Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Структура микробных сообществ, развивающихся на поверхности каменных памятников архитектуры

ВАК РФ 03.00.07, Микробиология

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Сомова, Нина Георгиевна, Москва



Московскйй Государственный Университет им. М.В.Ломоносова

Биологический факультет

На правах рукописи

Сомова Нина Георгиевна

СТРУКТУРА МИКРОБНЫХ СООБЩЕСТВ, РАЗВИВАЮЩИХСЯ НА ПОВЕРХНОСТИ! КАМЕННЫХ ПАМЯТНИКОВ АРХИТЕКТУРЫ

Специальность 03.00.07 - микробиология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научные руководители доктор биологических наук, профессор

Ивановский РЖ кандидат биологических наук

Иетушкова ЮЖ.

Москва -1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................................-5

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ................................................................................................-7

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ..........................................................................................8

1.1 Проблема биоповреждения строительного камня...................................................8

1.2 Состав основных строительных материалов каменных памятников....................9

1.3 Факторы и условия, способствующие биоповреждению строительного камня.. 11

1.4 Камень как среда обитания микроорганизмов.......................................................13

1.5 Микрофлора поверхности разрушающегося строительного камня.....................17

1.5.1 Автотрофные микроорганизмы............................. ..........................................17

1.5.2 Хемоорганотрофные микроорганизмы..........................................................22

1.6 Механизмы биологического повреждения строительного камня........................25

1.6.1 Физико-механическое воздействие микроорганизмов на строительный камень................................................................................................28

1.6.2 Растворяющее действие кислот биологического происхождения...............29

1.6.3 Хелатирующая активность органических кислот, продуцируемых микроорганизмами.....................................................................................................31

1.6.4 Процессы биопотемнения поверхности строительного камня.....................32

1.7 Современные методы исследования биоповреждений камня..............................35

Глава 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.....................................................40

2.1 Строительные материалы и почвы.........................................................................40

2.2 Отбор образцов и предварительная обработка......................................................45

2.3 Микроскопия поверхности и внутренних сколов белого камня....................................46

2.4 Учет микроорганизмов и аналитические методы.............................................................48

2.5 Изучение скорости разрушения известняка в лабораторных экспериментах.............50

2.6 Определение флористического состава водорослей и цианобактерий.............. 52

2.7 Определение культур бактерий и актиномицетов............................................................52

2.8 Определение культур микроскопических грибов.............................................................53

2.9 Статистическая обработка результатов.............................................................................53

Глава 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ......................................................................54

3.1 Оценка микробной заселенности поверхности строительных материалов различной степени разрушенности...................................................................................54

3.2 Таксономический состав водорослей и цианобактерий на поверхности

строительного камня......................................................................................................65

3.3 Таксономический состав актиномицетов на поверхности

строительного камня................................................................................................................-—70

3.4 Гетеротрофный бактериальный компонент сообщества

выветриваемой поверхности строительного камня.....................................................71

3.4.1 Создание коллекции изолятов бактерий и их краткая характеристика.......72

3.4.2 Таксономическая структура сапротрофных бактерий на поверхности строительного камня..........................................................................................................77

3.5 Микромицетные сообщества разрушающегося камня..................... .......................85

3.5.1 Состав микроскопических грибов на поверхности разрушающихся

строительных материалов.................................................................................86

3.5.2. Сравнительный анализ микромицетных сообществ поверхности строительного камня различной степени разрушенности..............................................................89

3.5.3 Микромицеты - типичные обитатели поверхностности белокаменных и кирпичных сооружений Новодевичьего монастыря........................................................95

3.5.4. Эколого-физиологическая характеристика типичных видов микромицетоз разрушающегося известняка.................................................................................97

3.6 Диагностика степени разрушенности камня по показателям микробного комплекса..............................................................................................100

3.7 Биоповреждение известняка в лабораторных условиях.............................105

3.7.1 Биопотемнение известняка в лабораторных условиях.........................105

3.7.2 Кислотообразующая способность микроорганизмов - обитателей строительного камня.............................................................................................110

3.7.3 Интенсивность разрушения известняков различной пористости при инокуляции чистыми культурами микромицетов.................................................112

3.7.4 Оценка функциональной роли различных групп микробного сообщества в разрушении известняка...................................................................................116

ВЫВОДЫ..................................................................................................................120

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...............................................................................122

ПРИЛОЖЕНИЯ.......................................................................................................143

ВВЕДЕНИЕ

Исследования микрофлоры разрушающихся каменных памятников архитектуры имеют давнюю историю, и их актуальность к настоящему времени возросла [Pochon et al., 1949; Исаченко, 1951; Громов, 1963; Воск, Sand, 1993; Caneva et al., 1995; Heits et al., 1996 и др.]. Интенсивность разрушения поверхностей строительных материалов под действием микроорганизмов резко повышается в условиях загрязнения атмосферы окислами азота, серы, летучими органическими веществами, пылевыми частицами [Rossvall, 1986; Saiz-Jimenez, 1993; Rabí, 1999]. Типы и механизмы микробного повреждения каменных строений разнообразны и включают физико-механическое воздействие микроорганизмов и их метаболитов, действие продуцируемых микробами минеральных и органических кислот, приводящее к растворению минералов строительного камня, и потемнение поверхности [Gómez-Alarcon, de la Torre, 1994].

Проводимые ранее микробиологические исследования были направлены на поиск ведущего агента разрушения строительного материала. Наибольшее внимание было уделено литотрофным микроорганизмам, являющимся активными кислотообразователями [Milde et al., 1983; Wolters, 1986; Meincke et al., 1989; Petushkova, Lyalikova, 1993]. Одновременно, в литературе в качестве потенциалььых агентов биоразрушения указываются не только хемолитоавтотрофы, но и фотогрофы [Ortega-Calvo et al., 1995], и гетеротрофные одноклеточные и мицелиальные прокариоты [Bertelin, 1983; Urzi et al., 1991]. Отмечено, что и микроскопические грибы могут принимать активное участие в разрушении каменных памятников архитектуры [Diakumaku et al, 1995, Wollenzien et al.]. Следовательно, объектом исследования должен служить весь микробный комплекс, формирующийся на поверхности строительных материалов. Важно также определить скорость разрушения строительного камня и вклад определенных групп микроорганизмов в этот процесс. Изучение развития микробных ценозов на разных стадиях разрушения строительных материалов, установление типичных обитателей поверхности архитектурных сооружений и выявление возможных связей между характеристиками комплекса и показателями разрушения необходимо для разработки мер защиты против биоповреждений архитектурных сооружений.

Целью работы было изучение структуры микробных сообществ разрушающейся поверхности архитектурных памятников, разработка на ее основе математической модели диагностики степени разрушения строительных материалов и определение интенсивности процесса микробиологического выветривания известняка.

В задачи исследования входило: 1. Выяснение количественных и структурных особенностей микробных комплексов на поверхности каменных памятников архитектуры; 2. Изучение особенности структуры микробных комплексов, развивающихся на поверхности известняка различной степени разрушенности, а также сильно разрушенных штукатурки и красного кирпича. 3. Установление возможных связей между функциональными и таксономическими характеристиками микробной системы и степенью разрушения поверхности памятников на основе методов статистического анализа. 4. Моделирование процессов повреждения известняка. 5. Оценка интенсивности разрушения известняка под действием микроорганизмов в лабораторных экспериментах.

Автор выражает глубокую признательность к.б.н. Куракову A.B.. к.б.н. Добровольской Т.Г., к.б.н. Кожевину П.А., д.б.н. Зеновой Г.М., к.б.н. Седову С.Н., к.б.н. Ь еппен О.И., д.б.н. Андреевой В.М. за консультации и содействие в проведении работ.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

1. ДПП - дерново-подзолисгая почва

2. КОЕ - колониеобразующие единицы

3. КГ А - казеин глицериновый агар

4. КМЦ - карбоксиметилцеллюлоза

5. КПБ - коринеподобные бактерии

6. МКГ - микроколониальные грибы

7. ПДГ -пептонноглюкозо- дрожжевая среда

8. ПДК - предельно допустимая концентрация

9. СОБ - сероокисляющие бактерии

10.ФДА - флуоресцеина диацетат 11 .ФЛ - фосфолипиды

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Проблема биоповреждения строительного камня

Разрушение минералов, органических материалов, металлов и пластмасс в значительной степени зависит от деятельности микроорганизмов, способствующих активизации коррозионных процессов [Heits et al., 1996]. Проблема заселения микроорганизмами поверхности каменных сооружений связана с экономическими потерями, так как «колонизованный субстрат изменяет свои свойства в нежелательную сторону » и возможна утрата исторических и культурных памятников. В этом случае микроорганизмы рассматриваются в качестве агентов повреждения [Hueck-van der Pías, 1965]. Характер разрушения каменных строительных материалов может быть различным, но наиболее распространенные типы одинаковы для самых разнообразных районов Земли [Bourcart et al., Berthelier, 1949 - цит. по Громов, 1959; Caneva et al, 1995]. Классифицируя процессы биодеградации каменных строительных материалов, обычно выделяют биопотемнение (функциональную биодеградацию) и собственно биокоррозию, подразделяемую на три основные группы: 1) микрокоррозию, 2) мезокоррозию и 3) макрокоррозию [Krumbein et al., 1990; Gomez-Alarcon, de la Torre, 1994]. Микрокоррозии соответствуют нарушения, наблюдаемые только с помощью сканирующего электронного микроскопа. Это микроуглубления, вызванные отдельными клетками, трихомами или мицелием грибов; их диаметр обычно больше глубины (0,5-3 мкм х сотни мкм). Мезокоррозия чаще всего проявляется в виде углублений, оставленных плодовыми телами эндолитических лишайников, а также цианобактериями и/или водорослями; образующиеся небольшие карманы в результате дальнейшей биокоррозии или химического выветривания приобретают форму полуэллипсоидов или линзообразных каверн; этот тип коррозии может также вызываться мицелием микромицетов. Макрокоррозия - это типичные углубления и трещины, которые отчетливо видны на поверхности камня. Модель образования углублений включает явление "слияния" нескольких углублений, при этом важную роль играет рисунок трещин [Krumbein et al., 1990].

Проблема биопотемнения касается в первую очередь изменения цветовой гаммы поверхности большинства мраморов итальянской архитектуры и скульптуры,

добытых из каменоломен более 2000 лет назад, внешних и внутренних сген белокаменных сооружений древней русской архитектуры. Это выражается в образовании поверхностных корок и налетов. Потемнение поверхности ранее связывали с накоплением пыли и сажевых частиц. Однако в дальнейшем было показано, что основную роль в процессе цветовой трансформации мраморов и плотных известняков играют пигменты биологического происхождения. При этом в ¡слад частиц из воздуха в данный процесс составляет менее 1% [КгитЬет, Ига, 1991].

Обобщая источники по вопросам общей зависимости биоповреждения строительного камня от различных факторов, можно представить основные факторы, механизмы и процессы [Таблица 1]. В литературе выявляются следующие устойчивые компоненты процессов биоповреждений строительного камня: материалы, факторы, механизмы микробного воздействия на материал и признаки биодеградацки, что обобщенно представлено в таблице 1.

В соответствии с общей характеристикой биологической деградации строительных материалов при изучении литературных источников были выделены три основные направления: 1) исследования влияния факторов и условий, в том числе условий влажности, температуры, времени, состава атмосферы и материалов [1.3; 1.4]; 2) исследования микробных сообществ на поверхности камня и механизмов биодеградации [1.5; 1.6]; 3) современные исследования биоповреждения камня [1.7].

1.2 Состав основных строительных материалов каменных памятников.

Натуральный строительный камень главным образом состоит из известняка или песчаника. Известняк - вторичная горная порода, состоящая из карбоната кальция. Известняк (СаСОз), также доломит (М^ СОз х СаСОз), характеризуются более высокой растворимостью, чем другие породы. Наименее растворим мрамор -метаморфизированный известняк. Такие силикатные минералы, как биотит, полевой ыпат и амфибол, являются компонентами гранита, песчаника и других горных пород, которые также используются в качестве строительных материалов. Песчаники содержат частицы различных минералов и пород, скрепленных вместе

Таблица 1. Систематизация объектов изучения биоповреждения строительного камня

Материалы (пористость, минеральный состав) Факторы Механизмы Процессы б ио поврежде н, и я

абиотические биотические первичные механизмы вторичные механизмы

Известняк Свет Развитие Растворение Образование Образование углублений,

песчаник степень микробных минералов оксалатовых каверн, трещин; ослабление

базальт, увлажнения сообществ выщелачивани патин с прочности камня;

гранодиорит (постоянное, е катионов накоплением появление темных, черно-

гранити др. временное) под действием устойчивых коричневых, зеленых.

температура минеральных комплексов; оранжевых пятен

контакт с и трансформация

почвой органических металлов

газовый кислот

состав комплексообр

атмосферы азование

(С02; 802;

органические

молекулы)

состав

грунтовых вод

время

о

глиной, известью и другими веществами, т.е. это цементированный песок, обычно кварц. В песчанике преобладают такие минералы как 8102, АЬОз, СаО, РеО. Большинство песчаников высоко пористы и поэтому обладают большой влагоудерживающей способностью. Кирпич представляет собой обожженную глину, которая состоит главным образом из алюмосиликатов. Как правило, поверхность каменной или кирпичной кладки под росписями покрыта слоем штукатурки, толщина которой варьирует от нескольких миллиметров (если штукатурка кладется на обработанный, обтесанный камень) до нескольких сантиметров (грубая обработка камня). Штукатурка изготовляется из песка, воды и способных к разбуханию гипса или извести. Белый камень, цемянка и речной песок являются наполнителями для приготовления известковой или известково-цемяночной штукатурки. Все эти материалы очень пористы и называются активными.

1.3 Факторы и условия, способствующие биологическому повреждению

строительного камня

Факторы и условия, приводящие к разрушению распространенных строительных материалов в составе архитектурных памятников - таких как известняки, штукатурка, кирпич, песчаники, мраморы - в целом сходны.

Условия влажности и температуры. Пористость строительных материалов определяет поглощение влаги, которая передвигается по капиллярам и испаряется с поверхности. При этом, чем более порист материал, тем быстрее начинается разрушение. Чем крупнее поры, тем больше они удерживают влаги и органической пыли, которые являются необходимыми условиями для роста микроорганизмов, В естественных условиях выветривание воздействует по трещинам спайности зерен минералов, а не на поверхность зерен [Громов, 1959]. Обычно на определенном уровне над источником постоянного увлажнения каменной или кирпичной кладки образуются зоны, в которых материал на некоторой глубине под поверхностью совершенно теряет прочность и превращается в порошок. Поверхностный слой при згом сохраняет прочность, но, потеряв связь с основой, постепенно отпадает. Разрушившийся слой смывается и под обнажившейся поверхностью процесс начинается сначала. На поверхности разрушающегося материала, в местах, защищенных от действия дождя, постепенно скапливаются растворимые соли,

образуя здесь характерные белые патины. Если источником увлажнения являются грунтовые воды, разрушения происходят, как правило, на высоте нескольких метров над фундаментом. В этом случае высота, на которой происходит разрушение, зависит о г климатических условий и свойств грунта. Скорость разрушений также различна [Громов, 1959]. Наличие влаги необходимо для возникновения разрушений, но сама по себе вода не являетс�