CC BY
16УДК 691.53
ТОКСИЧНОСТЬ СВЯЗУЮЩИХ КАК ЭЛЕМЕНТА ГОРОДСКОЙ ЭКОСИСТЕМЫ
Строкова В.В., Нелюбова В.В., Рыкунова М.Д., Данакин Д.Н
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, д. 46, 1wstrokova@gmail.com, 2nelybova.vv@bstu.ru, tumashova93@mail.ru3, danakin93@mail.ru4
Аннотация. В настоящее время отмечается активная урбанизация территорий. Современные строительные композиты часто содержат небезопасные для окружающей среды компоненты органической и неорганической природы. Подобные вещества могут оказывать негативное воздействие на живые системы, за счет изменения биотических взаимосвязей между организмами, биологического круговорота, снижения численности живых организмов и сокращение биоразнообразия. В статье приведены результаты исследования токсикологического эффекта вяжущих различного состава на жизнедеятельность тест-объектов, входящих в разные экологические группы. Анализ воздействия на растительные культуры произведен на основании данных фитотестирования. Исследование воздействия связующих на объекты животного происхождения осуществляли с использованием метода кратковременного тестирования. На основании полученных данных вяжущие были проранжированы по степени увеличения токсического воздействия. Предмет исследования: оценка экологического влияния вяжущих, применяемых при проектировании композитов строительного назначения, на экосистему убанизированных территорий методами биотестирования. Материалы и методы: В качестве объектов исследования использовались цементы ЦЕМ I 42,5Н и ЦЕМ III 32,5Н производства ЗАО «Белгородский цемент», гипс Г-5 Б-II производства ООО «Адиюх-1» (Карачаево-Черкесская Республика, Россия). Для сравнения в работе применялись бесцементные вяжущие негидратационного типа твердения -наноструктурированные вяжущие на основе кварцевого песка и гранита, и геополимеры, как на основе природного, так и на основе техногенного сырья: в качестве сырья использовались перлит Мухор-Талинского месторождения, а также зола-уноса Троицкой ГРЭС (РФ). Токсичность материалов оценивалась на основании данных об их влиянии на жизнедеятельность тест-культур путем биотестирования водных вытяжек, полученных из исследуемых материалов. При комплексном изучении токсичности материала необходимо проводить биотестирование на живых организмах, принадлежащих к различным экологическим группам, поэтому в качестве тест-объектов были выбраны представители растений - зерна овса, и животных - Daphnia Magna. Из анализированных функций были выбраны следующие показатели: интенсивность роста и жизнеспособность.
Результаты: Независимо от вида тест-объекта влияние вяжущих обусловлено выходом в раствор различных элементов (ионов кальция или тяжелых металлов). При этом в случае растительных культур насыщение раствора элементами оказывает положительное влияние (отсутствие ингибирующего эффекта), а в случае животных особей - увеличение токсического воздействия.
Выводы: Полученные фактические данные позволили проранжировать изученные вяжущие по степени увеличения их токсичности по отношению к тест-объектам растительного (овес) и животного происхождения (дафнии) в следующей последовательности: НВк^НВг^Гипс^ПЦ^ШПЦ^ГВз^ГВп.
Ключевые слова: вяжущее, биотестирование вяжущих, биокоррозия, токсичность, экосистема, урбанизация.
ВВЕДЕНИЕ
Среди глобальных проблем современного мира проблема экологии занимает особое место, так как она носит исключительно транснациональный и межгосударственный характер и охватывает все уровни существования живых организмов. Скачок развития технологий позволил человеку контролировать многие природные процессы, происходящие на Земле, обустраивать территории непригодные для жизни, тем самым разрушая естественный экосистемный баланс, основанный на законе внутреннего динамического равновесия. Интенсивность урбанизации территорий приводит к приспособлению биоты, как наиболее чуткой
состовляющей урбогеосистемы, тем самым провацируя ее к ответной реакции различной длительности и интенсивности [1].
Ярким примером ответной реакции биоты на процессы модернизации городской экосистемы является микробиологическая коррозия
(биокоррозия). Микроорганизмы (агенты биокоррозии) взаимососуществуют с окружающей средой путем постепенного заселения техногенных и индустриальных объектов, адаптируя их с учетом своей физиологической толерантности. Гомеостаз патогеных микроорганизмов ярко демонстрируется и напрямую зависит от условий городской экосистемы [2]. Таким образом, чем защищенней будет материал от воздействия микроорганизмов, преобладающих в той или иной среде, тем ярче
будет ответная реакция вида (мутация). Это особенно актуально в тех случиях, где метаболизм микроорганизмов прогрессирует за счет благоприятных условий, например, в области агропромышленого производства, которое сопровождается постоянным образованием большого количества отходов [3], которые являются неотъемлемой частью технологического процесса получения продукции.
Из всего вышесказанного следует, что при проектировании новых композитов строительного назначения в первую очередь необходимо создавать материал, способный сохранять естественный баланс внутри сформировавшейся биоты и гармонично существовать в рамках рассматриваемой экосистемы, а также учитывать его основные эксплуатационные характеристики. Все это ставит задачи по разработке материалов, используемых для возведения зданий и сооружений, с учетом их экобезопасности и биопозитивности.
АНАЛИЗ ПУБЛИКАЦИЙ
К настоящему времени учеными изучено влияние агентов биокоррозии на основные эксплуатационные характеристики строительных материалов различного назначения [4-9]. Значительный вклад в развитие обозначенного научного направления вносится исследователями Национального исследовательского Мордовского государственного университета имени Н.П. Огарева во главе с академиком РААСН В.Т. Ерофеевым. Работами коллектива под его руководством изучена стойкость минеральных и органических вяжущих различного состава по отношению к основным агентам
микробиологической коррозии, преимущественно плесневым грибам различных родов [10-15]. Большой вклад в современное представление о защите от биоразрушений привнесли исследователи Казанского ГАСУ под руководством В.Ф. Строганова. Авторским коллективом изучены особенности взаимодействия продуктов метаболизма микромицетов с материалами строительного назначения различной природы и состава [16-19]. Предложен способ оценки коррозионной стойкости конструкций за счет моделирования агрессивной среды, формируемой продуцентами агентов коррозии [20, 21].
Стоит отметить, что биокоррозия, оказывающая деградационное воздействие на строительные конструкции, является предметом изучения не только российских, но и зарубежных ученых [22, 23]. Как и в отечественных публикациях, иностранные статьи посвящены, в основном, изучению процессов, обеспечивающих разрушение материала в результате действия микроорганизмов, а также поискам способов снижения ее негативного воздействия. Так, в работе [24] показана возможность создания поверхности, обладающей антимикробными свойствами, благодаря наличию специального материала
ацикличного ^халамина. ^халамины снижают активность бактерии путем прямого окисления биомолекул внутри микроорганизма. Явление, называемое «Синдромом больного здания» описывается в работе [25]. Синдром вызывает симптомы, аналогичные респираторным заболеваниям, но обусловленные внешними факторами: плесенью, пылью, вредными летучими веществами и прочими раздражителями и аллергенами.
Однако, существует необходимость совершенствования комплексного подхода в разработке материалов с обеспеченной микробиологической стойкостью. Для
формирования комфортной среды
жизнедеятельности более целесообразным представляется получение оптимальных составов композитов на стадии их проетирования за счет варьирования взаимоисключающих свойств экобезопасности и биопозитивности. Достижение золотой середины между двумя этими показателями позволит получать экологически безопасные материалы строительного назначения при минимальном загрязнении окружающей среды и токсическом воздействии для оптимального функционирования системы «материал - организм - урбогеосистема». Исходя из всего вышесказанного основной целью настоящей работы является оценка токсичности вяжущих различного состава и типа твердения методами биотестирования.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
В качестве объектов исследования использовались цементы ЦЕМ I 42,5Н (далее ПЦ) и ЦЕМ III 32,5Н (далее IGW) производства ЗАО «Белгородский цемент», гипс Г-5 Б-II (далее Г) производства ООО «Адиюх-1» (Карачаево-Черкесская Республика, Россия). Для сравнения в работе применялись бесцементные вяжущие негидратационного типа твердения -наноструктурированные вяжущие на основе кварцевого песка и гранита (НВк и НВг соответственно), разработанные авторским коллективом БГТУ им. В.Г. Шухова [26, 27], и геополимеры как на основе природного, так и на основе техногенного сырья: в качестве сырья использовались перлит Мухор-Талинского месторождения (далее ГВп), а также зола-уноса Троицкой ГРЭС (РФ). Оценку фитотоксичности геополимеров на основе зол-уноса в настоящей работе не производили, поскольку ранее выполненными исследованиями авторского коллектива обоснована низкая токсичность геополимерных вяжущие на основе техногенного сырья - низкокальциевой золы-уноса ТЭС [30].
Токсичность материалов оценивалась на основании данных об их влиянии на жизнедеятельность тест-культур растительного и животного происхождения, путем биотестирования водных вытяжек, полученных из исследуемых
материалов. рН всех растворов определяли с помощью прибора OYSTER-10.
При комплексном изучении токсичности материала необходимо проводить биотестирование на живых организмах, принадлежащих к различным экологическим группам, поэтому в качестве тест-объектов были выбраны представители растений -зерна овса, и животных - Daphnia Magna. Из анализированных функций были выбраны следующие показатели: интенсивность роста и жизнеспособность.
В первом случае изучалась степень опасности вяжущих по методике, изложенной в работе [28], заключающейся в исследовании прорастаемости корней семян тест-культур, помещенных в водную вытяжку исследуемых материалов. В качестве модельной тест-культуры использовались семена овса, характеризующиеся стабильной всхожестью (не менее 95 %) и воспроизводимостью данных по сравнению с семенами других культур.
В соответствии с методикой исследуемые образцы были измельчены до грубодисперсного состояния, навески массой 10 г помещали в мерные колбы и заливали дистиллированной водой, отстаивали при комнатной температуре в течение трех суток. По истечению времени колбы встряхивали в течение 2 часов в лабораторном шейкере и сепарировали с помощью фильтровальной бумаги. Рабочие растворы получали при разведении полученного экстракта дистиллированной водой в соотношении 1/10; 1/100; 1/1000.
Зерна тест-культуры проращивались в чашках Петри, в качестве контрольной среды выступала дистиллированная вода. На дно каждой чашки помещали фильтровальную бумагу, на которую выкладывали по 25 семян овса равномерно по всей площади чашки. Все чашки были затворены водной вытяжкой исследуемого материала (по 5 мл), с распределением раствора по всему дну чашки. После приготовления образцы помещались в термостат на 7 суток. По истечению указанного времени был осуществлен контрольный замер длины корней зерна тест-культуры в контрольных и опытных пробах. Объектом измерения у каждого семени являлся корень максимальной длины.
Визуальная оценка исследуемых образцов проводилась независимо от расчетного способа, так как при расчетном способе учитывается лишь длина корня наиболее активного проростка овса, что не даёт полного представления о фитотоксичности исследуемого материала.
Определение фитотоксического эффекта расчетным способом проводили путем сопоставления результатов контрольных и опытных семян тест-культуры. В качестве количественной оценки фитоэффекта выступает расчетная величина
Ет (эффект торможения), которая определяется по формуле:
Ет=СЪк-Ьоп)/Ьк^ 100 %, (1)
где Lk - средняя длина корней тест-культуры в контрольном растворе (мм);
Lon - средняя длина корней тест-культуры в опытном (рабочем) растворе (мм).
При этом порогом фитотоксичности для живых организмов принимается 50 %.
Во втором случае исследование токсичности связующих по отношению к животным организмам осуществляли по методике кратковременного тестирования с использованием ветвистоусых рачков рода Баркпга по причине их наиболее высокой чувствительности к токсикантам различной природы. Из-за примитивности строения низших живых организмов у них отсутствуют дублирующие системы и механизмы, которые обеспечивают устойчивость к различным ксенобиотикам. Оценка токсикологического воздействия проводится по биологическому показанию - выживаемости особей. Биотестирование проводили кратковременным методом [29]. Он основан на определении изменений выживаемости дафний при воздействии токсических веществ, содержащихся в водной вытяжке тестируемых образцов по сравнению с контролем. В настоящей работе оценивали среднее количество тест-объектов, выживших в водных растворах исследуемых веществ за период времени 96 ч по сравнению с контролем.
Для получения водной вытяжки из образцов-балочек на основе различных вяжущих использовали дистиллированную воду ^^6,2), которую предварительно выдерживали в течение 48 часов в открытой емкости и насыщали кислородом посредством аэратора для аквариума.
Для приготовления водной вытяжки образцы-кубики с размером ребра 2 см, были взвешены и залиты дистиллированной водой в соотношении 1/10 по массе. Образцы выдерживали при комнатной температуре в течение 10 суток, что вполне достаточно для миграции химических соединений из образцов в водную среду. После чего твердую фазу сепарировали путем фильтрации, для этого использовали фильтровальную бумагу, разбавляли в концентрациях 1/1 и 1/3, затем подвергали биотестированию.
Посадку синхронизированной культуры дафний в сосуды проводили следующим образом: с помощью стеклянной трубки отлавливали молодых (новорожденных) дафний и подсаживали в емкости с тестируемыми жидкостями и их трехкратного разбавления в количестве 6 или 10 особей в каждую емкость и экспонировали в течение 96 часов.
Рис. 1. Характер роста зерен в контрольной среде Fig. 1. Character of grain growth in control medium
Учет выживших дафний проводили через 1, 24, 48, 72, и 96 ч. Наблюдения проходили ежечасно в начальный период проведения опыта (до 4 ч), в последующие сутки 1-2 раза в день. В ходе наблюдения вели подсчет выживших и погибших организмов, и рассчитывали процент выживших особей. Время гибели рачков отмечали по наступлению неподвижности (дафнии лежат на дне стакана, плавательные движения отсутствуют и не возобновляются при легком покачивании колбы). Дафний во время эксперимента не кормили.
Процент погибших дафний в тестируемой воде по сравнению с контролем рассчитывали по формуле:
А = (Хк-Хт)/Хк , (2)
где Хк - среднее количество дафний, выживших в контроле;
Хт - среднее количество дафний, выживших в тестируемой среде.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ АНАЛИЗ
Визуальная оценка всхожести культур показала существенное влияние состава среды, в которой произрастали зерна (рис. 1-3).
В контрольной среде тест-культура дала хорошую всхожесть (рис. 1 ). На поверхности зерен отсутствуют потемнения, не наблюдается загниваемости. Непроросшие зерна отсутствуют.
В чашах с чистым ПЦ зерна дали хорошую всхожесть (рис. 2, а—г), тем не менее, около 20 % тест-объектов имеют на поверхности потемнения, что может свидетельствовать о внутренних повреждениях зерна. Интересно отметить, что при разбавлении исходного экстракта возрастает количество непроросших зерен в чашах - от 10 % (рис. 2, б) до 16 % (рис. 2, в, г). Это может свидетельствовать о наличии определенных питательных для культуры веществ, концентрация которых в растворе снижается по мере его разбавления, что отрицательно сказывается на всхожести.
чистый 1/10 1/100 1/1000
щ ф
а б в г
щ щ ш
д е ж з
Г <'чЛ\ Г<$1 ш АФ-Кk\ V" * ^
и к л м
Рис. 2. Всхожесть зерен овса, прорастающих в растворах традиционных вяжущих в зависимости от степени разбавления:
а-г портландцемент; д—з шлакопортландцемент; и-м гипс.
Fig. 2. Germination of oat grains growing in solutions of traditional binders, depending on the degree of dilution: а—г portland cement; д—з slag portland cement; и—м gypsum.
На основании визуальной оценки можно сделать вывод об отсутствии ярко выраженного токсического эффекта вытяжки ШПЦ на зерна овса (рис. 2, д—з). В чаше с неразбавленной вытяжкой данного материала (рис. 2, д) до 10 % зерен характеризуются отсутствием корневой системы. Присутствуют незначительные потемнения поверхности зерен без признаков плесени или загнивания.
При разбавлении исходной вытяжки ШПЦ в соотношении 1/10 (рис. 2, е) непроросшие зерна отсутствуют, отмечается хорошее развитие корневой системы, а также большая длина ростков зерна. Увеличение степени разбавления исходного раствора обеспечивает снижение токсического воздействия на объекты.
Гипсовый раствор обеспечивает
положительный рост семян (рис. 2, и—м), при этом около 10 % из них имеют потемнения на поверхности. Наиболее удовлетворительным как по состоянию поверхности зерен, так и по числу ростков, является состояние тест-культуры в чаше с разбавлением гипсового раствора 1/10 (рис. 2, к).
При дальнейшем разбавлении в соотношении 1/100, появляются непроросшие зерна, составляющие 16 % от общего числа тест-объектов, а при разбавлении 1/1000 количество таких зерен увеличивается и достигает 30 %.
В случае бесцементного связующего НВК на основе карцевого песка непроросшие зерна при малых разбавлениях отсутствуют (рис. 3, а, б). Потемнения были замечены в среднем на 10 % зерен от общего числа в чашах.
чистый 1/10 1/100 1/1000
и к л м
Рис. 3. Всхожесть зерен овса, прорастающих в растворах бесцементных вяжущих в зависимости от степени разбавления: а-г наноструктурированное вяжущее из кварцевого песка; д—з наноструктурированное вяжущее из
гранодиорита; и—м геополимерное вяжущее из перлита.
Fig. 3. Germination of oat grains growing in solutions of cementless binders, depending on the degree of dilution: a-г nanostructured binder based on quartz sand; д—з nostructured binder based on granodiorite; и—м geopolymeric binder
based on perlite.
При дальнейшем разбавлении раствора НВк (рис. 3, в, г) было замечено около 15 % непроросших зерен. При этом состояние поверхности можно считать удовлетворительным, при объеме потемневших зерен до 10 % от общего числа.
При использовании НВГ -
наноструктурированного вяжущего, полученного из гранодиорита, количество поврежденных зерен в чаше с неразбавленной вытяжкой составляет около 30 % от общего числа тест-объектов, при этом 15 % от этого количества составляют непроросшие зерна (рисунок 3 д). При дальнейшем разбавлении состояние оболочки зерна заметно улучшается, что отражается на концентрации поврежденных тест-объектов - 15 % при разбавлении в 10 раз (рис. 3, е) и единичные случаи при большем разбавлении в чашах (рис.3, ж, з). При этом при разбавлении в 100 раз в чаше (рисунок 3 ж) количество зерен, не давших росток, составляет 15 %, а при разбавлении вытяжки материала в 1000 раз (рис. 3, з) не
проросшие зерна отсутствуют при максимальной длине ростков.
Анализ состояния зерен, выращенных на вытяжке из геополимера на основе перлита - ГВП, свидетельствует о наличии реакции на токсичность выбранного вяжущего. При отсутствии разбавления исходного экстракта только 20 % зерен дают слабые ростки и лишь около 10 % из них характеризуются наличием зачатков корневой системы (рис. 3, и). Однако, уже на начальной ступени разбавления (рис. 3, к), абсолютно все зерна дают высокие показатели прорастания. Эта тенденция сохраняется при дальнейшем разбавлении. При этом общее число пораженных зерен находится в диапазоне 20-40 %, и максимально при наименьшей степени разбавления.
Значения эффектов торможения
подтверждают данные, полученные в результате визуальной оценки воздействия вытяжек на прорастаемость зерен овса (табл. 1).
Таблица 1. Эффект торможения в зависимости от вида вяжущего и степени разбавления раствора
Максимальным значением эффекта торможения при неразбавленной системе отличается геополимерное вяжущее на основе перлита. Это связано с высоким содержанием активной щелочи, которая при формировании вытяжек из затвердевшего камня, выходит в раствор, существенно увеличивает рН системы и приводит к деградации растительного тест-объекта. Указанное подтверждается снижением
токсического воздействия, выражаемого эффектом торможения, при разбавлении начального раствора.
Шлакопортландцемент характеризуется
средним значением эффекта торможения, близким к значению порогового показателя в 50 %, при неразбавленном растворе, степень воздействия которого при увеличении разбавлении исходного раствора снижается. Вероятным объяснением данного факта является то, что данный вид цемента содержит в своем составе шлаки, химический состав которого отличается наличием существенного количества тяжелых металлов, выступающим канцерогенном для растительных организмов.
В случае портландцемента и НВ на основе гранита начальный раствор характеризуется невысоким эффектом торможения, значение которого меняется при увеличении разбавления растворов. Такая зависимость обусловлена входящими в состав этих материалов сырьевых
компонентов, характеризующихся широким набором элементов не только питательных для растений, но и губительных, что и выражается влиянием растворов на рост овса.
Растворы гипса и НВ на основе песка характеризуются отрицательным значением эффекта торможения. Это означает, что прорастаемость зерен в таком растворе превышала аналогичные показатели для чистой дистиллированной воды. При этом при разбавлении начальных вытяжек эффект торможения увеличивается. Несмотря на схожесть поведения зерен в растворе, это объясняется разными факторами. Так, в случае гипса объяснением указанных явлений может служит следующее: экспозиция гипса в воде приводит к выходу в раствор ионов кальция как основных элементов материала. Известно, что овес является культурой, хорошо произрастающей на кислых почвах, однако, «известкование» почв значительно увеличивает его урожайность. Это и обеспечивает хорошую всхожесть зерен при их росте в модельных экстрактах. Увеличение степени разбавления раствора приводит к обеднению раствора в части снижения питательных веществ, что выражается ростом эффекта торможения.
В случае НВ на кварцевом песке воздействие основано на свойствах песка. Так, природный песок с малым модулем крупности (размер частиц до 1 мм) используется в качестве фильтрующего компонента в системах водоснабжения, бассейнах и т.д. Очевидно, что образец вяжущего, представляющий собой тонкоизмельченный песок с размерами частиц 10-100 мкм, является фильтратом для остатков посторонних примесей в воде. Разбавление исходного раствора, характеризующегося максимальной степенью очистки, приводит к снижению роста зерен.
Анализ воздействия растворов вяжущих на выживаемость животных тест-объетов -ветвистоусых рачков Dafnia - подтверждает зависимости, полученные при изучении влияния вытяжек на растительные культуры (табл. 2).
Table 1. The effect of inhibition, depending on the type of binder and the degree of dilution of the solution
Вид вяжущего Степень разбавления
исходный 1/100
Портландцемент 18,05 12,4
Шлакопортландцемент 42,1 27,5
Гипс -10,5 26,1
НВ на основе кварцевого песка -19,1 23,2
НВ на основе гранодиорита 20,7 22,6
Геополимер на основе перлита 96,5 28,9
Таблица 2. Выживаемость тест-объектов (дафний) в зависимости от вида вяжущего и разбавления раствора Table 2. Survival of test objects (daphnia) depending on the type of binder and dilution of the solution
Количество особей, выживших после экспозиции в
Вид вяжущего растворе (ч), шт.
1 14 24 48 96
Разбавление 1/1
Портландцемент 6 3 1 - -
Шлакопортландцемент 6 1 - - -
Гипс 6 5 4 3 2
НВ на основе кварцевого песка 6 6 6 6 6
НВ на основе гранодиорита 6 6 6 4 4
Геополимер на основе перлита 6 1 - - -
Геополимер на основе золы-уноса 6 2 1 - -
Разбавление 1/3
Портландцемент 6 5 4 - -
Шлакопортландцемент 6 1 - - -
Гипс 6 6 6 5 3
НВ на основе кварцевого песка 6 6 6 6 6
НВ на основе гранодиорита 6 6 6 4 4
Геополимер на основе перлита 6 1 - - -
Геополимер на основе золы-уноса 6 4 2 1 1
Минимальным воздействием, как и в случае с кварцевого песка: летальность особей в данном растительными тестами, характеризуется случае равна 0 независимо от степени разбавления наноструктурированное вяжущее на основе начального раствора (рис. 4).
■ ПЦ ■ ШПЦ I Гипс ■ НВ(к) ■ НВ(г) ■ ГВ(п) ■ ГВ(з)
120 100
.-.о ^ 80 Ь
§ 60 _о
| 40 20 О
а)
120
1 14 24 48 96
Время экспозиции тест-объектов, ч
Рис. 4. Зависимости летальности рачков от вида вяжущего и разбавления начального раствора: а - 1/1; б - 1/3. Fig. 4. Dependences of lethality of crustaceans on the type of binder and dilution of the initial solution: a - 1/1; b - 1/3.
Время экспозиции тест-объектов, ч
■ ПЦ ■ ШПЦ ■ Гипс иНВ(к) иНВ(г) ■ ГВ(п) «ГВ(з)
100 80
t
S 60
_Q
| 40 20 О
Схожие показатели демонстрирует НВ на основе гранодиорита: к концу теста летальность составляет около 30 %, что в два раза меньше по сравнению, например, с гипсовым вяжущим, которое характеризуется минимальным
воздействием на растительные тестируемые культуры (рис. 4, а). Разбавление раствора не меняет показатели летальности дафний в случае НВ на гранодиорите и снижает летальность до 50 % в случае гипсового раствора (рис. 4, б).
Цемент, шлакопортландцемент и геополимеры различного состава характеризуются высокой степенью токсичности по отношению к живым организмам: независимо от степени разбавления полная летальность тест-объектов отмечается уже на первые сутки в случае ШПЦ и геополимера на природном сырье, и на вторые - в случае ПЦ и геополимера на техногенном сырье. При этом геополимерное вяжущее из золы-уноса при увеличении степени разбавления несколько снижает влияние, тем не менее, процент летальности объектов все еще высок (около 80 %). Это связано с большей связностью щелочи в составе геополимера из техногенных компонентов, а значит, при экспозиции образца в воде в раствор выходит меньшее количество растворимых компонентов, оказывающих токсичное воздействие на тест-объекты.
ВЫВОДЫ
Таким образом, в работе произведена оценка биопозитивности как традиционных, так и новых видов бесцементных вяжущих. Обоснована высокая экобезопасность наноструктурированных вяжущих, обусловленная использованием природного «чистого» сырья максимальной степени очистки без использования химических добавок-реагентов. Доказано высокое токсичное воздействие геополимерного связующего на основе природного сырья, что обусловлено низкой степенью связывания свободной щелочи, вводимой в измельченное природное сырье для придания системе вяжущих свойств, что ставит задачи по разработке способов увеличения реакционной активности алюмосиликатного сырья по отношению к щелочеактиватору для минимизации агрессивного воздействия материалов в процессе их эксплуатации. Полученные фактические данные позволили проранжировать изученные вяжущие по степени увеличения их токсичности по отношению к тест-объектам растительного и животного происхождения в следующей последовательности: НВк^НВг^Гипс^ПЦ^ШПЦ^ГВз^ГВп. Тем не менее, все обозначенные в работе виды связующих могут быть использованы для возведения зданий и сооружений при обеспечении требуемых показателей экологической и биологической безопасности.
Работа выполнена при финансовой поддержке в форме государственного задания Минобрнауки России, проект 7.872.2017/4.6, а также в рамках реализации Программы развития
опорного университета на базе БГТУ им. В.Г. Шухова.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Василенко М.И., Гончарова Е.Н. Биологические методы оценки качества среды обитания. М.: Изд-во БГТУ. 2017. 116 с.
2. Василенко М.И., Гончарова Е.Н. Биологические методы в оценке качества городской среды // Управление городом: теория и практика. 2017. № 3 (26). С. 26-33.
3. Курочка П.Н., Чернов А.Е. О механизме коррозии бетона при действии органических агрессивных сред // Изд-во вузов Сев.-Кавк. регион. Техн.н. 1999. № 2. С. 13-17.
4. Semenov, S. A. Biodegradation and durability of materials under the action of microorganism / S. A. Semenov, K. Z. Gumargalieva, G. E. Zaikov. Utrecht (The Netherlands): VSP International Science Publishers. 2003. 199 p.
5. Князева В. П., Фиссер С.В. Механизмы биохимической коррозии строительных материалов в условиях городской среды // Материалы международной конференции «Долговечность и защита конструкций от коррозии». М. 1999. 21 с.
6. Власов Д. Ю., Зеленская Д.Ю., Горбушина
A.А., Богомолова Е.В. Обзор методов исследования грибов, повреждающих памятники архитектуры и искусства // В сб. Трудов БиНИИ СПбГУ «Актуальные проблемы микологии». 2001. № 47. С. 88-100.
7. Свергузова С.В., Гончарова Е.Н., Юрченко
B.А., Балятинская Л.Н. Микробиологическая коррозия бетона тионовыми бактериями // Изв. Высш. уч. заведений. Строительство. 1996. № 10.
C. 68-71.
8. Гончарова Е.Н., Василенко М.И., Нарцев
B.М. Роль микроскопических водорослей в процессах повреждения городских зданий // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2014. № 6. С. 192-196.
9. Родин А.И., Карпушин С.Н., Боциев Б.В., Балатханова Э.М., Смирнов В.Ф., Ерофеев В.Т. Повышение биостойкости цементных композитов с помощью препарата «Ультрадез-био» // Фундаментальные исследования. 2014. № 9-9. С. 1946-1950.
10. Сураева Е.Н., Богатов А.Д., Казначеев
C.В., Смирнов В.Ф., Ерофеев В.Т. Свойства цементно-песчаных композитов, модифицированных биоцидной добавкой // Региональная архитектура и строительство. 2012. № 1. С. 16-21.
11. Ерофеев В.Т., Сальникова А.И., Смирнов В.Ф., Каблов Е.Н., Старцев О.В., Смирнова О.Н., Захарова Е.А., Варченко Е.А. Исследование биостойкости битумных и полимербитумных
композитов и видового состава микобиоты, выделенной с материалов, экспонированных в условиях влажного морского климата и после старения в морской воде // Приволжский научный журнал. 2015. № 3 (35). С. 52-61.
12. Ерофеев В.Т., Родин А.И., Сураева Е.Н., Богатов А.Д., Казначеев С.В. Биоцидный портландцемент // Строительные материалы и технологии. 2016. №1 (63). С. 83-90.
13. Сураева Е.Н., Ерофеев В.Т., Королев Е.В. Исследование биостойких сухих строительных смесей, модифицированных нанотрубками углерода // Вестник МГСУ. 2015. №4. С. 104-114.
14. Ерофеев В.Т., Завалишин Е.В., Смирнов В.Ф., Смирнова О.Н. Повышение биологической стойкости конструкций зданий и сооружений // Вестник Волжского регионального отделения Российской академии архитектуры и строительных наук. 2010. № 13. С. 136-143.
15. Светлов Д.А. Разработка биостоиких композиционных материалов с биоцидными добавками, содержащими гуанидин: дисс. ... канд. техн. наук: 05.23.05. Саранск 2008. 217 с.
16. Строганов В.Ф., Михальчук В.М., Бобров О.Г., Бичурина Н.А. Биоповреждения эпоксиполимеров (обзор) // Пластические массы. 1985. № 11. С. 32-34.
17. Строганов В.Ф., Михальчук В.М., Бичурина Н.А. Влияние воды и водного раствора щавелевой кислоты на свойства эпоксидных композиций // Пластические массы. 1987. № 1. С. 12-14.
18. Строганов В.Ф., Куколева Д.А., Ахметшин А.С., Строганов И.В. Биоповреждение полимеров и полимерных композиционных материалов // Клеи, герметики, технологии. 2009. № 2. С. 21-25.
19. Строганов В.Ф., Сагадеев Е.В., Потапова Л.И., Куколева Д.А. Комплексное исследование процессов биоповреждения минеральных строительных материалов // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2011. № 4 (18). С. 174-282.
20. Строганов В.Ф., Куколева Д.А. Методика испытаний минеральных строительных материалов на биостойкость // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2011. № 3(17). С. 150-156.
21. Строганов В.Ф., Куколева Д.А., Бараева Л.Р. Метод испытания минеральных строительных материалов на биостойкость в модельных агрессивных средах // Вестник Казанского технологического университета. 2011. № 17. С. 117-121.
22. Wei S., Jiang Z., Liu H., Zhou D., Sanchez-Silva M. Microbiologically induced deterioration of concrete: a review. v. 44 (4). 2013. р. 1001-1007.
23. Erich S.J.F., Mendoza V., Floor W., Hermanns S.P.M., Homan W.J., and O.C.G. Adan.
Decreased bio-inhibition of building materials due to transport of biocides. v. 56 (3). 2011. р. 93-105.
24. Goddard, J. M., and Hotchkiss, J. H., J Food Prot (2008) 71 (10). 2042.
25. Haleem Khan, A.A.; Mohan Karuppayil, S. Fungal pollution of indoor environments and its management" // Saudi Journal of Biol. Sciences. v. 19 (4). 2012. р. 405-426.
26. Нелюбова В.В., Кобзев В.А., Сивальнева М.Н., Подгорный И.И., Пальшина Ю.В. Особенности наноструктурированного вяжущего в зависимости от генезиса сырья // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2015. № 2. С. 25-28.
27. Жерновский И.В., Осадчая М.С., Череватова А.В., Строкова В.В. Алюмосиликатное наноструктурированное вяжущее на основе гранитного сырья // Строительные материалы. 2014. № 1-2. С. 38-41.
28. Русаков Н.В., Крятов И.А., Пиртахия Н.В., Тонкопий Н.И., Карцева Н.Ю., Стародубов А.Г. Методические рекомендации. МР 2.1.7.2297-07. Обоснование класса опасности отходов производства и потребления по фитотоксичности // ГУ НИИ экологии человека и гигиены окружающей среды им. А.Н. Сысина РАМН. 2007. 19 с.
29. Методика определения токсичности воды и водных вытяжек из почв, осадков сточных вод, отходов по смертности и изменению плодовитости дафний. ФР.1.39.2007.03222. Москва «АКВАРОС». 2007. 41 с.
30. Кожухова Н.И., Жерновский И.В., Строкова В.В. Оценка биопозитивности геополимерных вяжущих на основе низкокальциевой золы-уноса // Строительные материалы. 2012. № 9. С. 84-85.
REFERENCES
1. Vasilenko MI, Goncharova E.N. Biological methods for assessing habitat quality. Moscow: BSTU Publishing House. 2017. 116 p.
2. Vasilenko MI, Goncharova E.N. Biological methods in assessing the quality of the urban environment / / Management of the city: theory and practice. 2017. No. 3 (26). рp. 26-33.
3. Kurochka PN, Chernov AE On the mechanism of corrosion of concrete under the action of organic aggressive media / / Publishing House of the North-Caucasus. region. Tech. 1999. № 2. р. 13-17.
4. Semenov, S. A. Biodegradation and durability of materials under the action of microorganism / S. A. Semenov, K. Z. Gumargalieva, G. E. Zaikov. Utrecht (The Netherlands): VSP International Science Publishers. 2003. 199 p.
5. Knyazeva VP, Fisser S.V. Mechanisms of Biochemical Corrosion of Building Materials in Urban Conditions // Proceedings of the International Conference "Durability and Protection of Structures from Corrosion". M. 1999. 21 p.
6. Vlasov D. Yu., Zelenskaya D.Yu., Gorbushina AA, Bogomolova E.V. A survey of methods for studying fungi damaging monuments of architecture and art // In Sat. Trudov BINI SPbU "Actual problems of mycology." 2001. № 47. pp. 88-100.
7. Sverguzova SV, Goncharova EN, Yurchenko VA, Balyatinskaya L.N. Microbiological corrosion of concrete with thiobacteria // Izv. Higher education uch. institutions. Building. 1996. № 10. pp. 68-71.
8. Goncharova EN, Vasilenko MI, Nartsev V.M. The role of microscopic algae in damage to urban buildings // Vestnik Belgorod State Technological University. V.G. Shukhov. 2014. No. 6. pp. 192-196.
9. Rodin AI, Karpushin SN, Botsiev BV, Balatkhanova EM, Smirnov VF, Erofeev VT Increase of biostability of cement composites with the help of the preparation "Ultrades-bio" // Fundamental research.
2014. No. 9-9. pp. 1946-1950.
10. Suraeva EN, Bogatov AD, Kaznacheev SV, Smirnov V.F., Erofeev V.T. Properties of cement-sand composites modified with a biocidal additive // Regional architecture and construction. 2012. № 1. pp. 16-21.
11. Erofeev VT, Salnikova AI, Smirnov VF, Kablov EN, Startsev OV, Smirnova ON, Zakharova EA, Varchenko EA Investigation of the biostability of bituminous and polymer-bituminous composites and species composition of mycobiota isolated from materials exposed in wet marine climate and after aging in sea water // Privolzhsky Scientific Journal.
2015. № 3 (35). pp. 52-61.
12. Erofeev VT, Rodin AI, Suraeva EN, Bogatov AD, Kaznacheev SV Biocidal Portland cement // Building materials and technologies. 2016. № 1 (63). pp. 83-90.
13. Suraeva EN, Erofeev VT, Korolev EV Investigation of biostable dry construction mixtures modified with carbon nanotubes // Vestnik MGSU. 2015. № 4. pp. 104-114.
14. Erofeev VT, Zavalishin EV, Smirnov VF, Smirnova ON Increase in the biological stability of structures of buildings and structures // Bulletin of the Volga Regional Branch of the Russian Academy of Architecture and Building Sciences. 2010. № 13. pp. 136-143.
15. Svetlov D.A. Development of biosteic composite materials with biocidal additives containing guanidine: diss. ... cand. tech. Sciences: 05.23.05. Saransk 2008. 217 p.
16. Stroganov VF, Mikhalchuk VM, Bobrov OG, Bichurina NA Bio-damage of epoxy polymers (review) // Plastic masses. 1985. No. 11. pp. 32-34.
17. Stroganov VF, Mikhalchuk VM, Bichurina NA Influence of water and an aqueous solution of oxalic acid on the properties of epoxy compositions // Plastic masses. 1987. № 1. pp. 12-14.
18. Stroganov VF, Kukoleva DA, Akhmetshin AS, Stroganov I.V. Bio Damage of Polymers and Polymer Composite Materials // Glues, Sealants, Technologies. 2009. № 2. pp. 21-25.
19. Stroganov VF, Sagadeev EV, Potapova LI, Kukoleva DA A comprehensive study of the processes of biodeterioration of mineral building materials // Izvestiya Kazan State Architectural and Construction University. 2011. № 4 (18). pp. 174-282.
20. Stroganov VF, Kukoleva DA A Test Method for Testing Mineral Building Materials for Biostability // Izvestiya, Kazan State Architectural and Construction University. 2011. № 3 (17). pp. 150-156.
21. Stroganov VF, Kukoleva DA, Baraeva L.R. Method of testing mineral building materials for biostability in model aggressive environments // Bulletin of Kazan Technological University. 2011. № 17. pp. 117-121.
22. Wei S., Jiang Z., Liu H., Zhou D., Sanchez-Silva M. Microbiologically induced deterioration of concrete: a review. v. 44 (4). 2013. pp. 1001-1007.
23. Erich S.J.F., Mendoza V., Floor W., Hermanns S.P. M., Homan W.J., and O.C.G. Adan. Decreased bio-inhibition of building materials due to transport of biocides. v. 56 (3). 2011. pp. 93-105.
24. Goddard, J. M., and Hotchkiss, J. H., J Food Prot (2008) 71 (10). 2042.
25. Haleem Khan, A.A .; Mohan Karuppayil, S. Fungal pollution of indoor environments and its management, "Saudi Journal of Biol. Sciences, v. 19 (4), 2012. pp. 405-426.
26. Nelyubova VV, Kobzev VA, Sivalneva MN, Podgorny II, Pal'shina Yu.V. Features of nanostructured binder depending on the genesis of raw materials // Bulletin of BSTU named after. V.G. Shukhov. 2015. № 2. pp. 25-28.
27. Zhernovsky IV, Osadchaya MS, Cherevatova AV, Strokova VV Aluminosilicate nanostructured binder based on granite raw materials // Building Materials. 2014. № 1-2. pp. 38-41.
28. Rusakov NV, Kryatov IA, Pirtakhiya NV, Tonkopiy NI, Kartseva N.Yu., Starodubov AG Guidelines. MP 2.1.7.2297-07. Substantiation of the hazard class of production and consumption wastes by phytotoxicity // Research Institute of Human Ecology and Environmental Hygiene im. A.N. Sysina of the Russian Academy of Medical Science. 2007. 19 p.
29. A methodology for determining the toxicity of water and water extracts from soils, sewage sludge, waste by mortality and the change in the fertility of daphnia. FR.1.39.2007.03222. Moscow «AKVAROS». 2007. 41 p.
30. Kozhukhova NI, Zhernovsky IV, Strokova VV Evaluation of the biopositivity of geopolymeric binders based on low-calcium ash-fly // Building Materials. 2012. № 9. pp. 84-85.
TOXICITY OF BINDERS AS AN ELEMENT OF THE URBAN ECOSYSTEMS
Strokova V.V., Nelyubova V.V., Rykunova M.D., Danakin D.N.
Summary Currently active urbanization of territories is noted. Modern building composites often contain components of the organic and inorganic nature that are dangerous for the environment. This substances can have a negative impact on living systems due to changes in biotic relationships between organisms, the biological cycle, the decline in the number of living organisms and the reduction of biodiversity. The article presents the results of a study of the toxicological effect of binders of different composition on the vital activity of test objects that belong to different ecological groups. The analysis of the effect on plant cultures was made on the basis of phytotesting data. Investigation of the effect of binders on objects of animal origin was carried out using the method of short-term testing. Based on the data obtained, binders were ranked according to the degree of increase in toxic effects.
Key words: biotesting of binders, biocorrosion, toxicity, ecosystem, urbanization.
