Биодеструкция строительных материалов. Влияние органических кислот, выделяемых грибами



Биодеструкция — особый вид разрушения материалов, связанный с воздействием живых организмов или продуктов их жизнедеятельности, способных вызвать потерю основных свойств или разрушение строительных материалов. В зону повреждения, а в некоторых случаях и полного разрушения этими организмами попадают фактически все строительные материалы в том числе: кирпич, металл, природный камень, древесина, штукатурка, бетон, известь и другие материалы. Некоторые виды бактерий, адсорбируясь на поверхности твердых тел способны разрушить даже стекло [1].

В их состав строительных материалов могут входить гипс, известь, гранит (в виде щебня), цемент, песок и др. Наибольшей степенью органического заражения биодеструкторами обладают песок и щебень. Микроорганизмы могут обладать очень высокой деструктивной активностью из-за своих физиологических, морфологических и генетических особенностей. В тоже время, благодаря своим микроскопическим размерам и большой скоростью размножения, споры грибов могут проникнуть в микропоры, через грунтовые воды или путем сорбции из воздушной среды, даже самых плотных строительных материалов. Грибы, в условиях благоприятных для существования, способны в течение длительного периода времени, прорастать и оказывать тем самым сильнейшее воздействие на любой строительный материал [6,18].

Значительная часть строительные материалы обладают достаточно высокой пористостью, чем крупнее поры, тем больше в них удерживается влаги, с помощью которой споры грибов могут проникать в глубь микротрещин, и органической пыли, являющейся источником питания микроорганизмов. Оба эти фактора необходимые для микроорганизмов являются условиями их роста. Процесс разрушения материалов начинается уже тогда, когда происходит постоянное давление на стенки материалов из-за роста биомассы — механического разрушения разрастающимся мицелием.

В процессе жизнедеятельности биодеструкторы воздействуют на материалы окислительно-восстановительными и гидролитическими ферментами и выделяют ряд органических кислот — щавелевая, янтарная, яблочная, лимонная, молочная, фумаровая, уксусная, глюконовая, глицериновая кислоты [3]. Процессы образования грибами вышеуказанных кислот хорошо изучены [9, 10, 12–15].

Воздействие органических кислот, на материалы, используемые в строительстве, отмечается как особо сильное и агрессивное, при это отмечена глубокая и достаточно быстрая деструкция материалов, как органических, так и неорганических.

Отличительной чертой этого вида разрушений строительных материалов является то, что помимо агрессивного воздействия самой кислоты на материалы, можно наблюдать образование высолов, в результате взаимодействия органических кислот с материалом. Процесс разрушения кирпичной кладки солями неорганических кислот хорошо изучен и описан в труде Инчика В. В. «Высолы и солевая коррозия кирпичных стен», 2000. Работа посвящена углубленному изучению физико-химических процессов, связанных с образованием высолов на кирпичной стене и развитием солевой коррозии кирпичной кладки, освещены очень важные вопросы, связанные с кристаллизационным давлением в порах компонентов кладки и агрессивным воздействием растворимых соединений на прочность кирпича и кладочного раствора.

Немало важным аспектом образования высолов на строительных материалах отмечены влажностно-температурные условия окружающей среды [2]. Эти же условия характерны для благоприятного роста биодеструкторов. В таком случае, можно предположить, что при определенных значениях температуры и влажности среды, возможно наблюдение непрерывного роста грибов — выделение ими метаболитов реакций, в частности органических кислот, которые при тех же условиях способствуют кристаллизации, образуя высолы, а также, с учетом проникновения спор грибов в невидимое глазу поровое пространство, кристаллизация может происходить как на поверхности, так и внутри строительных материалов.

В большинстве случаев известная на данный момент литература описывает образование солей, имеющих неорганическую природу, то есть образованные анионами неорганических кислот. Иными словами, образование солей, происходящее из-за явления увлажнения строительных конструкций, которая происходит в результате увлажнения от погодных условий или грунтовых вод [8, 11], в пористой структуре строительных материалов, вымывание растворимых солей и повторную кристаллизацию этих солей уже непосредственно в пористой структуре или на поверхности материала.

В то же время, если говорить об изучении механизма деструкции строительных материалов органическими кислотами, которые являются продуктами метаболизма грибов, следует констатировать, что механизм совершенно не изучен. Некоторые ученые согласны с мнением о том, что определенные микроорганизмы наносят вред, приводящий к «биокоррозии». Однако, наиболее изучены разрушения строительных материалов неорганическими кислотами: азотная и серная, которые выделяются в результате жизнедеятельности нитрифицирующих, тионовых, железо- и других бактерий [5, 17],

Как и говорилось ранее, органические кислоты обладают повышенной агрессивностью, к тому же доказана способность этих веществ более быстро, по сравнению с неорганическими кислотами, вымывать минералы из материала [4, 16, 19], при этом наблюдается формирование стабильных металлорганических комплексов и хелатов. Отмечено так же, что изолированные из строительного камня грибы, продуцируют кислоты, резко ускоряющие процесс деструкции. Такими кислотами были щавелевая и лимонная [7, 18].

Все сказанное свидетельствует о разрушающем воздействии грибов и продуцируемых ими метаболитов на строительные материалы. В большей степени стоит акцентировать внимание на агрессивном воздействии органических кислот. Одним из шагов, на пути решения данного вопроса является правильная оценка ущерба, причиненного вследствие их воздействия, а также разработка самих критериев оценивания. Исследование описанных выше процессов поможет ликвидировать последствия биоповреждений, исключить экологическую опасность и уменьшить экономические затраты.

Литература:

1. Е. Л. Пехташева, А. Н. Неверов, Г. Е. Заиков, О. В. Стоянов Биодеструкция и биоповреждения материалов. Кто за это в ответе? 2012 // Вестник Казанского технического университета. 2012. Т. 15. № 8. С. 222–233.
2. Инчик В. В. «Высолы и солевая коррозия кирпичных стен» Диссертация в виде монографии на соискание учёной степени доктора технических наук. СПб: СПбГАСУ, 2000. — 48 с.
3. К. В. Баринова, Д. Ю. Власов, С. М. Щипарев, М. С. Зеленская, А. В. Русаков, О. В. Франк-Каменецкая Органические кислоты микромицетов, изолированныъ с каменистых 2010 // Микология и фитопатология. 2010. T. 44. № 2. C. 137–142.
4. Becker T. W., Krumbein W. E., Warscheid T., Resende M. A. Investigations into Microbiology // In: Bianchi, H.K., (Ed.). IDEAS –– Investigations into devices against Environmental Attack on Stones –– Final Report, 1994. GKSS-Forschungszentrum, Geesthacht, P. 147–190.
5. Bock E., Sand W., MeinckeM., Wolters B., Ahlers B., Meyer C., Sameluck F. Biologically induced corrosion of natural stones –– strong contamination of monuments with nitrifying organisms // In: Houghton D. R., Smith R. N., Eggins H. O. W., (Eds.). Biodeterioration, 1988. Vol. 7, Elsevier Applied Science, London, New York, P. 436–440.
6. Bravery A. F. Biodeterioration of paint –– a state-of-the-art comment // In: Houghton D. R., Smith R. N., Eggins H. O. W., (Eds.). Biodeterioration, 1988. Vol. 7., Elsevier Applied Science, London, New York, P. 466–485.
7. Caneva G., Salvadori O. Biodeterioration of stone // In: Larraini L., Pieper R., (Eds.). 1989. The Deterioration and Conservation of Stone., UNESCO, Paris, 1989. P. 182–234.
8. Eckhardt F. E. W. Solubilization, transport, and deposition of mineral cations by microorganisms –– efficient rock weathering agents. In: Drever J. I., (Ed.). The Chemistry of Weathering., D. Reidel Publ. Comp. Ltd., Dordrecht, 1985. P. 161–173.
9. Hamlet W. M. On occurrence of oxalic acid in fungi / W. M. Hamlet, C. B. Plowright // Chem News. — 1877. — V. 36, № 927. — Р. 93–94.
10. Han Y. Oxaloacetate hydrolase, the C–C bond lyase of oxalate secreting fungi / Y. Han, H-J. Joosten, W. Niu, Z. Zhao, P. S. Mariano, M. M. Calman, J. van Kan, P. J. Schaap, D. Dunaway-Mariano // The journal of biological chemistry. — 2007. — V. 282, № 13. — Р. 9581–9590.
11. Krumbein W. E. Rôle des microorganismes dans la genèse, la diagènese et la degradation des roches en place // Rev. Ecol. Biol. Sol. 1972.Vol. 9. P. 283–319.
12. Magnuson J. K. Organic acid production by filamentous fungi / J. K. Magnuson, L. L. Lasure // Advances in fungal biotechnology for industry, agriculture, and medicine. — 2004. — Р. 307–340.
13. Munir E. A physiological role for oxalic acid biosynthesis in the wood-rotting basidiomycete Fomitopsis palustris / E. Munir, J. J. Yoon, T. Tokimatsu, T. Hattori, M. Shimada // Proc. natl. acad. sci. — 2001b. — V. 98. — P. 11126–11130
14. Munir E. New role for glyoxylate cycle enzymes in wood-rotting basidiomycetes in relation to biosynthesis of oxalic acid / E. Munir, J. J. Yoon, T. Tokimatsu, T. Hattori, M. Shimada // J. Wood Sci. — 2001a. — V. 47. — P. 368–373.
15. Papagianni M. Advances in citric acid fermentation by Aspergillus niger: Biochemical aspects, membrane transport and modeling / M. Papagianni // Biotechnology Advances. — 2007. — № 25. — Р. 244–263.
16. Resende M. A., de Castro Rezende G., Viana E. M., Becker T. W., Warscheid T. Acid production of fungi isolated from stones of historical monuments of state of Minas Gerais, Brazil // In: Second LABS (Latin American Biodeterioration Symposium), Gramado, Brazil, 1996. P. 65–67.
17. Sand W., Bock E. Biodeterioration of mineral materials by microorganisms –– biogenic sulfuric and nitric acid corrosion of concrete and natural stone // Geomicrobiological Journal. 1991. Vol. 9. № 2–3. P. 129–138.
18. Webley D. M., Henderson M. E. K., Taylor I. F. The microbiology of rocks and weathered stones // Journal of Soil Science. 1963. Vol. 14. P. 102–112.
19. Willimzig M., Bock E. Enlargement of mortars by nitrifyers, heterotrophic bacteria and fungi // In: Bousher A., Chandra M., Edyvean R., (Eds.). Biodeterioration and Biodegradation., Institute of Chemical Engineers, Rugby, 1995. P. 195–198.