Негативное воздействие микроорганизмов на многокомпонентное подземное пространство Санкт-Петербурга: инженерные, геологические и геотехнические аспекты

Анализ аварийных ситуаций, которые фиксировались на протяжении многих десятилетий при реализации проектов освоения и использования подземного пространства (ПП) городов, позволяют утверждать, что технологии строительства и обеспечение длительной устойчивости сооружений должны базироваться на оценке подземной среды города как многокомпонентной системы: породы и грунты должна рассматриваться как вмещающая среда для подземных вод, газов различного генезиса, микробиоты и подземных конструкций при их тесном взаимодействии и взаимовлиянии. Следует учитывать, что подземные воды имеют нестабильный гидродинамический режим, обычно связанный с городским водопотреблением, барражным эффектом при строительстве и эксплуатации свайных фундаментов, утечками из систем водоотведения и пр. Их химический состав определяется наличием источников контаминации.

Исследования деятельности микроорганизмов в инженерно-геологических и геотехнических аспектах практически не проводятся. Известны отдельные работы, посвященные анализу микробного биоразнообразия на больших глубинах, в особенности в осадках на дне океана [1,2]. Высказывалось мнение, что подземная биосфера формируется микроорганизмами и простирается на несколько километров ниже поверхности земли и дна океана [3]. Отмечалось, Dashko, R.E.; Vlasov, D.Yu.; Voronov, A.S.

что микробиологическая активность на больших глубинах может влиять на геологические процессы [1,4,5]. Вместе с тем, до последнего времени оставались практически не исследованными процессы микробной трансформации состояния и физико-механических свойств грунтов, а также развития таких процессов как плывуны, биохимическая газогенерация и биокоррозия, которая прослеживается на большую глубину. Эти аспекты исследования подземной микробиоты имеет важное значение при проведении инженерно-геологических изысканий. Отдельные разработки по необходимости учета микроорганизмов при проведении инженерно-геологических изысканий проводятся в Пермском государственном исследовательском университете под руководством кандидата геолого-минералогических наук Н.Г. Максимовичем [6,7,8]. Исследования по влиянию деятельности микроорганизмов в подземном пространстве городов и горнопромышленных регионов на кафедре гидрогеологии и инженерной геологии Санкт-Петербургского горного университета под руководством профессора Р.Э. Дашко были начаты еще в 1988г. В настоящее время накоплены достаточно большой материал в теории и практики микробиологических исследований подземного пространства. [9,10,11,12,13,14,15] Вместе с тем, деятельность микроорганизмов в подземной среде определяет негативные изменения состава, состояния и физико-механических свойств грунтов, развитие опасных инженерно-геологических процессов, таких как плывуны, биохимическая газогенерация, тиксотропия, биокоррозия строительных материалов.

В качестве примера можно привести результаты исследований, проведенных в историческом центре Санкт-Петербурга по адресу ул. Тележная, дд. 21-29 - нечетная сторона (Рис. 1). Эти доходные дома были построены в конце 19 – начале 20 века (д. 21 – арх. Д.Г. Фомичев, д. 23 - арх. В.В. Шауб, д.д. 25-27 - арх. Н.М. Шурупов и д. 29 арх. П.И. Гилев). [16]

Рис. 1 - Фасад аварийного дома 23 по Тележной улице

Инженерно-геологический разрез исследуемой территории приведен на рисунке 2 и типичен для низкой литориновой террасы с отметками поверхности от 0 до 9,0 м. (сверху – вниз):

• -    насыпные образования (tIV), мощностью до 3,5 м, представленные строительным «мусором» - битый кирпич, обломки бута и др., песчано-глинистый грунт;

• -    ниже залегает торф (bIV) различной степени разложения, который не был полностью удален при инженерной подготовке рассматриваемой территории (обычно при строительстве жилых домов в дореволюционное время удалялось лишь 2м, при строительстве уникальных зданий – соборов, дворцов, торговых центров, органогенные грунты удалялись на всю мощность (Казанский собор, Гостиный двор и др.);

• -    под торфами прослеживаются озерно-морские отложения (lmIV), которые характеризуются как пески тонкозернистые пылеватые, либо как пески мелко-тонкозернистые, в которых содержания песчаных фракций от 0,25 до 0,05 мм составляет 55,6%, при этом количество тонкозернистой фракции (0,10-0,05 мм) варьирует в узких пределах – 44,6-47,9%, почти постоянное содержание пыли – 42-43%, количество тонкодисперсных частиц d<0,002 мм ниже 2,2%; при плотности грунта 2,01-2,06 г/см³ и влажности 23-26% (в условиях нарушенного сложения) характеризуются сцеплением 0,32-0,37 кгс/см² и углами внутреннего трения 12-15º; консолидация песков в лабораторных условиях приводит к повышению ϕ до 30-31º и снижения сцепления до 0,15-0,19 кгс/см²; исследование плывунных свойств песков с помощью метода седиментационного объема позволило их классифицировать как отложения с высокой подвижностью в условиях отсутствия коагуляции суспензии; суспензия, подготовленная из этих песков, при наличии Ca²⁺ и Mg²⁺ (вынос при растворении и выщелачивании из известняков бутовой кладки и известковых растворов) и в присутствии железа Fe³⁺ приводит к мгновенно протекающей коагуляции;

• -    в данном районе озерно-ледниковые отложения размыты и зафиксированные грунты условно отнесены к данному генетическому типу; они обладают неясно выраженной слоистостью с включениями гравия и гальки – переходный слой к нижележащей морене; по гранулометрическому составу (согласно трёхчленной классификации В.В. Охотина) данные отложения относятся к средним пылеватым суглинкам (содержание частиц <0,002 мм варьируется от 15,5 до 17,1% и пыль – 55,2-64,5%; плотность изменяется в пределах от 1,95 г/см³ до 2,10 г/см³; в отдельных случаях наблюдается повышение содержания глинистой фракции до 32,6%; обладает следующими физико-механическими параметрами ϕ=26-35º, с=0,05-0,14 кгс/см² Е 0 =30-32 кгс/см²;

• -    ниже по разрезу скрыта осташковская морена (gIIIos), которая формировалась в восстановительных условиях; бескислородная среда предопределяет наличие в ней только молекулярных связей и при отсутствии соединений трехвалентного железа; она классифицируется как средний и легкий пылеватый суглинок: содержание фракции d<0,002 мм от 11,5% до 16,9%, пыли – от 60,8% до 71,5%; плотность варьируется в пределах от 2,08 до 2,20 г/см³, влажность – 18,1-19,9%, имеет достаточно устойчивую консистенцию – полутвёрдую (I L =0,14-0,25); характеризуются следующими параметрами сопротивления сдвигу: ϕ=32-33º, с=0,02-0,19 кгс/см²; следует отметить, что при одноосном сжатии данные характеристики составили ϕ<6º и с=0,22-0,59 кгс/см²; модуль общей деформации по компрессионным испытаниям составил Е0=61,71 кгс/см², причем по данным одноосного сжатия этот параметр составил Е 0 =15-22 кгс/см²; следует отметить, что некоторые из исследуемых образцов морен были настольно слабы, что деформировались под собственным весом, принимая грушевидную форму (рис. 3).

Рис. 2 - Схематический инженерно-геологический разрез вдоль дд 21-29 по Тележной

Рис. 3 - «Бочкование» образца моренных отложений.

В разрезе исследуемой территории отмечен водоносный горизонт грунтовых вод, который имеет достаточно большой разброс минерализации, что объясняется разбавлением подземных вод за счет зафиксированных при обследовании домов утечек из водопроводных систем и теплосетей (со снятым напором). В зонах отсутствия такого разбавления отчетливо проявляется загрязнение грунтовых вод утечками из канализационных систем – содержание NH 4 ⁺ повышается до 44 мг/дм³. Достаточно высокое содержание щелочноземельных элементов Ca²⁺ и Mg²⁺ связано с выщелачиванием известняков (постелистый бут фундаментов), а также растворов извести. Повышение содержания Ca²⁺ и Mg²⁺ определяет рост pH до 8,2, минимальное значение – pH=6,2 отмечено при снижении Ca²⁺ и Mg²⁺. Существенное варьирование окислительновосстановительного потенциала, замеренного in situ связано с содержанием органических соединений.

Таблица 1 - Показатели химического состава грунтовых вод из шурфов и скважин

Определяемые показатели	Min	Max
Натрий (Na+), мг/дм3	9,7	414
Калий (К+), мг/дм3	1,6	61
Кальция (Са2+), мг/дм3	33	141
Магний (Mg2+), мг/дм3	10	94
Аммоний-ион (NH 4 +), мг/дм3	0,13	44
Железо двухвалентное (Fe2+), мг/дм3	<0,05	0,56
Железо трехвалентное (Fe3+), мг/дм3	2,2	61
Алюминий (Al3+), мг/дм3	0,87	8,8
Гидрокарбонат-ион (НСО 3 -), мг/дм3	172	1116
Хлориды (Cl-), мг/дм3	16	440
Сульфаты (SO 4 2-), мг/дм3	10	137
Нитрит-ион (NO 2 -), мг/дм3	<0,02	0,74
Нитрат-ион (NO 3 -), мг/дм3	0,44	1,8
Кремниевая кислота (по Si), мг/дм3	0,1	11
Углекислота свободная, мг/дм3	3,5	70
Водородный показатель (рН)	6,2	8,2
Водородный показатель in situ, рН	6,5	8,2
Окислительно-восстановительный потенциал in situ, Eh (мВ)	-56,3	46,3
Минерализация, мг/дм3	337	1993

Кроме того, были определены показатели органики, подтверждающие интенсивную контаминацию грунтовых вод (табл.2). Общее содержания органического вещества в грунтовых водах характеризуется аномально высокой величиной химического потребления кислорода – ХПК=9408 мгО 2 /дм³, что является следствием суммарного содержания природной и техногенной органики в воде. Для сравнения в болотных водах данный показатель в редких случаях может достигать 300 мгО 2 /дм³, соответственно, можно сделать вывод об исключительном влиянии техногенной органики и, прежде всего, канализационно-бытовых стоков, причем канализационные стоки содержат 52-58% органических соединений, 42-48% - минеральных компонентов, в состав которых входят такие биогенные элементы как K, N, P, а также различные соединения серы, кроме того 1 мл канализационных стоков содержит 107-108 клеток микроорганизмов.

Таблица 2 - Показатели содержания органической компоненты грунтовых вод

Определяемые показатели	23 д.			25-27 д.			29г д.
	Вне контура					Вне контура
	Ш3	Ш2	Ш1	Ш1	Ш2	С2	Ш1
ХПК (мгО 2 /дм3)	1448	768	1060	2880	996	>2000 (9408)	>2000 (3840)
Перманганатная окисляемость(мгО 2 /дм3)	>100 (880)	>100 (139)	>100 (657)	>100 (990)	>100 (278)	>100 (592)	>100 (680)
БПК 5 (мгО 2 /дм3)	590	62	330	575	220	485	530
Нефтепродукты (мг/дм3)	0,025	0,041	0,012	0,056	0,077	0,2	0,11

Примечание: ХПК – химическое потребление кислорода (расход кислорода на окисление органических соединений, как трудно-, так и легкоокисляемых), БПК 5 – биохимическое потребление кислорода (количество кислорода, израсходованное на аэробное биохимическое окисление под действием микроорганизмов за 5 суток)

Следует отметить, что на контаминацию грунтовых вод канализационно-бытовыми стоками указывает содержание аэробной микробиоты, которая подтверждается высокими значениями БПК 5 (см. табл. 2).

2 Methods

Наличие микроорганизмов изучалось по специально отобранным пробам грунтов, грунтовых вод, разрушенных строительных материалов подземных конструкций (известняки, известковистый раствор, деревянные лежни) на базе Санкт-Петербургского государственного университета в соответствии с требованиями РВСН 20-01-2006 (ТСН 20-303-2006).

Для первичной изоляции, поддержания в культуре и идентификации микромицетов использовались рекомендуемые питательные среды: агар Чапека-Докса, картофельно-глюкозный агар (КГА), агар Сабуро и сусло-агар.

Способы выделения грибов в культуру из предоставленных образцов:

• -    рассев мелких фрагментов (конгломератов) грунта на поверхность питательной среды;

• -    получение суспензии и посев на питательную среду в различных разведениях -модификация метода почвенных разведений. [17]

Получаемые культуры инкубировали в термостате в течение 2-4 недель при температуре 250С до получения спороношения, после чего проводилась идентификация микромицетов с использованием световой микроскопии. Для получения препаратов микромицетов применяли стандартную методику микроскопирования микроорганизмов в лактофеноле (вязкая консервирующая жидкость) с использованием предметных и покровных стекол. В ходе идентификации было изготовлено более 50 препаратов. Идентификация микромицетов проводилась с использованием отечественных и зарубежных определителей. [17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34] Количественное определение пропагул (спор) грибов (колониеобразующих единиц – КОЕ) на 1 грамм субстрата осуществлялось методом разведений. [17]

Полученные данные были обработаны и проанализированы в отношении видового разнообразия, численности, встречаемости и агрессивности грибов.

При проведении бактериологических исследований выделение микроорганизмов осуществляли на 4 агаризованные (твердые) питательные среды: ГМФ (гидролизат мяса ферментативный) для учета общего микробного числа аэробных органотрофных бактерий, модифицированную среду Чапека для выделения актиномицетов, среду для тионовых бактерий, а также среду для сульфатредуцирующих бактерий (анаэробные условия). Количественный учет бактерий проводился с использованием метода разведений.

Засеянные чаши помещали в термостат. Условия инкубации: температура +30 град, темнота. Подсчет и изучение колоний производили прямым наблюдением и с использованием бинокулярной лупы на 3 и 7 сутки (при увеличении от 20 до 100х). Пересчет колоний производился на 1 грамм грунта или субстрата, а также на 1 мл воды. При просмотре чашек учитывали морфологические признаки колоний: размеры, цвет, прозрачность, консистенция, характер края, зональность, высота и др. Доминирующие типы колоний отсевали на скошенный агар (МПА) в пробирки для хранения и последующего экспериментального исследования.

Для выделения анаэробных бактерий использовали анаэростат ANAEROJAR AG0025A на 2,5 литра. Наблюдения за проявлением колоний в анаэробных условиях производили на 14 сутки с момента посева.

Окраску по Граму, приготовление препаратов (мазков), окрашивание бактериальных клеток и микроскопирование бактерий осуществляли в соответствии с принятыми методиками.

На заключительном этапе работы производилось сопоставление микологических и бактериологических данных для получения общей картины микробного заражения грунта, строительных материалов и грунтовых вод.

Как и ожидалось, микробная пораженность грунтовой толщи была оценена как высокая, прежде всего гетеротрофными формами микроорганизмов, которые использует органические соединения в качестве питательного и энергетического субстрата .

3 Results and Discussion

Высокое содержание органического вещества и отрицательные значения Eh определяет численность анаэробных форм микроорганизмов, в то время, как содержание аэробных тионовых бактерий с глубиной снижаются до 103 клеток. (табл. 3).

Таблица 3 - Микробиологическая пораженность грунтовой толщи

Схематический разрез основания зданий				Численность микроорганизмов в одном грамме грунта			Видовой состав микромицетов
с s 1- о Q T s 1— Q Q 1—	■ ГО 5 ” g | 2 Pro	3 ф X f a* 2 “ к x 5 о 8 ° о	о & о о S	ф U н Ф Z	ф ф ю о ГО 5 < н	1 к Ф Z н Зло Z ° ю ф Е О н X о 3 Ф о С „ОО < ат
lbIV	Торф, хорошоразложившийс я, водонасыщенный (линзы)	4,5-6,0	LO CN о	106	104	++	Неспороносящий светлоокрашенный гриб; Penicillium chrysogenum; Cladosporium cladosporioides; Scytalidium lignicola; Penicillium herqueri
lmIV	Пески пылеватые, водонасыщенные	3,5-4,6	LO со LQ	107	104	++++	Penicillium brevicompactum; Aspergillus sydowii; Paecilomyces lilacinus; Неспороносящий светлоокрашенный гриб
lgIII	Суглинок средний пылеватый, слоистый	0,5-2,0	LO LO LQ	106	103	++++	Cladosporium cladosporioides; Ulocladium chartarum; Penicillium waksmanii; Неспороносящий светлоокрашенный гриб

gIIIos

Суглинок средний пылеватый

(-0,5) -(-3,5)

LO OD Ю CO

106

103

++++

Penicillium herqueri;

Cladosporium cladosporioides