Сам себе реставратор

Бактерии и биотехнологии: новые европейские методы самовосстановления памятников архитектуры

«Хранители Наследия»

«Здания, тоннели и мосты вскоре смогут восстанавливать себя сами» – под таким интригующим заглавием Horizon – электронный журнал Генерального директората Европейской комиссии по исследованиям и инновациям –опубликовал 19 января 2021 года весьма интересный отчет  о двух научно-исследовательских проектах GEOHEAL и GEOBACTICON, связанных с применением биотехнологий в реставрации архитектурных памятников и строительстве. Исследования, финансируемые Евросоюзом, доказывают, что каменные и бетонные конструкции после применения к ним особых биотехнологических методов (внедрения бактериальных компонентов) способны «залечивать» повреждения таким же образом, как и живые организмы. А это, естественно, помогает продлить их жизнь и повышает их безопасность.

«Погодные условия, вибрация, движения грунта и общий износ могут сказаться на кирпичной кладке и бетоне, используемых в зданиях, – говорится в публикации. – Поддерживать здания в хорошем состоянии может быть сложно и дорого. Тонкие трещины и другие повреждения под поверхностью бывает трудно обнаружить. Большое количество исторических зданий и «возрастная» инфраструктура ставит перед Европой огромную задачу по поддержанию своих зданий в хорошем состоянии».

Согласно подсчетам экспертов, только для обслуживания и ремонта 1,1 миллиона мостов странам Евросоюза требуется примерно 4–6 миллиардов евро ежегодно, а их замена может обойтись в сумму более 400 миллиардов евро. По данным на 2015 год, примерно пятая часть домов в Евросоюзе – старше 69 лет, и поддержание их в пригодном для жизни состоянии становится растущим бременем для строительной отрасли.

Это и заставило ученых задаться вопросом: возможно ли, чтобы здания могли позаботиться о себе сами?

Встроенная иммунная система

«Хотя природные каменные конструкции и объекты могут сохраняться на протяжении веков, погодные условия и повседневные стрессы вызывают их повреждения и разрушение, – говорит доктор Магдалини Теодориду, инженер и научный сотрудник британского Центра биотехнологий в искусственной среде (Hub for Biotechnology in the Built Environment). – Это может поставить под угрозу структурную целостность и безопасность зданий, а также снизить их эстетическую привлекательность. А вот если обеспечить кирпичную и каменную кладку встроенной иммунной системой, готовой к работе до того, как повреждение станет критическим, это значительно повысит их долговечность и снизит их потребности в обслуживании».

Чтобы сделать здания способными самовосстанавливаться, доктор Теодориду использовала бактерии, которые могут работать так же, как иммунные клетки в организме человека, которые отвечают за обнаружение травм и помощь в заживлении ран.

В качестве научного сотрудника Университета Кардиффа (Уэльс) она участвовала в проекте GEOHEAL, в котором разрабатывались методы использования бактерий для восстановления повреждений природного камня и кирпичной кладки.

Предшествующие работы других научных групп показали, что можно создать самовосстанавливающийся бетон, «засевая» его спорами бактерий. Споры находятся в крошечных капсулах вместе с источником питательных веществ. Когда в бетонной конструкции появляется трещина, капсулы разрываются, и бактерии начинают размножаться, образуя карбонат кальция – основной компонент известняка, который содержится в панцирях морских существ. При этом образуется устойчивый минеральный кальцит, который цементирует трещины.

Определенные выносливые типы бактерий, способные противостоять неблагоприятным условиям, в которых может находиться та или иная конструкция, можно добавлять в бетон по мере его перемешивания – но «превратить» их в натуральный камень значительно сложнее.

Команда проекта GEOHEAL разработала технику, которая позволяет опрыскивать или очищать каменную кладку жидкостью, содержащей естественные почвенные бактерии. Они проникают в пористую породу и в конечном итоге залечивают повреждения природного камня по мере их возникновения. Средство также содержит кальций и питательные вещества, необходимые бактериям для роста и образования кальцита.

Сравнительные фотографии поверхности «вылеченного» бактериями известняка (вверху) с обычным, подверженным естественной эрозии. Источник: GEOHEAL

Самозалечивание повреждений кладки

Два типа используемых почвенных бактерий – Sporosarcina pasteurii и Sporosarcina ureae – могут легко приспсобиться к жизни в порах природного камня, – отмечает доктор Майкл Харботтл, координатор проекта GEOHEAL и старший преподаватель геоэкологической инженерии Университета Кардиффа.

«Камень и геологические материалы по своей природе обладают биологической восприимчивостью благодаря своему минералогическому составу и пористой микроструктуре», – говорит британский ученый. – Используемые нами бактерии могут счастливо жить в такой среде и приводить к образованию новых минералов, если у них есть доступ к воде, кислороду и питательным веществам, включая источник ионов кальция».

Бактерии могут питаться кальцием, содержащимся в некоторых типах природных горных пород, таких как известняк, мрамор и песчаники, и это может разрушить окружающий камень. Чтобы предотвратить это, исследователи снабжают бактерии дополнительным кальцием, чтобы они превратились в затвердевший кальцит.

«Мы снабжаем ионы кальция питательными веществами, чтобы повысить эффективность системы самовосстановления, а также предотвратить разложение естественной ткани материалов-хозяев», – говорит доктор Харботтл.

Исследователи также разработали самовосстанавливающийся строительный раствор для скрепления камня и кирпича, добавив в растворную пасту «спящие» бактерии вместе с сетью «вен», содержащей питательные вещества. Если строительный раствор оказывается поврежден, эти вены «вскрываются», давая пищу бактериям, что заставляет их размножаться и заполнять трещины в кладке. После завершения этого процесса бактерии повторно инкапсулируются, становятся бездействующими и готовы снова начать процесс ремонта в случае дальнейшего повреждения кладки.

При условии, что бактерии имеют доступ к воде или кислороду, процесс самовосстановления может происходить в камне на любой глубине, где может появиться трещина. По словам доктора Теодориду, большинство процедур по восстановлению и защите старой кладки ограничиваются нанесением покрытий на ее поверхность.

В ходе двухлетнего проекта, который завершился в начале 2020 года, исследователи сотрудничали с властями Уэльса, чтобы выяснить, может ли их бактериальная система помочь сохранить старинное аббатство Тинтерн в Монмутшире (см. заглавное фото). Испытания, проведенные на образцах камня этого архитектурного памятника, показали, что бактерии могут улучшить микроструктуру кладки.

Важно отметить, что внешний вид самого камня при этом не изменился. «Не было обнаружено никаких изменений цвета, которые мог бы заметить глаз человека», – отмечает доктор Харботтл. Бактериальная обработка также не повлияла на воздухопроницаемость камня, которая может стать проблемой при использовании обычных средств защиты камня и герметиков – это может привести к отслаиванию поверхностного слоя из-за накопления под ним солей. Это, в свою очередь, может ускорить выветривание камня.

Устойчивое развитие

Д-р Теодориду добавляет, что использование методов самовосстановления конструкций с помощью бактерий может быть особенно полезным для важных объектов инфраструктуры и труднолоступных объектов, таких как мосты и туннели. Это также может помочь продлить срок службы старых зданий.

Ученые подчеркивают, что использование этих технологий может способствовать достижению глобальных целей в области устойчивого развития.

На строительную промышленность приходится около 5–12 % выбросов парниковых газов в Европе и 11 % в мире, что делает ее одним из основных факторов изменения климата. Помогая зданиям служить дольше, с меньшим количеством ремонтов, самовосстанавливающиеся материалы могут снизить эти выбросы.

Для мостов, тоннелей и подпорных стен способность к самовосстановлению может значительно повысить безопасность. Значительные части этих сооружений, как правило, скрыты под землей, что усложняет их техническое обслуживание и осмотр. По мнению исследователей проекта GEOBACTICON, самовосстанавливающийся бетон может помочь Европе ежегодно экономить до 120 миллионов евро на обслуживании и ремонте тоннелей и грунтовых подпорных стен .

Области осаждения кальцита бактериями в местах повреждения бетонных блоков. Микрофотографии, сделанные при помощи электронного микроскопа. Источник: University of Derby

На земле и под землей

«Неясно, эффективен ли процесс самовосстановления в бетонных элементах, находящихся в сложных грунтовых условиях», – говорит доктор Адам Суид, инженер из Университета Дерби, Великобритания, главный исследователь проекта GEOBACTICON. Проект, завершившийся в декабре 2020 года, исследовал, как может происходить самовосстановление на основе бактерий в бетоне, находящемся под землей.

Экспериментаторы добавили обогащенные кальцием капсулы геля, заполненные почвенными бактериями Bacillus subtilis (сенная палочка – Ред.), в замешивающийся бетон. Затем бетонные блоки были намеренно повреждены и закопаны в различные типы естественной почвы. Ученые обнаружили, что в некоторых почвах другие почвенные бактерии могут проникать в трещины и конкурировать с целебными бактериями.

Размер и состав частиц почвы также могут вызвать проблемы, поскольку они могут проникать в трещины; количество воды, насыщающей почву, также было важным, поскольку оно могло создавать давление внутри пор и трещин, что влияло на результаты заживления. Исследователи обнаружили, что более насыщенные почвы, как правило, лучше «заживляют».

Полученные данные подсказали команде проекта, как улучшить процессы самовосстановления в подземных сооружениях, которые они ныне начинают исследовать. Если они будут успешными, это может иметь жизненно важное значение не только для поддержания целостности самого бетона, но и для защиты погруженных в него стальных стержней, для усиления крупных конструкций.

«Под воздействием влаги, кислотных соединений и других химикатов, содержащихся в почве, сталь может подвергнуться коррозии и ослабнуть, – говорит доктор Суид. – Технология бактериального самовосстановления бетона может обеспечить активную и долговечную защиту железобетонных конструкций и инфраструктуры без исследований, контроля или человеческого вмешательства».

Самовосстанавливающаяся каменная кладка и бетон могут даже привести к появлению новых захватывающих архитектурных форм в будущем, считает доктор Теодориду: «В новом строительстве возможность включения самовосстанавливающихся материалов и структурных элементов позволит создать более смелые и устойчивые конструкции».

От редакции. «Хранители Наследия» провели экспресс-опрос представителей ведущих профессиональных объединений реставраторов Москвы и Санкт-Петербурга – существуют ли примеры подобной «биореставрации» зданий или скульптур в отечественной практике? Ответ был одинаков – никогда о таком не слышали, ваш рассказ звучит как фантастика.

Между тем в отечественных экспертных источниках можно встретить описания разнообразных опытов зарубежных коллег по созданию самовосстанавливающихся строительных материалов.

Например, самовосстанавливающимся бетоном успешно занималась группа уче­ных Ни­дер­ланд­ско­го Тех­ни­чес­ко­го уни­вер­си­тета в Дел­фте. Они до­бави­ли в бе­тон без­вред­ные бак­те­рии Bacillus genus, которые от­ли­ча­ются жи­вучестью и прис­по­соб­ля­емостью к лю­бым тем­пе­ратур­ным ус­ло­ви­ям, но про­яв­ля­ют ак­тивность лишь тог­да, ког­да дож­де­вая во­да по­пада­ет в тре­щины. Для ре­гене­рации ма­тери­ала эти бак­те­рии ис­поль­зу­ют лак­тат каль­ция (ком­по­нент мо­лока), ко­торый уче­ные до­бави­ли в це­мент. При до­бав­ле­нии во­ды про­ис­хо­дит хи­мичес­кая ре­ак­ция, во вре­мя ко­торой об­ра­зу­ет­ся из­вес­тняк. Имен­но он и за­пол­ня­ет все мик­ротре­щины.

Исследователями из США тем временем раз­ра­ботан метод ук­репле­ния зда­ний, рас­по­ложен­ных в сей­смо­опас­ных рай­онах. При­дать им боль­шую ус­той­чи­вость позволяют спе­ци­аль­ные мик­ро­ор­га­низ­мы, прев­ра­ща­ющие поч­ву в бе­тон. Про­фес­сор Кар­лос Сан­та­мари­на из Тех­но­логи­чес­ко­го ин­сти­тута штата Джор­джия ут­вер­жда­ет, что ис­поль­зо­вание бак­те­рий для пре­об­ра­зова­ния поч­вы яв­ля­ет­ся од­ной из са­мых пер­спек­тивных стро­итель­ных тех­но­логий XXI ве­ка.

Тех­но­логию ук­репле­ния поч­в с по­мощью жи­вых мик­ро­ор­га­низ­мов раз­ра­бота­ла груп­па уче­ных Ка­лифор­ний­ско­го уни­вер­си­тета под ру­ководс­твом про­фес­со­ра Джей­со­на Дей­она. Сог­ласно их ис­сле­дова­ни­ям, бак­те­рия Bacillus pasteuri, до­бав­ленная во влаж­ную зем­лю, спо­собс­тву­ет сли­панию со­дер­жа­щих­ся в ней твер­дых час­тиц. Эти бактерии по­вышают ще­лоч­ность во­ды, и она на­чина­ет ак­тивно рас­тво­рять каль­ций и кар­бо­наты, со­ли уголь­ной кис­ло­ты. В рас­тво­ре они ре­аги­ру­ют друг с дру­гом, об­ра­зуя крис­таллы кар­бо­ната каль­ция: имен­но это ве­щес­тво яв­ля­ет­ся це­мен­том, ко­торый свя­зыва­ет час­ти­цы при­род­но­го пес­ча­ника и стро­итель­но­го бе­тона: крис­таллы кар­бо­ната каль­ция за­пол­ня­ют про­межут­ки меж­ду пес­чинка­ми и зас­тавля­ют их сли­пать­ся друг с дру­гом. По­доб­но­му грун­ту не страш­ны ни опол­зни, ни зем­летря­сения.

Груп­па ис­сле­дова­телей Брис­толь­ско­го Уни­вер­си­тета За­пад­ной Ан­глии (UWE) раз­ра­баты­ва­ет т.н. «ум­ные кир­пи­чи», пред­став­ля­ющие со­бой фактически би­оре­ак­то­ры раз­лично­го наз­на­чения. Ос­но­вой каж­до­го такого «кир­пи­ча» бу­дут ко­лонии специальных мик­ро­ор­га­низ­мов, спо­соб­ные в про­цес­се жиз­не­де­ятель­нос­ти раз­ла­гать ор­га­ничес­кие или не­ор­га­ничес­кие от­хо­ды и ге­нери­ровать элек­три­чес­тво. «Ум­ные кир­пи­чи» поз­во­лят получать из сте­н здания элек­три­чес­тво, чис­тую во­ду и кис­ло­род и под­держи­вать внут­ри оп­ти­маль­ную эко­логи­чес­кую об­ста­нов­ку. Эти би­оре­ак­то­ры бу­дут ком­пенси­ровать от­кло­нения тем­пе­рату­ры, влаж­ности, со­дер­жа­ния уг­ле­кис­ло­го и дру­гих га­зов, а так­же унич­то­жать раз­личные ор­га­ничес­кие и не­ор­га­ничес­кие заг­рязне­ния.

Так что архитектурный памятник, как выясняется – не только сам себе реставратор, но заодно и сам себе генератор энергии и комфорта.

В редакцию поступил комментарий Сергея Куликова, главного архитектора Центральных научно-реставрационных проектных мастерских:

– Конечно, отрадно, что где-то существует научная среда, занятая проблемами сохранения и восстановления свойств материалов исторических зданий. Впрочем, исследовательские лаборатории, ведущие междисциплинарные научно-прикладные работы, получающие подобные заказы, представляют университетские центры, что характерно для зарубежного опыта. Есть государственный и социальный заказ на подобного рода работы, и поэтому они проводится не только в специализированных центрах сохранения культурного наследия. В нашей стране немного получше обстоит дело с реставрацией музейных ценностей, где сохранилась научно-исследовательская деятельность хотя бы в рамках плановой работы. В остальном идет чисто практическая деятельность на накопленном опыте и сложившейся методологии. Наука в чистом виде в данном случае – удел отдельных энтузиастов. И поэтому подобные новости звучат или как нечто фантастическое, или как некая надежда на решение проблем, безусловно, актуальных для нашей повседневной практики.

Заглавная иллюстрация (Wikimedia): бактерии, которые могут способствовать самовосстановлению зданий, были протестированы в аббатстве Тинтерн в Уэльсе. Эксперимент показал, что они улучшают микроструктуру камня, не влияя при этом на его внешний облик, цвет и воздухопроницаемость.