Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Основные факторы разрушения природного камня в антропогенно-измененной среде (состояние изученности проблемы) 14
1.1. Камень в архитектуре современных городов 14
1.2. Особенности городских экосистем и их влияние на разрушение природного камня 19
1.3. Природный камень как объект биологической колонизации 25
1.4. Биообрастания природного камня (основные понятия, внешние проявления, условия возникновения) 30
1.5. Основные механизмы разрушения камня живыми организмами 43
1.6. Методические подходы к мониторингу
состояния объектов культурного наследия 53
ГЛАВА 2. Материал и методы исследований 59
2.1. Характеристика районов и объектов исследований 59
2.2. Характеристика материала исследований 66
2.3. Методы исследований
2.3.1. Визуальные наблюдения 68
2.3.2. Отбор проб для лабораторных исследований 69
2.3.3. Методы лабораторных исследований
2.3.3.1. Первичный осмотр и описание проб в лаборатории 72
2.3.3.2. Выбор участков для детального исследования аналитическими методами 73
2.3.3.3. Выявление биологических объектов на каменистом субстрате 73
2.3.3.4. Микологический анализ 74
2.3.3.5. Бактериологический анализ 75
2.3.3.6. Метагеномный анализ 77
2.3.3.7. Метаболомный анализ 77
2.3.3.8. Сканирующая электронная микроскопия 78
2.3.3.9. Петрографические исследования
2.3.3.10. Геохимические исследования 80
2.3.3.11. Конфокальная микроскопия 81
2.3.3.12. Методы моделирования литобионтных систем 81
ГЛАВА 3. Основные формы разрушения природного камня в антропогенных ландшафтах 86
3.1. Разработка классификации форм разрушения природного камня 86
3.2. Абиогенное (физико-химическое) выветривание 89
3.3. Антропогенное выветривание 94
3.4. Биогенное выветривание
3.4.1. Биопленки с доминированием водорослей 102
3.4.2. Биопленки с доминированием бактерий
3.4.2.1. Биопленки с доминированием цианобактерий 107
3.4.2.2. Хемоорганотрофные бактерии в биопленках на граните
3.4.2.2.1. Бактериологические исследования поврежденного гранита в Санкт-Петербурге 113
3.4.2.2.2. Бактериологические исследования поврежденного гранита в Выборге 117
3.4.2.2.3. Бактериологические исследования поврежденного гранита в карьере Монферрана 120
3.4.2.2.4. Метагеномный анализ бактериальных сообществ в биологических обрастаниях различного состава 122
3.4.3. Биопленки с доминированием микромицетов 126
3.4.3.1. Состав сообществ микромицетов на поверхности гранита в Санкт-Петербурге 126
3.4.3.2. Состав сообществ микромицетов на граните в карьере Монферрана 132
3.4.3.3. Метагеномный анализ сообществ микромицетов в биологических обрастаниях различного состава 138
3.4.4. Биопленки с доминированием лишайников 140
ГЛАВА 4. Моделирование процессов трансформации природного камня под воздействием микроорганизмов 145
4.1. Взаимодействие бактерий рода Bacillus с каменистым субстратом в контролируемых условиях 147
4.1.1. Колонизация мрамора микроорганизмами в условиях эксперимента 148
4.1.1.1. Эксперимент в жидкой питательной среде с бактериями рода Bacillus 148
4.1.1.2. Колонизация мрамора бактериями рода Bacillus в условиях влажной камеры 155
4.1.1.3. Эксперимент по совместной колонизации мрамора бактериями и грибами 158
4.1.1.4. Оценка способности бактерий Bacillus subtilis к выделению органических кислот и других метаболитов.. 163
4.1.2. Колонизация гранита и слюды микроорганизмами в условиях эксперимента 166
4.1.2.1. Бактериальная колонизация гранита и слюды в водной среде 166
4.1.2.2. Бактериальное выщелачивание гранита в водной среде... 170
4.1.2.3. Микробная колонизация гранита в условиях влажной камеры 172
4.1.3. Изменение рН среды под влиянием микроорганизмов в экспериментальных условиях 179
ГЛАВА 5. Развитие комплексного подхода к мониторингу памятников культурного наследия 183
5.1. Геоэкологические основы комплексного мониторинга памятников из камня в городской среде 183
5.2. Анализ изменений в поверхностном слое камня с признаками биологической колонизации (на микроуровне) 185
5.3. Мониторинг загрязнений окружающей среды как элемент системы мониторинга каменных памятников 188
5.4. Разработка метода мониторинга биоповреждений памятников из камня с применением компьютерных технологий 193
Заключение 209
Выводы 212
Список использованной литературы 213
- Биообрастания природного камня (основные понятия, внешние проявления, условия возникновения)
- Выбор участков для детального исследования аналитическими методами
- Биогенное выветривание
- Колонизация гранита и слюды микроорганизмами в условиях эксперимента
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Сохранение памятников
культурного наследия является одной из приоритетных задач современного общества. Особенно остро эта проблема стоит там, где памятники экспонируются на открытом воздухе и подвергаются разрушительному воздействию окружающей среды. В городах деструкция природного камня заметно ускоряется, что обусловлено влиянием антропогенного фактора. На этом фоне повышается агрессивность микроорганизмов, вызывающих биоповреждения каменных материалов (Krumbein, Gorbushina, 2009; Scheerer et al., 2009; Miller et al., 2012; Sanjurjo-Snchez, Alves, 2012).
На поверхности камня развиваются биопленки, которые вместе с каменистым субстратом образуют литобионтную систему. В ней протекают процессы биокосных взаимодействий, приводящие к выветриванию камня и биогенной кристаллизации на поверхности карбонатных и силикатных пород. Для выяснения механизмов этих процессов требуется комплексный научный подход, основанный на применении широкого арсенала аналитических методов.
В разных климатических условиях активность биодеструкторов может
существенно изменяться, хотя сравнительные исследования в данном
направлении весьма ограничены (Karaca et al., 2011; Sanjurjo-Snchez et al.,
2012; Viles, Cutler, 2012). Так, в Санкт-Петербурге с его влажным морским
климатом и существенными колебаниями температур создаются
благоприятные условия для развития процессов биообрастаний и разрушения различных типов горных пород. Наименее изучены эти процессы на гранитах, которые широко применялись в архитектуре Петербурга: фасады зданий, набережные рек и каналов, скульптурные памятники, постаменты.
Понимание сложных процессов биогенной трансформации каменных материалов в антропогенных ландшафтах открывает возможности для осуществления мониторинга состояния памятников культурного наследия и их защиты от биоразрушения. Многие вопросы в данной области остаются недостаточно разработанными. Так, в известных классификациях мало внимания уделяется основным причинам и формам биогенного выветривания камня. Особенно это относится к таким породам, как гранит. Продолжается поиск наиболее достоверных критериев для оценки изменений состояния памятника (мониторинга), актуальной остается разработка эффективных методов оценки текущего состояния памятника.
Объект исследования – памятники культурного наследия из
различных горных пород, подвергающиеся процессам разрушения в условиях городской среды, а также основные формы биообрастаний природного камня.
Предмет исследования – условия, закономерности и механизмы биокосных взаимодействий в литобионтных системах, а также основные факторы и формы разрушения памятников из камня в антропогенных ландшафтах.
Цель исследования – разработать научно-методические подходы к мониторингу объектов культурного наследия в антропогенных ландшафтах на основе всестороннего исследования литобионтных систем.
Задачи исследования:
1. Провести критический анализ известных классификаций форм
разрушения природного камня с учетом роли биологического выветривания.
2. Изучить разнообразие биологических обрастаний и охарактеризовать
структуру литобионтных сообществ на гранитах в различных экологических
условиях.
3. На примере гранита разработать классификацию биообрастаний
каменного материала в городской среде с учетом многообразия и
особенностей литобионтных организмов, а также их влияния на каменный
материал.
4. Создать экспериментальную модель литобионтной системы и
апробировать ее на карбонатных и силикатных горных породах с
использованием микроорганизмов, изолированных с каменистых субстратов
из разных географических регионов.
5. Выявить особенности биокосных взаимодействий в литобионтных
системах на основе результатов модельных экспериментов.
6. Разработать методологию мониторинга биообрастаний каменных
памятников в антропогенных ландшафтах на основе выявленных свойств
биологических объектов.
Теоретической и практической основой диссертационного
исследования являются работы отечественных и зарубежных ученых в области геоэкологии, мониторинга объектов культурного наследия, исследования процессов разрушения горных пород в различных экологических условиях: Н.А. Красильников (1949); М.А. Глазовская, Н.Г. Добровольская (1984); B. Fitzner et al. (1995, 2004); Б.В. Громов (1996); C. Saiz-Jimenez (1999); J.H. Walsh (2001); А.А. Горбушина и др. (2002); T.
Warscheid (2003); А.Г. Булах и др. (2004, 2005, 2008); Г.И. Каравайко (2004); О.Е. Марфенина (2005); C.C. Gaylarde, P.M. Gaylarde (2005); C.J. McNamara, R. Mitchell (2005); О.В. Франк-Каменецкая и др. (2005, 2008, 2014); Е.Б. Наймарк и др. (2009); W.E. Krumbein, A.A. Gorbushina (2009); N.A. Cutler, H.A. Viles (2010); Z. Karaca et al. (2011); H.A. Viles, N.A. Cutler (2012); A.Z. Miller et al. (2012); G.M. Gadd (2014).
Материалы и методы исследования. Диссертационное исследование
основано на анализе проявлений основных форм биоповреждений
памятников из камня в городской среде, а также на выявлении механизмов
биоминеральных взаимодействий в моделируемых условиях. Объекты
исследований подобраны с учетом особенностей их экспонирования в
экосистемах, различающихся по степени антропогенной нагрузки (г. Санкт-
Петербург и его пригороды, г. Выборг, Южная Финляндия). Всего было
изучено более 1000 образцов каменистых субстратов с признаками
биоповреждений, а также пробы биологических объектов, включающие
биопленки с доминированием различных организмов (бактерий,
микроскопических водорослей, грибов и лишайников). Пробы были отобраны в весенне-летне-осенние периоды полевых сезонов 2010-2015 годов. В работе использован комплекс полевых и лабораторных методов, позволяющих получить наиболее полную и объективную картину изменений состояния памятников, находящихся на открытом воздухе, исследовать характер повреждений поверхности камня, оценить степень биологической колонизации породы, а также изучить особенности взаимоотношений биодеструкторов с каменным материалом. Методология мониторинга биоповреждений памятников из камня разрабатывалась с учетом биологических особенностей и спектральных характеристик конкретных видов или типовых биопленок, использования вегетационных индексов NDVI и ENDVI и предусматривала построение картограмм состояния поверхности памятников с использованием компьютерных технологий.
Научная новизна работы.
1. Впервые разработана классификация биообрастаний гранита в городской среде, которая может быть использована и для других типов горных пород. Изучены и охарактеризованы основные формы биологического повреждения гранита, определены доминирующие виды в литобионтных сообществах в различных антропогенных ландшафтах.
-
Получены новые данные, характеризующие особенности биологической колонизации поверхностного слоя гранита, а также избирательность заселения данного субстрата литобионтными организмами.
-
Впервые проведены сравнительные исследования состава биопленок на граните в Санкт-Петербурге, Выборге и Южной Финляндии, что позволило оценить влияние антропогенного фактора на состав и структуру литобионтных сообществ, а также характер деструкции каменного материала.
-
Предложены новые методические подходы к моделированию процессов микробной колонизации различных типов камня, основанные на использовании сочетания штаммов литобионтных микроорганизмов (бактерий и микромицетов). Показана возможность экспериментального воспроизведения природных процессов биогенной трансформации горных пород в контролируемых экспериментальных условиях.
5. В условиях эксперимента установлены особенности биогенной
кристаллизации в биопленках на поверхности мрамора и гранита.
6. Разработаны методологические подходы к мониторингу биообрастаний
каменных памятников в городской среде с учетом спектральных
характеристик биологических объектов и предложен метод
картографирования биообрастаний поверхности камня с использованием
компьютерных технологий.
Теоретическая значимость диссертационного исследования состоит в
раскрытии основных закономерностей функционирования литобионтных
систем в антропогенных ландшафтах. Полученные данные расширяют
представление о составе литобионтных сообществ (в особенности, на
граните) в различных экологических условиях и показывают возможность
типизации основных форм биообрастаний камня в городской среде.
Показано, что абиогенные и биогенные формы разрушения гранитного камня
тесно взаимосвязаны, что позволяет более объективно подходить к
классификации основных форм выветривания камня. Моделирование
взаимодействий микроорганизмов и каменистых субстратов открывает
возможности для всестороннего исследования биохимических и
биофизических механизмов биокосных взаимодействий в литобионтных системах с учетом географического фактора. Научное обоснование методологии мониторинга памятников из камня в городской среде показывает эффективность комплексного междисциплинарного подхода к
решению проблемы сохранения памятников культурного наследия в антропогенных ландшафтах.
Практическая значимость работы определяется разработкой и апробацией новых подходов к мониторингу и прогнозированию сохранности каменных памятников и сооружений в различных экологических условиях, а также к определению биостойкости различных материалов, используемых при создании памятников, зданий и сооружений в городской среде. Предложен метод мониторинга биообрастаний каменных памятников, позволяющий оценивать распределение и скорость биообрастаний на различных объектах, строить картограммы повреждений с использованием компьютерной технологии, а полученные результаты аккумулировать в базе данных. В 2014-2015 годах разработанный метод использовался для оценки эффективности проведения консервационных работ на памятниках Музейных некрополей Санкт-Петербурга (акт о внедрении результатов № 801 от 07.12.2015).
Достоверность исследований базируется на большом объеме данных,
полученных с применением научно-обоснованных методик сбора материала,
его исследования и оценки полученных результатов. Результаты
основываются на количественных и качественных характеристиках объектов,
полученных при многократной повторности с использованием комплекса
аналитических методов. Идентификация микроорганизмов произведена на
основе сочетания метода чистых культур и молекулярно-генетического
анализа штаммов. На различных этапах выполнения работы использовались
методы, применяемые в минералогии, петрографии, геохимии,
микробиологии, которые взаимно дополняют друг друга и позволяют
получать максимально объективную картину процессов в литобионтных
системах. Достоверность изменений в поверхностном слое породы,
проявляемых на микроуровне, подтверждается данными, полученными с
использованием сканирующей электронной микроскопии фрагментов
поврежденного каменного материала, а также результатами
рентгеноспектрального микрозондового анализа. Широко использованы
новейшие отечественные и зарубежные публикации по исследуемой
проблематике, с которыми сравниваются полученные результаты.
Статистическая обработка данных проводилась с использованием
компьютерных программ Statistica 6.0, Microsoft Excel.
Положения, выносимые на защиту.
1. Биологическое обрастание природного камня в городской среде
зависит от экологической обстановки, свойств каменного материала,
характеризуется типовыми формами, которые классифицированы на основе
выделения доминирующих видов.
2. Разработаны методы моделирования процессов биологической
колонизации горных пород, которые позволяют исследовать механизмы
биокосных взаимодействий в литобионтных системах и оценивать влияние
микроорганизмов на материал памятника.
3. Разработана система мониторинга биоповреждений памятников из
камня в антропогенных ландшафтах, основанная на использовании
комплекса аналитических методов и компьютерных технологий.
Личный вклад автора. Диссертация содержит фактический материал,
полученный непосредственно автором в период с 2010 по 2015 гг. Тема и
план диссертации, её основные идеи и содержание разработаны совместно
автором с научным руководителем. Лично автором проведён анализ
литературы, собран полевой материал, выделены штаммы микроорганизмов,
освоены и использованы экспериментальные методы, разработаны и
усовершенствованы методики исследования литобионтных систем, создана
классификация биообрастаний гранита, принято участие в создании базы
данных. Автором самостоятельно выполнены экспериментальные
исследования по моделированию биокосных систем с последующим анализом полученных данных. Работа выполнялась на кафедре геологии и геоэкологии РГПУ им. А.И. Герцена. Автором самостоятельно обоснованы заявки на получение грантов, написаны тексты статей и докладов на всероссийских и международных конференциях, диссертация и автореферат.
Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены на международной молодежной конференции «Науки о Земле и Цивилизация» (Санкт-Петербург, 2012); на VII региональной молодежной экологической конференции «Экологические проблемы Балтийского региона» (Санкт-Петербург, 2012); на генеральной ассамблее Европейского союза наук о Земле (Вена, Австрия, 2013); на всероссийской научно-практической конференции, посвященной 90-летию кафедры микробиологии ВМедА им. С.М. Кирова. «Микробиология: от микроскопа до нанотехнологий» (Санкт-Петербург, 2013); на VIII Международной конференции и летней школе «Геология в школе и вузе: Геология и цивилизация» (Санкт-Петербург, 2013); на международной конференции «Геохимия и минералогия
геоэкосистем крупных городов» (Санкт-Петербург, 2013); на VIII ежегодной
молодежной экологической школе-конференции «Современные проблемы
сохранения биоразнообразия естественных и трансформированных
экосистем» (Санкт-Петербург, 2013); на научно-практической конференции с международным участием: «Каменное убранство Северной Столицы» Санкт-Петербург, 2013); на ХII международном семинаре «Геология, геоэкология, эволюционная география» (Санкт-Петербург, 2014); на V международном симпозиуме «Биокосные взаимодействия в природных и антропогенных системах», (Санкт-Петербург, 2014); на ХIII международном семинаре «Геология, геоэкология, эволюционная география» (Санкт-Петербург, 2014); на XIX Санкт-Петербургской ассамблее молодых ученых и специалистов (Санкт-Петербург, 2014); на IX международной конференции и летней школе «Геология в школе и вузе: Геология и цивилизация» (Санкт-Петербург, 2015).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 25 печатных работ, в том числе 4 статьи в рекомендованных ВАК рецензируемых изданиях, получено свидетельство о государственной регистрации базы данных (№ 2014621575 от 21.11.2014).
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 206 источников (из них 140 на английском языке). Диссертация включает 235 страниц текста, в том числе 23 таблицы и 90 рисунков.
Биообрастания природного камня (основные понятия, внешние проявления, условия возникновения)
Природный камень во многом характеризует историю современных городов. Труд зодчих, строителей, скульпторов и художников доносит до потомков свидетельства событий и веяния разных эпох. Особенности каждого города, делающие его непохожим на другие, во многом зависят и от тех геологических условий, в которых строится и развивается город (Гавриленко, 2013). Обнажения горных пород иногда являются частью городских ландшафтов. Примером может служить г. Выборг, где выходы гранита рапакиви можно наблюдать в центральной части города. Обнажения гранитов часто встречаются в городах Южной Финляндии, где строительство зданий велось непосредственно на подстилающей горной породе.
Природный камень является неотъемлемой частью городских экосистем. Открытые поверхности зданий и сооружений имеют огромную площадь. Они могут влиять на тепловой и влажностный режим, создание микроэкологических условий в различных уголках современных городов, формирование среды обитания человека в мегаполисе. Природный камень является и местообитанием для огромного числа биологических объектов. Поверхность карбонатных и силикатных пород колонизируется многочисленными микро- и макроорганизмами. Многие из них покрывают обширные площади зданий и сооружений, существенно меняя их облик. Такую картину можно наблюдать, например, в Санкт-Петербурге, архитектурные памятники которого известны всему миру.
Санкт-Петербург является уникальным городом, построенным на границе Русской платформы и Балтийского (Фенноскандинавского) кристаллического щита. К югу от города развиты известняки, песчаники, глины, а к северу – кристаллические сланцы, гнейсы, граниты. Поэтому в архитектуре города использовались разные горные породы, что сформировало его контрастность. Например, известно более 35 зданий, декорированных песчаником. Этот камень поставлялся в Петербург из карьеров на современных территориях Польши и Германии (Савченок и др., 2011). Однако два основных типа камня, которые наиболее широко использовались при строительстве города, в облицовке зданий и сооружений – это гранит рапакиви и путиловский известняк. Финский розовый гранит рапакиви является главным декоративным камнем в архитектуре классического Санкт-Петербурга (Булах и др., 2004), а также ряда финских городов. Гранит рапакиви пришел в строительство Санкт-Петербурга в последние десятилетия XVIII века. Он добывался, преимущественно, в южной Финляндии (рис. 1). Рис. 1. Добыча гранита рапакиви. Питерлакское месторождение (Литография по рисунку Огюста Монферрана) Наиболее известные разработки были расположены на берегу Финского залива у города Фридрихсгам (ныне Хамина) – это Питерлакское месторождение. Здесь, в частности, удавалось добывать цельные блоки камня громадного размера, например, монолит для Александровской колонны в Петербурге. Длина колонны составляет 25,58 м, а вес около 700 т (Булах, 2001). Александровская колонна (рис. 2) – архитектурный символ Петербурга, установлена в 1834 году в честь победы русских войск в Отечественной войне 1812 года. До настоящего времени сохранилось место, где был взят гранит рапакиви для Александровской колонны. Этот карьер получил название «карьер Монферрана».
Розовый Финский гранит является одним из исторических символов Петербурга царских времен. Его мы видим, например, во внутренних колоннах Казанского собора, в 112 колоннах Исаакиевского собора (рис. 3).
Александровская колонна Рис. 3. Исаакиевский собор Плитами гранита рапакиви покрыты тротуары, им облицованы набережные, фасады зданий, он использован в постаментах большинства памятников и монументов (Зискинд, 1989). Гранит часто полировали, так как полировка предохраняла камень от атмосферных воздействий, препятствовала проникновению влаги, а также давала замечательный декоративный эффект (Булах, 2001).
В целом, гранит относят к прочной, долговечной, довольно устойчивой к атмосферным воздействиям породе. Однако по сравнению с другими гранитами, гранит рапакиви вследствие своей структуры является более уязвимым к абиотическим и биотическим воздействиям. Гранит рапакиви (по-фински означает «гнилой камень») свое название получил из-за быстрого выветривания. По своей долговечности гранит рапакиви сильно уступает в сравнении с образцами мелкозернистого гранита. Впервые гранит рапакиви был описан финским петрографом Якобом Седерхольмом в 1891 году. Почти 70% из всех гранитов, получаемых на территории Финляндии, принадлежит к гранитам рапакиви. Наиболее типичный гранит рапакиви относится к крупнозернистым гранитам. Он состоит из крупных (до 5 см) округлых, так называемых овоидальных выделений розового полевого шпата – ортоклаза или микроклина, обросших белой оболочкой другого полевого шпата – олигоклаза. Пространство между округлыми выделениями полевых шпатов заполнено другими минералами – кварцем, слюдой (биотит, мусковит). Эта разновидность гранита рапакиви называется овоидальным гранитом (по его строению). Разновидность породы, в которой овоиды не покрыты олигоклазовой оболочкой, называется питерлитом, если окаймлённые овоиды преобладают, порода называется выборгитом (Булах и др., 2004). Выходы гранитов рапакиви известны в разных регионах мира. Но только в Финляндии, и не везде, а лишь в пределах Выборгского массива встречаются именно те граниты, которые стали важнейшей составляющей архитектуры Санкт-Петербурга.
Выбор участков для детального исследования аналитическими методами
Материал для исследований собирали в весенне-осенние периоды 2009-2015 гг в Санкт-Петербурге и его пригородах, в городе Выборге и его окрестностях, а также в южной части Финляндии. Обследовали здания, сооружения, архитектурные памятники, экспонирующиеся на открытом воздухе. Особое внимание было уделено историческим памятникам из гранита, как наименее исследованным объектам биологической колонизации в природно-техногенной среде. Для изучения биогенной деструкции каменного материала в природной среде (мало измененной) были обследованы природные обнажения, а также заброшенные карьеры, где добывался природный камень. Кроме того, в изучение были включены образцы каменистых субстратов, привезенные из других регионов, в т.ч. из нескольких районов Антарктиды. Во всех случаях основными критериями выбора объектов исследования служили признаки их биологической колонизации. Особое внимание обращали на развитие поверхностных биопленок с доминированием различных групп организмов (грибов, водорослей, цианобактерий, лишайников).
Санкт-Петербург и пригороды (географическое положение, природно-климатические условия, техногенное загрязнение). Санкт-Петербург – важнейший промышленный, культурный и научный центр России, четвертый по населенности город Европы и самый северный из крупнейших городов мира. Он расположен в западной части Приневской низины, при впадении р. Невы в Финский залив и на островах ее дельты. Климат умеренный континентальный; средняя температура января -70С, средняя температура июля +150С; количество осадков – 850 мм в год. Санкт Петербург характеризуется высоким уровнем техногенной нагрузки на все составляющие природной среды. Качество окружающей среды в городе определяется загрязнением воздушного и водного бассейнов, использованием городских земель, утилизацией отходов производства и потребления, состоянием зеленых насаждений и многими другими факторами. Главной экологической проблемой для Санкт-Петербурга, как и для большинства крупных индустриальных центров, является загрязнение атмосферного воздуха. Характер и величина загрязнения воздуха в Санкт-Петербурге в значительной степени определяются объемом выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от стационарных и передвижных источников (Голубева, 2003).
Одной из наиболее загрязненных территорий города является Центральный район, где располагаются многие всемирно известные памятники культурного наследия, созданные из природного камня. Повышенное содержание загрязняющих веществ обусловлено интенсивностью транспортного движения, а также наличием нескольких крупных промышленных предприятий и ТЭЦ. В целом, уровень загрязнения атмосферного воздуха в Центральном районе оценивается как очень высокий, что сказывается, в частности, на состоянии архитектурных памятников, сосредоточенных в этом районе. Значительная часть скульптурных памятников находится в некрополях Государственного музея городской скульптуры (бывшее Лазаревское кладбище Александро-Невской Лавры). На территории двух некрополей (XVIII века и Мастеров искусств) сосредоточено более тысячи памятников, выполненных из различных горных пород. Памятники некрополей, располагающихся в конце Невского проспекта, рядом с рекой Невой и рекой Монастыркой (рис. 4), подвергаются разрушению, обусловленному неблагоприятной экологической обстановкой, а также влиянием биологического фактора (Власов и др., 2013). На протяжении ряда лет здесь проводятся наблюдения за состоянием окружающей среды, осуществляется мониторинг состояния памятников (Франк-Каменецкая и др., 2008). Основное внимание уделялось памятникам из карбонатных пород (мраморов и известняков), разрушение которых протекает наиболее быстро. Однако и на силикатных породах, таких как гранит, проявляются различные формы разрушения, хотя они изучены гораздо меньше. Вместе с тем, гранит на территории Некрополей представлен очень широко. Он использован для создания элементов памятников, постаментов, ограждений. В основном, это гранит рапакиви. Кроме того, в некрополях представлены и другие типы гранита (кузнеченский, сердобольский).
Биогенное выветривание
Таким образом, практически все виды антропогенного выветривания приводят к ускорению механического и химического разрушения. Натеки и поверхностные образования приводят к созданию среды, способствующей проникновению химических веществ вглубь породы; деформация плит приводит к ускорению в несколько раз процесса механического разрушения (сколы, потери фрагментов); нанесение различных надписей и знаков на поверхность камня портит эстетическую целостность объекта архитектуры. Важно отметить, что описанные формы абиогенного (физико-химического) и антропогенного выветривания часто связаны с биологическим выветриванием, обусловленным развитием живых организмов, оказывающих деструктивное воздействие на каменистый субстрат. Ниже мы уделим особое внимание этому типу разрушения гранитов, поскольку данный вопрос до последнего времени оставался мало исследованным.
Биогенное выветривание, по нашему мнению, должно рассматриваться наравне с абиогенным. Его проявление имеет ряд особенностей и связано с присутствием (развитием) биологических объектов, относящихся к различным таксонам. Сложность в описании форм биологического выветривания обусловлена множественностью обрастаний камня, которые часто довольно сложно разделить. Биопленки или макрообрастания нередко не имеют четких границ. В большинстве случаев в составе деструктивного литобионтного сообщества в конкретных зонах разрушения камня одновременно развиваются сразу несколько биологических объектов. Исходя из этого, в основу нашего подхода было положено описание общей структуры обрастаний с выделением доминирующих видов. По сравнению с предшествующими классификациями форм выветривания камня, где биологические обрастания рассматривались в самой общей форме как один из типов повреждения камня, литобионтные сообщества рассмотрены нами с большей детальностью и классифицированы на ряд типов. Все они входят в единый блок «Биогенное выветривание» в общей схеме выветривания гранита в городской среде (рис. 16). На основании исследований биодеструкции гранита в обнажениях, зданиях, сооружениях и памятниках культурного наследия, нами предложена самостоятельная классификация биологических обрастаний гранита в условиях городской среды (рис. 30). При ее создании были определены основные формы биообрастаний, отличающиеся между собой по внешним признакам и составу биологических объектов. На примере гранита рапакиви нами создан атлас биообрастаний, который в значительной степени применим для характеристики обрастаний других типов камня. Это связано с тем, что биообрастания каменных объектов часто в большей степени определяются условиями, в которых они находятся, а не типом камня. Особое внимание мы уделили описанию и исследованию биопленок. Данный тип обрастаний часто характеризуется авторами как биологические наслоения, налеты, загрязнения, пленки без уточнения состава микроорганизмов, а в основу описания обычно положен лишь цвет и занимаемая площадь поверхности. Такой подход обусловлен методическими трудностями в исследовании биопленок, так как в их состав входят микроорганизмы с различными физиологическими и морфологическими свойствами, для выявления которых требуются разные методы. Вместе с тем, именно биопленки покрывают наибольшую часть открытых поверхностей зданий, сооружений и памятников, созданных из камня, что требует более детального анализа этой формы биообрастаний памятников.
Одной из самых распространенных форм обрастаний на поверхности каменных материалов можно считать биопленки зеленого цвета. В них, как правило, доминируют аэрофильные водоросли. Эти биопленки покрывают гранитные цоколи зданий, набережные, исторические памятники. Они предпочитают места повышенного увлажнения (рис. 31). Результаты микроскопического исследования показали, что в зеленых биопленках на зданиях и сооружениях из силикатных и карбонатных пород в Санкт-Петербурге, Выборге, городах Финляндии практически повсеместно доминирует вид Desmococcus vulgaris (Ng.) Brand (= Pleurococcus vulgaris Ng.), относящийся к отделу Chlorophyta (Зеленые водоросли). Данный вид предпочитает развиваться на твердых субстратах в воздушной среде (субаэрофильный вид) в тенистых и влажных местах, на скалах, коре деревьев, кирпичных кладках, отштукатуренных поверхностях зданий и сооружений (Андреева, 1998). На граните и других типах природного камня в городской среде Desmococcus vulgaris отмечен нами повсеместно. Среди других представителей этого же отдела можно выделить Chlorhormidium flaccidum, известный как аэрофильный и почвенный вид, очень редко встречающийся в воде. Данный вид развивается на влажных наземных субстратах, на влажных скалах, коре деревьев и относится к числу широко распространенных представителей аэрофитона. На поверхности памятников Музейных некрополей зеленые биопленки распределены на гранитах неравномерно. Максимальная концентрация водорослей (наиболее плотный зеленый поверхностный налет) зафиксирована в местах повышенного увлажнения (потеки дождевой воды) и значительного поверхностного загрязнения. В таких местах часто формируются сплошные зеленые биопленки значительной толщины.
Колонизация гранита и слюды микроорганизмами в условиях эксперимента
Образованию кальцита способствуют метаболиты, выделяемые бактериями в жидкую среду. В эксперименте во влажной камере под действием бактерий на поверхности мрамора формируются оксалаты, а кальцит выявлен не был, что связано с продуцированием бактериями щавелевой кислоты (оценка способности бактерий к выделению органических кислот и других метаболитов дана в разделе 4.1.1.4.). Можно предположить, что описанные процессы в природных условиях могут быть взаимосвязаны и зависят не только от абиогенных факторов внешней среды, но и от состава микробного сообщества на поверхности карбонатных пород. Исходя из этого предположения, мы попытались смоделировать ситуацию совместного влияния на мрамор бактерий и микроскопических грибов, которые в природе почти всегда встречаются совместно и составляют основу литобионтных сообществ.
Как показали наши исследования, на поверхности каменных памятников в городской среде наиболее часто встречающиеся ассоциации бактерий и грибов образованы видами родов Bacillus, Aspergillus, Penicillium, Cladosporium и Aureobasidium. Именно эти виды, изолированные с каменистых субстратов, и были использованы нами при постановке модельных экспериментов. Эксперименты проводились как в жидкой среде Чапека-Докса, так и во влажных камерах. При заражении субстрата бактериями Bacillus subtilis использовалась смесь двух штаммов (№ 0.01 и № 0.03). Результаты отражены в таблицах 14 и 15.
Из таблицы 14 видно, что при совместном развитии Bacillus subtilis + Aspergillus niger кристаллы брушита и оксалата кальция образуются на поверхности мрамора уже на 13 сутки с начала эксперимента. При этом их количество незначительно, а развитие биопленки находится на начальной стадии.
По истечении 2-х месяцев поверхность мрамора покрывается биопленкой, состоящих из вегетативных и генеративных структур гриба, а также многочисленных клеток бактерий. В этой биопленке хорошо различимы многочисленные кристаллы оксалата кальция – уэдделлита. При этом мы не наблюдали образование кристаллов кальцита, как это происходило в эксперименте в жидкой питательной среде с чистой культурой Bacillus subtilis. Вероятно, в сочетании Bacillus subtilis + Aspergillus niger процесс взаимодействия микроорганизмов с субстратом в большей степени приводит к его деструкции, что хорошо заметно на СЭМ-изображениях.
В условиях влажной камеры взаимодействие грибов и бактерий также приводит к образованию биопленки на поверхности мрамора (таблица 15), что хорошо проявилось при совместном культивировании бактерий Bacillus subtilis и нескольких видов грибов в разных сочетаниях (продолжительность наблюдений составила 90 дней).
Интересно отметить, что форма кристаллов изменяется в зависимости от состава микроорганизмов, влияющих на камень. Так, в варианте Bacillus subtilis + Aspergillus niger грани призмы больше, чем грани дипирамиды, а размер кристаллов в целом, был больше, чем в эксперименте только с Bacillus subtilis. В то же время в сочетании Bacillus subtilis + Penicillium sp. формировались кристаллы с примерно равными гранями призмы и дипирамиды. Через 3 месяца культивирования Bacillus subtilis + Penicillium sp., кроме отмеченных кристаллов уэдделлита, на поверхности мрамора образуются плотно сцементированные крупные сростки вторичного кальцита. Можно предположить, что их формированию предшествовали дегидратация уэдделлита и рост кристаллов уэвеллита. В результате образовывались структуры прорастания в виде сферолитоподобных сростков, которые затем цементировались в результате отложения вторичного кальцита. В литературе по данной проблеме отмечалось, что некоторые бактерии обладают оксалотрофностью, т.е. способностью разлагать оксалаты кальция и использовать их в качестве источника углерода в своем метаболизме, что может сопровождаться образованием вторичного кальцита.
Подобные явления были описаны в статьях ряда авторов (Verrecchia et al., 2006; Martin et al., 2012). Вероятно, в наших экспериментах мы наблюдали результат следующего процесса: гриб Penicillium sp. за счет выделения щавелевой кислоты способствовал образованию кристаллов оксалата кальция, а бактерии использовали их в качестве источника углерода и преобразовали оксалат в кристаллы вторичного кальцита.
Проведенные эксперименты показывают, что характер кристаллообразования в биопленке на поверхности мрамора зависит от сочетания видов микроорганизмов, а размеры и форма кристаллов определяются, вероятно, комплексным воздействием бактерий и грибов на камень. При этом следует отметить, что сочетание сразу нескольких видов грибов с бактериями приводит к образованию плотной слизистой пленки, покрывающей поверхность мрамора, что может препятствовать процессам вторичной кристаллизации. Правда, нельзя исключить нахождение этих кристаллов под плотной биопленкой. Также вероятно, что при развитии биопленок сложного состава процессы вторичной минерализации могут протекать в течение более продолжительного периода времени, выходящего за пределы продолжительности наших экспериментов.
Оценка способности бактерий Bacillus subtilis к выделению органических кислот и других метаболитов Известно, что способность к выделению органических кислот микроорганизмами является одним из важных факторов биогенной трансформации поверхностного слоя камня (Сазанова, 2014). Если для грибов способность к выделению кислот многократно доказана, то в отношении бактерий рода Bacillus имеются лишь единичные указания на их ацидофицирующую активность (Куис, Маркевич, 2008). Для уточнения кислотообразующей способности бактерий рода Bacillus был проведен специальный эксперимент, в котором бактерии Bacillus subtilis (смесь штаммов № 0.01 и № 0.03) культивировали в жидкой питательной среде с различным содержанием сахарозы (от 1 грамма на литр до 10 граммов на литр) и добавлением или отсутствием мрамора (как источника ионов кальция). Кроме того, был проанализирован состав других метаболитов, выделяемых бактериями во внешнюю среду (таблица 16). Метаболомный анализ подготовленных нами проб проводился на базе лаборатории фитохимии БИН РАН научным сотрудником Сазановой К.В.