Mechanismy, principy a procesy biokoroze stavebních materiálů způsobené mikroorganismy

Úvod

V současné době neexistuje exaktní metoda, která by včas kvantifikovala rozsah poškození mikrobiální korozí u soch, kamene, omítek či zdiva. Je známo, že sinice, plísně a řasy (popřípadě lišejníky, kde jsou ovšem také jako fykobiont sinice a řasy) jsou schopny pronikat do pískovců, betonů, pálených cihel, omítek, ale také do žuly (Miller et al., 2008; Miller et al., 2012; Bertron 2014; Verdier et al., 2014). Cestu do hloubky takových substrátů si hloubí extracelulárními enzymy, kterými naleptávají pojivo a substráty (Nuhoglu et al., 2006). Sinice i řasy se chovají jako mixotrofové (na povrchu fotosyntéza, v hloubi heterotrofní metabolismus s produkcí CO₂ ,a další zdroje naleptání substrátů kyselinou uhličitou).

Biokoroze

Biokoroze je nežádoucí změna vlastností materiálů v důsledku působení živých organismů. Často se setkáváme v této souvislosti i s pojmy biodeteriorace, biodegradace, biologické znehodnocení, biopoškození, bioreceptivita, biologická degradace, biologické znehodnocení; nicméně všechny pojmy znamenají zmíněnou změnu vlastností materiálů.

Organismy, které mohou způsobit biokorozi staveb a materiálů

Organismy, které jsou příčinou nežádoucích změn materiálů a výrobků, nazýváme biodeteriogeny. Tyto organismy můžeme rozdělit například následujícím způsobem:

• Mikroorganismy – bakterie, mikroskopické houby, plísně, sinice.
• Houby (např. dřevokazné) a lišejníky.
• Nižší rostliny – řasy, mechy.
• Vyšší rostliny – byliny, keře, stromy.

Organismy živočišné říše:

• Členovci – hmyz (dřevokazný hmyz, rybenky, švábi…).
• Obratlovci – drobní hlodavci, ptáci, popř. i člověk.

Mikroorganismy ovlivňují korozi pískovců, vápenců, mramoru, cementového kamene, opuky, cihel, dále pak deskovou korozi omítek, tvorbu krusty a práškové zóny na stavebním kameni, rozpad malty ve spárách zdiva a zvyšování vlhkosti zdiva.

Mikroorganismy způsobují ztrátu pevnosti konstrukcí, ztrátu elasticity krytin a fólií, ztrátu průhlednosti historických skel, plesnivění a estetické závady (například změnu barvy).

Vzhledem k tomu, že se při biokorozi biodeteriogeny vzájemně ovlivňují, jedná se o velmi složitou problematiku.

Biodegradace

Biodegradace je rozklad materiálů na jednoduché složky využitelné rostlinami či mikroorganismy. Rozklad materiálů nastává v případě, když jsou vhodné podmínky pro růst organismů. Mezi takové podmínky patří – voda (stačí i vlhkost!) a teplota nad +1 °C. Další podmínky jako světlo, pH apod. nejsou limitující, živiny si mikroorganismy vytvoří samy, protože začínají řasy – rostou ze světla, živiny stačí z betonu a deště, jejich těla odumřou a na nich rostou bakterie a plísně a ty pronikají do hloubky. Tam, kde jsou již na začátku sinice, pronikají do hloubky rovnou, protože jsou schopny růst i ve tmě – jsou to gram-negativní bakterie.

Materiál, který je rychle biodegradovatelný – papír, dřevo, látky, nátěry a barvy, plasty apod. – chutná rozkladným mikroorganismům nejvíce. Z tvrdých stavebních materiálů dovedou mikroorganismy využít veškeré porézní materiály – beton, pískovec, pálené cihly a další.

Obr. 1: Ukázka detekce mikroorganismů na kamenné zídce nedestrukční metodou

Obr. 2: Ukázka detekce mikroorganismů na dřevěném sloupku

Obr. 3: Ukázka detekce mikroorganismů na betonovém podstavci bronzové sochy

Druhy poškození

Asimilační poškození

Materiál je pro organismy potravou (biodeteriogeny ho rozkládají pomocí enzymů na látky pro ně stravitelné). Typickým příkladem jsou polymery vápníku, které beton dělají pevným a tvrdým. Jde o dlouhé provazy a lana, které mikroorganismy nastříhají na drobné nitky. Následkem toho pak rozdrtíte beton v ruce jako hroudu písku.

Disimilační poškození

Materiál je poškozen metabolity, enzymy, pigmenty nebo samotnou biomasou mikroorganismů, přičemž pro organismy není ničený materiál hlavním zdrojem živin. Příkladem je zčernání stěny plísní, zezelenání obrazu nárostem řas apod.

Jak prorůstají organismy do materiálů?

Mezi organismy, které jsou schopny přímo tvořit otvory, póry či spáry do betonu a dalších materiálů, patří především plísně, sinice, lišejníky a bakterie. Kombinují přitom jak disimilační, tak i asimilační princip biokoroze. Prostě si vyleptají cestu do betonu pomocí enzymů tím, že vytvářejí organické kyseliny, které beton dále znehodnocují a v podstatě rozpouštějí!

Organismy, které zvětšují a využívají drobné póry vytvořené jinými organismy nebo např. mrazem, jsou řasy, cévnaté rostliny a mechy. Tyto organismy ničí beton nejen mechanicky (např. růstem kořenů), ale především tím, že zadrží vodu, která mrazem trhá celé bloky betonu.

Obr. 4 a 5: Nárosty mikroorganismů na zdivu v Průhonickém parku

Obr. 6: Nárosty mikroorganismů na zdivu Průhonického zámku

Dovedou tedy mikroorganismy znehodnotit materiály?

Ano, velmi efektivně až dokonale. Například u betonu rozloží mikroorganismy nejen vlastní silikáto-vápnitý polymer, tedy to, co dělá beton tvrdým, ale sirné a železité bakterie dovedou účinně rozložit i armaturní železné výztuže, takže např. most nemá plánovanou pevnost a prostě spadne…

Mikroorganismy dovedou znehodnotit nejen beton a stavební materiály, ale rozloží například plasty (což je fatální v případě kabelů vedených v zemi) a dřevo (nejen známá dřevomorka – tedy houba, ale také například sinice). Omítky poškodí nejen esteticky (černé, oranžové, či zelené nárosty), ale způsobí i rozklad a opadání velkých ploch a s tím spojenou ztrátu hydroizolačních a termoizolačních vlastností fasád apod.

Poděkování

Práce byla podpořena z prostředků projektu NAKI II č. DG16P02M041 Biotické ohrožení památek zahradního umění: řasy, sinice a invazní rostliny.

Literatura

1. Bertron A (2014) Understanding interactions between cementitious materials and microorganisms: a key to sustainable and safe concrete structures in various contexts. – Materials and Structures 47: 1787–1806.
2. Miller AZ, Laiz L, Gonzalez JM, Dionísio A, Macedo MF, Saiz-Jimenez C (2008) Reproducing stone monument photosynthetic-based colonization under laboratory conditions. – Science of the Total Environment 405: 278–285.
3. Miller AZ, Sanmartín P, Pereira-Pardo L, Dionísio A, Saiz-Jimenez C, Macedo MF, Prieto B (2012) Bioreceptivity of building stones: A review. – Science of the Total Environment 426: 1–12.
4. Nuhoglu Y, Oguz E, Uslu H, Ozbek A, Ipekoglu B, Ocak I, Hasenekoglu I (2006) The accelerating effects of the microorganisms on biodeterioration of stone monuments under air pollution and continental-cold climatic conditions in Erzurum, Turkey. – Science of the Total Environment 364: 272–283.
5. Verdier T, Coutand M, Bertron A, Roques C (2014) A review of indoor microbial growth across building materials and sampling and analysis methods. – Building and Environment 80: 136–149.