Biologische aantasting van bouwmaterialen : literatuurstudie n.a.v. de cyclus 'Bouwmaterialen oppervlakkig bekeken'

Biologische aantasting van bouwmaterialen : literatuurstudie

n.a.v. de cyclus 'Bouwmaterialen oppervlakkig bekeken'

Citation for published version (APA):

Weersink, A. M. S. (1988). Biologische aantasting van bouwmaterialen : literatuurstudie n.a.v. de cyclus 'Bouwmaterialen oppervlakkig bekeken'. (FAGO : rapport; Vol. 8831MK). Technische Universiteit Eindhoven.

Document status and date: Published: 01/01/1988 Document Version:

Publisher’s PDF, also known as Version of Record (includes final page, issue and volume numbers) Please check the document version of this publication:

• A submitted manuscript is the version of the article upon submission and before peer-review. There can be important differences between the submitted version and the official published version of record. People interested in the research are advised to contact the author for the final version of the publication, or visit the DOI to the publisher's website.

• The final author version and the galley proof are versions of the publication after peer review.

• The final published version features the final layout of the paper including the volume, issue and page numbers.

Link to publication

General rights

Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights. • Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain

• You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal.

If the publication is distributed under the terms of Article 25fa of the Dutch Copyright Act, indicated by the “Taverne” license above, please follow below link for the End User Agreement:

www.tue.nl/taverne Take down policy

If you believe that this document breaches copyright please contact us at: openaccess@tue.nl

Facuheit Bouwkunde Vakgroep

Fysische aspecten van

~~~=-00~00~~~~

FR

liii"

/---;;;;> ..

=;-·

_r•,,r

~·--·';

_•~,

_r.

\

I : \ I I I " ! \ ' 'J '

'<!'

ll J

.J

Y:.'

-'-;i'

. l

t::7

•

~-·''·-.·.

_. , . . ' .

óJ~717'

t(ij

Technische

Universiteit

Eindhoven

BIOLOGISCHE AANTASTING VAN BOU!il'1ATERIALEN rapport 88.31 MK A.M.S.Weersink begeleiding:drs.J.J.Hardo

Door: A.M.S.Weersink (197021) iding:drs.J.J.Hardon

Zomer 1988

Technische Universiteit Eindhoven Facul der Bouwkunde

Vakgroep FAGO Den Dolech 2

BIOLOGISCHE AANTASTING VAN

BOUWMATERIALEN

literatuursLadie n.a.v. de cyclus 'Bom.n:naterialen oppervlakkig bekeken'

INHOUDSOPGAVE

0. Inleiding

1. Wat is biologische aantasting

2. Indeling van biologische aantasting

3. Het aantonen van biologische aantasting

4. Het biologische milieu

4.1 enkele schade veroorzakende organismen

4.1.1 bacterien

4.1.2 schimmels (fungi)

4.1.3 lichenen (korstmossen)

5. Aantastingsmechanismen

6. Biologische aantasting van hout

7. Biologische aantasting van minerale ondergronden

8. Biologische aantasting van glas

9. Biologische aantasting van enkele kunststoffen

10. Biologische aantasting van metalen

11. Overzicht van microbiologische processen en

materiaalveran-deringen

0. INLEIDING

In de fase van mlJn afstuderen ben ik enkele maanden betrokken geweest in een onderzoek naar de aantasting van het binnenop-pervlak van bouwconstructies door schimmels. Dit onderzoek maakt deel uit van het promotieonderzoek 'Vochthuishouding van Gebou-wen' dat uitgevoerd wordt door ir.o.c.G.Adan.

In het kader hiervan is in de zomer van 1987 een globale litera-tuurstudie uitgevoerd naar de invloeden van milieucondities op

schimmelontwikkeling. In de biologische literatuur is weinig

informatie gevonden over schimmelaantasting met name·op minerale ondergronden.

In de materiaalkunde cyclus 'Bouwmaterialen oppervlakkig beke-ken', werd door een van de gastsprekers de aantasting van steen-achtige buitenoppervlakken door bacteriên genoemd.

Dit bracht mij op het idee om een nadere literatuurstudie uit te voeren naar de biologische aantasting van bouwmaterialen, waarin zowel binnen- als buitenoppervlakken betrokken zouden worden. Om een breder beeld van de biologische aantasting van bouwmateri-alen te verkrijgen, zijn in de literatuurstudie meerdere organis-men betrokken. In het onderhavige verslag koorganis-men van de bouw-materialen aantastende organismen, met name bacterien, schimmels

en lichenen aan de orde. Er is informatie gezocht over de pro-cessen die ten grondslag liggen aan de aantasting.

Veel bruikbare literatuur is gevonden met behulp van 'Chemical

Abstracts•. De trefwoorden fungi, concrete, wood, plastics,

bleken een goede ingang te zijn. De abstracts vanaf 1970 zijn

doorgenomen. Ook in 'Bausch8.den' van 1988 stonden een aantal

samenvattingen van artikelen die betrekking hadden op biologische aantasting van bouwmaterialen.

In het 'Centraal Laboratorium voor Onderzoek van Voorwerpen van Kunst en Wetenschap' te Amsterdam, is veel bruikbare literatuur verkregen.

1. WAT IS BIOLOGISCHE AANTASTING

Biologische aantasting van materialen wordt door Medgyesi (1986] als volgt gedefinieerd:

'De optredende irreversibele aantasting, welke een direkt gevolg is van het biologische milieu - die in het algemeen tot verkort-ing van de levensduur van materialen leidt- '·

Krumbein (1987] geeft de volgende uitgebreide definitie van

biologische aantasting:

Definition biogener Sctliden

an Baumaterialien aus Naturstein

Biokorrosion oder Biodeterioration

r.ler-witterung) ist ein Stoff- und Energieaus-tausch zwischen zwei effenen heterogenen Systemen: dem festen Substrat (Baustoff) und der urngebenden Atmosphlre oder HydrosphAre. Beide Systeme sind durch

Masse. Volumen, Druck, chemische

Zusammensetzung, biologische Anteile (biochemisch und biophysikalisch) und àurch die diesen innewohnende und stan-dig zu- oder abgeführte Energie definiert Die wechselseitige Beeinflussung aller die-ser Komponenten führt zu einer breiten Umwalzung des Ausgangsmaterials im Grenzbereich beider Systeme. Die natür-liche Grenze des Geschehens ist dureh die wirksame Eindringtiefe von physîkalischen Gradienten. Gasen, LOsungen und Orga-nismen in das eaumaterial bedingt Dieser (Bio-)Deteriorations- oder

Zerset-zungsvorgang kann - wenn sich ein

Gleichgewichtszustand zwischen beiden Systemen einstellt - vertangsamt werden oder zum Stillstand kommen. Er lebt jedoch sofort wieder auf. wenn sich nur eine der die Materialermûdung und Materialzerstö-. rung beeinflussenden Komponenten

er-neut ändert {1).

De aantastingsmechanismen van bouwmaterialen door organismen kan kunnen zowel 'direkt' als 'indirekt' zijn.

Direkte aantasting ontstaat puur door het aanwezig zijn of groeien van de organismen op enjof in het materiaal.

Van indirekte aantasting is sprake als afbraak van het materiaal bewerkstelligd wordt door biologische uit- en afscheidingsproduk-ten.

2. INDELING VAN BIOLOGISCHE AANTASTING

Krumbein [ 1986] heeft effekten van begroeiingen op materialen als volgt ingedeeld:

- esthetische schade; fysische veranderingen; chemische veranderingen;

indirekte, maar duidelijk biologische veranderingen door micro-organismen geproduceerde zuren en zouten die (in) het bouwmateriaal veranderen en zich eventueel opeenhopen.

Biologische aantasting uit zich in veel gevallen door een {plaat-selijke) materiaalverkleuring. Of de kleurverandering aan een materiaaloppervlak biologische/biochemische oorzaken heeft, moet terdege onderzocht worden, zoals blijkt uit tabel 1.1. In deze tabel staat de oorzaak van een aantal verkleuringen op bouwwerken beschreven. Verkleuringen kunnen verschillende oorzaken hebben. In tabel 1.1 worden enkele voorbeelden van verkleuringen op

bouwmaterialen gegeven. Hierbij wordt tevens de plaats van

voorkomen en de oorzaak van de verkleuringen gegeven.

Tabel 1.1 Enkele voorbeelden van verkleuringen op bouwmaterialen, zoals deze in bepaalde praktijkomstandigheden zijn voorgekomen. verkleuring vergeling zwart bruin bruine plekjes zwart zwarte plekken plaats oorzaak

marmer opper- verandering

trans-vlak in nis- parantheid van

sen coating

wanden; palm-olie

op monument

wand roest (ijzer)

in marmer oxydatie chemische

omzettingen in ij-zercomponenten lit.bron Agrawal Agrawal Agrawal Agrawal Higgins in binnen-hoek

muskieten excreties Agrawal

(natte) bui-tenhoek

vervolg tabel 1.1

wit ?

zwart wand

aluminium Higgins

dichte laag schim- Blaschke

melsjbacteriênjal-gen. Roet en stof-deeltjes blijven aan hun kleverige oppervlak hangen.

(alg=groenjbruin schimmel=bruin bacterie=geel).

3 • HET AANTONEN VAN BIOLOGISCHE AANTASTING

Het aantreffen van organismen op een schade-lokatie is op zich

niet voldoende. De relatie tussen materiaal

1

organismen en

schade moet aangetoond kunnen worden.

Om te kunnen bepalen of geconstateerde schade of verkleuringen door micro-organismen veroorzaakt zijn, en door welke organis-me(n), zijn diagnose methoden noodzakelijk.

Krumbein [ ~984] geeft een aantal methoden met behulp waarvan

micro-organ~smen in steen en steenachtig materiaal aangetoond

kunnen worden enjof hun biologische activiteit: 1 lichtmicroscopie;

2 rasterelektronenmicroscopie; 3 cultivatietechnieken;

4 stofwisselingsprodukten onderzoeken/aantonen; 5 veranderin pH-waardejredoxpotentiaal;

6 spectroscopie/fotografie (infra-rood beeldvorming); 7 fotometrie;

8 chromatografie; 9 massaspectroscopie.

Biologische activiteit en veranderingen hierin, kunnen bepaald worden uit concentratie van diverse biochemische stoffen in het aangetaste materiaal {in de tijd). De biologische activiteit hangt veelal samen met de sterkte van de materiaaldegradatie. De concentratie van bepaalde stoffen die door een hoeveelheid

organismen uitgescheiden zijn in/op het materiaal, kan een

4. HET BIOLOGISCHE MILIEU

4 • 1 ENKELE SCHADE VEROORZAKENDE ORGANISMEN

Krumbein [1987] noemt als belangrijke schadeveroorzakende or-ganismen in de bouwpraktijk:

-micro-organismen die gereduceerde stikstof- of

zwavelverbin-dingen oxyderen tot salpeterzuur en zwavelzuur, waarbij

energie verkregen wordt;

-organismen die organische substanties tot organische of anorganische zuren oxyderen.

Voor biologische materiaalcorrosie zijn 'al die micro-organismen van betekenis, die elementen oxyderen of reduceren, de pH waarde of redoxpotentiaal van hun omgeving veranderen, of in staat zijn

grote massa's ionen te vangen en te complexeren' [Krumbein,

1987].

In de literatuur worden diverse organismen genoemd die direkt of indirekt schade veroorzaken aan bouw- en afwerkmaterialen :

- bacter H!n;

-schimmels (fungi}:

-korstmossen (lichenen): - algen.

In de hierna volgende tabel worden voor een aantal materialen enkele aantastende organismen genoemd (bron: Medygesi,Fesus)

---!'laterialien auf der Basis ven Bitu",en ~chrc""c.::3cter₁ l"icroccccus. ?seudc:"\;nas fla•:o::a::teriu~. Coryne~acteri~T., Mycobacterium. \ecarc:!a I l Bai..:terlen I ) Hefen (Trîchosporon sp.) • Acrer.lOnlum

l

: ____________________

~1111~ii:~:_______ ~:::::::~::::

____ _

Systeme auf der Bacillus f

Basis von Pseudomonas Bakterien

weichem PVC rlavobacterium Streptomyceces Stranlenpilze Algen Aspergillus fusarlu"' Peniclllium ·Jerticilliu~ Candida ~

_____________________

I~~~~~~~=~---::~::

____________ _

l'leterialien auf Bacillus

Papirträger Chaetomium

Stachtbotrys Schimmelpilze

Textil- oder 'Aape rgill us ]

rusarium Trichoderma Cliomasti" ë:~;~:-~;:~;~~:~---s~~:;;;ï~;~~;;i;~---Mikrokokken Cladosporium ~~~:;:-öi;;;;;i;;:---p;;:~~~~~;;---)ë;~;;;i;~---~a:~e~ Flavc:a~~e::e~ t Cladcsooric:"" Alternar ia Penicillium Pullularu Aurec!lasideu'" Spergillus Candida J

?

Sohi•••lpila He fen

---·---Mikro:rG3rds--.::'"', wé1che die wd::rt~~~""ert orce"".iSLf1er: Sch~,.::: ... e!'" ...

Z ÜÇ'E scnad i Ç!f-. - •

(bron:Medygesi,Fesus;)

Achtereenvolgens zullen van de genoemde organismen enige karak-teristieke kenmerken genoemd worden. Tevens zal op enkele

bioche-mische reacties en reactieketens nader worden ingegaan, die

4.1.1 bacteriên

Bacteriên zijn kleine, relatief eenvoudige eencellige organismen. De individuele bacteriên kunnen in paren, kettingen of andere groepen voorkomen.

Bijna alle bacteriên hebben een ruwe wand, die gelei-achtige stoffen af kan zetten, bestaande uit polysacchariden, polypep-tiden of beide. Dit 'kapsel' beschermt hen tegen invloeden van buiten af, zoals

- uitdroging: sacchariden hebben een wa~eraantrekkendjwater­

vasthoudend vermogen:

- inwerking van chemische (schadelijke) stoffen.

Tevens kan een bacterie-cel door deze kleverige gelei-achtige laag beter aan (ook gladde) oppervlakken hechten.

Sommige bacteriên hebben een of meerdere zweepharen, die flagella

worden genoemd. Met deze flagella kunnen zij zich enigszins

voortbewegen op eigen kracht.

Naast de relatief lange flagel la, kunnen bacteriên korte dunne haartjes hebben, die pili worden genoemd. Deze haartjes bedekken de celwand geheel of gedeeltelijk.

1 2 3

J

8

-~-\,-,-._--,--,~-·-/ /.~

.. :_,

:_,~;· :.~:~~·-.

::'.

~

- / .:.1

r

7 6 5 4

I .

··.

l=chromatophodes; 2=cell wall; 3=cytoplasmic membrane; 4=flagella; S=cytoplasmatic inclusions; 6=slime layer; 7=nuclear apparatus; 8=ribosomes. ·

(bron: Kempson, 1976)

De meeste bacteriên delen zich binair, dat wil zeggen een cel deelt zich in twee gelijke delen.

Onder slechte milieu-omstandigheden gaan bacteriên in een rust-fase over: In het cytoplasma van een cel wordt het erfelijke materiaal door een dikke, stevige celwand omsloten. In deze cel vindt dan nagenoeg geen metabolische activiteit plaats. Water is dan nauwelijks nodig [Higgins]. Onder biologisch gezien gunstige

omstandigheden kunnen deze cellen • levensvatbaar • worden. Dit

Voor hun stofwisseling hebben bacteriên organische stoffen nodig die door sommige soorten zelf opgebouwd kunnen worden. Echter vele bacteriesoorten kunnen dit niet en leven derhalve veelal als parasiet of als saprofiet.

Fotoautotrofe bacteriên zetten met behulp van licht, cholorophyl en biologische katalysatoren, kooldioxyde en water om in suiker-molekulen en zuurstof.

Daarnaast zijn er bacterH!n, bijvoorbeeld diverse purper bac-teriên, die geen kooldioxyde in suikers om kunnen zetten, maar wel licht nodig hebben voor het omzetten van bijvoorbeeld alkoho-len, vetzuren of organische zuren in suikers.

Chemo-autotrofe bacterH!n gebuiken anorganische stoffen als

energiebron. Energie komt vrij bij de oxydatie van anorganische stoffen.

tabel: 1. 2 Autotrofe bacteriesoorten en een anorganische stof

die zij als energiebron kunnen gebruiken Thiobacillus Nitrosomonas Nitrobacter Thiobacillus fero-oxidans Beggiatoa

s

NHJ HN02 Fe2'f H2S

Energie verkrijgt een bacterie door het afbreken van energie-rijke verbindingen. Bepaalde vetten kunnen met behulp van een specifiek enzym (=biokatalysator) (bijvoorbeeld lipase) afgebro-ken worden tot vetzuren en' glycerol. Deze kunnen op hun beurt in diverse biologische afbraakprocessen tot kooldioxyde en water gereduceerd worden. Bij deze processen komt energie vrij.

De afbraak van glucose gebeurt in de zo geheten ademhalingsketen.

Deze keten bestaat uit een serie elektronen acceptoren en don

o-ren. Waterstof atomen worden omgezet in waterstof ionen en

elektronen. Tijdens de elektronen overdracht, komen op

verschil-lende plaatsen in de keten ATP (adeninetrifosfaat) molekulen

vrij. Deze bevatten zeer energierijke verbindingen. Eveneens

komen H+ ionen vrij, die kunnen reageren met zuurstof dat zich

aan het eind van de keten bevindt; zo worden watermolekulen gevormd.

Bij anaerobe organismen komt aan het eind van de ademhalingsketen geen zuurstof voor maar een ander ion, bijvoorbeeld

No3- wordt door Pseudomonas gereduceerd tot No2-, N2o, N2

so42- wordt door Desulfovibrio gereduceerd tot H_2s.

Ook geoxideerd ijzer en mangaan zijn als elektronen acceptor aangetoond [Krumbein 1987].

4.1.2 Schimmels (fungi)

Vanwege het bezit van een starre celwand worden schimmels gere-kend tot het plantenrijk. Ze hebben een thallus. Dit houdt in dat ze niet gedifferentieerd zijn in wortels, stengels en bladeren. Schimmels bezitten niet het vermogen om uit anorganische stoffen organisch materiaal op te bouwen door middel van fotosynthese of chemosynthese. Organische koolstof en stikstofverbindingen die als bouwstof enjof brandstof kunnen dienen, worden opgenomen uit het milieu. Schimmels gaan dan ook als parasiet of als saprafiet door het leven of leven in symbiose met andere organismen.

Een schimmel bestaat uit een stelsel van vertakte buizen (hyfen),

dat mycelium wordt genoemd. De oorsprong van een dergelijk

stelsel is een spore, de reproductieve eenheid van een schimmel,

of een hyfe fragment dat delingsactiviteit kan ontplooien.

Sommige soorten bestaan niet uit een netwerk van hyfen, maar zijn slechts enkelvoudige cellen, die afgesnoerd zijn. Dit geschiedt bijvoorbeeld bij gisten.

Onder gunstige omstandigheden ontkiemt de spore. Er verschijnt een kiembuis, die zich onder gunstige condities verlengt (=groei) en zich bij vele soorten vertakt.

Vele schimmels ontwikkelen speciale sporenvormende of

sporendra-gende organen. Er zijn echter ook schimmelsoorten die zich

voortplanten door delen van de schimmelplant af te snoeren.

Het schimmelrijk wordt in diverse klassen onderverdeeld. Sommige schimmelgeslachten planten zich slechts ongeslachtelijk voort, andere geslachtelijk en er zijn soorten die beide voortplan-tingsvormen kennen. Bovendien kunnen in een schimmelplant ver-schillende sporevormen voorkomen. Naast de generatieve kenmerken spelen bij de indeling van schimmels de morfologische eigenschap-pen van de gehele schimmelplant, sporen en sporendrager een zeer belangrijke rol.

4.1.3 Lichenen/korstmossen

Lichenen of korstmossen Z1Jn organismen die uit een schimmel en

een alg-component zijn samengesteld. Door deze symbiotische

levensvorm verkrijgt de schimmel van de alg organische stoffen, zoals koolhydraten die de alg door middel van fotosynthese kan

opbouwen uit anorganische stoffen. Hennipman (1978) noemt dit

een antibiotische invloed van de fungus op de alg, evenals het mogelijk onttrekken van eiwitten, groeistoffen en dergelijke. De algcomponent wordt door de schimmel beschermd:

- tegen waterverlies;

- tegen intensieve zonnestraling;

-tegen aantasting van algenetende dieren [Wirth, 1980].

Tevens kan de schimmel de alg voorzien van bijvoorbeeld nood-zakelijke spore-elementen, die de schimmel aan de ondergrond/het substraat onttrekt, en eventueel van organische stoffen die de schimmel heeft opgebouwd.

Voor de afbraak van het substraat worden met name enzymen en

zuren uitgescheiden. Licheenzuren, die overigens niet allen

•zuur' zijn, zijn onder andere [Hennipman, 1978]:

polyalkoholen; monobasische lactonzuren; dibasische zuren; aromatische verbindingen phenol derivaten); hydroxymetholanthrachinonen atranorine; barbaatzuur; cryptochlorophaeazuur; grayaninezuur; homosekikazuur; merochlorphaeazuur; sekikazuur; squamaatzuur; usninezuur; ' substance H ' .

(met name depsiden, depsidonen,

4.2 INVLOEDSFACTOREN OP ONTWIKKELING VAN ORGANISMEN

De ontwikkeling van organismen wordt in hoge mate bepaald door biologsiche, fysische en chemische factoren. Daarnaast spelen ook factoren zoals metabolische interacties tussen organismen onder-ling en de structuur van de ondergrond een rol van betekenis.

Ontwikkeling van een organisme wordt heinvloed door:

PHYSISCHE FACTOREN -water

de beschikbaarheid van voldoende water is een essentUne voorwaarde voor ontwikkeling van een organisme. Het water kan onttrokken worden aan de ondergrond of aan de atmosfeer. Hoeveel water noodzakelijk is, hang van factoren als tempe-ratuur, pH, voeding, en dergelijke maar zal met name afhan-gen van osmotische drukken in de cellen en van het omrin-gende milieu.

-temperatuur

het temperatuurbereik waarin ontwikkeling mogelijk is, hangt af van factoren zoals de beschikbare hoeveelheden vocht, pH,

voeding. De temperatuur bepaalt mede de snelheid waarmee

bepaalde reacties verlopen, maar kan vanaf een bepaalde

hoogte eiwitten (dit zijn celbouwstoffen), en dus ook

enzymen (dit zijn biokatalysatoren) denatureren. -luchtsnelheid

kan een uitdrogingseffekt hebben, maar kan op zich, vooral als deze hoog is, aan het oppervlak van een organisme een

vertragend of zelfs groeibelemmerend effekt hebben. Bij

andere soorten kan een hoge 1 uchtsnelheid de ontwikkeling

van organismen bevorderen [Ayerst, 1966].

-druk

onder excessief hoge of lage atmosferische drukken, kunnen

vele organismen zich niet ontwikkelen. Er zijn echter

organismen die geadapteerd zijn aan een dergelijk extreem milieu.

-licht/straling

afhankelijk van het feit of het organisme fotoautotroof is of niet, is licht al dan niet vereist. Indien dit niet het geval is, kan lichtenergie wel een ontwikkeling-stimulerend effekt uitoefenen. Hoge stralingsdoses, van met name kort-golvige straling, kunnen ontwikkeling nadelig heinvloeden of zelfs geheel remmen. Mogelijk kan door deze straling gen-mutatie optreden.

CHEMISCHE FACTOREN -zuurgraad

Veelal is er een m~n~mum, optimum en maximum te

onderschei-den voor de groeisnelheid als functie van de zuurgraad. Het bereik waarin ontwikkeling mogelijk is, is sterk afhankelijk van het soort organisme. Vele organismen zijn geadapteerd aan het gebied rondom een pH=7. Sommige bacteriên zijn aan uiterst zure omstandigheden (pH= 1 a 2) geadapteerd.

-voedingsstoffen

de aard en de hoeveelheid benodigde voedingsstoffen ( or-ganische/anorganische stoffen) is sterk afhankelijk van het

soort organisme. Hoewel de aard en de concentratie van de

vereiste voedingselementen per organisme kunnen

verschil-len, zijn in het algemeen koolstof, stikstof, zwavel,

zuurstof, waterstof en fosfor in relatief grote hoeveelheden

benodigd. Daarnaast, in iets minder hoge concentraties,

kalium, calcium, magnesium en ijzer. Spore-elementen zijn jmangaan, zink, kobalt, nikkel, koper, chloor, natrium en

silicium [Krumbein, 1987]. Schimmels en bacteriên hebben

niet veel voedingsstoffen nodig. Een geringe vervuiling, bijvoorbeeld stof en roet, kan soms voldoende zijn [Krumbein 1984] . Autotrofe organismen hebben relatief veel organisch koolstof- en stikstof nodig.

-C02 concentraties

bij (foto)autotrofe organismen wordt C02 omgezet in

or-ganische stoffen. Bij organismen die niet foto-autotroof

zijn, schaadt C02 niet, mits dit niet in extreem hoge

concentraties voorkomt. -02 concentraties

zuurstof is onontbeerlijk voor aerobe organismen. De hoe-veelheid die benodigd is, is beperkt.

-toxische stoffen en afvalstoffen

sommige stoffen hebben een nadelig effekt op de ontwikkeling

van een organisme. Bepaalde stoffen kunnen celreacties

hinderen of belemmeren of kunnen de celwand aantasten. Sommige toxische stoffen worden door de organismen zelf aangemaakt, zoals bijvoorbeeld waterstofperoxide.

Door uitscheiding van cel-afvalstoffen, beinvloedt een

organisme zijn omgeving nadelig.

BIOLOGISCHE FACTOREN

-genetische informatie van de soort -ontwikkelingsstadium

(rustfase, ontkiemings-, groei- en sporulatie fase). In elke fase kunnen specifieke eisen gesteld worden aan het milieu. -condities van het organisme

voorgeschiedenis: als een organisme in een slechte conditie

verkeert, kan de reactie op een bepaalde milieufactor

afwijken van de 'normale 1

• Bepaalde essentiêle stoffen om

bijvoorbeeld ondermaats Z1Jn, of zelfs volledig ontbreken. Mogelijk kan aanmaak van deze stoffen noodzakelijk zijn. -ouderdom van het organisme

bij schimmels zijn de oude delen veelal minder gevoelig voor zich wijzigende milieuomstandigheden.

-metabolische interacties tussen organismen

bepaalde organismen kunnen door uit-/afscheiding van stof-fen, het milieu ontvankelijk of ongunstig maken voor andere organismen.

-adaptatie

tot op zekere hoogte kunnen organismen zich aanpassen aan hun milieu, door

1. inductie van enzymen;

2. ten gevolge van genmutaties (spontane, dan wel geïn-duceerde).

STRUCTUUR VAN HET SUBSTRAAT -oppervlakteruwheid

oppervlakteruwheid van het materiaal kan van belang zijn bij het aanhechten van de organismen aan het materiaaloppervlak. -structuur van de capillairen

in verband met het hechten aan en indringen in de onder-grond, is de capillaire structuur van belang. In materialen met grovere, open poriên zullen de organismen zich dieper in het oppervlak bevinden.

Tevens speelt de capillaire structuur, tezamen met de

chemische samenstelling en opbouw van het materiaal, een rol van betekenis bij de capillaire wateropnemende en water-vasthoudende eigenschappen.

5. AANTASTINGSMECHANISMEN

Afbraak van materiaal door organismen berust veelal op een of meerdere van de hieronder staande processen:

1. Opname van materiaalcomponenten ten behoeve van

assimilatie-processen;

2. Uit- en afscheidingsprodukten van de aantastende organismen;

3. Mechanische destructie van de materialen.

ad.1 Het substraat wordt gebruikt als voedingsbodem om het

organisme te voorzien van elementen waarmee celstoffen enjof brandstoffen opgebouwd kunnen worden.

ad.2 Enzymen en zuren worden door veel aantastende organismen in het milieu uitgescheiden. Deze stoffen bewerkstelligen in sommige gevallen afbraak van het substraat. Metabolische afvalprodukten worden in het substraat uitgescheiden. Met name de zuren hierin kunnen door chemische reacties, decom-positie van het materiaal veroorzaken. Dientengevolge kunnen de eigenschappen van het materiaal veranderen.

Niet alleen extracellulair, maar ook intracellulair zijn sterke enzymen en zuren aanwezig, ten behoeve van afbraak en ook opbouw van stoffen die het organisme nodig heeft. In oudere cellen kunnen de concentraties 'agressieve' stoffen soms aanzienlijk hoger zijn dan in de jonge cellen. Dit houdt dus in, dat na het afsterven van (een deel van) een organisme, de aantasting kan toenemen, door het vrijkomen van deze stoffen [Samson, 1978].

ad.3 Zoals reeds is vermeld, kunnen bacteriän een kapsel afschei-den, dat (mede) uit polysacchariden kan bestaan, met (sterk) wateraantrekkende en -vasthoudende eigenschappen.

Hierdoor kunnen steenachtige materialen voortdurend nat

gehouden worden. De kans op vorstschade kan hierdoor toene-men.

Het kapsel kan tevens vaste, vloeibare en gasvormige be-standdelen opvangen, waardoor ook chemische reacties in een waterige oplossing mogelijk worden [Blaschke, 1986].

Krumbein (1987] geeft het hieronder volgende overzicht van

processen die aan het materiaaloppervlak kunnen optreden en schade kunnen veroorzaken.

Duren MikrOCM";8nlsmen ausgelöste

Prozeae an Saustoffen

- Redoxprozesse en Kationen und Anio-nen

- Komplexbildung oder Maskierungsef-fekte bei Kationen

- Ober11àcheneffekte

- Beschleunigung - Veriangsamung che-miseher Realetionen

- Selek1ivität (Patchiness) von Korrosion - phototrophe Prozesse (Aik.alisierung,

Kohlendioxidentzug, Sauerstoffproduk-tionl

- chemoiithotrophe Prozesse (Sal;->eter-säure, Schwefelsaure, Wasserstofftrans-fer, Kohlendioxidentlug, Metalloxidation) - chemo-organotrophe Prozesse

(Kohlen-saurebildung, organische Säuren,

Schleime, Komplexone. Prolonentrans-fer)

- freie Enzyme und ihre Auswirkungen !Z.B . .. wasct;mlrteteHekt .. ;

- Veränderungen des aerob:anaeroben Urnfeldes

- ElektronenentlugtEiektronenabgabe (Protonenentzuglabgabe) in der Umge-bung der Materialien und aus oder an die Materialien selbst

- Nahrstoffentzug und Abgabe aus den Materialien und aus ihrer engeren Umge-bung

6. BIOLOGISCHE AANTASTING VAN HOUT

Chemisch gezien is hout voornamelijk opgebouwd uit cellulose, hemicellulose en lignine. Deze molekulen zijn opgebouwd uit de elemnten waterstof, zuurstof en koolstof. Deze organische kool-waterstoffen kunnen voor fungi, bacteriên en andere micro-or-ganismen als vgedingsstoffen dienen JSelby, 1968].

Hout dat voor constructieve doeleinden wordt gebruikt kan onder-verdeeld worden in spinthout en kernhout.

Spinthout is het jonge hout van een boom dat levende cellen bevat. Hierin wordt water met opgeloste voedingsstoffen in de stam vertikaal omhoog getransporteerd.

Als de levende spinthoutcellen afsterven, gaat het over in (dood)

kernhout. De aanwezigheid van veel vocht en voedingsstoffen,

maakt spinthout gevoeliger voor biologische aantasting dan

kernhout.

In de stralen van het hout vindt opslag van voedsel en andere

inhoudssteffen plaats, zoals vetzuren, looizuren, vergiften,

enzovoorts. Deze inhoudssteffen kunnen naast de aanwezige voe-dingsstoffen en de proportionele verdeling van cellulose en hemicellulose (en lignine), met het oog op aantasting door micro-organismen, van groot belang zijn (Savory, 1968]. Reservestoffen zoals zetmeel, met name aanwezig in loofhout, en olie, kunnen aantasting door bepaalde schimmelsoorten en bacteriên bevorderen. Extractiestoffen zoals bijvoorbeeld thujaplicin in Western red cedar, kunnen een fungistatisch effekt hebben [Hof, 1954].

Als algemene vuistregel wordt gesteld dat hout onder een vochtge-halte van 20% niet ontvankelijk is voor microbiêle aantasting

[Hof, 1954]. De groeisnelheid van de hyfen of de celdeling, is naast de beschikbare hoeveelheid water en voedingsstoffen, sterk temperatuurafhankelijk. Het meer of minder ontvankelijk zijn van een (onbehandelde) houtsoort voor microbiêle aantasting, hangt

volgens Hof ( 1954) grotendeels af van de hoeveelheid giftige

stoffen die in het hout aanwezig zijn en in mindere mate van de geschiktheid van de voedingsstoffen voor een organisme. Voor de afbraak van onoplosbaar cellulose tot oplosbare suikers, zijn enzymen benodigd die door schimmels en andere micro-organismen in het milieu worden afgescheiden.

Voor wat betreft de houtaantastende organismen, beperk i~ me in

dit verslag tot de fungi.

Veel gevreesde houtaantastende fungi zijn Basidiomyceten. Daar-naast kunnen ook sommige Ascomyceten en ook Fungi imperfecti

(=Deuteromyceten) en Schizomyceten (=bacteriên) hout aantasten. De •schade' aan hout welke veroorzaakt wordt door fungi, is onder te verdelen in

1. constructieve schade: wordt veroorzaakt door schimmels

die de celwanden van het hout aantasten. Deze schimmels worden rotverwekkend genoemd;

schimmels die leven van de inhoudssteffen en niet van het celwandmateriaal van hout.

ad .1 In de rotverwekkende schimmelsoorten is een onderscheid te

maken in cellulose ontbindende soorten, die nauwelijks

lignine afbreken, de zo geheten bruine rot schimmels, en soorten die zowel cellulose als lignine ontbinden, de witte rot schimmels [Becker, 1968].

Een beruchte bruine rot schimmel is de huiszwam (Merulius lacrimans), welke een bruin vruchtlichaam met een witte rand heeft [Bablick, 1987]. Bij de huiszwam zijn groepen hyfen samengebundeld tot strengen, die extra weerstand bieden aan

ongunstige milieu omstandigheden (voor wat betreft de

parameters vocht en temperatuur). Via deze strengen kan vochttransport over grote afstanden plaatsvinden. Dankzij dit transportstelsel is groei aan de bytetoppen over rela-tief droog materiaal mogelijk als een deel van de plant in gunstige(re) omstandigheden verkeert. De strengen kunnen tot diep in het materiaal doordringen waardoor bestrijding van de schimmel problematisch kan zijn. Niet alleen in (naald-en loof-) hout kunn(naald-en de str(naald-eng(naald-en dring(naald-en, maar zij kunn(naald-en ook over muren kruipen en in metselwerk dringen [Hof, 1954]. Naast de huiszwam, is ook de kelderzwam (Coniophora puteana) een bekende bruine rot schimmel. Deze is oker- tot olijf-kleurig en heeft een witte rand. Deze schimmel vereist in relatie tot Merulius lacrimans een hogere minimale houtvoch-tigheid.

Poria vaneraria (=poriënzwam) is eveneens een bruine rot

veroorzakende soort. Deze vereist een hogere minimale

vochtigheid dan de hiervoor genoemde soorten en tast alleen naaldhout aan [Hof, 1954].

Pehillinus cryptarum Karst veroorzaakt witte rot in kernhout van eiken.

Naast witte en bruine rot bestaan er ook nog zo geheten

1 _{soft rot} 1 _{fungi die behoren tot de Ascomyceten en Fungi}

imperfecti. Zij kunnen eveneens cellulose afbreken [Becker, 1968].

ad.2 Fungi die leven van inhoudssteffen van cellen en nauwelijks

sterkteverlies veroorzaken, laten soms een blauwgrijze

verkleuring van hout zien en worden derhalve 1

blauwschim-mels 1 _{genoemd. Tot de blauwschimmels behoren onder andere}

Ophiostoma (=Ascomyceet), Trichosporium tingens Lagerberg et Melin, Cladosporium herbarurn Link.

Het proces van opname en afgifte van vloeistoffen van

verblauwd hout blijkt sneller te verlopen dan van niet verblauwd hout.

Fusarium soorten, Penicillium soorten en Trichoderma viride, behoren wel tot categorie 2, maar zij zijn geen blauwschim-mels.

Krumbein [ 1986) wij st erop dat zichtbare groene en blauwe

ver-kleuringen ook begeleidende schimmels (van rot-veroorzakende

soorten) kunnen zijn, die op zich niet het vermogen behoeven te bezitten om houtvaten aan te tasten.

Houtschimmels worden veelal bestreden met chemische middelen, bijvoorbeeld NaHC03 of borax (Na 2B407). Sommige schimmels, zoals

Merulius lacrimans en Coniophora puteana, kunnen niet tegen

plotselinge intrede van droogte.

Bij droging van aangetast hout onder normale temperaturen, worden de schade-veroorzakende schimmels veelal niet gedood. Ze gaan in een rustperiode over waarin nauwelijks metabolische activiteit ontplooid wordt. Onder deze omstandigheden blijken schimmels soms vele jaren te kunnen overleven. Onder gunstige omstandigheden hervatten ze dan hun (groei)activiteit [Hof, 1954].

Uit experimenten van King [1968] bleek de activiteit van cel-lulose-afbrekende enzymen een maat voor het tempo van materiaal-degradatie. In testen met Coniophora cerebella, een veroorzaker van bruine rot, bleek deze enzymactiviteit sterk van de kweek-omstandigheden af te hangen. Invloedsfactoren waren de grootte van het inoculum, de zuurgraad van het medium, het soort kool-stofbron en stikkool-stofbron en de beluchting. Hieruit bleek echter geen direkt relatie te leggen tussen de hoeveelheid mycelium en de enzymproductie.

Veel van de uitgescheiden enzymen bleken adaptief. Dit wil zeggen dat die enzymen alleen geproduceerd/uitgescheiden worden als het als het substraat een geschikte koolstofbron bevat [King,1968].

7. BIOLOGISCHE AANTASTING VAN MINERALE ONDERGRONDEN

aard van de biologische aantasting

De factoren die ten grondslag liggen aan de aantasting van

steenachtige materialen kunnen chemisch, fysisch of mechanisch van aard zijn. Direkt of indirekt kunnen bepaalde (micro)organis-men op of in het materiaal invloed heben op de chemische, fysi-sche of mechanifysi-sche belastingen.

Bij de chemische aantasting kunnen bijvoorbeeld bepaalde zuren, water en sommige zouten met cement reageren.

1'1'1 ::<:.: ... .:hgas·

Cxièc:ion.

~:t

Fe"ct:t•gkett

Sct-.vvefe·.Se.Jre

G) Neutralisation dur eh Ka lkhydrat:

Cot0H)2 • H2S04 - - t : > _{CoS04 · H20 Gips}

·:1) =leaktion mit korboc.at;sierten Sc~·~hten.

coc~ • _H2so4 - - t > caso4 • H2o • co2

(D Reoktion mit Kolk- und Tonerdebestandleilen

---c> Ooppetsolze

(Calcium- Aluminiumsulfathydrotel:

wasserretch. nrtreiben éas umgebende Mikrogefi.oge

PrinzipieUe DarsteUung des Ablaufs einer chemiseben Korrosion am Beispiel des Angriffs durch Schwefelsäure ( Betonkorros ion im Hochbau, 1986)

ontbindende werking van zuren

Micro-organismen produceren zuren (bijvoorbeeld mierezuur,

azijnzuur en melkzuren). Deze zuren kunnen bijvoorbeeld zouthydraten, bijvoorbeeld silicaat-hydraten, in calcium-formiaat omzetten, een goed in water oplosbaar zout. De schade-lijke werking van zuren berust dan op ontkalkende (en dus ontbin-dende) werking van mortels en beton [Eglinton, 1987; Kleinlogel,

1930]. De schadelijke werking is onder andere gerelateerd aan de

oplosbaarheid van het • kalkzout' in water. In water oplosbare zouten worden n.l. met het water dat door het materiaal beweegt,

uitgespoeld. Zuren bevorderen de oplosbaarheid van Ca(OH) 2 (uit cementsteen), dat op zich al in water oplosbaar is.

oxaalzuur heeft, in tegenstelling tot de hiervoor genoemde zuren, nauwelijks een schadelijke werking op beton en mortels. Cal-ciumoxalaat is in water en azijnzuur onoplosbaar [Kleinlogel, 1930].

aantasting passiveringslaag

Microbiële activiteit leidt veelal tot verzuring van het milieu. Deze verzuring heeft in materialen een verlaging van de pH tot gevolg. Bij gewapend beton wordt hierdoor de passivering van ijzer geschaad, waardoor het aantastingsproces van ijzer {roest) sneller zal verlopen.

aantasting t.g.v. zwavelzuur

Zwavelzuur, dat ook door vele micro-organismen wordt

uitge-scheiden, kan bijvoorbeeld ook uit zwaveldioxyde gevormd worden en onder natuurlijke condities {als stoffen die ijzer en zwavel ionen bevatten aanwezig zijn, bijvoorbeeld pyriet. Pyriet komt overigens in vele soorten gesteenten, klei , kool en turf voor)

(Eglinton, 1987].

In de reactie van kalk met zwavelzuur worden gipsmolekulen

gevormd, die een ca. twee keer zo groot volume innemen als

kalkmolekulen [Eglinton,1987; Kieslinger, 1930]. Deze volumever-meerdering resulteert in inwendige spanningen in het materiaal.

Direkt of indirekt kunnen zouten gevormd worden t.g.v. uit-

1

afscheidingsprodukten van micro-organismen. zouten die aantasting kunnen veroorzaken

Anorganische zouten die cement aan kunnen tasten zijn o.a.: -sulfaten;

-zouten zoals ijzerchloride en aluminiumchloriden;

-magnesiumzouten: bij de reactie van kalk met water worden in de cementporien onoplosbaar Mg{OH)2 gevormd en calcium-zouten, magnesiumchloriden of magnesiumnitraat.

-ammoniumzouten: ammonium hydroxyde {oplosbaar!) en een

caliumzout worden bij de reactie gevormd. Ammoniumsulfaat is het meest schadelijk van de ammoniumzouten. Calciumsul-faat dat gevormd is in de reactie van ammoniumsulCalciumsul-faat met calciumhydroxyde uit cement, is beter oplosbaar in opgelost ammoniumsulfaat dan in water; het afbraakproces van cement verloopt dan dus sneller.

Door kristallisatie van zouten in de materiaalporiên, kan mecha-nische destructie optreden.

Sul fa ten kunnen ettringiet-vorming veroorzaken door te reageren met C3A uit het cement:

C3A + 3 CaS04 + _{32 H20 --> C3A 3CaS04 32H2}

o.

Calciumsulfaat kan ontstaan uit de reactie van natrium sulfaat met calicumhydroxyde [Theissing, 1983].

Een andere expansiereactie is de volgende:

3Ca0.2Si02 .3H20 + _{3(MgS04 .7H20)} --> (CaS04.2H20) + _{3Mg(OH) 2}

+ 2Si02.nH20

MgS04 + _{Ca(OH) 2} --> _Caso4 + _{Mg(OH) 2}

Het calciumsulfaat reageert onder vorming van ettringiet. Ook Mg(OH) 2 vorming gaat met zwelling gepaard.

Achtereenvolgens zullen van enkele schadeveroorzakende organismen op minerale ondergronden, het schadetype en, indien bekend, het schademechanismen behandeld worden.

Bacteriên

Microbiêle aantasting van minerale ondergronden is, blijkens de literatuur, in vele gevallen direkt of indirekt een gevolg van excretie van biochemische produkten; met name zuren [Eglinton, 1987; Blaschke, 1986; Kirstein, 1986].

Hoewel de hoeveelheid excretieprodukten per bacterie zeer miniem zijn, kunnen grote hoeveelheden bacteriên zorgen voor een aan-zienlijke zuurproduktie. Bij biologische aantasting van natuur-steen varieert het aantal micro-organismen van duizenden tot enkele miljarden per kubieke centimeter [Krumbein, 1986].

In ca. 5 miljoen stenen van de Dom van Keulen die waren

aan-getast, bleken zich tot op 5 cm. diepte onder het

materiaalop-pervlak, micro-organismen te bevinden. De gemiddelde •concentra-tie' bedroeg 100.000 bacteriên per kubieke centimeter steen-materiaal [Krumbein, 1987].

Omdat de micro-flora zich tot enkele centimeters onder het oppervlak kan bevinden en in deze laag door hun af-juitschei-dingsprodukten het bindmiddel en het cement kan oplossen, kan steen en steenachtig materiaal brokkelig worden enjof verzanden

[Krumbein, 1986].

aantasting carbonaatbevattende gesteenten

Bij carbonaatbevattende gesteenten is in het geval van bacteriêle aantasting massieve gipsvorming in de slijmlaag karakteristiek. Met de slijmlaag kunnen de bacteriên de hoeken in het gesteente volledig bedekken. Door uitscheiding van biogene zuren, kunnen carbonatische bindmiddelen eerder oplossen [Blaschke, 1986] en omgezet worden in gips. Dit kan een vernietigende werking op

bijvoorbeeld natuursteen hebben [Blaschke, 1986; Bock, 1986].

Door gipsvorming en aanwezigheid van een slijmkapsel, verandert de materiaalporositeit [Bock, 1986].

aantasting door autotrofe organismen

Bock heeft aangetoond dat op bepaalde plaatsen waar sprake is van biologische aantasting, een zeer groot deel van de aanwezige micro-organismen (soms meer dan 80%) geen organische

voedings-stoffen nodig heeft [Krumbein, 1987]. Onder de

schadeveroor-zakende bacteriên bevinden zich namelijk autotrofe organismen die de energie die nodig is voor het omzetten van kooldioxyde in een organische substantie, kunnen verkrijgen uit oxydatie van anor-ganische stoffen. Hueck (1967) noemt als belangrijkste autotrofe, aan bouwmaterialen (met name steen en beton) schadeveroorzakende organismen, stikstof en zwaveloxyderende bacteriên, die energie verkrijgen uit oxydatie van ammonia respectievelijk sulfiden of polythionaten.

In de praktijk worden aan beton vaak organische toeslagen toege-voegd. Hiermee wordt aan het materiaal dus tevens voeding voor heterotrofe organismen ingebracht.

Nitrificerende bacteriên

Op sommige plaatsen komen in flats salpeterzuurvormende bacteriên in grote getale voor [Krumbein, 1986]. Ook in kalkzandsteen zijn dit soort bacteriën aangetroffen, zelfs tot enkele centimeters in het steenmateriaal (bijvoorbeeld in de Dom van Keulen).

De groep bacteriên die deze aantasting veroorzaakt zijn de

nitrificerende bacteriên. De nitrificerende bacteriên zijn te onderscheidnen in nitriet- en ammoniakoxydanten. Ammoniumzouten, die met lucht (stof) aangevoerd kunnen worden, en gasvormig No2 kunnen als uitgangsstoffen dienen voor de biochemische nitrifica-tieprocessen. Daarnaast leveren nitrietoxydanten als eindprodukt van het stofwisselingsproces nitriet, dat aan het begin van de stofwisseling van de ammoniakoxydanten staat.

NITRIETBACTERIEN = AMMONIAKOXYDANTEN = NITROSOMAS

2 NH4+ --> 2H+

I

--> _{2NH3 + 302} --> _{2HN02 + 2H2o + energie}

--> _{2H+ + 2N02 + 2H2o + energie}

De ammoniakoxydanten Z~Jn litho-autotrofe bacteriên. Zij kunnen

met ammoniak als energiebron en kooldioxyde als enige koolstof-bron groeien [Bock, 1986].

NITRAATBACTERIEN

=

NITRIETOXYDANTEN

=

NITROBACTER

2HN02 + 02 --> 2HN03 + energie

Nitraatbacterien Z1Jn in gesteenten tot op een diepte van enkele centimeters (5 cm.) vrijgemaakt. Door de vorming van salpeter-zuur verlaagt de salpeter-zuurgraad van het substraat (pH=5). Hoewel volgens Bock [1986] de groei van ammoniakoxydanten bij lage pH niet waarschijnlijk is, zijn ze onder deze omstandigheden toch aangetoond.

Het gevormde salpeterzuur kan cement oplossen. Bij de reactie van

salpeterzuur met cement ontstaat oplosbaar calicumnitraat:

calciumcarbonaat wordt in calciumnitraat omgezet [Hueck, 1967].

Salpeterachtige zuren kunnen een katalyse~ende werking op de

omzetting van sulfiet tot sulfaat hebben. Dit proces voltrekt zich bij een lagere pH waarde (pH=5) sneller dan bij pH=6 of pH=7 [Bock, 1986] .

Ni tri et heeft invloed op de opnamesnelheid van

so

₂ in

steen-materiaal en op de reactiesnelheid van

so

_{2 met H2}

o.

Gewoonlijk wordt

so

_{2 bij een pH=5 aan het steenoppervlak bij}

aan-wezigheid van zuren, langzamer opgenomen en in zwavelzuur omgezet dan bij pH=7. Echter, als nitriet is toegevoegd, geldt dit niet

[Bock, 1986].

Eekhardt [1985] schrijft dat bacteriên levend in stenen,

'keto-gluconic acids' en andere glucose-achtige stoffen produceren. Deze zuren blijken silicaat en fosfaat-mineralen goed op te kunnen lossen.

zwavel bacteriên

In de literatuur zijn artikelen aangetroffen waarin de aantasting van beton door zwavelbacteriên wordt gemeld. De schade wordt veroorzaakt door zwavelzuur dat sommige bacteriên uitscheiden (Eglinton, 1987]. Thiobacillus wordt in dit verband vaak als schadeveroorzakende bacterie aangetroffen. De aantasting treedt vooral op in gebieden met een warm klimaat [Eglinton, 1987]. Thiobacillen behoren tot de mesofiele organismen, dat wil zeggen

ze hebben een optimale groeitemperatuur rond 30

oe.

Zwavelbacteriên verkrijgen energie uit oxydatie van waterstofsul-fide enjof zwavel. Bij de laatstgenoemde oxydatie-reactie, wordt zwavelzuur gevormd:

2H2S + 02 --> 2H20 + 2S + energie

2S +

o

₂ + _2H2

o

--> _2H2

so

₄ + energie

Het gevormde zwavelzuur is het produkt dat in hoge mate verant-woordelijk gesteld mag worden aan de betoncorrosie.

Door de reactie van Ca(OH) 2 met zwavelzuur kan gips gevormd worden.

Reactie van calciumcarbonaat met zwavelzuur leidt tot de vorming van calciumsulfaat. Door de reactie van zwavelzuur met kalk en andere stoffen kunnen zouten gevormd worden, bijvoorbeeld calcium

en aluminiumsulfaathydraten, die de microporiên kunnen aantasten. Forrester [1959] geeft een uitvoerige uiteenzetting van processen die gemoeid (kunnen) zijn bij aantasting van betonnen riolerings-buizen door zwavelbacteriän. Hieronder wordt een samenvatting gegeven van het microbiologische deel dat direkt dan wel indirekt betrokken is bij de aantasting:

Waterstofsulfide in de riolering kan door bacteriên gevormd worden. Sulfaten worden tot sulfide gereduceerd door Sporovibrio

desulphuricans of pesulfovibrio desulfuricans [Hueck, 1967].

Organische componenten worden gevormd uit de afbraak van zepen, koolhydraten en eiwitten. Bij oxydatieprocessen worden sulfaten gereduceerd.

De reactie verloopt als volgt:

Deze anaerobe reactie verloopt bij hogere temperaturen sneller.

Uit waterstofsulfide kunnen 'thiosulphuric• en •polythionic•

zuren gevormd worden. Deze reduceren de zuurgraad van het

beton-oppervlak van 11

à

12 tot pH=7. 5. Deze zuren kunnen ook door

organismen van de Thiobacillus groep gevormd worden. Verlaging van de zuurgraad, begunstigt de milieuomstandigheden van Thioba-cillus • Deze bacteriesoort produceert zwavelachtige zuren, die de pH nog sterker verlagen. Als de zuurgraad pH=S onderschreidt, worden de omstandigheden voor Thiobacillus concretivorous gun-stiger. Deze bacteriesoort produceert zwavelzuur in hoeveelheden,

die ervoor kunnen zorgen dat de pH van beton tot 1 a 2 daalt !!

Ook Thiobacillus thiooxydans kan de zuurgraad van het milieu tot

1

à

2 laten dalen [Kirstein, 1986].

Onderstaande figuur geeft schematisch de aantasting van beton door Tbiobacillus aan.

;'

/ / / o.

I

c, H,$ H,O

I

_\~--!---.i'

'

·--r-

'

\

I

I

\----

---'

'

-,~:~. dJI'ftf

'·'

··,·~

'

'

- Thr reacrions ><·hith rai<c plnte in rhe St'><·t:r

~!ACioONS Ai CONCI\EH SURfACH

0, H,O I ... I o • .~ ... 1, ... tnd low watt• koV't'tl I " " • Tt. )' l• 1\EACTIONS lN SLJM( ANO S!l T f>j> ... .,.., so.-~ f.rOI;tol'fUC: ~" O•r ~ ->',S ak·l.l .... 't.Uip~.;~·•

Hueck (1967) geeft eveneens een aantal aantastingamechanismen van beton:

au thora

rerr:u-.r..s

A sut"'r.'i:;.ry o! 1..!'-.€::-~~:: co:-JCer:_i:.:..: t!··t: .t.1oèeter1.:r~'t.1.:r~

cf ccncr! 'te se~è:-: Parker (1947} p:-1 of o.:;nc:rete ,Pl:'ocess 12

l ...

carbonat1on o:f :free 11me 8.4 fixatien of ~s. produced 1n tfie ••• sludre. forr.~­ tiou c: thics~­

phuric e.nd J'Y-'1~·­

tr..tonic ac i :is

j ...

1

I

rûscell.!a.r.eo·.;s ba.cterh oxià-••• izine thiosul-phnric intc-polrt!".ior.ic 'S.Ciê.e:

I

~.iob~cillus 1 ttioparu~

o7.~d-l

...

iz~s pr.uric and pc • .--ti·;iosJ.;l-, ..

· thionic :lcjès int·-::. S + H""!:::.. " ~ ! T.

concretjvc--1

...

rus oxidizes s L"lt•· ~s:·₄ 2

corrosie~ r~te incre~ses

:..s pH decre~se:; JUg:ion a: Be!.l"dsley ( 1958) cc:-.::rete pr.;,cess 12

l· ....

c l!lrbanll-cian 9 ! · T~..1.cbac11lus

l

t!::!oparu!!

oxid-i:zes a.,s, pro-• pro-• pro-• pro-•. :i~~e:i ir. sludge, · in~j

thiosul-phuric e.nd

poly-t.:'.! o:üc a: ids , ~. thico~~~ns ! •••• ·"--.::! T.

conereti-l

v :r·.ts proc;uce ;.:';:.s~'.L, te~p;:-attre sho~ld be =-~ ·:! 7~ r PorTester (1959) pH of concrete prcccss 12 '41 5 '!2s is i orr:w:;:i 1n sluáge, t.!"J.s is o:d.é1ze:i h:;-···Other bacteria into thioso.J.-ph.tric e.nd p:;ly-tt.ior.iC' :lC 1 :i!!

I

'I. ::on:: re ti

,-o-1

.

• ....

rus produces H 2so4 2 sludge Wls ri:t L~ C':S':: . , te~,p. :o~p t-:: xC

Thiobacilli Z1Jn ook aangetroffen op kalk en zandsteen, dat een hoog sulfaatgehalte bleek te bevatten. Als verklaring hiervoor werd gegeven dat het voor de omzetting tot sulfaat benodigde sulfide afkomstig zou kunnen zijn uit grondwater of regenwater

[Hueck, 1967].

Lichenen

Lichenen worden vaak op gesteenten aangetroffen. De thallus

bevindt zich veelal op de steen, maar de hyfen van de schimmel-component kunnen tot diep in de stenen dringen [Richardson, 1975].

De ontwikkeling van lichenen verloopt op stenen zeer langzaam.

Als ze eenmaal ontwikkeld zijn, kunnen ze goed tegen extreme milieucondities (voor wat betreft de parameters temperatuur en vochtigheid) [Richardson, 1975]. Volgens Kieslinger (1932] zijn korstmossen tamelijk nauw verbonden aan een vochtig milieu.

Het zijn met name kalksteen en basische stenen waarop lichenen zich graag vestigen. Dit is de reden dat graniet, een 'zure steen', niet snel door lichenen aangetast wordt. Bij bakstenen, is de aantasting veelal te wijten aan kalkinsluitingen in het materiaal [A.ciarallo,1985].

Vooral de zuren die lichenen produceren kunnen een aantastend effekt veroorzaken [Richardson, 1975]. Ook kan het kooldioxyde dat door lichenen geproduceerd wordt in het materiaal, in een zuur omgezet worden (A.ciarallo, 1985]. Daarnaast kan mechanische destructie ontstaan door verandering in volume in droge en natte perioden, waardoor wisselende spanningen op de materiaalstructuur ontstaat. Door het waterbindende vermogen kan de kans op vorst schade toenemen [Hueck, 1967].

verkleuringen t.g.v. aanwezigheid van lichenen

Het licheen Verrucaria nigrescens kan een donkere verkleuring op stenen te zien geven, die echter door Calaplaca pyracea, een gele korstmos, enigszins van kleur afgezwakt kan worden [Kieslinger, 1932].

De verkleuring behoeft echter niet alleen te wijten te zijn aan de aanwezigheid van het licheen; zijn excretieprodukten kunnen eveneens een verkleuring veroorzaken.

Lichenen kunnen de poriën van gesteenten geheel opsluiten

[Kies-linger, 1932]. Hiermee maken ze door hun aanwezigheid het

gesteente ontvankelijk voor vestiging van hogere planten, zoals mossen.

Distributton of microflora over different substrata.

IMESTONI 1o1Ait81.E TUFF lltiCKWOitll GltANITE

YEitii\ICAitiA II\IPE5Titll

•

•

.

Ml<IIAI.IS

•

•

.

CAt.CISEDA

•

AltTHO,.IRf:NIA SAXICOI.A

•

LICANOIIIA XANTOt.ITA

•

.

CAt.CARE A

•

.

CINEitEA

•

•

•

. "Aitf:t.lA

•

.

MIJitAliS

•

ATitA

•

"HYICIA COEIIA

•

LICIDEA OECI"If:f,IS

•

COLOII'LACA l'lltltUQINEA

•

-

MUftORVIl

•

•

"lltTUSAitiA COMioiUNII

•

8ACIDIA lP

•

XANTHOitiA "AitiETIIfA

•

•

Dll"t.OICHIITII ICitU .. M

•

. . INDOLITMIÇ • EPIUTHIC • Lt:AFY

Fungi

Fungi zijn heterotrofe organismen. In principe zouden ze dus van minerale ondergronden niet kunnen leven. Echter, veelal zijn aan

pleisters en ook beton organische stoffen toegevoegd, zoals

bijvoorbeeld eiwitten/gedenatureerde eiwitten, plantaardige of

dierlijke vezels (bijvoorbeeld gelatine of houtvezel), soms

oxalaat, methyl of ethyl cellulose en caseine, zodat schimmelont-wikkeling op minerale ondergronden toch mogelijk is. Ook

vervui-ling van het oppervlak met organisch ma~eriaal dat aan het

oppervlak kleeft, of organismen in het materiaal (bijvoorbeeld bacterH!n met slijmkapsel) kunnen minerale ondergronden ontvan-kelijk maken voor fungi.

Houtaantastende schimmels zoals Merulius lacrimans en Poria

vaporaria kunnen al groeiend vanuit hout, over beton groeien en zelf met hun hyfen tot diep in pleisterwerkjbetonjsteenmateriaal doordringen. Eekhardt [1985] vermeldt dat houtaantastende schim-mels in zandjeement proefstukken van 10 cm. dikte binnen vier weken binnendringen.

Fungi kunnen zich zowel op stenen bevinden als ook onder het oppervlak. Uit een aangetast (stenen) monument zijn de volgende

fungi (imperfecti) aangetroffen tot zelfs 10 mm en meer (!) onder

het oppervlak:

Penicillium, Cladosporium, Alternaria, Aspergillus, Aureobasidiurn Cpullulansl en Torula [Eckhardt,1985].

Aantasting van minerale ondergronden door fungi, is veelal te

wijten aan excretie van organische zuren. Per schimmelsoort

kunnen de uitgescheiden stoffen verschillen, zowel kwalitatief als kwantitatief. De uit-jafscheidingsprodukten hangen af van het soort organisme, de chemische samenstelling van het substraat en de fysische omstandigheden. Ook de aanwezigheid van andere fungi of micro-organismen in de direkt omgeving, bepalen kwalitatief als kwantitatief welke stoffen uitgescheiden worden in het milieu

[Turkova, 1978].

Uitgescheiden produkten zijn onder andere organische zuren zoals

oxaalzuur, citroenzuur, gluconate (?), fumaraat (?) [Eckhardt,

1985].

Door zuurafscheiding op steenachtige materialen worden oplosbare

metaalchelaten gevormd, die als •voedingselement' voor een

schimmel kunnen dienen. De overmaat aan gevormde chelaten wordt door regenjwater weggespoeld [Ganorkar, 1987].

Eekhardt [ 1985) vermeldt dat 'gl uconic acid' , dat onder andere door Aspergillus niger wordt gevormd, het ijzer-ion uitloogt en tot een chelaat omvormt.

Marmer, kalksteen, graniet en basalt kan verweren door een

reactie met oxaal- en citroenzuren, die door fungi worden uitge-scheiden [Eckhardt, 1985]. De vorming van calcium en magnesium-oxalaat kristallen klevend aan schimmelhyfen of afzettingen in de

nabijheid hiervan, is volgens hem gerapporteerd.

Door Penicillium soorten wordt voornamelijk citroenzuur afge-scheiden [Ganorkar, 1987].

Citroenzuur maakt uit gesteente onder andere calcium, silicium, ijzer en aluminium ionen vrij. Hieruit wordt geconcludeerd dat de kristalstructuur aangetast wordt.

De chemische aatasting van gesteenten door onder andere fungi wordt .door Eekhardt [1985] als volgt beschreven: 'In het algemeen

monovalente cations in het mineraal, worden vervangen door

protonen, en worden uitgespoeld door waterbewegingen. Di- en

tiri valente cationen zullen worden opgelost door chelaatvorming

met organische zuren; ze worden snel uitgespoeld. Stabiele

metaal-organische chelaten resulteren in vorming van 5- of 6-ring systemen, bijvoorbeeld door oxaalzuur, citroenzuur of 'gluconic acid' complexen.

Onderstaand schema van Turkeva [1978] laat het aantastingsmecha-nisme van minerale ondergronden door fungi zien.

~TERIALEN OP HINERALE BASIS monosacchariden ~

~

..; til V en andere afge- 3

splitste molekulan ~i~v

~ ll<llJ

~

po""

til:-

'V ~ l:-schadeveroorzakende schimmel

toename van het volumegewicht van materialen

- beschadiging van de structuur - gevol schade

Die in das Ge$teir. eindrince~de Mi•roflora löst Ze~nt auf und tran$portiert die dabei erztJgten Kationen unó Anionenjenach Wetterlage nach innen oder r.ach au5en. Hierdurct-. entstehen Ver-krustungen innen und au5er.. Die asgressivsten Mikrocrg!nismen

sina ~eist unsic~.tbar.

An der Stelle, an der die Innen- und Au5enkrusten an die frei ge-waschenen Partien de$ Natu","eines ansto5en, komrnt es häufig zu verstarkten LösungserscheinJngen unc Inhomogenitäten, die die

Kru-ste-: scrl 'e.~l ie" abplaêzer ··.!sse". "~er sind ver alle"' die

un-sicntbare~ che~o1itho- oóer ~hemoor;anotrophen Bakterien aktiv.

a. b.

c.

d. e.

De hoeveelheid micro-organismen die opjin een materiaal aanwezig zijn, is, zoals reeds is vermeld, naast de beschikbaarheid van voedingsstoffen, sterk afhankelijk van de hoeveelheid vocht en daarnaast van de temperatuur.

Onderstaand schema laat resultaten van het effekt van vochtigheid op de ontwikkeling van schimmels op diverse materialen zien. De

experimenten zijn gerapporteerd door Coppock & Cookson [1951].

Emir.t qf_ MOwl4 prJfJAl

Time, weeks Growtli •t R.H. ('};) of

')s (o) 2 3

..

tb) t 2 3

..

(c)

..

(d) 2 3

..

(J!) 2 3

..

(fl I 2 3 4 (.() r 2 3

..

(11) 2 3 4 (i) I 2 3

..

70 8o 0 +++ ++ 0 ++++ ++++ 0 _~++++ +++++ 0 +++++ +++++ 0 ++ ·:;.++ 0 ++ ++++ 0 ++ . ++.++ 0 ++ +++++ 0 0 0 0 +- +-0 + ++ 0 + ++ 0 ++ ++ 0 +- +-0 +- +-0 +- + 0 +- + 0 0 ++ 0 0 ++++ 0 0 ++++ 0 0 +++++ 0 +- ++ 0 ++ +++ 0 +-'-+ ++++ 0 +++ ++++ 0 +- + () +- + () +- + () + + 0 + + () ++ ++ () +++ +++ () +++ ++++

o = DO mould growth observC!'d

+ - - very alight mould growth

+ -= alight mould growth

+ + ... moderate gro~"th + + + - beavy growth '90 9.S 0 0 0 0 +- + +- +++++ +++ +++ ++++ ++++ ++++ ++++· +++++ +++++ 0 0 + + ++ ++ ++ ++ ++ _I ++ 'o 0 0 0 0 +-+ + 0 0 0 , 0 +~ +-. +- +-++ ++++ +++ +++++ +++++ +++++ +++++ +++++ +- + + + + + + + I +t +++ '+++ +++ ++++ ++++ '+++++ +++++

+ + + + "" very hl".avy growth

+ +

+

+

+ "" prolific growth beyend v;hich '\'Î!Iual examination WllS

incapable of difierentiation.

(bron: Coppock,Cookson, 1951)

natural surface of wood f.

freshly painted surface of wood g.

hardened paint h.

plastered wood i.

distempered wood

natural surface of brick whitewashed surface of brick cement rendered brick

Algen

Algen die aangetroffen worden op steenachtige ondergronden, zijn te onderscheiden in:

-soorten levend in een lichte omgeving, die perioden van droogte kunnen weerstaan. Dit zijn veelal de sterk gekleurde soorten. De cellen zijn voorzien van sterk hygroscopische sacchariden waardoor vocht aangetrokken en vastgehouden wordt, en

-soorten die slechts een beperkte hoeveelheid licht nodig hebben, maar een constante (hoge) vochtigheid.

Blauwalgen (cyanophycees) zijn grijs, zwart of levendig gekleurd (groenjgeeljblauw). De corrosieve actie van blauwalgen verloop niet snel, maar de reacties die ze op gang brengen, maken het

milieu ontvankelijk voor diverse andere begroeiingen

[Dupuy-,1975].

Condities waaronder algen op kalk goed groeien zijn:

-aanwezigheid van een substraat dat rijk is aan calcium en

carbonaat. De meeste algen worden aangetroffen op zand- en

kalksteen (Hueck, 1967].

-aanwezigheid van kleijleem. Dit bevordert hun groei aanzienlijk; -een vochtig milieu. Algen ontwikkelen zich echter beter aan een

oppervlak dan in het water (vloeistof) [Dupuy, 1975].

In zeer lange, droge klimaatomstandigheden sterven de algen af, maar hun sporen handhaven en ontwikkelen zich verder als de omstandigheden gunstig zijn.

Algen hebben in het algemeen een hekel aan stikstof. Ze leven veelal in een relatief onvervuilde atmosfeer [Richardson, 1975]. Kieslinger ( 1932] vermeldt dat de esthetische aantasting van algen erger lijkt te zijn dan de technische schade aan het materiaal. De aantasting kan een gevolg zijn van uitscheiding van organische stoffen: carbonaat kan in uitgescheiden zure stoffen oplossen in oplosbare bi-carbonaten (Hueck, 1967].

8. BIOLOGISCHE AANTASTING VAN GLAS

Korstmossen en algen kunnen schade veroorzaken aan glas; zowel op kerkglas (glas in lood) als op bouwglas kunnen ze zich hechten.

Ze kunnen putvorming, verkalking en 'afbladdering' veroorzaken.

Onderzoek van Krumbein [1986] heeft aangetoond dat deze aantas-tende organismen uit het glas

-kalium -fosfaat -mangaan -koolstof -zilver -arseen kunnen onttrekken.

Bacteriên en schimmels die op glas aangetroffen waren, bleken zich niet aan glas te kunnen hechten, maar konden wel zware metalen uit diverse glassoorten, zoals alkaliglas en loodglas, onttrekken [Krumbein, 1986].

9. BIOLQGISCUE A.ANTASTING VAN ENKELE JWHSTSTOFFEN

Een belangrijke rol in de degradatie van verfsystemen, spelen met name schimmels. Ook bacteriên spelen, mede vanwege hun grote aanpassingsvermogen, een belangrijke rol (Ross, 1968] • Kempsen [1976] vermeldt dat Aureobasidium pullulans een schimmel is die

in vele gevallen (90-98% ?!) aantasting van verf veroorzaakt.

Naast verfsystemen, blijkt Aureobasidium pyllulans tevens vele andere organische materialen aan te kunnen tasten.

Degradatie van verfsystemen kan veroorzaakt worden door micro-biêle interactie. Volgens Kempsen (1976] zou het mogelijk kunnen zijn dat bacteriên zoals Pseudomonas verflagen aantast met behulp van Cellulase of een ander enzym. Aureobasidium pullulans kan dan sommige hydrolyse (tussen) produkten als voedselbron gebruiken. Volgens Ross (1968) worden Pseudomonas en met name P.aeruginosa is vaak geisoleerd uit waterverdunde verfsoorten. Deze

waterver-dunde verven bevatten celluloseachtige stoffen, eiwitten en

chemische toevoegingen, die als voedingaelement dienen. Bij

dispersie verfsoorten zijn het met name de celluloselijmen en cellulose-ethers, die als voedingsstof dienen (Bablick, 1987]. Ook verdichtingsstoffen, monomere azijnzuren en weekmakers kunnen afgebroken worden [Bablick, 1987].

Ross (1968) noemt een aantal micro-organismen die verf aantasten: aantasters van buitenverfsystemen:

-pyllularia pullulans -Phoma glomerata

-Cladosporium sp. -Alternaria sp.

-Flavobacterium marinum

Schimmelgeslachten die veel binnenverfsystemen aantasten zijn Aspergillus en Penicillium.

Ross (1968) geeft een schema van de afbraak van lijnzaad olie-verf. Giuo&w

•

~,. ... -H"PP.-OQanldchy<tc • t ~ol I'Jnric t ..., _ _ f...,a<id--..-oil (bron: Ros s 1968)