Биологическое выветривание гранита в условиях городской среды

Текст: Е. Панова, А. Власов, Т. Попова, М. Зеленская, Д. Власов

Проблема разрушения камня вызывает большой интерес у современных архитекторов и дизайнеров, а также у компаний по добыче камня. Знание факторов и понимание механизмов разрушения гранита позволяет создать методическую основу для правильного выбора камня при строительстве и реставрации, а также разработать методы очистки и консервации каменного материала в условиях нарастающего техногенеза.

Выветривание горных пород – это процесс разрушения и изменения минералов пород под воздействием физических, химических и биологических факторов.

Физическое выветривание происходит, в основном, под действием изменения температуры, замерзания-оттаивания воды, кристаллизации содержащихся в капиллярной воде солей, а также ветра, роль которого возрастает в крупных мегаполисах из-за большого количества пыли, оказывающей абразивное воздействие на породу. Загрязненная атмосфера – один из самых мощных воздействий на камень в архитектуре крупных мегаполисов.

Химическое выветривание – процесс химического преобразования минералов и горных пород под воздействием воды, кислорода, двуокиси углерода, органических кислот, а также вследствие биохимических процессов.

Биогенное выветривание связано с воздействием на горные породы живых организмов. Под биообрастанием обычно понимается развитие живых организмов (микроорганизмов, грибов, растений, животных) на твердом субстрате. Часто термин заменяют словосочетанием «биологическая колонизация».

Всем известны примеры биологических обрастаний гранитов, когда поверхность камня покрывается ковром из мхов и лишайников. В городской среде подобную картину можно встретить гораздо реже. Однако и здесь формируются многочисленные обрастания каменного материала на фасадах зданий, облицовке набережных, постаментах памятников. Часто открытые поверхности каменных
сооружений покрыты обширными биопленками, цвет которых зависит от доминирования определенных групп живых организмов. Биодеструкция – особый вид разрушения пород и материалов, связанный с воздействием живых организмов или продуктов их жизнедеятельности. Процессы биодеструкции затрагивают практически все известные на сегодня природные и искусственные материалы.

Большинство работ, посвященных биодеструкции каменного материала в городской
среде, было выполнено на примере карбонатных пород, а также искусственного (строительного) камня. В отношении гранита эти исследования носят отрывочный характер. Между тем, причиной биологического разрушения гранита могут выступать различные группы живых организмов. К деструкторам этой породы относят бактерии, микроскопические водоросли и грибы, мхи, лишайники, высшие растения, беспозвоночные и позвоночные животные. Однако, по мнению большинства исследователей, основной ущерб гранитным сооружениям наносят микроорганизмы, обладающие очень высокой деструктивной активностью.

Силикатные бактерии – слабо изученная группа бактерий. Высказывалось предположение о том, что эти микроорганизмы способны развиваться на силикатных породах, способствуя их разрушению. Они могут растворять силикаты и алюмосиликаты. Силикатные бактерии отмечали на кварце, полевом шпате, глинистых минералах. К данной группе чаще всего относят Bacillus mucilaginosus (слизистые бациллы).

На гранитах часто встречаются и другие спорообразующие бактерии рода Bacillus.
Бактерии этого рода способны выдерживать неблагоприятные условия на поверхности камня за счет образования спор. Экспериментально было доказано, что Bacillus subtilis в результате воздействия на гранит формирует каверны. Бактерии избирательно прикрепляются к минералам и потребляют важные для себя элементы из минерала. Однако поверхностное загрязнение может изменять численность и разнообразие микроорганизмов на поверхности камня.

Актиномицеты – гетеротрофные бактерии, способные формировать на некоторых стадиях развития ветвящийся мицелий. Основная среда обитания для актиномицетов – почва. Актиномицеты повсеместно встречаются на поверхности облицовочных материалов зданий. В литературе говорится об актиномицетах, способствующих разрушению гранита. За счет формирования ветвящихся нитей они закрепляются на субстрате и ускоряют выветривание камня механическим и химическим путем. При этом отмечается способность этих микроорганизмов участвовать в процессах биоремедиации (биологической очистке) поверхности камня, загрязненной металлами. Некоторые актиномицеты способны осаждать металлы – медь, железо, цинк, кадмий, серебро.

Фотоавтотрофные организмы, например, микроскопические зеленые водоросли и цианобактерии, часто рассматриваются в качестве пионеров заселения горных пород на открытом воздухе, поскольку они не зависимы от наличия органического вещества в субстрате. Водоросли способны активно выделять во внешнюю среду различные продукты ассимиляции, включая аминокислоты, сахара, ростовые вещества, антибиотики. Эти вещества часто служат источником питания для хемоорганотрофных бактерий и грибов, а также могут оказывать заметное влияние
на субстрат. Водоросли способны формировать биопленки (чаще зеленого цвета).

Микроскопические грибы (микромицеты) – гетеротрофные организмы, которые используют органические вещества из субстрата или из внешней среды в качестве источников энергии. Источником питания для грибов могут служить метаболиты или остатки водорослей, лишайников, бактерий. Основными повреждающими факторами в случае роста микромицетов на поверхности гранита являются выделение агрессивных метаболитов (прежде всего, органических кислот и ферментов), а также способность к механическому проникновению в толщу субстрата по микротрещинам. На горных породах наиболее часто встречаются почвенные грибы из родов Penicillium, Aspergillus, Cladosporium и Fusarium. По мнению ряда авторов, именно
эти грибы – наиболее вредоносная группа организмов, поселяющихся на фасадах зданий в городской среде. Они способны утилизировать большой спектр питательных веществ. Даже следовые количества органики могут стимулировать их рост и использоваться в качестве источника энергии. Визуально воздействие грибов на породу может проявиться как в разрушении камня, так и в образовании черных пятен на поверхности субстрата. Грибные гифы обнаруживаются на глубине нескольких миллиметров от поверхности камня. Грибы внутри трещин находятся в комплексе с биоминеральными образованиями оксалатов кальция и кальцита. Подобная биоминеральная прослойка создает внутреннее давление и ведет к отслоению породы.

Перечисленные микроорганизмы формируют микробные сообщества, которые часто
покрывают гранит как в естественных обнажениях, так и в городской среде. Микробное поражение каменистого материала углубляет и ускоряет процесс выветривания, что выражается в осыпании поверхностного слоя камня, формировании углублений (неоднородной поверхности) или поверхностных отложений (корок).

Во многих случаях состав микробных сообществ определяется веществами, оседающими из атмосферы или попадающими на поверхность камня другими путями. Основными источниками поступления таких веществ могут выступать дождевая и грунтовая вода, почва и атмосфера, окружающая биота. Внешние условия определяют накопление на поверхности и в толще горных пород органических веществ различной химической природы: целлюлозы, пектина, крахмала, протеинов, спиртов, жиров, альдегидов и др. Все они могут быть утилизированы организмами
гетеротрофного блока микробного сообщества, формирующегося на поверхности камня.

Микроорганизмы обычно присутствуют на поверхности камня в виде сложных биопленок. Клетки микроорганизмов в биопленке погружены в органический матрикс микробного происхождения, который представлен полимерными веществами: полисахаридами, липополисахаридами, протеинами, гликопротеинами, липидами, гликолипидами, жирными кислотами и ферментами. Он выполняет интегрирующую функцию, а также способствует адгезии – прикреплению к субстрату. Продукты жизнедеятельности микроорганизмов (слизи и другие внеклеточные полимерные вещества, мертвые остатки клеток и талломов) могут склеиваться вместе с минеральными частицами. При этом формируется своеобразный «биоминеральный» поверхностный слой. Размеры и структура таких пленок во многом определяются свойствами субстрата, а также совокупностью внешних факторов. Развитие биопленки может приводить к изменению гидротермических характеристик материала. Изменение пористости сопровождается нарушением циркуляции влаги в толще материала. Биопленки уменьшают испарение с поверхности камня. Образование биопленок начинается с изменения цвета поверхности субстрата, обусловленного накоплением органических пигментов.
Чаще всего речь идет о частично минерализованном хлорофилле цианобактериального происхождения или пигментах зеленых водорослей. Они дополняются окрашенными оксидами железа и марганца, формирующимися под действием грибов. Окрашенные первичные биопленки можно подразделить на темноокрашенные, зеленые и зеленоватые, желто-оранжево-коричневые, ярко-оранжевые, розовые и красноватые. Формирование первичных биопленок можно рассматривать как начальное биофизическое воздействие на поверхность гранита.

Изменчивость микробных биопленок на гранитной поверхности выше на зданиях в городской среде, чем на естественных обнажениях. Это может быть связано с повышенной чувствительностью и адаптационной способностью организмов к изменчивым условиям городской среды. Микробные пленки сложного состава – один из основных типов биообрастаний в городской среде. Состав и структура этих биопленок могут быть использованы в целях биоиндикации состояния экосистем.

Отдельно стоит рассмотреть лишайники как группу живых организмов, способных
оказывать химическое и физическое воздействие на гранит. Лишайники, представляющие собой симбиоз двух организмов – гриба и водоросли, прекрасно адаптированы к жизни на каменистых субстратах. Они активно развиваются на карбонатных и силикатных породах, бетоне, черепице и других материалах, способствуют аккумуляции влаги и органического вещества в поверхностном слое камня. При первоначальном заселении каменистых субстратов лишайниками используются выветренные участки, границы зерен и мельчайшие трещинки в горной породе, в которые легче могут проникнуть грибные гифы. В результате
проникновения гиф в камень поверхностная вода может достигнуть значительной глубины. Среди лишайников, развивающихся на каменистом субстрате, выделяются эпилиты (живут на поверхности субстрата) и эндолиты (внедряются в каменистый субстрат).

Некоторые авторы считают, что основное воздействие лишайников на камень – физическое. Однако выветривание гранита под воздействием лишайника представляет собой комплексный физико-химический процесс. Лишайники выделяют органические кислоты с хелатирующей активностью, которые могут растворять минералы и образовывать комплексы с катионами металлов. Наиболее активна среди них щавелевая кислота. Метаболиты лишайников вызывают изменения в поверхностном слое камня непосредственно под талломом лишайника. В результате высвобождаются основные химические элементы породы (Al, Mg, Mn, Zn, Si, Ca, K, Fe) и происходит аккумуляция некоторых из них в теле самого лишайника.

Петрографическое и электронно-микроскопическое исследования показывают, что гифы способны проникать в камень через структурные неоднородности (межкристаллическое пространство) камня, поры и по плоскостям спайности кристаллов. Глубина проникновения может превышать 4 мм. Рост гиф проявляется в разных направлениях. Проникновение гиф вызывает дезагрегацию, разрушение зерен и включение зерен в таллом. Слюда разрушается до мелких кристаллов, а кварц и полевые шпаты – до более крупных зерен. На граните гифы эндолитных лишайников могут проникать внутрь камня в большей степени именно в участках, занятых пластинками слюды, а дальше продвигаются уже благодаря химическому разрушению породы. Гифы довольно быстро разрушают слоистые кристаллы слюды. Здесь они разветвляются и отодвигают пластинки слюды одну от другой. Постепенно разрастаясь и разветвляясь, гифы образуют между пластинками грибную плектенхиму – ложную ткань грибов, образованную сплетением гиф. Затем в эту плектенхиму проникают и клетки водорослей, которые размножаются, обвиваются гифами и все больше раздвигают отдельные листочки слюды. Таким образом, в граните слюда наиболее подвержена воздействию как физическому (проникновение гиф), так и химическому (воздействие органических кислот).

Разрушая твердые горные породы, превращая их в зернистую массу, эндолитные лишайники подготавливают поверхность камня для поселения других организмов: листоватых и кустистых лишайников, мхов, семенных растений. Появление мхов, травянистых и даже древесных растений чаще всего наблюдается в местах заметной деструкции камня. В образующихся полостях и трещинах накапливается органическое вещество и постоянно присутствует влага, что создает благоприятные условия для развития растений.

В целом, все типы выветривания тесно взаимосвязаны и взаимообусловлены. Так,
при физическом выветривании происходит механическая дезинтеграция гранита и слагающих его минералов, что создает благоприятные условия для химических и биологических процессов. В условиях городской среды деструкция камня усиливается под воздействием антропогенного фактора.

В качестве объектов изучения были выбраны граниты с различными структурно-текстурными свойствами и рассмотрены процессы выветривания пород в постройках разного возраста от XVI в. до современных. Объектами наблюдений явились гранитные набережные Петербурга, мостовые, здания, мосты и др. В период натурных наблюдений были обследованы граниты рапакиви Выборга (постройки XIV в.), Санкт-Петербурга (Петропавловская крепость, набережные исторического центра, середина XVIII в.) и объекты, облицованные в советский период. Обследованы набережные канала Грибоедова, Ново-Адмиралтейского и Крюкова каналов, рек Мойки, Фонтанки, Карповки, Смоленки, реки Невы (Адмиралтейская, Английская, Университетская набережные, а также набережные Робеспьера и Лейтенанта Шмидта). В изучение были включены памятники Музейных некрополей Александро-Невской Лавры и фасады исторических зданий, облицованных гранитом. В сравнительных целях были обследованы аналогичные объекты в городе
Выборге, а также гранитные обнажения в местах добычи гранитного камня на Карельском перешейке и в Финляндии.

Пробы можно условно разделить на две группы: образцы самих разрушающихся материалов и пробы, отобранные неповреждающими методами с поверхности изучаемого объекта. В процессе камеральной обработки проб был использован широкий спектр современных методов изучения. Мы попытались создать структурную модель деструкции гранита микроорганизмами, в которой были бы учтены наиболее существенные факторы, определяющие последовательную биологическую колонизацию субстрата. В качестве основных тест-объектов использовали микромицеты и бактерии.

Проведенные исследования показали, что в условиях городской среды процессы разрушения природного камня принимают ускоренный характер и обусловлены комплексным воздействием на материал физических, химических и биологических факторов, которые тесно взаимосвязаны. Механическое и химическое выветривание создают благоприятную среду и обстановку для биологического разрушения, которое, в свою очередь, усиливает первые два вида выветривания. На основе проведенных исследований выделены три группы разрушений: абиогенное, биогенное и антропогенное. Практически все виды антропогенного выветривания приводят к ускорению механического и химического разрушения.

Биопленки и лишайниковые обрастания рассмотрены нами отдельно и с большей детальностью. В зеленых биопленках доминируют аэрофильные водоросли. Эти биопленки покрывают гранитные цоколи зданий, набережные, исторические памятники. На поверхности памятников некрополей чаще всего фиксировали биопленки зеленого цвета с доминированием водорослей из отдела Chlorophyta. На памятниках водоросли развиваются в углублениях поверхности (например, в выбитых надписях). Максимальная концентрация водорослей зафиксирована
в местах повышенного увлажнения. Водоросли способны проявлять избирательность
в отношении минералов, входящих в состав гранита. Так, прослеживается тенденция распределения водорослей по включениям биотита и вокруг овоидов полевого шпата. Нанесение граффити способствует развитию зеленых биопленок. Водоросли задерживают влагу, что ускоряет деструкцию гранита. Кроме того, их развитие способствует накоплению на поверхности гранита органического вещества, которое используется более агрессивными деструкторами, например, микромицетами. Часто можно встретить клетки диатомовых водорослей.

В биопленках серо-черного цвета широко представлены микроскопические грибы и бактерии. Такие биопленки часто формируются по направлению движения влаги, нередко покрывают обширную поверхность гранита в местах повышенного увлажнения. Во многих случаях в них преобладают темноокрашенные мицелиальные грибы, а также микроколониальные дрожжеподобные грибы черного цвета. В Санкт-Петербурге они развиваются на набережных, цоколях исторических зданий, поверхности памятников. Атмосферные загрязнения способствуют развитию темноокрашенных грибов. Численность микромицетов в таких биопленках может достигать 10 000 колониеобразующих единиц на один грамм образца.

Исследование гранита, покрытого темными биопленками, показало, что черные микроколониальные дрожжеподобные грибы повсеместно занимают «микрозоны» в трещинах и углублениях в поверхностном слое горных пород. Они способны проникать под отслаивающиеся чешуйки камня. Темноокрашенные грибы локализуются в пространствах вокруг кристаллов камня, а также в микротрещинах и углублениях породы. В образцах поврежденного гранита и биопленках на гранитных памятниках и сооружениях выявлено 29 видов микроскопических грибов, а также стерильный светло- и темноокрашенный мицелий.

Интересно отметить, что колонизация гранита грибами и накипными лишайниками связана с особенностями структуры и минерального состава породы. Так, заселение кварца колониями грибов наблюдается, преимущественно, по микротрещинам. При колонизации слюды гифы микромицетов развиваются между пластинками данного минерала. Скопление микроколоний на полевом шпате отмечено в зонах спайности кристаллов, где образуются своеобразные уступы, позволяющие грибам закрепиться.

Лишайники чаще приурочены к неровностям на поверхности гранита: выветренным участкам, выбоинам, трещинам и сколам, зачастую имеющим антропогенную природу. Среди десяти видов лишайников, встреченных на набережных исторического центра Санкт-Петербурга, четыре вида обнаружено на граните, восемь – на связующем растворе и два – на почве.

В биологической колонизации набережных участвуют споровые (мхи, хвощи, плауны, папоротники) и семенные растения (травянистые, кустарниковые и древесные). Всего на гранитных набережных центральной части Санкт-Петербурга к настоящему моменту обнаружено и идентифицировано 115 видов растений и восемь видов мхов. Среди выявленных видов растений к аборигенной группе относится 72%, а к адвентивной – 28%. В целом разнообразие обрастаний горных пород в городской
среде уступает аналогичным показателям в природных экосистемах (обнажениях, заброшенных карьерах и др.). При этом в городе особенно заметно доминирование наиболее адаптированных видов, которые составляют основу литобионтных сообществ. Строение этих сообществ может быть использовано в целях биоиндикации состояния городских экосистем.

Полную версию статьи читайте в междисциплинарном научном и прикладном журнале «Биосфера», том 7, № 1 за 2015 г.