Роль структуры сообществ хемолитотрофных микроорганизмов в разрушении строительных силикатных материалов

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 – строитель ном 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 диссерта ционного совета Д 212.267.10 в Томском государственном университете по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 36.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государст венного университета.

Автореферат разослан « »_ 2006г.

Ученый секретарь диссертационного совета Просекина Е.Ю.

Актуальность темы. В условиях техногенного воздействия неуклон но возрастает роль различных видов коррозии материалов зданий и соору жений. Среди исследованных видов коррозии наименее изученными явля ются биологические. Однако микроорганизмы по своей физико биологической 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 био коррозии (В.А. Крыленко и др., 2003). Причем микроорганизмы могут ус корять процессы деструкции материалов при определенных условиях в тысячи раз (Д.Ю. Власов, 2003). Общий ущерб, причиняемый объектам в результате биоповреждений, составляет многие десятки миллиардов дол ларов ежегодно (В.И. Соломатов и др., 2001).

Особую актуальность процесс биокоррозии – как разрушающий фактор, приобретает для исторической застройки. Многие исторические здания од ного из старейших городов Сибири – Томска подвержены биокоррозии.

Сведения о составе микроценозов формирующихся на поверхности строи тельных 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», те ма «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 лито бионтных микроорганизмов в устойчивости строительных силикатных материалов архитектурных памятников.

В соответствии с целью работы определены задачи исследования:

•изучить особенности состава агентов биокоррозии материалов ис торической 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 взаимодейст вий микроорганизмов со строительными материалами;

•обосновать методы защиты строительных материалов от биокорро зии.

Основным исходным материалом для решения поставленных задач послужили микроорганизмы, участвующие в процессах биокоррозии при родных (зоны выветривания горных пород) и искусственных строительных материалов (фундаментов и стен зданий исторической застройки г. Том ска). Пробы отбирались с разных участков фундаментов и стен (разру шающиеся бутовые камни, кирпич, штукатурка) двенадцати исторических зданий г. Томска. Эти здания расположены на различных геоморфологи ческих элементах (надпойменные террасы, междуречные равнины) и экс плуатируются во временном диапазоне от 125 до 35 лет. Всего было ис следовано 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 строитель ных силикатных материалах в условиях повышенной влажности на терри тории Западной Сибири.

2. Выявлена прямопропорциональная зависимость между количеством формирующихся сульфатредуцирующих бактерий (родов Thiobacillus, Desulfovibrio) и микромицетов (Mucor, Penicillium, Aspergillus), с интенсив ностью радиоактивного газа радона и гипергенной каолинизацией.

3. Установлено участие изотопов серы природного и аэрогенного про исхождения в трофических цепях сообществ хемолитотрофной микрофло ры.

4. Разработан способ защиты строительных конструкций от биологи ческой коррозии.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Структура сообщества микроорганизмов формирующихся на по верхности строительных силикатных материалов зависит от состава, воз раста строительных материалов (как внутренних факторов) и гидрогеоло гических особенностей и химической активности грунтовых вод (как внешних факторов).

2. В качестве индикатора развития биокоррозии силикатных строи тельных материалов предлагается использовать тиобактерии, как харак терных инициаторов сульфатной биодиструкции. Количественное содер жание бактерий рода Thiobacillus позволяет использовать тиобациллы в качестве экспресс-метода биоиндикации ранних стадий коррозии силикат ных строительных материалов.

3. Разработанная диффузионно-транспортная математическая модель биокоррозии относится к классу нелинейных дифференциальных уравне ний и включает в себя следующие элементы: диффузию микроорганизмов, диффузию активной жидкости, оценку воздействия продуктов метаболиз ма литобионтной микрофлоры на средустроительного материала.

Достоверность выводов работы была обеспечена: применением ти повых исследовательских методик;

необходимым для статистической об работки объёмом выборки данных;

согласованностью полученных автор ских результатов с опубликованными результатами других исследовате лей.

Практическая значимость работы. Разработаны и обоснованы мето ды изучения биокоррозии материалов фундаментов стен и зданий историче ской застройки в условиях повышенной влажности. Предложены состав и способ для защиты материалов от биокоррозии. Результаты работы внедре ны в Томском областном государственном учреждении «Областной комитет охраны окружающей среды и природопользования», результаты использу ются при составлении геоэкологической карты развития биологической кор розии на территории города Томска в предпроэктных обследованиях, при составлении актов и заключений на ремонтные и восстановительные рабо ты. 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 обсужде ны на международных и региональных конференциях, в том числе: на меж дународной конференции ENVIROMIS (г. Томск, 2002);

на научно технической 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 стра ниц состоит из введения, 5 глав, выводов и списка литературы. Работа со держит 15 рисунков, 7 таблиц и 2 приложения. Список литературы вклю чает 128 источников.

Диссертационная работа выполнялась в ТГАСУ. Эксперименты про водились в лаборатории биокинетики и биотехнологии при ФГНУНИИ биологии и биофизики ТГУ.

Соискатель выражает особую благодарность и признательность науч ному руководителю, д.г.-м. н., профессору Мананкову Анатолию Василье вичу. Автор искренне признателен Осипову Сергею Павловичу за высоко квалифицированные консультации в вопросах математического моделиро вания процессов биокоррозии.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены цель и зада чи, сформулирована научная новизна и практическая значимость, изложе ны выносимые на защиту положения.

Глава 1. Анализ состояния вопроса биологического разрушения строительных материалов. Наиболее многочисленные исследования по священы изучению микробиологического разрушения древесных материа лов (С.Н. Горшина, Л.Е. Лейтли, Р.А. Итона, О. Шимта, Е.А. Абрамушки на, Л.В. Суворова, Н.А. Максименко и др.) В работах С.С. Камаевой, Е.П.

Розановой рассматривается биогенная сульфатредукция, как один из фак торов стресс-коррозии магистральных трубопроводов, изучается распро странение сульфатвосстанавливающих бактерий в трубопроводах тепло вой сети. Работы Е.И. Андреюк, И.А. Козловой, А.М. Рожанской посвяще ны изучению микробиологической коррозиистроительных сталей и бето нов. Совсем незначительная часть исследований посвящена изучению уча стия бактерий в разрушении каменных и кирпичных строений. Этому во просу 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 раз рушения 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, вопро сы биоповреждений каменных (кирпич, бетон, штукатурка) материалов и их реставрации раскрыты недостаточно полно. Биоразрушение несущих конструкций и декоративных материалов в современных производствен ных и жилых зданиях становится все более распространенным явлением.

В главе дается характеристика микробиологической способности вы щелачивать горные породы, рассматривается химия бактериального окис ления сульфидных минералов, приводятся примерымикробиологической коррозии силикатов и алюмосиликатов, приведены данные о наиболее распространенных микроорганизмах – деструкторах.

Глава 2. Материалы и методы исследования. Приводятся исполь зуемые 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: мя со-пептонный агар (МПА), агар Чапека-Докса, крахмало-аммиачный агар (КАА), жидкие среды для тионовых и нитрифицирующих бактерий. Иден тификацию выделенных микроорганизмов проводили по стандартным ме тодикам на основе микроморфологических признаков. Сообщества агрес сивных микроорганизмов, изучались на поверхности внутренних и внеш них стен исторических зданий города Томска, подверженных разрушению в разной степени. Так же микробиологический анализ проводили на као линитовых корах выветривания палеозойских сланцев в природных обна жениях 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 фун дамента исследуемых зданий. Отбор проб сопровождался определением удельной эффективной активности естественных радионуклидов (с помо щью гамма-радиометра РУГ-91М) и концентрацией радона в воздухе (ра диометром Alpha GUARD PQ2000 и трековыми детекторами).

Глава 3. Результаты и обсуждения. Места отбора проб для микро биологического исследования определяли по результатам визуального об следования с учетом характерных признаков биологического повреждения материала. Полученные данные свидетельствуют о значительном разнооб разии микроценоза, развивающегося на различных каменных субстратах.

Процесс развития биокоррозии тесно связан с поднимающимися по ослаб ленным зонам подземными и грунтовыми водами, участвующими в про цессе подтопления фундаментов и стен зданий. Исследования разрушаю щихся образцов фундамента, штукатурки и кирпича показали что, микро биологическая 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 ми неральном субстрате за счет выделения внеклеточных полимерных ве ществ (пигментов, полисахаридов, белков). Развитие микробиоты приво дит к образованию на поверхности строительных материалов и сооруже ний окрашенных пленок, корок.

Нами на поверхности стен было обнаружено образование поверхност ных 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 не сколько видов микромицетов, а также большое количество бактерий. Об щая численность клеток бактерий и грибков в некоторых пробах достигала 15103–30104 клеток на 1 г субстрата.

В результате микологического анализа отобранных образцов кирпича было выявлено 9 родов микромицетов, относящихся к 3 классам (Zygo mycetes, Ascomycetes, Deuteromycetes) (табл. 1).

Таблица Видовой состав микромицетов на разрушающемся строительном материале зданий г. Томска образцы проб Вид гриба Заболоченная Террасы Холмы местность I II III IV V VI VII VIII IX X (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. - - + + - - + - - + Примечание: I – главный корпус ТГУ, библиотека ТГУ;

II – здание бывшей Гро мовской 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, изолиро ванные 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 поч вы на формирование видового состава микромицетов на поверхности мра мора (T. Cross, 1981).

Изменение внутри системы гриб–материал связано с изменением только гриба, поскольку сам материал достаточно стабилен. Однако раз ное состояние материала может влиять на заселение его грибами. Старение материалов понижает их устойчивость к разрушительному действию ми кодеструкторов и может служить трамплином для освоения грибами пол ноценных материалов. Наиболее типичными формами разрушения сили катных 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, во дорослей 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 разрушаю щемся кирпиче и штукатурке постоянно содержатся микроорганизмы, распределение которых в материале, взятом с глубины, подвержено опре деленным закономерностям (рис. 1-3). Так максимальное количество бак терии выявляемых на МПА было отмечено на глубине 2–4 мм, с глубиной численность сапрофитов снижалась. На глубине 13 мм количество сапро фитной микрофлоры составляло 5102 КОЕ/г (рис 1.а).

численность микроорганизмов, КОЕ/г численность микроорганизмов КОЕ/г 800 2 2 3 3 1 1 1 2 3 0 1 1 13 глубина, мм глубина, мм а б 1 группа – хемолитотрофные бактерии;

2 группа – бактерии на МПА;

3 группа – микромице ты.

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).

Среди автотрофов ведущую роль играют сульфатредуцирующие и тионовые бактерии.

Так, на уровне фундамента зданий обнаружено присутствие Desulfovi brio desulfuricans, восстанавливающего сульфаты у основания влажных стен до сероводорода. В глинистых сланцах аналогичный процесс приво дит к массовой каолинизации пород. Избыточные сульфаты и сероводород окисляются тионовыми бактериями с образованием серной кислоты, спо собствующей параллельно развивающейся химической коррозии в массе материала.

1200 1000 численность микроорганизмов, КОЕ/г численность микроорганизмов,КОЕ/г 800 600 400 200 1 2 1 1 1 2 3 0 1 1 глубина, мм глубина, мм а б численность микроорганизмов, КОЕ/г 1 3 0 1 2 3 глубина, мм в 1 группа – хемолитотрофные бактерии;

2 группа – бактерии на МПА;

3 группа – микромице ты.

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).

численность микроорганизмов, КОЕ/г 1 2 3 2 1 глубина, мм 1 группа – хемолитотрофные бактерии;

2 группа – бактерии на МПА;

3 группа – микромице ты.

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 глини стых сланцев под воздействием подземных сульфатсодержащих вод ниж него горизонта), позволил выявить автотрофные тиобактерии, а также гри бы-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 по вышенной радоновой активности.

Изотопный метод. Для установления первоисточников веществ наибо лее перспективными и информативными являются изотопные методы ис следования, в основе которых лежит принцип постоянства первозданного изотопного состава любого элемента, существенно измененного впоследст вии под действием разнообразных природных и техногенных процессов.

Обычно в геохимических исследованиях изучается соотношение наи более распространенных изотопов S32 и S34. Более удобно вариации изо топного состава выражать в величинах S34, которые показывают разницу между изотопным составом образца и стандарта, выраженную в промил лях (‰). Изотопные отношения и значения S34 связаны выражением:

S34 (‰) = S34/ S32обр.- S34/ S32ст. * S34/ S32ст 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 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 опреде лен 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) S 34 ‰ материал концентрация SO3 мас. % гипс 46,6 + кирпич цоколя 0,4 + 0, растворный камень 0,5 + 0, Как видно из таблицы значение S34 изменяется от + 22 ‰ до + 0,3 ‰ от одной пробы к другой. Микробиологический анализ проб цоколя пока зал, что в образцах наряду с гетеротрофной микрофлорой, присутствуют микроорганизмы продукты метаболизма которых, способны вызвать поте рю прочности сооружения. Это тионовые, сульфатвосстанавливающие и нитрифицирующие бактерии. Для выяснения происхождения серы важно знать причины, вызывающие вариации ее изотопного состава в анализи руемых пробах. Если в пробах органическая сера входит в состав белка, то изотопный состав ее должен быть близок к сульфату. Если же она – про дукт превращения сероводорода, тогда изотопный состав ее не будет зна чительно отличаться от состава свободной серы. В тоже время в пределах одной и той же пробы сера близка по изотопному составу с другими вос становленными соединениями серы. Это свидетельствует о том, что в гип совых отложениях сера органического вещества является продуктом пре вращения 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 пол ное разложение минеральных соединений строительных материалов. При непрерывном удалении Н2S из системы, например при улетучивании или осаждении в форме сульфида, бактерии восстанавливают сульфат до пол ного исчерпания пищи или сульфата. Удаление легкого изотопа серы из системы, главным образом, изменяет распределение величин 34 S в со единениях серы.

Глава 4. Диффузионно-транспортная математическая модель воз действия микроорганизмов на строительные материалы. Коррозия, вызванная воздействием микроорганизмов, ухудшает свойства строитель ных материалов, изделий и конструкций. Для разработки современных материалов с заданными параметрами и для прогнозирования изменения их характеристик с учетом воздействия на них микроорганизмов необхо димо использование физико-химических и математических моделей. Один из таких подходов, по моделированию биологической коррозии строи тельных материалов, основан на проявлении интенсивности коррозионных разрушений протекающих аналогично деградации от химически агрессив ных сред, определяется скоростью химических реакций на поверхности материала, диффузией микроорганизмов и продуктов их жизнедеятельно сти в структуру материала и прохождением при этом химических реакций (В.И. Соломатов и др., 2001). Принято считать, что определяющим факто ром в процессе распространения микроорганизмов и продуктов их жизне деятельности является диффузия жидкости.

Используемый нами подход основан на результатах эксперименталь ных 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 необ ходимы некоторые благоприятные внешние факторы, основные из кото рых – 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 мик роорганизмов происходит накопление продуктов метаболизма, которые представляют собой жидкости, газы и твердые вещества. Сочетание этих внешних и внутренних факторов определяет условия биокоррозии. На ос нове системного анализа предложена модель воздействия микроорганиз мов на среду с учетом этих факторов (рис.4).

Диффузия активной жидкости. Химическое разрушение материала возникает в результате действия на него продуктов, образующихся в про цессе роста микроорганизмов: неорганических и органических кислот, а также углекислого газа. Содержание активной жидкости в момент време ни 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 исследуе мой жидкости в тонком приповерхностном слое среды в начальный мо мент времени равна u (0, 0) = u 0, а в среде u ( x, 0) = 0, x 0. Сущ ность задачи заключается в определении временной и пространственной зависимости концентрации в любой точке среды, то есть, оценки функции u( x, t ).

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 Г азы Т верды е И нертны е А грессивны е П родукты реакции Д и ф ф узи я 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 ) q u ( x, t ) + c ( x, t ), (1) = D( x) x t x где D(x) - распределение коэффициента диффузии по толщине среды;

q поглощение диффундирующего вещества материалом среды;

c(x,t) - про странственно-временное распределение интенсивности образования ак тивной жидкости. Начальные условия для уравнения (1):

.

x = 0;

u 0, u ( x, 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 математиче ской модели.

Диффузия микроорганизмов. Рассмотрим перенос микроорганизмов.

Обозначим через функцию N ( x, t ) пространственно-временное распре деление 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 ) q N ( x ) N ( x, t ) + M ( x, t ), (2) = D N (x) 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 бу дем понимать вероятностный процесс исчезновения микроорганизма, свя занный с наличием в среде какого либо фактора, химического, биологиче ского или физического происхождения, который может привести к гибели микроорганизма. В среде могут находиться источники микроорганизмов, например, очаги с благоприятными условиями для их размножения. Вы ражение для описания пространственно-временного распределения микро организмов 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 )) = N0 0, xb Уравнение позволяет рассчитать пространственно-временное изменение количества микроорганизмов в любой точке среды, подвергшейся их воз действию, исходя из закона роста численности популяции, который может быть определен экспериментально. Сравнение расчетных и полученных экспериментальных данных показывает достаточно хорошую качествен ную сходимость (рис.5а, 5б). Описанная выше математическая модель проникновения микроорганизмов в среду, реализуется в соответствующую вычислительную программу, написанную на языке FORTRAN-90.

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 (экспе римент), 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 позво ляют 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 жизнедея тельности микроорганизмов;

3 – количество активной жидкости;

4 - коли чество 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 t m G ( x) = c G N ( x, t )dt, (4) где cg - коэффициент пропорциональности, равный массе газа, выделяемой в единицу времени одним микроорганизмом.

Количество твердых веществ оценивается аналогично (4) t m H ( x) = c H N ( x, t )dt, (5) где c H - коэффициент пропорциональности, равный массе твердых ве ществ, образующихся за единицу времени в процессе жизнедеятельности одного микроорганизма. Набор пространственно-временных зависимостей и других, указанных выше позволяет оценить степень изменения потреби тельских свойств строительного материала и сделать соответствующий временной прогноз его долговечности, что дает возможность своевремен но предпринять ряд технологических и технических приемов для безопас ного и эффективного функционирования строительных изделий и конст рукций.

Глава 5. Защита от биокоррозии. В главе рассматриваются методы за щиты материалов и конструкций от биокоррозии. Дается характеристика существующих антисептиков и гидрофобизаторов.

Способ защиты строительных конструкций от биохимической коррозии. Задачей изобретения является разработка такого способа защи ты строительных конструкций от действия влаги и тесно связанных с ней действием микроорганизмов, который обеспечивал бы максимально воз можные биоцидные свойства. Эта задача решается тем, что для защиты строительных сооружений от действия влаги и бактерий, предложен спо соб включающий торкретирование или выполнение в массиве сооружения отверстий или щелей и заполнение их модифицированным бетонным рас твором или цемент-кварцевым раствором, а в качестве модификатора ис пользовать растворимые компоненты бария, например Ва(ОН)2.

Окислительно-восстановительные реакции Ва(ОН)2 с анионными ком плексами коррозионно-активных сульфатных вод природного и техниче ского происхождения осуществляются практически мгновенно и не зави сят от рН агрессивных подземных вод и аэрозолей кислотных дождей, со держащих серную кислоту. В результате реакции происходит нейтрализа ция 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 практиче ски не разлагается под действием физико-химических природных факто ров и процессов. К тому же барит, не обладающий токсичностью, спосо бен поглощать электромагнитные излучения.

Указанные свойства барита позволяют использовать его в качестве эффективного модифицирующего компонента для вяжущих, сухих строи тельных 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, Myxo bacterales, Arthrobacter, Pseudomonas, Micrococcus, Rhodoccocus, а так же хемолитотрофных бактерий родов: Thiobacillus, Desulfovibrio, Ni trosomonas.

2. Выявлено значительное биологическое разнообразие микроскопиче ских 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 влаж ности. 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 биоло гических и физико-химических процессов приводит к возрастанию видо вого разнообразия микроорганизмов в литобионтном сообществе.

4. Установлено, что микроорганизмы проникают в разрушающийся ма териал на глубину от 25 мм до 10 см и способствуют его дальнейшему разрушению. Предлагаем ввести показатель, нормирующий качество строительных материалов по степени их микробиологической зара женности. 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 ро дов Penicillium, Aspergillus, Cladosporium с эманациями радиоактивно го газа радона и гипергенной каолинизацией под действием сульфат содержащих вод нижнего (четвертого) горизонта, участвующих в вы ветривании кварц-хлоритовых сланцев палеозойного фундамента. Ус тановлено, что в процессах сульфатной биокоррозии участвуют изото пы серы природного и аэрогенного происхождения. Полученные ре зультаты использованы при составлении геоэкологической карты раз вития биологической коррозии на территории исторической застройки г. Томска.

6. Построена диффузионно-транспортная математическая модель воз действия микроорганизмов на строительный материал.

7. Разработаны состав и способ защиты строительных конструкций от биохимической коррозии. В качестве модификатора предложены рас творимые компоненты бария, например Ва(ОН)2.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Фатыхова Ю.Н. Геологические факторы, определяющие геоэкологиче скую опасность подземных вод городов / Мананков А.В., Парначев В.П., Подшивалов И.И., Капарулин С.Л., Фатыхова Ю.Н., Кривоного ва Т.В.// Международная конференция «Enviromis»: тезисы докладов.

– Томск, 2002. – С 112 – 113.

2. Фатыхова Ю.Н. Биокоррозия бетона конструкций зданий в увлажнен ных 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., Подши валов 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 школы конференции студентов и молодых ученых. – Абакан, 2005. – С 25-26.

6. Фатыхова Ю. Н. Микромицеты как фактор биообрастания строймате риалов // Экология Южной Сибири и сопредельных территорий: Ма териалы Международной научной школы-конференции студентов и молодых ученых. – Абакан, 2005. – С 78-79.

7. Фатыхова Ю.Н. Радиогеоэкология территории исторической застрой ки 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 воз действия микроорганизмов на строительные материалы / Фатыхова Ю.Н., Мананков А.В. Подшивалов И.И., Осипов С.П. // Известия ву зов. Строительство, 2006, №8. – С 20-25.

9. 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 хемолитотроф ных 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., Недав ний 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.

Тираж 100. Заказ 875.

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники.

634050, г. Томск, пр. Ленина, 40.