Проблемы возникновения биоповреждений городских сооружений и памятников архитектуры при нарушении экологического равновесия урбанизированных территорий

В настоящее время интенсивность и разнообразие отрицательных воздействий на окружающую среду при нарушении экологического равновесия во многом уже превысили темпы адаптации и устойчивость природных систем. Результатом этого стали критические ситуации в техносфере городов, обусловленные процессом деградации природной среды.

В связи с бурным развитием промышленности резко возросли размеры коррозионных повреждений металлических и неметаллических конструкций и сооружений. Ежегодно в результате коррозии промышленность теряет сотни тысяч тонн металла. Коррозионным разрушениям подвержены подземные, наземные и подводные сооружения (газопроводы, нефтепроводы, бензобаки, тепловоды, кабели, емкости для хранения топлива, насосные трубы, корпуса судов, оградительные морские сооружения и др.).

Кроме того, в последние годы расширилась география биоповреждений, которая в настоящее время уже охватывает водную, наземную и воздушную среду, большую часть биосферы. Биоповреждение - ухудшение внешнего вида, снижение прочности под воздействием биологических агентов. Практически всюду, где встречаются живые организмы, имеется потенциальная опасность биоповреждающего действия для внесенных туда материалов и изделий или имеющегося там сырья. Эта потенциальная опасность сплошь и рядом становится реальной, заставляя человека все серьезней относиться к такому повреждающему фактору, каким являются живые организмы.

Общий ущерб от биоповреждений в настоящее время уже достигает сотен миллиардов долларов в год, быстро увеличиваясь с ростом промышленности, расширением сельскохозяйственных угодий, интенсивным градостроительством, освоением новых необжитых территорий.

Защита от биоповреждений представляет собой глобальную научно-практическую проблему. Значительные потери человечество несет из-за разрушения памятников культуры, книг, произведений искусства и др. низшими грибами, вызывающими плесень. Убытки от биоповреждений достигают колоссальных размеров, составляя более 7 % от общей стоимости промышленной продукции в мировом масштабе. Проблема биокоррозии является действительно важной задачей для специалистов. Этому явлению могут быть подвержены конструкции из дерева, камня, бетона, кирпича и других материалов.

В настоящее время отечественные и зарубежные исследователи подчеркивают, что биоповреждения представляют собой эколого-технологическую проблему. Она является комплексной в научном плане и многоотраслевой — в практическом, т.к. базируется на законах биологии и химии, материаловедческих и природоведческих дисциплинах. Рациональная борьба с биоповреждениями немыслима без изучения экологии микроорганизмов, особенностей их существования, а также без знаний физико-химических свойств материалов и условий эксплуатации сооружений, без понимания вопросов природопользования и необходимости защиты природы от загрязнений. За несколько миллиардов лет эволюции жизни на земле микроорганизмы получили способность быстрой адаптации к изменяющимся условиям их обитания и источникам питания. Только этим можно объяснить активность ряда микроорганизмов в отношении созданных человеком конструкций, сооружений, зданий, приводящую к разрушению последних.

Практически все строительные материалы и конструкции повреждаются биологически активными средами. Наиболее уязвимы при воздействии органогенных сред материалы, имеющие капиллярно-пористое строение, что облегчает проникновение микроорганизмов и агрессивных продуктов их жизнедеятельности вглубь материала. Например, виновниками биоповреждений цементных бетонов являются микроскопические грибы, авто- и гетеротрофные бактерии, автотрофные микроскопические водоросли. Наиболее активные биодеструкторы вызывают не только плесневение, окрашивание и обрастание бетонных поверхностей, но и существенное ухудшение физико-технических свойств изделий, вплоть до разрушения. Причиной биоповреждений являются три основных процесса биодеградации: диссимиляционный (взаимодействие бетона с агрессивными метаболитами - кислотами и ферментами), механический (внедрение в материал гиф грибов и сверлящих водорослей), ассимиляционный (компоненты бетона являются для микроорганизмов источником питания).

Наиболее широко распространенными возбудителями биоповреждений различных материалов, изделий, сооружений и др. являются микроорганизмы и, прежде всего, низшие плесневые грибы (микромицеты). А воздействие грибков и бактерий на человеческий организм порой приводит к весьма серьезным заболеваниям. Способностью разрушать стройматериалы обладают микроорганизмы, содержащиеся в дрожжах, водорослях, различного рода слизях. Не менее разрушительная роль в строении природного камня принадлежит другой группе автотрофов - бактериям, окисляющим соединения серы. Именно они замечены в поврежденных каменных сооружениях Польши, в исторических памятниках Парижа и Камбоджи, дворца Старого Петергофа, Исаакиевского собора. Серьезные повреждения природного и искусственного камня могут вызывать также плесневые грибы. В отличие от бактерий они не способны к самостоятельному синтезу органических веществ и существуют за счет готовых форм этих соединений, поэтому грибы обычно встречаются на загрязненных поверхностях камня или при наличии в нем органических веществ. Причину разрушения камня грибами многие исследователи видят в выделении ими органических кислот. По имеющимся данным, такие кислоты, как лимонная и щавелевая, могут накапливаться грибами в большом количестве (до 10 процентов).

Сегодня в городской системе стали частыми случаи «экологического бедствия» (экологического кризиса) на исторических территориях, где сосредоточены недвижимые памятники истории и культуры. Часто приходится наблюдать интенсификацию коррозионных разрушений материала памятника, которая, безусловно, связана с химическим загрязнением городской среды, но при этом нельзя не учитывать, что её скорость будет определяться изменением механизмов биоповреждений памятника на территориях с нарушенным экологическим равновесием. На них «пионерные» виды микроорганизмов занимают всё экологическое пространство и определяют механизм повреждения материала памятника.

Одними из наиболее часто встречающихся в современной практике эксплуатации зданий стали повреждения, связанные с жизнедеятельностью различных патогенных микроорганизмов. По мнению специалистов, до 40% повреждений имеют биохимическое происхождение.

В условиях городской среды биохимическая коррозия приводит к повреждению как наружных, так и внутренних стен и других частей зданий. Этому в значительной степени способствует загрязнение окружающей среды и деградация экосистемы города в целом и, прежде всего, почвенной экосистемы, что и способствует активизации и изменению механизма действия микроорганизмов. Значительное влияние на состояние геологической среды, по данным исследований, проведенных в институте литосферы Российской Академии наук, оказывают обитающие в грунтах и подземных водах микроорганизмы. Основным условием жизнедеятельности микроорганизмов является наличие в окружающей среде источников углерода, а также доноров и акцепторов электронов для проведения окислительно-восстановительных реакций, которые служат для них источником энергии.

На территории России имеют значение две разновидности грибов – дрожжеподобные и плесневые. Все они являются почвенными и именно из нее попадают в здания. В толще материалов и на их поверхности плесневые грибы образуют гигантские колонии, в которых живут, размножаются и умирают. На поверхности колоний споры грибов очень слабо укреплены на выростах грибницы. Достаточно малейшего движения воздуха, чтобы спора отделилась от своего основания и понеслась на неопределенно далекое расстояние, увлекаемая потоком воздуха. Так, восходящими воздушными потоками споры грибов поднимаются из подвалов и с первых этажей практически на все остальные этажи здания. В местах горизонтальных перекрытий ламинарные потоки воздуха превращаются в турбулентные. В завихрениях происходит снижение скорости движения воздуха, и взвешенные в нем частицы, в том числе и споры грибов, теряют скорость и оседают на плоские поверхности: лестничные площадки, карнизы, подоконники и пр. Горизонтальные потоки воздуха, а также сами жители домов, переносят пыль вместе со спорами грибов – компонентами этой пыли – непосредственно в жилища. Все сказанное относится преимущественно к плесневым грибам.

В современных городах сложились условия, вызывающие трансформацию естественного микробиоценоза (совокупности микроорганизмов) среды. Виновником этого является само население городов.

Органический мусор – остатки пищи, прошлогодняя полусгнившая листва зеленых насаждений, пролитые из неисправных двигателей автомобилей масла – все это смешивается с оголенной почвой, освобождающейся каждый год из-под неквалифицированно положенного на землю асфальта, и становится питательной средой для плесневых грибов. Городская пыль – это сложнейший еще мало изученный конгломерат органических и неорганических продуктов, несущий с собой рукотворные токсические вещества и миллиарды клеток патогенных и условно патогенных микробов. Среди них плесневые грибы с каждым годом занимают все большее место. Это показано целым рядом исследований в России и за ее пределами. Это подтверждается и тем, что количество только больничных плесневых микозов каждый год увеличивается на 5-7%, а общее количество микозов, как показано на ряде стран Европы и Азии, каждые 10 лет удваивается. Споры плесневых грибов величиной менее 5 микрометров в диаметре могут проникать через самые узкие бронхи глубоко в легкие. Находясь в воздухе в составе так называемой “витающей”, неседиментирующей, пыли, они всегда являются частью аэрозоля, которым дышит городской человек.

При недостаточной гидроизоляции или ее полном отсутствии почвенные воды по капиллярным системам строительных материалов поднимаются из фундамента в стены зданий. Они несут с собой соли и сложные органические вещества, служащие питательной средой для почвенных микробов, которые тоже поднимаются до первых этажей зданий и там образуют колонии в толще стен и на их поверхности. Продукты жизнедеятельности микробов изменяют среду в материалах, приводя к изменению их прочностных характеристик. Таким образом, в современном жилище могут концентрироваться непосредственно почвенные микроорганизмы (грибы, бактерии, водоросли) и микробы городской пыли. Следовательно, жилище, вместо защиты жителя города, может стать аккумулятором возбудителей инфекционных заболеваний, а значит и причиной их возникновения.

В результате развития микроорганизмов в условиях интенсивного загрязнения геологической среды возникают неблагоприятные ситуации. Ярким примером негативного антропогенного воздействия служат свалки. При аэробном разложении внутри свалок накапливаются растворенные органические кислоты и окислы. Просачивающиеся через свалки поверхностные воды приобретают агрессивность из-за подкисления этими соединениями и могут растворять карбонатные породы, вызывая коррозию подземных сооружений. В случае плохой аэрации идет активное выделение таких газов как аммиак, сероводород, метан. Высокие концентрации аммиака способствуют бурному развитию нитрификаторов (группа микроорганизмов, способных получать энергию для жизнедеятельности за счет окисления неорганических соединений азота), и, следовательно, для которых реакция окисления аммиака в азотную кислоту является единственным источником энергии. Эта группа микроорганизмов способна интенсивно разрушать стены и фундаменты зданий вблизи свалок. Повышенное выделение сероводорода губительно сказывается на живых организмах и усиливает коррозию металлов. При этом наблюдается подщелачивание среды бактериями, что может привести к изменению состава грунтовых вод. Если внутри свалки накапливается в избытке метан, то, распространяясь в прилегающих почвах, грунтах и водах, этот газ угнетает растительность за счет массового развития метилотрофов (потребляющих производные метана), резко снижающих концентрацию кислорода в среде, идущего на окисление метана. В близлежащих грунтах продукты жизнедеятельности активизировавшихся организмов — слизи, газы, поверхностно-активные вещества — способны изменять свойства грунтов, вызывая, например, такое явление как плывуны, насыщенные водой грунты, способные растекаться и оплывать.

В крупных промышленных городах, кроме органики, самым мощным загрязнителем являются соединения серы, которые входят в состав выбросов почти всех предприятий. Попадая в почвы, грунты, воду, атмосферу, эти соединения вовлекаются в цикл превращений в аэробном и анаэробном блоках микробной системы. В анаэробной зоне образующийся сероводород вызывает коррозию металлов, образуя сульфиды. В аэробной зоне развиваются тионовые бактерии, способные получать энергию за счёт окисления восстановленных соединений серы и вызывающие сернокислотное выветривание горных пород, кислотную коррозию металлических сооружений и строительных материалов, растворение карбонатных пород. Серная кислота способствует замещению карбонатных пород на гипс, имеющий больший объем, что может привести к растрескиванию мраморных плит и других подобных материалов.

Среди памятников архитектуры Москвы и Московской области наиболее сильные биоповреждения наблюдались у белокаменных зданий, то есть выполненных из материалов с повышенной пористостью и гидрофильностью. Первые упоминания о возможном участии бактерий в коррозии бетона относятся к 1901 году. При обследовании бетонного водопроводного канала в поверхностном слое поврежденного бетона были обнаружены нитрифицирующие бактерии. В дальнейшем исследователи связывали разрушения каменных и бетонных сооружений (Шолар-Бакинский бетонный водопровод, стены Вестминстерского аббатства, бетонные трубы люберецких полей фильтрации, плотина СвирьГЭС) с активной деятельностью микроорганизмов, в том числе бактерий, окисляющих серу.

На территории г. Москвы при проведении микробиологического обследования отдельных корродированных участков трубопроводов теплосети и прилегающих к ним прогреваемых грунтов были выделены бактерии цикла серы, преимущественно термофилы, т.е. нормально существующие и размножающиеся при температуре выше 45 °C (гибельной для большинства живых существ). Среди выделенных бактерий обнаружены организмы, которые ранее выделялись только из морской подводной сольфатары (выходы горячих с температурой 90 - 300°C вулканических газов).

Таким образом, при антропогенном воздействии такие экстремальные условия для развития необычных форм создаются и в условиях города.

Сохранность городских строений, архитектурных памятников, качество реставрационных работ на территориях, лишенных природной среды, будут, прежде всего, зависеть от умения оценивать отклонения экосистемных параметров от нормального развития экосистемы охранной зоны памятника. В таких ситуациях подобный подход позволит правильно прогнозировать последствия создавшейся критической ситуации в экосистеме и правильно определить механизм биоповреждения материала памятника. В табл. 1 приведена классификация тяжести биоповреждения сооружений.

На территориях с нарушенным экологическим равновесием меняется механизм разрушений. Не зная его, невозможно эффективно выбрать способы защиты конструкций зданий от заселения микроорганизмами (бактериями, грибами и т.д.), обеспечить антикоррозионную защиту и экологическую безопасность среды внутри помещений в зданиях с зафиксированными случаями биоповреждений. Для прогнозирования и комплексного учета влияния микробиотических сообществ на кинетику разрушения строительных конструкций следует учитывать ряд потенциальных причин, связанных со спецификой жизнедеятельности микроорганизмов в различных средах. Динамика же разрушения, в зависимости от изменения абиотических условий окружающей среды, будет зависеть еще и от вида бактерий, грибов и продуктов их метаболизма.

Ста-дия	Проявления (характерные признаки)
видимые	невидимые
	Локальные изменения в поверхностном слое (отдельные небольшие очаги пигментации, поверхностные шелушения), площадь повреждений до 10 мм	Появление в микроструктуре микроводорослей и бактерий. Возможны следы новообразований (сотые доли процента)
2а	Мокрые пятна, видимая кромка капиллярного увлажнения, зеленый налет и локально расположенные темные пятна размером не более нескольких мм, как правило, заселенные сухопутными водорослями или темного цвета микролишайниками	Появление в микроструктуре отдельных бактериальных колоний, возможно наличие единичных гифов грибов
2б	Появление на фасадных поверхностях налета зеленого и серого цвета в местах постоянного увлажнения слизистых пленок	Для стадии 26 явные следы новообразований (от десятых долей до одного процента)
3а	Зарастание лишайниками, мхами. Появление признака слегка заметной шероховатости открытых поверхностей. Возможны белые солевые налеты, прочно сцементированные с материалом	Преобладание биотических структур сообществ мхов и лишайников, наличие колоний бактерий. Перекристаллизация кальцита в рамках углекислотного равновесного процесса. Количество новообразований не более 1%
3б	Концентрация налета от серого цвета до черного. Появление на фасадных поверхностях визуально легко определяемых контуров и площадей с наличием желто-серых масляно-влажных пятен. На соседних участках возможны высолы, легко удаляемые с поверхности, и вздутия. Интенсифицируется процесс отшелушивания наиболее плотных поверхностных слоев. Внутри помещений — интенсивное зарастание влажных участков плесневыми грибами и колониями бактерий. Микроорганизмы присутствуют на площадях от десятков см до нескольких метров	Преобладание на поверхности гетеротрофных грибов и гифов внутри камня. Накапливание в поверхностных слоях кристаллогидратов и веществ, обладающих повышенной гигроскопичностью. На поврежденных участках под поверхностной коркой присутствуют новообразования с преобладанием сульфатов натрия, калия и кальция (сульфатизация свыше 5%)
4а	Отслоение поверхностных корок («патины») в случае нарушения баланса увлажнения в наружных ограждающих конструкциях. Локальные выкрашивания в лицевом слое материала. Нарушение связности отделочных материалов. Появление на горизонтальных поверхностях и в трещинах растительности	Новообразования при перекристаллизации кальцита в поверхностных слоях. Присутствие в материале метастабильных соединений магния и железа
4б	Растрескивание, отслоение штукатурных слоев. Скалывание, расслоение конструкционных материалов. Полное разрушение связующего кладочного и шовного растворов. Бурный рост культуры грибов или бактерий даже при незначительном нарушении тепловлажностного режима в помещениях	Необратимые изменения фазового состава. Большое содержание загрязнителей — сульфатов, соединений натрия, новообразований, возникших при растворении основных минералов материала (сульфатизация свыше 15%). Частое присутствие хлорида натрия на испаряющих поверхностях конструкций и в объеме материала

Все виды микроорганизмов, наиболее часто участвующих в процессах коррозии строительных материалов, специалисты разделяют на три основные группы.

• К первой группе относят зеленые водоросли, цианобактерии (сине-зеленые водоросли). Энергию и углерод для построения собственного организма, подобно растению, они получают при фотосинтезе с участием солнечной энергии и оксида углерода воздуха.

• Ко второй группе относят многие виды бактерий и грибы, которые являются минерализаторами органического материала.

• Третья группа включает специальные анаэробные группы бактерий, то есть те, которые действуют при отсутствии кислорода воздуха.

При обследовании биоповреждений материалов необходима идентификация этих групп микроорганизмов и изучение механизма их воздействия на городские сооружения и архитектурные памятники.

Причинами заселения строительных материалов микроорганизмами является возможность удовлетворения их пищевых и энергетических потребностей. Характер заселения определяется, в значительной степени, как условиями окружающей среды (абиотическими факторами — влажностью, температурой и т.д.), так и химическим составом материала.

Наряду с питательной средой и источниками энергии большинству микроорганизмов необходима высокая влажность. Некоторые микроорганизмы могут значительное время обходиться и без влаги и даже сами производить воду, но для роста колонии этого обычно бывает недостаточно.

В экосистеме с ненарушенным равновесием заселение материала памятника происходит фототрофными (фотосинтезирующими) микроорганизмами, к которым относятся водоросли, синие водоросли (цианобактерии), мхи и лишайники. Воздействие колоний этих микроорганизмов на строительный материал оценивается различными специалистами неоднозначно. Некоторые из них придерживаются мнения, что повреждающее влияние на конструкцию при ее зарастании водорослями связано с постоянной повышенной влажностью. Другие специалисты считают, что наличие фототрофных микроорганизмов не способствует заметному выветриванию породы, а водоросли и лишайники даже затрудняют заселение материала опасными бактериями и грибами.

Таким образом, заселение материалов различными микроорганизмами обуславливается, прежде всего, экологическими факторами окружающей среды. При этом микроорганизмы образуют собственный, достаточно устойчивый микоценоз (грибной ценоз). Многие из подобных микоценозов оказывают на материал сложное комплексное воздействие. Оно может явиться основной причиной коррозии материалов или способствовать ускорению коррозионных процессов, причиной которых являются значительные нарушения в экосистеме вблизи памятника.

Основные факторы окружающей среды и зависимость от них тех или иных обуславливающих коррозию материала микроорганизмов приведены в табл. 2.

Присутствие всех перечисленных условий является возможной причиной заселения памятника соответствующей группой микроорганизмов. Кроме того, необходимо учитывать экологические эффекты примененных средств борьбы с уже имеющимся заражением материала. Поэтому с позиций экологии желательны оценка устойчивости самих материалов для строительства к биологическим воздействиям и оценка возможных воздействий на окружающую среду средств борьбы с биокоррозией. Необходимо учитывать взаимосвязь процессов жизнедеятельности микробиоты и возможных их воздействий на материалы, которые могут быть или питательным субстратом, или источником энергии, или и тем, и другим одновременно.

Итак, можно достаточно точно констатировать, что для территорий с нарушенным экологическим равновесием, характерным для городов с населением более 1 млн чел., процесс повреждения, в частности, архитектурных памятников связан с биотическими факторами и ими контролируется.

Экологические предпосылки микробиотического заселения строительных материалов представляют определенный интерес не только с точки зрения характеристик окружающей среды, но и с позиции оценки самих материалов. В связи с этим актуальной задачей является анализ характерных биоповреждений строительных материалов и конструкций, определение условий роста микроорганизмов, разработка эффективных способов борьбы с биокоррозионными процессами и системы предупреждающих мероприятий. Профилактика микробиотического загрязнения памятников архитектуры может заключаться в управлении и корректировке тех или иных условий жизнедеятельности микроорганизмов.