Секрет прочности древних сооружений подсказали бактерии.
Состояние памятников истории, граффити на древних оборонительных башнях, жилых башнях-ганахах и фамильных склепах - все это интересовало членов экспедиции в труднодоступные верховья Гнухского ущелья и в ущелье Дзомаг Южной Осетии. Известно, что здесь издревле из века в век проживали Хубаевы, Джигкаевы, Дзугаевы, Кобесовы, Плиевы…. Сохранились некоторые башни-ганахи, в которых семьи обитали столетиями.
Наряду с традиционными задачами (мониторинг состояния старых и выявление новых памятников - башен, домов, склепов, дзуаров) экспедиция решала ряд новых. В их числе - сбор образцов древних растворов для исследования содержащихся в материале бактерий.
То, что бактерии способны существовать в самых экстремальных условиях - от комет до раскаленных недр, известно, но вот чтобы они жили в известковом растворе, которым скрепляли камни древних башен и оборонительных стен… Проект исследования найденных микроорганизмов и создание на их основе промышленной биотехнологии, поддержанный в 2024 году грантом РНФ, возглавил директор научно-технологического комплекса «Цифровой инжиниринг в гражданском строительстве» Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого доктор технических наук, профессор Николай Ватин. В команду ученых вошли главный научный сотрудник Южного федерального университета доктор биологических наук Владимир Чистяков, крупный сарматолог, заведующий Центром археологической антропологии Института востоковедения РАН доктор исторических наук Евгений Вдовченков.
Экспедиция стала возможна благодаря действующему соглашению о сотрудничестве между Владикавказским научным центром РАН и Юго-Осетинским государственным университетом им. А.А.Тибилова. Руководили ею в нынешнем году заведующий отделом археологии Института истории и археологии РСО - Алания доктор исторических наук Алан Сланов и научный сотрудник Юго-Осетинского НИИ им. З.Н.Ванеева этнограф Ирбег Маргиев. В проекте еще участвовали исследователи Владикавказского научного центра РАН и Российского государственного гуманитарного университета.
Собрав образцы скрепляющего материала из сооружений Херсонеса, Карачаево-Черкесии, Нижнего Дона и вот теперь Южной Осетии, ученые выяснили, что выделенные из них бактерии относятся в основном к двум родам: Cytobacillus и Sutcliffiella.
– Cytobacillus - это род семейства Bacillaceae, представители которого известны своей живучестью в экстремальных условиях, - рассказал В.Чистяков. - Они помогают процессам осаждения карбоната кальция, опосредованным активностью уреазы, специфического фермента - катализатора расщепления мочевины до диоксида углерода и аммиака или выработкой карбоангидразы. Хотя специальных исследований Cytobacillus в бетоне пока нет, но поскольку эти бактерии также принадлежат к семейству Bacillaceae, можно предположить их сходные свойства.
Когда в связующем материале стен возникают трещины, поясняет Е.Вдовченков, под действием бактерий в них начинается микробно-индуцированное осаждение карбоната кальция, которое, по сути, «залечивает» микроповреждения. Этот процесс и лежит в основе создания материала под названием «биобетон», над которым работают ученые в рамках проекта.
Важным преимуществом обнаруженных учеными штаммов Cytobacillus является их способность выживать в щелочной среде. Между тем и древние строительные материалы в момент их создания, и современный бетон имеют высокий уровень pH. Cytobacillus может образовывать спящие споры, а когда появляется благоприятный фактор, например, влага, они вновь активизируются. Пока прямых доказательств способности этого вида бактерий «заращивать» микротрещины у ученых нет, но характеристики Cytobacillus дают основание считать его потенциальным кандидатом для применения в самовосстанавливающемся бетоне.
Еще один род обнаруженных микроорганизмов - грамположительные палочковидные бактерии Sutcliffiella из того же семейства Bacillaceae. Он был описан только в 2020 году. В него вошли бактерии, ранее относившиеся к роду Bacillus, и они тоже «экстремалы» Так, в 2022 году группа зарубежных исследователей выделила штамм Sutcliffiella DG-18T из образцов почвы, отобранных в пустыне Кубуци Внутренней Монголии (КНР). Микроорганизмы прекрасно себя чувствуют при температурах от четырех до 40°C и pH 8,0-10,0. Термофильный штамм Sutcliffiella, способный расти в диапазоне температур от 28 до 46 градусов Цельсия, выделен российскими учеными из емкости с водой на батарее отопления. В его генетическом материале обнаружены плазмиды, кодирующие ряд ферментов и метаболитов, которые способствуют адаптации микроорганизмов к экстремальным условиям.
– Споры помогают выживать бактериям в процессе изготовления и твердения бетона, - рассказывает В.Чистяков. - Они переходят в неактивное состояние, теряют влагу и покрываются толстой оболочкой. Конечно, слишком суровые условия не могут не сказываться даже на таких «стойких» микроорганизмах, способных противостоять механическим и химическим воздействиям. Тем более долго. Основной неблагоприятный для выживания фактор - все та же высокая щелочность бетона (pH может составлять около 13 после гидратации обычного портландцемента).
Образующиеся споры весьма малы. В ходе исследований и экспериментов было установлено, что их диаметр в образцах цемента, выдержанных в течение 3 и 7 дней, составлял 0,1-1 мкм, а спустя 28 дней - уже 0,01-0,1 мкм. Кроме того, они испытывают высокое напряжение сдвига во время смешивания, воздействие больших температур во время гидратации цемента, «прессинг» после затвердевания. И все же ученые полагают, что количество сохраняющихся жизнеспособных спор бактерий будет достаточным для того, чтобы в ходе эксплуатации при растрескивании биобетона они активировались даже от малого количества влаги и питательных веществ. А это запустит процесс самовосстановления бетона.
После нескольких экспедиций, в том числе в Южную Осетию, число перспективных для введения в бетон микроорганизмов увеличилось до десяти, сообщил В.Чистяков. На основе этих бактерий разработана технология получения препаратов. Сейчас завершаются испытания прочностных характеристик строительных материалов, изготовленных с биодобавками. По предварительным данным, результаты выше, чем у зарубежных коллег.
Конечно, наши предки не изготавливали бетон, понятия не имели о бактериях, однако куда внимательнее нас наблюдали за живой и неживой природой, умели эффективно применять полученные знания, передавая их из поколения в поколение. Например, для прочности они добавляли в строительные материалы птичьи яйца, продукты жизнедеятельности домашних животных… Использовалась вода из особых водоемов, богатых микроорганизмами, в том числе и теми, которые сегодня, столетия спустя, ученые извлекают из древних стен, получая ценные «посылки» из прошлого.
– Если созданные нашим коллективом биопрепараты пройдут проверку в условиях нынешних технологий, их применение позволит существенно повысить экономическую эффективность строительства, - говорит В.Чистяков. - Хочу также подчеркнуть: в бетон вводятся только те микробы, анализ геномов которых показал полное отсутствие признаков патогенности, то есть абсолютно безопасные. Это существенное отличие нашего проекта от работ многих зарубежных коллег.
Ирина Чибирова, пресс-служба ВНЦ РАН
Фото предоставлено Ириной Чибировой
