Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 9
1.1. Микроорганизмы — обитатели объектов культурного наследия 9
1.2. Окружающая среда и культурное наследие 15
1.3. Методы изучения микробиоты памятников истории и культуры 26
1.3.1. Классические микробиологические методы посева на селективные питательные среды.
1.3.2. Методы микроскопии 28
1.3.3. Методы идентификации микроорганизмов 30
1.3.3.1. Метод с использованием полимеразной цепной реакции (ПЦР) 31
1.3.3.2. Иммунохимический метод. Иммуноферментный анализ 34
1.3.4. Методы определения физиолого-биохимических параметров активности микроорганизмов
1.3.4.1. Метод измерения фотосинтетической активности 36
1.3.4.2. Методы определения метаболической активности 43
1.3.5. Методы количественного анализа. Биолюминесцентный метод 44
1.4. Аэромикробиологические методы исследования. 47
ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ 51
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ 58
3.1. Разработка и применение неповреждающих методов для исследования микробиоты памятников истории и культуры in situ
3.1.1. Определение типов повреждений и выявление патины биологического происхождения
3.1.2. Изучение влагосодержания камня. Разработка метода обнаружения зон микробного развития внутри каменных материалов памятников архитектуры.
3.1.3. Измерение фотосинтетической активности водорослевых биопленок контактным методом.
3.1.4. Аэромикробиологические исследования в помещениях памятников архитектуры
3.1.4.1. Сравнительное аэромикробиологическое исследование музейных помещений.
3.1.4.2. Микробиологическое исследование воздуха в витринах как метод выявления очагов развития микроорганизмов на музейных экспонатах.
3.2. Методы исследования проб материалов памятников истории и культуры
3.2.1. Методы посева на селективные питательные среды и культивирования. Определение доминирующих видов-биодеструкторов.
3.2.1.1. Микробиологические исследования фотодокументов. 108
3.2.1.2. Микробиологические исследования книг из библиотеки князей Юсуповых музея-усадьбы «Архангельское».
3.2.1.3. Микробиологические исследования деревянного памятника архитектуры -Домика Петра I музея-заповедника «Коломенское».
3.2.2. Оптическая и электронная микроскопия проб как метод прямого анализа
3.2.3. ДНК-диагностика проб и выделенных штаммов-деструкторов с применением методов ПЦР, секвенирования ДНК
3.2.4. Идентификация микроорганизмов в пробах методом секвенирования ДНК.
3.3. Геохимический состав камня исторических памятников и его влияние на разнообразие физиологических групп микроорганизмов и их количественные соотношения.
3.3.1. Определение элементного состава ролбметодом атомной абсорбции 131
3.3.2. Анализ элементного состава проб с помощью рентгеновской флуоресценции.
3.3.3. Определение концентраций тяжелых металлов в пробах археологического шелка.
3.4. Разработка модельных экспериментов 147
3.4.1. Изучение некоторых параметров физиологической активности альгобактериального комплекса в зависимости от концентрации CuSOj в модельных экспериментах по обрастанию образцов СаСОз
3.4.1.1. Идентификация компонентов в составе цианобактериального сообщества.
3.4.1.2.Изучение динамики обрастания кубиков известняка с помощью метода компьютерной обработки цифровых изображений.
3.4.1.3. Люминесцентная микроскопия клеток альгобактериального комплекса
3.4.2. Изучение зависимости фотосинтетической активности 162
альгобактериального комплекса в зависимости от концентрации CUSO4 и РЬ(ІЧОз)2 в модельных экспериментах по обрастанию образцов СаСОз.
3.4.3. Изучение устойчивости к высушиванию альгоцианобактериальных биопленок, выделенных со стен памятников архитектуры с применением метода ЯМР-спиновое эхо.
3.5. Разработка схемы проведения комплексного исследования с целью биодиагностики памятников истории и культуры
ВЫВОДЫ 172
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 174
- Иммунохимический метод. Иммуноферментный анализ
- Определение типов повреждений и выявление патины биологического происхождения
- Определение элементного состава ролбметодом атомной абсорбции
Введение к работе
Актуальность проблемы. Микробиологические исследования объектов культурного наследия ведутся активно в последние десятилетия, как в России, так и за рубежом. Это связано, в первую очередь, с процессами биоповреждения памятников истории и культуры, вызванными геохимической деятельностью микроорганизмов и их ферментативной активностью в каменной кладке и настенных росписях в исторических зданиях, музеях, церквях и монастырях, на поверхности мрамора скульптур, бумаги, пергамента и кожаных переплетов книг.
Задача таких исследований - микробиологическая диагностика памятников с целью последующей разработки программы по их сохранению. Для этого необходимо не только выделить, идентифицировать все компоненты микробного сообщества, включая бактерии, микроскопические грибы, микроводоросли, и определить их количественный состав, но также оценить их физиологическую активность, которая косвенно характеризует степень разрушающего влияния. При этом наиболее полные выводы можно сделать только при условии проведения большого количества измерений. В таком случае при отборе значительного количества проб материалов объекта возможно нанесение дополнительного ущерба памятнику. Следовательно, при проведении биомониторинга, прежде всего требуется применение неразрушающих методов исследования. Кроме того, в ходе диагностического исследования необходима оптимизация выбора места взятия проб, а также использование микробиологических методов, не требующих для анализа большого количества материала.
Следует отметить также, что в современных исследованиях микробиоты памятников архитектуры недостаточное внимание уделяется изучению геохимического состава материалов, что необходимо для адекватной оценки результатов микробиологических исследований и возможности их сравнения при изучении памятников, находящихся в разных макро- и микроэкологических условиях. В таких работах принимаются во внимание в основном климатические факторы, а также температура и относительная влажность воздуха в интерьерах исторических зданий [Camuffo, 2003], при этом геохимические исследования памятников архитектуры геологами проводятся, главным образом, без микробиологического анализа. Для грамотной постановки модельных экспериментов также необходимо учитывать влияние факторов окружающей
среды, которые вследствие конструктивных особенностей и географического положения исследуемых объектов могут быть разными.
В настоящее время микробиологические исследования памятников зачастую ограничиваются изучением только отдельных физиологических групп микроорганизмов: микромицетов [Кураков и др., 2004], актиномицетов в лаборатории Зеновой [Сомова и др., 1998], микроводорослей [John, 1988; Wee, 1991]. Проводилось также изучение микробного комплекса в целом, его количественный и качественный анализ, но только в произвольно отобранных пробах и с применением ограниченного числа методов, которые не относятся к категории «неразрушающих» [Сомова, 1999]. В результате в первом случае биодиагностика памятника является неполной, а во втором случае получают результат исследования не памятника в целом, а его отдельных произвольно выбранных участков.
Тем не менее, для точного выявления причин биоповреждения памятников необходимо вести микробиологический мониторинг, который требует анализа большого количества проб. С проблемой быстрой идентификации значительного биоразнообразия сталкиваются почвенные микробиологи (Добровольская, 1989). Решением этой проблемы в исследовании памятников архитектуры за рубежом служит зарекомендовавшие себя в последние годы молекулярно-биологические методы идентификации, в частности, секвенирование ДНК [Gonsales et.al., 1999, 2003; Rolleke et. al., 2003; Schabereiter et al., 2001; Schabereiter et al., 2002]. Данный метод позволяет отобрать большое количество микропроб со всей поверхности изучаемого объекта, быстро идентифицировать бактерии и микромицеты, обнаружить некультивируемые микроорганизмы, однако он не дает точной количественной оценки микробной контаминации. Однако, в молекулярно-биологических лабораториях не проводились работы по изучению физиологических особенностей идентифицированных штаммов микроорганизмов в зависимости от материала памятника, факторов окружающей среды, влияющих на архитектурные сооружения, а также условий хранения музейных ценностей, в частности, температурно-влажностного режима.
Большинство работ связано с изучением наружных стен, однако внутренние стены памятников архитектуры и музеев также подвержены процессам микробного воздействия. В этой связи важной характеристикой служит показатель количества микроорганизмов в воздухе помещений. До сих пор работы
по количественным аэромикробиологическим исследованиям в музеях проводились в основном с применением седиментационного метода, то есть без проведения точного количественного анализа (Petushkova, Kandyba, 1986).
Крупнейшие зарубежные лаборатории, занимающиеся микробиологическими исследованиями исторических памятников, в качестве основных объектов исследования рассматривают памятники архитектуры [Bock, Sand, 1993; Urzi, 2002; Krumbein, 2003, реже - книги [Gallo et al. 1999]. При этом особенности микробиоты музейного археологического текстиля остаются практически не изученными.
Цель и задачи. Учитывая многофакторность исследований, необходимых для микробиологической диагностики памятников истории и культуры, целью данной работы явилась разработка комплексного методологического подхода к исследованию микробиоты памятников культуры. Для этого в работе были поставлены следующие задачи:
Анализ и разработка методов микробиологического исследования памятников, не требующих отбора большого количества материала, а также оптимизация методов отбора проб.
Сравнительный анализ и выбор методов для определения влияния факторов окружающей среды (элементный состав и влагосодержание материала, воздействие температурных перепадов) на физиологическую активность микроорганизмов в пробах памятников и, как следствие, на их разрушающую способность.
3. Сравнительное аэромикробиологическое исследование музейных
помещений.
Постановка модельных экспериментов по изучению обрастания известняка альгобактериальными сообществами в зависимости от условий влажности, температуры и содержания солей тяжелых металлов.
Разработка схемы комплексного методологического подхода к изучению микробиоты памятников архитектуры.
Научная новизна. На основе разработанной схемы комплексного методологического подхода проведена биодиагностика памятников архитектуры и предметов археологической кожи и текстиля.
Впервые была проведено комплексное микробиологическое исследование археологического текстиля из погребений исторического некрополя Вознесенского
собора музея Московского Кремля. Результаты секвенирования ДНК, кодирующей 16S рРНК, показали, что на коже и текстиле обнаружены бактерии Paenibacillus validus, Rhodococcus opacus, Bacillus luciferensis, Kitasatospora putterlickiae, Micrococcus luteus.
Впервые с применением импакционного метода для определения экологического состояния музейных помещений проведено сравнительное аэромикробиологическое исследование экспозиционных залов и фондохранилищ, характеризующихся разными условиями микроклимата.
Впервые проведены комплексные микробиологические и геохимические исследования памятников архитектуры и прикладного искусства. Изучение элементного состава проб и микробиоты позволило выявить устойчивые к тяжелым металлам микроорганизмы, оценить их функциональную активность непосредственно на памятнике. Впервые применены на памятниках методы изучения фотосинтетической активности (ФА), анализ элементного состава рентгено-флуоресцентным методом с параллельным применением оптической микроскопии. Это дало возможность определять степень физиологической активности локальных участков биопленок на поверхности объектов.
Впервые для определения площади биопоражения стен памятников, а также известняка в модельных экспериментах применена компьютерная обработка цифровых изображений, что позволяет вести изучение динамики обрастания камня альгоцианобактериальными биопленками и образования на нем патины вследствие жизнедеятельности микромицетов.
Научно-практическая значимость. Разработан и защищен патентом способ обнаружения микроорганизмов в каменной кладке, позволяющий определить очаги микробной контаминации по распределению влагосодержания в глубине этой кладки.
Разработанная схема комплексного методологического подхода дает возможность проводить микробиологический контроль в процессе реставрации и антимикробной обработки памятников, не нанося при этом ущерба материалу в виде многократного отбора большого количества проб.
В ходе работы были проведены микробиологические исследования памятников архитектуры музея-усадьбы «Архангельское», Ростовского и Рязанского Кремлей, Государственного музея изобразительных искусств им. А.С. Пушкина, Государственного Исторического музея, Новодевичьего монастыря,
археологических предметов из текстиля и кожи музеев Московского Кремля и Государственного Исторического Музея, а также книг из библиотеки кн. Юсуповых музея-усадьбы «Архангельское». Полученные результаты послужили основой для осуществления последующих антимикробных обработок перечисленных памятников культуры. Основные положения и результаты работы по биодиагностике памятников архитектуры были включены в сборник методической документации в строительстве «Правила обследования зданий, сооружений и комплексов богослужебного и вспомогательного назначения».
Апробация работы. Материалы диссертации были доложены на следующих конференциях: 1 Межд. симпозиуме «Биокосные взаимодействия: жизнь и камень, (Санкт-Петербург, 2002), 7th Intern. Symposium of World Heritage Cities. (Родес, Греция, 2003), Межд. научно-практич. симпозиуме «Природные условия строительства и сохранения храмов православной Руси» (г. Сергиев Посад, 2003), II Межд. симпозиуме «Биокосные взаимодействия: жизнь и камень» (г. Санкт-Петербург, 2004), Забелинских научных чтениях Государственного Исторического музея (Москва, 2004), на заседании кафедры физиологии микроорганизмов биологического факультета МГУ (2005).
Иммунохимический метод. Иммуноферментный анализ
Микромицеты в процессе жизнедеятельности выделяют различные метаболиты, которые не только разрушают материал, но и могут быть токсичны для людей. Для определения таких метаболитов сейчас применяют метод ИФА. Таким образом, по специфичности метаболита можно определить род и даже вид гриба, который этот метаболит выделяет [Языкина и др., 2002]. Что касается определения микромицетов, обитающих на памятниках, то этот метод уже нашел свое применение за рубежом для определения Cladosporium spp. и Alternaria spp. [Fluckiger at al., 1998]. Споры этих грибов вызывают аллергию у некоторых людей и опасны не только для объектов прикладного искусства, но и для реставраторов. Не меньшую опасность представляет афлатоксин Bj (ABi), который является высокотоксичным метаболитом плесневелых грибов Aspergillus Jlavus и А. parasiticus. Как уже было упомянуто в первой главе, A. Jlavus был выделен с музейных объектов. В нашей стране для развития иммуноферментных методов определения ABi, а также других токсинов еще предстоит провести исследования по созданию соответствующих тест-систем [Буркин и др., 2000].
Принцип метода
Принцип метода заключается в том, что для ИФА используют комплексы иммунореагентов: антигенов или антител с молекулами фермента. Такой комплекс называется конъюгатом. При этом оба компонента конъюгата: иммунореагент и фермент — сохраняют свою функциональную активность, то есть могут образовывать иммунные комплексы и расщеплять субстрат соответственно. В случае твердофазного ИФА иммунореагенты фиксируются на твердой фазе — пластиковых планшетах. Антигены (в нашем случае токсины микромицетов и другие их метаболиты) могут быть различной химической природы (белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты). Кроме того, можно применять твердофазный ИФА и при работе с корпускулярными антигенами: клетками бактерий, эукариот, вирусами. При проведении прямого ИФА лунки планшета сенсибилизируют образцом с предполагаемыми в нем антигенами, блокируют оставшиеся свободные места на твердой фазе, после чего в лунки добавляют меченные ферментом антитела к этому антигену. При этом содержащий фермент антиген связывается с твердой фазой лишь тогда, когда иммунореагенты взаимно комплементарны. После инкубации и последующей отмывки от несвязавшихся конъюгатов вносят специфический для фермента субстрат. Результаты анализа оценивают визуально и инструментально по оптической плотности окрашенных продуктов реакции. Для измерения оптической плотности используют спектрофотометры, называемые ИФА-ридерами [Буракова, 2001].
Анализ метода
Высокая чувствительность, быстрота и простота исполнения делает ИФА наиболее перспективным при серийных аналитических исследованиях. В случае получения антител, специфичных к исследуемым антигенам, создаются диагностикумы на основе ИФА. Однако сложность состоит именно в получении поликлональных антител и создания на их основе иммуноферментной системы для специфического и высокочувствительного детектирования антигена [Буркин, 2000].
Учитывая тот факт, что метод позволяет определять корпускулярные антигены, он является чрезвычайно перспективным для экспрессивной идентификации микроорганизмов в пробе, взятой с памятника. На данном этапе ведутся работы над созданием диагностикумов для определения патогенных для человека микроорганизмов. В будущем, вероятно, метод станет универсальным, если будут разработаны диагностикумы для большинства представителей микробиоты.
Присутствие микроорганизмов на памятнике не означает, что он воздействует каким-либо образом на материал. Чтобы определить их степень разрушающего влияния на памятник, их активность в конкретных условиях окружающей среды, нельзя ограничиваться только одними методами идентификации. Необходимо изучать фотосинтетическую и ферментативную активность микроорганизмов и возможности их адаптации к экстремальным факторам окружающей среды, при которых представители микробиоты могут существовать на памятнике.
Актуальность метода
В первой главе говорилось о разрушающем влиянии водорослей и цианобактерий на известняк. В первую очередь, оно связано с их фотосинтетической активностью, вследствие которой они обеспечивают органическими веществами микромицеты и хемоорганотрофные бактерии. Это доказывает необходимость изучения данного параметра физиологической активности.
Принцип метода
Связь флуоресценции хлорофилла с реакциями фотосинтеза
Хлорофилл - основной светсобирающий пигмент, поглощающий световую энергию и передающий ее в реакционные центры. При поглощении кванта света молекула хлорофилла переходит в электронно-возбужденное состояние, энергия которого может быть либо использована в реакциях фотохимического преобразования, либо потеряна в результате тепловой или излучательной дезактивации возбуждения (схема 5). Последний процесс - свечение синглетно возбужденных молекул хлорофилла - называется флуоресценцией хлорофилла. В целом, выход флуоресценции высокий, если фотохимическая и тепловая дезактивация энергии возбуждения низкие. Таким образом, изменения выхода флуоресценции отображают изменения фотохимической и(или) тепловой диссипации энергии возбуждения. Практически вся регистрируемая флуоресценция хлорофилла излучается хлорофиллом ФС II, поскольку квантовый выход флуоресценции ФС I примерно на два порядка ниже.
Высокая информативность флуоресценции хлорофилла связана с тем, что изменения состояния ФСА сопровождаются изменениями вероятности фотохимического и нефотохимического (тепловой диссипации) тушения энергии возбужденных состояний хлорофилла [Мецлер, 1980].
Одной из наиболее информативных характеристик работы фотосинтетического аппарата считается кинетика индукции флуоресценции хлорофилла, представляющая собой изменение выхода флуоресценции во времени - F(t) в ответ на интенсивное освещение после темновой экспозиции. Индукция флуоресценции представляет собой многокомпонентную кривую, обусловленную комплексным характером тушения флуоресценции во время световой активации ФСА. В кривой различают несколько фаз (рис. 3). Наиболее хорошо изученным участком являются быстрые фазы (OIDP), отражающие этапы перехода флуоресценции от минимального (О) до максимального (Р) значения за время около секунды. Фаза 01 обусловлена восстановлением Qa в реакционных центрах, не способных к эффективному переносу электрона на Qb (Qb - не восстанавливающие центры). Изменения выхода флуоресценции на участке IDP в основном связаны с восстановлением пластохинонового пула PQ. Увеличение выхода флуоресценции на участке OIDP связано, в основном, со снижением фотохимического тушения в результате восстановления хинонных акцепторов в условиях, когда темновые реакции фотосинтеза (цикл Кальвина) еще не активировались.
При выключении действующего света на уровне Р, флуоресценция быстро затухает до уровня О, отражая темновое восстановление фотохимического тушения флуоресценции. Кривая затухания обычно раскладывается на три компоненты: микро-, миллисекундную и секундную, которые связаны с окислением Qa (две быстрые компоненты) и обратным оттоком электронов с Qa на Рб8о в Qb - не восстанавливающих центрах (секундная).
Определение типов повреждений и выявление патины биологического происхождения
Белокаменный цоколь наружной стены находится в удовлетворительном состоянии, что обусловлено, очевидно, высоким качеством камня, а также тем, что белый камень в этих сооружениях, хотя и подвержен воздействию атмосферной влаги, не переувлажняется значительно благодаря высушиванию из-за всестороннего обдува стен и свободного доступа солнечных лучей. На поверхности наружных белокаменных элементов имеется неглубокая поверхностная эрозия, в отдельных местах выявлены поражения водорослями, почерневшими в верхнем слое камня под действием солнца.
Грот подвержен сильной водной эрозии, вследствие чего состояние его внутренних стен весьма неоднородное. Из-за отсутствия гидроизоляции в результате увлажнения стен и сводов есть участки с нарушенной однородностью кладки, глубина разрушения которой достигает 10 см. Штукатурка на влажной кладке вспучивается и отслаивается. Своды грота в результате замачивания с верхней террасы также имеют участки выкрашивающейся кладки. Стены грота, в отличие от внутренних стен музейных помещений, находятся под непосредственным воздействием изменений условий окружающей среды. Таким образом, даже внутренние стены Грота, огражденного деревянной перегородкой находятся в сходных температурно-влажностных условиях, что и наружные, за исключением прямого воздействия атмосферных осадков.
В точках обильного обрастания показатель ФА микроводорослей менялся от 0,37 до 0,55, что свидетельствует об интенсивных фотосинтетических процессах и, как следствие, продукции органических веществ. Кроме того, высокая фотосинтетическая активность микроводорослей (до 0,54) проявлялась и там, где водорослевый рост был незначителен. Линейная зависимость ФА биопленки от влагосодержания кладки не выявлена. Максимальное значение относительной переменной флуоресценции, соответствующее 0,54, было обнаружено у водорослей, растущих в трех различных зонах влагосодержания: до 2,5%, 2,5-5%, 10% (рис. 8). Таким образом, ввиду высокой ФА микроводорослевой биопленки практически по всей площади ниши, можно сделать вывод о том, что в данном случае идут интенсивные процессы продукции органических веществ, что стимулирует развитие микромицетов и хемоорганотрофных бактерий. Аэромикробиологические исследования в помещениях памятников архитектуры. Микробиологический мониторинг воздушной среды позволяет вовремя оценить степень превышения допустимого уровня микробной контаминации воздуха в музейных помещениях. Интенсивность распространения спор и вегетативных клеток микроорганизмов, возрастание уровня микробной контаминации музейных объектов и, следовательно, опасность возникновения процессов повреждения экспонатов в музеях, зависят от совокупности двух составляющих: количества микроорганизмов в воздухе и факторов окружающей среды (в первую очередь, температуры и влажности).
С целью выявления источников развития микроорганизмов, а также определения степени микробной контаминации памятника в целом проводились аэромикробиологические исследования, что является неповреждающим методом исследования объектов культурного наследия, предваряющим стадию отбора проб.
Сравнительное аэромикробиологическое исследование музейных помещений. Объектами исследования была аэромикробиота музейных помещений, характеризующихся различными условиями температурно-влажностного режима.
I. Неотапливаемые помещения с высокими показателями относительной влажности воздуха (ОВВ), достигающими 95-97%, и температурой воздуха в пределах 10-12С, на примере Судной палаты Архангельского собора Московского кремля и подклета Успенского собора Рязанского Кремля.
II. Неотапливаемые помещения со средними показателями ОВВ в пределах 75-78%, температурой, близкой к температуре окружающей среды, и воздушной циркуляции, создаваемой за счет постоянного проветривания, на примере театра Гонзаго Музея-усадьбы «Архангельское».
III. Отапливаемые музейные помещения, в которых отсутствует централизованные системы кондиционирования и вентиляции, на примере экспозиционных залов Красной палаты Ростовского кремля.
IV. Экспозиционные залы Государственного Исторического музея, Музея личных коллекций и Главного здания ГМИИ им. А.С. Пушкина с централизованными системами кондиционирования и приточной вентиляции и большим числом посетителей. В них поддерживаются оптимальные показатели температуры (18-20С), ОВВ (около 55%) и циркуляции воздуха (скорость воздушного потока 0,2 м/сек). Аэромикробиологическое исследование музейных помещений проводились с применением методов статистического анализа.
Помещения I типа. Судная палата.
Судная палата, как упоминалось выше, имеет высокие показатели относительной влажности воздуха (ОВВ), достигающие 95%, а влагосодержание стен и каменных саркофагов, находящихся в этом помещении, превышает 10%. Судная палата не отапливалась и редко проветривалась. В связи с этим температура воздуха составляла 10-12. В период проведения аэромикробиологических исследований циркуляция воздуха была минимальной. В закрытых помещениях, куда не поступает наружный воздух, может происходить образование конвекционных токов. Даже при отсутствии вентиляции воздух циркулирует в комнате благодаря температурной конвекции, следствием которой является равномерное рассеивание спор по всему объему и затруднение оседания частиц под действием силы тяжести [Грегори, 1964]. Однако в Судной палате эффект температурной конвекции невысокий, так как для этого необходим температурный градиент наружного воздуха, а исследуемое помещение является подвальным, и грунт препятствует резкому нагреванию или охлаждению наружных стен, что способствует температурной стабилизации.
В ходе проводимого микробиологического исследования через некоторый нерегулярный промежуток времени отбирались пробы воздуха в 10 точках помещения, показанных на рис. 9. Всего было произведено 8 актов отбора проб в этих точках в различное время года. Как видно на рис. 9, наблюдается общая закономерность развития микроорганизмов в воздушной среде во всех 10 точках в зависимости от времени отбора проб. При этом микробное число в воздухе Судной палаты не зависит от сезона и не превышает 1000 КОЕ в 1 м3.
Относительно невысокая загрязненность воздуха связана с тем, что при отсутствии циркуляции воздуха произошло осаждение спор микроорганизмов и пылевых частиц на увлажненные стены и поверхности саркофагов. Это подтверждает тот факт, что полученные результаты после 7 акта отбора проб показывали повышенную загрязненность воздуха, при которой показатель микробного числа колебался от 4500 до 6000. Объясняется это тем, что в помещении было произведено проветривание, и споры микроорганизмов равномерно распределились в воздушном объеме.
Определение элементного состава ролбметодом атомной абсорбции
. В процессе выветривания на поверхности и в подповерхностных слоях каменных стен памятников архитектуры в результате атмосферного воздействия и при капиллярном подсосе грунтовых вод аккумулируются органические и неорганические вещества, которые оказывают влияние на минеральный состав камня. Наряду с этим, накапливаемые в камне вещества могут являться питательной средой для микроорганизмов, а также ингибировать в определенных концентрациях их физиологическую активность. Известно, что клетки микроорганизмов способны аккумулировать тяжелые металлы в количествах, намного превышающих их потребность. Сублетальные концентрации металлов вызывают нарушения в ультраструктуре клеток, ингибируют транспортные и энергетические процессы, действуют на многие участки метаболических путей [Сенцова, Максимов, 1985].
Геохимическая деятельность микроорганизмов, развивающихся на стенах памятников архитектуры, приводит к биоповреждению строительных материалов, которое выражается как в изменении их цвета, так и снижении прочности материала, осыпанию отдельных участков известняка, штукатурного слоя, разрушению кирпича, вспучиванию покрасочного слоя. Чем выше физиологическая активность микроорганизмов, тем интенсивнее идут процессы разрушения, вызванные продуктами клеточного метаболизма бактерий, микроскопических грибов, микроводорослей [Lyalikova, Petushkova, 1991; Urzi, Krumbein 1994].
Среди основных факторов внешней среды, воздействующих на физиологические процессы в клетках микроорганизмов, развивающихся на каменных памятниках, можно выделить температуру, влажность, освещенность, состав органических веществ атмосферы и грунтовых вод. Из воздуха и почвы могут поступать не только питательные органические вещества, но и ионы тяжелых металлов, которые клетки микроорганизмов способны аккумулировать в больших количествах. Металлы адсорбируются на поверхности, связываясь с клеточной стенкой или веществами капсулы, взаимодействуя с отрицательно заряженными группами в составе поверхностных структур.
Целью данной работы было проведение микробиологического и геохимического исследования каменных материалов памятников архитектуры Москвы, Московской и Ярославской областей, расположенных в районах, характеризующихся разной степенью загрязненности окружающей среды.
Объектами исследования были белокаменная и кирпичная кладка наружных стен трех памятников архитектуры: Покровской церкви Новодевичьего монастыря (г. Москва), Грота Государственного музея-усадьбы «Архангельское» (Московская область) и Красной Палаты Государственного музея-заповедника «Ростовский Кремль» (Ярославская область). Места отбора и характеристика проб приведены в таблице 17.
Новодевичий монастырь в г. Москве расположен в районе, сильно загрязненном из-за близости ряда промышленных предприятий (ТЭЦ-12, Дорхимзавод, завод сложных эфиров и др.). Здесь проводился биомониторинг белокаменной и кирпичной кладки Надвратной Покровской церкви. Особое внимание уделялось микробиоте известняка в зоне эксфильтрации (белокаменный цоколь на высоте до 1м) северной стены церкви. Были исследованы следующие характерные повреждения белого камня: зеленые и темно-серые налеты, белые гипсоподобные высолы, «мучнистое» разрушение старинного мячковского и реставрационного крымского известняков. Исследуемые окрашенные налеты на поверхности камня не коррелируют с разрушением известняка. Для сравнения изучались кирпичная кладка в непосредственной близости от цоколя.
Результаты анализа проб показали высокое микробное разнообразие выделенных физиологических групп. Это оксигенные фотоавтотрофы, аэробные хемолитотрофные тионовые и нитрифицирующие бактерии, хемоорганотрофные микрорганизмы, включая галотолерантные, анаэробные, денитрифицирующие бактерии, аэробные метилотрофы, микроскопические грибы. В микробиоценозе известняка преобладающими, независимо от сезонных изменений, были галотолерантные бактерии рода Micrococcus, относящиеся к умеренным галофилам, а также микромицеты и зеленые водоросли.Анализ проб показал очевидное различие в содержании элементов тяжелых металлов в подверженных биологической эрозии известняках. Так, участки камня, покрытые зеленым обрастанием, содержали максимальные количества Zn, Ni, Fe и Мп. Пробы камня с черными пятнами обрастания (преимущественно, микромицетами) содержали Си в 70 раз, Zn в 200 раз, Ni в 1,5 раза, Мп в 2,5 раза меньше, а Сг в 1,5 раза больше, чем в камне с водорослевым обрастанием. Таким образом, в микроводорослевой биопленке аккумулируется максимальное количество тяжелых металлов, более низкая их концентрация наблюдается в темно-серой патине на камне, в которой, однако, выявлено наиболее высокое содержание Сг, а наименьшая по сравнению с пробами патины концентрация анализируемых элементов содержится в пробах не поврежденного известняка (рис.25).
Грот музея-усадьбы «Архангельское» в отличие от стен Покровской церкви Новодевичьего монастыря менее подвержен атмосферному загрязнению, однако здесь наблюдается сильная водная эрозия, вследствие чего состояние его внутренних стен весьма неоднородное. Из-за отсутствия гидроизоляции в результате увлажнения стен и сводов есть участки с нарушенной однородностью кладки, глубина разрушения которой достигает 10 см. Штукатурка на влажной кладке вспучивается и отслаивается. Своды грота в результате замачивания с верхней террасы также имеют участки выкрашивающейся кладки.
