СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОРАЖЕННОСТИ ГРУНТОВ ГАЗООБРАЗУЮЩИМИ МИКРООРГАНИЗМАМИ Российский патент 2016 года по МПК C12Q1/04 C12Q1/64 

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).

Микроорганизмы широко распространены в грунтах разного генезиса. Численность микробов в подпочвенных слоях в пересчете на 1 г субстрата находится в пределах 10⁵-10⁷ 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 СО₂, N₂, NH₃, H₂S, СН₄, 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

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/см³, плотность частиц - 2,73 г/см³. 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.

Изобретение относится к методам определения пораженности грунтов микроорганизмами. Способ включает в себя помещение образца грунта в прибор для измерения деформации грунта со стрелочным индикатором, заливку дистиллированной водой или водой питьевого качества (контроль) или раствором специального состава (опыт). Осуществляют считывание показаний стрелочного индикатора прибора через определенные интервалы времени. Большая величина показаний стрелочного индикатора для опытного образца свидетельствует о наличии в грунте газообразующих микроорганизмов. Преимущество способа - сокращение времени исследований. 1 з.п. ф-лы, 2 ил. 1 пр.

1. Способ определения наличия газообразующих микроорганизмов в грунте, включающий использование прибора, позволяющего измерять деформацию грунта при насыщении жидкостью, причем используют два прибора для измерения деформации грунта - контрольный и опытный, в контрольный заливают дистиллированную или питьевую воду, а в опытный - питательный раствор для микроорганизмов, каждые 15 минут в течение 180 минут считывают показания приборов и по большей величине показаний стрелочного индикатора прибора с опытным образцом по сравнению с контрольным прибором судят о наличии в грунте газообразующих микроорганизмов.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в опытный прибор заливают питательный раствор для микроорганизмов, содержащий бульон питательный сухой - 1,5 г/л, глюкозу - 1 г/л и дистиллированную воду - остальное.