Биопленки на каменных поверхностях: хорошие, плохие и промежуточные вариантыБиопленки на каменных поверхностях: хорошие, плохие и промежуточные варианты
Камни, от исторических памятников до небольших статуй, считаются старейшими художественными произведениями.
Несмотря на предполагаемую долговечность поверхности каменного материала, у природы есть свой ум, который не позволяет этим камням долго оставаться нетронутыми. Микроорганизмы, постоянно ведущие борьбу за выживание в негостеприимной среде, принимают самое активное участие в процессе старения камней. Присутствие биопленок на каменных памятниках не только эстетически неприятно, но и может быть вредным для человека, окружающей среды и самого памятника.
Однако, вопреки распространенному мнению, ряд ученых утверждает, что при определенных обстоятельствах биопленки могут помочь защитить каменные шедевры от разрушения. Недавно опубликованное исследование оценивает факторы, динамику и микробных игроков, которые влияют на природу биопленок, чтобы выяснить, что заставляет их играть роль героя или злодея в "монументальной" истории.
Коэффициент относительной биозащиты
Для количественной оценки того, разрушающий или защитный характер биопленок преобладает на данной каменной поверхности, исследователи ввели понятие относительного коэффициента биозащиты, который представляет собой отношение суммы естественного (немикробного) выветривания к сумме биодеструкции. Большее значение свидетельствует о более высокой защитной роли соответствующей биопленки, а меньшее - о преобладании повреждающего характера.
Выветривание неизбежно. Поскольку само присутствие биопленок является в основном эстетической неприятностью, оценка ущерба, который микробные сообщества наносят непосредственно камню, помогает определить, когда со временем биопленки начнут разрушать камень. Таким образом, под влиянием климата и сообщества биопленок, это колеблющееся соотношение позволяет лучше понять динамику изменения биопленок между сохранением и разрушением.
Микробные игроки в биодеструкции
Как ученые отслеживают факторы, влияющие на это соотношение? Характеристика микробного состава в конкретной биопленке - это первый шаг в поиске доминирующих микробов, которые играют жизненно важную роль в активных сообществах. Биопленки формируются сообществом различных микроорганизмов, которые работают вместе для выживания. Вместе это динамичное сообщество может преодолевать такие трудности, как неблагоприятные условия высыхания, солнечная радиация и сезонные или климатические изменения. Состав и деятельность микроорганизмов определяют роль биопленок на этих камнях и, в свою очередь, зависят от множества внешних факторов, включая смену времен года, материал камня (состав, возраст и т.д.) и местоположение.
Молекулярные методы, такие как метагеномика и метатранскриптомика, позволяют выявить как ключевых микробных игроков, так и их влияние (метаболический потенциал) в сообществе. Сочетание омических методов с традиционными химическими анализами, такими как зондирование стабильными изотопами, может подтвердить идентичность активных микробов и их преобладающее влияние (положительное или отрицательное) на каменные памятники, но это область, которая еще не изучена до конца.
Микроорганизмы, обнаруженные на каменных памятниках, часто варьируются от фототрофов до хемолитотрофов и хемоорганотрофов. Эпилитные биопленки - те, которые плотно прилегают к поверхностным слоям камня - часто в конечном итоге вызывают заметные повреждения на каменных поверхностях и обычно состоят из пигментированной микрофлоры, такой как цианобактерии, зеленые водоросли и розовые дрожжи.
Хемотрофы
Среди этих биодетерриогенов (микробов, вызывающих биоповреждения) хемотрофы используют в качестве питательных веществ атмосферные загрязнители, такие как сернистые и азотистые соединения, которые наносят вред каменным материалам. Например, нитрификаторы и серные окислители (Fusarium, Thiobacillus) вызывают коррозию, производя азотную (Nitrosomonas spp.) и серную (Thiobacillus spp.) кислоты.
Интересно, что галофилы, такие как Haloarchea, вносят свой вклад в разрушение, усиливая порчу за счет солевых выделений. Отложение солей может нанести вред камню многими способами. Например, оно способствует чрезмерному проникновению воды, которая способствует образованию трещин, окрашивает камень и образует кристаллы, которые усугубляют трещины и расколы, нарушая структурную целостность камня.
Фототрофы
Фототрофы являются наиболее распространенными микробами на памятниках из песчаника. Они образуют активные биопленки белого, зеленого или черного цвета и процветают в тропическом климате с большим количеством солнечного света. Такие фототрофы (например, лишайники, такие как Caloplaca spp., Porina mastoidea и Trapelia coarctata) даже были обнаружены в качестве пионерных колонизаторов каменных субстратов в Ангкор-Ват в Камбодже.
Обесцвечивание на стенах восточных ворот Ангкор-Тхом храма Ангкор-Ват в Камбодже. Это изменение цвета свидетельствует о повреждении каменного материала в результате естественного выветривания и присутствия биопленок. Черная корка, образовавшаяся на камне (патина), в основном вызвана лишайниками и цианобактериями. Источник: unsplash.com
После того как микробы в данной биопленке охарактеризованы, следующим шагом является выявление неоспоримых влияний окружающей среды на микроорганизмы, их метаболиты и сам камень. Поскольку климатические или окружающие условия интегрируются с экологическими моделями присутствующих биопленок, воздействие может быть вредным или полезным для памятника. Некоторые из известных положительных и отрицательных эффектов изложены в следующих разделах.
Повреждающее воздействие микробной биопленки
Биодеградация характеризуется физическими, химическими и механическими изменениями, а также обесцвечиванием поверхности камня. Оно начинается с биодеструкции (ослабление механической структуры), затем фрагментации (микробное разрушение материалов) и, наконец, ассимиляции (включение старого материала в новые микробные клетки).
Эти изменения происходят в результате различных процессов, включая, но не ограничиваясь следующими:
- Инкрустация: дополнительное образование более твердого компактного минерального покрытия на каменном субстрате.
- Катионное комплексообразование и высвобождение: образование и высвобождение комплексов посредством катионов.
- Вторичная минерализация: индуцированное осаждение и накопление минералов.
- Перекристаллизация: образование кристаллов соли в порах каменного материала.
Исследования, оценивающие относительный коэффициент биозащиты, подчеркивают, что важно оценивать процессы разрушения по отдельности, поскольку камни различаются по своему составу, а разрушающее воздействие ускоряется в результате климатических изменений и антропогенной деятельности.
5 способов, с помощью которых микроорганизмы и их деятельность негативно влияют на каменный материал, следующие:
- Биоповреждение, при котором камни разрушаются под воздействием биологических агентов.
- Окрашивание или изменение цвета.
- Изменения поверхности, такие как питтинг (углубления в камне).
- Травление (следы или пятна, вызванные воздействием кислот на поверхность камней, содержащих карбонат кальция) и расслоение.
- Биокоррозия (коррозия, вызванная микроорганизмами).
Удаление (неподатливых) биопленок является сложной и трудоемкой задачей, поэтому полезно следить за образованием биопленок и смягчать биодеградационные действия до их начала. Учитывая эти знания, было бы легко обвинить биопленки в злодеяниях, но разрушительная природа биопленок - это еще не вся история.
Биозащита каменных памятников
Исследования показывают, что некоторые микробы могут защищать те же памятники, которые они способны разрушить. Например, образование биопленок на каменных материалах защищает памятники от обычных процессов выветривания, таких как дождь и ветер. Защита может происходить путем биоминерализации, когда минеральные осадки (например, оксалаты и карбонаты), отложенные грибами или лишайниками, действуют как консолидаторы, обеспечивающие прочность и долговечность защитных покрытий. Фототрофы также могут увеличить долговечность памятника, уравновешивая тепловые и влажностные изменения и смягчая последствия выветривания, которые в противном случае повредили бы каменный материал.
Пример микробно-индуцированного осаждения карбоната (MICP) на основе уреазы иллюстрирует важность минералов в защите памятников. В данном случае инженеры наносят минеральные осадки (карбонаты) на строительные материалы для восстановления памятников и цементирования трещин и расщелин. Бактерия Sporosarcina pasteurii в настоящее время является одним из лучших кандидатов для MICP, благодаря своим многочисленным штаммам, продуцирующим уреазу. В процессе, называемом биоцементацией, бактерии взаимодействуют с уреазой и осаждают карбонат (кристаллы кальцита), который, в свою очередь, цементирует частицы камня. Это приводит к повышению прочности на сжатие и снижению проницаемости каменного материала. Одним словом, ученые успешно применяют биозащитную природу микробно-индуцированных карбонатных минералов для сохранения памятников.
Несмотря на огромный потенциал этой области исследований, ей еще предстоит пройти долгий путь. Хотя некоторые ключевые микробы, обитающие в биопленках, уже идентифицированы, нам еще предстоит изучить другие, а также полностью понять основные механизмы, влияющие на выветривание и разрушение памятников. Чтобы попытаться устранить эти пробелы в знаниях, исследователи подчеркнули необходимость создания общей, глобально доступной публичной базы данных биодетерриогенов и биопротекторов.
Ученые также подчеркнули необходимость более эффективных и конкретных подходов к количественной оценке воздействия выветривания, биозащиты и биодеструкции на памятники. Более эффективные полевые и лабораторные испытания могли бы углубить понимание и способствовать новому применению относительного коэффициента биозащиты - концепции, которая оказалась в центре возникающих дебатов - биопленки: разрушители или защитники памятников.
