Содержание к диссертации
Введение
1.АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА БИОЛОГИЧЕСКОГО РАЗРУШЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ 10
1.1. Структурно-геологическая характеристика территории г. Томска 18
1.2. Процессы разрушения и коррозии фундаментов и стен каменных зданий 22
1.3. Геохимическая роль воды в природных и техногенных экологических процессах 25
1.4. Микробиологическая коррозия 26
1.4.1. Химия бактериального окисления сульфидных минералов 37
1.4.2. Тионовые бактерии 39
1.4.3. Сульфатредуцирующие бактерии 42
1.5. Исследование серы в соединениях различного происхождения методом изотопов 44
1.6. Существующие способы защиты от биокоррозии 50
2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 55
2.1. Материалы исследования 55
2.2. Методы исследований 60
2.3. Среды для культивирования 61
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ 65
3.1. Численность агрессивных групп микроорганизмов на поврежденных поверхностях зданий исторического центра г. Томска 65
3.2. Оценка качества бетона штольни лагерного сада и процессы его коррозии 82
3.3. Изучение продуктов сульфатной коррозии изотопным методом 84
4. ДИФФУЗИОННО-ТРАНСПОРТНАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВОЗДЕЙСТВИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ НА СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ 87
4.1. Диффузия микроорганизмов 90
4.2. Диффузия активной жидкости 94
4.3. Оценка воздействия на среду 98
5.3АЩИТА ОТ БИОКОРРОЗИИ 99
5.1. Способ защиты строительных конструкций от биохимической коррозии 99
5.2. Примеры реализации способа 101
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 103
ЛИТЕРАТУРА 105
ПРИЛОЖЕНИЕ 119
АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ
- Структурно-геологическая характеристика территории г. Томска
- Материалы исследования
- Численность агрессивных групп микроорганизмов на поврежденных поверхностях зданий исторического центра г. Томска
Введение к работе
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 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 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 лито-бионтных 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
Впервые проведены исследования по изучению закономерностей формирования сообществ литобионтных микроорганизмов на строительных силикатных материалах в условиях повышенной влажности на территории Западной Сибири.
Выявлена прямопропорциональная зависимость между количеством формирующихся сульфатредупирующих бактерий (родов ThiobaciUus, Desulfovibrio) и микромицетов (Mucor, Penicillium, Aspergillus), с интенсивностью радиоактивного газа радона и гипергенной каолинизацией.
Установлено участие изотопов серы природного и аэрогенного происхождения в трофических цепях сообществ хемолитотрофной микрофлоры.
Разработан способ защиты строительных конструкций от биологической коррозии.
Основные положения, выносимые на защиту:
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).
В качестве индикатора развития биокоррозии силикатных строительных материалов предлагается использовать тиобактерии, как характерных инициаторов сульфатной биодиструкции. Количественное содержание бактерий рода ThiobaciUus позволяет использовать тиобациллы в качестве экспресс-метода биоиндикации ранних стадий коррозии силикатных строительных материалов.
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.
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 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 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.
Структурно-геологическая характеристика территории г. Томска
В условиях возрастающего антропогенного воздействия на окружающую среду, в большинстве зданий и других инженерных сооружений, составляющих хозяйственно-жилую инфраструктуру городов, интенсивно развиваются процессы биоповреждения, которые ведут к снижению прочностных характеристик несущих конструкций и материалов, к разрушению защитных и отделочных слоев и как следствие к преждевременному износу и разрушению инженерных конструкций и оборудования различного назначения. В последнее время актуальными становятся исследования процессов биообрастания, которым подвержены практически все строительные материалы, в первую очередь при эксплуатации гидротехнических сооружений, животноводческих и птицеводческих помещений, овощехранилищ, плавательных бассейнов, предприятий мясомолочной промышленности и т.д. (В.Ф. Смирнов, 2000; В.А. Баженов, Л.И, Киркина, 1972). Цементно-бетонные панели покрытий в животноводческих зданиях разрушаются за три-четыре года эксплуатации (А.В. Чуйко, 1978). При благоприятных условиях некоторые виды микроорганизмов скапливаются в огромной массе (А.А. Горбушина, Н.Н. Ляликова, 2002).
В результате воздействия различных биологических факторов на строительные и промышленные материалы происходит изменение их физических, механических, химических и других свойств. По данным литературы более 60% общего объема биоповреждений вызываются микроорганизмами - бактериями, грибами, актииомицетами (Л. Сворокова, Е.Н. Андреюк, 1980; В.И. Соломатов, 2001).
Микроорганизмы являются активными продуцентами минеральных, органических кислот и комплексообразователей (Е.В. Богомолова, М.С. Зеленская, 2001; Д.Ю. Власов, 2001). Классические работы С.Н. Виноградского (1888) выдвинули проблему коррозионной и геохимической деятельности микроорганизмов. Еще В.И. Вернадский отмечал способность диатомовых водоросли разлагать алюмосиликаты каолинового кремнезема с выделением гидратов окиси алюминия. Около 60 % горных пород, в основном составляющие строительные материалы, это отложения некогда существовавших организмов и продуктов их жизнедеятельности.
Осадочные породы, тем или иным путем образованные организмами, принято называть биогенными породами или биолитами. Обычно биолиты бывают смешанные, с преобладанием какого-либо руководящего организма, но нередки огромные пласты, например, известняков, состоящих из скелетов одной корненожки, или битуминозные сланцы, почти исключительно состоящие из одного какого-либо вида водорослей или другого вида растений. Биолиты, следовательно, представляют собою остатки ископаемого живого вещества (А.П. Виноградов, 1932). В работах В.А. Алексеенко отмечалась роль микроорганизмов в выщелачивании горных пород. Химические элементы непосредственно включаются во внутриклеточные биохимические реакции, вследствие этого микроорганизмы могут их накапливать или экскретировать в концентрированном виде.
Кроме того, внеклеточная химическая активность, инициируемая или катализируемая микроорганизмами или выделяемыми ими органическими соединениями, может приводить к образованию побочных продуктов, которые служат источниками питания или энергии для их дальнейшего роста. Железо и сера являют собой характерный пример химических элементов, которые могут, как окисляться, так и восстанавливаться различными микроорганизмами, представляя собой важный источник энергии для их роста (К.Ф. Форстер, 1990). Среди бактерий, обитающих в подземных и поверхностных водах в районах месторождений полезных ископаемых, выделяют специфические, приспособленные к высоким концентрациям ряда химических элементов в водах и окружающих их горных породах и рудах (НА. Трифонова и др. 1998; А.А. Корневский и др., 1992). Бактерии вида Thiobacillus thiooxidans концентрируются на участках с резко повышенным содержанием Mo, Be, W, Th. ferooxidans - на учестках с рудами Pb, Zn, Си и около редкометалльных рудных тел (Та, Nb, Li, Rb, Cs, Be и др.). на редкометалльных месторождениях отмечается повышенная активность и бактерий Th. denitrificans (В. А. Алексеенко, 2000).
Ведутся работы по выделению и использованию микроорганизмов в биотехнологических процессах очистки загрязненных природных сред и выщелачивания полезных элементов из бедных руд (Г.А. Евдокимова, А.Ф. Науменко, 2002).
Большое внимание уделяется вопросу участия микроорганизмов в процессах внутренней коррозии трубопроводов. Изучается распространение группы сульфатвосстанавливающих бактерий в трубопроводах тепловой сети, рассматривается биогенная сульфатредукция, как один из факторов стресс-коррозии магистральных трубопроводов (Е.П. Розанова, 1999; С.С. Камаева, 2000).
Исследования показали, что неметаллические материалы, такие как, кирпич, бетон, штукатурка, различные сухие смеси подвержены воздействию микрогрибковых культур. В результате поражения минерального строительного материала грибами происходит его вспучивание, растрескивание, отваливаются целые фрагменты штукатурки и кирпича, на потолках проступают темные пятна. Чаще всего этим явлениям способствуют климатические условия (высокая влажность, перепады температур), а в помещениях - это результат протечек.
Как правило, само здание из кирпича и бетона поражается грибами и бактериями достаточно сильно. При этом фасад (штукатурка, кирпич или бетон) поражается, в основном, плесневыми грибами и бактериями на большую глубину - часто более 5 см, а внутренние помещения - практически только бактериями различных видов (В.А. Скороходов, 2004). В деструкции каменных и железобетонных сооружений активное участие принимает агрессивная группа микроорганизмов: тионовые, сульфатредуцирующие, железобактерии и нитрифицирующие бактерии.
История строительной техники знает немало случаев разрушения гидротехнических бетонных сооружений. Коррозия металлов, разрушение бетона, камня, кирпича и других материалов неорганической природы, вызываемые деятельностью тионовых бактерий, достигают колоссальных размеров. Это приводит к снижению срока эксплуатации сооружений и дорогостоящим ремонтным работам.
Исследования специалистов НИЭПГП «БелНИИС» показали что, анаэробные процессы в канализационных коллекторах сопровождаются выбросом сероводорода. Штаммы тионовых бактерий выделенные с поверхности сводов труб питаясь сероводородом выделяют серную кислоту, разъедающую цементный камень. При нормативном сроке службы коллекторов, составляющем 50 лет, эти сооружения выходят из строя с обрушением сводов труб уже в течение 10 - 20 лет.
Микроорганизмы, выщелачивая железо, разрушая силикаты и алюмосиликаты, входящие в состав железобетона, нарушают кристаллическую решетку и снижают прочность конструкций. Степень активности микроорганизмов, вызывающих коррозию бетонов, силикатов, находится в зависимости от условий внешней среды (температура, влажность, аэрация, реакция среды, ее окислительно-восстановительный потенциал, соленость и др.).
Материалы исследования
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 (разрушающиеся 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.
Сообщества агрессивных микроорганизмов, изучались на поверхности внутренних и внешних стен исторических зданий города Томска, подверженных разрушению в разной степени. 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. Образцы из поверхностного слоя 0-1 мм отбирали в стерильные пробирки стерильным скальпелем. Навески анализировали сразу после отбора проб. Отобранные образцы растирали в стерильных фарфоровых ступках. Навески по 100 г каждой пробы переносили в колбу со 100 мл стерильного физиологического раствора. Для десорбции микрофлоры с твердой поверхности в колбу добавляли несколько капель Tween 80 (ПАВ). Содержимое колбы интенсивно встряхивали в течение 1 минуты. В результате чего микрофлора, сорбированная на частицах кирпича, камня, цемента и почвы переходила в раствор. После 10 минутного отстаивания из верхнего слоя жидкости проводили посев на питательные среды для учета количества микроорганизмов разных групп.
Для количественного учета, использовали жидкие селективные среды Летена, Баалсруда и Бейеринка с применением метода предельных разведений (Современные методы в биохимии, 1964).
Отобранные пробы в виде соскобов, частичек разрушенного цементного раствора, кирпичной крошки и пробы почвы с примесью растворной крошки подготавливали для проведения микробиологических анализов.
Посев проводили на селективные среды для выявления групп микроорганизмов и их численности. Число клеток определяли при помощи числового коэффициента по таблице Мак-Креди.
Были применены следующие среды: мясо-пептонный агар (МПА), агар Чапека-Докса, крахмало-аммиачный агар (КАА), жидкие среды для тионовых и нитрифицирующих бактерий.
Разведения для посева каждого из субстратов подбирали экспериментально. Чашки с посевом инкубировали при 25 - 28 С. Учет проводили через 14-21 суток. Подсчитывали общее число колоний, выросших на данной среде и определяли общую численность в колониеобразующих единицах (КОЕ) на грамм. Кроме того, проводили дифференцированный учет колоний бактерий и подсчитывали количество каждого типа. По три-пять представителей каждого типа колоний выделяли в чистую культуру. Полученная в результате коллекция составила около 80 штаммов. Идентификацию выделенных микроорганизмов проводили по стандартным методикам на основе микроморфологических признаков.
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).
Определение изотопного состава серы
Изотопный состав серы определяли у образцов отобранных из цоколя здания Областного суда (пл. Соляная). Образцы гипса, кирпича, цементного раствора, содержащие серу, обрабатывали при нагревании соляной кислотой. Остаток отфильтровывали, промывали дистиллированной водой, высушивали. Элементарная сера из осадка экстрагировалась ацетоном. Затем серу окисляли HN03 + Вг2 до сульфата. Сульфат восстанавливается и переводится в ZnS, который окисляется до SO2 по стандартной методике (Гриненко В.А., 1962). Образцы гипса, кирпича, цементного раствора перед восстановлением прокаливались в вакууме при 1000С. При этом они освобождались от карбоната и возможной примеси самородной серы.
Численность агрессивных групп микроорганизмов на поврежденных поверхностях зданий исторического центра г. Томска
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 (разрушающиеся 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.
Сообщества агрессивных микроорганизмов, изучались на поверхности внутренних и внешних стен исторических зданий города Томска, подверженных разрушению в разной степени. 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. Образцы из поверхностного слоя 0-1 мм отбирали в стерильные пробирки стерильным скальпелем. Навески анализировали сразу после отбора проб. Отобранные образцы растирали в стерильных фарфоровых ступках. Навески по 100 г каждой пробы переносили в колбу со 100 мл стерильного физиологического раствора. Для десорбции микрофлоры с твердой поверхности в колбу добавляли несколько капель Tween 80 (ПАВ). Содержимое колбы интенсивно встряхивали в течение 1 минуты. В результате чего микрофлора, сорбированная на частицах кирпича, камня, цемента и почвы переходила в раствор. После 10 минутного отстаивания из верхнего слоя жидкости проводили посев на питательные среды для учета количества микроорганизмов разных групп.
Для количественного учета, использовали жидкие селективные среды Летена, Баалсруда и Бейеринка с применением метода предельных разведений (Современные методы в биохимии, 1964).
