Влияние микроорганизмов на минеральный состав и свойства грунтов

Микроорганизмы – это самые массовые обитатели нашей планеты, их общая биомасса больше биомассы всех других живых существ, вместе взятых [35, 47]. Чрезвычайная лабильность метаболизма бактерий позволяет им жить практически повсеместно, в любых земных условиях. Благодаря широкому диапазону условий существования и разнообразию типов обмена микроорганизмы заселяют почти все элементы геологической среды, среди которых с точки зрения микробиологии наиболее изучены почвы [7, 11, 17]. В процессе жизнедеятельности микроорганизмы используют различные химические элементы (Na, K, Ca, Mg, Fe, P, C, N, S и многие другие) и обладают почти универсальной способностью выполнять те или иные геохимические функции. Продуктами

жизнедеятельности микроорганизмов являются их биомасса, различные окислы, легко возвращающиеся в геохимические циклы, и газы. Исключительную роль микроорганизмов в биогеохимических процессах отмечали В.И. Вернадский [6], С.Н. Виноградский [7], Б.Л. Исаченко [12] и другие отечественные исследователи [14]. При решении ряда инженерно-геологических проблем важно изучение живого компонента грунтов – микроорганизмов. С одной стороны, инженерно-геологическая деятельность нарушает условия хода в геологической среде многих природных процессов, в том числе и микробных. При этом нередко наблюдается усиление некоторых нежелательных микробиологических процессов по сравнению со скоростью их протекания в естественных условиях. С другой стороны, именно микроорганизмы могут способствовать поддержа- нию желаемых параметров окружающей среды [13].

Распространенность микроорганизмов в грунтах

Микроорганизмы широко распространены в грунтах разного генезиса. Численность микробов в подпочвенных слоях в пересчете на 1 г субстрата находится в пределах 105–107 клеток, и это меньше, чем в почвенном слое, примерно на 1–3 порядка [20, 21, 44]. Соотношение может сильно меняться в зависимости от изменения условий обитания микроорганизмов. В общем случае характерно снижение численности микробов в подпочвенных толщах с глубиной [34, 48]. Анализ численности микроорганизмов в различных грунтах выявил зависимость количества микробов от типа отложений и их химического состава. Суммарное количество биотической составляющей в различных грунтах меняется в очень широких пределах, однако, установлена прямая зависимость общей численности микроорганизмов от содержания органического вещества [32, 37]. Живые организмы могут находиться в грунте на поверхности твердой минеральной части, в поровом растворе, в порах, трещинах, кавернах и пустотах. Отсюда следует, например, что общая биомасса организмов в грунтах потенциально зависит от их пористости (пустотности): чем меньше пористость, тем меньше биомасса. Например, в скальных грунтах с пористостью в десятые и сотые доли процента биомасса организмов не может быть значительной, а рыхлые, пористые грунты способны иметь значительную биомассу живой составляющей [35, 49]. С другой стороны, Паркес и соавторы (2000) считают, что пористость пород не является фактором, лимитирующим распространение микроорганизмов в грунтах и породах, т. к. микроорганизмы занимают всего лишь 0,0002% от общего пространства пор и, следовательно, не ограничены пространством [46]. В дисперсных грунтах и даже отчасти в природных водах подав- ляющее количество микроорганизмов адсорбировано на поверхности твердой фазы. Адсорбция микробных клеток на твердых частицах экологически целесообразна, т. к. большинство источников питания находится в природе в нерастворимом состоянии и прямой контакт клеток с твердым питательным субстратом облегчает использование последнего [11, 38].

Влияние микроорганизмов на свойства грунтов

Особенности физиологии микроорганизмов, их воздействие на минералы, органические вещества, газы и проч., а также широкое распространение в грунтах дают все основания ожидать, что они окажут значительное влияние и на свойства самих грунтов: их минеральный состав, структуру, дисперсность и напряженное состояние.

Изменение твердой фазы грунтов

Все микроорганизмы воздействуют на твердый компонент грунта, используя для своего питания содержащиеся в нем минеральные элементы. Микроорганизмы способны разрушать важнейшие минеральные компоненты горных пород, такие как силикаты, алюмосиликаты и доломиты [29]. В первую очередь микробиологическому воздействию подвержены изоморфно замещенные, обменные или случайно примешанные ионы [1, 19]. В глинистых минералах первыми и быстрее всего переводятся в раствор катионы меж-дуслоевого пространства, затем изоморфно замещенные ионы и ионы, занимающие периферическую зону частиц. Слабее всего мобилизуются ионы, занимающие октаэдрические и тетраэдрические фрагменты структуры минерала [24]. При действии гетеротрофных микроорганизмов на алюмосиликаты сначала приобретают подвижность щелочные элементы, затем щелочно-земельные, последними – кремний и алюминий. Вынос элементов из минералов в присутствии микроорганизмов в два-три раза выше, чем под действием воды или «мертвого» органического вещества. Особенности выноса элементов определяются прочностью связей атомов в структуре кристаллической решетки, типом микроорганизма и условиями разложения [42]. Более активное воздействие на грунт обусловлено способностью микробов окислять и восстанавливать элементы с переменной валентностью, входящие в состав кристаллической решетки минералов; влиянием метаболитов (H2SO4, HNO3, органических кислот, слизей, щелочей, сероводорода и др.). Минерал при этом может быть полностью разрушен или (при избирательном выносе элементов) трансформирован в другой. Трансформация одних минералов в другие происходит при избирательном выносе отдельных элементов из кристаллической решетки или при окислении и восстановлении элементов, входящих в её состав. Примерами трансформаций могут служить процессы вермикулитизации биотита, трансформации пирита в минералы типа натроязита, антимонита в сенармонтит и др. В анаэробных условиях при участии сульфатредуцирующих бактерий наблюдается обратный процесс: пиритизация таких сульфатных минералов, как ярозит, натроярозит, алунит и др. [5, 9, 25]. Лабораторные эксперименты с тремя разновидностями нонтронита и последующее компьютерное моделирование показали, что восстановлению подвергаются ионы железа, преимущественно находящиеся в октаэдрических решетках минерала, а окислению – ионы железа, преимущественно находящиеся в тетраэдрических решетках [33, 45]. Почти полное замещение первичной ангидритовой породы вторичным кальцитом и серой может происходить в результате активной суль-фатредукции и развития тионовых бактерий. В глинистых грунтах в восстановительных условиях наблюдается образование кальцита одновременно с уменьшением содержания гипса и формированием сульфидных минералов, обусловливающих темную окраску грунта в присут- ствии микроорганизмов и органических веществ. Полное микробное разрушение установлено для нефелина, биотита, карбонатов [5]. Растворение карбонатных минералов органическими кислотами и другими продуктами микробного происхождения может привести к образованию карста [9, 16]. Микробиологическое новообразование минералов показано на ряде карбонатных, сульфидных, бокситовых, железистых (гетит, гематит) отложений, имеющих в некоторых случаях масштабы месторождений [2, 31]. Образование карбонатов осуществляется при участии многих микроорганизмов и обусловлено взаимодействием выделяемой в процессе дыхания и брожения углекислоты с имеющимися в среде катионами. При избытке серы накопление карбонатов в форме кальцита, арагонита или апатита происходит в результате сульфатредукции. При окислении микроорганизмами марганца образуется пиролюзит или близкие ему минералы. Микроорганизмы способны накапливать также окислы алюминия, с чем может быть связано образование латеритных бокситов. Концентрация алюминия как остаточного продукта также происходит в результате разложения алюмосиликатов микроорганизмами и выноса всех более растворимых элементов [29].

Микроорганизмы оказывают влияние на электроповерхностные свойства частиц, изменяя заряды частиц дисперсных пород при адсорбции на них отрицательно заряженных клеток или продуктов метаболизма, функциональные группы которых могут иметь как положительный, так и отрицательный заряды. Развитие микробной компоненты в грунтах увеличивает содержание тонкодисперсной фракции, способствует формированию тонкой пористости, снижению проницаемости и водоотдачи песчаных грунтов. Сорбция бактериальных клеток и продуктов метаболизма на глинистых частицах приводит к формированию биопленок, что значительно ослабляет интенсивность молекулярного взаимодействия между частицами, приводит к снижению прочности и по- казателей деформационных свойств [10]. В присутствии гумусовых веществ микроорганизмы восстанавливают такие устойчивые соединения Fe3+, которые они не могут восстановить в отсутствие гумуса, например кристаллические оксиды железа (гетит и гематит) или структурное железо (III) в глинистых минералах [40]. Микроорганизмы могут играть роль как в цементации, так и в разуплотнении пород [5, 18, 26, 28, 30, 36, 41, 50].

В ряде случаев под действием живого компонента изменяются пористость и водопроницаемость пород благодаря заполнению пор клеточной биомассой или нерастворимыми продуктами обмена (карбонатами, окислами), образовавшимися при трансформации твердого компонента. Таким путем происходят микробиологическая закупорка пластов при закачке воды в нефтяные скважины [8, 39], уменьшение выхода воды из скважин [27]. Увеличение пористости до 15% отмечено при микробиологическом выветривании ангидритовой породы [22]. Накопление микроорганизмами железа и марганца в сильномагнитной форме сказывается на магнитных свойствах грунта [43].

Существуют данные об изменении таких свойств грунтов, как прочность на сдвиг, липкость, пластичность. Уменьшение прочности при развитии микроорганизмов в восстановительных условиях может быть связано с разрушением гидроо-кисного и органического цементов с образованием поверхностно-активных веществ (ПАВ). Появление последних в грунтах после развития микроорганизмов подтверждалось данными анализов. Снижение липкости также может быть связано с действием ПАВ. В окислительных условиях, наоборот, под влиянием железобактерий соединения Fe3+ и Mn2+ превращаются в гелеобразные окислы, обладающие клеящими свойствами, вследствие чего прочность грунтов несколько увеличивается. Пластичность образцов в окислительных условиях снижалась, что отражало агрегацию частиц в результате развития железобактерий, в восстановитель- ных условиях пластичность увеличивалась [5].

Изменение газовой фазы грунтов

Трансформации твердого компонента обычно сопряжены с потреблением или выделением газов и, таким образом, с изменением газового состава грунта. Разложение органических веществ, бикарбонатов, сульфатов в зависимости от условий, в которых оно происходит, ведет к выделению СО 2 , N 2 , NH 3 , H 2 S, CH 4 , летучих органических веществ и др. За интенсивное газообразование при разложении органики в грунтах ответственны все гетеротрофные микроорганизмы. Газонасыщен-ность среды может возрастать в результате метаногенеза или восстановления нитрит- и нитрат-ионов. Потребление газов наблюдается при нитрификации (NH 3 ), азотфиксации (N 2 ), окислении Н 2 , СН 4 , СО, H 2 S, SO 2 , автотрофной ассимиляции углекислоты.

Установлено, что микроорганизмы в закрытой системе грунта могут увеличивать поровое давление и придавать ему плывунные свойства [23]. Защемленные в порах мельчайшие пузырьки образующихся в процессе метаболизма бактерий газов с высокой величиной поверхностного натяжения и большим внутренним давлением способствуют значительному разуплотнению глинистых пород. В таких условиях существенно возрастает тиксо-тропность песчано-глинистых пород. В результате метаболизма бактерий водонасыщенные пески, не обладающие плывунными свойствами, в течение короткого времени могут становиться истинными плывунами. Плывун может возникнуть в грунтах, где имеются или куда поступают извне питательные вещества для микроорганизмов и условия обмена с окружающей средой благоприятны не только для развития микроорганизмов в течение длительного времени, но и для накопления продуктов их жизнедеятельности. Данный факт получает многочисленные подтвер- ждения при изучении трансформации песков в процессе их загрязнения [10].

Изменение жидкой фазы грунтов.

Изменения твердого и газового компонентов отражаются и на особенностях жидкого компонента, влияя на его состав, ионную силу растворов, рН, окислительно-восстановительный потенциал и др.

К закислению среды ведут накопление в ней продуктов неполного разложения водорастворенного органического вещества (летучих жирных кислот), процессы брожения и восстановления ионов железа (III). Значительные изменения рН поровых вод могут вызвать также тионовые и нитрифицирующие бактерии, подкисляющие среду. Защелачивание среды может происходить в результате процессов метаногенеза и восстановления нитрит-, нитрат- и сульфат-ионов. Установлено важное значение микроорганизмов в образовании щелочей, например соды, в результате процессов сульфатредукции, денитрификации или разложения органических веществ. Щелочные условия среды способны вызывать абиогенные преобразования алюмосиликатных минералов.

Изменение окислительно-восстано-ви-тельных условий среды будет происходить по мере исчерпания микроорганизмами веществ, используемых ими в качестве конечных акцепторов электронов для окисления органических веществ. Кроме того, выделение микроорганизмами продуктов метаболизма, поглощение из минералов и жидкой фазы различных элементов, изменения минералов, состава обменных катионов, жидкой и газовой фаз, ионной силы растворов также вызывают изменения окислительно-восстано-витель-ных условий [29].

Заключение

Обнаруживаемые в грунтах микроорганизмы могут функционировать на всех этапах формирования грунтов и их изменения. При стабильном состоянии грунтов микроорганизмы способны нивелировать колебания газового состава, состава поровых вод и твердого компонента, возникающие при изменениях атмосферного давления и движении газов из мантии к поверхности, при подтоке подземных вод и нисходящем движении атмосферных вод. Значение микробиологической деятельности может существенно возрасти при нарушении стабильного состояния грунта, а также при техногенном воздействии [3, 4, 16]. Таким образом, биотические свойства грунтов имеют весьма существенное значение в инженерно-геологических исследованиях. Для того чтобы применить адекватные меры защиты сооружений, необходимо при проведении проектно-изыскательских работ проводить исследования грунтов на их микробиологическое заражение. При этом важно не только установить присутствие в грунтах различных физиологических групп микроорганизмов, но и дать оценку степени их агрессивности.

В существующих нормативных документах отсутствует оценка степени агрессивности микробиоты грунтов по отношению к строительным материалам. Сложность таких оценок обусловлена тем, что агрессивность микробиоты подземного пространства зависит не только от количества и видового состава биодеструкторов, но и от температуры, влажности, аэрации, наличия или отсутствия в грунте органических веществ, антропогенных факторов и т.д. Большое разнообразие микроорганизмов в грунте, их способность адаптироваться к меняющимся условиям среды делают количественную оценку микробиоты, с точки зрения опасности для материалов, практически неразрешимой задачей. Но для принятия технических решений по защите инженерных сооружений от агрессивного воздействия микрофлоры грунтов и подземных вод такая оценка необходима.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 10-05-96017 р_урал_а «Теоретические основы создания искус ственных геохимических барьеров для за щиты окружающей среды при освоении природных ресурсов Западного Урала».