СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОРАЖЕННОСТИ ГРУНТОВ ГАЗООБРАЗУЮЩИМИ МИКРООРГАНИЗМАМИ
METHOD TO DETERMINE SOIL CONTAMINATION WITH GAS-GENERATING MICROORGANISMS

Изобретение относится в области грунтоведения при инженерных изысканиях в строительстве, в частности к способам и устройствам для определения характеристик грунтов в лабораторных и полевых условиях и позволяет в короткий срок определить пораженность грунтов газообразующими микроорганизмами (такими как метанобразующие бактерии, денитрифицирующие бактерии, аммонифицирующие и гетеротрофные бактерии).
5
7
2
2
3
2
4
Микроорганизмы широко распространены в грунтах разного генезиса. Численность микробов в подпочвенных слоях в пересчете на 1 г субстрата находится в пределах 10-10 клеток [Оборин, 2004; Oborin, 2007]. В общем случае характерно снижение численности микробов с глубиной [Ghiorse, 1988; Sinklair, 1989]. Анализ численности микроорганизмов в различных грунтах выявил зависимость количества микробов от типа отложений и их химического состава: установлена прямая зависимость общей численности микроорганизмов от содержания органического вещества [Fredrickson, 1989; Kaiser, Bollag, 1990]. Трансформация органического вещества обычно сопряжена с выделением газов и, таким образом, с изменением газового состава грунта. Разложение органического вещества, бикарбонатов и сульфатов минералов грунта в зависимости от условий, в которых оно происходит, ведет к выделению СО, N, NH, HS, СН, летучих органических веществ и др. Защемленные в порах мельчайшие пузырьки образующихся в процессе метаболизма бактерий газов с высокой величиной поверхностного натяжения и большим внутренним давлением способствует значительному разуплотнению глинистых пород. Установлено, что микроорганизмы в закрытой системе грунта могут увеличивать поровое давление и придавать грунту плывунные свойства [Радина, 1973]. Таким образом, определение микробиологической пораженности грунтов газообразующими микроорганизмами имеет весьма существенное значение при инженерно-геологических исследованиях.
Существующие в настоящее время способы обнаружения газообразующих микроорганизмов используют методы, основанные на культивировании микроорганизмов, что возможно только в условиях специализированной микробиологической лаборатории и требует достаточно продолжительного времени (до 7 суток и более) [Практикум…, 1976] либо использования дорогостоящих веществ-субстратов с радиоактивной меткой [Беляев, Иванов, 1975], что, в свою очередь, требует разрешения от надзорных органов. Более современные способы, основанные на молекулярно-биологических методах (методы полимеразной цепной реакции) [Moffett et al., 2000] требуют не только специализированной лаборатории, но и дорогостоящего оборудования и высококвалифицированного персонала. Таким образом, в настоящее время отсутствует экспрессный метод обнаружения в грунтах газообразующих микроорганизмов, который бы не требовал продолжительного времени, специализированного персонала и мог бы проводиться прямо на объекте.
Имеются аналогичные изобретения, описывающие способы определения характеристик свойств грунтов и почвогрунтов (RU 2054501 С1, 15.07.1993; RU 2192006 С2, 14.12.1999; RU 2366944 С1, 11.03.2008), однако ни в одном из них не определяется пораженность грунтов газообразующими микроорганизмами.
Нами выбран прототип - патент РФ №2054501. «Способ определения характеристик свойств грунтов», МПК E02D 1/00; G01N 33/24, опубл. 20.02.1996.
Сущность способа заключается в следующем.
Отбирают образцы грунта с ненарушенной природной структурой. Определяют его вес и начальную влажность. Предварительно влажные грунты высушивают до воздушно-сухого состояния. Затем образец помещают на сетку прибора для определения размокаемости грунта, погружают в воду, пригодную для питья, с температурой 20 градусов. Фиксируют время размокания образца. Определяют базовое удельное время размокания. При этом параллельно испытывают не менее 8 образцов. Затем вычисляют среднее для испытанных образцов значение базового удельного времени размокания и находят коэффициент быстроты размокания грунта, после чего проводят классификацию грунта и определяют совокупность его свойств по формулам. При температуре воды, отличной от 20 градусов, удельное время размокания приводят к базовому.
Недостатки прототипа - невозможно определять пораженность грунтов газообразующими микроорганизмами, что не позволяет определять истинное поровое давление и наличие плывунных свойств в исследуемых грунтах.
Задачей создания изобретения является разработка способа определения поражения грунтов газообразующими микроорганизмами, свободного от недостатков прототипа.
Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в 1 пункте формулы изобретения, общих с прототипом, таких как способ определения поражения грунтов газообразующими микроорганизмами, включающий отбор образцов грунта, помещение их в прибор, позволяющий измерять деформацию грунта при насыщении жидкостью, и считывание показаний прибора за определенные промежутки времени, и отличительных существенных признаков, таких как использование двух приборов для измерения деформации при его свободном набухании (контрольный и опытный). В первый заливают дистиллированную или питьевую воду, а в другой - раствор веществ, используемых микроорганизмами на газообразовательные процессы, затем каждые 15 минут в течение 180 минут считывают показания приборов и по большей величине показаний стрелочного индикатора судят о наличии в грунте газообразующих микроорганизмов.
Согласно п. 2. формулы к опытному образцу заливают питательный раствор для микроорганизмов, содержащий бульон питательный сухой, представляющий собой сухую смесь, состоящую из триптического гидролизата кильки (67% по масее) и хлорида натрия (33% по массе) (1,5 г/л), глюкозу (1 г/л), дистиллированную воду - остальное.
Вышеперечисленная совокупность существенных признаков позволяет получить следующий технический результат - упрощение процесса и сокращение времени исследования.
На фигуре 1 изображен график показаний прибора - контрольного образца.
На фигуре 2 изображен график показаний прибора - опытного образца.
Предлагаемый способ основан на использовании прибора «Прибор ПСНГ для определения свободного набухания грунта» (производство ООО «Щекино-ВНИР», Москва) в соответствии с ГОСТ 24143-80, дистиллированной воды для контроля и раствора органических соединений, позволяющих определить в грунтах наличие микроорганизмов, образующих газы при метаболизме этих соединений.
В соответствии с инструкцией к прибору из монолита исследуемого грунта рабочим кольцом прибора вырезается образец цилиндрической формы и вместе с кольцом закрепляется в приборе. При отсутствии монолита грунта достаточного размера рабочее кольцо прибора может быть заполнено обломками грунта, уплотненными приминанием вручную. Устанавливается нулевое значение стрелочного индикатора прибора, и прибор в соответствии с инструкцией погружается в раствор, содержащий органические вещества, которые могут быть использованы микроорганизмами на газообразовательные процессы. Через определенные интервалы времени (например, 15 мин) считываются показания стрелочного индикатора прибора.
Аналогичные действия производятся для контрольного испытания с той разницей, что вместо раствора органических веществ берется дистиллированная вода. Для контрольного испытания используется новый образец исследуемого грунта. Через те же интервалы времени, что и в опытном испытании, считываются показания стрелочного индикатора прибора.
Большая величина показаний стрелочного индикатора для опытного образца свидетельствует о наличии в грунте газообразующих микроорганизмов.
Пример воплощения
3
3
Испытания проводили на суглинке, отобранном бурением с глубины 9,2-9,4 м от поверхности земли. Данный грунт имеет естественную влажность 30%, характеризуется числом пластичности 27% и является твердым. Естественная плотность составляет 1,88 г/см, плотность частиц - 2,73 г/см. Пористость грунта равна около 47%, коэффициент водонасыщения 0,9. В грунте содержится около 43% глинистых частиц, а также около 37% частиц пылеватой фракции. Использовали прибор ПСНГ (ООО «Щекино-ВНИР», РФ), позволяющий измерять вертикальную деформацию образца грунта при насыщении жидкостями в условиях, исключающих возможность бокового расширения, 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. Продолжительность испытания составляла 3 часа. Изменение показаний стрелочного индикатора прибора представлено на графиках (Фиг. 1 - контрольный образец, Фиг. 2 - опытный).
Из графиков видно, что за время испытаний линейная деформация грунта в опытном образце возросла примерно в 2 раза по сравнению с контрольным образцом, что свидетельствует о наличии в испытуемом грунте газообразующих микроорганизмов.
Из описания и практического применения настоящего изобретения специалистам будут очевидны и другие частные формы его выполнения. Данное описание и примеры рассматриваются как материал, иллюстрирующий изобретение, сущность которого и объем патентных притязаний определены в нижеследующей формуле изобретения совокупностью существенных признаков и их эквивалентами.
Источники информации
1. Оборин А.А., Рубинштейн Л.М., Хмурчик В.Т., Чурилова Н.С. Концепция организованности подземной биосферы. Екатеринбург: УрО РАН, 2004. 148 с.
2. Oborin А.А., Rubinstein L.M., Khmurchik V.T. On the Concept for the Organization of the Modern Biosphere in the Terrestrial Subsurface // In: Biosphere Origin and Evolution. Springer, 2007. P. 199-205.
3. Ghiorse W.C., Wilson J.T. Microbial ecology of the terrestrial subsurface // Advances Applied Microbiology. 1988. V. 33. P. 107-172.
4. Sinclair J.L., Ghiorse W.C. Distribution of aerobic bacteria, protozoa, algae, and fungi in deep subsurface sediments // Geomicrobiol. J. 1989. V. 7. №1/2. P. 15-31.
5. Fredrickson J.K., Garland T.R., Hicks R.J., Thomas J.M., Li S.W., McFadden K.M. Lithotrophic and heterotrophic bacteria in deep subsurface sediments and their relation to sediment properties // Geomicrobiol. J. 1989. V. 7. №1/2. P. 53-66.
6. Kaiser J.-P., Bollag J.-M. Microbial activity in the terrestrial subsurface //Experientia. 1990. V. 46. P. 797-806.
7. Радина В.В. Роль микроорганизмов в формировании свойств грунтов и их напряженного состояния // Гидротехническое строительство. 1973. №9. С. 22-24.
8. Практикум по микробиологии. - Под ред. Н.С. Егорова. М.: Изд-во МГУ, 1976.
9. Беляев С.С., Иванов М.В. Радиоизотопный метод определения интенсивности бактериального метанобразования // Микробиология. 1975. Т. 44. Вып. 1. С. 166-168.
10. Moffett B.F., Walsh К.А., Harris J.A., Hill T.C.J. Analysis of bacterial community structure using 16S rDNA analysis // Anaerobe. 2000. V. 6. №2. P. 129-131.