Введение. Одной из активно развивающихся технологий сохранения и восстановления строительных материалов является микробно-индуцированное осаждение карбоната кальция [1–4]. Вовлечение бактериальных агентов в карбонатогенез представляет особый интерес, поскольку может быть использован как метод селективной биологической кольматации и/или инкрустации (обрастание) как порового пространства цементной матрицы, так и поверхности цементного композита. Биокольматация порового пространства происходит в несколько этапов, начиная от прикрепления отдельных клеток бактериального штамма к твердому субстрату, до полного обрастания поры кристаллами карбоната кальция [2, 5]. Результатом такого обрастания и закупорки пор цементного камня является как снижение пористости и, как следствие водопроницаемости [6, 7, 8], так и изменение характера микрорельефа поверхности, что влечет за собой изменение степени гидрофобности поверхности, оцениваемую контактным углом смачивания.
Исследованиями, выполненными рядом научных групп, была показана эффективность залечивания микротрещин цементных материалов, проявляющаяся в виде формирования крупнокристаллических по сравнению с продуктами гидратации новообразований карбонатов кальция в постгенетический период [9], проанализировано влияние биоминерализации в трещинах на изменение прочности материалов [10, 11], изучены технологические особенности работы с бактериальным инокулятом при его использовании [12]. Однако вопрос влияния карбонатной биоминерализации на изменение микроструктуры и гидрофобности поверхности цементных материалов в зависимости от вида бактерий и применяемых видов и концентраций прекурсоров остается открытым.
Ранее нами был проведен обобщающий анализ видов микроорганизмов, применяемых для карбонатной биоминерализации при восстановлении строительных материалов [12], который определил выбор применяемых бактерий Lysinibacillus sphaericus, Bacillus megaterium, Bacillus pumilus, Sporosarcina pasteurii в исследованиях по следующим критериям: отсутствие патогенности, высокая уреазная активность, карбонатогенная продуцирующая способность, высокая выживаемость в щелочных условиях, способность образовывать эндоспоры, устойчивые к высоким температурам, химическим веществам и ультрафиолетовому излучению. Проанализирована динамика роста вышеуказанных бактериальных штаммов при одномоментном добавлении питательных веществ и доступности кислорода [13], произведена оценка метаболической уреазной активности по изменению уровня рН в жидкой модельной среде в зависимости от вида и концентрации применяемых прекурсоров, установлено влияние компонентов среды и вида бактериального штамма на морфологию кристаллических новообразований.
В последующем для исключения влияния продуктов гидратации на процессы карбонатной бактериальной минерализации исследование проводилось на модельной системе «бактерии – кварцевый песок». Результатами эксперимента подтверждается интенсивность литификации кварцевого песка в зависимости от его дисперсности.
Методология. Для комплексного изучения процессов бактериального карбонатогенезиса в строительном материале, понимания механизмов биокарбонизации, а также выявления перспективных бактериальных культур и прекурсоров, взаимодействующих с цементной матрицей, следующим этапом работы стало инкубирование исследуемых бактериальных культур на поверхности цементного камня. Для этого готовили образцы-кубы с размером ребра 10 мм с В/Ц 0,4 с использованием портландцемента марки
ЦЕМ I 42,5 Н и водопроводной воды. Для чистоты эксперимента и исключения влияния других микроорганизмов на ход исследования используемые материалы проходили предварительную деконтаминационную обработку до введения бактериальных культур: водопроводная вода с растворенным CaCl2 – методом автоклавирования; CH4N2O – воздушным методом в сухожаровом шкафу; образцы-кубы – методом УФ-стерилизации. Для ускоренного достижения заданных нормативных значений прочности цементных образцов применяли тепловлажностную обработку по режиму 1,5+6+1,5 ч при 60 °С.
В качестве исследуемых бактериальных культур применяли инокуляты бактериальных штаммов Всероссийской коллекции микроорганизмов Института биохимии и физиологии микроорганизмов им Г.К. Скрябина Российской академии наук рода: Lysinibacillus sphaericus (VKМ B-509), Bacillus megaterium (VKМ B-40), Bacillus pumilus (VKМ B-23), Sporosarcina pasteurii (VKМ В-513).
Для инициации бактериального карбонатогенезиса на поверхности бетонной матрицы в качестве прекурсоров использовали CaCl2 (20 г/л) и CH4N2O (20 г/л), растворенные в дистиллированной воде, генерирующие щелочные условия для метаболической активности бактерий.
Процессы биоминерализации стимулировали путем полного погружения образцов в модельную среду с бактериальным инокулятом и прекурсорами в чаши Петри, в которых они находились в течение 28 суток с обновлением бактерий и растворов прекурсоров через каждые 3 дня, с целью поддержания заданного начального уровня концентрации.
Для оценки возможного влияния прекурсоров без бактериального воздействия на изменение контактного угла смачивания, образцы цементного камня выдерживали при тех же параметрах, но в растворах хлорида кальция и мочевины без бактериального инокулята (контроль 2). Для сравнительного анализа использовали образцы цементного камня, не подверженные воздействию бактерий и прекурсоров (контроль 1).
Микроструктурные изменения цементного камня и морфологию новообразованных кристаллов изучали с помощью сканирующего электронного микроскопа TESCAN MIRA 3 LMU, включающего энергодисперсионный спектрометр (ЭДС) X-MAX 50 Oxford Instruments NanoAnalysis для электронно-зондового микроанализа, где источник электронов – Катод Шоттки высокой яркости.
Измерение контактного угла смачивания на поверхности образцов проводили при помощи прибора Kruss DSA 30. В качестве рабочей жидкости для измерений использовали дистиллированную воду. Для получения среднего значения контактного угла смачивания производили измерения на шести гранях образцов-кубов.
Основная часть. Анализ полученных данных в совокупности с ранее проведенными исследованиями [8] и литературными данными [12] показал, что микробно-индуцированное осаждение карбоната кальция на поверхности цементной матрицы происходит в несколько этапов:
- после помещения образцов цементного камня в чаши Петри за счет капиллярного подсоса происходит их объемная пропитка раствором прекурсоров с инокулятом. Глубина пропитки определяется плотностью, пористостью и особенностями микроструктуры порового пространства;
- в результате процесса адсорбции на поверхности цементной матрицы происходит колонизация микробиоты, а в поровом пространстве фиксация бактериальных клеток;
- растворенные прекурсоры инициируют биохимический процесс метаболической деятельности бактериальных штаммов, стимулируя уреазную активность бактерий. В результате разложения мочевины происходит локальное повышение рН, прекурсоры увеличивают выживаемость клеток в щелочных условиях;
- происходит гетерогенная нуклеация зародышей кристаллов в межпоровом пространстве и рост новообразований.
Согласно вышеприведенным этапам в результате воздействия на цементную матрицу бактериальных агентов, инициирующих процессы карбонатной минерализации, происходит, во-первых, биокольматация порового пространства, степень которой зависит от уровня пропитки цементной матрицы, и во-вторых, инкрустация поверхности образца новообразованиями различной морфологии и минерального состава в зависимости от вида бактериального агента.
Изучение микроструктурных особенностей поверхности образцов показало, что в отличие от исходного (контроль 1) цементного камня (рис. 1, а), образец, выдержанный в растворе прекурсоров (контроль 2), характеризуется глобулярной структурой новообразований, покрывающих цементный камень (рис. 1, б). Вероятно, происходит осаждение растворенных прекурсоров без карбонизации. Задействование в эксперименте бактерий привело к формированию кристаллических новообразований, имеющих преимущественно ромбоэдрическую форму с четкими гранями, чаще субмикронного размера (рис. 1, в–е). Хорошо прослеживаются структуры роста и двойники, что свидетельствует о постгенетическом по отношению к цементному камню формировании данных кристаллов. Среди четырех видов использованных бактерий, наименее продуктивными, с точки зрения роста идентифицируемых с помощью микрофотоснимков кристаллов, показали себя бактерии рода B. megaterium (рис. 1, г).
|
а) контроль 1 |
б) контроль 2 |
||
|
г) B. megaterium |
в) S. pasteurii |
д) L. sphaericus |
е) B. pumilus |
Рис. 1. Морфология поверхности цементного камня (а), новообразований после выдержки в растворе
прекурсоров (б), новообразований индуцированных бактериями (в–е)
По данным энергодисперсионного микроанализа, проведенного на растровом электронном микроскопе, новообразований, сформированных на поверхности образцов цементного камня в присутствии бактериальных штаммов, максимальным содержанием кальция характеризуются новообразования, полученные в процессе индукции при воздействии бактериального штамма B. pumilus – 40 % (табл. 1). При введении инокулятов бактерий L. sphaericus и B. megaterium в образцах получены практически одинаковые результаты по содержанию кальция –
36 %. Менее эффективной бактериальной культурой в процессах биоиндуцирования карбоната кальция показала себя S. Pasteurii, о чем свидетельствуют полученные данные о суммарном содержании кальция, приближенные к значениям контрольного образца 2, выдержанного в растворе прекурсоров без инокулята – 33 %.
Обрастание цементного камня кристаллическими новообразованиями, произошедшее в процессе карбонатной биоминерализации, привело к структурно-морфологическим изменениям и, как следствие, к изменению микрорельефа – формированию микро- и макрошероховатостей. Следствием этих процессов явилось изменение гидрофобности поверхности цементного камня, о чем свидетельствует увеличение контактного угла смачивания (КУ) [14–15]. Так, на исходном не обработанном бактериальным инокулятом и раствором с прекурсорами образце цементного камня (контроль 1) среднее значение контактного угла смачивания составляет 45° (табл. 2). Выдержка образца цементного камня в растворе прекурсоров и последующая сушка в естественных условиях привела к изменению морфологии его поверхности, обусловленному осаждением хлорида кальция и мочевины, вследствие чего увеличился контактный угол (КУ=51°). Выдержка цементного камня в растворах прекурсоров с бактериальными инокулятами B. megaterium, L. sphaericus, B. pumilus спровоцировала процессы карбонатной минерализации, в результате чего в межпоровом пространстве и на поверхности образцов произошла кристаллизация карбоната кальция. Следствием этих процессов явилось наблюдаемое увеличение контактного угла смачивания (табл. 2), средние значения которого составили 55°, 71° и 81° соответственно. Среднее значение контактного угла смачивания на образце с бактериальным штаммом S. pasteurii составило 48°, что несколько выше контрольного образца, однако ниже значения, установленного для цементного камня, выдержанного в растворе прекурсоров без бактериального воздействия. Этот факт можно объяснить самой низкой среди изученных бактериальных культур интенсивностью карбонатной минерализации и, следовательно, постгенетической инкрустацией, проявляющейся незначительным изменением рельефа поверхности образцов.
Таблица 1
Количественное содержание кальция в образцах
|
Наименование образцов |
Концентрация Са, % |
||
|
Цементный камень |
выдержанный в растворе прекурсоров (контроль 2) |
34 |
|
|
выдержанный в бактериальном |
S. pasteurii |
33 |
|
|
B. megaterium |
35 |
||
|
L. sphaericus |
36 |
||
|
B. pumilus |
40 |
||
Таблица 2
Характер изменения контактного угла смачивания в зависимости от состава
образцов цементного камня
|
Наименование образцов |
Среднее значение контактного угла смачивания, градус |
||
|
Цементный камень |
Контроль 1 |
45 |
|
|
выдержанный в растворе прекурсоров (контроль 2) |
51 |
||
|
выдержанный в бактериальном инокуляте с растворами |
S. pasteurii |
48 |
|
|
B. megaterium |
55 |
||
|
L. sphaericus |
71 |
||
|
B. pumilus |
81 |
||
Сравнительный анализ позволил установить связь между интенсивностью карбонатной биоминерализации, характеризующейся содержанием кальция по данным микроанализа, и средним значением контактного угла смачивания (рис. 2).
Рис. 2. Изменение концентрации кальция (по данным химического анализа) в новообразованиях и среднего
значения контактного угла смачивания на поверхности цементного камня от вида бактериальной культуры
Выводы. Таким образом, в ходе исследования было показано, что в результате микробной карбонатной минерализации, которой подвергались образцы цементного камня, происходит биокольматация пор на глубину пропитки матрицы, инкрустация биоиндуцированными кристаллами карбоната кальция поверхности образцов и создание более развитого микрорельефа по сравнению с контрольным цементным камнем. Следствием карбонатной биоминерализации является повышение гидрофобности, о чем свидетельствует увеличение контактного угла смачивания на всех обработанных бактериальными культурами образцах цементного камня. По данным химического и морфологического анализа биоиндуцированных новообразований на поверхности образцов, а также результатам оценки изменения контактного угла смачивания по сравнению с исходным показателем для цементного камня, бактериальные культуры проранжированы в порядке повышения эффективности использования для осаждения карбоната кальция при их участии, а также повышения гидрофобности цементных материалов в следующей последовательности: S. pasteurii ® B. megaterium ® L. sphaericus ® B. pumilus.
Источник финансирования. Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-29-12011 с использованием оборудования Центра Высоких Технологий БГТУ им. В.Г. Шухова.
