close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

РАЗРАБОТКА НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИХ ПОДХОДОВ К МОНИТОРИНГУ ОБЪЕКТОВ КУЛЬТУРНОГО НАСЛЕДИЯ В АНТРОПОГЕННЫХ ЛАНДШАФТАХ НА ОСНОВЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ЛИТОБИОНТНЫХ СИСТЕМ

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
УДК: 550.75
ВЛАСОВ АЛЕКСЕЙ ДМИТРИЕВИЧ
РАЗРАБОТКА НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИХ ПОДХОДОВ К
МОНИТОРИНГУ ОБЪЕКТОВ КУЛЬТУРНОГО НАСЛЕДИЯ В
АНТРОПОГЕННЫХ ЛАНДШАФТАХ НА ОСНОВЕ ИССЛЕДОВАНИЙ
ЛИТОБИОНТНЫХ СИСТЕМ
Специальность 25.00.36 – «Геоэкология (науки о Земле)»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени
кандидата географических наук
Санкт-Петербург – 2016
Работа выполнена на кафедре геологии и геоэкологии Федерального
государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования
«Российский государственный педагогический университет им. А.И. Герцена»
Научный руководитель:
доктор педагогических наук, кандидат геолого-минералогических наук, профессор,
заведующий кафедрой геологии и геоэкологии Федерального государственного
бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Российского
государственного педагогического университета им. А.И. Герцена».
Евгений Михайлович Нестеров (г. Санкт-Петербург)
Официальные оппоненты:
доктор географических наук, профессор кафедры физической географии и
ландшафтного планирования Федерального государственного бюджетного
образовательного учреждения высшего образования «Санкт-Петербургский
государственный университет»
Софья Николаевна Лесовая (г. Санкт-Петербург)
кандидат биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории
систематики и географии грибов Федерального государственного бюджетного
учреждения науки Ботанический институт им. В.Л. Комарова Российской академии
наук
Ирина Юрьевна Кирцидели (г. Санкт-Петербург)
Ведущая организация:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего
образования «Нижегородский государственный университет им. Н.И.
Лобачевского»
Защита диссертации состоится «
»
2016 года в
часов на
заседании Диссертационного совета Д 212.199.26 по защите докторских и
кандидатских диссертаций при Российском государственном педагогическом
университете имени А.И. Герцена по адресу: 191186, Санкт-Петербург, наб. р.
Мойки, д. 48, корп. 12, ауд. № 21 .
С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке
Российского государственного педагогического университета им. А.И. Герцена по
адресу: 191186, Санкт-Петербург, наб. р. Мойки, д. 48, корп. 5 и на официальном
сайте Университета:
(http://disser.herzen.spb.ru/Preview/Karta/karta_000000253.html).
Автореферат разослан «
»
2016 года.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Махова Ирина Петровна
2
I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. Сохранение памятников
культурного наследия является одной из приоритетных задач современного
общества. Особенно остро эта проблема стоит там, где памятники
экспонируются на открытом воздухе и подвергаются разрушительному
воздействию окружающей среды. В городах деструкция природного камня
заметно ускоряется, что обусловлено влиянием антропогенного фактора. На
этом фоне повышается агрессивность микроорганизмов, вызывающих
биоповреждения каменных материалов (Krumbein, Gorbushina, 2009; Scheerer
et al., 2009; Miller et al., 2012; Sanjurjo-Sánchez, Alves, 2012).
На поверхности камня развиваются биопленки, которые вместе с
каменистым субстратом образуют литобионтную систему. В ней протекают
процессы биокосных взаимодействий, приводящие к выветриванию камня и
биогенной кристаллизации на поверхности карбонатных и силикатных
пород. Для выяснения механизмов этих процессов требуется комплексный
научный подход, основанный на применении широкого арсенала
аналитических методов.
В разных климатических условиях активность биодеструкторов может
существенно изменяться, хотя сравнительные исследования в данном
направлении весьма ограничены (Karaca et al., 2011; Sanjurjo-Sánchez et al.,
2012; Viles, Cutler, 2012). Так, в Санкт-Петербурге с его влажным морским
климатом и существенными колебаниями температур создаются
благоприятные условия для развития процессов биообрастаний и разрушения
различных типов горных пород. Наименее изучены эти процессы на
гранитах, которые широко применялись в архитектуре Петербурга: фасады
зданий, набережные рек и каналов, скульптурные памятники, постаменты.
Понимание сложных процессов биогенной трансформации каменных
материалов в антропогенных ландшафтах открывает возможности для
осуществления мониторинга состояния памятников культурного наследия и
их защиты от биоразрушения. Многие вопросы в данной области остаются
недостаточно разработанными. Так, в известных классификациях мало
внимания уделяется основным причинам и формам биогенного выветривания
камня. Особенно это относится к таким породам, как гранит. Продолжается
поиск наиболее достоверных критериев для оценки изменений состояния
памятника (мониторинга), актуальной остается разработка эффективных
методов оценки текущего состояния памятника.
Объект
исследования
–
памятники
3
культурного
наследия
из
различных горных пород, подвергающиеся процессам разрушения в условиях
городской среды, а также основные формы биообрастаний природного
камня.
Предмет исследования – условия, закономерности и механизмы
биокосных взаимодействий в литобионтных системах, а также основные
факторы и формы разрушения памятников из камня в антропогенных
ландшафтах.
Цель исследования – разработать научно-методические подходы к
мониторингу объектов культурного наследия в антропогенных ландшафтах
на основе всестороннего исследования литобионтных систем.
Задачи исследования:
1. Провести критический анализ известных классификаций форм
разрушения природного камня с учетом роли биологического выветривания.
2. Изучить разнообразие биологических обрастаний и охарактеризовать
структуру литобионтных сообществ на гранитах в различных экологических
условиях.
3. На примере гранита разработать классификацию биообрастаний
каменного материала в городской среде с учетом многообразия и
особенностей литобионтных организмов, а также их влияния на каменный
материал.
4. Создать экспериментальную модель литобионтной системы и
апробировать ее на карбонатных и силикатных горных породах с
использованием микроорганизмов, изолированных с каменистых субстратов
из разных географических регионов.
5. Выявить особенности биокосных взаимодействий в литобионтных
системах на основе результатов модельных экспериментов.
6. Разработать методологию мониторинга биообрастаний каменных
памятников в антропогенных ландшафтах на основе выявленных свойств
биологических объектов.
Теоретической и практической основой диссертационного
исследования являются работы отечественных и зарубежных ученых в
области геоэкологии, мониторинга объектов культурного наследия,
исследования процессов разрушения горных пород в различных
экологических условиях: Н.А. Красильников (1949); М.А. Глазовская, Н.Г.
Добровольская (1984); B. Fitzner et al. (1995, 2004); Б.В. Громов (1996); C.
Saiz-Jimenez (1999); J.H. Walsh (2001); А.А. Горбушина и др. (2002); T.
4
Warscheid (2003); А.Г. Булах и др. (2004, 2005, 2008); Г.И. Каравайко (2004);
О.Е. Марфенина (2005); C.C. Gaylarde, P.M. Gaylarde (2005); C.J. McNamara,
R. Mitchell (2005); О.В. Франк-Каменецкая и др. (2005, 2008, 2014); Е.Б.
Наймарк и др. (2009); W.E. Krumbein, A.A. Gorbushina (2009); N.A. Cutler,
H.A. Viles (2010); Z. Karaca et al. (2011); H.A. Viles, N.A. Cutler (2012); A.Z.
Miller et al. (2012); G.M. Gadd (2014).
Материалы и методы исследования. Диссертационное исследование
основано на анализе проявлений основных форм биоповреждений
памятников из камня в городской среде, а также на выявлении механизмов
биоминеральных взаимодействий в моделируемых условиях. Объекты
исследований подобраны с учетом особенностей их экспонирования в
экосистемах, различающихся по степени антропогенной нагрузки (г. СанктПетербург и его пригороды, г. Выборг, Южная Финляндия). Всего было
изучено более 1000 образцов каменистых субстратов с признаками
биоповреждений, а также пробы биологических объектов, включающие
биопленки с доминированием различных организмов (бактерий,
микроскопических водорослей, грибов и лишайников). Пробы были
отобраны в весенне-летне-осенние периоды полевых сезонов 2010-2015
годов. В работе использован комплекс полевых и лабораторных методов,
позволяющих получить наиболее полную и объективную картину изменений
состояния памятников, находящихся на открытом воздухе, исследовать
характер повреждений поверхности камня, оценить степень биологической
колонизации породы, а также изучить особенности взаимоотношений
биодеструкторов с каменным материалом. Методология мониторинга
биоповреждений памятников из камня разрабатывалась с учетом
биологических особенностей и спектральных характеристик конкретных
видов или типовых биопленок, использования вегетационных индексов
NDVI и ENDVI и предусматривала построение картограмм состояния
поверхности памятников с использованием компьютерных технологий.
Научная новизна работы.
1. Впервые разработана классификация биообрастаний гранита в городской
среде, которая может быть использована и для других типов горных пород.
Изучены и охарактеризованы основные формы биологического повреждения
гранита, определены доминирующие виды в литобионтных сообществах в
различных антропогенных ландшафтах.
5
2. Получены новые данные, характеризующие особенности биологической
колонизации поверхностного слоя гранита, а также избирательность
заселения данного субстрата литобионтными организмами.
3. Впервые проведены сравнительные исследования состава биопленок на
граните в Санкт-Петербурге, Выборге и Южной Финляндии, что позволило
оценить влияние антропогенного фактора на состав и структуру
литобионтных сообществ, а также характер деструкции каменного
материала.
4. Предложены новые методические подходы к моделированию процессов
микробной колонизации различных типов камня, основанные на
использовании сочетания штаммов литобионтных микроорганизмов
(бактерий и микромицетов). Показана возможность экспериментального
воспроизведения природных процессов биогенной трансформации горных
пород в контролируемых экспериментальных условиях.
5. В условиях эксперимента установлены особенности биогенной
кристаллизации в биопленках на поверхности мрамора и гранита.
6. Разработаны методологические подходы к мониторингу биообрастаний
каменных памятников в городской среде с учетом спектральных
характеристик
биологических
объектов
и
предложен
метод
картографирования биообрастаний поверхности камня с использованием
компьютерных технологий.
Теоретическая значимость диссертационного исследования состоит в
раскрытии основных закономерностей функционирования литобионтных
систем в антропогенных ландшафтах. Полученные данные расширяют
представление о составе литобионтных сообществ (в особенности, на
граните) в различных экологических условиях и показывают возможность
типизации основных форм биообрастаний камня в городской среде.
Показано, что абиогенные и биогенные формы разрушения гранитного камня
тесно взаимосвязаны, что позволяет более объективно подходить к
классификации основных форм выветривания камня. Моделирование
взаимодействий микроорганизмов и каменистых субстратов открывает
возможности для всестороннего исследования биохимических и
биофизических механизмов биокосных взаимодействий в литобионтных
системах с учетом географического фактора. Научное обоснование
методологии мониторинга памятников из камня в городской среде
показывает эффективность комплексного междисциплинарного подхода к
6
решению проблемы сохранения памятников культурного наследия в
антропогенных ландшафтах.
Практическая значимость работы определяется разработкой и
апробацией новых подходов к мониторингу и прогнозированию сохранности
каменных памятников и сооружений в различных экологических условиях, а
также к определению биостойкости различных материалов, используемых
при создании памятников, зданий и сооружений в городской среде.
Предложен метод мониторинга биообрастаний каменных памятников,
позволяющий оценивать распределение и скорость биообрастаний на
различных объектах, строить картограммы повреждений с использованием
компьютерной технологии, а полученные результаты аккумулировать в базе
данных. В 2014-2015 годах разработанный метод использовался для оценки
эффективности проведения консервационных работ на памятниках
Музейных некрополей Санкт-Петербурга (акт о внедрении результатов №
801 от 07.12.2015).
Достоверность исследований базируется на большом объеме данных,
полученных с применением научно-обоснованных методик сбора материала,
его исследования и оценки полученных результатов. Результаты
основываются на количественных и качественных характеристиках объектов,
полученных при многократной повторности с использованием комплекса
аналитических методов. Идентификация микроорганизмов произведена на
основе сочетания метода чистых культур и молекулярно-генетического
анализа штаммов. На различных этапах выполнения работы использовались
методы,
применяемые
в
минералогии,
петрографии,
геохимии,
микробиологии, которые взаимно дополняют друг друга и позволяют
получать максимально объективную картину процессов в литобионтных
системах. Достоверность изменений в поверхностном слое породы,
проявляемых на микроуровне, подтверждается данными, полученными с
использованием сканирующей электронной микроскопии фрагментов
поврежденного
каменного
материала,
а
также
результатами
рентгеноспектрального микрозондового анализа. Широко использованы
новейшие отечественные и зарубежные публикации по исследуемой
проблематике, с которыми сравниваются полученные результаты.
Статистическая обработка данных проводилась с использованием
компьютерных программ Statistica 6.0, Microsoft Excel.
7
Положения, выносимые на защиту.
1. Биологическое обрастание природного камня в городской среде
зависит от экологической обстановки, свойств каменного материала,
характеризуется типовыми формами, которые классифицированы на основе
выделения доминирующих видов.
2. Разработаны методы моделирования процессов биологической
колонизации горных пород, которые позволяют исследовать механизмы
биокосных взаимодействий в литобионтных системах и оценивать влияние
микроорганизмов на материал памятника.
3. Разработана система мониторинга биоповреждений памятников из
камня в антропогенных ландшафтах, основанная на использовании
комплекса аналитических методов и компьютерных технологий.
Личный вклад автора. Диссертация содержит фактический материал,
полученный непосредственно автором в период с 2010 по 2015 гг. Тема и
план диссертации, её основные идеи и содержание разработаны совместно
автором с научным руководителем. Лично автором проведён анализ
литературы, собран полевой материал, выделены штаммы микроорганизмов,
освоены и использованы экспериментальные методы, разработаны и
усовершенствованы методики исследования литобионтных систем, создана
классификация биообрастаний гранита, принято участие в создании базы
данных.
Автором
самостоятельно
выполнены
экспериментальные
исследования по моделированию биокосных систем с последующим
анализом полученных данных. Работа выполнялась на кафедре геологии и
геоэкологии РГПУ им. А.И. Герцена. Автором самостоятельно обоснованы
заявки на получение грантов, написаны тексты статей и докладов на
всероссийских и международных конференциях, диссертация и автореферат.
Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены на
международной молодежной конференции «Науки о Земле и Цивилизация»
(Санкт-Петербург, 2012); на VII региональной молодежной экологической
конференции «Экологические проблемы Балтийского региона» (СанктПетербург, 2012); на генеральной ассамблее Европейского союза наук о
Земле (Вена, Австрия, 2013); на всероссийской научно-практической
конференции, посвященной 90-летию кафедры микробиологии ВМедА им.
С.М. Кирова. «Микробиология: от микроскопа до нанотехнологий» (СанктПетербург, 2013); на VIII Международной конференции и летней школе
«Геология в школе и вузе: Геология и цивилизация» (Санкт-Петербург,
2013); на международной конференции «Геохимия и минералогия
8
геоэкосистем крупных городов» (Санкт-Петербург, 2013); на VIII ежегодной
молодежной экологической школе-конференции «Современные проблемы
сохранения биоразнообразия естественных и трансформированных
экосистем» (Санкт-Петербург, 2013); на научно-практической конференции с
международным участием: «Каменное убранство Северной Столицы» СанктПетербург, 2013); на ХII международном семинаре «Геология, геоэкология,
эволюционная география» (Санкт-Петербург, 2014); на V международном
симпозиуме «Биокосные взаимодействия в природных и антропогенных
системах», (Санкт-Петербург, 2014); на ХIII международном семинаре
«Геология, геоэкология, эволюционная география» (Санкт-Петербург, 2014);
на XIX Санкт-Петербургской ассамблее молодых ученых и специалистов
(Санкт-Петербург, 2014); на IX международной конференции и летней школе
«Геология в школе и вузе: Геология и цивилизация» (Санкт-Петербург,
2015).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 25 печатных
работ, в том числе 4 статьи в рекомендованных ВАК рецензируемых
изданиях, получено свидетельство о государственной регистрации базы
данных (№ 2014621575 от 21.11.2014).
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из
введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 206 источников (из
них 140 на английском языке). Диссертация включает 235 страниц текста, в
том числе 23 таблицы и 90 рисунков.
II. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении дано обоснование актуальности, отражена
степень
разработанности проблемы, охарактеризована научная и практическая
значимость диссертационного исследования. Сформулированы цель, задачи,
предмет и объекты исследования, положения, выносимые на защиту,
обозначена научная новизна работы.
В главе I «Основные факторы разрушения природного камня в
антропогенно-измененной среде (состояние изученности проблемы)»
рассматриваются различные аспекты использования горных пород в
архитектуре современных городов, где природный камень выполняет
множество функций и влияет на формирование среды обитания человека.
Особое внимание уделено граниту, как одному из основных типов камня в
городах Северной Европы и, особенно, в Санкт-Петербурге. Анализируются
9
особенности городских экосистем и их влияние на состояние каменного
материала. Обобщены накопленные данные, характеризующие различные
формы выветривания горных пород в условиях антропогенного воздействия
на экосистемы. В целом, выветривание камня в городской среде зависит от
комплекса природных и антропогенных факторов. К ним следует отнести
свойства камня, преобладающий климат (температура, влажность, режим
осадков), химический состав атмосферы (особенно концентрация
загрязнителей воздушной среды), состав литобионтных сообществ, а также
микроклиматические
условия
(световой режим, пространственное
расположение, температурно-влажностный режим, близость растений и др.)
и продолжительность экспонирования на открытом воздухе.
Анализируются накопленные данные о биологических объектах,
колонизирующих природный камень в различных условиях среды.
Приведены основные понятия и термины, используемые в данной области,
обсуждаются известные подходы к изучению механизмов биогенной
трансформации каменистых субстратов и влияния условий окружающей
среды на этот процесс. Завершается обзор литературы анализом накопленных
данных по проблеме мониторинга памятников культурного наследия, в
котором дается оценка преимуществ и недостатков известных методов
оценки состояния памятников из камня.
В главе II «Материалы и методы исследований» описана методика и
места отбора проб, а также дана общая последовательность изучения
образцов в лабораторных условиях. Материал для исследований собирали в
период c 2010 по 2015 г. в Санкт-Петербурге и его пригородах, в городе
Выборге и окружающей территории, а также в южной части Финляндии.
Обследовали
здания,
сооружения,
архитектурные
памятники,
экспонирующиеся на открытом воздухе. В качестве основного материала для
исследования процессов разрушения природного камня был выбран гранит
рапакиви. В сравнительных целях были обследованы природные обнажения,
а также заброшенные карьеры, где добывались граниты. Кроме того, в
изучение были включены образцы каменистых субстратов, привезенные из
других регионов, в т.ч. из нескольких районов Антарктиды. Во всех случаях
основными критериями выбора объектов исследования служили признаки их
биологической колонизации.
Пробами для лабораторных исследований служили: фрагменты камня
(с микро- и макрообрастаниями, поверхностными корками, пленками,
грязевыми наслоениями), почва (рядом с памятником или первичная почва с
10
поверхности памятника), биообрастания различного состава, а также пробы с
поверхности памятников, отобранные неповреждающими методами. Всего
за период обследований было отобрано и исследовано более 1000 образцов
каменистых субстратов и биологических объектов.
Общая последовательность изучения образцов поврежденного камня
была следующей:
1) визуальное обследование, фотофиксация, отбор проб, первичное
микроскопическое исследование;
2)
аналитические
исследования
литобионтных
систем
с
использованием комплекса методов (геохимических, петрографических,
микробиологических и биохимических);
3) отбор штаммов микроорганизмов для постановки модельных
экспериментов с учетом их встречаемости в пробах, географического
происхождения, а также влияния на каменистый субстрат;
4) моделирование литобионтных систем.
Использовали следующие методы исследования:
- световая, сканирующая и конфокальная микроскопия;
- петрографический анализ;
- геохимические методы исследования (рентгеноспектральный
микрозондовый анализ, рентгенофазовый анализ, метод масс-спектрометрии
с индуктивно-связанной плазмой);
- методы выявления, культивирования и идентификации биологических
объектов, включая метагеномный анализ биопленок;
- анализ состава микробных метаболитов (метод газовой хромато-массспектрометрии);
- методы моделирования литобионтных систем, разработанные в ходе
выполнения работы;
- компьютерные технологии для обработки изображений объектов и
использования в системе мониторинга биообрастаний объектов культурного
наследия;
В главе III «Основные формы разрушения природного камня в
антропогенных
ландшафтах»
приводится
характеристика
форм
выветривания природного камня в городской среде, основанная на
визуальном восприятии разрушений (на примере гранита), а также на
выделении ключевых факторов, влияющих на проявление определенной
формы
выветривания.
Полученные
данные
позволили
создать
классификацию биообрастаний гранита (рис. 1), которая учитывает как
11
макро-, так и микрообрастания камня. Классификация была использована
при сравнении биообрастаний гранита в Санкт-Петербурге, Выборге и
Южной Финляндии. Она может быть использована и на других горных
породах в различных экологических условиях.
Биопленки
Лишайниковые обрастания
(сплошные корки или
одиночные талломы)
Биопленки
зеленого цвета с
доминированием
зеленых
водорослей
Накипные
лишайники
Листоватые и
кустистые
лишайники
Макрообрастания
(высшие
растения)
С доминированием
споровых растений
С доминированием
семенных растений
Биопленки других цветов
с доминированием
цианобактерий и
водорослей
Биопленки серочерного цвета с
доминированием
микромицетов
Рис. 1. Классификация биообрастаний гранита в городской среде
Установлен состав биообрастаний на гранитах в различных условиях
экспонирования камня. Так, в биопленках на гранитных памятниках СанктПетербурга преобладают бактерии из двух основных групп Bacteroidetes и
Proteobacteria (рис. 2).
Proteobacteria
Bacteroidetes
Actinobacteria
Thermi
FBP
Acidobacteria
Cyanobacteria
Firmicutes
1
2
3
4
Unassigned
Рис.
2.
Распределение
основных групп бактерий в
различных типах биопленок и
наслоений на памятниках в
городской
среде:
1
–
биопленка с доминированием
лишайников; 2 – биопленка с
доминированием водорослей;
3
–
органо-минеральные
наслоения; 4 – биопленка с
доминированием грибов.
Группа Bacteroidetes характеризуется максимальным присутствием в
пробах биопленок с доминированием грибов и поверхностных загрязнений.
12
В биопленках с доминированием лишайников (Phaeophyscia orbicularis,
Candelariella aurella, виды рода Lecanora), а также в биопленках с
доминированием водорослей (Desmococcus) среди бактерий доминировали
представители Proteobacteria (р. Pseudomonas). Общая численность
органотрофных бактерий достигала 107 колониеобразующих единиц (КОЕ)
на 1 грамм субстрата. Среди грибов доминируют темноокрашенные
микромицеты, относящиеся к аскомицетам. В серо-черных биопленках на
памятниках Санкт-Петербурга содержание аскомицетов достигает 87% (по
результатам метагеномного исследования). При этом численность грибов
составляет 104 КОЕ на 1 грамм субстрата. Влияние условий экспонирования
отчетливо отражается на составе литобионтного сообщества на граните, что
наглядно проявилось при сравнительном микологическом анализе проб с
памятников Музейных некрополей Санкт-Петербурга и с гранита в карьере
Монферрана из Южной Финляндии (рис. 3). Для получения наглядной
картины распределения проб по составу обитающих на них видов
использовали метод главных компонент. На графике четко выделяется
группа проб, характеризующих
микобиоту гранита в городской
среде (пробы 1, 3–11). Такая
группировка
объясняется
доминированием небольшой группы
видов (темноокрашенных грибов) в
разных
типах
биопленок
и
повреждений гранита в Музейных
некрополях. Наиболее близкими к
ним оказались пробы разрушенного
гранита из карьера Монферрана
(пробы 16–19). В свою очередь из
городских проб ближе всего к
образцам из карьера располагается
Рис. 3. Распределение проб в
пространстве главных компонент: 1-11
проба первичной почвы (№ 2),
– пробы из Музейных некрополей
отобранная рядом с Памятником
Санкт-Петербурга, 12-23 – пробы из
Стасову В.В. в Некрополе Мастеров
карьера Монферрана
искусств. Расположение образцов из
карьера характеризуется значительным удалением проб друг от друга, что
объясняется разнообразием биотопов, связанных с обрастанием в карьерах и
разной степенью деструкции гранита, отобранного для исследования. В
13
целом, видовое разнообразие микромицетов (как и лишайников) на карьере
Монферрана оказалось значительно выше, чем в городской среде.
Установлены различия по встречаемости нескольких типов обрастаний
гранита в Санкт-Петербурге и Выборге. Если в Санкт-Петербурге
преобладают биопленки с доминированием водорослей и микроскопических
грибов, то в Выборге значительную долю составляют биопленки с
доминированием цианобактерий и лишайников.
Выявлен различный характер биологической колонизации минералов,
входящих в состав гранита. Так, заселение кварца осуществляется по
микротрещинам (рис. 4), на полевом шпате колонии микроорганизмов
концентрируются в зонах спайности кристаллов (рис. 5), тогда как на слюде
их рост происходит преимущественно между пластинками этого минерала
(рис. 6). Микроколонии грибов и скопления бактерий часто локализованы в
углублениях и микротрещинах камня. При этом частицы выветренного камня
удерживаются на поверхности гранита, благодаря развитию на них
микробных биопленок.
Рис. 4. Заселение
микротрещин кварца
Рис. 5. Микроколонии
грибов на полевом шпате
Рис. 6. Развитие
микроорганизмов между
пластинками слюды
В целом, распределение сообществ обрастаний на граните, а также их
состав и структура определяются внешними факторами и свойствами
каменного материала.
В главе IV «Моделирование процессов трансформации природного
камня под воздействием микроорганизмов» приводятся основные
результаты модельных экспериментов, постановка которых проводилась по
разработанной нами методике. При выборе микроорганизмов для модельных
опытов мы исходили из того, что на камень могут воздействовать как
отдельные виды, так и сообщества, что наиболее характерно для природных
условий. В исследование были включены штаммы бактерий рода Bacillus и
грибов из родов Aspergillus, Penicillium, Aureobasidium и Cladosporium,
которые ранее были изолированы с каменистых субстратов из разных
14
регионов: Санкт-Петербург, Финляндия, Антарктида. В сравнительных целях
эксперименты проводились на мраморе и граните.
В результате экспериментов доказано, что под воздействием бактерий
рода Bacillus на поверхности мрамора формируется вторичная кальцитовая
корка (в условиях поступления питательных веществ). Так, под влиянием
Bacillus subtilis поверхность мрамора покрывалась многослойной
кальцитовой коркой через 2 месяца с начала эксперимента. На начальном
этапе корка имела глобулярную структуру, а размеры глобул
соответствовали размерам бактериальных клеток (рис. 7а). Постепенно она
приобрела сетчатую структуру с отдельными углублениями (рис. 7б).
Образование кальцита под влиянием бактерий потенциально может быть
использовано для биологического восстановления нарушенной поверхности
мрамора в памятниках культурного наследия.
Рис. 7. Корка вторичного кальцита, образованная под воздействием Bacillus subtilis
на поверхности мрамора: а – корка глобулярной структуры, в которую включены
клетки бактерий (25-е сутки культивирования); б – многослойная корка сетчатой
структуры (2 месяца культивирования)
Характер кристаллообразования и форма кристаллов в биопленке на
поверхности камня зависят от сочетания видов микроорганизмов и условий
культивирования. Так, при совместном культивировании на мраморе Bacillus
subtilis и Aspergillus niger во влажной камере в образовавшихся кристаллах
уэдделлита грани призмы оказались больше, чем грани дипирамиды (рис. 8),
а размер кристаллов, в целом, был больше, чем в эксперименте только с
Bacillus subtilis (рис. 9). В то же время в сочетании Bacillus subtilis и
Penicillium sp. формировались кристаллы с примерно равными гранями
призмы и дипирамиды (рис. 10).
15
Рис. 8. Кристалл уэдделлита
(Bacillus subtilis и Aspergillus
niger)
Рис. 9. Кристалл
уэдделлита (Bacillus
subtilis)
Рис. 10. Кристалл
уэдделлита (Bacillus
subtilis и Penicillium sp.)
Через 3 месяца совместного культивирования Bacillus subtilis и Penicillium
sp., кроме отмеченных кристаллов уэдделлита на поверхности мрамора
образуются плотно сцементированные крупные сростки вторичного
кальцита. Вероятно, это связано со способностью бактерий разлагать
оксалаты кальция и использовать их в качестве источника углерода в своем
метаболизме, что может сопровождаться образованием вторичного кальцита.
Для уточнения кислотообразующей способности бактерий рода Bacillus
был проведен специальный эксперимент, в котором бактерии
культивировали в жидкой питательной среде (среда Чапека) с различным
содержанием сахарозы (от 1 до 10 грамм на литр) и добавлением мрамора
(как источника ионов кальция). Результаты эксперимента (рис. 11) показали,
что концентрация щавелевой кислоты, выделяемой в среду бактериями
Bacillus subtilis, увеличивалась с повышением концентрации сахарозы в среде
(от 1 до 10 г/л), особенно в вариантах с добавлением в среду мрамора
Рис. 11. Накопление щавелевой кислоты в жидкой среде под воздействием бактерий
Bacillus subtilis
16
Полученные данные доказывают, что щавелевая кислота может
поступать в литобионтную систему не только от грибов, но и от бактерий,
что может ускорять процессы кристаллизации оксалатов на поверхности
горных пород.
В экспериментах, проведенных в водной среде, было показано, что под
действием бактерий Bacillus subtilis происходит выщелачивание из гранита
ряда элементов, входящих в состав минералов породы (таблица 1). Так, по
сравнению с контрольными образцами гранита без бактерий, доля
выщелачиваемых элементов Na, Al и Fe увеличилась в 2-3 раза в водной
среде с бактериями.
Таблица 1
Выщелачивание элементов из гранита под воздействием бактерий Bacillus
subtilis (эксперимент проводился в водной среде, в течение 2-х месяцев;
определение методом ИСП-МС) (мкг/л)
Хим. эл-т
Be
Na
Mg
Al
Si
P
K
Ca
Ti
0.08
1880
56.6
38.5
1330
339
698
808
9.3
0.08
530
31.3
13.6
981
179
474
638
7.3
V
Cr
Mn
Fe
Co
Ni
Cu
Zn
Ga
0.39
14.0
39.8
111
0.04
52.3
58.5
2.2
0.72
0.28
2.9
26.8
50.3
0.02
0.21
5.7
0.37
0.30
Ge
Se
Rb
Sr
Y
Zr
Nb
Mo
Cd
0.23
0.24
6.0
1.1
13.7
1.4
0.07
1.7
0.07
0.029
0.90
2.7
0.59
1.5
0.18
0.003
0.53
0.01
Гранит с
бактериями
Гранит
контр.
Гранит с
бактериями
Гранит
контр.
Гранит с
бактериями
Гранит
контр.
Кислотность среды в моделируемых тест-системах варьирует в
зависимости от состава микроорганизмов, а также типа горной породы. Это,
в свою очередь, может сказываться на скорости протекания окислительновосстановительных реакций, процессов выщелачивания и вторичной
кристаллизации. В опытах с бактериями Bacillus subtilis значения рН среды, в
целом, повышались (происходило подщелачивание среды) с увеличением
времени экспонирования, хотя это зависело от типа горной породы. Наиболее
17
заметно кислотность среды менялась в тест-системах с карбонатными
породами (мрамор, известняк).
Проведенные эксперименты показали, что характер выщелачивания и
кристаллообразования под влиянием микроорганизмов во многом
определяется условиями среды, а также сочетанием видов в литобионтном
сообществе.
В главе V «Развитие комплексного подхода к мониторингу
памятников культурного наследия» на основе результатов полевых и
лабораторных исследований предлагается новый метод мониторинга
биообрастаний природного камня в городской среде, который позволяет
проводить экспресс-анализ тех изменений, которые происходят на
поверхности памятника. В основе оценки распределения биообрастаний
лежат различия в их спектральных характеристиках. Для выявления этих
различий были применены вегетационные индексы NDVI, ENDVI, которые
также используются для решения задач, связанных с количественными
оценками растительного покрова. Последовательность операций, связанных с
получением информации об объектах, ее обработкой с использованием
компьютерных технологий и включением в базу данных, отражена на рис. 12,
а результат ее применения показан на конкретном примере в таблице 2.
Рис. 12. Компьютерная система мониторинга биообрастаний каменных памятников
в городской среде.
18
Таблица 2.
Оценка эффективности защитной обработки мраморного барельефа
памятника Смирнову Н.В. (Музейный некрополь XVIII века)
Картограмма обрастаний
Развитие обрастаний, %
До обработки
10 см
Внешний вид памятника до
проведения биоцидной
обработки
Картограмма повреждений.
Биопленка с доминированием
водорослей (желтый цвет):
25,8 ± 0,9.
Черная биопленка с
доминированием микромицетов
(коричневый цвет): 22,8 ± 1,1.
Чистый камень: 51,4 ± 2,1.
После защитной обработки
Биопленка с доминированием
водорослей: 0,1 ± 0,02.
Черная биопленка с
доминированием
микромицетов: 6,1 ± 0,9.
Чистый камень: 93,8 ± 0,9.
Через 1 год после защитной обработки
Биопленка с доминированием
водорослей: 1,4 ± 0,08.
Черная биопленка с
доминированием
микромицетов: 10,9 ± 0,7.
Чистый камень: 87,7 ± 0,7.
Полученные данные указывают на то, что после защитной обработки
памятника была практически полностью удалена биопленка с
доминированием водорослей, а биопленка с доминированием грибов была
удалена частично (снижение на 17%). При этом уже через год наблюдается
возобновление роста биопленок (с доминированием водорослей увеличение
площади более 1%, а с доминированием грибов – на 5,7%). Общее снижение
доли чистой поверхности камня за 1 год составило почти 7%. Эти результаты
указывают на необходимость постоянного мониторинга состояния
19
памятника, а также определения периодичности защитных обработок. В
2014-2015 годах предложенный метод был использован для оценки
эффективности консервационных работ на памятниках Музейных
некрополей Санкт-Петербурга, что подтверждено актом о
внедрении
результатов № 801 от 07.12.2015.
Одним из основных факторов, определяющих развитие обрастаний на
каменистых субстратах в городской среде, является загрязнение их
поверхности токсическими веществами. В связи с этим, нами было
исследовано содержание тяжелых металлов в биопленках на каменных
памятниках в центральной части Санкт-Петербурга. В ряде образцов
зафиксировано повышенное содержание 6–8 элементов 1-го класса
опасности. Концентрации таких элементов в 1–3,2 раза превышают значения
ПДК, что соответствует опасной категории загрязнения (таблица 3).
Наиболее распространенным загрязнителем оказался кадмий, который
накапливался, преимущественно, в биопленках с доминированием
лишайников, в первичных почвах из-под мхов, а также в грязевых
наслоениях на поверхности монументов.
Таблица 3.
Пример накопления тяжелых металлов в биопленках на поверхности
памятников в Некрополе XVIII века (мг/кг)
№ пробы,
описание
1. Биопленка с
преобладанием
лишайников
Класс
опасности
химического
элемента
1
3
2. Биопленка с
доминированием
водорослей
1
3
3. Первичная
почва из-под мхов
1
3
Химический
элемент
Содержание
элемента
Мышьяк
Свинец
Цинк
Кадмий
Ванадий
Марганец
Мышьяк
Свинец
Цинк
Кадмий
Ванадий
Марганец
Мышьяк
Свинец
Цинк
Кадмий
Ванадий
Марганец
3,3
59,4
0,5
2,6
54,0
192,0
7,3
412,7
377,9
1,4
106,1
288,9
4,1
0,1
0,6
4,1
0,1
459,0
20
Кратность
превышения ПДК/
категория
загрязнения
<ПДК
<ПДК
<ПДК
1,3 / Опасная
<ПДК
<ПДК
<ПДК
3,2 / Опасная
1,7 / Опасная
<ПДК
<ПДК
<ПДК
<ПДК
<ПДК
<ПДК
2,1 / Опасная
<ПДК
<ПДК
Таким образом, в поверхностных наслоениях на памятниках из камня в
значительных количествах аккумулируются тяжелые металлы. В различных
типах литобионтных сообществ могут накапливаться определенные
химические элементы, что может быть использовано в целях биоиндикации
состояния экосистем. Полученные результаты свидетельствуют о
необходмости использования геохимических показателей при мониторинге
объектов культурного наследия.
В заключении сформулированы основные результаты и выводы
исследования.
1. Биообрастания природного камня характеризуются типовыми
формами и классифицируются на основе выделения доминирующих видов
или групп организмов (водоросли, цианобактерии, микромицеты, лишайники
и высшие растения).
2. Биологическая колонизация природного камня микроорганизмами
носит избирательный характер и зависит от свойств горной породы, состава
микробного сообщества и условий экспонирования объекта.
3. Состав и структура литобионтных сообществ в экосистемах с
различным уровнем антропогенной нагрузки существенно различаются, что
указывает на возможность их использования в целях биоиндикации.
4. Процессы выщелачивания и вторичного минералообразования на
поверхности карбонатных и силикатных пород зависят от состава
литобионтного сообщества и воспроизводятся в моделируемых условиях в
течение нескольких месяцев.
5. Специфичность взаимодействия микроорганизмов с каменистым
субстратом проявляется на уровне штаммов, что установлено на примере
бактерий рода Bacillus.
6. Картографирование биообрастаний с определенной периодичностью
на основе использования вегетационных индексов и компьютерных
технологий является неотъемлемой частью системы мониторинга
памятников в городской среде.
7. В биопленках и первичных почвах на поверхности памятников
происходит накопление тяжелых металлов. Наиболее часто превышение
ПДК наблюдается по Zn, Pb, Сd.
8. Основой эффективного мониторинга памятников культурного
наследия в городской среде является междисциплинарный подход,
предусматривающий использование комплекса методов наблюдений за
состоянием объекта и условиями окружающей среды.
21
III. Список опубликованных работ по теме диссертации
1. Власов, А.Д. Особенности микробной колонизации гранита в
моделируемых условиях / А.Д. Власов, Е.М. Нестеров, М.С. Зеленская //
Известия Российского государственного педагогического университета
имени А.И. Герцена. – 2015. – № 173. – С. 132-137. (0,7/0,5 п.л.)
2. Власов, А.Д. Биологическое выветривание гранита в условиях
городской среды / Е.Г. Панова, А.Д. Власов, Т.А. Попова, М.С.
Зеленская, Д.Ю. Власов // Биосфера. – Т. 7, № 1. – СПб., 2015. – С. 61-79.
(2,2/1,2 п.л.)
3. Власов, А.Д. Оценка состояния гранитных памятников Некрополей
Александро-Невской Лавры / А.Д. Власов, М.С. Зеленская, Е.М.
Нестеров // Проблемы региональной экологии. – 2013. – №5. – С. 130-135.
(0,7/0,5 п.л.)
4. Власов, А.Д. Геоэкологические факторы разрушения гранита
рапакиви и особенности его биообрастания в нарушенных экосистемах /
А.Д. Власов // Известия Российского государственного педагогического
университета имени А.И. Герцена. – 2012. – № 153 (2). – С. 39-46. (0,9 п.л.)
5. Власов, А.Д. Оценка состояния гранита в памятниках архитектуры / Д Ю.
Власов, А.Д. Власов, М.С. Зеленская, Е.Г. Панова, Т.А. Попова // Биогенная
деструкция гранита / под ред. Е. Г. Пановой, Д.Ю. Власова. – СПб.: Наука,
2015. – С. 125-171. (3,7/2,2 п.л.)
6. Власов, А.Д. Разработка научно-методических подходов к мониторингу
объектов культурного наследия в антропогенных ландшафтах на основе
исследований литобионтных систем / А.Д. Власов, Е.М. Нестеров // Геология
в школе и вузе: Геология и цивилизация: Материалы IX Международной
конференции и летней школы / Под общ. ред. Е.М. Нестерова. – СПб.: Изд-во
РГПУ им. А.И. Герцена, 2015. – С. 86-89. (0,2/0,1 п.л.)
7. Власов, А.Д. Диагностика биообрастаний при мониторинге памятников
культурного и природного наследия / А.Д. Власов, В.М. Гришкин, Е.М.
Нестеров // Геология, геоэкология, эволюционная география: Коллективная
монография. Том XIII / Под ред. Е.М. Нестерова, В.А. Снытко. – СПб.: Издво РГПУ им. А.И. Герцена, 2014. – С. 228-231. (0,2/0,1 п.л.)
8. Власов, А.Д. Методы исследования биологических повреждений камня (на
примере гранитных памятников) / А.Д. Власов, Е.М. Нестеров, М.С.
Зеленская // Геология, геоэкология, эволюционная география: Коллективная
монография. Том XII / Под ред. Е.М. Нестерова, В.А. Снытко. – СПб.: Изд-во
РГПУ им. А. И. Герцена, 2014. – С. 205-208. (0,2/0,1 п.л.)
9. Vlasov, A.D. Development of stone monuments monitoring sistem with using of
computer technology / S.B. Shigorets, V.M. Grishkin, D.Yu. Vlasov, A.P. Zhabko,
A.M. Kovshov, A.D. Vlasov // V International Symposium Biogenic-abiogenic
interactions in natural and anthropogenic systems. – Saint Petersburg: VVM, 2014.
– P. 159-160. (0,1/0,05 п.л.)
22
10. Vlasov, A.D. Deterioration of Saint Petersburg stone monuments connecting
with activity of microorganisms / V.V. Manurtdinova, A.D. Vlasov, M.S.
Zelenskaya, K.S.Kuruleva, D.Yu. Vlasov, O.V. Frank-Kamenetskaya, V.V.
Rytikova // V International Symposium Biogenic-abiogenic interactions in natural
and anthropogenic systems. – Saint Petersburg: VVM, 2014. – P. 151-152.
(0,1/0,05 п.л.)
11. Vlasov, A.D. Granite weathering in city environment / E.G. Panova, D.Yu.
Vlasov, H. Luodes., A.D. Vlasov, T.A. Popova, M.S. Zelenskaya, E.A. Olhovaya
// V International Symposium Biogenic-abiogenic interactions in natural and
antropogenic systems. – Saint Petersburg: VVM, 2014. – P. 154-156. (0,2/0,1 п.л.)
12. Власов, А.Д. Моделирование процессов микробиологической деструкции
горных пород / A.Д. Власов // XIX Санкт-Петербургская ассамблея молодых
ученых и специалистов: материалы ассамблеи. – СПб., 2014. – С. 110. (0,05
п.л.)
13. Власов, А.Д. Разрушение камня в условиях городской среды / Е.Г.
Панова, Д.Ю. Власов, Х. Лоудес, Е.В. Алампиева, А.Д. Власов, М.С.
Зеленская, Е.А. Ольховая, Т.А. Попова // Каменное убранство северной
столицы (часть 2): сб. ст. – СПб., 2013. – С. 3-9. (0,4/0,2 п.л.)
14. Власов, А.Д. Биоразнообразие обрастаний природного камня в городской
среде / Д.Ю. Власов, М.С. Зеленская, Е.Г. Панова, Х. Лоудес, А.Д. Власов,
Т.А. Попова, Д.Е. Гимельбрант, Е.А. Ольховая, Е.В. Алампиева //
Современные проблемы сохранения биоразнообразия естественных и
трансформированных экосистем: материалы конф. – СПб.: ВВМ, 2013. –
С.14-18. (0,3/0,2 п.л.)
15. Власов, А.Д. Физико-химическое и биологическое выветривание гранита
в условиях городской среды / Е.Г. Панова, Д.Ю. Власов, Х. Луодес, Е В.
Алампиева, А.Д. Власов, М.С. Зеленская, Е.А. Ольховая, Т.А. Попова //
Геохимия и минералогия геоэкосистем крупных городов. – СПб.: ВВМ, 2013.
– С. 54-57. (0,2/0,1 п.л.)
16. Власов, А.Д. Микроорганизмы в биопленках на граните и бетоне в СанктПетербурге / А.Д. Власов, М.С. Зеленская // Проблемы медицинской
микологии. – 2013. – Т. 15, № 2. – С. 62. (0,1/0,05 п.л.)
17. Vlasov, A. Biofouling of granite rapakivi in St. Petersburg monuments and in
the quarry in Russia and Finland / D. Vlasov, E. Panova, E. Alampieva, E.
Olhovaya, T. Popova, A. Vlasov, M. Zelenskaya // EGU General Assembly 2013.
Geophysical Research Abstracts. – 2013. – Vol. 15. – p. 2427. (0,1/0,05 п.л.)
18. Власов, А.Д. Состав биопленок на поверхности каменных сооружений в
городской среде / А.Д. Власов, М.С. Зеленская, Т.А. Попова //
Микробиология: от микроскопа до нанотехнологий: материалы юбилейной
научно-практической конференции. – СПб., ВМедА, 2013. – С. 128. (0,1/0,05
п.л.)
19. Власов, А.Д. Разрушение гранита рапакиви в городской среде / А.Д.
Власов // Науки о Земле и цивилизация: Материалы Международной
молодежной конференции. Том 1. Науки о Земле / Под. общ. ред. Е.М.
23
Нестерова. – СПб.: Изд-во РГПУ им. А.И. Герцена, 2012. – С. 102-105. (0,2
п.л.)
20. Власов, А.Д. Биологическое повреждение гранита в природной среде /
А.Д. Власов // Экологические проблемы урбанизированных территорий:
материалы конф. – СПб.: ВВМ, 2011. – С.213-215. (0,2 п.л.)
21. Власов, А.Д. Микробные сообщества на граните рапакиви в некрополях
Александро-Невской лавры / А.Д. Власов, М.С. Зеленская, Ю.В. Рябушева //
Экологические проблемы Балтийского региона: материалы конф. – СПб.:
ВВМ, 2011. – С. 168-172. (0,3/0,2 п.л.)
22. Власов, А.Д. Сезонные изменения в микробных сообществах на
разрушенном бетоне / А.Д. Власов, Е.Ю. Дмитриева, Н.С. Ростова, Д.Ю.
Власов // Проблемы медицинской микологии. – 2010. – Т. 12, № 2. – С. 71-72.
(0,1/0,05 п.л.)
23. Власов, А.Д. Разнообразие микроорганизмов на бетонных сооружениях в
городской среде / А.Д. Власов, Е.Ю. Дмитриева // Биоразнообразие и
биоиндикация в естественных и трансформированных экосистемах северозападного региона: материалы конф. – СПб.: ВВМ, 2009. – С. 34-37. (0,2/0,1
п.л.)
24. Власов, А.Д. Бактериальные сообщества в Петербургском метрополитене
/ Е.Ю. Дмитриева, А.Д. Власов, Т.С. Остапенко // Биоразнообразие и
биоиндикация в естественных и трансформированных экосистемах северозападного региона: материалы конф. – СПб.: ВВМ, 2009. – С. 50-52. (0,2/0,1
п.л.)
25. Vlasov, A. Weathering of granite under urban conditions / D. Vlasov, E.
Panova, H. Luodes, A. Vlasov, T. Popova, M. Zelenskaya // Evaluation of the
durability of granite in architectural monuments / edited by Elena G. Panova,
Dmitri Y. Vlasov, Hannu Luodes. – Espoo, 2014. – P. 21-67. (5,5/ 3,5 п.л.)
24
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа