Effect of Physisporinus vitreus on wood properties of Norway spruce. Part 2: Aspects of microtensile strength and chemical changes

The biotechnological application of the white rot fungus Physisporinus vitreus named "bioincising” is currently being investigated for permeability improvement of Norway spruce (Picea abies (L.) Karst.) wood. During short-term (<9weeks) incubation, fungal activity induces degradation of pit membranes and a simultaneous alteration of the tracheid cell wall structure. In Part 1 of this article series, the occurrence of selective delignification and simultaneous degradation was shown by UV-microspectrophotometry (UMSP). Moreover, significant reduction of Brinell hardness was recorded after 7 and 9weeks incubation. For a better understanding of the chemical alterations in the wood constituents and the corresponding changes of mechanical properties due to fungal activity, we applied microtensile tests on thin strips that were prepared from the surface of incubated Norway spruce wood. Indications for the occurrence of selective delignification and simultaneous degradation were evident. Determination of lignin content and carbohydrate analysis by borate anion exchange chromatography confirmed the results. The present study verifies the findings from Part 1 of this article series and from previously conducted microscopic investigations. Now, the degradation characteristics of P. vitreus are established and the bioincising process can be further optimized with higher reliabilit

A Review on Promising Approaches for Liquid Permeability Improvement in Softwoods

The low liquid permeability of refractory wood species such as Norway spruce [Picea abies (L.) Karst.] and white Fir (Abies alba) is related mainly to the aspiration of bordered pits during wood drying. The resulting low permeability complicates treatments with liquid preservatives or wood modification substances. This article provides a literature review on various mechanical and biotechnological approaches that were developed for improving liquid permeability. In this context, we focus on the incubation of Norway spruce wood with a white rot fungus, Physisporinus vitreus (Pers.) P. Karst. The process is termed "bioincising" and results in a significant increase in wood permeability. This is most probably caused by the selective degradation of bordered pit membranes and simple pits of xylem ray parenchyma during the initial period of wood colonization. Subsequently, we discuss how bioincising could be a potential pretreatment method for wood preservation and selected wood modification substances. Considering that these wood modification systems require specific penetration depths for optimal performance, we discuss the capability of bioincising to enhance permeability at the required penetration depths. In this regard, we propose a terminology for better differentiation of penetration depths by liquid substances into the wood

Effect of Physisporinus vitreus on wood properties of Norway spruce. Part 1: Aspects of delignification and surface hardness

The white rot fungus Physisporinus vitreus is currently tested for several biotechnological applications such as permeability improvement of refractory wood species or the optimization of the acoustic properties of wood for violins. The enzymatic activity of P. vitreus results in the degradation of pit membranes and simultaneous alterations of the tracheid cell wall structure in wood of Norway spruce [Picea abies (L.) Karst]. By this means, selective delignification and simultaneous degradation occur in the latewood tracheids at short incubation times. To study the delignification of individual cell wall layers in latewood tracheids, cellular UV-microspectrophotometry was applied to wood of Norway spruce that had been incubated for between 3 and 9weeks. By means of this technique, the progressing delignification was demonstrated in the latewood tracheid secondary walls. Moreover, local delignification in close proximity to hyphal tunneling, cavities, and notches was evident. Additionally, the mechanical changes were measured (a) at the macroscopic level by Brinell hardness test and (b) at the cellular level by nanoindentation. Brinell hardness was significantly reduced with increasing incubation time which was attributed to the partial delignification. Unlike Brinell tests, results from nanoindentation tests did not show a clear effect of fungal activity because of the material heterogeneity and the high spatial resolution of this technique. The present study provides methodological approaches for the investigation of wood-fungus interactions and contributes to a better understanding of the characteristics of wood decay at the subcellular level caused by the white rot fungus P. vitreus. Moreover, it establishes the basis for a subsequent chemical analysis, for which the results will be the topic of a second paper in this serie

Verbesserung der Permeabilität von Fichtenholz mit dem Weißfäulepilz Physisporinus vitreus

Als Massivholz wird Fichte (Picea abies (L.) Karst.) in einer Vielzahl von Anwendung im Innen-und Außenbereich verwendet. Auf Grund seiner geringen natürlichen Dauerhaftigkeit gegen holzzerstörende Pilze ist eine Behandlung mit Holzschutzmitteln für bestimmte Anwendungen erforderlich. Außerdem besteht ein wachsendes Interesse an der Behandlung von Fichtenholz mit wasserbasierten Modifizierungssubstanzen, die spezifische Eigenschaften der Holzoberfläche verbessern, wie z.B. UV-Stabilität, Hydrophobizität, Härte und Feuerwiderstandsfähigkeit. Die Imprägnierung mit solchen Substanzen erfordert oftmals eine Holzpermeabilität, welche eine ausreichend tiefe und homogene Verteilung der Wirksubstanzen im Holz erlaubt, um eine deutliche Eigenschaftsverbesserung zu erreichen.Allerdings weist Fichtenholz eine geringe Permeabilität auf, die auf einen Tüpfelverschluss im Laufe der Holztrocknung zurückzuführen ist. Im lebenden Baum wird die Permeabilität hauptsächlich durch die behöften und halb-behöften Tüpfel bestimmt, die die Verbindungskanäle zwischen den Tracheiden und Holzstrahlzellen darstellen. Während der Holztrocknung werden die meisten dieser Tüpfel durch eine irreversible Anlagerung der flexiblen Tüpfelmembran an die Zellwand verschlossen. Die sich daraus ergebende verringerte Imprägnierbarkeit erschwert die Behandlung von Fichtenholz mit Holzschutzmitteln und Modifizierungssubstanzen.Die Behandlung von Fichtenholz mit dem Weißfäulepilz Physisporinus vitreus über einen kurzen Zeitraum ist ein biotechnologischer Versuch, die Permeabilität von schwer imprägnierbaren Holzarten zu erhöhen. Das so genannte "Bioincising"-Verfahren basiert auf dem Wachstum von Pilzhyphen durch die Tracheiden und Holzstrahlzellen. Wie in den Arbeiten von Schwarze und Landmesser (2000) und Schwarze et al. (2006) diskutiert, bewirkt die Pilzaktivität einen Abbau der Tüpfelmembranen und erhöht somit nach 6 Wochen Inkubation signifikant die Flüssigkeitsaufnahme, ohne hierbei eine nennenswerte Reduktion der Bruchschlagfestigkeit zu verursachen.Hauptaufgabe in der vorliegenden Doktorarbeit war eine Beurteilung der Effekte auf die Eigenschaften von Fichtensplint und kernholz, die sich nach einer 3 bis 9-wöchigen Inkubation mit P. vitreus ergeben. Es wurden hierfür drei Bereiche für die wissenschaftliche Forschung definiert: 1) die Beschreibung der Pilzaktivität und die daraus resultierenden Eigenschaftsveränderungen des Fichtenholzes; 2) die Veränderung der Substanzaufnahme und der qualitativen Eindringtiefe und 3) die Beurteilung des Gesamteffektes, der sich aus der Kombination von Bioincising und der anschliessenden Behandlung mit Modifizierungssubstanzen auf ausgewählte Holzeigenschaften ergibt.Es konnte gezeigt werden, dass die Aktivität von P. vitreus eine selektive Delignifizierung und einen simultanen Abbau in den Tracheiden-Zellwänden hervorruft. Weiterhin wurde ein gleichzeitiger Abbau von Tüpfelmembranen und eine Schädigung der Tracheiden-Zellwände beobachtet. Hierbei waren die Masseverluste gering und die Oberflächenhärte wurde nur wenig reduziert, was auf eine vergleichsweise geringe holzzersetzende Aktivität von P. vitreus hinweist. Substanzaufnahme und Eindringtiefe waren nach 5-wöchiger Inkubation sowohl im Splint- als auch im Kernholz signifikant erhöht. Es konnten allerdings keine deutlichen Eigenschaftsverbesserungen nach einer Imprägnierung mit Substanzen für die UV-Stabilität, Hydrophobizität, Härte und Feuerwiderstandsfähigkeit gemessen werden.Der Bioincising-Prozess ist derzeit noch in der Optimierungsphase. Verschiedene Parameter wie Wasseraktivität aw, Temperatur, pH-Wert und Nährstoffangebot beeinflussen die Geschwindigkeit und Homogeneität der Pilzbesiedlung und aktivität und müssen für eine verbesserte Prozesskontrolle weiter optimiert werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen zu dieser Prozessoptimierung bei. Eine weiterentwickelte Pilotanlage wurde kürzlich in Betrieb genommen und verspricht einen verbesserten Inkubationsprozess.Eine großtechnische Anwendung des Bioincising-Verfahrens liegt jedoch in ferner Zukunft. Auf Grundlage des aktuellen Kenntnisstandes ist eine Anwendung des Bioincising-Verfahren für hochwertige Produkte mit kleineren Dimensionen und in geringeren Stückzahlen wahrscheinlich