Описание проекта

Настоящее изобретение "Микокарст” – это новая технология укрепления минеральных материалов на основе природного камня спорами гриба. Изобретение может быть использовано для рекультивации существующих карстовых воронок и предотвращения будущих обвалов грунта, а на длительном промежутке времени при полном заполнении карстовой воронки минеральной грибной породой — для полной ликвидации карстовых воронок. 

Кроме того, технология "Микокарст” актуальна для реставрации существующих объектов из природного камня и архитектурных памятников. Процесс осаждения кальция микроорганизмами под воздействием влаги и, как следствие, образование известняка, рассматривается в отношении “непрограммируемых” процессов разрушения материалов. 

Сегодня в области реставрации объектов из природного камня и памятников архитектуры существует много средств, помогающих их сохранять и устранять появляющиеся со временем дефекты. Активно применяются полиэфирные мастики и эпоксидные составы для лечения натурального камня, которые хорошо реагируют на процесс полировки, легко колеруются. Однако, материалы, укрепленные таким способом, не способны нести высокую нагрузку, и разрушаются снова через несколько лет. 

Аналогичной проблеме подвержены «слабые» карстовые грунты, состоящие также из известняка, гипса, доломита и др. Карстовые воронки — это природное явление, образующееся в результате растворения таких мягких пород грунта подземными водами и, как следствие, обрушения ландшафта. Грунты, подверженные карстовым явлениям, ненадежны для любого вида инженерных сооружений. В городах оно вызывает катастрофические обвалы дорог, разрушение домов и гибель целых поселений. Карст больше всего развит в России, особенно в Пермской и Нижегородской областях, Башкирии. Например, Березники и Соликамск, страдают от ежегодных провалов грунта, что вызвано, в большей степени, не характеристиками почвы, а антропогенным воздействием — активной добычей полезных ископаемых. Сходные проблемы касаются также Европы, Китая, Америки и др. Сегодняшние методы укрепления карстовых грунтов, такие как заливка провалов бетонной смесью, не приносят должного результата - разрушения возникают снова и снова в том же радиусе, даже активизируясь в новой фазе. 

Необходимо применение технологий, способствующих образованию не только высокопрочных материалов, но и предотвращающие их дальнейшее разрушение. Например, существуют микробиологические методы биоцементации материалов с помощью спор грибов или бактерий. Суть методов состоит в том, что простейшие микроорганизмы способны вырабатывать компонент известняка под воздействием влаги, укрепляя тем самым минеральные материалы на основе природного камня. 

Представители Кардиффского университета первыми определили, что бактерии, которые были смешаны с химическими веществами, восстанавливают структуру кирпичных материалов. Сегодня их исследования направлены на разработку жидкой системы, содержащей необходимые ингредиенты для `самовосстановления` зданий. Микробиолог Хенк Йонкерс из Технологического университета Делфта создал «самовосстанавливающийся» бетон на основе лактата кальция и капсул бактерий Bacillus pseudofirmus или Sporosarcina pasteurii, осаждающих известняк. Когда бетон трескается, воздух и влага растворяют капсулу, активизируют бактерии, которые начинают реагировать с лактатом кальция и образовывать известняк. Сегодня целью делфтских ученых является поиск дешевого аналога лактата кальция (неуместен в больших масштабах), например, компонент на основе сахара. Ученые из Бингемтонского Университета, в свою очередь, использовали споры гриба Trichoderma reesei для «самовосстановления» бетона. По словам профессора Конгруи Джин, представители ее лаборатории - единственные, кто изучает грибы (а не бактерии). Однако, несмотря на то что они все еще сталкиваются с ключевой проблемой жизнеспособности спор гриба в экстремальных условиях бетона, считают, что исследование имеет большие перспективы развития.

В отличие от технологий на основе заливки трещин и дефектов бетоном, данные биотехнологии не способствуют продолжению процессов карстообразования, предотвращая дальнейшие разрушения в материалах. Основным недостатком, сдерживающим широкое внедрение существующих технологий биоцементации на практике, являются крайне низкая жизнеспособность живых спор в экстремальных условиях плотных материалов, а также дороговизна некоторых решений (например, основанных на применении лактата кальция). 

Стоит отметить, что карстовые почвы имеют тот же карбонатный состав (CaCO3), который споры образуют в процессе жизнедеятельности. Эта технология не требует вмешательства человека, когда повреждение происходит как в архитектурной стене, так и в стене воронки. 

Было установлено, что карстовые модули со спорами и компонентами золы, мелких опилок, доломитовой муки увеличили прочность в 2.5 раза за 3 месяца. Полученный материал на основе мицелия грибов получается прочнее бетона в 1.2-2 раза, и при развитии в течении года способен выдерживать нагрузку до 40 МПа. 

Научная новизна проекта в том, что в отличие от рассмотренных технологий-аналогов, он решает проблему поддержания жизнеспособности спор гриба в условиях трещин материала, отмеченную учеными Бингемтонского университета. Карст, будучи грунтовым материалом, дает более благоприятные условия для развития гриба, поскольку имеет более высокий коэффициент аэрации и водопоглощения, чем у такого плотного камня, как бетон. 

Ключевые преимущества “Микокарст” - одновременно прочность и упругость укрепляемого материала, которая достигается за счет мицелия, и долговечность, которая достигается за счет жизнеспособности спор гриба в трещинах материала, в отличие от конкурентов, использующих бетон и бактерии. Новый композиционный материал практически не подвергается повторным разрушениям и способен самовосстанавливаться. При этом, заявленный способ является относительно недорогим при сопоставимой эффективности. Причина - низкая стоимость спор гриба (например, сморчка) как местного легкодоступного материала в России и отсутствие необходимости в дополнительных импортных компонентах.

Значение работы в том, что такая “умная” технология управления городскими “непрограммируемыми” явлениями, протестированная на примере укрепления карстовых грунтов, может применяться и для реставрации объектов из минеральных материалов с минимальным человеческим участием. 

Сегодня к проекту была проявлена заинтересованность представителей крупных нефтяных, инфраструктурных и строительных компаний – ООО “Газпром ВНИИГАЗ” и ПАО «Газпром», Правительства Москвы и Республики Татарстан, Российских железных дорог (Ржд) из Самары, LafargeHolcim, Laka architects, Университета Оттавы в Канаде.

Презентации

Микокарст: способ укрепления карстовых воронок спорами грибов

Пульс