木材和竹材均为重要的建筑材料, 随着世界经济的发展, 木材资源日趋减少, 而竹材和木材同是一种极耐用的生物材料, 其化学组成也基本相同, 因此竹材作为木材的代用品已愈来愈为人们所重视(张齐生, 1995)。在自然条件下, 由于光照、水份、热量等因子的综合影响, 木材或竹材表面常发生极为缓慢的物理和化学变化(Evans, 1989), 其中太阳辐射中的紫外线是引起材质降解的最重要因子, 导致腐烂、裂缝和褪色等, 从而对建筑物造成重大破坏(Hon et al., 1984; Evans et al., 1992; Williams, 1987)。

有关紫外线照射对木材的影响, 曾有过一些研究(Evans et al., 1992; Hon et al., 1978), 但在竹材方面却报道很少。本文研究了紫外线照射竹材表面后, 其纤维组织和薄壁组织被降解的过程, 以期探讨竹材中具木质素组织被紫外光氧化分解的深度, 以及竹材表面颜色和亮度的变化规律, 从而为竹材的进一步开发和利用提供理论依据。

毛竹(Phyllostachys pubescens)采自广西壮族自治区贝江林场。材料选用3株5 a生的毛竹, 分别从竹秆基部向上3 m处的一个节间, 取节间中部2 cm ×1 cm ×壁厚的竹块30个, 再用刀片切出宽0.5 cm、长为竹秆壁厚、厚度为0.3 cm的样品(腰希申等, 1992)。样品的照射面分别为:竹秆的横切面、径向切面和竹秆壁表面。供测色泽变化的样品大小为1.0 cm×10 cm×0.3 cm。

光源为北京电光源研究所生产的紫外灯管(40 W), 主线谱为253.7 nm, 与自然的紫外光较为近似。竹材样品置于灯下3.5 cm处, 照射时间分别为3、5、7、10、20、30和40 d, 照射均在室温条件下进行。照射后的竹材样品表面经喷镀金膜后, 置于扫描电镜下, 观察竹材横切面和径向切面上薄壁组织与纤维组织细胞壁, 以及竹秆壁表面细胞壁的超微结构变化(Exley et al., 1974)。

观测细胞壁中木质素的变化, 是将紫外光照射后的竹材样品, 用滑走切片机切成20~30 μm的薄切片, 经间苯三酚和盐酸的显色反应, 首先在光学显微镜下观察并测量具木质素组织的分解深度(Kuo et al., 1991), 然后用SZ -∑80型色度计测量变质样品表面色度和亮度变化。每个样品色度和亮度的l、a、b值, 可用下面的公式计算颜色的变化, 即, 其中l_n、a_n、b_n分别为时间n时刻的平均颜色值, l₀、a₀、n₀是时间在零时刻的平均颜色值; 亮度是l在某一段时间的平均值。测5个样品, 取其平均值(陆文达, 1993)。

未经紫外线照射的竹材样品, 表面光滑平整, 细胞排列紧密; 在横切面上, 薄壁组织细胞角隅处有三角状的胞间隙; 竹秆外表面除具角质层外, 还有颗粒状的腊质。

紫外线照射竹材样品3 d后, 在其横切面上的纤维组织细胞次生壁内出现圆环形或同心环形的缝隙(图版Ⅰ-1), 而薄壁组织细胞无明显变化(图版Ⅱ-1)。另外, 在竹秆壁外表面的蜡质层出现破损。当照射到5 d时, 竹秆壁表皮的短细胞外壁开始被分解。照射7 d后, 横切面上的纤维组织细胞角隅处出现了空隙(图版Ⅰ-2), 薄壁组织细胞的复合中层开始被降解(图版Ⅱ-2), 竹秆壁表皮细胞的部分短细胞外壁降解后形成小孔。照射10 d后, 在横切面上, 纤维组织细胞的复合中层被降解, 细胞与细胞之间出现了缝隙(图版Ⅰ-3), 薄壁组织细胞的复合中层继续不均匀的降解(图版Ⅱ-3)。竹秆壁表皮中的短细胞外壁大部分被降解(图版Ⅰ-5)。在径切面上, 纹孔口出现断裂破损, 并向两侧扩展延伸。照射20 d后, 薄壁组织细胞壁明显变薄, 并出现变形(图版Ⅱ-4)。竹秆壁表皮细胞的外壁降解后已完全消失。竹材样品经照射30 d后, 其表面由原来的光滑平整变为凹凸不平的圆环形或同心环形, 同时呈现出许多垂周向的裂缝。薄壁组织细胞壁变得很薄以及出现大量坍塌与凹陷。照射40 d后, 样品的横切面已被降解的支离破碎, 其中纤维组织细胞的次生壁变薄(图版Ⅰ-4), 竹秆壁所有表皮细胞的外壁已被分解, 并显露出表皮细胞及其下面副表皮细胞的轮廓(图版Ⅰ-6)。

图版Ⅰ   Plate Ⅰ   SC:短细胞; EC:表皮细胞; CML:细胞复合中层; IS, 胞间隙; SW:细胞次生壁。SC: short cell; EC: epidermal cell; CML: compound middle lamella; IS: intercellular space; SW:secondary wall.1.紫外线照射3 d后毛竹横切面纤维细胞次生壁出现缝隙, ×4 000;2.紫外线照射7 d毛竹横切面纤维细胞复合中层处出现缝隙, ×4000; 3.紫外线照射10 d毛竹横切面纤维细胞的角隅处出现空隙, ×4 000; 4.紫外线照射40 d毛竹横切面纤维细胞次生壁破损, ×4 000; 5.紫外线照射10 d后表皮的短细胞外壁大部分被降解, ×800; 6.紫外线照射40 d所有表皮细胞外壁已分解, ×800。 1.The bamboo sample irradiated under ultraviolet for 3days, showing the cracks occurredon secondary wall of fiber cells along the cross-section, ×4 000; 2. The bamboo sample irradiated under ultraviolet for 7 days, showing the cracks occurred on compoundmiddle lamella of fiber cells along the cross-section, ×4 000; 3. The bamboo sample irradiated under ultraviolet for 10 days, showing the space occurred on fiber cell comers along the cross-section, ×4 000; 4. The bamboo sample irradiated under ultraviolet for 40 days, showing the damage occurred on the secondary wall of fiber cells along the cross-section, ×4 000; 5. The bamboo sample irradiated under ultraviolet for 10 days, showing the degradation occurred on short cell walls of epidermis, ×800; 6. The bamboo sample irradiated under ultraviolet for 40 days, showing the degradation occurred on surface of epidermal, ×800.

图版Ⅱ   Plate Ⅱ   1.紫外线照射3 d后毛竹横切面薄壁组织细胞壁无明显变化, ×1 300; 2.紫外线照射7 d毛竹横切面薄壁组织细胞的复合中层处开始降解, ×1 300; 3.紫外线照射10 d毛竹横切面薄壁组织细胞的复合中层继续不均匀降解, ×1 300; 4.紫外线照射20 d毛竹横切面薄壁组织细胞壁变薄、变形或塌陷, ×1 300。 1. The bamboo sample irradiated under ultraviolet for 3 days, showing no distinct change observed on the parenchyma cells along the cross-section, ×1300; 2. The bamboo sample irradiated under ultraviolet for 7 days, showing the degradation occurred on the compound middle lamella of parenchyma cells along the cross-section, ×1 300; 3. The bamboo sample irradiated under ultraviolet for 10 days, showing the uneven degradation occurred on compound middle lamella of parenchyma cells along the cross-section, ×1 300; 4.The bamboo sample irradiated under ultraviolet for 40 days, showing the deformation or subside occurred on the parenchyma cell walls along the cross-section, ×1 300.

Park等人(1996)和Kuo等(1991)曾研究了紫外线照射对日本扁柏(Chamaecyparis obtusa)和多脂松(Pinus resinosa)木材表面结构的影响, 他们认为木质部管胞壁的分解始于细胞角隅处, 接着沿复合中层分解, 其后从管胞次生壁内侧的S 3和外侧的S1分解, 最终整个管胞壁被侵蚀消失。然而, 在我们的研究中, 发现紫外线照射竹材表面后, 纤维细胞壁的分解始于次生壁各片层连接处, 接着角隅处和复合中层相继被降解。随后, 从样品表面和次生壁各层的两侧3个方向侵蚀和分解细胞壁, 最终整个细胞壁被分解消失。这与Park等人(1996)对松杉类植物木材的观察结果并不完全一致。竹材与木材的这种差异, 可能与两者细胞次生壁的超微结构明显不同有关, 其中松杉类植物木材管胞的次生壁明显分为3层, 而毛竹的纤维细胞次生壁则可分为3~9层, 其中薄层与厚层交互交替排列(吴顺昭等, 1991; 腰希申等, 1992)。当经紫外线照射后, 竹材的纤维细胞次生壁上的裂隙, 则常出现于各片层的交接处。

通过紫外线照射毛竹竹材后, 薄壁组织细胞壁的分解速度远比纤维细胞复合中层的慢, 这说明前者的木质化程度低于后者。经同样处理后, 竹秆表皮细胞的分解常始于短细胞, 随后再扩展到长细胞。表皮细胞中短细胞比长细胞更易被紫外线降解的原因, 可能与两者细胞壁的组成成分不同有关。

由于木质素吸收紫外线较强的特性, 所以在竹材样品中木质素比纤维素分解的更快。在竹材的横切片上, 通常应用间苯三酚和盐酸的显色反应, 在光学显微镜下即可观察到具木质素的组织呈樱红色, 而不具木质素的组织呈黄色。由此可观察到, 经紫外线照射3、5、7、10、20、30和40 d, 竹材样品横切片上, 具木质素的薄壁组织与纤维组织被分解的深度明显不同, 前者由3 d的170 μ m到30 d增至为540 μ m, 而后者则从0扩展到122 μ m。其主要原因是薄壁组织细胞壁较薄, 胞间隙和细胞直径均大于纤维组织, 致使紫外线更易穿透竹材的薄壁组织。随着紫外线照射竹材表面的天数增至40 d时, 其薄壁组织的分解深度(590 μ m)比纤维组织(146 μ m)更大, 两者竟相差4倍之多。

竹材样品的3个面, 即横切面、径切面和竹秆壁表面, 经紫外线照射到第10 d时, 颜色和亮度均变化较快, 此后这种变化趋于平缓(图 1)。在样品的3个面上, 以横向面上的颜色和亮度变化最大, 竹秆壁表面的变化最小, 而径切面变化居中。这是由于横切面上薄壁组织细胞角隅处的间隙较大, 其细胞的长轴又与紫外线的照射方向一致, 因而穿透和吸收紫外线的数量均比径切面与杆壁表面更大。另外, 竹秆壁表皮外的蜡质和角质层对其下面的表皮细胞起着保护作用, 只有当蜡质和角质层被分解破坏后, 表皮细胞壁的木质素与纤维素才会被分解, 所以竹秆表面颜色变化曲线, 在紫外线照射10 d和30 d有两次大的变化(图 1)。上述观测结果与木材的研究结果较一致(Kuo et al., 1991)。由此可见, 紫外线照射对竹材表面的颜色和竹材使用寿命均有明显影响。为了增强竹材对紫外线的抵抗力, 应该对竹材表面、端部、单面旋切板进行化学改性, 以增强竹材的耐用性, 为竹材应用开辟新的途径。

图 1 经紫外线照射后竹材样品表面颜色和亮度的变化 Fig. 1 The changes in color and brightness occurred in bamboo samples under UV irradiation