Биотехнологии в инженерной геологии

Полный текст:


Аннотация

Микроорганизмы являются самыми массовыми обитателями нашей планеты и способны выполнять те или иные геохимические функции, способствовать стабильности параметров окружающей среды. Лабильность метаболизма и широкое разнообразие типов обмена микроорганизмов обусловили их использование во многих технологических процессах. В настоящее время, когда хозяйственная деятельность человека вызывает изменения в геологической среде, в т.ч. нежелательные с инженерной точки зрения, геотехнологическое использование микробиологических процессов может найти применение для решения целого ряда задач. Микробиологические методы широко применяются в технологиях цементации, кольматации и обезвоживания грунтов, а также при создании искусственных геохимических барьеров. Поскольку в геотехнологических методах используются процессы, протекающие в естественной геологической среде, то грамотное использование данных методов невозможно без понимания механизмов этих процессов в природе. В статье рассматриваются механизмы природной цементации, кольматации и обезвоживания грунтов, а также геотехнологии, разработанные на их основе.

Об авторах

Н. Г. Максимович
Пермский государственный национальный исследовательский университет
Россия


В. Т. Хмурчик
Пермский государственный национальный исследовательский университет
Россия


Список литературы

1. Болотина И.Н., Воронкевич С.Д., Максимович Н.Г. О возможности техногенных биогеохимических явлений при силикатизации гипсоносных пород // Вестник Московского университета. 1986. Серия 4. Геология. № 4. С. 49-53. URL: http://www.nsi.psu.ru/labs/gtp/stat/ng_0058.html.

2. Вернадский В.И. Проблемы биогеохимии // Труды биогеохимической лаборатории. Т. 16. М.: Наука, 1980. 320 с.

3. Виноградский С.Н. Микробиология почвы. М.: Изд-во АН СССР, 1952. 792 с.

4. Воронкевич С.Д. Инженерная геохимия с основами геохимии техногенеза. М.: Академическая наука, Геомаркетинг, 2011. 480 с.

5. Звягинцев Д.Г. Взаимодействие микроорганизмов с твердыми поверхностями. М.: Изд-во МГУ, 1973. 176 с.

6. Исаченко Б.Л. Избранные труды. Т. 2. М.: Изд-во АН СССР, 1951. 431 с.

7. Кофф Г.Л., Кожевина Л.С. Роль микроорганизмов в изменении геологической среды // Инженерная геология. 1981. № 6. С. 63-74.

8. Кузнецов А.М. О газовых явлениях в основании бетонных плотин // Гидротехническое строительство. 1965. № 10. С. 33-37.

9. Кузнецов С.И., Иванов М.В., Ляликова Н.Н. Введение в геологическую микробиологию. М.: Изд-во АН СССР, 1962. 239 с.

10. Максимович Н.Г. Безопасность плотин на растворимых породах (на примере Камской ГЭС). Пермь: Изд-во ПГУ, 2006. 212 с. URL: http://www.nsi.psu.ru/labs/gtp/stat/2006/0298.pdf.

11. Максимович Н.Г., Меньшикова Е.А., Казакевич С.В., Шлыков В.Г. Минералогия чеганских глин и ее инженерно-геологическое значение // Проблемы минералогии, петрографии и металлогении. Научные чтения памяти П.Н. Чирвинского. Пермь: Изд-во ПГУ, 2000. С. 40-43. URL: http://www.nsi.psu.ru/labs/gtp/stat/ng_0222.html.

12. Максимович Н.Г., Хайрулина Е.А. Геохимические барьеры и охрана окружающей среды. Пермь: Изд-во ПГУ, 2011. 248 с. URL: http://www.nsi.psu.ru/labs/gtp/stat/2011/0381.pdf.

13. Максимович Н.Г., Хмурчик В.Т. Влияние микроорганизмов на минеральный состав и свойства грунтов // Вестник Пермского университета. Сер. Геология. 2012. Вып. 3 (16). С. 47-54. URL: http://www.nsi.psu.ru/labs/gtp/stat/2012/0394.pdf.

14. Максимович Н.Г., Хмурчик В.Т. Микробиологические процессы в грунтовых плотинах // Инженерные изыскания. 2013. № 9. С. 46-51. URL: http://www.nsi.psu.ru/labs/gtp/stat/2013/0410.pdf.

15. Мишустин Е.Н. Ассоциации почвенных микроорганизмов. М.: Наука, 1975. 107 с.

16. Тихонов И.В., Рубан Е.А., Грязнева Т.Н., Самуйленко А.Я., Гаврилов В.А. Биотехнология / под ред. Е.С. Воронина. СПб.: ГИОРД, 2005. 792 с.

17. Трофимов В.Т., Королев В.А., Вознесенский Е.А., Голодковская К.А., Васильчук Ю.К., Зиангиров Р.С. Грунтоведение. М.: Изд-во МГУ, 2005. 1024 с.

18. Хмурчик В.Т. Коррозия бетонных стен в потернах Камской ГЭС // Перспективы развития естественных наук в высшей школе. Пермь: Изд-во ПГУ, 2001. С. 126-130.

19. Bachmeier K.L., Williams A.E., Warmington J.R., Bang S.S. Urease activity in microbiologically-induced calcite precipitation // Journal of Biotechnology. 2002. V. 93. P. 171-181.

20. Barker W.W., Banfield J.F. Biologically versus inorganically-mediated weathering reactions: relationships between minerals and extracellular microbial polymers in lithobiontic communities // Chemical Geology. 1996. V. 132. P. 55-69.

21. Boquet E., Boronat A., Ramos-Cormenzana A. Production of calcite (calcium carbonate) crystals by soil bacteria is a common phenomenon // Nature. 1973. V. 246. P. 527-529.

22. Castanier S., Le Métayer-Levrel G., Perthuisot J.-P. Ca-carbonates precipitation and limestone genesis - the microbiogeologist point of view // Sedimentary Geology. 1999. V. 126. №. 1-4. Р. 9-23.

23. Chu J., Ivanov V Iron- and сalcium-based biogrouts for soil improvement // Geo-Congress 2014. Technical Papers. Р. 1596-1601.

24. Chu J., Ivanov V., He J., Naeimi M., Li B., Stabnikov V Development of microbial geotechnology in Singapore // Geo-Frontiers. Advances in Geotechnical Engineering (ed. by J. Han, D.E. Alzamora). Geotechnical Special Publication (GSP). 2011. Р. 4070-4078.

25. Clough G.W., Sitar N., Bachus R.C., Rad N.S. Cemented sands under static loading // Journal of the Geotechnical Engineering Division. 1981. V. 107. № 6. P. 799-817.

26. Cole D.M., Ringelberg D.B., Reynolds C.M. Small-scale mechanical properties of biopolymers // Journal of Geotechnical and Geoenvi-ronmental Engineering. 2012. V. 138. № 9. P. 1063-1074.

27. De Muynck W., Cox K., De Belle N., Verstraete W. Bacterial carbonate precipitation as an alternative surface treatment for concrete // Construction and Building Materials. 2008. V. 22. Р. 875-885.

28. De Muynck W., De Belie N., Verstraete W. Microbial carbonate precipitation in construction materials: a review // Ecological Engineering. 2010. V. 36. P. 118-136.

29. De Muynck W., Debrouwer D., De Belie N., Verstraete W. Bacterial carbonate precipitation improves the durability of cementitious materials // Cement and Concrete Research. 2008. V. 38. P. 1005-1014.

30. De Muynck W., Leuridan S., Van Loo D., Verbeken K., Cnudde V., De Belie N., Verstraete W. Influence ofpore structure on the effectiveness of a biogenic carbonate surface treatment for limestone conservation // Applied and Environmental Microbiology. 2011. V. 77. № 19. P. 6808-6820.

31. De Muynck, W., Verbeken K., De Belie N., Verstraete W. Influence of urea and calcium dosage on the effectiveness of bacterially induced carbonate precipitation on limestone // Ecological Engineering. 2010. V. 36. P. 99-111.

32. Deans J.R., Dixon, B.G. Uptake of Pb2+ and Cu2+ by novel biopolymers // Water Research. 1992. V. 26, № 4. P. 469-472.

33. DeJong J.T., Fritzges M.B., Nüsslein K. Microbially induced cementation to control sand response to undrained shear // Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 2006. V. 132. № 11. P. 1381-1392.

34. Dick J., De Windt W., De Graef B., Saveyn H., Van der Meeren P., De Belie N., Verstraete W. Bio-deposition of a calcium carbonate layer on degraded limestone by Bacillus species // Biodegradation. 2006. V. 17. P. 357-367.

35. Etemadi O., Petrisor I.G., Kim D., Wan M., Yen T.F. Stabilization of metals in subsurface by biopolymers: laboratory drainage flow studies // Soil and Sediment Contamination. 2003. V. 12. P. 647-661.

36. Ferris F.G., Stehmeier L.G., Kantzas A., Mourits E.M. Bacteriogenic mineral plugging // Journal of Canadian Petroleum Technology. 1996. V. 35. № 8. P. 56-61.

37. Filet A.E., Gadret J.-P., Loygue M., Borel S. Biocalcis and its applications for the consolidation of sands // Grouting and Deep Mixing. 2012. P. 1767-1780.

38. Findon A., McKay G., Blair H.S. Transport studies for the sorption of copper ions by chitosan // Journal of Environmental Science and Health. 1993. V. A28. № 1. P. 173-185.

39. Fortin D., Ferris F.G., Beveridge T.J. Surface-mediated mineral development by bacteria // Reviews in Mineralogy. 1997. V. 35. P. 161-180.

40. Gold T. The deep, hot biosphere // Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. 1992. V. 89. P. 6045-6049.

41. Gomez M., Anderson C., DeJong J., Nelson D., Lau X. Stimulating in situ soil bacteria for bio-cementation of sands // Geo-Congress 2014. Technical Papers. P. 1674-1682.

42. Graber E.R., Fine P., Levy G.J. Soil stabilization in semiarid and arid land agriculture // Journal of Materials in Civil Engineering. 2006. V. 18. № 2. P. 190-205.

43. Gutnick D.L., Bach H. Engineering bacterial biopolymers for the biosorption of heavy metals: New products and novel formulations // Applied Microbiology and Biotechnology. 2000. V. 54. № 4. P. 451-460.

44. Hamdan N., Kavazanjian E., Rittmann B.E., Karatas I. Carbonate mineral precipitation for soil improvement through microbial denitrification // Geo-Frontiers. 2011. P. 3925-3934.

45. He J., Chu J. Undrained responses of microbially desaturated sand under monotonic loading // Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 2014. V. 140. № 5.

46. He J., Chu J., Ivanov V Remediation of liquefaction potential of sand using the biogas method // Geo-Congress 2013. Technical Papers. P. 879-887.

47. Hendry J.P. Calcite cementation during bacterial manganese, iron and sulphate reduction in Jurassic shallow marine carbonates // Sedi-mentology. 1993. V. 40. № 1. P. 87-106.

48. Jha I.N., Iyengar L., Prabhakara Rao A.V.S. Removal of cadmium using chitosan // Journal of Environmental Engineering. 1988. V. 114. № 4. P. 962-975.

49. Kosyakov V.N., Yakovlev N.G., Gorovoj L.F. Utilization of chitin-chitosan biosorbents for environmental deactivation and radioactive waste management // NATO Advanced Science Institutes Series. 1997. Ser. 2. V. 34. P. 119-131.

50. Le Métayer-Levrel G., Castanier S., Orial G., Loubiere J.F., Perthuisot J.P. Applications of bacterial carbonatogenesis to the protection and regeneration of limestones in buildings and historic patrimony // Sedimentary Geology. 1999. V. 126. P. 25-34.

51. Lee J.-Y., Choi Y.-K., Kim H.-S., Yun S.-T. Hydrologic characteristics of a large rockfill dam: Implications for water leakage // Engineering Geology. 2005. V. 80. № 1-2. P. 43-59.

52. Lee J., Kim K., Chun B. Strength characteristics of soils mixed with an organic acid material for improvement // Journal of Materials in Civil Engineering. 2012. V. 24. № 12. P. 1529-1533.

53. Li Y., Yang I.C.-Y., Lee K.-I., Yen T.F. Subsurface application of Alcaligenes eutrophus for plugging of porous media // Microbial Enhanced Oil Recovery - Recent Advances. E.T. Premuzic and A. Woodhead (Eds.). Amsterdam: Elsevier, 1993. P. 65-77.

54. Mitchell J.K., Santamarina J.C. Biological considerations in geotechnical engineering // Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 2005. V. 131. № 10. P. 1222-1233.

55. Nelson S.J., Launt P.D. Stripper well production increased with MEOR treatment // Oil and Gas Journal. 1991. V. 89. P. 114-118.

56. Nugent R.A., Zhang G., Gambrell R.P. The effect of exopolymers on the compressibility of clays // Geo-Frontiers. 2011. P. 3935-3944.

57. Pedersen K. Exploration of deep intraterrestrial microbial life: current perspectives // FEMS Microbiological Letters. 2000. V. 185. № 1. P. 9-16.

58. Pinar G., Jimenes-Lopez C., Sterflinger K., Ettenauer J., Jroundi F., Fernandez-Vivas A., Gonzalez-Munoz M.T. Bacterial community dynamics during the application of a Myxococcus xanthus-inoculated culture medium used for consolidation of ornamental limestone // Microbial Ecology. 2010. V. 60. № 1. P. 15-28.

59. Rebata-Landa V., Santamarina J.C. Mechanical effects of biogenic nitrogen gas bubbles in soils // Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 2012. V. 138. № 2. P. 128-137.

60. Rodriguez-Navarro C., Rodriguez-Gallego M., Chekroun K.B., Gonzalez-Munoz M.T. Conservation of ornamental stone by Myxococcus xantus-induced carbonate biomineralization // Applied and Environmental Microbiology. 2003. V. 69. № 4. P. 2182-2193.

61. Ruiz-Agudo E., Putnis C.V., Rodriguez-Navarro C., Putnis A. Effect of pH on calcite growth at constant aCa2+/aCO32- ratio and supersaturation // Geochimica et Cosmochimica Acta. 2011. V. 75. № 1. P. 284-296.

62. Saxena S.K., Lastrico R.M.Static properties of lightly cemented sands // Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 1978. V. 104. № 12. P. 1449-1464.

63. Scherer M.M., Richter S., Valentine R.L., Alvarez P.J.J. Chemistry and microbiology of permeable reactive barriers for in situ groundwater clean up // Critical Reviews in Microbiology. 2000. V. 26. № 4. Р. 221-264.

64. Stocks-Fisher S., Galinat J.K., Bang S.S. Microbiological precipitation of CaCO3 // Soil Biology and Biochemistry. 1999. V. 31. № 11. Р. 1563-1571.

65. Swart C.J.U., van Schalkwyk A. Subsurface grout barriers for ground stabilization in dolomite areas near Carletonville, South Africa // Environmental Geology. 2001. V. 40. № 4-5. Р. 592-601.

66. Ta H.X., Kwon T.-H., Muhunthan B. Preliminary study of geophysical monitoring of bioclogging caused by bacterial biopolymer accumulation in sands // Geo-Congress 2014. Technical Papers. P. 1654-1663.

67. Teterin Y.A. Physico-chemical and adsorption properties of bio-sorbents and mechanisms of their interaction with radionuclides // NATO Advanced Science Institutes Series. 1997. Ser. 2. V. 34. P. 135-139.

68. Turkmen S. Treatment of the seepage problems at the Kalecik Dam (Turkey) // Engineering Geology. 2003. V. 68. № 3-4. P. 159-169.

69. Turkmen S., Özgüller E., Taga H., Karaogullarindan T. Seepage problems in the karstic limestone foundation of the Kalecik Dam (south Turkey) // Engineering Geology. 2002. V. 63. № 3-4. P. 247-257.

70. Valdes J.R., Cortes D.D. Heat-induced bonding of sands // Geo-Congress 2014. Technical Papers. P. 3721-3733.

71. van Paassen L.A., van Hemert W.J., van der Star W.R.L., van Zwieten G., van Baalen L. Direct shear strength of biologically cemented gravel // GeoCongress 2012. Technical Papers. P. 968-977.

72. Wan Ngah W.S., Liang K.H. Adsorption of gold (III) ions onto chitosan and n-carboxymethyl chitosan: equilibrium studies // Industrial and Engineering Chemistry Research. 1999. V. 38. P. 1411-1414.

73. Weaver T.J., Burbank M., Lewis A., Lewis R., Crawford R., Williams B. Bio-induced calcite, iron, and manganese precipitation for geotechnical engineering applications // Geo-Frontiers. 2011. P. 3975-3983.

74. Xu J., Yao W., Jiang Z. Non-ureolytic bacterial carbonate precipitation as a surface treatment strategy on cementitious materials // Journal of Materials in Civil Engineering. 2014. V. 26. № 5. P. 983-991.

75. Yang I.C.-Y., Li Y., Park J.K., Yen T.F. The use of slime-forming bacteria to enhance the strength of the soil matrix // Microbial Enhanced Oil Recovery - Recent Advances. (ed. by E.T. Premuzic, A. Woodhead). Amsterdam: Elsevier, 1993. P. 89-96.

76. Zamarreno D.V., Inkpen R., May E. Carbonate crystals precipitated by freshwater bacteria and their use as a limestone consolidant // Applied and Environmental Microbiology. 2009. V. 75. № 18. P. 5981-5990.


Дополнительные файлы

Для цитирования: Максимович Н.Г., Хмурчик В.Т. Биотехнологии в инженерной геологии. Инженерная геология. 2014;(3):18-25.

For citation: Maksimovich N.G., Khmurchik V.T. Biotechnologies in engineering geology. Engineering Geology World. 2014;(3):18-25. (In Russ.)

Просмотров: 109

Обратные ссылки

  • Обратные ссылки не определены.


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 1993-5056 (Print)
ISSN 2587-8247 (Online)