Сравнительный анализ эффективности биоцидов и консервантов для использования в цементной системе

Духанина У.Н., Строкова В.В., Степина И.В., Баженова С.И. Сравнительный анализ эффективности биоцидов и консервантов для использования в цементной системе. Нанотехнологии в строительстве. 2026;18(4):529–536. – EDN: OVHHXJ.

Dukhanina U.N., Strokova V.V., Stepina I.V., Bazhenova S.I. Comparative efficiency analysis of biocides and conserving agents for cement-based systems. Nanotechnologies in Construction. 2026;18(4):529–536. – EDN: OVHHXJ.

Для реализации технологического решения ингибирования микроорганизмов-деструкторов на этапах первичной и вторичной защиты биоцидные добавки вводятся в строительные материалы или наносятся на поверхность готовых изделий. Они обеспечивают санитарно-гигиеническую безопасность, что оказывает положительное влияние на сохранность и долговечность объектов строительства. Однако для оценки перспективности применения биоцидов в качестве фунгицидных добавок в цементных системах необходимо учитывать [1]:

– высокую щелочность среды, способную влиять на стабильность чувствительных к ней активных компонентов;

– химический состав цементной системы, компоненты которой могут вступать в реакции с биоцидами, образуя неактивные для подавления микромицетов вещества;

– оптимальную концентрацию, при которой достигается эффективность подавления роста микро-

Nanotechnologies in construction

Нанотехнологии в строительстве

2026; 18 (4): 529–536

Nanob

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

организмов без негативного влияния на гидратацию и физико-химические свойства цементного камня;

– структуру модифицированного строительного материала, которая может ограничивать миграцию активных субстанций к зоне биоповреждения.

Несмотря на первостепенную важность обеспечения гибели микроорганизмов-деструкторов строительных материалов, необходимо учитывать негативное действие биоцидов на цементную систему: активные компоненты могут отрицательно влиять на процесс гидратации за счет ускорения потери влаги, снижать прочность, изменять реологические свойства вяжущих. Например, глутаровый альдегид, соли меди или цинка [2–7] адсорбируются на поверхности цементного зерна и замедляют гидратацию, что приводит к увеличению срока набора проектируемой прочности. В связи с этим ключевой задачей является соблюдение баланса взаимной совместимости: ингибирование роста и размножения грибов и бактерий без ухудшения физико-механических свойств бетона.

Ввиду того, что традиционные подходы по обеспечению биостойкости бетона, основанные на применении биоцидов, содержащих тяжелые металлы, сильные окислители, имеют ограничения в использовании, связанные с токсичностью, возможной антимикробной резистентностью и негативным влиянием на физико-химические свойства цементного камня, возрастает научная и практическая значимость поиска альтернативных решений, обладающих безопасностью для окружающей среды и химической совместимостью с минеральной матрицей [8]. В качестве перспективных ингибиторов микроорганизмов-деструкторов в данном исследовании рассматриваются консерванты, широко используемые в пищевой и фармацевтической промышленности, стоматологии, такие как низин, пропионат натрия и бутиленгликоль, что определяет их биопозитивность и нетоксичность [9–17].

Для нивелирования негативного действия активных субстанций дезинфицирующих средств на вяжущее в композиционные составы вводятся вспомогательные компоненты, выполняющие функции стабилизаторов и модификаторов физико-химических свойств цементного камня. На основе анализа научной литературы наиболее предпочтительными вспомогательными компонентами, совместимыми с биоцидами в цементных системах, являются гидроксипропилметилцеллюлоза (ГПМЦ) и бути-ленгликоль. ГПМЦ преимущественно используется для компенсации замедления кинетики гидратации цементной матрицы за счет водоудерживающих свойств и регулирования реологии, снижая риск ухудшения марочной прочности. При этом в отно- шении биоцидов ГПМЦ демонстрирует синергетический эффект: образуя на поверхности материала полимерную пленку, затрудняет адгезию микроорганизмов и пролонгирует действие активных компонентов дезинфицирующих средств [18–19].

Помимо того, что бутиленгликоль обладает собственной консервирующей активностью в отношении ряда микроорганизмов, в биоцидных составах он используется в качестве многофункционального вспомогательного компонента. В цементных системах бутиленгликоль используется как стабилизатор биоцидов, предотвращая выпадение их в осадок при температурных колебаниях и дезактивацию в щелочной среде бетона [20]. Введение бутиленгликоля обеспечивает равномерное распределение дезинфицирующих средств в объеме растворной смеси, а при пропитке за счет снижения поверхностного натяжения жидкой фазы улучшает проникающую способность составов в пористую структуру бетона, что, соответственно, увеличивает глубину защитного слоя.

Таким образом, оценка потенциала биоцидов, консервантов и вспомогательных компонентов как эффективных модификаторов защитных составов против микромицетов с учетом сохранения физико-механических свойств строительных материалов представляется актуальной.

Выбор микромицета Aspergillus niger в качестве тест-культуры основывался на следующих критериях: включение плесневых грибов в перечень штаммов, регламентированных ГОСТ 9.048–89 «Единая система защиты от коррозии и старения. Изделия технические. Методы лабораторных испытаний на стойкость к воздействию плесневых грибов» для определения грибостойкости, морфологические и культуральные характеристики которых обеспечат высокую воспроизводимость эксперимента и удобство морфометрического анализа, позволяя четко фиксировать динамику изменений при влиянии фунгицидных средств [21].

МЕТОДЫ И МАТЕРИАЛЫ

Для оценки эффективности и потенциального синергетического взаимодействия биоцидов и консервантов, применяемых с целью ингибирования роста патогенных микроорганизмов, а также разработки мультифункциональных систем были использованы следующие средства: в качестве биоцидов – аламинол (АО «НИОПИК», г. Москва), полигекса-метиленгуанидин гидрохлорид (ПГМГ) (ООО НПО «Термодинамика 3000», г. Дзержинск); в качестве консервантов – пропионат натрия (ETON FOOD CO LTD, Китай), низин (Foodchem International Corporation, Китай); в качестве вспомогательных веществ – бутиленгликоль (Китай), гидроксипро-

Nanotechnologies in construction

Нанотехнологии в строительстве

2026; 18 (4): 529–536

Nanob

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

пилметилцеллюлоза (ГПМЦ) (ООО «Формако», г. Омск).

Для определения фунгицидных и фунгистати-ческих свойств исследуемых биоцидов, консервантов и вспомогательных компонентов приготовлена серия разведений с градиентом концентраций по действующему веществу. Выбор концентраций биоцидов обусловлен механизмом действия и рабочими дозировками, указанными производителями в инструкциях по применению. Ввиду того что по-лигексаметиленгуанидин гидрохлорид (ПГМГ) [22] и аламинол являются сильными синтетическими биоцидами, для оценки их эффективности выбран диапазон концентраций, рекомендуемый производителем для подавления патогенных микроорганизмов: для ПГМГ – 1%, 3%, 5%; для аламинола – 3%, 5%, 8%. Для консервантов пищевого класса (низин и пропионат натрия), эффективность которых может снижаться в условиях высокой щелочности цементной системы, принят диапазон 1%, 3%, 5%, который позволит ввиду обеспечения сопоставимости результатов с синтетическими биоцидами оценить их фунгицидный потенциал в идентичных экспериментальных условиях. Так как бутиленгликоль в цементных системах используется как пластификатор, при этом он проявляет слабую активность против микро-мицетов, то для проявления его защитных свойств требуются высокие концентрации. Исходя из этого концентрации для бутиленгликоля составили 5%, 10%, 15%. Несмотря на то что рекомендованная дозировка ГПМЦ в цементной системе составляет 0,1– 0,4%, а выбранный диапазон в данном исследовании (1%, 3%, 5%) существенно превышает эти границы, что может оказывать влияние на кинетику твердения и реологические свойства смеси, такой подход обусловлен необходимостью оценки потенциальной биоцидной активности компонента, который позволит корректно сравнить эффективность компонента с биоцидами в равных условиях и определить возможность применения в качестве самостоятельной биозащиты. Для удобства идентификации составам присвоены условные номера (таблица 1).

Для оценки чувствительности микромицетов Aspergillus niger к биоцидам, консервантам и вспомогательным веществам использовался метод 3 (ГОСТ 9.049–91 «Единая система защиты от коррозии и старения. Материалы полимерные и их компоненты. Методы лабораторных испытаний на стойкость к воздействию плесневых грибов»). Стерильные диски из фильтровальной бумаги диаметром 8 мм, предварительно пропитанные активными веществами, помещали в чаши Петри с застывшей питательной средой Чапека-Докса, предварительно инокулированной споровой суспензией Aspergillus niger методом распыления. Споровая суспензия готовилась методом смыва колоний микромицетов стерильной водой с поверхности селективной агаровой питательной среды. Оценка антимикотической активности производилась по степени ингибирования микроми-цетов путем измерения зоны подавления роста или снижения колонизационной способности грибов. Зона ингибирования рассчитывалась как среднее арифметическое результатов оценки серии образцов.

В качестве критерия микробиологической устойчивости исследуемых средств рассматривалась степень обрастания плесневыми грибами модифицированных образцов, которая фиксировалась спустя 28 суток от начала эксперимента. Согласно п. 1.6.7 ГОСТ 9.048–89 «Единая система защиты от коррозии и старения. Изделия технические. Методы лабораторных испытаний на стойкость к воздействию плесневых грибов» грибостойкость характеризовали с использованием шкалы, позволяющей количественно определить уровень поражения образцов микромицетами.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

С целью оценки фунгицидной и фунгистатиче-ской активности биоцидов, консервантов и вспомогательных компонентов проведено исследование по определению зоны фунгицидности каждого из компонентов. Результаты данного исследования представлены на рисунке 1.

На 5-е сутки после инокуляции Aspergillus niger максимальная зона ингибирования, достигающая 8 и 10 мм, зафиксирована у образцов, обработанных растворами ПГМГ в концентрациях 3% и 5% соответственно. Менее выраженное подавление роста микромицетов наблюдалось у образцов, пропитанных растворами аламинола в концентрациях 5% и 8%, о чем свидетельствует наличие области подавления роста микромицетов, составляющих 4 и 5 мм.

Слабую активность показал образец 13 (раствор ПГМГ в концентрации 1%), у которого зона ингибирования составляет не более 4 мм. У других образцов, несмотря на наличие зоны подавления роста, в ее пределах фиксируются равномерно распределенные микробиологические включения, что указывает на вероятное формирование персистентных или резистентных форм Aspergillus niger к исследуемым биоцидам и консервантам.

После 7 суток экспонирования образцов, обработанных 1% и 5% растворами ПГМГ, а также 8% раствором аламинола, зона ингибирования роста микромицетов осталась стабильной. В то же время в образцах, модифицированных 3% раствором ПГМГ и 5% раствором аламинола, наблюдалось уменьшение области подавления роста на 1–2 мм, что указывает на снижение антимикотической активности.

Nanotechnologies in construction

Нанотехнологии в строительстве

2026; 18 (4): 529–536

Nanob

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Рис. 1. Влияние биоцидов, консервантов и вспомогательных компонентов на интенсивность развития микромицета Aspergillus niger (нумерация согласно таблице 1)

И NIA 0 {              ИХЕЛэ S              ИЯ1Лэ L              ИЯ1Лэ pl             1СиХэ 8 J

Nanotechnologies in construction

Нанотехнологии в строительстве

2026; 18 (4): 529–536

Nanob

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Во всех остальных образцах наблюдалась полная колонизация микромицетами чашек Петри, что свидетельствует о неэффективности исследуемых биоцидов и консервантов против Aspergillus niger в данных условиях.

На 14-е сутки эксперимента в образцах, пропитанных 3% и 5% растворами ПГМГ, зафиксировано уменьшение диаметра зоны ингибирования роста грибов, что указывает на снижение подавляющего эффекта в отношении развития микромицетов. Такое снижение фунгицидной активности, вероятно, может быть связано с биохимической деградацией активных компонентов или физиологической адаптацией микроорганизмов к антимикотическим соединениям.

По завершении исследования наибольшую фунгицидную эффективность продемонстрировали растворы ПГМГ в концентрациях 3% и 5%. Образцы, пропитанные растворами аламинола (8%) и ПГМГ (1%), продемонстрировали снижение биоцидного действия, которое оценивалось по уменьшению диаметра зоны подавления роста микромицетов на 1 мм. В то же время образец, пропитанный растворами аламинола и ПГМГ в концентрации 3%, остался без изменений. Тотальная контаминация мицелием

Aspergillus niger зафиксирована у образцов, обработанных растворами бутиленгликоля, ГПМЦ, низина, пропионата натрия, что свидетельствует об отсутствии фунгицидного и фунгистатического эффекта даже при увеличении концентрации действующего вещества.

Что касается морфологии зон ингибирования, то у образцов, модифицированных 3% и 5% раствором ПГМГ, она симметричная, округлая с четко очерченными краями, что указывает на равномерную диффузию биоцида из носителя в агаризованную среду. В противоположность этому у образца, пропитанного 1% раствором ПГМГ, зона подавления роста имеет неправильную форму с зубчатыми краями и точечными очагами развития микроорганизмов, отражающих гетерогенность восприимчивости Aspergillus niger к биоциду.

По результатам оценки грибостойкости биоцидов и консервантов, представленной в таблице 1, высокой и стабильной фунгицидной активностью обладают образцы, пропитанные растворами ПГМГ. Они продемонстрировали не только наличие четкой зоны ингибирования, но и отсутствие роста грибов на самих носителях.

Таблица 1. Грибостойкость биоцидов, консервантов и вспомогательных компонентов против Aspergillus niger

Условный номер состава	Наименование биоцида / консерванта / вспомогательного компонента	Концентрация, %	Зона ингибирования, мм	Интенсивность развития грибов в баллах (по ГОСТ 9.049–91)
1	Аламинол	3	отсутствует	3
2		5	3	0
3		8	4	0
4	Бутиленгликоль	5	отсутствует	5
5		10	отсутствует	5
6		15	отсутствует	5
7	ГПМЦ	1	отсутствует	5
8		3	отсутствует	5
9		5	отсутствует	5
10	Низин	1	отсутствует	5
11		3	отсутствует	5
12		5	отсутствует	5
13	ПГМГ	1	4	0
14		3	6	0
15		5	7	0
16	Пропионат натрия	1	отсутствует	5
17		3	отсутствует	5
18		5	отсутствует	5
19	Контроль	–	отсутствует	5

Nanotechnologies in construction

Нанотехнологии в строительстве

2026; 18 (4): 529–536

Nanob

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Умеренной эффективностью характеризуются растворы на основе аламинола в концентрациях 5% и 8%. Остальные образцы, как и контрольный, показали отсутствие защитного действия у данных соединений в исследуемых концентрациях.

Таким образом, по фунгицидной эффективности и грибостойкости к Aspergillus niger исследуемые средства расположены в порядке увеличения результативности следующим образом: контроль / пропионат натрия / низин / ГПМЦ / бутиленгликоль → аламинол → ПГМГ.

ВЫВОДЫ

Установлено, что ПГМГ и аламинол подтвердили способность подавлять рост микромицетов в модельных условиях. При этом более высокую активность по грибостойкости проявляет полигексаметилен-гуанидин гидрохлорид, эффективность которого возрастает с увеличением концентрации, что свидетельствует о дозозависимом эффекте. Это делает

ПГМГ наиболее предпочтительным биоцидом для минимизации влияния на свойства бетона.

Аламинол демонстрирует умеренную фунгиста-тическую активность в отношении микромицетов, о чем свидетельствует зона ингибирования 3–4 мм в диапазоне концентрации 5–8 %.

Консерванты низин, пропионат натрия и бути-ленгликоль не проявили эффективности в отношении тест-культуры Aspergillus niger , что указывает на необходимость использования в комбинациях с другими биоцидами.

В связи с выявленной неспособностью ГПМЦ ингибировать рост Aspergillus niger даже при высоких концентрациях, следовательно, делает применение ее исключительно как модификатор коррекции реологических свойств цементной системы.

Полученные результаты лягут в основу дальнейших исследований в изучении синергетического эффекта комбинаций биоцидов, консервантов и вспомогательных компонентов с целью оценки их влияния на физико-механические свойства цементного камня.