ…
= DÄ… (5 )
"t
"x2
 135
Całka tego równania dla półprzestrzeni oraz warunku brzegowego cą (x = 0) = cą
odpowiadającemu stężeniu grzyba na powierzchni przy cą (t = 0) = cą 0 ma postać
ëÅ‚ öÅ‚
x
ìÅ‚ ÷Å‚
cÄ… - cÄ… 0 /cÄ… - cÄ… 0 =1- erf (6)
ìÅ‚ ÷Å‚
2 DÄ…t
íÅ‚ Å‚Å‚
Własności otrzymanej całki a w tym rozprzestrzenianie się zniszczeń drewna
proporcjonalnie do t uzasadniają słuszność zastosowania dyfuzyjnego modelu do opisu
zniszczeń drewna zaatakowanego grzybami.
Z wzoru (3.6) dla danych wartości stężeń oraz postępu zniszczeń x można oszacować
wartość współczynnika wnikania (dyfuzji) drobnoustrojów w drewno Dą. Znajomość zaś tej
wielkości pozwala prognozować kinetykę zniszczeń drewna atakowanego przez grzyby
pleśniowe. Wartości tych współczynników oszacujemy obecnie na podstawie
eksperymentów podanych w pracy dla drewna sosnowego, buku i lipy. Podstawą będą tutaj
ubytki masy podane na rys. 2.1.÷2.6.oraz caÅ‚ka równania dyfuzji (3.6) okreÅ›lajÄ…ca zasiÄ™g
zniszczenia zaatakowanego drewna.
Przyjmując wyjściową objętość próbki równą 0,5 cm3 obliczymy średni ubytek masy
drewna x(t) jako równy ubytkowi objętości próbki podzielonemu przez powierzchnię próbki
(F = 4 cm2).
Na początku procesu zniszczenia stężenie mikroorganizmów przyjmujemy jako równe
zeru, natomiast stężenie na brzegu próbki przyjmiemy jako średnią z badań laboratoryjnych
 prowadzonych w kontrolowanych warunkach cieplno-wilgotnościowych.
W wyniku poczynionych przyjęć wyliczony z całki (3.6) współczynnik dyfuzji
wnikających mikroorganizmów wynosi:
- buk Dą =0,08 cm2/tydzień
- sosna Dą =0,06 cm2/tydzień
- lipa Dą =0,11 cm2/tydzień
4. Wnioski
1. Wyniki eksperymentalne pomiarów ubytków masy drewna zaatakowanego grzybami
pleśniowymi dowodzą, iż istnieje możliwość dyfuzyjnego opisu tego procesu. Szybkość
narastających zniszczeń określa wówczas współczynnik dyfuzji D stąd też jego
oszacowanie jest zasadniczym celem opracowania.
2. Pełniejsze ujęcie procesu a w tym wpływu zmian temperatury i wilgoci na rozwój
drobnoustrojów niszczących drewno wymaga zastosowania metod termodynamiki
układów otwartych do opisu procesów destrukcji biologicznej drewna.
Literatura
[1] BUTCHER J. A., Techniques for the analysis of fungal flora in wood, Mat. u. Org., 6,
1971, s. 209  232
[2] BUTCHER J. A., Analysis of the fungal population in wood, Proc. 2nd Int. Biodetn.
Symp., Applied Science Publishers, London 1972, s. 319  325.
136
[3] DWYER G., LEVY J. F., The colonisation of wood by microorganisms: an objective
approach, Mat. u.Org., 11, 1976, s. 13  20.
[4] FARYNIAK L., WIŚNIEWSKI J., Ochrona budowli, Politechnika Wrocławska (skrypt),
Wrocław 1976.
[5] GERTIS K., ERHORN H., REIß J., Klimawirkungen und Schimmelpilzbildung bei
sanierten Gebäuden, Proceedings Bauphysik - Kongreß in Berlin, 1999, s. 241-253.
[6] KING B., WAITE J., Translocation of nitrogen to wood by fungi, Int. Biodeterior. Bull.,
15, 1979.
[7] KUBIK J., ÅšWIRSKA J., WYRWAA
J., Popowodziowe zawilgocenie budowli, Studia
i Monografie, z. 107, Pol. Opolska, Opole 1999.
[8] SEDLBAUER K., Vorhersage von Schimmelpilzbildung auf und in Bauteilen,
Dissertation. Lehrstuhl für Bauphysik, Univ. Stuttgart 2001.
[9]  $ .  .,  ( !. ., 8>?>2@5645=8O 2 AB@>8B5;LAB25, !B@>98740B,
>A:20 1984.
THE KINETICS OF WOOD DAMAGE CAUSED
BY MICROORGANISMS
Summary
The diffusion and biochemical properties of fungi as fundamental reasons of environmental
contamination by this organisms was characterised. Because of their enzymatic activity
moulds are playing a very significant role in biological destruction of organic material.