МИКРООРГАНИЗМЫ КАК БИОДЕСТРУКТОРЫ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ

УДК [579.8:57.04:575.8+72.025](571.122Сургут)

Арсланова М.М., Ямпольская Т.Д.

Arslanova M.M., Yampolskaya T.D.

МИКРООРГАНИЗМЫ КАК БИОДЕСТРУКТОРЫ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

MICROORGANISMS AS BIODESTRUCTORS OF DIFFERENT MATERIALS

В статье рассматривается проблема процессов биоповреждения различных материалов, вызванная геохимической деятельностью микроорганизмов и их ферментативной активностью. Особое внимание уделяется выявлению основных агентов биоповреждения и определению обсемененности различных материалов.

This article considers the problem of biodeterioration processes of different materials caused by geochemical activity of microorganisms and their enzymatic activity. The focus is on the identification of key agents of biodeterioration and definition of the contamination of different materials.

Ключевые слова: биоповреждение, микроорганизмы - биодеструкторы, обсеменен-ность, бактериальная микрофлора, мицелиальная микрофлора, идентификация, биоциды.

Keywords: biological damage, microorganisms-biodestructors, contamination, bacterial microflora, filamentous microorganisms, identification, biocides.

В социальной и культурной сферах утраты от биоповреждений являются одними из наиболее трудно оцениваемых. Значительные потери человечество несет из-за разрушения памятников культуры, произведений искусства, архивных документов [4, 6]. Обеспечение эффективного противодействия биоповреждениям различных строительных конструкций, вызываемым жизнедеятельностью различных микроорганизмов, становится все более острой научной и практической проблемой в области эксплуатации и сохранения памятников архитектуры [11].

Микробиологические исследования объектов культурного наследия активно ведутся в последние десятилетия как в Российской Федерации, так и в других странах [1, 2]. Это связано в первую очередь с процессами биоповреждения памятников истории и культуры, вызванными геохимической деятельностью микроорганизмов и их ферментативной активностью в каменной кладке и настенных росписях в исторических зданиях, музеях, церквях и монастырях, на поверхности мрамора скульптур [10]. Также большую проблему составляет сохранность и поддержание элементов памятников архитектуры, выполненных из металлов и их сплавов.

В связи с вышесказанным работы, касающиеся изучения биоповреждения памятников архитектуры, представляют большую значимость, а поиск новых методов их оценки, идентификации и борьбы с ними - актуальными.

Таким образом, целью работы стало выявление основных агентов биоповреждений памятников архитектуры г. Сургута.

В исследовании использовались памятники г. Сургута, изготовленные из бронзы, гранита, металла (железа), бетона, гипса, камня и металлопластика с разным возрастом эксплуатации.

Для исследований использовался метод смыва с применением стерильного физраствора и стерильных ватных тампонов. Пропитанным физраствором тампоном проводили смыв с

определенного материала площадью 30-50 см , помещали его в пробирку и сохраняли его там до посева (посев проводился в тот же день). Пробы отбирались на высоте 1,5 м от почвы. Микробиологический анализ проводили методом Коха с высевом соответствующего разведения и/или без разведения на универсальные и селективные питательные среды.

Для выявления общей обсемененности материала (ОМЧ) определенной группой микроорганизмов пользовались формулой: Х = (а • 10")/S, где а - количество колонеобразующих единиц (КОЕ); 10" - разведение; площадь взятия смыва. Полученный результат пересчитывали на 1 см2 площади материала, согласно площади отбора проб.

Для выявления основных агентов биоповреждений памятников архитектуры использовали: питательный агар (ПА) - для определения общей микробной численности (ОМЧ) сапрофитной гетеротрофной микрофлоры; пептонно-декстрозный агар Ваксмана - для общего учета микроскопических грибов; среда «М» - для выделения и культивирования алкало-фильных метилобактерий; питательная среда для видов Thiobacillus, обитающих в некислой среде; питательная среда Скермана - для культивирования нитрифицирующих бактерий (среда использовалась в двух вариантах: для Nitrosomonas и Nitrobacter - I и II фаз нитрификации).

Для выявления доминирующих родов и видов бактерий и микроскопических грибов проводили изучение морфолого-физиологических и биохимических свойств микроорганизмов [8, 9].

Результаты исследований показали, что наименее обсемененным из всех материалов, участвующих в исследованиях, является бронза. Наибольшая численность микроорганизмов на бронзовых скульптурах обнаружена на скульптуре памятника А.С. Пушкину (34 КОЕ/см ). Это может быть связано с тем, что данный памятник находится рядом с транспортной магистралью, без зеленой зоны. В свою очередь наименьшей обсемененностью обладают памятники Кириллу и Мефодию, улыбке и медсестре. Их общая обсемененность составляет в среднем 1,5-11 КОЕ/см (рис. 1).

Гранитная часть памятника А.С. Пушкину оказалась наименее обсемененной (2 КОЕ/см ). Наиболее обсемененным из гранитных памятников оказался обелиск сургутянам, ушедшим на фронт, (83 КОЕ/см2).

90 80 70 ^60 « 50

о 40

Ы 30 20

Ю ±1,73j

0

£V

±1,11

±1,72

±2,30

±3,0

±1,72

1Д1+1'7?0-НО А1'72

У

¿Г ^ ^ #

S* #

^ С/ 4 л>

4

±1,12

1бронза Ю гранит

Г ^ сГ

Объекты исследования

Рис. 1. Общая микробная обсемененность памятников из бронзы и гранита

Из всех представленных в исследовании материалов наибольшая численность микроорганизмов выявлена на бетоне (рис. 2). Биосопротивление бетонных композитов ограничено их природой, поскольку капиллярно-пористые материалы склонны к взаимодействию с микроорганизмами и продуктами их жизнедеятельности, их более быстрому проникновению (распространению) вглубь материала [3].

18000

16000

14000

ъ 12000

и

и 10000

о

Ьй 8000

6000

4000

2000

0

s бетон

±0,57

±0,59

±1,15

П. Обелиск П. A.C. "Аврора" "Айболит" "Факел"

основателям Пушкину

Объекты исследования

Рис. 2. Общая микробная обсемененность памятников из бетона

Максимальная из них - на памятниках основателям г. Сургута и памятном обелиске сургутянам, ушедшим на фронт, (15 333 - 15 033 КОЕ/см2). Это может быть связано с тем, что первый объект исследования находится в центре города, на кольцевой части дороги. Объект в таком случае подвержен влиянию антропогенного фактора, автотранспорта, воздействию птиц.

Микробиологическая коррозия металлов считается одним из распространенных природных и производственных поражающих факторов, причиняющих ущерб металлоизделиям.

На данной диаграмме видно (рис. 3), что максимальная численность микроорганизмов выявлена на памятнике первому поезду, а наименьшая - на памятнике строителю «Железный человек». Такое распределение может быть связано со сроком эксплуатации памятников: памятник первому поезду находится в эксплуатации с 1966 г. с реставрацией в 2003 г.

S w

ы

S

1400 1200 1UUU 800 600 400 200 О

-LI 1.2

П. первому поезду

±3,01

±4,5 I I

П.-экспонат бронетехники

"Железный человек11

Объекты исследования

u металл

Рис. 3. Общая микробная обсемененность памятников из металла

В исследовании было выявлено 9 изолятов, контаминирующих различные материалы памятников архитектуры, представлены в табл. 1.

Таблица 1

Таксономическая характеристика микромицетов, выделенных с различных материалов

Класс Порядок Семейство Род Вид

Hyrhomycetes Hyrhomycetales Moniliaceae Aspergillus А.flavipes

А.niger

A.flavus

Penicillium P.cyclopium

P. chrysogenum

Trichoderma Trichoderma sp.

Dematiaceae Alternaría A. alternata

Tuberculariales Tuberculariaceae Fusarium Fusarium sp.

В результате 7 микромицетов определены до вида, 2 - до рода. Таким образом, мице-лиальная микрофлора представлена следующими родами и видами: Penicillium chrysogenum, Penicillium cyclopium, Penicillium notatum, Aspergillus niger, Aspergillus flavus, Aspergillus flavipes, Trichoderma sp., Alternaria alternata, Fusarium sp.

Как показывает статистика, из всех микроорганизмов наибольшее повреждающее воздействие на промышленные и строительные материалы оказывают микроскопические грибы [5].

Их высокая деструктирующая активность обусловлена способностью адаптироваться к материалам различной химической природы, что связано, прежде всего, с наличием у них хорошо развитого мощного и мобильного ферментного комплекса (табл. 2).

Таблица 2

Частота встречаемости мицелиальной микрофлоры на объектах

Объект Поврежденный материал Процент (%) грибов в общей обсемененности Видовая принадлежность культур

Памятник основателям г. Сургута Гранит 14 % Penicillium notatum

Бетон 5,4 % Aspergillus niger

Памятник Черному лису Гранит 100 % Aspergillus flavipes

Памятник Кириллу и Мефодию Металло-пластик 23 % Trichoderma sp., Alternaria alternata

Памятный обелиск сургутянам, ушедшим на фронт в 1941—1945 гг. Бетон 1 % Penicillium chrysogenum

Памятник А.С. Пушкину Бронза 10 % Fusarium sp.

Скульптурная композиция «Аврора» Бетон 9 % Penicillium cyclopium

Памятник воинам-интернационалистам Гипс 33 % Aspergillus flavus

Скульптуры животных «Айболит» Бетон 1 % Fusarium sp.

Стела «Разорванная труба», или «Факел» Камень 8,6 % Penicillium notatum

Бетон 42,6 % Aspergillus flavipes, Penicillium chrysogenum

Памятник медсестре Бронза 50 % Aspergillus niger

Мемориал Славы (Вечный огонь) Бронза 50 % Penicillium cyclopium, Aspergillus niger

Гранит 20,6 % Fusarium sp.

Памятник первому поезду Металл 2,5 % Trichoderma sp., Alternaria alternata

При выявлении процентного соотношения микроскопических грибов отмечено, что основную долю составили представители рода Penicillium - 14 изолятов (37,8 % от общего числа изолятов), на втором месте - р.Aspergillus - 9 (24 %) изолятов; 5 (13,6 %) изолятов приходится на р.Alternaria и р.Trichoderma. В единичных случаях встречался Fusarium 4 (11 %) изолятов.

Значительно чаще других на материалах обнаруживались Penicillium (с частотой встречаемости 37,8 %) и Aspergillus (24 %) - хорошо известные контаминанты строительных материалов и конструкций (рис. 4).

Рис. 4. Частота встречаемости микроскопических грибов на объектах

Частое выделение с материалов Aspergillus объясняют наличием у этого гриба широкого спектра ферментов, позволяющих быстро адаптироваться к изменениям условий существования [7]. Оба рода (Aspergillus и Penicillium) способны ухудшать эксплуатационные характеристики строительных материалов. Механизм воздействия в основном состоит в химическом разрушении материала под действием органических кислот [3].

Виды Alternaria alternata, Trichoderma sp. были обнаружены только на металле и ме-таллопластике. Это может быть связно с тем, что в состав пластмасс (и других полимерных материалов) входят сложные пластификаторы. Пластификаторы на основе адипиновой и се-бациновой кислот являются хорошей питательной средой для мицелиальной микрофлоры.

В исследовании было выявлено 17 изолятов, колонизирующих различные материалы памятников истории и культуры. В результате 8 микромицетов определены до вида, 9 - до рода (табл. 3).

Таблица 3

Таксономическое положение выделенных видов (по Берджи, 1997)

Категория Группа Семейство Род Вид

Грам-отрицательные Грамотрицательные, аэроб-ные/микроаэрофильные палочки и кокки Pseudomonadales Azomonas -

Alcaligenes А.latus

Methylobacterium -

Pseudomonas P.fluorescens

Enterobacteriaceae Escherichia E.coli

Окончание табл. 3

Категория Группа Семейство Род Вид

Грампо-ложи-тельные Грамположительные кокки Deinococcaceae Deinococcus -

Peptococcaceae Sarcina S.alba

S.flava

Planococcaceae Planococcus -

Micrococcaceae Micrococcus М.roseus

Грамположительные палочки и кокки, образующие эндоспоры Bacillaceae Bacillus B.subtilis

B. cereus

Грамположительные неспо-рообразующие палочки неправильной формы Micrococcaceae Artrobacter -

Actinomycetaceae Actinomyces -

Аэробные хемолитотрофные бактерии и родственные организмы Hydrogenophilaceae Thiobacillus -

Nitrobacteriaceae Nitrobacter -

Nitrosomonas -

Представленные результаты показывают, что в условиях нашего города на памятниках архитектуры обнаруживается преимущественно органогетеротрофная микрофлора (Micrococcus roseus, Planococcus sp., Bacillus subtilis, Bacillus cereus, Sarcina alba, Sarcina flava, Deinococcus sp., Alcaligenes latus, Pseudomonas fluorescens, Grenothrix sp., Actinomyces sp.). Это может быть связано с тем, что поврежденные участки материалов обильно населены зелеными и сине-зелеными водорослями, особенно в микротрещинках, что является питательным субстратом для органогетеротрофов, которые получают энергию за счет окисления органических веществ. В состав материалов входят вещества на основе различных кислот, которые также являются питательной средой для микроорганизмов. Также значительное влияние на развитие органогетеротрофов оказывает пылевое и механическое загрязнение скульптур.

В процессе своей жизнедеятельности органогетеротрофы продуцируют ферменты, ке-тоны, спирты и такие агрессивные метаболиты, как кислоты - органические (щавелевая, гли-колевая, янтарная, уксусная и др.) и неорганические (азотная, серная и др.), а также аммиак, сероводород, метан, углекислый газ. Продукты их жизнедеятельности могут играть роль мощных катализаторов, разрушающих материал химических процессов, ускоряя химические реакции в несколько раз. Некоторые микроорганизмы, например тионовые бактерии, могут увеличить скорость реакции в сотни тысяч и даже в миллионы раз. Под воздействием метаболитов биодеструкторов разрушаются бетон, природный камень, отделочные материалы. Многие виды микроорганизмов способны сорбировать влагу из воздуха, выделять воду в качестве метаболита, что ведет к избыточному увлажнению строительного материала, растворению загрязнителей и развитию других микроорганизмов.

На объектах исследования видовой состав микрофлоры и ее количественные показатели зависят от состава материала, места расположения, антропогенного фактора, автотранспортной нагрузки, воздействия птиц и других факторов (табл. 4).

Таблица 4

Основные бактериодеструкторы, выделенные на различных материалах

Объект Поврежденный материал Видовая принадлежность культур

Памятник Кириллу и Мефодию Металлопластик Pseudomonas fluorescens, Planococcus sp., Micrococcus roseus, Actinomyces sp., Escherichia coli

Бронза Pseudomonas fluorescens., Planococcus sp., Micrococcus roseus, Sarcina alba, Deinococcus sp., Alcaligenes latus, Azomonas sp.

Окончание табл. 4

Объект Поврежденный материал Видовая принадлежность культур

Памятник основателям города Сургута Гранит Pseudomonas fluorescens, Planococcus sp., Bacillus subtilis, Sarcina sp., Deinococcus sp., Alcaligenes latus

Стыки Pseudomonas sp., Planococcus sp., Arthro-bacter sp., Nitrobacter sp., Nitrosomonas sp.

Памятный обелиск сургутянам, ушедшим на фронт в 1941-1945 гг. Бетон Pseudomonas sp., Planococcus sp., Arthro-bacter sp., Nitrobacter sp., Nitrosomonas sp., Micrococcus sp.

Гранит Pseudomonas fluorescens, Planococcus sp., Micrococcus roseus, Bacillus subtilis, Sarcina flava, Deinococcus sp., Actinomyces sp.

Памятник Черному лису Бронза Pseudomonas fluorescens., Micrococcus sp., Bacillus sp., Sarcina sp., Deinococcus sp., Alcaligenes latus

Гранит Planococcus sp., Sarcina alba, Deinococcus sp., Alcaligenes sp., Actinomyces sp., Methy-lobacterium sp.

Памятник А.С. Пушкину Гранит Sarcina alba, Deinococcus sp., Escherichia coli

Стыки Pseudomonas fluorescens, Planococcus sp., Arthrobacter sp., Azomonas sp.

Бронза Pseudomonas fluorescens, Planococcus sp., Azomonas sp.

Скульптура «Аврора» Бетон Nitrobacter sp., Nitrosomonas sp., Azomonas sp., Methylobacterium sp.

Памятник воинам-интернационалистам Бронза Planococcus sp., Methylobacterium sp., Escherichia sp.

Гипс Pseudomonas sp., Planococcus sp., Micrococcus roseus, Bacillus cereus, Sarcina flava, Actinomyces sp., Methylobacterium sp.

Скульптуры животных «Айболит» Бетон Pseudomonas sp., Planococcus sp., Nitrobacter sp., Nitrosomonas sp., Methylobacterium sp.

Стела «Разорванная труба», или «Факел» Бетон Pseudomonas sp., Planococcus sp., Arthrobacter sp., Nitrobacter sp., Nitrosomonas sp.

Камень Alcaligenes latus, Pseudomonas sp., Actinomyces sp., Azomonas sp., Methylobacterium sp.

Памятник медсестре Бронза Micrococcus sp., Alcaligenes latus, Pseudomonas sp.

Мемориал Славы (Вечный огонь) Бронза Micrococcus sp., Planococcus sp., Bacillus cereus, Azomonas sp.

Гранит Deinococcus sp., Alcaligenes latus, Azomonas sp.

Памятник первому поезду Металл Planococcus sp., Thiobacillus sp., Grenothrix sp.

Памятник-экспонат бронетехники Металл Thiobacillus sp., Grenothrix sp.

Памятник строителю «Железный человек» Металл Pseudomonas sp., Grenothrix sp.

Памятник улыбке Бронза Azomonas sp., Methylobacterium sp., Escherichia coli

В ходе нашего исследования мы выявили, что такие рода бактерий, как Pseudomonas, Planococcus, выделяются на всех материалах памятников архитектуры, на бетоне - Arthro-bacter sp., Nitrobacter sp., Nitrosomonas sp. (рис. 5), на металле - Thiobacillus sp., Grenothrix sp.

12UU 1000

Р, 800

S w

Ы 600 §

400 200 0

±0,86

+0,57

+ 1,42 ±0,57 I tZ!

±0,21 ±0-57 ±0>44±1,22 ±1,09 ±М4

□ Nirrosomonas UNitrobacter

П. П. A.C. "Айболит" "Факел" "Аврора"

основателям Пушкину

Объекты исследования

Рис. 5. Частота встречаемости нитрифицирующих бактерий на бетоне

Нитрифицирующие бактерии являются наиболее активными возбудителями коррозии строительных материалов (бетон, строительная керамика и др.). В результате своей жизнедеятельности обуславливают образование таких кислот, как HNO3, H2SO4, COOH, агрессивной углекислоты как источник углекислой коррозии. Коррозионная активность нитрифицирующих бактерий определяется экологическими условиями: наличием энергетического субстрата, влажностью, концентрацией ионов водорода и т.д.

В результате исследований мы выявили, что независимо от состава материала доминирует органогетеротрофная микрофлора (Microccocus, Planococcus, Bacillus, Sarcina, Deino-coccus, Alcaligenes, Pseudomonas, Actinomyces). Наиболее обсемененным материалом является бетон (обелиск сургутянам, ушедшим на фронт в 1941-1945 гг.) - 15 033,33 КОЕ/см2, который используется как в качестве основного материала, так и для заделки швов. Также высокую обсемененность имеет гипс - 3 181 КОЕ/см . Наименьшая обсемененность выявлена на граните - 9,67 КОЕ/см2. Незначительно контаминированы такие материалы, как бронза и металлопластик. Проведенная идентификация показала, что бактерии Pseudomonas sp., Planococcus sp. выделяются из всех материалов, на бетоне - рода Arthrobacter, Nitrobacter, Nitrosomonas, на металле - рода Thiobacillus, Grenothrix. Из мицелиальной микрофлоры значительно чаще на всех материалах встречались Penicillium sp. и Aspergillus sp. Виды Alternaria alternata, Trichoderma sp. встречались только на металле и металлопластике.

Литература

1. Власов А. Д. Геоэкологические факторы разрушения гранита-рапакиви и особенности его биообрастания в нарушенных экосистемах // Известия Российского государственного педагогического университета им. А.И. Герцена. 2012. № 153(2). С. 39-46.

2. Власов Д. Ю. Микромицеты в литобионтных сообществах: разнообразие, экология, эволюция, значение : автореф. дис. ... д-ра биол. наук. СПб., 2008. 26 с.

3. Гусева А. Ю. Биодеструкторы цементных материалов // Биоповреждения и биокоррозия в строительстве : мат-лы Междунар. науч.-техн. конф. Саранск : Изд-во Мордов. гос. ун-та, 2004. С. 33-34.

4. Дзендзелюк Л. С., Льода Л. М. Дезинфекция документов на пергаментной основе // Современные проблемы и пути их решения в науке, на транспорте, в производстве и образовании. М. : Индрик, 2012. С. 1-9.

5. Ерофеев В. Т., Морозов Е. А. Микроорганизмы - разрушители материалов и изделий // Биоповреждения и биокоррозия в строительстве : мат-лы Междунар. науч.-техн. конф. Саранск : Изд-во Мордов. гос. ун-та, 2004. С. 39-51.

6. Заборовская В. А. Сохранность и доступность документального памятника: Аспекты реставрации и трансляции // Общество. Среда. Развитие. 2012. № 4(25). С. 182-186.

7. Ильичёв В. Д., Бочаров Б. В., Биоповреждения : учеб. пособие для биол. спец. вузов. М. : Высш. шк., 1987. 352 с.

8. Определитель бактерий Берджи : в 2 т. : пер. с англ. / под ред. Дж. Хоулта, Н. Крига, П. Снита, Дж. Стейли, С. Уильямса. М. : Мир, 1997. Т. 1. 432 с.

9. Определитель бактерий Берджи : в 2 т. : пер. с англ. / под ред. Дж. Хоулта, Н. Крига, П. Снита, Дж. Стейли, С. Уильямса. М. : Мир, 1997. Т. 2. 368 с.

10. Петушкова Ю. А. Методологические аспекты исследования микробиоты памятников истории и культуры : автореф. дис. ... канд. биол. наук. М., 2005. 19 с.

11. Шаповалов И. В. Биоповреждение строительных материалов плесневыми грибами : автореф. дис. ... техн. наук. Белгород, 2003. 149 с.