Навігація
Головна
 
Головна arrow Географія arrow Грунтознавство
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >

БІОЛОГІЧНА АКТИВНІСТЬ ГРУНТУ І ЇЇ ПОКАЗНИКИ

Біологічною активністю грунту називається його здатність створювати відносно сприятливі умови для розвитку і життєдіяльності в них біоти. Вона виражається сумарним проявом активності біохімічних процесів і характеризує інтенсивність і спрямованість процесів перетворення речовин і енергії в грунті, що відбуваються під впливом живих організмів. Біологічна активність грунтіввизначає небезпеку процесів руйнування органіки грунтів і елементів конструкцій. Поступове зниження міцності грунтів в області будування, обумовлене життєдіяльністю мікро і макро організмів, призводить до зниження їх несучої здатності, додатковим і часто нерівномірних осідань, що може викликати перехід споруд в аварійне і передаварійний стан. До основних біодеструктором міститься в грунтах органіки і будівельних конструкцій відносяться представники наступних біологічних груп: бактерії, гриби, в тому числі мікроміцети, водорості, лишайники, мохи, самосівні трави і дерева. Перераховані організми здатні пошкоджувати матеріали за рахунок хімічного і механічного впливу, участі в електрохімічному коррозионном процесі. Слід розрізняй " макро- і мікробіологічну активність грунту.Перша відображає здатність грунту створювати умови для розвитку макроорганизмов Орібе, рослин, тварин), вгору - для розвитку мікроорганізмів. Відповідно, розрізняють мікро- і макробіодеструкгори.

Механічний вплив на грунти і матеріали конструкцій можуть надавати, як мікро-, так і макроорганізм. Мікроорганізми (бактерії, мікроміцети, мікроводорості), потрапляючи в тріщини / мікротріщини в будівельних матеріалах, в місця зчленування різних конструкцій, при сприятливих умовах починають розвиватися, накопичуючи біомасу. Міцелії багатьох грибів здатні проникати в мікротріщини на будь-яку глибину. Самосівні трави і дерева, які оселилися на фундаментах, здатні своєю кореневою системою руйнувати і сам фундамент, і кладку стін, і т. Д. Биоповреждения ділової деревини, дерев'яних будівель і будівельних конструкцій викликають дереворазрушающие гриби і комахи, які використовують в якості джерела живлення целюлозу, лігнін та інші компоненти.

Хімічний вплив на органічні грунти і будівельні матеріали надають, головним чином, мікроорганізми: бактерії, актиноміцети, мікроміцети, мікроводорості, лишайники. Як правило, в руйнуванні беруть участь співтовариства мікроорганізмів. Причому, одні види руйнують захисний шар, а інші - основний матеріал конструкції. У спільноти можуть входити мікроорганізми, які не приймають безпосередню участь в руйнуванні матеріалів, але відіграють важливу роль в життєдіяльності спільноти і сприяють накопиченню загальної біомаси. В процесі своєї життєдіяльності мікроорганізми продукують ферменти, кетони, спирти і такі агресивні метаболіти, як кислоти - органічні (щавлеву, гликолевую, бурштинову, оцтову та ін.) І неорганічні (азотну, сірчану, і ін.), А також аміак, сірководень, метан, вуглекислий газ. Продукти їх життєдіяльності можуть грати роль потужних каталізаторів хімічних процесів, прискорюючи хімічні реакції в кілька разів. Деякі мікроорганізми, наприклад тіонові бактерії , можуть збільшити швидкість реакції в сотні тисяч і навіть мільйони разів. Багато видів мікроорганізмів здатні сорбувати вологу з повітря, виділяти воду в якості метаболіту, що веде до надмірного зволоження матеріалу, розчиненню забруднювачів, і розвитку інших мікроорганізмів. Деякі види мікроорганізмів (актиноміцети, цвілеві та інші гриби), що розвиваються на будівельних матеріалах, відносяться до патогенних або умовно патогенних організмів і здатні чинити негативний вплив на здоров'я людей при попаданні їх суперечка або продуктів життєдіяльності в повітряне середовище приміщень.

Більшість мікробів колонізують матеріали в присутності кисню (аеробні організми). Однак багато мікроорганізми добре адаптовані до існування в умовах відсутності кисню (анаероби). Більшість з них грають найважливішу роль в деструктивні процеси, що протікають в підземному просторі міста.

Найбільш активні мікроорганізми в органічних і органо-мінеральних грунтах, и де в при поверхневому шарі розвиваються аммоніфіцірующіе бактерії-аеороби, спорові бактерії, бактерії, що засвоюють мінеральні форми азоту при органічному джерелі вуглецю, актиноміцети, нитрифицирующие бактерії, олігонітрофіли, цвілеві гриби, денітрифікуючі бактерії. Переважають бактерії-амоніфікаторів, які починають процес розкладання органічної азоту, олігонітрофільние і засвоюють мінеральний азот при органічному джерелі вуглецю. Кількість бактерій цих трьох груп в аеробних умовах значно збільшено. Неспороутворюючих аммоніфіцірующіе бактерії беруть участь в руйнуванні доступних форм органічної речовини в торфу, спороутворюючі вступають в процес на більш пізніх стадіях. Що стосується нитрификаторов, діяльність яких пов'язана з окисленням аміачних форм азоту в нітритні і нітратні, то їх кількість визначає інтенсивність аммонификации - чим більше нитрификаторов, тим менше аммонификаторов. Нітрифікація в сильноразложівшийся торфі проходить повільніше, ніж в багатому мінеральним харчуванням Слаборазложівшийся торфі [68]. Чисельність різних фізіологічних груп бактерій у торфу і заторфованних піщано-глинистих відкладах може бути оцінена за даними табл. 2.26. Орієнтовні дані дослідження болотного біогеоценозу, наведені в табл. 2.27, свідчать про дуже істотною величиною біомаси у торфу і про різноманітність різних типів мікроорганізмів.

Таблиця 2.26

Чисельність бактерій в низинних болотах [118]

форми бактерій

фізіологічні групи

Чисельність, клітини / г

анаеробні

Аммоніфіцірующіе

10 * ... 10

сульфатредуцирующие

10

целлюлозоразлагающіе

10..10 4

метаноутворюючих

10..10 4

факультативні

денітрифікуючі

10 "

аеробні

нитрифицирующие

10 4

тіонові

10 4 ... 10

Целлюлозообразующіе

10 и

Таблиця 2.27

Вага мікробної біомаси і співвідношення її компонентів в різних торфовищах [118]

Вага сухої біомаси, т / га

Мікробна біомаса. %

Тип торфовища

Потужність торфовища, м

грибний

міцелій

спори

грибів

актиноміцети

бактерії

низинний

високозольний

а

1.0

56

96.8

2.1

0.2

0.4

б

3.0

435

98.9

0.7

0.1

0.3

низинний

нормальнозольний

а

1.0

21

89.7

7.0

0.6

2.6

б

7.0

81

84.8

10.7

0,7

3.8

верхової

а

1.0

8

57.1

25,4

1,6

15,9

б

5.5

43

59.1

23.4

1,3

16.2

Примітка. Перерахунок сухої біомаси: а) на 1,0 м; б) на всю зазначену товщу торфу.

Гумус формується в теплі періоди року, коли поверхню ґрунтів або торфу висихає, аерація поліпшується, активізується діяльність мікроорганізмів, що беруть участь в розкладанні рослинних залишків, у вологі ж періоди їх діяльність сповільнюється. Цим значною мірою пояснюється неповне розкладання залишків рослин в умовах підвищеної вологості субстрату, внаслідок чого і утворюється торф. У трясовині і мочажін, де поверхня не висихає навіть у посушливі роки, гумус накопичується повільно. Деякі дослідники вважають, що в цих умовах гумус утворюється з надводних частин рослин, а можливо, і за рахунок рослинності сусідніх пасом.

Активність аеробних мікроорганізмів обумовлена кліматичними особливостями: в більш сухі періоди життєдіяльність їх стає інтенсивніше, вони швидше розмножуються, і внаслідок цього відкладаються торфу більш високого ступеня розкладання; у вологі періоди активність аеробних мікроорганізмів знижується, тоді відкладаються менш розклалися торфу. Відзначено випадки, коли найглибші шари торфу мають меншу ступінь розкладу, ніж вищерозміщені, як результат обводнення поклади на тому етапі розвитку. Таким чином, зміни клімату служать причиною нерівномірності, скачкообразности торфообразовательного процесу, що типово для верхових боліт, які отримують основне живлення з атмосферними опадами. У низинних покладах не спостерігається стрибкоподібного розподілу торфів за ступенем розкладання, що пояснюється більш стабільним ґрунтовим живленням. Слабокисла і близька до нейтральної реакція середовища і достатня забезпеченість мінеральним харчуванням сприяють розвитку багатої і різноманітної мікрофлори і грунтової фауни. Максимальна кількість мікроорганізмів зосереджена у верхньому торфогенном шарі [51].

Біологічна активність грунту оцінюється як прямими, так і непрямими показниками. Прямим показником біологічної активності грунту є кількість (концентрація) біоти того чи іншого типу в грунті. Кількість макроорганизмов , включаючи великих тварин, оцінюється числом особин (прим.), Що мешкають на одиниці площі або в одиниці об'єму грунту (прим. / Га, екз. / М 3 і т. Д.). Кількість мікроорганізмів в грунті оцінюється тисячами примірників на 1 г твердої фази грунту, для інших організмів визначається відносний вміст живої фіто- або зоомасси організмів в одиниці об'єму грунту (мг / см 3 і т. Д). Основними біодеструктором є:

  • железобактерии - бактерії, здатні окисляти відновлені сполуки заліза, які можна розділити на дві групи. До першої групи належать железобактерии, для яких джерелом енергії служить процес окислення закісного заліза, а єдиним джерелом вуглецю СО :. Другу групу складають железобактерии, які теж окислюють закисное залізо, але у них цей процес служить способом детоксикації Н2О2, що утворюється при диханні. Існують кілька видів железобактерий, які розрізняються за здатністю відкладати оксиди заліза на поверхні клітин; деякі бактерії накопичують не тільки оксиди заліза, але і марганцю;
  • нитрифицирующие бактерії - аеробні бактерії, викликають корозію металів і пошкодження пористих будівельних матеріалів в результаті утворення азотної кислоти при окисленні аміаку і / або амонію;
  • тіонові бактерії - здійснюють окислення різних відновлених з'єднань сірки до сульфатів, використовуючи виділяється енергію для свого розвитку. В аеробних умовах вони окислюють сірку, сульфіди металів, сульфат закису заліза до сірчаної кислоти. Деякі серобактерии переводять закисное сірчанокисле залізо в окисное, яке є більш активним окислювачем, ніж сірчана кислота;
  • сульфатредуцирующие (десульфатірующім) бактерії - основні збудники анаеробної корозії стали, заліза і алюмінію. Механізм спричиненої ними корозії металів полягає в стимуляції катодного деполяризації твердими сульфідами заліза в результаті життєдіяльності цих бактерій або внаслідок споживання ними поляризованого водню.

Бактерії - це дрібні мікроорганізми (0,1 ... 10,0 мкм), позбавлені оформленого ядра; для харчування використовують матеріали як органічної, так і неорганічної природи; деякі групи розкладають матеріали в безкисневому середовищі. При проведенні бактеріологічного аналізу повинні бути використані два взаємодоповнюючих методу: кількісний і якісний. При цьому встановлюють приналежність бактерій до певних груп, а також оцінюють їх зміст в 1 грамі досліджуваного матеріалу прямим висівом на тверду живильне середовище або методом найбільш ймовірних чисел (НВЧ) при посіві в специфічні рідкі накопичувальні середовища. Результат виражають у КУО / r для прямого висіву і кл / г - для методу НВЧ.

Методи проведення бактеріологічного аналізу [118]. З дотриманням правил асептики навішення зразка в 1 г подрібнюють в стерильній ступці і переносять у флакон з 10 мл стерильного фізіологічного розчину. Флакон ретельно струшують не менше 15 хвилин. 1 мл отриманої суспензії відповідає 0,1 г вихідного матеріалу. З суспензії готують ряд послідовних десятикратних розведень від 10 1 до 10 4 .

Визначення загальної кількості бактерій . Під загальною кількістю бактерій зазвичай мають на увазі кількість мезофільних аеробних і факультативно-анаеробних бактерій, які здатні рости при глибинному посіві на готовому комерційному живильному агарі, що виготовляється з гідролізату рибного борошна.

У порожні стерильні чашки Петрі в двократної повторності вносять по 1 мл вихідної суспензії та її розведень від 10 1 до 10 4 . У кожну чашку вливають по 8 ... 12 мл розплавленого і охолодженого до 45 ° С поживного агару. Швидко змішують вміст чашок, рівномірно розподіляючи суспензію бактерій в живильному середовищі. Після застигання середовища чашки з посівами поміщають в термостат догори дном і інкубують при температурі 25 ... 28 ° С протягом 3-5 діб. Підраховують тільки колонії бактерій, не включаючи до загальне число колонії цвілевих грибів. Результат усредняют і перераховують на 1 грам досліджуваного матеріалу.

Для визначення нитрифицирующих бактерій використовують середу Виноградського наступного складу (г / л): (NH4) 2 S0 4 - 2,0; До 2 НР0 4 - 1,0; MgS0 4 2 0 - 0,4; FeS0 4 -7H 2 0 - 0,4; NaCI - 2,0; стерильна вода - 1 л. Середовище розливають в колби по 15 мл. Товщина шару середовища не повинна бути більше 1,0 ... 1,5 см. У кожну колбу вносять на кінчику шпателя невелику кількість крейди. Посів проводять в обсязі по 1 мл з вихідної суспензії та її розведень 10 '; 10, 10 * в триразовою повторності. Інкубацію посівів проводять при 28 ... 30 ° С три тижні. Присутність нитрифицирующих бактерій встановлюють по появі нітратів. Виявлення нітратів проводять за допомогою дифениламина. Для цього 2 г дифениламина розчиняють в 100 мл концентрованої сірчаної кислоти, потім додають 20 мл води. До 1 краплі культури, нанесеної на білу керамічну пластину, додають краплю реактиву. Присутність нітратів викликає поява інтенсивного синього забарвлення. Зміст нитрифицирующих бактерій визначають як найбільш ймовірне число (кл / г досліджуваного матеріалу) за статистичними таблицями Мак-Креді.

Для визначення железобактерий використовують середу Харіссона. Розчин 1 (г / л): (NH 4 ) 2 S0 4 - 2,0; КС1 - 0,1; До 2 Р0 4 - 0,25; MgS0 4 -7H 2 0 - 0,25; Ca (N0 3 ) 2 - 0,01; вода дистильована; pH 2,0 .. .4,0. Розчин 2 (г / л): агароза - 8,0; вода дистильована. Розчин 3 (г / л): FeS0 4 • Н 2 0 - 40,0; вода дистильована. Готують суміш розплавленої агарози і розчину 1 (1: 1), охолоджують до 45 ° С, вносять розчин 3 в кінцевій концентрації 1% FeS0 4 і розливають середу в чашки Петрі, які зберігають при температурі 10 ° С. Посівний матеріал (по 0,1 мл нативної суспензії і її розведень до 10 ' ") вносять в 0,3% -й розчин агарози (60 мг агарози вносять в 10 мл води, стерилізують і змішують з 10 мл стерильного розчину 1, вносять 0 , 5 мл розчину 3, підігрітого до 45 ° С) і заливають на чашки другим шаром. Посіви інкубують 1-4 тижні. Підраховують колонії железобактерий яскраво оранжевого або жовтого кольору. Результат виражають як кількість КУО железобактерий в 1 г вихідного матеріалу.

Для визначення тиобацилл використовують середу Бейерінк (г / л): Na 2 S0 4 - 5,0; NH4CI - 0,1; NaHC0 3 - 1,0; Na 2 HP0 4 -2H 2 0 - 2,0; MgCl 2 -6H 2 0 - 0,1; FeS0 4 H 2 0 - сліди; стерильна вода. Тіосульфат і бікарбонат стерилізують окремо, розчинивши в невеликій кількості води, і після охолодження додають в розчин інших солей разом з FeS0 4 . pH середовища 9,2-9,4. Вихідну суспезію і її розведення до 10 4 засівають в готову середу в гріх повторностях. При наявності тіонових бактерій в посівному матеріалі середу мутніє через 2-4 дня, і на се поверхні появляегся плівка молекулярної сірки, яка утворюється при окисленні тіосульфату. Зміст тиобацилл визначають у вигляді найбільш ймовірного числа (кл / г досліджуваного матеріалу) за таблицями Мак-Креді.

Для визначення сульфат редукуючих бактерій використовують середу Постгейта "В" з осадом, так як початкове розвиток бактерій відбувається в осаді. Середа Постгейта "В" (г / л): NaCl - 1; До 2 НР0 4 - 0,5; NH 4 C1 - 1,0; CaS0 4 -2H 2 0 - 1,0; MgS0 4 -7H 2 0 - 2,0; лактат натрію (70%) - 3,5; дріжджовий екстракт - 1,0; аскорбінова кислота - 1,0; тіогліколсвая кислота - 1,0; FeS0 4 -7H 2 0 - 0,5; вода дистильована. Аскорбінову і тіогліколевую кислоту 'у вигляді 5% -х стерильних розчинів і сірчанокисле залізо в 1% -й соляній кислоті додають в живильне середовище безпосередньо перед засівом. Реакцію середовища доводять до pi I 7,5, нейтралізуючи 5% -м розчином соляної кислоти або вуглекислого натрію. Середовище повинне мати низький окислювально-відновний потенціал, який на самому початку культивування створюється додаванням відновника, наприклад сульфіду натрію, в концентрації 1 мМ. Культури накопичення найкраще перешкодити в склянки на 30 ... 60 мл зі скляними пробками, які змащуються перед автоклавуванням силіконовою змазкою. Зараження виробляють 0,1 ... 1,0 г матеріалу. Склянка наповнюється середовищем так, щоб після зараження під пробкою не залишалося бульбашок повітря. Зміст сульфатредуцирующих бактерій визначають у вигляді найбільш ймовірного числа (кл / г досліджуваного матеріалу) за таблицями Мак Креді.

В окремих випадках, коли необхідно визначити анаероби до виду, доцільно проводити вивчення мікроорганізмів на поверхні матеріалу методом скануючої електронної мікроскопії (СЕМ). Зразки пошкодженого матеріалу, розміром 0,5 ... 1,0 см х 0,5 ... 1,0 см, необхідно досліджувати під бінокулярної лупою. Критерієм відбору ділянок матеріалу для СЕМ-аналізу служить наявність різноманітних біологічних структур на його поверхні. Відібрані зразки доцільно витримати у вологій камері протягом 24 годин з метою активації мікроорганізмів, після чого матеріал фіксують і аналізують в скануючому електронному мікроскопі в діапазоні збільшень від 100 до 10000.

Накопичення мікроорганізмів і продуктів їх життєдіяльності найбільш активно позначається на показниках фізико-хімічних властивостей піщаних відкладень. У зоні інтенсивного і тривалого забруднення каналізаційними стоками в анаеробних умовах за рахунок кольматації порового простору бактеріальної масою формується низька проникність середньозернистих і дрібнозернистих пісків. Поступове підвищення сумарного білка (СБ) сприяє значному зниженню коефіцієнта фільтрації (ХГФ, м / сут) пісків (табл. 2.28). Видалення біомаси при низькотемпературному прожаренні призводило до збільшення кф до 4 ... 25 м / сут, що повністю відповідає їх гранулометричним складом.

Клітини мікроорганізмів і продукти їх метаболізму активно сорбуються на мінеральних частинках дисперсних порід, утворюючи біоплівки. При цьому відбувається зниження інтенсивності молекулярної взаємодії мінеральних часток за рахунок екрануючого дії біоплівок, які грають також роль своєрідного мастила, сприяючи зниженню міцності грунтів, їх проникності і водоотдачи. У піщаних грунтах, в яких відзначається активна мікробіологічна діяльність, можуть проявлятися пливуни властивості. Підвищення вмісту газів в поровой воді пісків прискорює їх перехід в стан "важкої газонасиченої рідини". Навіть незначне накопичення в піщано-глинистих ґрунтах малорозчинних газів (СН 4 , N 2 , Н 2 ), що утворюються в результаті біохімічної генерації, сприяє розущільнення грунтів і зміни напружено-деформованого стану, створюючи умови для переходу їх в рухомий стан. У мікробіологічно уражених пісках спостерігається зниження кута внутрішнього тертя до 12 ° і менше.

Таблиця 2.28

Залежність коефіцієнта фільтрації пісків від кількості сумарного білка [1 18]

З Б. мкг / г

6

28

62

105

130

140

кф, м / сут

4

10 ^ _

2 • 10 г

8 10 -5

10 ~ }

5 • 10 4 _

Одночасне вплив анаеробних відновних умов і мікробів істотно впливає на склад і фізико-механічні властивості глинистих ґрунтів. Формування відновлювальних умов спільно з мікробної діяльністю зумовлює руйнування цементаційних зв'язків за рахунок з'єднань тривалентного заліза, які служать основним цементуючим матеріалом. Тривалентне залізо володіє агрегують дією, його відновлення сприяє переходу його сполук в розчинні форми двовалентного заліза, а також диспергації глинистих агрегатів в грунтах та, відповідно, підвищенню їх гідрофільності, зниження фільтраційної здатності, міцності і модуля загальної деформації (табл. 2.29) [118] . При формуванні глин в безкисневому середовищі ці відкладення виявляють виражену схильність до розвитку пластичних деформацій. У глинистих ґрунтах під болотами з'являються всі ознаки оглеения (процесу перетворення грунтів і грунтів під впливом мікроорганізмів в анаеробних умовах): темно-сірі, сірі, блакитні, зеленуваті відтінки грунту за рахунок відновлення заліза та інших елементів, що мають змінну валентність, більш високий ступінь дисперсності , аномальна мікробіологічна ураженість, в окремих випадках підвищений вміст біохімічних газів.

Таблиця 2.29

Показники механічних властивостей глинистої морени в залежності від окислювально-відновних умов і мікробної ураженості [118}

показники

Модуль загальної деформації МПа

Кут внутрішнього тертя </>. град.

Зчеплення с. МПа

У окисної обстановці МРІ фоновому вмісті СБ <30 мкг / г

> 25

> 15

0.I5 ... 0.22

У відновної обстановці при СБ більше 80 мкг / г

2,0-8,0

<10

0,03-0,11

Процеси розкладання відбуваються при зберіганні зразків і при лабораторних випробуваннях. Якщо компресійні досліди триватимуть 1-2 місяці при кімнатній температурі, зразок матиме інші ступінь розкладу і фізико-механічні властивості, ніж в природних умовах. М.П. Петровим і П.А. Костичевим [65] встановлено, що оптимальна температура для активної життєдіяльності більшості бактерій становить 32 ... 36 ° С і вологість 60 ... 80% від повної вологоємності, і навіть при температурі від -2 до -5 ° С процес розкладання триває. Мабуть, процеси розкладання органічних речовин і обумовлюють значною мірою тривалість досвіду. У роботах П.А. Коновалова [65] особлива увага приділяється цим процесам і їх впливу на самоущільнення заторфованних грунтів. Автор зазначає, що швидкість розкладання особливо висока протягом перших трьох-шести місяців, причому швидкість в аеробних умовах (як в заторфованних піщаних, так і в глинистих ґрунтах) була вищою на 10 ... 20%, ніж в анаеробних умовах. За 2 роки в заторфованних глинистих і піщаних грунтах при аеробних умовах піддалося розпаду, відповідно 56 і 70% органічних речовин, в анаеробних -45 і 56%. Надалі швидкість розпаду знижується через що утворилися органічних кислот, значно уповільнюють процес. П.А. Коновалов рекомендує враховувати додаткову пористість, що утворюється при розкладанні, для прогнозу опади від гуміфікації.

 
Якщо Ви помітили помилку в тексті позначте слово та натисніть Shift + Enter
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >
 
Дисципліни
Агропромисловість
Аудит та Бухоблік
Банківська справа
БЖД
Географія
Документознавство
Екологія
Економіка
Етика та Естетика
Журналістика
Інвестування
Інформатика
Історія
Культурологія
Література
Логіка
Логістика
Маркетинг
Медицина
Нерухомість
Менеджмент
Педагогіка
Політологія
Політекономія
Право
Природознавство
Психологія
Релігієзнавство
Риторика
Соціологія
Статистика
Техніка
Страхова справа
Товарознавство
Туризм
Філософія
Фінанси
Пошук