Роль структуры сообщества хемолитотрофных

На правах рукописи
Фатыхова Юлия Наильевна
РОЛЬ СТРУКТУРЫ СООБЩЕСТВ ХЕМОЛИТОТРОФНЫХ
МИКРООРГАНИЗМОВ В РАЗРУШЕНИИ СТРОИТЕЛЬНЫХ
СИЛИКАТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
03.00.16 – экология
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
Томск – 2006
2
Работа выполнена в Томском государственном архитектурно – строительном университете на кафедре «Охрана труда и окружающей
среды»
Научный руководитель
доктор геолого-минералогических наук,
профессор
Мананков Анатолий Васильевич
Официальные оппоненты
доктор биологических наук,
профессор
Карташев Александр Георгиевич
кандидат биологических наук
Сваровская Лидия Ивановна
Ведущая организация
Сибирский государственный медицинский
университет, г. Томск
Защита состоится «15 »_ноября_ 2006 г. в _10 ч._ на заседании диссертационного совета Д 212.267.10 в Томском государственном
университете по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 36.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного университета.
Автореферат разослан « »_______ 2006г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Просекина Е.Ю.
3
Актуальность темы. В условиях техногенного воздействия неуклонно возрастает роль различных видов коррозии материалов зданий и сооружений. Среди исследованных видов коррозии наименее изученными являются биологические. Однако микроорганизмы по своей физикобиологической природе являются наиболее чуткими индикаторами любого
изменения химико-экологической обстановки окружающей среды. Более
40–50 % общего объема регистрируемых в мире повреждений связано с
деятельностью микроорганизмов, а в нефтяной промышленности – более
77 % коррозионных потерь оборудования происходит в результате биокоррозии (В.А. Крыленко и др., 2003). Причем микроорганизмы могут ускорять процессы деструкции материалов при определенных условиях в
тысячи раз (Д.Ю. Власов, 2003). Общий ущерб, причиняемый объектам в
результате биоповреждений, составляет многие десятки миллиардов долларов ежегодно (В.И. Соломатов и др., 2001).
Особую актуальность процесс биокоррозии – как разрушающий фактор,
приобретает для исторической застройки. Многие исторические здания одного из старейших городов Сибири – Томска подвержены биокоррозии.
Сведения о составе микроценозов формирующихся на поверхности строительных материалах таких зданий практически отсутствуют. Реставрация
зданий без учета структуры сообществ микроорганизмов и их влияния на
устойчивость стройматериалов, может быть мало эффективной.
Работа выполнялась по Программе «Архитектура и строительство», тема «Конструктивная экология каменных зданий исторической застройки в
условиях Западной Сибири», грант 01.2.00304348, 2003–2004 год.
Цель работы заключается в оценке роли структуры сообществ литобионтных микроорганизмов в устойчивости строительных силикатных
материалов архитектурных памятников.
В соответствии с целью работы определены задачи исследования:
•изучить особенности состава агентов биокоррозии материалов исторической застройки г. Томска;
•установить закономерности формирования структуры сообществ
хемолитотрофных микроорганизмов на строительных материалах;
•выяснить роль отдельных природных факторов в механизме
развития очагов биокоррозии;
•разработать методические подходы к моделированию взаимодействий микроорганизмов со строительными материалами;
•обосновать методы защиты строительных материалов от биокоррозии.
Основным исходным материалом для решения поставленных задач
послужили микроорганизмы, участвующие в процессах биокоррозии природных (зоны выветривания горных пород) и искусственных строительных
материалов (фундаментов и стен зданий исторической застройки г. Томска). Пробы отбирались с разных участков фундаментов и стен (разру-
4
шающиеся бутовые камни, кирпич, штукатурка) двенадцати исторических
зданий г. Томска. Эти здания расположены на различных геоморфологических элементах (надпойменные террасы, междуречные равнины) и эксплуатируются во временном диапазоне от 125 до 35 лет. Всего было исследовано 80 проб.
Сбор образцов и обработка исходных данных потребовала применения
системы методических приёмов. Так, при сборе образцов использовался
метод отпечатков, метод разведений и высевов на агаризованные и жидкие
искусственные питательные среды (ИПС). При обработке полученных
данных применялись методы математической статистики и моделирования
(в том числе, компьютерного).
Научная новизна работы
1. Впервые проведены исследования по изучению закономерностей
формирования сообществ литобионтных микроорганизмов на строительных силикатных материалах в условиях повышенной влажности на территории Западной Сибири.
2. Выявлена прямопропорциональная зависимость между количеством
формирующихся сульфатредуцирующих бактерий (родов Thiobacillus,
Desulfovibrio) и микромицетов (Mucor, Penicillium, Aspergillus), с интенсивностью радиоактивного газа радона и гипергенной каолинизацией.
3. Установлено участие изотопов серы природного и аэрогенного происхождения в трофических цепях сообществ хемолитотрофной микрофлоры.
4. Разработан способ защиты строительных конструкций от биологической коррозии.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Структура сообщества микроорганизмов формирующихся на поверхности строительных силикатных материалов зависит от состава, возраста строительных материалов (как внутренних факторов) и гидрогеологических особенностей и химической активности грунтовых вод (как
внешних факторов).
2. В качестве индикатора развития биокоррозии силикатных строительных материалов предлагается использовать тиобактерии, как характерных инициаторов сульфатной биодиструкции. Количественное содержание бактерий рода Thiobacillus позволяет использовать тиобациллы в
качестве экспресс-метода биоиндикации ранних стадий коррозии силикатных строительных материалов.
3. Разработанная диффузионно-транспортная математическая модель
биокоррозии относится к классу нелинейных дифференциальных уравнений и включает в себя следующие элементы: диффузию микроорганизмов,
диффузию активной жидкости, оценку воздействия продуктов метаболизма литобионтной микрофлоры на средустроительного материала.
5
Достоверность выводов работы была обеспечена: применением типовых исследовательских методик; необходимым для статистической обработки объёмом выборки данных; согласованностью полученных авторских результатов с опубликованными результатами других исследователей.
Практическая значимость работы. Разработаны и обоснованы методы изучения биокоррозии материалов фундаментов стен и зданий исторической застройки в условиях повышенной влажности. Предложены состав и
способ для защиты материалов от биокоррозии. Результаты работы внедрены в Томском областном государственном учреждении «Областной комитет
охраны окружающей среды и природопользования», результаты используются при составлении геоэкологической карты развития биологической коррозии на территории города Томска в предпроэктных обследованиях, при
составлении актов и заключений на ремонтные и восстановительные работы. Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе
кафедры «Охраны труда и окружающей среды» при ТГАСУ и в институте
повышения квалификации при переподготовке инженеров – специалистов
по инженерной защите окружающей среды и безопасности технологических
процессов и производств.
Апробация работы. Материалы диссертации представлены и обсуждены на международных и региональных конференциях, в том числе: на международной конференции ENVIROMIS (г. Томск, 2002); на научнотехнической конференции «Архитектура и строительство» (г. Томск, 2002г);
на международном симпозиуме студентов, аспирантов и молодых ученых
имени академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (г.
Томск, 2003); на международной школе-конференции «Экология Южной
Сибири и сопредельных территорий» (г. Абакан, 2005г).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ,
в том числе 4 статьи в журналах, включенных в Перечень ВАК и в
2 заявках на патенты.
Структура и объем работы. Диссертация общим объемом 125 страниц состоит из введения, 5 глав, выводов и списка литературы. Работа содержит 15 рисунков, 7 таблиц и 2 приложения. Список литературы включает 128 источников.
Диссертационная работа выполнялась в ТГАСУ. Эксперименты проводились в лаборатории биокинетики и биотехнологии при ФГНУНИИ
биологии и биофизики ТГУ.
Соискатель выражает особую благодарность и признательность научному руководителю, д.г.-м. н., профессору Мананкову Анатолию Васильевичу. Автор искренне признателен Осипову Сергею Павловичу за высококвалифицированные консультации в вопросах математического моделирования процессов биокоррозии.
6
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, определены цель и задачи, сформулирована научная новизна и практическая значимость, изложены выносимые на защиту положения.
Глава 1. Анализ состояния вопроса биологического разрушения
строительных материалов. Наиболее многочисленные исследования посвящены изучению микробиологического разрушения древесных материалов (С.Н. Горшина, Л.Е. Лейтли, Р.А. Итона, О. Шимта, Е.А. Абрамушкина, Л.В. Суворова, Н.А. Максименко и др.) В работах С.С. Камаевой, Е.П.
Розановой рассматривается биогенная сульфатредукция, как один из факторов стресс-коррозии магистральных трубопроводов, изучается распространение сульфатвосстанавливающих бактерий в трубопроводах тепловой сети. Работы Е.И. Андреюк, И.А. Козловой, А.М. Рожанской посвящены изучению микробиологической коррозиистроительных сталей и бетонов. Совсем незначительная часть исследований посвящена изучению участия бактерий в разрушении каменных и кирпичных строений. Этому вопросу посвящены работы А.А. Горбушина, Б.В. Громова, В.И. Соломатова,
В.Т. Ерофеева, Е.А. Морозова и др. Здания г. Томска находятся в условиях
повышенной влажности, что ускоряет процессы коррозии. На территории
г. Томска и области ведутся работы по изучению микрофлоры подземных
вод родников, по выявлению участия микроорганизмов в процессах разрушения бетонных конструкций в местах разлива нефти. Этому вопросу
посвящены работы К.И. Кузеванова, Н.Г. Наливайко, Л.И. Сваровской,
В.С. Феоктистовой, З.А. Роженковой, Н.Г. Межибор. Вместе с тем, вопросы биоповреждений каменных (кирпич, бетон, штукатурка) материалов и
их реставрации раскрыты недостаточно полно. Биоразрушение несущих
конструкций и декоративных материалов в современных производственных и жилых зданиях становится все более распространенным явлением.
В главе дается характеристика микробиологической способности выщелачивать горные породы, рассматривается химия бактериального окисления сульфидных минералов, приводятся примерымикробиологической
коррозии силикатов и алюмосиликатов, приведены данные о наиболее
распространенных микроорганизмах – деструкторах.
Глава 2. Материалы и методы исследования. Приводятся используемые в работе методы: визуального осмотра, отбора проб,лабораторных
исследований, подготовки образцов.
Сбор образцов проводили с использованием метода разведений и высевов
на агаризованные и жидкие ИПС. Были применены следующие среды: мясо-пептонный агар (МПА), агар Чапека-Докса, крахмало-аммиачный агар
(КАА), жидкие среды для тионовых и нитрифицирующих бактерий. Идентификацию выделенных микроорганизмов проводили по стандартным методикам на основе микроморфологических признаков. Сообщества агрес-
7
сивных микроорганизмов, изучались на поверхности внутренних и внешних стен исторических зданий города Томска, подверженных разрушению
в разной степени. Так же микробиологический анализ проводили на каолинитовых корах выветривания палеозойских сланцев в природных обнажениях на правом берегу р. Томи и в строящейся водоотводящей штольне.
Пробы были отобраны в период с 2002 по 2004 г. при температуре от +5 0C
до -5 0C. Образцы проб отбирались в виде соскобов с поверхности камня и
кирпича в местах наибольшего повреждения. Так же отбирались пробы
почвы с примесью растительности и растворной крошки, на уровне фундамента исследуемых зданий. Отбор проб сопровождался определением
удельной эффективной активности естественных радионуклидов (с помощью гамма-радиометра РУГ-91М) и концентрацией радона в воздухе (радиометром Alpha GUARD PQ2000 и трековыми детекторами).
Глава 3. Результаты и обсуждения. Места отбора проб для микробиологического исследования определяли по результатам визуального обследования с учетом характерных признаков биологического повреждения
материала. Полученные данные свидетельствуют о значительном разнообразии микроценоза, развивающегося на различных каменных субстратах.
Процесс развития биокоррозии тесно связан с поднимающимися по ослабленным зонам подземными и грунтовыми водами, участвующими в процессе подтопления фундаментов и стен зданий. Исследования разрушающихся образцов фундамента, штукатурки и кирпича показали что, микробиологическая коррозия проходит вдоль микротрещин и капиллярного
подъема влаги на уровне одного-двух метров от основания фундамента. В
зонах нарушения наблюдались отслаивания, шелушения, вспучивания.
В работах ряда авторов (Warscheid Th., 1994; Saiz-jimenez, 1995) было
отмечено что, на поверхности поврежденного строительного материала
часто формируются биопленки, которые представляют собой сообщества
микроорганизмов, взаимно поддерживающих развитие друг друга на минеральном субстрате за счет выделения внеклеточных полимерных веществ (пигментов, полисахаридов, белков). Развитие микробиоты приводит к образованию на поверхности строительных материалов и сооружений окрашенных пленок, корок.
Нами на поверхности стен было обнаружено образование поверхностных налетов и наслоений различной плотности и окраски толщиной от 2–
15 миллиметров. Более глубоко расположенные слои также были
затронуты процессом деструкции и легко поддавались механическому
разрушению.
Практически все исследованные пробы содержали одновременно несколько видов микромицетов, а также большое количество бактерий. Общая численность клеток бактерий и грибков в некоторых пробах достигала
15⋅103–30⋅104 клеток на 1 г субстрата.
8
В результате микологического анализа отобранных образцов кирпича
было выявлено 9 родов микромицетов, относящихся к 3 классам (Zygomycetes, Ascomycetes, Deuteromycetes) (табл. 1).
Таблица 1
Видовой состав микромицетов на разрушающемся строительном
материале зданий г. Томска
образцы проб
Вид гриба
I
(Кл. Zygomycetes)
Mucor himalis
(Кл. Ascomycetes)
Candida sp.
(Кл. Deuteromycetes)
Alternaria sp.
Aspergillus fumigatus
A. niger
A. terreus
Botryis cinerea
Cladosporium sp.
Fusarium sp.
Penicillium citrinum
P. funiculosum
P. purpurogenum
Trichoderma sp.
Заболоченная
местность
II III IV
Террасы
Холмы
V
VI
VII
VIII
IX
X
+
+
+
-
+
-
-
-
+
+
-
-
+
-
-
+
+
-
-
-
+
+
+
+
-
+
+
+
+
+
+
+
-
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
+
+
+
+
+
+
+
+
-
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
+
+
+
+
+
+
-
+
+
+
+
+
Примечание: I – главный корпус ТГУ, библиотека ТГУ; II – здание бывшей Громовской бани (ул. Плеханова); III – здание по ул. Розы Люксембург; IV – здание
психоневрологического диспансера (ул. Беленца); V – здание по ул. Беленца 20; VI
– здание складов купца Горохова (ул. Карла Маркса); VII – штольня в Лагерном
саду; VIII – место естественного обнажения сланцев на поверхность; IX – здание
областного суда, пл. Соляная; X – погреба по ул. Елизаровых.
Доминирующими оказались представители класса Deuteromycetes –
7 родов. В большинстве исследованных образцов встречались виды родов:
Aspergillus, Fusarium, Penicillium, Cladosporium. Многие виды, изолированные нами с поверхности кирпича, были обнаружены также в почве с
примесью растительности и растворной крошки, на уровне фундамента
исследуемых зданий. К их числу можно отнести Penicillium citrinum, P.
purpurogenum, Aspergillus niger, Alternaria sp., Fusarium, Cladosporium sp.
Ранее было отмечено влияние микрофлоры близлежащих деревьев и почвы на формирование видового состава микромицетов на поверхности мрамора (T. Cross, 1981).
9
Изменение внутри системы гриб–материал связано с изменением
только гриба, поскольку сам материал достаточно стабилен. Однако разное состояние материала может влиять на заселение его грибами. Старение
материалов понижает их устойчивость к разрушительному действию микодеструкторов и может служить трамплином для освоения грибами полноценных материалов. Наиболее типичными формами разрушения силикатных материалов, связанных с присутствием микромицетов, являются:
поверхностные корки, отслаивание которых сопровождается осыпанием
материала и потерей прочности конструкций;
поверхностные налеты и наслоения различной плотности и окраски
(биопленки), сформированные колониями микроскопических грибов, водорослей и бактерий;
микротрещины и крупные трещины, в глубине которых происходит
накопление и развитие микроценозов;
локальное отслаивание фрагментов материала.
Высевы образцов на питательные среды показали, что в разрушающемся кирпиче и штукатурке постоянно содержатся микроорганизмы,
распределение которых в материале, взятом с глубины, подвержено определенным закономерностям (рис. 1-3). Так максимальное количество бактерии выявляемых на МПА было отмечено на глубине 2–4 мм, с глубиной
численность сапрофитов снижалась. На глубине 13 мм количество сапрофитной микрофлоры составляло 5⋅102 КОЕ/г (рис 1.а).
900
1400
800
численность микроорганизмов, КОЕ/г
численность микроорганизмов КОЕ/г
1200
1000
800
600
400
700
600
500
400
300
200
200
100
2
1
0
1
3
1
2
3
1
2
3
2
3
2
13
2
0
3
1
1
глубина, мм
а
2
3
1
2
2
3
3
2
4
глубина, мм
б
1 группа – хемолитотрофные бактерии; 2 группа – бактерии на МПА; 3 группа – микромицеты.
Рис.1. Группы микроорганизмов, выделенные с поврежденного кирпича зданий
расположенных: а – здание складов Горохова по ул. К.Маркса (терраса р. Томь); б место естественного обнажения сланцев на поверхности Лагерный сад
(терраса р. Томь).
1200
600
1000
500
численность микроорганизмов,КОЕ/г
численность микроорганизмов, КОЕ/г
10
Среди автотрофов ведущую роль играют сульфатредуцирующие и
тионовые бактерии.
Так, на уровне фундамента зданий обнаружено присутствие Desulfovibrio desulfuricans, восстанавливающего сульфаты у основания влажных
стен до сероводорода. В глинистых сланцах аналогичный процесс приводит к массовой каолинизации пород. Избыточные сульфаты и сероводород
окисляются тионовыми бактериями с образованием серной кислоты, способствующей параллельно развивающейся химической коррозии в массе
материала.
800
600
400
200
0
1
1
3
2
3
300
200
100
2
2
1
400
1
0
глубина, мм
2
1
3
1
3
2
2
2
3
глубина, мм
а
б
численность микроорганизмов, КОЕ/г
1200
1000
800
600
400
200
0
3
1
1
1
2
2
2
2
3
4
глубина, мм
в
1 группа – хемолитотрофные бактерии; 2 группа – бактерии на МПА; 3 группа – микромицеты.
Рис.2. Группы микроорганизмов, выделенные с поврежденного кирпича зданий
расположенных: а - ул. Р.Люксембург 18-а (заболоченный участок);
б - здание по пер. Плеханова (заболоченный участок);
в - цоколь здания Областного суда (холмы).
11
численность микроорганизмов, КОЕ/г
800
700
600
500
400
300
200
100
0
1
2
1
3
2
2
3
глубина, мм
2
3
2
4
1 группа – хемолитотрофные бактерии; 2 группа – бактерии на МПА; 3 группа – микромицеты.
Рис.3. Группы микроорганизмов, выделенных с поврежденного кирпича здания
главного корпуса Томского государственного университета
Влияние радиации на микрофлору. Микробиологический анализ,
внутри противооползневой дренажной горной выработки в Лагерном саду
г. Томска, на восточном ее участке (с интенсивной каолинизацией глинистых сланцев под воздействием подземных сульфатсодержащих вод нижнего горизонта), позволил выявить автотрофные тиобактерии, а также грибы-микромицеты. На этом участке выявлена аномальная концентрация
радона в воздухе штольни. Значение интегральной объемной активности
радона = 988 Бк/м3. Установлено, что бактерии родов Thiobacillus, а также
микромицеты родов Mucor, Penicillium, Aspergillus способны увеличивать
свою численную плотность в условиях гипергенной каолинизации и повышенной радоновой активности.
Изотопный метод. Для установления первоисточников веществ наиболее перспективными и информативными являются изотопные методы исследования, в основе которых лежит принцип постоянства первозданного
изотопного состава любого элемента, существенно измененного впоследствии под действием разнообразных природных и техногенных процессов.
Обычно в геохимических исследованиях изучается соотношение наиболее распространенных изотопов S32 и S34. Более удобно вариации изотопного состава выражать в величинах δ S34 , которые показывают разницу
между изотопным составом образца и стандарта, выраженную в промиллях (‰). Изотопные отношения и значения δ S34 связаны выражением:
δ S34 (‰) = S34/ S32обр.- S34/ S32ст. *1000
S34/ S32ст
12
В качестве международного стандарта принята сера троилитной фазы
метеорита Каньон Дьябло, для которой отношение S34/S32 принято равным
22,2 (S34/S32 = 0,045), а δ S34 = 0,00 (Jensen, 1962). Нами изучен изотопный
состав серы прокорродированных стройматериалов здания Областного
суда. Образцы гипса, кирпича, цементного раствора, содержащие серу,
обрабатывали по стандартной методике. Изотопный состав серы определен на масс-спектрометре МС-2М методом сравнения, точность измерения
±0,05 % относительных. Результаты анализов представлены в таблице 2.
Таблица 2.
Изотопный состав серы (пробы здания Областного суда)
материал
гипс
кирпич цоколя
растворный камень
концентрация SO3 мас. %
46,6
0,4
0,5
δ S 34 ‰
+ 22
+ 0,3
+ 0,6
Как видно из таблицы значение δ S34 изменяется от + 22 ‰ до + 0,3 ‰
от одной пробы к другой. Микробиологический анализ проб цоколя показал, что в образцах наряду с гетеротрофной микрофлорой, присутствуют
микроорганизмы продукты метаболизма которых, способны вызвать потерю прочности сооружения. Это тионовые, сульфатвосстанавливающие и
нитрифицирующие бактерии. Для выяснения происхождения серы важно
знать причины, вызывающие вариации ее изотопного состава в анализируемых пробах. Если в пробах органическая сера входит в состав белка, то
изотопный состав ее должен быть близок к сульфату. Если же она – продукт превращения сероводорода, тогда изотопный состав ее не будет значительно отличаться от состава свободной серы. В тоже время в пределах
одной и той же пробы сера близка по изотопному составу с другими восстановленными соединениями серы. Это свидетельствует о том, что в гипсовых отложениях сера органического вещества является продуктом превращения бактериального сероводорода и не имеет отношения к белковым
соединениям, поэтому изменения изотопного состава серы определяются
теми же причинами, что и для элементарной серы. Этим объясняется полное разложение минеральных соединений строительных материалов. При
непрерывном удалении Н2S из системы, например при улетучивании или
осаждении в форме сульфида, бактерии восстанавливают сульфат до полного исчерпания пищи или сульфата. Удаление легкого изотопа серы из
системы, главным образом, изменяет распределение величин δ 34 S в соединениях серы.
Глава 4. Диффузионно-транспортная математическая модель воздействия микроорганизмов на строительные материалы. Коррозия,
вызванная воздействием микроорганизмов, ухудшает свойства строительных материалов, изделий и конструкций. Для разработки современных
13
материалов с заданными параметрами и для прогнозирования изменения
их характеристик с учетом воздействия на них микроорганизмов необходимо использование физико-химических и математических моделей. Один
из таких подходов, по моделированию биологической коррозии строительных материалов, основан на проявлении интенсивности коррозионных
разрушений протекающих аналогично деградации от химически агрессивных сред, определяется скоростью химических реакций на поверхности
материала, диффузией микроорганизмов и продуктов их жизнедеятельности в структуру материала и прохождением при этом химических реакций
(В.И. Соломатов и др., 2001). Принято считать, что определяющим фактором в процессе распространения микроорганизмов и продуктов их жизнедеятельности является диффузия жидкости.
Используемый нами подход основан на результатах экспериментальных исследований взаимодействия автотрофных силикатразрушающих
микроорганизмов и сопутствующих гетеротрофных микроценозов. Объект
воздействия представляет собой бесконечное полупространство (пористую
среду), далее - среду. Система координат связана с лобовой поверхностью
среды. Поверхность среды заражается микроорганизмами. Для этого необходимы некоторые благоприятные внешние факторы, основные из которых – влажность, температура, питательные вещества из материала среды.
Следует учесть и два внутренних фактора, связанных с микроорганизмами.
Первый из них - размножение микроорганизмов, а также их трофическая
гетерогенность. Второй фактор связан с тем, что в процессе развития микроорганизмов происходит накопление продуктов метаболизма, которые
представляют собой жидкости, газы и твердые вещества. Сочетание этих
внешних и внутренних факторов определяет условия биокоррозии. На основе системного анализа предложена модель воздействия микроорганизмов на среду с учетом этих факторов (рис.4).
Диффузия активной жидкости. Химическое разрушение материала
возникает в результате действия на него продуктов, образующихся в процессе роста микроорганизмов: неорганических и органических кислот, а
также углекислого газа. Содержание активной жидкости в момент времени t в точке среды с координатой x характеризуется параметром u( x, t )
(концентрацией). Материал среды в начальный момент времени (t = 0 )
однороден и не содержит активной жидкости. Концентрация исследуемой жидкости в тонком приповерхностном слое среды в начальный момент времени равна u (0, 0) = u 0 , а в среде u ( x, 0) = 0, x > 0 . Сущность задачи заключается в определении временной и пространственной
зависимости концентрации в любой точке среды, то есть, оценки функции
u( x, t ) .
14
Р азм н ож ен и е
М и кроорган и зм ы
П итание м атери алом сред ы
П родукты ж и зн ед еятел ьн ости
Н аруш ен ие стр уктуры
м атериала среды
Ж идкости
И нертны е
Д и ф ф узи я
Г азы
Т верды е
А грессивны е
П родукты реакции
Х им ические реакции
Н аруш ение м инерального
состава м атериала среды
П еренос влаги
И зм ен ен и е влаж н ости
среды
И зм ен ен и е п отреб и тел ьски х свой ств ср ед ы
Рис.4. Физико-химическая схема воздействия микроорганизмов на среду
Уравнение диффузии вещества в среде базируется на законе Нернста и
записывается следующим образом:
∂u ( x, t ) ∂ 
∂u ( x, t ) 
(1)
=  D( x) ⋅
 − q ⋅ u ( x, t ) + c ( x, t ) ,
t
x
∂
∂ 
∂x 
где D(x) - распределение коэффициента диффузии по толщине среды; q поглощение диффундирующего вещества материалом среды; c(x,t) - пространственно-временное распределение интенсивности образования активной жидкости. Начальные условия для уравнения (1):

u ( x, 0) = 

u 0,
x = 0;
0,
x > 0
.
Для каждого строительного материала существует некоторое значение
глубины x = x max , далее которой микроорганизмы за конечное время не
распространяются, это означает, что граничные условия имеют вид
u ( x m a x , t ) = 0 . Решение уравнения (1) выполнено с применением
FORTRAN-90 (приложение). Сравнение расчетных и экспериментальных
данных показывает удовлетворительную работоспособность математической модели.
15
Диффузия микроорганизмов. Рассмотрим перенос микроорганизмов.
Обозначим через функцию N ( x, t ) пространственно-временное распределение микроорганизмов. Уравнение диффузии микроорганизмов в среде
также базируется на законе Нернста и для системы координат, связанной с
лобовой поверхностью среды, записывается следующим образом
∂N ( x, t )
∂ 
∂N ( x, t ) 
=
 D N (x) ⋅
 − q N ( x ) ⋅ N ( x , t ) + M ( x , t ) , (2)
∂t
∂x 
∂x

где D N ( x) - распределение коэффициента диффузии микроорганизмов по
толщине среды; q N ( x) - коэффициент «поглощения» микроорганизмов;
M N ( x, t ) - пространственно-временное распределение интенсивности
источников микроорганизмов. Под «поглощением» микроорганизмов будем понимать вероятностный процесс исчезновения микроорганизма, связанный с наличием в среде какого либо фактора, химического, биологического или физического происхождения, который может привести к гибели
микроорганизма. В среде могут находиться источники микроорганизмов,
например, очаги с благоприятными условиями для их размножения. Выражение для описания пространственно-временного распределения микроорганизмов имеет вид
 − e x p (( f ( x , t ) − f ( b , t )) + e x p ( f ( b , t ) − f ( x , t ))
,x ≤ b
N ( x, t)

, (3)
e x p ( f ( b , t )) − e x p ( − f ( b , t ))
= 
N 0
 0,
x > b

Уравнение позволяет рассчитать пространственно-временное изменение
количества микроорганизмов в любой точке среды, подвергшейся их воздействию, исходя из закона роста численности популяции, который может
быть определен экспериментально. Сравнение расчетных и полученных
экспериментальных данных показывает достаточно хорошую качественную сходимость (рис.5а, 5б). Описанная выше математическая модель
проникновения микроорганизмов в среду, реализуется в соответствующую
вычислительную программу, написанную на языке FORTRAN-90.
16
а
б
Рис. 5. Зависимость числа микроорганизмов (N) от глубины слоя (X):
а: ■ – сапрофиты в кирпиче здания Областного суда (эксперимент), непрерывная
линия – расчет; ▲ – хемолитотрофы в кирпичной стене складов Горохова (эксперимент), штриховая линия – расчет; ♦ –сапрофиты в кирпичной кладке подвала
главного корпуса ТГУ (эксперимент), штрихпунктирная линия – расчет;
б: ■ – микромицеты в кирпичной кладке здания по пер. Плеханова (эксперимент),
непрерывная линия – расчет; ♦ – микромицеты в кирпиче здания Областного суда
(эксперимент), штрихпунктирная линия – расчет.
Оценка воздействия на среду. Изложенные выше результаты позволяют определить две двумерные функции - N ( x, t ) и u ( x, t ) .
На основе функций N ( x, t ) и u ( x, t ) можно определить: 1- количество
газа, выделяющегося как в процессе жизнедеятельности микроорганизмов,
так и в химических реакциях; 2 - количество твердых отходов жизнедеятельности микроорганизмов; 3 – количество активной жидкости; 4 - количество веществ материала среды, модифицированных за счет вовлечения в
цепи питания микроорганизмов и в химические реакции с продуктами
жизнедеятельности микроорганизмов.
Будем считать, что удельное количество газа прямо пропорционально
интегральному числу микроорганизмов, образовавшемуся в точке среды с
координатой x за интервал времени от начала отсчета времени до t 0
t0
m G ( x) = c G ⋅ ∫ N ( x, t )dt ,
0
(4)
17
где cg - коэффициент пропорциональности, равный массе газа, выделяемой
в единицу времени одним микроорганизмом.
Количество твердых веществ оценивается аналогично (4)
t0
m H ( x) = c H ⋅ ∫ N ( x, t )dt ,
(5)
0
где c H - коэффициент пропорциональности, равный массе твердых веществ, образующихся за единицу времени в процессе жизнедеятельности
одного микроорганизма. Набор пространственно-временных зависимостей
и других, указанных выше позволяет оценить степень изменения потребительских свойств строительного материала и сделать соответствующий
временной прогноз его долговечности, что дает возможность своевременно предпринять ряд технологических и технических приемов для безопасного и эффективного функционирования строительных изделий и конструкций.
Глава 5. Защита от биокоррозии. В главе рассматриваются методы защиты материалов и конструкций от биокоррозии. Дается характеристика
существующих антисептиков и гидрофобизаторов.
Способ защиты строительных конструкций от биохимической
коррозии. Задачей изобретения является разработка такого способа защиты строительных конструкций от действия влаги и тесно связанных с ней
действием микроорганизмов, который обеспечивал бы максимально возможные биоцидные свойства. Эта задача решается тем, что для защиты
строительных сооружений от действия влаги и бактерий, предложен способ включающий торкретирование или выполнение в массиве сооружения
отверстий или щелей и заполнение их модифицированным бетонным раствором или цемент-кварцевым раствором, а в качестве модификатора использовать растворимые компоненты бария, например Ва(ОН)2.
Окислительно-восстановительные реакции Ва(ОН)2 с анионными комплексами коррозионно-активных сульфатных вод природного и технического происхождения осуществляются практически мгновенно и не зависят от рН агрессивных подземных вод и аэрозолей кислотных дождей, содержащих серную кислоту. В результате реакции происходит нейтрализация сульфатной среды:
H2SO4 + Ba(OH)2 = BaSO4 + 2H2O.
(6)
Твердый продукт реакции (1) представляет собой безводный сульфат
бария – барит, который очень трудно растворяется в воде и разбавленных
кислотах, стабилен при любых условиях окружающей среды и практически не разлагается под действием физико-химических природных факторов и процессов. К тому же барит, не обладающий токсичностью, способен поглощать электромагнитные излучения.
18
Указанные свойства барита позволяют использовать его в качестве
эффективного модифицирующего компонента для вяжущих, сухих строительных смесей при использовании их в качестве защиты строительных
сооружений различными методами, от избыточной влаги, биологической,
биогеохимической коррозии, а также природной и наведенной радиации
(радиоактивного газа радона).
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
Выполненные исследования позволяют сделать следующие выводы:
1. Бактериальный компонент сообществ литобионтных микроорганизмов
исследуемых зданий состоит из представителей родов: Bacillus, Myxobacterales, Arthrobacter, Pseudomonas, Micrococcus, Rhodoccocus, а также хемолитотрофных бактерий родов: Thiobacillus, Desulfovibrio, Nitrosomonas.
2. Выявлено значительное биологическое разнообразие микроскопических грибов на поверхности разрушающихся силикатных материалов.
Грибы родов Penicillium, Aspergillus, Cladosporium составляют 75%
всей микрофлоры. Микромицеты являются устойчивым компонентом
микробиоты литобионтных сообществ в условиях повышенной влажности. На поверхности строительного материала доминируют виды,
обладающие высокой деструктивной активностью по отношению к
субстрату, а также условно патогенные микромицеты.
3. Совместное развитие грибов и хемолитотрофных бактерий усиливает
деструкцию силикатных материалов в условиях повышенной влажности.
Постепенное разрушение субстрата в результате взаимосвязанных биологических и физико-химических процессов приводит к возрастанию видового разнообразия микроорганизмов в литобионтном сообществе.
4. Установлено, что микроорганизмы проникают в разрушающийся материал на глубину от 25 мм до 10 см и способствуют его дальнейшему
разрушению. Предлагаем ввести показатель, нормирующий качество
строительных материалов по степени их микробиологической зараженности. В качестве индикатора развития биокоррозии силикатных
строительных материалов предлагаем использовать тиобактерии, как
характерных инициаторов сульфатной биодиструкции.
5. Выявлена прямая зависимость между количеством формирующихся
бактерий родов Thiobacillus, Desulfovibrio, а также микромицетов родов Penicillium, Aspergillus, Cladosporium с эманациями радиоактивного газа радона и гипергенной каолинизацией под действием сульфатсодержащих вод нижнего (четвертого) горизонта, участвующих в выветривании кварц-хлоритовых сланцев палеозойного фундамента. Установлено, что в процессах сульфатной биокоррозии участвуют изотопы серы природного и аэрогенного происхождения. Полученные результаты использованы при составлении геоэкологической карты раз-
6.
7.
19
вития биологической коррозии на территории исторической застройки
г. Томска.
Построена диффузионно-транспортная математическая модель воздействия микроорганизмов на строительный материал.
Разработаны состав и способ защиты строительных конструкций от
биохимической коррозии. В качестве модификатора предложены растворимые компоненты бария, например Ва(ОН)2.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих
работах:
1. Фатыхова Ю.Н. Геологические факторы, определяющие геоэкологическую опасность подземных вод городов / Мананков А.В., Парначев
В.П., Подшивалов И.И., Капарулин С.Л., Фатыхова Ю.Н., Кривоногова Т.В.// Международная конференция «Enviromis»: тезисы докладов.
– Томск, 2002. – С 112 – 113.
2. Фатыхова Ю.Н. Биокоррозия бетона конструкций зданий в увлажненных условиях / Фатыхова Ю.Н., Подшивалов И.И., Мананков А.В. //
Архитектура и строительство: Тезисы докладов. – Томск: ТГАСУ,
2002. – С 105-106.
3. Фатыхова Ю.Н. О роли микроорганизмов в коррозии природных и
искусственных материалов / Фатыхова Ю.Н., Мананков А.В., Подшивалов И.И. // Вопросы географии Сибири. - Томск: ТГУ, 2003, вып. 25.
– С 275-278.
4. Фатыхова Ю.Н. Геоэкологические факторы биокоррозии // Проблемы
геологии и освоения недр: Материалы Международного симпозиума
имени акад. Усова М.А. – Томск: ТПУ, 2003. – С 114-115.
5. Фатыхова Ю.Н. Влияние микроорганизмов на процессы коррозии
строительных материалов // Экология Южной Сибири и сопредельных
территорий:
Материалы
Международной
научной
школыконференции студентов и молодых ученых. – Абакан, 2005. – С 25-26.
6. Фатыхова Ю. Н. Микромицеты как фактор биообрастания стройматериалов // Экология Южной Сибири и сопредельных территорий: Материалы Международной научной школы-конференции студентов и
молодых ученых. – Абакан, 2005. – С 78-79.
7. Фатыхова Ю.Н. Радиогеоэкология территории исторической застройки г. Томска / Мананков А.В., Подшивалов И.И., Фатыхова Ю.Н. //
Известия вузов. Строительство, 2006, №7. – С 71-77.
8. Фатыхова Ю.Н. Эволюционно-диффузная математическая модель воздействия микроорганизмов на строительные материалы / Фатыхова
Ю.Н., Мананков А.В. Подшивалов И.И., Осипов С.П. // Известия вузов. Строительство, 2006, №8. – С 20-25.
20
Фатыхова Ю.Н. Биокоррозия силикатных материалов / Фатыхова
Ю.Н., Мананков А.В. // Экология промышленного производства, 2006,
№7 – С 31-39.
10. Фатыхова Ю.Н. Моделирование структуры сообществ хемолитотрофных микроорганизмов при биоповреждении строительных силикатных
материалов / Мананков А.В., Фатыхова Ю.Н. // Микробиология, 2006,
№ 8 – С 104-110.
11. Заявка на патент 2006106092 Российской Федерации, МПК 7 С 04 В
28/02. Строительная смесь / Мананков А.В., Фатыхова Ю.Н., Недавний О.И. и др. Приоритет от 01.03.2006.
12. Заявка на патент 2006110790 Российской Федерации, МПК С 04 В
28/02//С 04 В 111:20,14/14. Способ производства сухой строительной
смеси/ Мананков А.В., Фатыхова Ю.Н., Недавний О.И., Подшивалов
И.И. Приоритет от 05.04.2006.
9.
21
22
Тираж 100. Заказ 875.
Томский государственный университет
систем управления и радиоэлектроники.
634050, г. Томск, пр. Ленина, 40.