научная статья по теме ИЗМЕНЕНИЕ СОСТАВА, СТРОЕНИЯ И СВОЙСТВ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ ПОД ВЛИЯНИЕМ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ БРОЖЕНИЯ И ДЕНИТРИФИКАЦИИ Геология

Текст научной статьи на тему «ИЗМЕНЕНИЕ СОСТАВА, СТРОЕНИЯ И СВОЙСТВ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ ПОД ВЛИЯНИЕМ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ БРОЖЕНИЯ И ДЕНИТРИФИКАЦИИ»

ГЕОЭКОЛОГИЯ. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ. ГИДРОГЕОЛОГИЯ. ГЕОКРИОЛОГИЯ, 2013, № 4, с. 370-375

УДК 624.131.4:551.312

ИЗМЕНЕНИЕ СОСТАВА, СТРОЕНИЯ И СВОЙСТВ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ ПОД ВЛИЯНИЕМ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ БРОЖЕНИЯ И ДЕНИТРИФИКАЦИИ

© 2013 г. П. В. Иванов

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, геологический факультет, кафедра инженерной и экологической геологии, Ленинские горы, Москва, 119234 Россия. E-mail: pvivanov@yandex.ru.

Поступила в редакцию 12.10.2012 г.

Рассматриваются результаты исследования влияния концентрированной смеси денитрифицирующих бактерий и бактерий-бродильщиков на состав, строение, состояние и свойства аллювиальных глинистых грунтов, отобранных на территории г. Перми. Показано увеличение объема образца при замачивании в растворе микроорганизмов, изменение минерального состава грунтов, увеличение их пористости и влажности, снижение плотности, а также показателей прочностных и деформационных свойств. Отмечены процессы взаимодействия микроорганизмов с компонентами грунта, которые могут привести к подобным изменениям.

Ключевые слова: суглинок, микроорганизмы, бродильщики, денитрификаторы, прочностные свойства, деформационные свойства, микробиологические процессы.

ВВЕДЕНИЕ

Микроорганизмы - это составляющая часть грунтов, они в том или ином количестве присутствуют в большинстве из них. Клетки микроорганизмов и продукты их метаболизма активно сорбируются на минеральных частицах дисперсных грунтов, изменяя минеральный и гранулометрический состав, влияя на физико-химические и механические свойства. Образующиеся на поверхности частиц биопленки способствуют снижению интенсивности молекулярного взаимодействия минеральных частиц, играют роль своеобразной смазки, в связи с чем возможно снижение прочности, параметров проницаемости и водоотдачи грунтов.

Однако роль микроорганизмов в формировании и изменении состава, строения и свойств грунтов изучена еще достаточно слабо. С конца XIX в. микроорганизмы широко изучаются в почвоведении, тогда как исследования их роли в формировании свойств грунтов в инженерной геологии по сути впервые были проведены только в 70-х годах прошлого столетия.

Тем не менее микроорганизмы обладают почти универсальной способностью выполнять те или иные геохимические функции. Для них ха-

рактерны значительная физиологическая (биохимическая) активность, быстрое размножение в благоприятных условиях, а также лабильность метаболизма [5].

В грунтах, насыщенных микроорганизмами, протекают следующие процессы: 1) деструкция с помощью микробных слизей; 2) ферментативное разрушение; 3) разрушение минералов под влиянием соединений, продуцируемых в процессе обмена веществ [2].

Продукты метаболизма микроорганизмов участвуют в формировании биогенных структурных связей. Микроорганизмы обладают определенным положительным или отрицательным зарядом, поэтому образуют биоэлектростатические структурные связи. В этом случае они проявляются как силы притяжения между частицами, тем самым способствуя агрегации грунта. Однако адсорбция и участие бактерий в формировании ДЭС частиц грунта могут вести к возникновению сил отталкивания между частицами и, следовательно, диспергации грунта [3].

В процессе метаболизма микроорганизмы выделяют газы, которые изменяют структуру грунта. При этом увеличивается пористость и уменьшается плотность грунта [7]. Изменение состава

и строения ведет к снижению показателей прочностных и деформационных свойств до 50% [4].

Существуют и исследования, показывающие возможность увеличения прочностных и деформационных свойств грунтов за счет микробиологических процессов. Работы, проведенные в университете Кембриджа, показали, что глинистые водонасыщенные грунты, "пораженные" микроорганизмами, могут иметь повышенные показатели прочности на сдвиг. Исследователи полагают, что выделяемые микроорганизмами полисахариды, а также клетки самих бактерий могут не разрушать минералы, а "склеивать" их [9].

ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТОВ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Лабораторные исследования влияния жизнедеятельности микроорганизмов на состав, строение и свойства грунтов проводились в лаборатории геологии техногенных процессов Естественнонаучного института Пермского государственного университета и лабораториях кафедры инженерной и экологической геологии Московского государственного университета в период с июля 2011 по март 2012 г. Были изучены три образца аллювиальных грунтов, отобранных в ходе буровых работ на территории г. Перми.

Грунты представлены суглинками тяжелым пылеватым, а также легким и тяжелым песчанистыми. По данным ренгтеноструктурного анализа, в минеральном составе грунтов преобладают кварц и полевые шпаты; глинистые минералы представлены смектитами, иллитами, в меньшей степени - хлоритами и каолинитами. По результатам определения параметров набухания образцов все исследованные грунты ненабухающие (относительная деформация набухания < 0.04). Для исследования влияния микроорганизмов на свойства грунтов кольца для сдвиговых и компрессионных испытаний с грунтом, вырезанные из монолитов, подвергали обработке накопительными культурами микроорганизмов, выделенными из самих грунтов.

Для получения накопительной культуры гетеротрофных микроорганизмов из середины монолита грунта асептически отбирали 5 см3 пробы, которую помещали в коническую колбу объемом 250 мл со 100 мл стерильной среды для гетеротрофных микроорганизмов, содержащей глюкозу (1 г/л) и сухой питательный бульон (1.5 г/л). Колбу закрывали ватно-марлевой пробкой и инкубировали в течение трех суток в термостате при

28 °С. Полученную культуру микроорганизмов использовали в качестве инокулята для засева 5 л свежей стерильной среды того же состава. Кольца для сдвиговых и компрессионных испытаний помещались в металлические цилиндры по 3 шт. Между кольцами прокладывались перфорированные пластиковые шайбы. Сверху система закрывалась металлической перфорированной ограничительной шайбой, которая закреплялась винтом для предотвращения набухания грунта. После чего образцы заливались полученной жидкостью, цилиндры заматывались целлофаном для поддержания анаэробных условий. Обработка грунта культурой микроорганизмов продолжалась 20 сут. После обработки жидкость сливалась, грунт в состоянии полного водонасыщения подвергался испытаниям на сдвиг и компрессионное сжатие с контролем влажности, плотности и других свойств.

По результатам микробиологических анализов, выполненных на биологическом факультете МГУ Н.Н. Куненковой, в "растворе" было установлено наличие бактерий-бродильщиков, денитрифика-торов в количестве около 3.0-3.5 х 105 кл/мл, а также нитрификаторов (2.3 х 102 кл/мл). Орга-нолептический анализ позволяет предположить наличие в накопительной культуре сульфатредук-торов из-за характерного запаха. Однако использованными методами выделить культуры суль-фатредукторов не удалось.

По результатам анализа снимков, полученных с помощью электронного микроскопа, было установлено наличие бактерий родов Bacillus, Pseudomonas, Rhodococcus, Arthrobacter, Micrococcus, Mycobacterium.

Испытания на компрессионное сжатие и сдвиг исходных грунтов выполнялись на водонасыщен-ных образцах. Кольца с грунтом помещались в емкость с дистиллированной водой на сутки. Испытания "зараженных" образцов выполнялись сразу после слива раствора микроорганизмов из цилиндра. Компрессионные испытания проводились на приборах конструкции ЦНИИ МПС, сдвиговые -по схеме неконсолидированного недренирован-ного сдвига с постоянной скоростью нагружения на приборах конструкции "Гидропроекта".

Исследование величины набухания грунта под воздействием микроорганизмов проводили на приборе ПСНГ по ГОСТ 24143-80. К контрольному образцу грунта добавлялась дистиллированная вода, к опытному образцу - среда для гетеротрофных микроорганизмов, приготовленная на дистиллированной воде и содержащая бульон

питательный сухой (1.5 г/л), глюкозу (1 г/л). Приборы с образцами грунта помещались в термостат при 25 °С. В ходе эксперимента измерялась величина линейной деформации образцов грунта во времени.

Определения характеристик исходных и насыщенных культурами микроорганизмов грунтов проводились по идентичным методикам.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Испытания образцов глинистых грунтов после насыщения микроорганизмами показали, что в системе протекают процессы, изменяющие состав, строение и свойства грунтов.

Изменение минерального состава

Был проведен рентгеноструктурный анализ исходных и измененных образцов грунта 1 (суглинок тяжелый пылеватый), грунта 2 (суглинок легкий песчанистый) и грунта 3 (суглинок тяжелый песчанистый). Результаты полуколичественного рентгеноструктурного анализа приведены в табл. 1.

Они показывают, что в грунтах происходит изменение минерального состава за счет перераспределения набухающих и ненабухающих пакетов разных типов. Методика не позволяет количественно оценить содержание смешанослойных минералов, но анализ дифрактограмм показывает их присутствие в том или ином количестве. Содержание хлоритовых и каолинитовых пакетов практически не изменяется. При этом возрастает дефектность всех минералов.

Сложно однозначно сказать, почему в грунтах происходят подобные процессы. Известно, что микроорганизмы активно освобождают калий, кальций и натрий из минералов посредством различных механизмов [6]. С одной стороны, сильные минеральные кислоты, образующиеся в процессе метаболизма микроорганизмов, и особенно при брожении и нитрификации, могут связывать ионы металлов в межслоевых пространствах глинистых минералов в растворимые хелатные комплексы. Ионы переходят в раствор и могут выноситься из системы. С другой стороны, некоторое количество этих ионов бактерии потребляют в качестве питательных веществ, тем самым иммобилизуя их в биомассе. С ростом биомассы микроорганизмов увеличивается и количество иммобилизованных катионов. Ионы калия входят в межслоевое пространство иллита, а кальция и магния - вермикулита. При

Таблица 1. Результаты полуколичественного рент-геноструктурного анализа минерального состава грунтов

Соотношение глинистых

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком