научная статья по теме ВЛИЯНИЕ АКТИВНОСТИ И ЧИСЛЕННОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ НА ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА ПЕСЧАНЫХ ГРУНТОВ МОСКОВСКОГО РЕГИОНА Геология

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ АКТИВНОСТИ И ЧИСЛЕННОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ НА ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА ПЕСЧАНЫХ ГРУНТОВ МОСКОВСКОГО РЕГИОНА»

ГЕОЭКОЛОГИЯ. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ. ГИДРОГЕОЛОГИЯ. ГЕОКРИОЛОГИЯ, 2015, № 2, с. 158-165

ГРУНТОВЕДЕНИЕ

УДК 624.131:551.312

ВЛИЯНИЕ АКТИВНОСТИ И ЧИСЛЕННОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ НА ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА ПЕСЧАНЫХ ГРУНТОВ МОСКОВСКОГО РЕГИОНА

© 2015 г. П. В. Иванов*, Н. А. Манучарова**, А. Д. Сафиуллина*

* Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, геологический факультет,

Ленинские горы, Москва, 119992 Россия. E-mail: pvivanov@yandex.ru ** Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, факультет почвоведения; Ленинские горы, Москва, 119992 Россия. E-mail: manucharova@mail.ru

Поступила в редакцию 03.04.2014 г.

Рассматривается изменение параметров прочностных свойств песчаных грунтов в ходе микробной сукцессии, вызванной однократным увлажнением раствором глюкозы. Показано изменение биомассы бактерий, актиномицет и микрогрибов. На основании определения эмиссии углекислого газа оценены активность микробиологических процессов в грунтах и их влияние на показатели прочностных свойств песчаных грунтов. Максимальные значения активности и биомассы микроорганизмов наблюдаются на 7-9 сутки сукцессии, отмечены увеличение сцепления и уменьшение угла внутреннего трения у всех грунтов. Для образца техногенного грунта сцепление увеличивается, а угол внутреннего трения уменьшается на всем протяжении сукцессии.

Ключевые слова: песчаные грунты, микроорганизмы, прочностные свойства, микробиологические процессы.

ВВЕДЕНИЕ Численность микроорганизмов в грунтах

В современном грунтоведении микроорганизмы признаны важной составляющей грунтов. Суммарное количество микробиоты в различных грунтах меняется в широких пределах. Живые организмы могут находиться в грунте на поверхности твердых частиц, в поровом растворе, в порах, трещинах, кавернах и пустотах [3]. При этом некоторые исследования отмечают, что на поверхности минеральных частиц находится в среднем в 100 раз больше клеток (в пересчете на 1 г грунта), чем в поровой жидкости. Наибольшая концентрация клеток наблюдается на органических включениях (в частности, на растительных остатках) [11].

Наибольшая численность микроорганизмов зафиксирована в верхних 10-15 см грунтового массива (в почвах). Так, в среднем в 1 г почвы содержится 105-109 клеток бактерий, около 103-106 клеток низших грибов и актиномицетов, 103-104 клеток низших водорослей и 102-103 клеток простейших. Суммарная площадь внешней поверхности этих микроорганизмов достигает огромной величины, в

результате чего они и оказывают сильное влияние на состав и свойства грунтов [3].

Данные по численности микроорганизмов в грунтах ограничены и не систематизированы. Например, существуют исследования, показывающие, что в верхних горизонтах лессовых грунтов на территории г. Ростова-на-Дону общая численность микроорганизмов достигает 3.0 млн клеток на 1 г грунта. По мере увеличения глубины залегания грунтов численность микроорганизмов закономерно сокращается и достигает не более 500 тыс. клеток на 1 г грунта [10].

Немецкими исследователями изучалась численность микроорганизмов в песчаных грунтах в районе г. Бохольта, Германия. Было установлено, что в песчаных грунтах содержится порядка 108 клеток бактерий на 1 г грунта практически вне зависимости от глубины отбора образца. При этом количество метаболически активных клеток в 10-100 раз меньше и резко сокращается с глубиной в верхних 5 м разреза (примерно в 10 раз), затем до изученной глубины (35 м) изменяется слабо [11].

Несмотря на в целом незначительную численность микроорганизмов в относительно глубоких

горизонтах грунтовых массивов (по сравнению с почвами), их чрезвычайное разнообразие, распространенность, высокая активность и большое количество биогеохимических реакций [6] способствуют тому, что микробиота становится существенным агентом в формировании и изменении состава, строения и свойств грунтов.

Преобразование грунтов под влиянием микробиологических процессов

Начиная 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 1970-х годах. В работах В.В. Радиной [8], Е.М. Сергеева и И.Н. Болотиной [9], С.Е. Горина и П.Э. Роота [2] и других исследователей подчеркнута актуальность изучения влияния микроорганизмов на состав, строение и свойства грунтов.

Механизмы преобразования состава, строения и свойств грунтов весьма сложны и разнообразны. Под воздействием функциональных комплексов микробов в грунтах протекают противоположные процессы. Клетки адсорбируются на поверхности минеральных частиц грунта и с помощью различных механизмов (ферментативное разрушение или деструкция с помощью слизей) извлекают химические элементы из кристаллической решетки минералов и межслоевых пространств алюмосиликатов. При этом часть ионов иммобилизуется в живых клетках, а многие элементы и соединения переходят в поровый раствор. Агрессивны к компонентам грунта также многие продукты метаболизма микроорганизмов (полисахариды, органические кислоты, спирты и др. органические соединения). В результате потребления вынесенных элементов и разложения вещества отмерших клеток могут формироваться новые биогенные минералы [1]. Преобразование кристаллических решеток и межслоевых пространств глинистых минералов приводит к перераспределению набухающих и ненабухающих пакетов, что, в свою очередь, сказывается на строении и свойствах грунтов.

Адсорбция клеток на поверхности частиц приводит к возникновению специфических биогенных структурных связей, что приводит к агрегации грунта [3]. Этому способствуют также "склеивание" компонентов системы органическими слизеподобными продуктами метаболизма и их "спутывание" мицелием актиномицетов и грибов [12]. Агрегация также происходит и за

счет давления газов, вырабатываемых микроорганизмами в процессе жизнедеятельности [8].

По мере агрегации в грунтах формируется все большее количество изолированных микро- и ультрамикропор, в которых создаются восстановительные условия, и функционирует комплекс анаэробных микроорганизмов [6]. Они восстанавливают окисленные аэробными формами органические вещества, тем самым способствуя диспергации грунта [9].

Таким образом, в грунтах существует неустойчивый баланс между процессами агрегации и диспергации. Любое внешнее воздействие (например, изменение влажности, привнос в грунт питательных веществ, изменение химического состава порового раствора, механическое разрушение агрегатов и т.п.) приводит к нарушению этого равновесия.

Изменение минерального и микроагрегатного состава грунтов, а также формирование органических соединений ведут к изменению показателей прочностных свойств грунтов. Слизеподоб-ные органические соединения могут играть роль своеобразной смазки, уменьшая угол внутреннего трения грунтов [2, 4, 5]. Негативное влияние на прочность оказывает увеличение дефектности кристаллических решеток минералов. Перераспределение набухающих и ненабухающих пакетов глинистых минералов может как негативно сказываться на показателях прочностных свойств грунтов, так и улучшать их. Спутывание и склеивание частиц клетками и продуктами метаболизма способствуют увеличению сцепления грунтов. К росту показателей прочностных свойств приводит также выпадение в осадок нерастворимых соединений - формирование своеобразного биоцемента.

Активизация микробиологических процессов при загрязнении грунтов

При попадании в грунты различных биофиль-ных соединений, которые могут служить субстратом для развития микроорганизмов, их численность существенно возрастает, формируются специфические микробные сообщества, увеличивается скорость метаболизма, его продукты накапливаются в грунте, изменяя его. Такими соединениями могут быть как органические вещества различного строения (глюкоза, полисахариды, нефтепродукты, пектин, хитин, целлюлоза и др.), так и минеральные соединения. Причем загрязнение грунтов этими веществами может быть как целенаправленным (введение удобрений или закрепление массивов грунтов), так и случайным

(утечки из трубопроводов, канализаций, разливы на поверхности и др.).

При загрязнении грунтов нефтепродуктами микроорганизмы, с одной стороны, способствуют очистке геологической среды от поллютантов, а с другой - негативно влияют на свойства этих грунтов. Так, по данным Р.Э. Дашко, в анаэробных условиях специфическими микроорганизмами происходит окисление нефтепродуктов, разрыв связей в бензольных кольцах ароматических углеводородов. В условиях нормальных температур и давлений микроорганизмы - единственный агент очищения грунтов от углеводородного загрязнения. В зависимости от условий (содержания в загрязненных грунтах соединений азота и фосфора и других биофильных соединений) полная деградация углеводородов может наблюдаться на расстоянии от 30-60 м от источника загрязнения. При этом в породе образуется большое количество углекислого газа, накапливается биомасса. К тому же потребление углеводородными микроорганизмами кислорода ведет к активизации процессов восстановления трехвалентного железа (главного элемента цемента грунтов) до подвижной двухвалентной формы. Эти факторы приводят к снижению показателей прочности грунтов на 50-75% [5].

Существенное влияние на активизацию микробиологических процессов оказывает привнос в грунты канализационных стоков (КС). Эти растворы, с одной стороны, содержат большое количество живых клеток бактерий, а с другой -значительные концентрации легкодоступных для микроорганизмов органических питательных веществ. Исследования, проведенные в СПбГГИ, показали, что насыщение глинистых грунтов КС ведет к значительному ухудшению их свойств. Например, моренные суглинки, насыщенные КС, набухают в значительной степени сильнее, чем при насыщении водой. В воде грунты характеризуются как ненабухающие, тогда как при насыщении

Характеристика исследованных образцов

стоками относительная деформация набухания составляет около 14%, и грунты характеризуются как средненабухаемые. Слабонабухающие в воде среднекембрийские глины при насыщении стоками имеют деформацию набухания до

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

Пoхожие научные работыпо теме «Геология»