биомолекула.ру. Взгляд изнутри.
 

Логин:
Пароль:


Внедрение в реставрационную практику молекулярно-генетических методов исследования

[22 апреля, 2013 г.]

Реставрация исторических зданий позволяет сохранить индивидуальный облик городов. Одной из важнейших проблем, которые решают реставраторы, является ликвидация последствий развития биодеструкторов на конструкциях и предотвращение дальнейшего их появления. Однако для эффективной борьбы с биопоражением нужно знать видовой состав вызывающих его организмов, для чего целесообразно применять не только классические, но и молекулярно-генетические методы.

Эта работа публикуется в рамках конкурса научно-популярных статей, проведенного на конференции «Биология — наука 21 века» в 2013 году.

Реставрация исторических зданий — важная и нужная веха градостроительства и сохранения неповторимого облика городов. Одной из ключевых ее проблем является биопоражение строительных материалов, особенно древесины. Нормативная база и методология обследования деревянных конструкций на предмет биопоражения нуждаются в конкретизации и расширении. Для этого необходимы новые инструменты, позволяющие более точно проводить идентификацию биодеструкторов, а также раскрывать суть процессов, происходящих при биологическом разложении древесины конструкций. Для определения видовой принадлежности основных дереворазрушителей особенно эффективными могут стать молекулярно-генетические методы. Именно это позволит точно выяснить, какими организмами вызвано поражение древесины и, соответственно, какими способами можно с ним бороться.

Какова роль биолога в обследовании зданий?

В последние десятилетия возрос интерес к изучению биопоражений строительных материалов исторических зданий как к отдельному разделу обследования памятников архитектуры. Соответственно, возрос и объем нормативной литературы в этой области [1], который продолжает расширяться, поскольку реставрационная биология на месте не стоит.

От инженера-биолога, коим является автор, в реставрации требуется не только любоваться красотами дворцовых чердаков и подвалов, но и искать участки биопоражений конструктивных элементов здания, определять видовой состав организмов, вызывающих биодеструкцию, описывать степень их влияния на механические свойства материала и давать рекомендации, как устранить причины и следствия биодеструкции. Именно рекомендации по реставрации конструкций являются квинтэссенцией биологического исследования конструкций здания, т.к. напрямую вытекают из результатов натурного и лабораторного исследования.

Итак, требуется определить видовой состав биодеструкторов строительных материалов. И если мхи, лишайники, водоросли, бактерии и высшие растения обычно удается определить без сильных затруднений по морфологическим и некоторым другим параметрам, жуки обычно оставляют характерные продукты жизнедеятельности (если отсутствуют личинки и другие стадии развития), то с определением грибов возникает больше всего проблем. Именно на них мы остановимся подробнее.

Заклятые враги древесины строительных конструкций

Все биодеструкторы, от которых мы с таким усердием стараемся избавиться в своих жилищах, в природе выполняют важную функцию утилизации неорганики и мертвой органики для осуществления круговорота веществ [2]. Именно из окружающей среды в здания попадают различные организмы, которые находят для себя сносные условия обитания и начинают заниматься привычным делом — разложением материалов. Биодеструкция наиболее опасна для древесины, т.к. именно этот материал может быть полностью разложен живыми организмами с очевидными последствиями для здания, построенного из этого материала. Насекомые-древоточцы и грибы наносят самый большой ущерб, по сравнению с другими организмами. В то время как в строительной древесине может развиваться сравнительно небольшое число насекомых, видовой состав грибов-биодеструкторов поражает своим разнообразием. Микроскопические грибы или микромицеты (больше известные под названием плесень), в большинстве своем, достаточно хорошо растут на питательных средах и в дальнейшем определяются до рода, а чаще и до вида. Макромицеты (домовые грибы) при наличии плодового тела идентифицируются без особых затруднений, однако проблема в том, что плодовые тела в условиях зданий они выдают крайне редко. Чаще всего в древесине, пораженной макромицетами, не удается обнаружить ни плодовое тело, ни мицелий (рис. 1).

Рисунок 1. Часть деревянного элемента, пораженного домовым грибом.

Необходимость идентификации биодеструктора до вида

По характеру гнили определить вид разрушителя невозможно, т.к. это не видо- и даже не родоспецифичный признак. По данному признаку иногда даже сложно сказать, вызвано ли это разрушение макро- или микромицетом. В то же время, определение вида макромицета необходимо для формирования корректных рекомендаций по реставрации конструктивных элементов постройки.

В правилах обследования деревянных элементов, изложенных в СП (Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений) 13-102-2003, лишь рекомендуется отбор образцов для микологического анализа [3], в РВСН (Региональные временные строительные нормы) [1] содержатся более конкретные рекомендации по обследованию здания и последующим лабораторным исследованиям. Между тем, для формулирования точных рекомендаций необходимо знать, какой вид макромицета разрушает элемент. Дело в том, что есть сравнительно медленно растущие грибы, а есть такие, как Serpula lacrymans (Wulfen) P. Karst., которые могут полностью разрушить крупную балку за полтора года [4]. Сильное разрастание этого макромицета показано на рис. 2.

Рисунок 2. Разрастание макромицета Serpula lacrymans на деревянных элементах и на других материалах.

Рисунок 3. Визуализированные результаты ПЦР. 1–4: для образцов стропильных ног, пораженных поверхностно; 5–7: для образцов стоек стен в театре, разрушенных более, чем на 50% объема.

В случае поражения сильными биодеструкторами, быстро проникающими вглубь элемента, рекомендуется удаление всего элемента или его части. Однако если встречается поражение слабыми биодеструкторами, симптомы поражения древесины у которых сходны с начальной стадией поражения крупными разрушителями, возможны менее радикальные меры борьбы. Т.е. благодаря определению вида биодеструктора можно спасти элемент вместо его удаления. В этом случае рекомендуется зачистка с обработкой антисептиками, и, в целом, восстановление эффективной вентиляции и ликвидация причины намокания конструкции.

А быстро и точно определить вид дереворазрушающего гриба или его отсутствие можно именно при помощи молекулярно-генетических методов. Точные методы идентификации базидиомицетов незаменимы в случае, когда отсутствуют вегетативные или генеративные структуры, по которым можно определить гриб классическими методами. Наибольшее количество исследований деструкторов древесины проводится с использованием метода ПЦР (полимеразная цепная реакция).

Кроме того, методика RAPD (случайно амплифицированная полиморфная ДНК) разделяет эти грибы на разные таксономические уровни, выявляет полиморфизм изолятов одного вида. При использовании чистой культуры это быстрый метод, но он не подходит для образцов с неизвестным количеством и видовым составом грибов [5]. Таким образом, исследования грибной ДНК становятся все более популярными. Консервативные участки ДНК, соответствующие 18S- и 28S-участкам рРНК, используются преимущественно для филогенетического анализа рода, семейства и более высоких таксономических групп [6]. Быстрый и недорогой метод ITS-последовательностей (ITS — внутренний транскрибируемый участок) применяется для идентификации видов грибов в образцах, пораженных дереворазрушителями. Ограниченный размер ITS в 600–700 пар нуклеотидов не позволяет разделить все восемьдесят с лишним видов макроскопических грибов, обнаруживающихся в зданиях. К тому же, последовательности неопределенных видов, не депонированные в Gene Bank, могут напоминать последовательности уже известных грибов за счет сходных фрагментов, и путать картину [5].

Наиболее перспективной современной молекулярно-генетической технологией для быстрого определения вида дереворазрушителя, как нам представляется, является использование ДНК-чипов основных макромицетов-биодеструкторов [7]. Кроме того, основываясь на разнице последовательностей ДНК разных видов, можно создавать видоспецифичные праймеры для основных биодеструкторов. SSPP (ПЦР с видоспецифичными праймерами) может стать мощным средством для идентификации грибов. Этот быстрый метод успешно используется в Германии, однако он работает только с теми представителями микобиоты, для которых уже синтезированы специфичные праймеры [5]. Немецкие микологи в последнее время предпочитают молекулярно-генетические методы классическим, — во всяком случае, данные они представляют по результатам молекулярных технологий.

Как представляется нам такое исследование? Инженер-миколог обследует здание и выявляет конструкционные элементы (балки, стропильные ноги, доски и пр.), на которых развивается биопоражение. Он выделяет наиболее характерные участки, поражение которых имеет ту же картину, что и других. Тут, конечно, он берет на себя большую ответственность, но на то он и специалист. А взять образцы из всех элементов подряд нельзя, потому что количество проб определяется финансовыми возможностями и техническим заданием заказчика обследования. Для отбора проб используются самые прозаические инструменты: нож, дрель, шило. Нужно не забывать стерилизовать орудие труда при помощи спирта, иначе результат будет, мягко говоря, смазанным — особенно это касается чувствительных молекулярно-генетических методов. Далее богатый урожай в виде кусочков древесины приносят в лабораторию, где проводят тщательный анализ на видовой состав биодеструкторов.

Молекулярные технологии позволяют уже через пару рабочих дней установить, являются ли возбудитель заболевания древесины совместимым с дальнейшей жизнью элемента или нет. Составляются четкие рекомендации, где, насколько и что нужно отрезать или что необходимо удалить целиком, какую обработку применить, сколько раз и с каким интервалом, и что еще важно предпринять, чтобы спасти конструкцию. Инженеры-технологи очень внимательно изучают отчет микологов и принимают окончательное решение по технологиям реставрации: именно за ними последнее слово в деле спасения или замены элемента.

Говоря о современных методах идентификации грибов, следует уточнить, что для определения всего пула представителей микобиоты, развивающихся на древесине, все еще целесообразно применять классические методы, поскольку часто они оказываются быстрее, информативнее и намного дешевле. К тому же, существуют некоторые трудности при идентификации биодеструкторов молекулярно-генетическими методами. Эти технологии дают качественные, но не количественные показатели. Следует также отметить, что некоторые образцы из древесины в поздней стадии разрушения имели гораздо более слабый амплификационный сигнал, чем образцы в ранней стадии. Возможно, это связано с увеличением содержания продуктов жизнедеятельности грибов, выделяющихся при разложении древесины и ингибирующих ПЦР, а также с деградацией ДНК на поздних стадиях разложения древесины [8]. Так что, при работе с сильно разложенными образцами можно вообще не получить амплификационного сигнала, что и наблюдалось нами в ряде случаев. На рис. 3 представлены профили, получаемые при визуализации результатов ПЦР для образцов в средней (1–4) и последней (5–7) стадиях разложения. Сами образцы были получены из здания Императорского театра на Каменном острове Санкт-Петербурга.

Кроме уточнения видовой принадлежности макромицетов, молекулярно-генетические методы могут оказаться незаменимыми и для идентификации вида насекомого, разрушающего древесину конструкций, когда происходит совместная биодеструкция древесины с макромицетом, но при этом отсутствуют любые жизненные стадии или характерные следы жизнедеятельности насекомых. Насекомые разных видов имеют разное время вылета из древесины, что определяет время, когда инсектицидная обработка материала наиболее эффективна.

Почему же так важно точное определение вида биодеструктора?

Для всех реставраторов крайне важен вопрос подлинности как самого памятника, так и составляющих его конструктивных элементов. На эту тему полемика ведется с тех пор, как зародилась сама реставрация. К примеру, некоторые специалисты считают здание, отстроенное из нового материала, хотя бы и до малейших деталей копирующее исторический оригинал, только макетом в натуральную величину, а лучшим свидетельством древности признают пораженную гниением завалившуюся постройку, искусственно удерживаемую в вертикальном положении, но с подлинными, хоть и поврежденными бревнами [9]. Для уникальных исторических зданий, в т.ч. церквей, являющихся единственными в своем роде архитектурными шедеврами, ценным является каждый сантиметр исторической древесины, который может быть спасен и включен в конструкцию как составная часть элемента, надставленного за счет новой древесины. Ярчайшим примером может служить Преображенская церковь на острове Кижи, на спасение которой затрачено и еще необходимо затратить много усилий различных специалистов, в т.ч. микологов.

В исторических зданиях с двухсотлетними деревянными конструкциями также важно точно знать, чем больна древесина, поскольку, как уже говорилось раньше, предпочтительно сохранять старые элементы, имеющие гораздо более высокие прочностные характеристики и устойчивость к поражению, чем новые. Среди таких зданий Петербурга, где автору довелось работать, Мариинский дворец (здание Законодательного собрания Санкт-Петербурга), Императорский театр на Каменном острове, Большой Драматический театр им. Г.А. Товстоногова, Гатчинкский дворец, театр им. Ленсовета и многие другие менее знаменитые, но также интересные и значимые здания.

Рисунок 4. Мариинский и Гатчинский дворцы — жемчужины мировой архитектуры.

Кроме того, в предыдущие века здания строили из хорошо просушенной в естественных условиях в течение нескольких лет древесины, которая за счет спадения клеточных стенок приобретала такую устойчивость к биодеструкции, которая не может быть достигнута никакой химической обработкой. При современной интенсификации производства древесину сушат форсировано в специальных сушильнях (если вообще сушат), что зачастую приводит к появлению трещин вдоль волокон за счет создания большой разницы во влажности наружных и внутренних ее слоев. Исходя из практических наблюдений, даже поврежденная старая древесина может нести прежнюю нагрузку (с учетом инженерных расчетов), и ее оставляют на прежнем месте вследствие больших затруднений, связанных с ее удалением. Именно поэтому зачастую очень важно знать, какого размера участок необходимо удалить, и можно ли обойтись вовсе без удаления.

А зачем вообще оставлять древесину, почему нельзя заменить ее на, скажем, железобетон? Дело в том, что древесина в разы легче, чем другие стройматериалы, на которые ее можно было бы заменить. Фундаменты и прочие конструкции исторических зданий не рассчитаны на подобные нагрузки, и в результате такой подмены строение может оказаться в аварийном состоянии. Плюс к тому, древесина — самый экологичный, эластичный и долговечный материал (при соблюдении верного температурно-влажностного режима, хорошей вентиляции), созданный самой природой на благо человека.

На сегодняшний день молекулярно-генетические методы практически не используются в российской реставрационной практике, однако можно смело утверждать, что, при использовании вкупе с классическими методами, они сделают микологическое исследование более беспристрастным и информативным. Современные достижения в области молекулярных технологий могут существенно повысить точность рекомендаций по реставрации конструктивных элементов, а также способствовать расширению и уточнению базы нормативных документов в сфере обследования на предмет биологического поражения.

Литература

  1. РВСН (Региональные временные строительные нормы) 20-01-2006. Санкт-Петербург. Защита строительных конструкций, зданий и сооружений от агрессивных химических и биологических воздействий окружающей среды. СПб.: Правительство Санкт-Петербурга, 2006;
  2. Арефьев С.П. Системный анализ биоты дереворазрушающих грибов. Новосибирск: Наука, 2010. — 261 с.;
  3. СП 13-102-2003 Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений. М.: Госстрой России, 2006;
  4. Демидова З.А. Базидиальные грибы, поражающие древесину на Урале. Материалы по микологии Урала. — Свердловск: Металлургиздат, 1963. — 52 с.;
  5. Schmidt O. (2007). Indoor wood-decay basidiomycetes: damage, causal fungi, physiology, identification and characterization, prevention and control. Mycol. Progress 6, 261–279;
  6. Bresinski A., Jarosch M., Fisher M., Schoberger I., Wittmann-Bresinsky B. (1999). Phylogenetic relationship within Paxillus s.1. (Basidiomycetes, Boletales): separation of a southern hemisphere genus. Plant biol. 1, 327–333;
  7. Рангно Н.В., Якобс К., Вейб Б., Шайдинг В., Миллер Д., Хиллер Ц., Брабетц В., Юнг M. (2010). Диагностика домовых грибков при помощи ДНК-чипа. Иммунопатология, аллергология, инфектология 1, 76–77;
  8. Jasalavich C.A., Ostrofsky A., Jellison J. (2000). Detection and identification of decay fungi in spruce wood by restriction fragment length polymorphism analysis of amplified genes encoding rDNA. Appl. Envir. Microbiol. 66, 4725–4734;
  9. Хеймовски А. О реставрации старых деревянных построек в Швеции. Методы и технические приемы. // Доклады Международного симпозиума «Актуальные проблемы исследования и спасения уникальных памятников деревянного зодчества России». СПб.: «Лики России», 1999. — С. 45–62;

Автор: Серова Татьяна.

Число просмотров: 519.

Creative Commons License — условия использования и распространения материалов сайта.
Вернуться в раздел «Технология»

Комментарии

(Оставить комментарий) (показывать сначала старые комментарии)

Яндекс.Метрика

© 2007–2015 «биомолекула.ру»
Электропочта: info@biomolecula.ru
О проекте · RSS · Сослаться на нас

Дизайн и программирование —
Batch2k15.

Сопровождение сайта — НТК «Биотекст».

Условия использования сайта
Об ошибках сообщайте вебмастеру.