ПРО+Не используйте методические пособия в качестве самоучителя. Вам в помощь представлены эксперты и мастера реставраторы.
 
1.3.2. Нарушения в циклах круговорота углерода, азота и серы — элементов, определяющих коррозионные повреждения материала памятников на урбанизированных территориях

На урбанизированных территориях строителями формируются природнотехногенные системы (ПТС). Устойчивость этих систем зависит от антропогенного фактора, нарушения баланса экологических компонентов, круговорота, прежде всего, веществ, необходимых для существования биогенов, минерализации вод и т.д. Процесс формирования ПТС, если он не откорректирован с учетом экологических компонентов (другими словами, с учетом законов развития экосистемы), как правило, приводит к нарушению естественных взаимодействий в природной системе. Известно, что бактерии и другие микроорганизмы принимают активное участие в круговороте веществ, обеспечивая саморегуляцию, самовоспроизводство экосистем и переработку загрязнителей. При загрязнении окружающей среды их деятельность активизируется. Круговороты веществ в природе являются необходимым условием сохранения стабильности экосистем. В природно-техногенных системах нарушение норм природопользования приводит к нарушению в циклах основных элементов — кислорода, углерода, азота, фосфора и др. Такая ситуация особо остро сказывается на повреждениях памятников за счет заселения строительных материалов различными микроорганизмами, активно участвующими в круговоротах и обеспечивающими процессы минерализации, метаморфизации, получение биогенов и др. веществ в материалах памятника. Однако рассмотрение активизации биокоррозионных процессов в памятниках' в рамках корреляционных зависимостей, условий эксплуатации памятника, состава и структуры строительных материалов учеными нашей страны редко связывается с круговоротами веществ в природе, и непосредственная взаимосвязь проблемы загрязнения окружающей среды и биологической коррозии строительных материалов ими практически не учитывается.

Для анализа причинно-следственных связей в системе «ПТС—памятник архитектуры (материал памятника)» рассмотрим в качестве моделей аналитические схемы круговоротов: углерода (С), азота (N) и серы (S) — элементов, которые могут повлиять на ход физико-химических повреждений материала в условиях агрессивной (загрязненной) городской среды.

Аналитические схемы круговоротов этих элементов в экосистемах с ненарушенным балансом экологических компонентов для каждого из перечисленных элементов — С, N, S — представлены на рис. 1.10, 1.11 и 1.12.

Из рис. 1.10. видно, что в основе биогенного круговорота углерода лежит карбонатное равновесие системы «камень (минеральное вещество)—газ—вода—микроорганизмы (живое вещество)».



Рис. 1.10. Схема круговорота углерода и возможные проблемы при нарушении экологического равновесия в ПТС

В процессе фотосинтеза происходит переход диоксида углерода в органические соединения. В сложных биологических системах возможно последовательное преобразование углерода в высокомолекулярные органические соединения. Далее в результате окисления, в частности при дыхании, вновь образуется диоксид углерода. К образованию СО2 приводит и биологическое разложение отмерших организмов. При образовании гумуса роль бактерий и грибов заключается в минерализации веществ. Консервация углерода происходит в результате его связывания в кальцит. Следует отметить, что в восстановительной среде (анаэробной зоне) при повышенной кислотности почв углерод постепенно накапливается в виде торфа, угля и нефти.

В городской системе с нарушенным экологическим равновесием происходит нарушение карбонатного равновесия и наблюдается биохимическое выветривание карбонатсодержащих материалов памятника, приводящее к значительному их повреждению, несоизмеримому по интенсивности и степени повреждения, которые наблюдаются при заселении этих материалов лишайниками. Карбонатное равновесие в углеродном цикле нарушается в присутствии кислотных веществ загрязнителей и, в первую очередь, оксидов серы за счет кислотных дождей, закисления почв и работы сульфобактерий, продуктом метаболизма которых является серная кислота.



Рис. 1.11. Схема круговорота азота и возможные проблемы при нарушении экологического равновесия в ПТС

 

В свою очередь, параллельно происходит нарушение равновесий и в циклах серы и азота, что ускоряет процесс деструкции камня, кладочного и шовного растворов, реставрационных составов и т.д.

Из схемы на рис. 1.11. видно, что развитию нитрифицирующих бактерий способствует повышенная концентрация такого загрязняющего вещества как аммиак. Восстановленные соединения азота могут образовываться различными способами: в результате химических реакций в атмосфере или при сапрофитном разложении гетеротрофными бактериями органического материала, содержащего азот. При этом образуются соли аммония. Нитрифицирующие микроорганизмы используют азотсодержащие загрязнители в качестве источника энергии. При этом в первой фазе нитрификации бактерии окисляют аммоний до нитрита а во второй — нитрита до нитрата. Кроме того, образование таких соединений происходит при увеличении числа азотфиксирующих бактерий. Характерным признаком нарушенности экологического равновесия цикла круговорота азота в городской системе является повсеместное «позеленение» стволов деревьев, появление серого налета на фасадах зданий — особенно на белом камне. Нарушение азотфиксации, исчезновение лишайников — характерные признаки патогенного механизма работы микроорганизмов в цикле. Наиболее опасным для памятников является агрессивное воздействие нитрифицирующих бактерий, продуктом метаболизма которых является азотная кислота. Опасным может быть (при нарушении азотфиксации) и эффект, приводящий к активизации деятельности аммонификаторов, перерабатывающих органические соединения, использованных при реставрации. При их работе происходит выделение органических кислот, которые разрушают минеральные компоненты материала.

Прямую химическую опасность для минеральных материалов представляют оксиды серы и их соединения, так как в их присутствии карбонатсодержащие материалы вовлекаются в её круговорот и за счет сульфатизации происходит изменение механизма коррозионного повреждения памятника. Схема круговорота серы представлена на рис. 1.12.



Рис. 1.12. Схема круговорота серы и возможные проблемы при нарушении экологического равновесия в ПТС

 

Из приведенной схемы видно, что образующийся в результате деятельности промышленных предприятий сероводород вместе с элементарной серой с помощью серобактерий окисляется до серной кислоты. Происходит сернокислое выветривание карбонатной фазы в грунтах, в строительных материалах за счет замещения карбонатных пород на сульфаты кальция или, в присутствии ионов Na+, на сульфат натрия. Это приводит к ускорению процесса выветривания каменных материалов из-за их лучшей растворимости. Серная кислота является сильным окислителем и вызывает разложение органических веществ. С другой стороны, развитию восстанавливающих серу микроорганизмов (тионовых бактерий) способствуют поступающие со сточными водами органические соединения. К числу сульфатредуцирующих бактерий относятся анаэробные бактерии Desulfovibrio desulfuricans . Возможна диффузия восстановленных соединений серы в стенах строительных объектов за счет капиллярного процесса в пористых материалах вместе с влагой, содержащейся в почве. Кроме того, необходимо учитывать происходящие в строительных материалах объекта процессы бактериального разложения органических серосодержащих соединений, которые на современном этапе развития городской системы практически всегда присутствуют в пыли, саже, органических загрязнителях. В результате этих процессов образуются восстановленные соединения серы, которые, в свою очередь, могут использоваться в качестве источника энергии сероокисляющими бактериями. В этом случае можно констатировать локальный круговорот серы даже в материале отдельного объекта.

Анализ схем круговоротов веществ позволяет сделать вывод о заселении хемотрофными микроорганизмами прежде всего материалов, содержащих карбонаты, каковыми в памятниках являются белый и искусственный камень, раствор кирпичной кладки, штукатурные растворы и т.п. Это приводит к их деструкции. Основную роль в разрушении играет структурное химическое преобразование под воздействием продуктов метаболизма.

Один из вариантов механизма биоповреждения содержащих кальций материалов по систематизации английских специалистов Е. Mayи FJ . Lewisпредставлен на схеме (рис. 1.13.).



Рис. 1.13. Схема механизма биохимической коррозии карбонатной составляющей в материале
 

Из приведенной схемы видно, что при воздействии на минералы материала продуктов метаболизма серобактерий, нитрофицирующих бактерий и грибов имеет место биохимическая коррозия. Поселяясь на поверхностях различных материалов, в том числе и строительных, они зачастую образуют устойчивые микробиотические сообщества. Устойчивость этих сообществ определяется, в соответствий с законами экологии, как многообразием присутствующих в них видов микроорганизмов, так и загрязнением окружающей среды вредными веществами — прежде всего соединениями С, N, S и др.

Следует отметить, что хотя перечисленные при анализе круговоротов элементов бактерии участвуют и часто ускоряют коррозионные процессы, специалисты не связывают их напрямую с биологическими факторами. При обычных обследованиях бактерии невозможно фиксировать. При натурных исследованиях поврежденных поверхностей различных материалов только с помощью сканирующих электронных микроскопов можно обнаружить все микробиотическое сообщество, принимающее участие в разрушении материала. Причины начала и ускорения коррозии могут быть при этом различны: аккумуляция солей, локальные изменения величины рН, а также продукты жизнедеятельности микроорганизмов (в т.ч. комплексные соединения, внеклеточные энзимы и т.д.). Методические основы для учета этих факторов при анализе коррозионных процессов в материалах только начинают разрабатываться.

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.

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

• К первой группе относят зеленые водоросли, цианобактерии. 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. К ним относятся бактерии, восстанавливающие нитраты и сульфаты.

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

Микробиотическое заселение может происходить при определенных специфических условиях: наличие в строительном материале неорганических и органических веществ, питательной среды, уровень рН, окислительно-восстановительный потенциал среды, влажность и температура. 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 (субстрата).

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 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. 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. 1.4.

Таблица 1.4.
Необходимые факторы развития микроорганизмов в материале памятника

Факторы
Микроорганизмы
водоросли, лишайники (фототрофные организмы)
грибы, некоторые бактерии (органитрофные организмы)
окислители серы (литотрофные бактерии)
восстановители сульфата и нитрата (анаэробные бактерии)
вода
+
+
+
+
свет
+
-
-
-
воздух
+
+
+
-
органические вещества (источники углерода)
-
+
-
+
Примечание: + означает, что наличие данного условия является необходимым.

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.

Обобщая вышерассмотренные биохимические процессы взаимодействия материалов памятника и окружающей среды можно достаточно точно констатировать, что для территорий с нарушенным экологическим равновесием, характерным для городов с населением более 1 млн чел., процесс повреждения 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.

Первоисточник: 
Экология. Основы реставрации. В.П. Князева М., 2005
 
 
 
 
Ошибка в тексте? Выдели ее мышкой и нажми   Ctrl  +   Enter  .

Стоит ли самостоятельно реставрировать непрофессионалу? (2018)


  1. Технические операции требуют профессиональных навыков.

  2. Представить ход работы - это одно, а сделать - совсем другое.

  3. Не каждому памятнику пригодны стандартные методики реставрации и хранения.

  4. Некоторые методики устарели из-за выявленных деструктивных последствий.

  5. Неверно подобранные материалы сразу или в будущем нанесут вред памятнику.

  6. Если возвращаете памятнику утраченную красоту, то сохраняете ли его подлинность?

________________

В этих и во многих других вопросах разбирается только квалифицированный специалист!
  • Вам в помощь на сайте представлены эксперты и мастера реставраторы.
  • Спрашивайте, интересуйтесь, задавайте вопросы на нашем форуме.
  • Обучайтесь под непосредственным руководством опытного наставника.

 

Что Вы считаете ГЛАВНЫМ в процессе реставрации? (2018)


Есть ли у вас друзья реставраторы? (2018)


Есть ли у вас друзья реставраторы? (2018)

«Дружба — личные взаимоотношения между людьми, основанные на общности интересов и увлечений, взаимном уважении, взаимопонимании и взаимопомощи». (Дружба—Википедия)

«Знакомство — отношения между людьми, знающими друг друга». (Знакомство—Викисловарь)

ЕЖЕГОДНЫЙ КОНКУРС ЛУЧШИХ РЕСТАВРАЦИОННЫХ ОТЧЕТОВ И ДНЕВНИКОВ
Система Orphus

Если вы обнаружили опечатку или ошибку, отсутствие текста, неработающую ссылку или изображение, пожалуйста, выделите ошибку мышью и нажмите Ctrl+Enter. Сообщение об ошибке будет отправлено администратору сайта.