с 01.01.2023 по 01.01.2024
Саранск, Россия
УДК 620.193.82 Коррозия, вызываемая грибками
УДК 620.193.81 Коррозия, вызываемая бактериями
Биологическая коррозия представляет собой один из ключевых факторов, существенно снижающий надежность и долговечность строительных материалов, изделий и конструкций. Экспериментально подтверждено, для повышения устойчивости материалов к биодеструкции рекомендуется реализация двух взаимодополняющих технологических решений: инкорпорирование биологически активных веществ в состав материла на этапе производства и постпроизводственная обработка поверхностей биопрепаратами, формирующими защитный барьер против микробиологического воздействия. Объектом научного исследования служит композитный материал на основе сухой цементной штукатурной смеси, в состав которой интегрированы специализированные антисептические агенты («Санатекс. Универсал», «Антиплесень. Лакра» и «DALI® Универсальный антисептик»), обеспечивающие защиту от биоповреждений. В рамках исследования поставлена цель – установить таксономический профиль микробных сообществ, формирующихся на поверхности цементных композитов с различными антисептическими добавками и провести сравнительный анализ биоцидной активности исследуемых модифицирующих компонентов. Модификация разработанных композиций проводилась двумя методами. В первом случае антисептическая добавка вводилась непосредственно в приготовляемую композицию, которая состояла из сухой штукатурной смеси и воды, а во втором затвердевшие бездобавочные образцы пропитывались антисептическим препаратом. Исследуемые цементные композиты были выдержаны 1 год в грунтовых условиях. С помощью микробиологических исследований идентифицирован видовой состав потенциальных биодеструкторов преобладающих на поверхности материалов. Определена микробиологическая эффективность используемых антисептических добавок. Выявлено, что при обоих методах получения образцов защитных цементных покрытий лучшие результаты были получены с биоцидным препаратом «Санатекс. Универсал», при котором наблюдалось наименьшее количество микроорганизмов, заселившихся и развивающихся на разработанных материалах.
цементные композиты, антисептические добавки, бактерии, плесневые грибы, биостойкость
Введение. Цементные композиты – одни из наиболее широко используемых строительных материалов с многовековой историей применения. Конструкции на их основе считаются неразрушимыми за счёт более длительного жизненного цикла в сравнении с другими строительными изделиями, но их долговечность может быть снижена по ряду причин, таких как низкое качество проектирования и строительства, а также неблагоприятные условия эксплуатации [1, 2].
Многие архитектурные и строительные конструкции зданий подвергаются биодеградации при контакте с почвой, водой, сточными водами, а также сельскохозяйственной продукцией и отходами. Биодеструкция – это отрицательные изменения в материале, вызванные живыми организмами. Они образуют специфические сообщества, которые по-разному взаимодействуют с минеральными материалами и внешней средой. Это сложное явление происходит в сочетании со многими физическими и химическими деструктивными процессами. Таким образом, трудно отличить степень ущерба, вызванного биотическими факторами, от ущерба, вызванного абиотическими [3].
Грунт является ключевым источником биодеструкторов, поскольку его формирование и существование тесно связаны с деятельностью живых организмов, активность которых напрямую влияет на процессы биокоррозии, особенно в углублённых и наземных инженерных сооружениях, таких как фундаменты, стены зданий, портовые и морские сооружения, мосты, резервуары, трубопроводы, градирни, элеваторы [4].
Интенсивный рост микроорганизмов является причиной накопления агрессивных биогенных веществ на различных конструкциях и строительных материалах, включая цементные композиты.
Локализация микроорганизмов может быть, как на поверхностях, так и внутри строительных материалов. Симбиоз микроорганизмов с материалом и внешней средой приводит к стимулированию процессов биологической коррозии в нём [3]. В процессах биоповреждения могут участвовать микроорганизмы всех основных таксономических групп, включая бактерии, грибы, дрожжи, водоросли и лишайники. При этом данные микроорганизмы могут реализовывать своё деструктивное воздействие изолированно и в рамках синергетических взаимодействий. Метаболическая деятельность микроорганизмов приводит к выделению в окружающую среду минеральных и органических кислот и других агрессивных реагентов (ферментов) [5, 6].
Основными причинами возникновения биокоррозии строительных материалов, изделий и конструкций являются три процесса: механический (деструкция материала вследствие прорастания спор и гифов), ассимиляционный (разрушение материала за счёт использования микроорганизмами компонентов цементной матрицы в качестве источников питательных веществ и энергии), диссимиляционный (растворение компонентов цементного камня в результате взаимодействия вяжущего вещества с агрессивными продуктами жизнедеятельности микроорганизмов) [1, 7]. Данные процессы часто действуют совместно, усугубляя негативные последствия друг друга. Механическое повреждение создаёт дополнительные пути проникновения жидкостей и газов, что усиливает химическое и бактериальное воздействие. Ассимиляция компонентов цементной матрицы также способствует образованию пустот и каналов, облегчающих доступ влаги и микроорганизмов к внутренним слоям материала.
Важно знать, механизмы биодеградации материалов, поскольку это позволяет повысить эксплуатационную надёжность зданий и сооружений при воздействии на них биологически агрессивных сред. Биологическая коррозия включает три стадии: заселение и прикрепление (адсорбция) к поверхности материалов, формирование колоний микроорганизмов и аккумуляция метаболитов, совместного воздействия микробов-деструкторов и условий внешней среды (высокой влажности, температурных колебаний, наличия агрессивных химических реагентов) [8–10]. Кинетика биокоррозионого разрушения материала находится в прямой зависимости от совокупности следующих взаимосвязанных факторов: специфики структурной организации и химического состава используемых материалов, технологических параметров производственного цикла, уровня физического износа, наличия органических загрязняющих агентов, наличия биозащитных добавок, модифицирующих устойчивость материала [11, 12].
С точки зрения экономической эффективности и ресурсозатрат, привентивные меры по предотвращению биологической коррозии существенно превосходят мероприятия по устранению уже возникших повреждений. Для эффективной защиты строительных материалов от биоповреждений необходимо применение многоуровневой системы профилактических мероприятий.
Выбор методов и средств защиты материалов осуществляется на основе анализа трёх ключевых параметров: физико-химических характеристик защищаемого объекта, видового состава потенциально опасных микроорганизмов-деструкторов и специфических условий эксплуатации строительных конструкций, что позволяет существенно увеличить долговечность и надёжность строительных конструкций, минимизируя риски биокоррозионных поражений. Профилактика биокоррозии цементных композиций эффективно реализуется путём создания физического барьера между материалом и агрессивной средой. Данный подход предполагает нанесение на поверхность композитов биостойких покрытий – штукатурных смесей, лакокрасочных составов, либо выполнение облицовки плиткой, что препятствует непосредственному контакту микроорганизмов с материалом [13–15].
На современном рынке как в России, так и за рубежом представлено множество типов биоцидных препаратов (антисептические добавки, фунгициды, альгициды, микробиоцидные добавки), различающихся по принципу действия, сфере применения [16–18]. Выбор конкретно типа биоцида должен основываться на особенностях объекта, климатических условиях региона, характеристик самого материала и ожидаемых нагрузках на конструкцию [16]. Важно учитывать совместимость препаратов с материалами, экологичность используемых средств и соблюдение санитарных норм.
С позиции строительной биотехнологии, оптимизация защиты цементных композитов от биокоррозии предполагает тщательный отбор биоцидных агентов на основе их спектра действия, токсикологических характеристик и совместимости с матрицей материала, а также строгое соблюдение технологических параметров применения (концентрация, метод введения, условия отверждения). Реализация данной стратегия позволяет достичь: значительного повышения биостойкости цементных материалов за счет ингибирования роста и метаболизма микроорганизмов; увеличения эксплуатационного ресурса конструкций благодаря предотвращению биодеструкции; снижения совокупных затрат на содержание объектов благодаря сокращению частоты ремонтных работ и продления межремонтных периодов.
Цель работы заключалась в определении таксономического состава биодеструкторов, колонизирующих поверхность экспериментальных образцов и анализе эффективности модифицирующих добавок плане повышения биорезистентности цементных композитов к воздействию почвенной микробиоты.
Задачи направленные для достижения цели исследования:
– разработка и оптимизация модифицированных составов цементных композитов антисептическими добавками различного типа;
– установление видового разнообразия микроорганизмов, выделенных с поверхности образцов, находящихся в течении 1 года в траншее, посредством стандартных микробиологических методов выделения и идентификации;
– характеристика микробиологических агентов, выявленных на поверхности модифицированных цементных защитных покрытий, включая их таксономическую принадлежность, морфологию и биологические особенности, после экспозиции в условиях микробиологического воздействия,
Материалы и методы. В процессе изготовления опытных образцов вяжущим веществом служила сухая цементная смесь марки «Axton», отобранная в соответствии с программой исследования как базовый компонент для получения композиционных материалов. Для модификации цементных защитных покрытий применяли антисептические добавки: «Санатекс. Универсал» (прозрачная слабоокрашенная жидкость, плотностью 1,0 – 1,01 г/см3, производитель – ООО «Тиккурила»), «Антиплесень. Лакра» (водный раствор сополимеров гексаметиленгуанидина, плотностью 1,0 г/см3, производитель – ООО «Лакра Синте»), «DALI. Универсальный антисептик» (бесцветная жидкость, плотностью 1,0 г/см3, производитель – ООО «НПП Рогнеда»).
Модификацию разработанных образцов выполняли 2 методами. В первом случае антисептические добавки вводились непосредственно в составы при их изготовлении в количествах 2,5 %, 5 % и 7,5 % от массы вяжущего материала с водой затворения. Водоцементное отношение в цементных композициях не изменялось и составляло 0,3. Во втором случае, поверхность образцов цементных защитных покрытий обрабатывалась 100 % раствором антисептических добавок, путём двукратного погружения. Контрольным составом являлись образцы цементных композитов без содержания в них и обработки поверхности биоцидным препаратом. В таблице 1 приведены разработанные составы.
Таблица 1
Составы для исследований
|
№ состава |
Масса компонентов, % |
Название добавки |
Обработка поверхности образцов антисептиком |
||
|
Сухая штукатурка |
Вода |
Антисептическая добавка |
|||
|
0 |
100 |
30 |
– |
– |
– |
|
1 |
27,5 |
2,5 |
Санатекс. Универсал |
– |
|
|
2 |
25 |
5 |
– |
||
|
3 |
22,5 |
7,5 |
– |
||
|
4 |
30 |
- |
+ |
||
|
5 |
27,5 |
2,5 |
Антиплесень. Лакра |
– |
|
|
6 |
25 |
5 |
– |
||
|
7 |
22,5 |
7,5 |
– |
||
|
8 |
30 |
– |
+ |
||
|
9 |
27,5 |
2,5 |
DALI®. Универсальный антисептик |
– |
|
|
10 |
25 |
5 |
– |
||
|
11 |
22,5 |
7,5 |
– |
||
|
12 |
30 |
– |
+ |
||
*Примечание: состав №0 принят за контрольный (бездобавочный).
Для осуществления испытания было разработано 39 цементных композитов (по 3 образца каждого состава) размером 1×1×3 см. Изготовленные модифицированные материалы после отверждения 28 суток в нормальных температурно-влажностях условиях, экспонировались 1 год в натурных условиях на территории Республики Мордовия, для которой характерен умеренно континентальный климат с холодной морозной зимой и умеренно жарким летом, в открытой траншее на глубине 50 см.
После выдерживания модифицированных цементных защитных покрытий в грунтовых условиях, образцы с соблюдением стерильности доставлялись в специализированную лабораторию, где с поверхности разработанных материалов были взяты смывы и сделан посев в чашки Петри с питательными средами. Для бактериологического исследования микроорганизмов применялась питательная среда МПА (мясо-пептонный агар), для культивирования различных видов грибов среда Чапека-Докса.
Чашки Петри с МПА находились в термостате течении 48 ч при температуре 37°С, после чего с выросших колоний проводилась окраска бактерий по Граму (Г.К. Грам, бактериолог, Дания, 1853–1938 гг.). Приготовленные препараты просматривались на биологическом микроскопе при увеличении – 1600×. Результаты окраски по Граму сообщают о принадлежности бактерий: грамположительные бактерии (с толстой клеточной стенкой) окрашиваются в сине-фиолетовый цвет, а грамотрицательные (с тонкой клеточной стенкой) – в ярко-малиновый или красный. С помощью справочника Берджи по бактериологической систематике была осуществлена идентификация бактерий по характерным для них фенотипическим признакам [19, 20].
Чашки Петри с питательной средой Чапека-Докса инкубировались в термостате в течении 8 дней при температуре 25 °С. Мицелий и спороношение микроскопических грибов изучали на предметном стекле, покрытым покровным стеклом с помощью биологического микроскопа при увеличении – 640×. Это даёт возможность провести видовую идентификацию выделенных видов микромицетов.
Для более детального понимания появления микробов-биодеструкторов на поверхностях разработанных цементных композитов дополнительно были изучены микроорганизмы воздушной (седиментационным методом) и грунтовой (методом отбора пробы грунта из траншеи) сред.
Проба грунта отбиралась в стерильную колбу с глубины траншеи 50 см, стерильной металлической ложкой. Колба с пробой грунта герметично запечатывалась скотчем и отправлялась в лабораторию, где осуществлялся посев пробы отобранного грунта на питательные среды МПА и Чапека-Докса в чашки Петри.
Седиментационный метод основан метод на способности микроорганизмов под действием силы тяжести и влиянием движения воздуха оседать вместе с частицами пыли на поверхность питательной среды. Для посева чашки Петри с питательными средами МПА и Чапека открывались непосредственно на площадке, где экспонировались образцы на 5 мин. По истечению времени чашки закрывались, подписывались и доставлялись в лабораторию для дальнейшего исследования.
Экспериментальные результаты и их анализ. Проведенное исследование дало возможность идентифицировать видовой состав микробиоты, колонизирующей цементные композиты в эксплуатационных условиях. Полученные данные (табл. 2) демонстрируют, как методы модификации материалов влияют на формирование микробных сообществ, что имеет существенное значение для разработки биостойких строительных композитов.
Согласно таблице 2, проведем детальный анализ видового разнообразия микроорганизмов, преимущественно колонизирующих модифицированные материалы в заданных условиях для выявления потенциально патогенных и биодеструктивных видов.
Из результатов видно, что образцы составов №1, №2, №3 («Санатекс. Универсал»), №5, №6, №7 («Антиплесень. Лакра»), №9, №10, №11 («DALI®. Универсальный антисептик») показали лучшие результаты, поскольку на материалах не были идентифицированы мицелиальные грибы, преобладали лишь представители 2 родов бактерий (грамположительные палочки Bacillus и грамотрицательные палочки Pseudomonas). Очевидно это связано с первым методом модификации материалов, так как именно в данные цементные композиты биоцидные препараты вводились непосредственно в составы при их изготовлении. Важно отметить, что микрофлора разработанных образцов не меняется с увеличением концентрации и вида антисептических добавок в составах.
Бактерии родов Bacillus и Pseudomonas присутствовали абсолютно на всех экспериментальных составах, как модифицированных, так и контрольном.
Грамположительные бактерии рода Bacillus широко распространены в природе, практически повсеместно. Их можно обнаружить в почве, воде, воздухе и даже в экстремальных условиях, таких как пустыня и Антарктида. Это свидетельствует о высоком уровне адаптации микроорганизмов к разнообразным экологическим нишам. Согласно справочнику Берджи по бактериологической систематике бактерии рода Bacillus относятся к группе грамположительных палочек и кокков, которые образуют эндоспоры. Они представляют собой при микроскопировании бактерии палочковидной формы, линейные размеры клеток варьируются в диапазоне
0,5–2,5 × 1,2–10 мкм. Отличительной чертой является специфическая конфигурация концов клеток – закруглённая или «обрубленная». Клетки преимущественно формируют диплоидные пары или линейные цепочки. Являются подвижными благодаря перитрихиальным жгутикам. Одни виды бактерий данного рода считаются строгими аэробами, а другие – факультативными анаэробами. Способность выживать в неблагоприятных условиях объясняется наличием покоящихся форм – спор. Грамположительные палочки имеют достаточно большую активность ферментов, и могут привести к биодеструкции некоторые материалы [20].
Таблица 2
Микрофлора на образцах цементных композитов
|
№ состава |
Бактерии |
Микроскопические грибы |
||
|
Роды бактерий |
Общее количество родов бактерий |
Виды грибов |
Общее количество видов грибов / количество родов |
|
|
0 |
Escherichia, Bacillus, Flavobacterium, Micrococcus, Pseudomonas |
5 |
Alternaria brassicae, Aureobasídium púllulans, Cladosporium elatum, Fusarium moniliforme, Mucor corticola, Penicillium nigricans |
6/6 |
|
1 |
Bacillus, Pseudomonas |
2 |
– |
– |
|
2 |
Bacillus, Pseudomonas, |
2 |
– |
– |
|
3 |
Bacillus, Pseudomonas, |
2 |
– |
– |
|
4 |
Bacillus, Flavobacterium, Pseudomonas, Micrococcus |
4 |
Mucor corticola |
1/1 |
|
5 |
Bacillus, Pseudomonas |
2 |
– |
– |
|
6 |
Bacillus, Pseudomonas, |
2 |
– |
– |
|
7 |
Bacillus, Pseudomonas, |
2 |
– |
– |
|
8 |
Bacillus, Flavobacterium, Pseudomonas, Micrococcus |
4 |
Aureobasídium púllulans, Mucor corticola |
2/2 |
|
9 |
Bacillus, Pseudomonas |
2 |
– |
– |
|
10 |
Bacillus, Pseudomonas, |
2 |
– |
– |
|
11 |
Bacillus, Pseudomonas, |
2 |
– |
– |
|
12 |
Bacillus, Flavobacterium, Pseudomonas, Micrococcus |
4 |
Alternaria brassicae, Aureobasídium púllulans, Mucor corticola, Penicillium nigricans |
4/4 |
Бактерии рода Pseudomonas встречаются в почве, морской и пресной воде, воздухе, это связано с их способностью ассимилировать широкий спектр органических соединений и адаптироваться к различным экологическим условиям. Имеют форму прямых или слегка изогнутых палочек, размеры которых варьируются от 0,5–1,0 × 1,5–5,0 мкм. Подвижность обеспечивается одним или несколькими полярными жгутиками, однако, существуют отдельные случаи, когда бактерии этого рода неподвижны. Метаболизм чисто дыхательного типа, при котором кислород служит коечным акцептором электронов. Некоторые виды грамотрицательных бактерий рода. Pseudomonas могут принимать участие в биоразрушении различных строительных материалов, включая цементные композиты [19].
Применение второго метода модификации (составы №4 – «Санатекс. Универсал», №8 –«Антиплесень. Лакра», №12 – «DALI®. Универсальный антисептик») цементных композитов привело к более интенсивному обрастанию поверхности материалов бактериями и микроскопическими грибами относительно первого, поскольку только поверхность образцов обрабатывалась разными биоцидами, а в сами составы при их изготовлении препараты не вводились. В соответствии с бактериологическим анализом на поверхности цементных композиций составов №4, №8 и №12 заселились бактерии 4 родов: Bacillus, Flavobacterium, Pseudomonas и Micrococcus. Микологические исследования позволили выделить с составов: №4 – 1 вид мицелиальных грибов, относящегося к роду Mucor, №8 – 2 вида микромицетов (Aureobasídium púllulans, Mucor corticola) и №12 – 4 вида (Alternaria brassicae, Aureobasídium púllulans, Mucor corticola, Penicillium nigricans). Состав №4 является менее подверженным обрастаниям микроскопическими грибами в сравнении с цементными композитами составов №8 и №12.
Бактерии рода Flavobacterium представлены грамотрицательными палочками с параллельными боковыми сторонами и закруглёнными концами. Размер клеток, в большинстве случаев, составляет
0,5 × 1,0–3,0 мкм. Не содержат внутриклеточных гранул поли-β-гидроксибутирата, что отличает их от многих других родов бактерий и не образуют эндоспор. Оптимальная температура роста составляет 37 °С. Представители рода Flavobacterium – каталазооксидазо- и фосфатазоположительные. Грамотрицательные палочки относятся к хемоорганотрофам, т.е. используют органические соединения для источника энергии и углерода. В средах с низкой концентрацией пептона микроорганизмы могут превращать углеводы в кислоту, без образования газа. Широко распространены в почве и в воде, обнаружены также пищевых продуктах [19].
Согласно определителю бактерий Бэрджи бактерии рода Micrococcus относятся к группе грамположительных кокков. Они представляют собой грамположительные клетки сферической формы, диаметром от 0,5 до 2,0 мкм, образуют чаще всего пары, тетрады или скопления неправильной формы, но не формируют цепочек. Растут при температуре 25–37 °С. Грамположительные микроорганизмы, преимущественно, неподвижны и неспорообразующие. Представители рода Micrococcus характеризуются как облигатные аэробы с дыхательным типом метаболизма. В процессе ферментации углеводов выработка кислоты минимальна или отсутствует. Отмечена способность данных микроорганизмов к росту на базовых (простых) питательных средах. Встречаются в почве, однако выделены в основном из воздуха [20].
Mucor corticola – вид плесневого гриба рода Mucor (белой плесени). Благоприятная температура роста микроорганизмов составляет от 20 до 30 °С. Конкретные показатели температуры могут зависеть от штамма и условий культивирования. Грибы рода Mucor в ходе своего метаболизма способны синтезировать и выделять во внешнюю среду незначительное количество органических кислот, в том числе яблочную, лимонную и щавелевую. Обладают способностью обитать в разнообразных экологических условиях. Они демонстрируют резистентность к воздействию агрессивных химических веществ и пониженных температур, что расширяет их адаптационный потенциал. В процессе поиска питательных субстратов мицелий грибов рода Mucor проявляет способность к инвазии строительных материалов – бетона, штукатурки и кирпича. Данное свойство потенциально обуславливает риск структурного ослабления и последующей деструкции указанных материалов [10].
Микроскопический чёрный дрожжевой сапрофит вида Aureobasidium pullulans характеризуется температурным оптимумом метаболической активности 25 °С. В пределах умеренного климатического пояса данный вид грибов занимает лидирующие позиции по частоте встречаемости. Ареал распространения охватывает широкий спектр экологических ниш: почва, водная среда, атмосферный воздух, на поверхностях известняковых пород, а также на листовых пластинах растений и во внутренних тканях растений. Грибы рода Aureobasidium pullulans продуцируют каталазу – фермент, обеспечивающий эффективное расщепление перекиси водорода до воды и кислорода. Помимо основной функции, каталаза этих грибов демонстрирует низкую активность в реакциях окисления спиртов и других соединений в присутствии перекисей [12].
Грибы вида Alternaria brassicae принадлежит к роду Alternaria. Хорошо развиваются при температуре 22–25 °С и высокой влажности воздуха выше 95 %. Разрастающиеся колонии таких грибов проникают вглубь материала и выделяют токсины, которые вызывают биохимическое разрушение конструкций. Плесневые грибы рода являются биодеструкторами и могут вызывать биоповреждения материалов и строительных конструкций [1].
Penicíllium janczéwskii (ранее Penicíllium nígricans) является видом несовершенных грибов, относящихся к роду Penicillium. Повсеместно распространённый почвенный гриб. Микромицеты рода Penicillium могут оказывать значительное биодеструктивное воздействие на строительные материалы, приводя к ухудшению их физико-механических и эксплуатационных характеристик. В результате жизнедеятельности микроорганизмов, которые способны приспосабливаться к различным по своей природе материалам, наблюдаются следующие негативные изменения: снижения механической прочности материала, ухудшение адгезионных свойств (нарушение связей между отдельными компонентами композита), изменение структурных характеристик материала вследствие ферментативной активности и выделении метаболитов, нарушение целостности поверхностных и глубинных слоёв за счёт прорастания мицелия и образования биоплёнок. Данные грибы распространены повсеместно и легко адаптируются к различным условиям среды, особенно в помещениях с повышенной влажностью и плохой вентиляцией. Разрушающее действие грибов обусловлено агрессивным воздействием вторичных метаболитов: органических кислот (щавелевая, янтарная, яблочная, лимонная, молочная), окислительно-восстановительных и гидролитических ферментов, токсинов (пенициллин, патулин) на отдельные компоненты материалов. В материалах с высокой плотностью наблюдается в большинстве случаев локализация метаболитов в поверхностном слое, тогда как в материалах с низкой плотностью отмечается равномерное распределение метаболитов по всему объему образца [15].
Наибольшее количество микроорганизмов приходится на бездобавочные образцы цементных защитных покрытий (состав №0), заселились бактерии 5 родов: Escherichia, Bacillus, Flavobacterium, Micrococcus, Pseudomonas и 6 видов грибов: Alternaria brassicae, Aureobasídium púllulans, Cladosporium elatum, Fusarium moniliforme, Mucor corticola, Penicillium nigricans. Только на образцах контрольного состава появились новые микроорганизмы относительно модифицированных композитов – это бактерии рода Escherichia, а также микромицеты видов Cladosporium elatum и Fusarium moniliforme.
Грамотрицательные бактерии рода Escherichia согласно определителю Берджи систематизированы в группу факультативно-анаэробных грамотрицательных палочек. Наблюдаемая интенсивная пролиферация при температуре 37 градусах °С свидетельствует о возможной патогенной природе выделенных культур. Представители данного рода демонстрируют высокую экологическую пластичность, успешно колонизируя водные среды, почвенные субстраты, а также разнообразные биотические и абиотические поверхности [12]. В работе [3] научно подтверждено, что бактерии рода Escherichia могут инициировать биоповреждение композитных материалов с минеральными вяжущими за счёт осуществления характерных биохимических процессов.
Микроскопические грибы вида Cladosporium elatum являются одним из видов рода Cladosporium, который входит в класс Дотидеомицеты. Представители рода Cladosporium обитают в воздухе, разлагающимся органическом материале, помещениях. Плесневые грибы данного рода являются активными биодеструкторами и могут привести к биодеградации строительные материалы [7].
Грибы вида Fusarium moniliforme относятся к роду Fusarium. Распространены на всех континентах, но особенно хорошо развивается в районах с повышенной влажностью. Представители рода Fusarium, способны колонизировать различные субстраты и вызывать повреждение строительных материалов [2].
Анализируя данные таблицы 2, явно, что первый способ модификации материалов превалирует по сравнению со вторым, вне зависимости от биоцида и его концентрации его материалах. Второй способ также эффективен, если сравнить результаты составов №4, №8 и №12 с контрольным №0. Видовое разнообразие микроорганизмов бездобавочных значительно превышает показатели образцов составов №4, №8 и №12.
Кроме всего, были проведены микробиологические исследования пробы грунта, где непосредственно выдерживались образцы мелкозернистых бетонов, и воздуха над образцами в траншее (табл. 3).
Таблица 3
Микрофлора пробы суглинистого грунта и микробная обсеменённость воздуха в траншее
(суглинистый грунт)
|
Бактерии |
Общее количество родов бактерий |
Микроскопические грибы |
Общее количество видов грибов / количество родов |
|
Проба грунта |
|||
|
Alcaligenes, Escherichia, Bacillus, Flavobacterium, Pseudomonas, Micrococcus, Thiobacillus |
7 |
Alternaria alternate, Alternaria brassicae, Aureobasídium púllulans, Aspergillus ustus, Chaetomium globosum, Cladosporium elatum, Fusarium moniliforme, Mucor corticola, Penicillium nigricans, Penicillium chrisogenum |
10/8 |
|
Проба воздуха |
|||
|
Escherichia, Bacillus, Flavobacterium, Micrococcus, Pseudomonas |
5 |
Alternaria brassicae, Aureobasídium púllulans, Aspergillus ustus, Chaetomium globosum, Cladosporium elatum, Fusarium moniliforme, Mucor corticola, Penicillium nigricans, Penicillium chrisogenum |
9/8 |
Согласно данным таблиц 2 и 3, видно, что микробиологический анализ показал наличие в пробе грунта новых микроорганизмов: бактерий рода Thiobacillus и микроскопических грибов 4 видов (Alternaria alternate, Aspergillus ustus, Chaetomium globosum, Penicillium chrisogenum) относительно результатов цементных композитов.
Грамотрицательные небольшие палочковидные бактерии рода Thiobacillus принадлежат к группе аэробных хемолитотрофных микроорганизмов. В бактериологической систематике они включены в подгруппу бесцветных сероокисляющих бактерий, формируя отдельную секцию, дифференцированную по морфологическим критериям окислительной активности. Они проявляют выраженную способность к биодеградации цементных композитов посредством биохимического окисления серосодержащих соединений, сопровождающегося синтезом серной кислоты – ключевого агента коррозионного повреждения материала [20].
Несовершенные грибы вида Aspergillus ustus относятся к роду Aspergillus отделу Аскомикота. Часто встречаются в помещениях, почве с различными растительными субстратами умеренных регионов. Микромицеты данного вида способны расти при температуре +5 °C. Грибы рода Aspergillus продуцирующие небольшое количество кислот (устиновая) и ряд других метаболитов: автоцистины (и версиколорины), аусталиды, стеригматоцистиноподобное химическое вещество и нидулол. Влияние Aspergillus ustus на разрушение строительных материалов может быть индивидуальным и зависит от условий и характеристик конкретных материалов [1].
Сапрофитный гриб вида Chaetomium globosum относится к семейству Chaetomiaceae, в основном обитает на растениях, почве, соломе, навозе, но также можно обнаружить в помещениях, на поверхностях конструкций, содержащих целлюлозу. Обладает целлюлолитической активностью, продуцирует микотоксины (хетоглобозины А и С, четомин) [13].
Плесневый гриб Penicillium chrisogenum – потенциальный биодеструтор строительных материалов. Выделяют в среду относительно большое количество органических кислот, а также антибиотиков и микотоксинов. Находящиеся в воздухе бесполые споры Penicillium chrysogenum являются важными аллергенами для человека. Распространен в умеренном и субтропическом климате, встречается в почве, на гниющей растительности, внутри помещений, особенно во влажных или поврежденных водой зданиях [17].
Микроорганизмы воздушной среды также превалируют в количественном отношении по сравнению с потенциальными биодеструкторами разработанных цементных защитных покрытий. В воздушной среде, по сравнению с микромицетами идентифицированных с поверхности цементных композитов, было выявлено 3 новых вида грибов: Aspergillus ustus, Chaetomium globosum, Penicillium chrisogenum.
Очевидно, что огромное влияние на появление и дальнейшее развитие микроскопических грибов на модифицированных образцах оказывает эксплуатационная среда. Поскольку многие виды микроорганизмов живут в данной среде и при попадании их на материалы начинают развиваться, выбирая при этом менее биостойкие материалы. Цементные композиты подвергались воздействию атмосферных осадков, ультрафиолетового облучения, сезонным перепадам температуры.
Выводы. Согласно результатам микробиологического анализа с поверхности модифицированных цементных защитных покрытий, экспонированных в грунтовых условиях, было выделено 5 родов бактерий: Escherichia, Bacillus, Flavobacterium, Micrococcus, Pseudomonas и 6 родов микроскопических грибов: Alternaria, Aureobasídium, Cladosporium, Fusarium, Mucor, Penicillium.
Из пробы грунта траншее, где выдерживались материалы, идентифицировано 7 родов бактерий: Alcaligenes, Escherichia, Bacillus, Flavobacterium, Pseudomonas, Micrococcus, Thiobacillus и 8 родов микромицетов: Alternaria, Aureobasídium, Aspergillus, Chaetomium, Cladosporium, Fusarium, Mucor, Penicillium.
Бактериологический анализ воздуха выявил 5 родов бактерий: Escherichia, Bacillus, Flavobacterium, Micrococcus, Pseudomonas, микологический 8 родов микроскопических грибов: Alternaria, Aureobasídium, Aspergillus, Chaetomium, Cladosporium, Fusarium, Mucor, Penicillium.
В процессе исследования была изучена биологическая стойкость модифицированных цементных защитных покрытий. Наиболее лучшими биоцидными показателями обладают цементные композиты (№1, №2, №3 «Санатекс. Универсал», №5, №6, №7 «Антиплесень. Лакра» и №9, №10, №11 «DALI Универсальный антисептик») полученные при первом способе модификации образцов, где антисептические добавки вводились непосредственно в составы при их изготовлении. Второй способ поверхностной обработки образцов разными антисептическими добавками менее устойчив к воздействию бактерий и микроскопических грибов (составы №4, №8, №12), исходя из результатов микробиологического исследования цементных композитов.
1. Соломатов В.И., Ерофеев В.Т., Смирнов В.Ф., Семичева А.С., Морозов Е.А. Биологическое сопротивление материалов. Саранск: Изд-во Мордовского ун-та, 2001. 196 с.
2. Ерофеев В.Т., Родин А.И., Дергунова А.В., Сураева Е.Н., Смирнов В.Ф, Богатов А.Д., Казначеев С.В., Капушин С.Н. Биологическая и климатическая стойкость цементных композитов // Academia. Архитектура и строительство. 2016. № 3. С. 119–126.
3. Cwalina B. Biodeterioration of Concrete. Architecture Civil Engineering Environment, 2008. No. 1, Pp. 133–140.
4. Javaherdashti R. Microbiologically Influenced Corrosion an Engineering Insight. London: Springer-Verlag. 2008. 164 p.
5. Ледяйкин Н.В. Микроорганизмы на поверхности конструкций в животноводческих зданиях // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2025. № 3. С. 8–16. DOI:https://doi.org/10.34031/2071-7318-2024-10-1-8-16
6. Alum A. Cement-based biocide coatings for controlling algal growth in water distribution canals // Cement & Concrete Composites. 2008. Vol. 30(9). Р. 839–847.
7. Ерофеева И.В. Исследование грибостойкости и фунгицидности цементных композитов в среде мицелиальных грибов // Русский инженер. 2018. № 2 (59). С. 44–47. DOI:https://doi.org/10.12737/article_5b115a615b7740.81075577
8. Elchishcheva T.F., Lediaikina O.V., Lediaikin N.V., Rodin A.I. Species Composition of Microorganisms in the Air Above the Samples of Cement Composites // AIP Conference Proceedings. 2023. Vol. 2612. No. 1. Pp. 40013–40013. DOIhttps://doi.org/10.1063/5.0113758
9. Jwerson W.P. Mechanism of microbial corrosion. Biodeterioration of Materials. Univ. of Aston in Birmingham. 1978. 28 p.
10. Ледяйкина О.В., Родин А.И, Власов Д.Ю. Видовой состав микроорганизмов, выявленных на образцах цементных композитов, экспонированных в условиях воздействия ультрафиолетового облучения и циклически действующих температурновлажностных факторов // Инженерно-строительный вестник Прикаспия: научно-технический журнал / Астраханский государственный архитектурно-строительный университет. Астрахань: ГАОУ АО ВО «АГАСУ». 2020. № 3 (33). С. 16–22. DOI:https://doi.org/10.35108/isvp20203(33)16-22
11. Теплякова Н.А., Омельченко Е.В. Вредное воздействие плесени и плесневых грибов на человека // Молодой ученый. 2016. №18-1 (122.1). С. 23–25.
12. Ледяйкина О. В., Родин А. И., Власов Д. Ю. Исследование видового состава биодеструкторов цементных композитов, выявленных на образцах, выдержанных в условиях циклического воздействия температурно-влажностных сред // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия: Материалы. Конструкции. Технологии. 2021. №1 (17). С. 7–18. DOI: 10.25686/ 2542-114X.2021.1.7
13. Ramesh Babu B., Maruthamuthu S., Rajasekar A., Muthukumar N., Palaniswamy N. Microbiologically influenced corrosion in dairy effluent. Spring. 2006. Vol. 3. № 2. Рр. 159–166.
14. Карпенко Н.И., Карпенко С.Н., Ярмаковский В.Н., Ерофеев В.Т. О современных методах обеспечения долговечности железобетонных конструкций // Academia. Архитектура и строительство. 2015. № 1. С. 93–102.
15. Ерофеев В.Т., Родин А.И., Калашников В.И., Ерофеева И.В., Смирнов В.Ф. Биостойкость декоративных цементных композитов // Вестник Приволжского территориального отделения РААСН. 2016. № 19. С. 304–308.
16. Ерофеев В.Т., Богатова С.Н., Богатов А.Н. Исследование биостойкости строительных материалов, модифицированных биоцидными добавками // Промышленное и гражданское строительство. 2018. № 8. С. 48–53. DOI:https://doi.org/10.33622/0869-7019
17. Дергунова А.В., Ерофеев В.Т., Смирнов В.Ф., Завалишин Е.В. Повышение биостойкости строительных материалов и изделий посредством пропитки их пористой структуры // Известия Казанского государственного архитектурно-строит. ун-та. 2010 № 2(14). С. 218–222.
18. Videla H.A., Herrera L.K.; Microbiologically influenced corrosion: looking to the future // International Microbiology. Vol. 8. No. 3. 2005. Pp. 169–180.
19. Хоулт Дж., Криг Н., Снит П., Стейли Дж., Уильямс С. Определитель бактерий Берджи. Том 1. Пер. с англ. под ред. акад. РАН Г.А. Заварзина. М.: Мир. 1997. 429 с.
20. Хоулт Дж., Криг Н., Снит П., Стейли Дж., Уильямс С. Определитель бактерий Берджи. Том 2. Пер. с англ. под ред. акад. РАН Г.А. Заварзина. М.: Мир. 1997. 368 с
