Влияние погребенных болот на формирование инженерно-геологических и геоэкологических условий в подземном пространстве Санкт-Петербурга (стр. 2 )

В болотоведении низинные торфяные отложения рассматриваются как первоначальная стадия формирования всех типов болотных массивов. Соответственно, при инженерной подготовке территории, когда болотные образования частично срезались либо производилось их захоронение на полную мощность, непосредственно на минеральных грунтах прослеживались торфа низинного типа. Такие образования имеют высокое содержание тонкодисперсной фракции d<0,001 мм, которое связано со степенью их разложения. Необходимо отметить и характерные для исследуемой территории виды торфов, такие как сфагновые, древесно-сфагновые, сфагново-тростниковые, основным растением – торфообразователем которых является сфагновый мох. Торфа, находящиеся выше и ниже уровня грунтовых вод, имеют богатую гетеротрофную микробиоту: бактерии, микромицеты, актиномицеты, микроводоросли. Согласно выполненным исследованиям содержание различных физиологических групп микроорганизмов зависит от окислительно-восстановительных условий подземной среды.

болота и заболоченные участки

 

Рисунок 1 – Схематическая карта распространения болот на территории Санкт-Петербурга.

В аэробных условиях при Eh > +50 mV (выше уровня грунтовых вод) преобладают следующие группы бактерий: нитрифицирующие (более 104 клетки/г), тионовые (104 – 105 клетки/г), целлюлозоразлагающие (более 102 клетки/г); при Eh = 50 – 0 mV (переходная зона): денитрифицирующие (106 клетки/г), в анаэробных условиях – Eh < 0 mV: аммонифицирующие (106 – 107 клетки/г), сульфатредуцирующие (106 клетки/г.), целлюлозоразлагающие (103 – 104 клетки/г), метанообразующие (102 – 104 клетки/г). В торфяниках был подсчитан вес микробной массы и соотношение между различными видами микроорганизмов (таблица 1). Как следует из таблицы 1, увеличение мощности торфов предполагает рост биомассы на единицу выделенной площади.

Таблица 1 – Вес микробной биомассы и соотношение ее компонентов в различных торфяниках (, 1993)

Тип торфяника	Мощность торфяника, м	Общий вес сухой биомассы, т/га	Биомасса,%
грибной мицелий	споры грибов	актиномицеты	бактерии
Низинный высоко зольный	а	1,0	56	96,8	2,1	0,2	0,4
б	3,0	435	98,9	0,7	0,1	0,3
Низинный нормально зольный	а	1,0	21	89,7	7,0	0,6	2,6
б	7,0	81	84,8	10,7	0,7	3,8
Верховой	а	1,0	8	57,1	25,4	1,6	15,9
б	5,5	43	59,1	23,4	1,3	16,2

Необходимо отметить, что болотные отложения служат природной средой для биохимической газогенерации, поскольку этот процесс связан с деятельностью определенных физиологических групп микроорганизмов – метанобразующих, водородобразующих, сульфатредуцирующих и др. – которые способствуют формированию газов в процессе преобразования органических соединений.

Болотные воды вне зон техногенного воздействия характеризуются низкой минерализацией и преимущественно гидрокарбонатно-натриевым, реже гидрокарбонатно-кальциевым составом. Значения redox-потенциала грунтовых вод в зонах влияния торфяных образований варьируют в широких пределах. Замеры величины Eh в пределах территории Санкт-Петербурга показывают, что в зонах отсутствия болот величина Eh изменяется в пределах +10 – +67 mV, в зоне снятых болот опускается до –40 mV, а в зоне погребенных болот снижается до –100 mV и менее. Так, например, в разрезе района Староневского проспекта, где повсеместно прослеживаются маломощные торфа под техногенными образованиями, Eh составляет –180 mV.

Контаминация торфов и заторфованных грунтов за счет утечек из систем коммунального водоотведения и соответственно поступления питательных и энергетических субстратов: белков, липидов, углеводов, ускоряет развитие и рост болотной микробиоты в 3-4 раза. Кроме того, необходимо принять во внимание также дополнительный привнос микроорганизмов из таких сетей и повышение температуры грунтовых вод.

Торфа рассматриваются как природные геохимические барьеры, обладающие высокой поглотительной способностью, которая зависит от степени их разложения и ботанического состава. Преобладание среди растений - торфообразователей сфагнума определяет высокие сорбционные свойства торфа. Исследования, проведенные РГЭЦ на территории золошлакоотвала в Невском районе Санкт-Петербурга, подтверждают способность торфов поглощать и удерживать тяжелые металлы (таблица 2).

Таблица 2 – Содержание тяжелых металлов в различных отложениях на территории золошлакоотвала

Тип отложений	Среднее содержание тяжелых металлов, мг\кг
Hg	Pb	As	Cd	Zn	Ni	Co	Cr	Cu	Sb
Техногенные (гидрозола)	2,02	102,74	5,49	2,66	619,35	72,36	8,11	102,36	146,31	1,35
Болотные	2,46	131,37	6,10	1,98	626,7	61,41	9,08	141,28	158,35	1,49
Озерно-ледниковые	0,95	56,04	4,21	0,72	279,11	30,74	5,32	52,11	61,7	0,62

Начальная стадия микробной трансформации углеводородов – окислительный процесс, в котором участвуют углеводородокисляющие бактерии – строгие аэробы, способные использовать углеводороды в качестве единственного источника клеточного углерода и энергии. Частично окисленные нефтяные углеводороды становятся доступны различным физиологическим группам микроорганизмов, в том числе факультативным и анаэробным. Такие процессы способствуют самоочищению и саморегуляции состояния подземных вод и водонасыщенных грунтов.

 

Однако, самоочищение в подземной среде при биохимической деградации нефтепродуктов может сопровождаться усилением метаногенеза, образованием диоксида углерода и сероводорода. Образование сероводорода наблюдается при загрязнении болот сульфатами и протекает под воздействием сульфатредуцирующих бактерий. Сероводородное загрязнение в подземной среде Санкт-Петербурга прослеживается повсеместно.

2. Нисходящий инфильтрационный и диффузионный поток органических компонентов биогенного и абиогенного генезиса из погребенных болотных массивов сопровождается накоплением органических коллоидов, микробных клеток и продуктов их метаболизма в подстилающих дисперсных отложениях за счет процессов физического, механического и биологического поглощения и приводит к резкому уменьшению водопроницаемости, прочности, развитию плывунов и тиксотропных свойств в подстилающих песчано-глинистых грунтах.

Торфа и заторфованные отложения являются источником органических компонентов биотического и абиотического генезиса, проникающих с нисходящим инфильтрационным и диффузионным потоком в нижележащие дисперсные породы.

Результатом жизнедеятельности болотной микробиоты, мигрирующей вниз по разрезу в сорбированной и свободной форме, является накопление бактериальной массы – живых и мертвых клеток микроорганизмов, продуктов их метаболизма белковой и небелковой природы в подстилающих породах. Общее содержание белковых соединений выражается с помощью интегрального показателя – бактериальной массы, определяемой по содержанию суммарного белка (СБ), с использованием метода Дж. Бредфорд: СБ=Бжмо+Бммо+Бпм, где Бжмо и Бммо – белок живых и мертвых клеток микроорганизмов, соответственно; Бпм – белок продуктов их метаболизма.

Исследования, проведенные на различных объектах Санкт-Петербурга, расположенных в зонах развития погребенных болотных отложений, показали значительное увеличение бактериальной массы в подстилающих породах (величина СБ достигает 280 мкг/г), при этом наблюдается снижение показателей сопротивления сдвигу, прежде всего угла внутреннего трения вплоть до нулевых значений и как следствие переход глинистых пород под болотами в квазипластичное состояние (таблица 3). В четвертичных отложениях разреза в зонах снятых болот значения СБ снижаются до 110 мкг/г, однако и при таких величинах суммарного белка глинистые породы находятся в квазипластичном состоянии. Глинистые породы в зонах отсутствия болот и техногенного загрязнения обычно имеют значение СБ < 40 мкг/г. Для оценки динамики снижения параметров сопротивления сдвигу выполнены специальные экспериментальные исследования (физическое моделирование) влияния торфов на наиболее прочные и устойчивые четвертичные отложения – моренные суглинки. Длительное воздействие торфов привело к преобразованию состава, состояния и физико-механических свойств отложений. Наблюдалось снижение характеристик прочности, угла внутреннего трения с 150 до 40, а сцепления с 0,03 МПа до 0,025 МПа, при этом величина микробного белка возросла от 60 до 250 мкг\г (рисунок 3). Все образцы морены разрушались по типу пластического деформирования. Под воздействием торфяных образований происходит образование в морене минерала гидротроилита (FeS*nH2O), в процессе редукции железа и

φ, град

формирования сероводорода.