Половинка разобрать по составу: Страница не найдена

Содержание

Разбор слов по составу, морфемный разбор

Разбор слов по составу

Каждое слово состоит из составных частей. Выделение этих частей – и есть разбор слов по составу. Его также называют «морфемный разбор слов». Чтобы научиться делать такой разбор быстро и безошибочно, необходимо первым делом понять, какие части слов бывают, и как они определяются.

Кстати, чтобы сделать грамотный морфемный разбор слов, особенно если вы столкнулись со сложными словами, будет нелишним использовать специальные словари морфемных разборов. Они могут быть электронными, ими легко и удобно пользоваться в режиме онлайн, например – на нашем сайте.

Разбираем поэтапно

Морфемный разбор слова необходимо делать в определенной последовательности:


  • Для начала, выпишите слово и выясните, к какой части речи оно относится. Если это, к примеру, наречие – знайте, что оно не будет иметь окончания и других частей, так как не изменяется.
  • Определите окончание, если оно вообще есть. Для этого просклоняйте слово, произнесите его в разных падежах. Например: стол, стола, к столу… Вот эта изменяемая частичка в конце – и есть окончание. Выделяете его в квадратик.
  • Далее стоит определить основу. Это та часть, у которой нет окончания. Например, слово «городской»: тут окончание «ой», и основа «городск».
  • Как видите, основа может содержать в себе суффикс и даже приставку.
  • Находим приставку, если таковая имеется. К примеру, слово «застолье»: после того, как вы определили основу «стол», вы безтруда найдете приставку «за».
  • Определяем суффикс. Эта часть слова стоит сразу после основы (корня» и нужна, чтобы образовать новое слово. Например, был стол – стал столик. В этом случае «ик» — суффикс (окончания нет). Был лес – стал лесок, или лесник.
  • Последний этап – найти корень слова. Это та часть, которая не изменяется. В случае со столом, «стол» и есть корень. Чтобы определить корень, найдите однокоренные слова.

Каждая часть выделяется графически, с помощью особых значков. Корень (или основа» выделяется полукруглой дугой сверху, суффикс – треугольной «галочкой» сверху. Приставка похожа на лежащую горизонтально букву «Г» и рисуется над словом, а окончание – это квадрат или прямоугольник, в который заключается часть слова.

Особенности, которые следует знать

Морфемный анализ – процесс, который может показаться слишком простым, а может и наоборот, вызывать ряд сложностей. Вот, что стоит всегда знать и учитывать:


  • Нельзя начинать разбор с поиска корня, даже если на первый взгляд он очевиден. Это может привести к ошибке, так что начинать всегда следует с окончания. Часто этап определения корня стоит вторым в плане, но все же вернее именно заканчивать разбор этим этапом, так как это – наиболее безошибочный путь.
  • Не стоит путать слова с нулевым окончанием, и те, которые не имеют окончаний. Ведь нулевое окончание – это по сути такая же часть речи, а слово, не имеющее окончаний – не изменяется вовсе. Например, это наречия, деепричастия, сравнительные степени прилагательных и некоторые исключения.

Чтобы научиться делать морфемный разбор грамотно, не забывайте пользоваться электронными словарями, которые доступны на нашем сайте. Это удобно, и позволит вам научиться разбирать слова безошибочно!

Кирпичная кладка

Немного истории

О кирпичах и способах их укладки человечество знает уже сотни лет. Одними из наиболее древних видов считаются формованные кирпичи на основе глинистого ила. Их впервые открыли в районе сирийского Дамаска приблизительно в 7500 году до н.э. Этот строительный материал использовали и древние египтяне. Около 4000 года появились первые сырцовые кирпичи, которые сушились под воздействием прямых солнечных лучей на территории современного Ирака. Широко применяли в своих нуждах кирпичи каменщики из Китая (самый яркий пример – строительство Великой Китайской стены, начавшееся по разным данным в пределах третьего-пятого века до н.э). Ученые уверяют, что это архитектурное сооружение рукотворного типа просматривается даже из космоса.

В древнем Риме в строительстве применяли обожженные кирпичи. Именно в здешних легионах появились специальные печи для обжига переносного типа, которые позже стали известны на всю империю. Около 2000 лет назад слухи о таких кирпичах дошли до развитых европейских стран. Известные ученые того времени, имея новаторскую точку зрения, превратили процесс кладки в обычное ремесло. Причем касалось это всех этапов работы – от приготовления раствора до выбора перевязок. Но после падения Римской империи это бесценное умение почти забылось.

Новый виток развития кирпичного строительства начался в конце семнадцатого века – толчком стал лондонский пожар 1666 года. Тогда в стране стали пользоваться кирпичами, чтобы восстановить и построить новые здания. Тем не менее, только два века спустя трудоемкий способ изготовления материала вручную сменился механическим. Невзирая на появление машин и инструментов, эта промышленная отрасль развивалась не слишком стремительно. В первую очередь, потому что сырец, как и ранее, подвергался обжигу в печах напольного типа, которые обладали скромной производительностью и периодичным действием.

Первая печь для обжига была создана в 1858 году. Она позволяла непрерывно и одновременно осуществлять кирпичный обжиг на каждом из этапов.** Появление такого агрегата дало стремительный толчок развитию кирпичной промышленности. Например, накануне Второй мировой войны производство строительных материалов в Великобритании выросло вдвое по сравнению с прошлым десятилетием.

Веками глина оставалась ключевым строительным материалом, а свойства кирпичей подвергались изменению в зависимости от сферы их использования. На сегодняшний день глиняные кирпичи – основной инструмент, который используется в строительстве разнообразных зданий и сооружений, начиная  с жилых домов и заканчивая предприятиями промышленного назначения. Кирпичами пользуются, чтобы построить туннели и мост, каналы и переправы. Сейчас представлены разные виды, цветовые гаммы и фактуры кирпичей, что дает возможность, имея креативное мышление и фантазию, видоизменить, как внешний вид здания, так и конструкционные особенности.

Традиционное производство кирпичей начинается с подготовки специальной глины, которую формуют и подвергают обжигу разными технологическими способами. Каждый из методов обработки дает уникальный кирпич с конкретными свойствами и характеристиками. Разнообразие цветовой гаммы достигается с помощью оксидов и сульфидов железа, а также прочих вспомогательных веществ. Повлиять на другие параметры, такие как физические свойства, цвет материала и его прочность можно с помощью глины с разным минеральным составом.

Каждый вид глины имеет одну общую черту: механическое измельчение, а также перемешивание с водой для дальнейшего перемещения в формы.

Добытая прямо из карьера глина обязательно должна постоять некоторое время на открытом воздухе. Это необходимо для того, чтобы вымылись все примеси и растворимые соли. Если не соблюсти необходимую выдержку, на кирпичной кладке могут появиться высолы.


1. Кирпич с желобом

Один из самых проверенных и надежных способов — оставить кучу глины на улице, чтобы подвергнуть ее сезонному влиянию атмосферных осадков и вымыванию солей дождем. Все остальные виды глин должны быть предварительно обработаны специальным оборудованием для отмачивания, а уже потом переданы на хранение в специально отведенные для этого открытые площадки и склады.
После выдержки промытая глина измельчается. Процесс этот является поэтапным, чаше всего, трехступенчатым, и происходит до тех пор, пока глина не приобретет вид частиц размером 1-2 мм. В этот момент добавляется вода, чтобы глину можно было залить в формы для кирпичей тремя основными способами.


Строительный раствор: состав и особенности.

С химической точки зрения, строительный раствор – это связующее звено, «клей, заполняющий зазоры». Его основная задача – удержание каменных элементов воедино. Строительный раствор выравнивает все несовершенства кирпичей – форму и размер. Также он оказывает влияние на такие параметры, как прочность к сжатию, долговечность и устойчивость к влаге кирпичной кладки. Таким образом, раствор не менее важен при возведении стены, чем непосредственно блоки или кирпичи.

Строительный раствор обозначается как смесь, которая состоит из трех основных компонентов – заполнителя (мягкого или строительного песка), вяжущего вещества (портландцемента) и воды.

Чтобы раствор получил определенные эксплуатационные свойства применяются специальные добавки – пластификаторы и пигменты. Цемент с добавлением воды образует пасту. Она равномерно покрывает поверхность каждой песчинки, соединяет частицы между собой и образует монолитную структуру по мере затвердевания раствора. С точки зрения физики, песок не изменяется, но держится в затвердевшем цементном тесте, который напоминает скальную породу.

Основные требования к строительному раствору

Для каменщика строительный раствор должен иметь «жирную» структуру. Под этим определением понимается, прежде всего, простота в работе, отсутствие липкости, легкость разравнивания. Немаловажное значение имеет и скорость схватывания: смесь должна позволять заполнять швы в любых обстоятельствах. Если раствор соответствует вышеизложенным требованиям, то его можно назвать «удобоукладываемым». Если же этот показатель плохой, это может повлиять на процесс кладки и значительно уменьшить производительность труда мастера. Подхватывание и расстилание строительного раствора в таком случае затрудняются. Сложности касаются и создания вертикальных швов на стыках кирпичей, потому что жесткие растворы имеют плохую адгезию и не держатся на кирпиче и/или кельме. Удобоукладываемость можно улучшить, включив в смесь пластификаторы или известь. Но даже при получении строительного раствора высокого качества не стоит забывать о других факторах, влияющих на итоговую работу.

Пластичность

Если говорить о промежутке времени, на протяжении которого строительный раствор должен оставаться пластичным, то это компромиссный результат. Удерживание пластичности должно быть по продолжительности таким, чтобы за это время обеспечить бесперебойное выполнение всех процессов, начиная с укладки и выравнивания кирпичей и заканчивая заполнением швов. Все это должно произойти до тех пор, пока строительный раствор не высох. Самая большая проблема может возникнуть при использовании очень сухих кирпичей, которые быстро всасывают влагу. А растворы с высокой пластичностью необходимо укладывать до определенного значения высоты, прежде чем произойдет просадка стены и выдавливание постельных слоев раствора из нижних рядов.

Долговечность

Показатель долговечности строительного раствора (иначе говоря, его устойчивость к погодным условиям, морозу и воздействию химических веществ) зависит от состава смеси. Долговечность должна учитывать конкретную цель, назначение смеси. Например, тощий раствор разрешен к применению на внутренних перегородках. Однако аналогичная смесь для наружных стен, которые постоянно подвергаются воздействию окружающей среды, быстро испортится.

Хорошее сцепление с кирпичами

Жирные растворы, которые состоят в основном из цемента, значительно усаживаются при высыхании; поэтому строительный раствор, которым заполняются швы, в результате отходит от кирпичей. Между кирпичом и раствором появляются мелкие трещины, которые оказывают негативное влияние на прочность конструкции. Таким образом, дождь может попадать во внутренние ее части, что несомненно придет к дальнейшему разрушению, особенно в условиях низких температур зимой. Значительную скорость усадки при высыхании имеют также другие виды материалов, к примеру, бетонные блоки и силикатные кирпичи. При этом сложности только растут, если их кладка осуществляется на основе строительных растворов жесткого или жирного типа.

Прочность на сжатие

Излишне жирные строительные растворы подвержены влиянию на неравномерное движение. В результате могут возникнуть трещины, хоть и в небольшом количестве, но достаточно крупного размера. Чаще всего, они распространяются на все кирпичи и блоки, а не по швам. Тощие строительные растворы могут компенсировать небольшие сдвиги конструкции, но тонкие трещины будут скапливаться в швах. При необходимости ремонта гораздо проще расчистить швы и повторно их заделать, чем полностью удалять или заменять кирпичи, которые уже треснули.

Идеальный состав для строительного раствора

При разных условиях нет возможности предусмотреть все нужные характеристики строительного раствора. Например, высокая прочность смеси достигается за счет специального соотношения песка и цемента – 3 к 1. Но этого можно достичь только за счет изменения удобоукладываемости в худшую сторону. Поэтому, учитывая все возможные условия, идеальный раствор должен соответствовать следующим критериям:

  • иметь хорошую удобоукладываемость и сохранять пластичность;
  • хорошо сцепляться с кирпичами или блоками;
  • не препятствовать уплотнению и заделыванию швов с целью защиты от негативных атмосферных явлений;
  • иметь внешний вид, гармонирующий с внешним видом строительного материала;
  • иметь хорошие показатели долговечности (с учетом сферы применения) и прочности, но одновременно быть чуть менее прочным, чем используемые блоки и кирпичи. (Выбор кирпичей имеет первоочередное значение в аспекте подбора строительного раствора.) Конечная прочность раствора зависит от прочности кирпича или блока.

Она должна учитывать устойчивость выбранных строительных материалов, но не превышать ее. В таком случае трещины вследствие подвижек будут находиться в швах, а не в кирпичах. Это значительно упрощает сложность ремонтных работ.

Чтобы учесть все вышеназванные требования, целесообразно применять смесь с цементом, гидравлической известью и песком в пропорциях, подходящих для эксплуатации.

Цементно – известково – песчаный раствор

Несмотря на то, что этот раствор принято называть «цементно – известковым», в нем содержится гидравлическая известь. Она практически не оказывает влияние на такой показатель, как прочность, но исполняет роль пластификатора, превращая строительный раствор в технологичную субстанцию. Кроме того, известь имеет хорошие водоудерживающие свойства. Этот параметр указывает на время отверждения строительного раствора, т.е. продолжительность его работоспособности и пластичности. Известь в составе превращает раствор в более пластичную смесь по сравнению со стандартным цементно–песчаным раствором. Таким образом, при неравномерных сдвигах конструкции, их можно с легкостью компенсировать. Известь, добавленная в строительный раствор, также положительно влияет на его эстетическое восприятие, ведь смесь приобретает приятный кремовый цвет.

Гидравлическая известь

Известь классифицируется на два вида: «гидравлическая» и «негидравлическая». Первая под водой становится твердой, вторая затвердевает на воздухе. В сфере строительства чаще всего применяют негидравлическую известь, которую делают посредством нагрева чистого известняка при температуре 1066 °С. Полученную «негашеную известь» смешивают с водой («гасят»), чтобы создать известковое тесто. При небольшом количестве воды получается известь в виде мелкого порошка белого цвета, фасуемого в 25-килограммовые мешки. С учетом меньшей плотности извести по сравнению с цементом, мешки получаются внушительных размеров.

До начала эксплуатации гидравлическую известь в мешках необходимо хранить подальше от влаги и сырости. Рекомендуется расположить материал на деревянном поддоне. Помещение должно хорошо проветриваться, иметь надежную защиту от атмосферных осадков. Подойдет навес, сарай или другое подобное помещение. Мешки лучше расположить друг на друга (но не более пяти в высоту). В случае, если не обойтись без складирования вне закрытого помещения, то рекомендуется расположить мешки без прикосновения с землей, а также защитить полиэтиленовой пленкой. При этом важно следить за тем, чтобы материал оставался сухим.

Перед тем, как цемент стал неотъемлемой частью строительного раствора, его называли «материалом для обмазки». Это был раствор из заполнителя и извести в соотношении 3:1, где применялось тесто из негидравлической извести, крупнозернистый песок с гранулометрическим составом и его мягкий аналог.

Подобный раствор и на сегодняшний день предлагают специализированные поставщики. Его используют в исторической архитектуре, при укладывании кирпичей и блоков, для расчистки и повторной заделки швов, в ремонтных работах и оштукатуривании внутренних стен (и для верхнего, и для нижнего слоя), а также наружных.

ПЕСОК

Песок и заполнители из щебенки представляют собой продукты природного происхождения, которые применяются для строительного раствора и бетона. Эти материалы добываются на тех участках Земли, где в древности формировались русла рек и морей. Под определением «заполнитель» подразумевается общее название строительных продуктов. Это может быть гравий, щебень, песок. Все они при контакте с цементом и водой образуют бетон.

Понятия «мелкий заполнитель», «песок для бетонной смеси» или «крупнозернистый песок» обозначают традиционный природный песок, щебень, прочие заполнители, проходящие через 5-миллиметровые ячейки сита. При этом они неоднородные и крупные, если сравнивать с песком для строительных растворов. Для удобства материал идентифицируют, как «мелкий заполнитель», чтобы избежать путаницы с мягким песком. Учитывая тот факт, что этот вид заполнителя крупнее мягкого песка, его не используют в строительных растворах. Полученная смесь не подходит для работы, усложняет качественную отделку при обработке швов. По сравнению с мелким заполнителем (иными словами, «песком крупной фракции с остроугольными зернами»), песок в строительном растворе, считается «мягким» (реже – «строительным песком»).

Главное качество мягкого песка – хороший гранулометрический состав. Если он плохой, может понадобиться цементное связующее для заполнения промежутков между песчинками в огромном количестве. Такой подход чреват серьезными последствиями – усадкой строительного раствора, который по мере высыхания создает усадочные трещины в швах и на стыке кирпича и шва.

По аналогии с другими заполнителями для бетона, песок фасуется в мешки по 25 кг или «биг–бэги». Также его можно приобрести навалом в грузовике. Мягкий песок красного цвета окрашивает строительный раствор в коричневый оттенок, а жёлтый песок дает серый цвет.

«Набухание» песка

Степень увлажненности песка оказывает влияние не только на содержание воды в готовом растворе, но и может спровоцировать так называемое «набухание» песка, которое чревато определенными последствиями.

Песок разных видов – сухой и водонасыщенный – приблизительно одинаков, но объем влажного песка значительно больше. Около каждой песчинки он имеет пленку жидкости, которая отталкивает ее от соседних песчинок. Это и есть тот самый «эффект набухания», который объемно увеличивает песок до 30%. При насыщенности песка, объем лишней воды не слишком натягивает поверхность вокруг песчинок, поэтому набухание становится менее заметным. Вот почему применение влажного песка, замеряемого объемно, чревато негативными последствиями при приготовлении строительного раствора. Он будет содержать меньше песка по отношению к цементу – т.е. будет жирнее, чем необходимо. Поэтому желательно использовать сухой песок.

Чистота песка

Песок, который содержит примеси и загрязнители, не только может спровоцировать появление пятен в строительном растворе, но и ослабить его в целом.  Лучше перестраховаться – сжать песок между пальцами. В случае, если руки остались грязными, песок не рекомендуют использовать.

С точки зрения научной обоснованности, более надежным является «тест, определяющий загрязнения на месте проведения работ». Процедура, проводимая непосредственно на строительном объекте, демонстрирует количество загрязнений в стандартном песке природного происхождения. Чтобы обеспечить высокую точность анализа, используется стакан с прямыми стенками, ваза или пол-литровая банка. Для подсчета результатов можно воспользоваться рулеткой.  Ход эксперимента следующий:

  1. Налить в емкость раствор соленой воды из расчета одна чайная ложка соли на 750 мл воды (уровень 50 мм).
  2. Добавить песок до уровня 100 мм.
  3. Добавить солевой раствор на 150 мм.
  4. Полученную смесь смешать.
  5. Расположить емкость с раствором на ровной поверхности и постучать по ней, чтобы песок стал ровным.
  6. Оставить банку или вазу для настаивания в течение трех часов, пока поверхность не станет грязной.
  7. Измерить высоту полученного слоя грязи и высоту слоя песка.

Чтобы рассчитать содержание загрязнений в процентном отношении, необходимо разделить высоту загрязнений на высоту песка. Полученный показатель умножить на 100.

В норме параметр загрязнений должен составлять не выше 8%. Если показатель больше, такой песок лучше не использовать, потому что частицы грязи мешают сцеплению цемента и заполнителей, что делает готовый раствор слишком слабым. Рисунок 22 демонстрирует наглядный пример грязного песка, где количество загрязняющих частиц больше оптимального значения. Такой песок в строительном растворе не используют.

Чтобы точно оценить песок, можно воспользоваться 250- миллиметровым мерным цилиндром. Чтобы определить количество ингредиентов в растворе и подсчитать пылевидные фракции, можно заменить высоту на объем.

КИРПИЧИ И БЛОКИ

Сегодня известны тысячи цветов и фактур строительных кирпичей, которые отличаются по эксплуатационным характеристикам и имеют разнообразные сферы применения. Но в большинстве случаев кирпичи стандартны по размерам и габаритам. Например, в Великобритании длина материала составляет 215 мм, ширина – 102,5 мм, высота – 65 мм. Это не случайные параметры, они скрупулезно подбирались специалистами, чтобы оптимально расположить кирпичи в кладке. При этом обязательно учитывался 10–миллиметровый шов со строительным раствором. Российские стандарты кирпичей — 250x120x65 мм.

Производство кирпичей

Чаще всего строительные кирпичи производят на основе природной глины. Некоторые делают из силиката кальция (иначе говоря, из песка или извести), а также бетона, но особого внимания достойны глиняные кирпичи.

Процесс производства кирпичей начинается с подбора основного материала – глины. Ее формуют в специальных формах и обжигают разными технологическими способами. Каждый из них создает кирпич с конкретными свойствами и характеристиками. Разнообразие цветовой гаммы достигается за счет окислов железа, его сульфидов и других вспомогательных ингредиентов. От минерального состава глины зависят не только физические свойства, но и цветовая гамма, а также прочность готового кирпича.

Используемая глина соответствует единой характеристике: она механически измельчается, а для дальнейшего заполнения форм перемешивается с водой.

Глина, взятая из карьера, обязательно выдерживается на открытом воздухе. Подобным образом вымываются все лишние примеси и растворимые соли, чреватые возникновением на кирпичной кладке высолов.

Самым популярным способом выстоять глину является ее размещение вне помещения, без привязки к текущему сезону. За счет естественного воздействия атмосферных осадков, например, дождя, растворимые соли постепенно вымываются. Все остальные виды глин пропускаются через специальный агрегат, а затем располагаются на хранение на больших складах открытого типа.

После того, как глину тщательно промыли, она измельчается поэтапно, пока частицы не достигнут 1–2-миллиметрового размера. Именно в этот момент добавляется вода для последующего заполнения полученного вязкого материала в формы для кирпичей.

Кирпичи, нарезанные на ленточном прессе

Перемешанная с водой глина приобретает густую консистенцию и загружается в специальный пресс для формовки через мундштук. Его форма и размеры превышают габариты готового кирпича с учетом последующей усадки глины после сушки и обжига. Стандартные параметры – 240 х 125 мм.

Из мундштука глина двигается непрерывной и гладкой полосой. В этот момент обрабатываются грани будущего кирпича: тугой проволокой срезаются тонкие полоски вверху и сбоку. Иногда проводится финишная обработка граней – это можно сделать обдуванием ленты под высоким давлением рельефными валиками или песчаной посыпкой.

После этого с помощью проволоки глиняная лента разрезается на отдельные кирпичи (приблизительно 75 мм в толщину). Полученные изделия сушат на поддонах. Вышедшие из ленточного пресса полнотелые или перфорированные кирпичи имеют острые ребра.

Кирпичи пластического формования

Пластическое формирование подразумевает перемешивание глины с водой, чтобы получилась густая консистенция смеси.  Мягкие глиняные «комки» выкладываются в формовочный ящик вручную. При этом ящик должен быть больше, чем будущий кирпич – для компенсации последующей усадки. За счет антиадгезивов – песка, воды, масла – в глине отсутствует липкость. Верхнюю часть ящика освобождают от лишней глины, а затем кирпичи выкладывают. С песком кирпич получает характерную зернистую текстуру, а с маслом или водой – безупречно гладкую. Ручное производство кирпичей – достаточно трудоемкий и небыстрый процесс, что влияет на стоимость готового изделия.

Если нужны стандартные по размеру кирпичи в больших количествах, «пластическое формование» может осуществляться быстрее и в более крупных масштабах огромными установками автоматизированного типа. Специальное оборудование использует группы ящиков, одинаковых по форме. Работа ведется замкнуто, а на все процессы, начиная от мытья ящиков и заканчивая выкладыванием готовых кирпичей, уходят считанные секунды. При использовании воды и масла поверхность готовых изделий обладает безупречной гладкостью.

Кирпичи пластического формования делают полнотелыми или с углублениями. Они имеют не острые ребра и неправильную форму. Размер различный, не единый.

Такую особенность можно заметить у кирпичей, созданных ручным способом. Забрасывание глины в формовочные ящики делает грани кирпича неровными, с вмятинами и складками. Это создает своеобразный декоративный эффект.

Кирпичи машинного прессования

«Пластическое прессование» – модернизация механизированного процесса аналогичного формования. Мягкая глина механически заполняется в форму под определенным давлением. В результате форма вмешает большее количество глины, что делает кирпичи более тяжелыми, плотными и устойчивыми к атмосферным влияниям. Они могут быть полнотелыми или «с желобом», но обязательно обладают острыми ребрами. Еще одна особенность – правильная прямоугольная форма и одинаковые размеры.

Сушка кирпичей

Перед тем, как сырец отправляется в печь для обжига, из материала по максимуму удаляется влага, чтобы избежать взрыва. Сушка должна соответствовать определенным требованиям, чтобы пары воды уходили равномерно по объему всего изделия. Если кирпич снаружи слишком быстро обсохнет, то вода останется внутри. Ее излишки под действием высоких температур будут испаряться, что приведет к растрескиванию в дальнейшем.

Чтобы снизить риск порчи материала, кирпичи подвергаются камерной сушке при температуре 80-120 °C при сохранении высокой влажности, оставляющей внешние поверхности сырыми. Продолжительность сушки может составлять до 40 часов – за это время кирпичи «садятся», но вышеназванные условия соблюдаются неукоснительно, чтобы предотвратить возникновение трещин.

После сушки кирпичи становятся прочными, но еще не слишком стойкими к переменчивым влияниям окружающей среды. Поэтому их разрешается складывать и перевозить в вагонетке для обжига.

Обжиг кирпичей

Температура – главное условие качественного обжига строительных материалов. Ее показатель варьируется в зависимости от типа используемой глины, но обязательно колеблется в пределах 900 – 1300 °С.

Еще один обязательный фактор, который оказывает влияние на свойства готового изделия – это продолжительность обжига.

Сам процесс можно условно поделить на три основных этапа. Во-первых, предварительный нагрев полностью высушивает кирпич и повышает температуру. Второй этап происходит при участии нефти, угля или газа, когда температура поднимается до необходимой планки и сохраняется на нужном уровне часами. На третьем этапе в печь для обжига подается холодная воздушная струя, которая охлаждает кирпич. Только теперь изделие полностью готово для сортировки и упаковки.

Обжиг физически изменяет кирпич. Глиняные частички и дополнительные примеси сплавляются воедино, составляя твердый, надежный и износостойкий продукт. Этот процесс называется «спеканием»: для него характерна усадка и изменение цветовой гаммы.

Общая классификация кирпичей

Известны тысячи различных кирпичей, которые отличаются по оттенкам, фактуре, характеристикам и, наконец, сферам конечного применения. Чтобы разобраться в характерных отличиях, нужны время и силы. Поэтому предоставляем общее понимание того, чем отличаются разные виды кирпичей, какова их классификация и основные типы. Обобщенные критерии дают возможность значительно расширить области применения кирпичей.

С точки зрения профессионального каменщика кирпичи делятся на три категории: рядовые, облицовочные и высокопрочные.

Рядовые кирпичи

Рядовые кирпичи производятся при температурном режиме от 950 до 1150 °С. От аналогов их отличает дешевизна, так как обжиг при низких температурах не требует больших расходов на топливо. Такие кирпичи не имеют видимых декоративных граней. По сути, они стандартны и обычны, но бывают разного качества. В большинстве случаев рядовые кирпичи используют для невидимой кладки или при работах поверхностях, находящихся ниже уровня земли (при достаточном уровне долговечности строительных материалов).

Облицовочные кирпичи

Задача облицовочных кирпичей – придать красивый внешний вид области, которая находится выше горизонтального гидроизоляционного слоя. Подходящий цвет и фактура делаются посредством добавления специальных химических компонентов. В результате получаются декоративная фактура на гранях – обеих тычковых и одной ложковой. Вторая остается обычной.

Высокопрочные кирпичи

Высокопрочные кирпичи подвергаются высокотемпературному обжигу (значение температуры – от 1200 до 1300 °С), почти плавлению. Такой подход сводит на нет образование пузырьков и пор воздуха в готовых кирпичах. Они получаются максимально плотными и прочными, не пропускают газы. Строительный материал этого типа применяют для подборных стенок, нижних кладок, подземных работ, смотровых колодцев и т.п. Вес высокопрочных кирпичей составляет 3,5-4,5 кг. Они имеют ровные грани, поэтому кирпичи этого типа можно назвать рядовыми, но в лучшем качестве.

Качество кирпичей

Помимо стандартной классификации можно идентифицировать кирпичи по качественным характеристикам, но для точности нужны дополнительные уточнения, чтобы конкретизировать кирпич. Современные кирпичи могут быть пяти уровней качества.

Первые три уровня нацелены, в первую очередь, на долговечность и эксплуатационные характеристики кирпича:

Забутовочные кирпичи

Забутовочные кирпичи не подходят для наружного использования. Они недолговечны и восприимчивы к погоде. Некоторые рядовые кирпичи, как и облицовочные аналоги, также являются забутовочными.

Обычные

Кирпичи обычного качества подходят для распространенных наружных работ, но при условии, что они не будут подвергаться суровым климатическим условиям или располагаться ниже горизонтального гидроизоляционного слоя, где присутствует повышенная влажность или морозные температуры. В большинстве случаев облицовочные кирпичи, так же как и рядовые, являются обычными.

Кирпичи специального качества

Под этой формулировкой понимают долговечные кирпичи, которые можно применять даже в сложных условиях, например, в помещении, буквально пропитанном водой. Подобный строительный материал идеален для нижних подпорных смотровых колодцев, перекрывающихся рядов кладок, твердых слоев гидроизоляции и т.п.

Эти кирпичи почти ничем не отличаются по качеству от облицовочных. С учетом того, что они высокопрочные, ровные и граненые, их можно отнести в категорию рядовых. Следовательно, и рядовые кирпичи можно идентифицировать, как продукты «специального качества».

Остальные два уровня качества – это, в первую очередь, внешние особенности вида строительного материала, его цвета или формы.

Кирпичи второго сорта

В эту категорию входят кирпичи, которые в процессе производства подверглись деформациям, изменяли цвет. Второй сорт кирпича в большинстве случаев стоит намного дешевле «высших» аналогов. Такой стараются не использовать для облицовочных работ или качественной кладки.

Кирпичи первого сорта

Это средние материалы между кирпичами высшего и второго сорта. Первый сорт может иметь слегка измененный цвет, но эта характеристика субъективна. Использование подобных строительных материалов оставляют на усмотрение поставщика.

Размерные отклонения

Кирпичи представляют собой специально созданные элементы на основе природного материала. Из-за искусственного происхождения они не всегда идеально похожи друг на друга. Тем более, в разных частях печи для обжига температура может колебаться, что влияет на усадку кирпича в дальнейшем. Но наиболее подвержена изменениям длина кирпича.

Размерные погрешности – основной показатель качества кирпичей. В репрезентативной выборке рис. 34 большая часть изделий имеет размер 215 мм. Внушительные отклонения по размеру чреваты определенными сложностями для мастера, ведь в таких условиях сложно сохранить вертикальный шов нужной толщины. Чаще всего, не соответствующие нужным параметрам кирпичи относят ко второму сорту.

Нестандартная форма

Существует стереотип, что кладка кирпичей – унылое и скучное занятие. Но благодаря грамотному подбору и профессиональному применению материалов в тандеме с квалификацией и опытом каменщика, трудоемкий процесс можно превратить в настоящее искусство. А архитекторы и дизайнеры используют для его создания свой уникальный талант и индивидуальную фантазию.

Современные производители строительных материалов предлагают традиционный ассортимент «специальных» кирпичей, которые дополняют облицовочные и высокопрочные аналоги.

С учетом того, что глина является основным производственным материалом, кирпичу можно с легкостью придать даже нестандартные формы для специального назначения.

БЕТОННЫЕ БЛОКИ

В 30-х годах 20 века бетонные блоки нашли в строительстве широкое применение. Особенно это касалось создания пустотелых стен, перегородок внутреннего назначения и несущих конструкций. Но только спустя несколько десятков лет блоки стали вытеснять кирпичи. По британскому стандарту BS 2028, блок представляет собой элемент стеновой конструкции, который имеет увеличенные (по сравнению с кирпичом) габариты. Иначе говоря, блок – это любой элемент стеновой конструкции, который больше кирпича даже в одном показателе – длине, высоте или ширине (общепринятый стандарт –215 х 102,5 х 65 мм). При этом высота блока не должна быть больше его длины или шестикратной толщины. Чаще всего, стандартные размеры блоков – 450 мм х 215 мм х 100 мм, но в зависимости от сферы использования они могут отличаться.

В конце 50-х годов блоки стали использовать еще чаще по нескольким причинам. Прежде всего, потому что они позволяют ускорить процесс возведения внутренних стен и перегородок. Во-вторых, они представляют собой полноценный облицовочный материал. Иногда в гараже присутствует поверхность стены, выложенная из блоков, но чаще блоки все-таки используют для внутренних перегородок. Наконец, именно блоки выигрывают перед кирпичами по многим причинам. Они более производительны. Например, укладка одного блока по «согласованию размеров» (с учетом 10-миллиметровых швов со строительным раствором) заменяет выкладку шести кирпичей.

По составу материала блоки классифицируются на две основных категории.

Блоки из тяжелого бетона

Их получают путем формования цемента, мелкого и крупного заполнителя под воздействием высокого давления. Тяжелые блоки имеют хороший предел прочности при раздавливании (показатель измеряется в Н/мм2 или кг/см2) и ширину в пределах 300 мм («блоки для укладывания в траншеях»). Высокий показатель плотности (от 2200 до 2400 кг/м3) дает низкую теплоизоляцию, поэтому такие материалы используют для создания несущих перегородок, в стенах конструкций, фундаментов (ниже уровня земли) и простенок. Если блоки из тяжелого бетона применяются выше уровня земли, их штукатурят в обязательном порядке. Такие стены для начала следует хорошо высушить, чтобы избежать в дальнейшем усадки, и как следствие, трещин на готовой штукатурке и шпаклевке.

Высокая плотность блоков подразумевает массивность материалов (например, 100-миллиметровые блоки весят 21 кг), что затрудняет строительный процесс. Блоки из тяжелого бетона кладутся на растворы средней прочности – 1:1:6 или 1:2:9 (цемент/известь/песок), но для проведения подземных работ нужны прочные смеси.

Легкобетонные стеновые блоки

Впервые этот вид блоков стал известен одновременно с тяжелыми аналогами. Первая причина их производства – более легкая и простая эксплуатация по сравнению с тяжелыми блоками. Легкие аналоги оправдывали свое название – в процессе производства использовались облегченные заполнители в качестве альтернативы крупной щебенке. Популярные заполнители – зола от топлива, кокс (для шлакобетонных блоков), топливный шлак, шлак доменных печей и прочих подобных производств – это промышленные отходы. Именно поэтому производство наладили в разных частях Великобритании. Некоторые материалы, к примеру, доменный шлак, состоящий в основном из гидравлической извести, позволил значительно уменьшить количество цемента в производстве блоков. В зависимости от используемого заполнителя и необходимой прочности материала, соотношение заполнителя к цементу варьируется – от 6:1 до 8:1. Меньшее количество цемента и применение промышленных отходов превратили легкобетонные блоки в дешевый и доступный строительный материал.

Легкобетонные блоки, которые отличаются от прочности и плотности, применяются в стенах, как несущих, так и ненесущих, перегородках и пустотелых стенах. Вес блоков составляет приблизительно 10 кг – не слишком и легкий.

Пенобетонные блоки

В конце 60-х годов прошлого века особое внимание строители уделили не легкости материалов в работе, а, в первую очередь, теплоизоляционным свойствам блоков. Так в отрасли появился пенобетон. Блоки на его основе – это те же легкобетонные стройматериалы, но произведенные по уникальной технологии. Блок имеет расширенную сферу применения и другие достоинства в сфере строительства.

Создание пенобетонных блоков

Ключевыми компонентами пеноблоков принято считать песок, золу электростанций и воду. Ингредиенты доводится до состояния однородности. После смесь нагревают и смешивают с цементом и известью. Далее в смесь добавляется алюминиевый порошок. При взаимодействии он вступает в химические реакции с другими компонентами, в результате чего появляются маленькие водородные пузырьки в огромном количестве. Затем смесь переливают в продолговатые формы.

Через некоторое время, когда материал становится умеренно твердым, водород улетучивается, а на смену ему приходит воздух, создающий микропористую пузырчатую структуру внутри. Миллионы воздушных пузырьков можно рассмотреть в подробностях на рис. 38. После того, как бетон частично становится твердым, длинные полосы пенобетона разрезаются с помощью проволоки на одинаковые блоки, в зависимости от выбранного размера. Готовые блоки отправляются в автоклав, где поддерживается высокое давление и происходит специальная обработка влажным паром. В результате образуются силикаты кальция, которые играют роль связующего звена. Все компоненты приобретают монолитную структуру.

По стоимости пенобетонные блоки дороже, чем обычные бетонные аналоги (примерно на 50%). При этом при неосмотрительном отношении их легко сказать. Тем не менее, такие материалы имеют ряд безусловных преимуществ:

  • легкость и удобство работы;
  • быстрое возведение конструкций;
  • отличное соотношение двух ключевых параметров – прочности к плотности;
  • выбор различной толщины блоков – в пределах 75-230 мм;
  • легкая резка, сверление, закрепление;
  • отменная теплоизоляция и низкая проводимость тепла;
  • маленький коэффициент звукопередачи;
  • устойчивость к огню, морозу, сульфатам;
  • сниженная нагрузка на фундаменты.

Широкий выбор пеноблоков открывает перед производителями возможности для разнообразных экспериментов с компонентами и технологией производственного процесса. Таким образом, можно создать блоки, обладающие лучшими эксплуатационными свойствами, например, повышенной прочностью, коэффициентом теплопередачи и так далее; шумоизоляция и устойчивость к огню также являются важными факторами при создании простенков.

Сферы применения пенобетона

Учитывая тот факт, что пенобетонные блоки обладают бесспорными  преимуществами и широкой сферой применения, использовать их можно практически при любых обстоятельствах.

Стандартные блоки имеют предел прочности при раздавливании в пределах следующих значений –2,8; 3,5; 7,0 и 8,4 Н/мм2. Поэтому такие блоки применяют во внутренних перегородках (несущих и ненесущих), внутренних и наружных (отштукатуренных) стенках пустотелых стен, внешних сплошных граничных стенах (при наличии специальной облицовки, защищающей от влияния атмосферных явлений), балочных и блочных полах, а также подземных фундаментах.

В случаях, если конструкцию обязательно должна обладать повышенной степенью прочности (это актуально для многоэтажных зданий), используются более прочные блоки. Четырехэтажные здания, например, строятся из блоков с пределом прочности 10,4 Н/мм2.

Широкие блоки исполняют роль «траншейных» ниже уровня земли. Такой подход в стройке фундамента до уровня земли избавляет от потребности возводить две стенки пустотелых стен и заполнять пространство между ними, что существенно экономит временные затраты. Скорость работы значительно увеличивается еще и потому, что некоторые производители оснащают свои блоки шпунтами и пазами, обеспечивающими удобную состыковку деталей между собой.

Несмотря на то, что красят и облицовывают с помощью плитки пенобетонные блоки почти сразу, они могут оставаться в первозданном виде. Гладкая поверхность позволяет еще больше расширить сферы строительного использования. Такие материалы необходимы, если нужна высококачественная декоративная отделка без внутренних работ по типу шпаклевания.

Для этих целей строительный раствор не должен быть чересчур жирным. В таком случае пеноблоки более подвержены влиянию движения. Оптимальный состав строительного раствора аналогичен тому, который подходит тяжелым блокам: по соотношению цемента к извести 1:1:6 или 1:2:9. Работы ниже уровня земли требуют более жирного состава –1:1/2:4.

ПЕРЕВЯЗКА ШВОВ КИРПИЧНОЙ КЛАДКИ

Под «перевязкой швов» подразумевается укладка кирпичей по определенной схеме, чтобы готовая кладка имела привлекательный вид, но одновременно сохранила нужную прочность строящегося объекта. Для упрощения самого процесса тщательно продумываются размеры кирпичей.

Кирпичи предыдущего ряда обязательно перекрываются кирпичами последующего ряда, причем и вдоль, и поперек стены. Это позволяет равномерно распределить нагрузку, включая и собственный вес стены, по ее толщине и высоте, вплоть до самого фундамента. Если не соблюсти это правило перекрытия кирпичей, получаются прямые вертикальные швы. Они снижают прочность стены и препятствуют равномерному распределению нагрузки.

Популярный способ перевязки кирпичной кладки – «ложковая». Этот подход предусматривает перекрытие кирпичей друг другом на половину длины. В лицевой кладке присутствуют только ложковые ряды, исключая торцы и углы. Чтобы обеспечить перекрывание в полкирпича, для них в каждом втором ряду укладываются половинки кирпичей.

Толщина стен измеряется кирпичными единицами, например, толщина в половину кирпича, в один кирпич и т.п. В большинстве случаев ложковый тип перевязки применяются для наружных стенок пустотелых стен в полкирпича.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЗКИ

Немаловажной задачей кирпичной стены считается передача нагрузок на фундамент. В данном случае учитывается и нагрузка от самой стены (иными словами, «собственный вес конструкции»), и все прочие нагрузки, которые могут оказать свое непосредственное влияние. Их принято называть «дополнительными нагрузками».

Если кирпичная кладка идет один на другой, то нагрузка распространится на отдельный штабель кирпичей. Это может привести к проседанию и даже растрескиванию стены. Поэтому в результате бокового давления на стену кирпич просто завалится.

Правильная перевязка стены должна быть такой: в каждом следующем ряду кирпичи должны перекрывать «соседей» предыдущего ряда на половину или на четверть кирпича. Только в таком случае давления горизонтальной проекции распределяются по соседним кирпичам, а общая нагрузка давит на поверхность стены снаружи. Принцип аналогичен тому, что актуален и в случае нагрузки с нижним направлением (см. рис. 86), при котором перевязка кирпичей имеет первоочередное значение в аспекте распределения нагрузки по всей высоте конструкции.

ЛОЖКОВАЯ ПЕРЕВЯЗКА

Стены толщиной в полкирпича с ложковой перевязкой

Понятие «ложковой перевязки» подразумевает выкладку кирпичей ложковой гранью наружу.

В большинстве случаев стены с ложковой перевязкой, которые имеют толщину на половину кирпича, подходят для наружных стенок пустотелых стен.

Подобные стены с укреплением пилястрами играют роль гаражных стен, служат в качестве граничных и садовых оград и тому подобных конструкций.

Пилястры при ложковой перевязке

«Пилястр» – это строительный синоним колонны. Задача пилястра – упрочнить стену при воздействии боковых (поперечных) давлений или же повысить устойчивость по всей высоте стены, в случае, если сосредоточенная нагрузка (к примеру, от стальной балки) имеет вертикальное направление.

В большинстве случаев строители используют пилястры для создания служебных построек, таких как гаражи. Возведение пилястров происходит с учетом ключевых точек, в которых обязательно необходимо обеспечить дополнительную прочность. Это могут быть области, где навешиваются двери или половина расстояния длинной стены. Такой подход не ограничивает использование стены толщиной в полкирпича с ложковой перевязкой.

Чтобы стены толщиной в полкирпича были максимально прочными, пилястры располагаются на расстоянии, не превышающем 3 м друг от друга. Делается это по всей стене, но не дальше 3 м от углов, ведь они являются усиливающими элементами конструкции.

Важно понимать, что чаще расположение примыкающих пилястров  происходит на задней поверхности полукирпичных стен с ложковой перевязкой. В случае, если лицевые поверхности стен и крайние опоры можно вертикально выровнять по строительному уровню, то для задней поверхности и внутренних граней пилястра этого делать не нужно. Размер кирпичей всегда будет разным, даже если они находились в одной упаковке, при этом отличия более заметны по такому параметру, как длина. В случае с ложковой перевязкой, для примыкающих пилястров нужно, чтобы в чередующихся рядах по всей толщине пилястров присутствовала кладка целыми кирпичами. Отличия по длине дают понять, что только стороны пилястра (обозначенные Р), а также наружный угол с лицевой стороны могут быть точно вертикально выверены (рис. 88). Все прочие стороны пилястров равняются исключительно «на глаз», чтобы в результате появилась максимально ровная вертикальная линия. Подводя итоги, нужно заметить важность тщательного отбора кирпичей, которые применяются при возведении таких пилястров. Кирпич, который заметно отличается от остальных, подлежит отбраковке и обязательной замене.

СТЕНА В ОДИН КИРПИЧ

Стены, толщина которых измеряется одним кирпичом, преимущественно не применяются для наружных стен зданий, домов и жилых помещений. Их современное использование распространяется на такие конструкции, как ограды сада, подпорные стенки, а также граничные стены. Бывают специалисты-каменщики, которые обозначают толщину стен в соответствии с английской системой измерений по старым кирпичам. Именно поэтому стену в один кирпич они могут называть «девятидюймовой стеной», а стену толщиной в 2 раза меньше измерять «в четыре с половиной дюйма».

Ложковая перевязка имеет существенный минус, особенно при толщине в один кирпич. В таком случае присутствует внутренний вертикальный шов, проходящий по всей стене между двумя ложками – задним и передним.

Иногда создание стен в один кирпич предусматривает ложковую перевязку. Проблема отсутствия  прочности устраняется путем рассматривания этих стен в качестве пустотелых. Между двумя стенками с ложковой перевязкой делают 10–миллиметровое полое пространство. Затем его скрепляют с помощью коротких анкеров для пустотелых стен. Подробнее процесс возведения описан в 11 Главе.

Существуют и более прочные схемы перевязок для стен в один кирпич  – поперечные по отношению к стене тычковые ряды, которые придают дополнительную прочность, а также способствуют оптимальному распределению нагрузки по всем «фронтам» – от толщины до высоты. К числу самых распространенных схем перевязок для стен с толщиной в единицу относится так называемая английская (цепная) перевязка, а также фламандская. Введение тычков подразумевает создание перекрытия на четверть кирпича.

Английская(цепная)перевязка

Английская перевязка представляет собой тычковые и ложковые ряды, которые попеременно чередуются. Этот вид перевязки отличается высокой степенью прочности, за счет того, что тычки, которые заполняются по всей ширине, почти полностью исключают возможность появления любых внутренних шов. Поэтому вертикальный шов может быть лишь в каждом втором ряду. Между передним и задним ложками – его основное расположение.

Английскую перевязку можно распознать благодаря однообразному и повторяющемуся виду.  Ее используют в случаях, если прочность выигрывает перед эстетической красотой с точки зрения важности.  Например, это могут быть подпорные стенки.

Фламандская перевязка


Продольная половинка кирпича

Еще один вид перевязки – фламандский (второе название –«голландский»). Он состоит из чередующихся в одном ряду тычков и ложков. Такую перевязку нельзя назвать слабой, но и прочной ее тоже не охарактеризовать, в отличие от вышеописанной английской перевязки. Такое описание актуально, потому что внутренние вертикальные швы, направляющиеся по всей высоте стены, не ликвидированы полностью. Тем не менее, фламандская перевязка более эстетически привлекательна по сравнению с английским аналогом. Ее применяют в объектах, которые важны с декоративной точки зрения.

Английская и фламандская перевязки углов и стыков

На внешних углах и при английской, и при фламандской перевязке (рис. 92 и 93 соответственно) красный кирпич в каждом фиолетовом ряду, перевязывает кладку, по углу соединяя стены. Оба конца стен наглядно нарисованы в виде торцов, где продольная половинка укладывается в непосредственной близости с торцевым тычком в рядах, которые сменяют друг друга.

Традиционно стены в один кирпич толщиной делаются так: каждый ряд имеет выложенные кирпичи на наружной стороне стены. Только после этого их прокладывают на обратной стороне стены. На рис. 94 в виде красных обозначены кирпичи, которые выкладываются последними. Если речь идет о задней стороне, то кирпичи часто укладывают и «выравнивают», путем их установки заподлицо с соседями. Проверить ход процесса можно  рукой или обратной стороной полотна кельмы, которая является плоской. Все зависит от ответственности  и внимательности мастера, ведь важно не повредить окружающие кирпичи. Из-за этого вертикальный шов лучше не делать на задней (обычной) грани кирпича (то есть на внутреннем вертикальном шве между кирпичами – лицевым и задним), иначе передний кирпич вылезет на наружную сторону.

Английская и фламандская перевязки имеют схожие с перевязкой углов принципы соединения примыкающих стен. На рис. 95 и 96 приведен пример чередования рядов у Т-образных соединений. Основные кирпичи, которые перевязывают кладку, обозначены красным. По сути, они связывают примыкающую стену с основной. И в том, и в другом случае в чередующихся рядах продольные половинки кирпича присоединяют примыкающую стену, а тычковая перевязка ориентируется на примыкающую стену. Для наглядности на рисунке все три конца двух стен продемонстрированы в виде торцов. В каждом втором ряду продольная половинка кирпича расположена вместе с торцевым тычком.

ПЕРЕВЯЗКИ САДОВЫХ СТЕН

Известно, что кирпичи могут быть разными по габаритам. Особенно отличия видны по длине. Однокирпичная стена, выполненная по принципу английской или фламандской перевязки, но с разницей в длине кирпичей, которые играют роль тычков, может означать следующее: даже если лицевая поверхность будет идеально ровной, обратная стена вряд ли будет иметь тот же эффект. Аналогичным образом вряд ли получится выровнять по вертикали одну и другую сторону стены в один кирпич.

Устранить эту проблему особенно важно в конструкциях, где просматриваются обе стороны стены в один кирпич (это может быть садовая стена). В таком случае пользуются усовершенствованными схемами английской и фламандской перевязок, которая имеет меньшее количество тычков. Их и принято идентифицировать, как «перевязки садовых стен».

Английский подход подразумевает увеличенное количество ложковых рядов – с трех до пяти – между тычковыми рядами. Это положительным образом влияет на внешний вид обратной стороны, в случае, если просматриваются обе. Снизить показатели прочности может присутствие внутреннего вертикального шва, образуемого передним и задним ложковыми рядами. Заметить его можно по всей длине стены.

Перевязка фламандского типа для садовых стен подразумевает пять ложков между тычками в каждом ряду. Задача та же – улучшение эстетики. Такой подход гарантирует и более прочный результат за счет равномерного распределения тычков. Это идеальный компромисс двух важнейших эксплуатационных качеств – внешнего вида и прочности.

ПОДГОНКА

«Сухая кладка»

Бывают случаи, когда достаточно изменений в толщине вертикальных швов в границах допустимого отклонения (± 3 мм). Минимальный размер швов составляет 7 мм, но не более 13 мм.

Несмотря на то, что в идеале длина стены должна проектироваться с учетом соответствующего параметра кирпичей, иногда это условие выполнить не представляется возможным. В таком случае длина не является  кратной по отношению к размерам кирпичей. Иными словами, ее нельзя выложить с помощью целых ложков и/или тычков. Желательно брать колотые кирпичи, которые помогут кладке достичь нужной длины.

Учитывая этот факт, для начала необходимо разметить стену кирпичами без строительного раствора, то есть расположить так называемой «сухой кладкой». Такой подход поможет понять, что именно в схеме перевязки нуждается в корректировке.

Попеременная кладка

В случае, если по длине стена кратна длине кирпича с половинкой, разрешается ложковая кладка. Необходимо по очереди укладывать половинки кирпичей в противоположных торцах стены (см. рис. 99).

Ломаная кладка

Если стены по длине не кратны длине кирпича плюс еще половинке, а в других перевязках нельзя применить попеременную кладку, существует альтернативный подход. Например, можно или увеличить, или уменьшить вертикальные швы по толщине. Это касается всей длины стены и нужно для нарашивания нужной величины или «избавления» от нее. Так длина стены будет кратной длине кирпичей. Допустимой величиной при подгонке считается значение 10 ± 3 мм (с учетом небольших вариаций в отдельно взятых кирпичах).

Но такой вариант может вызвать и некоторые сложности. Прежде всего, потому что подгонка толщины вертикальных швов не подходит для коротких стен из-за невозможности изменить длину стены. Кроме того, широкие швы могут иметь непритязательный вид даже при идеальной укладке. При этом обработка не влияет на видимую ширину швов. Если возникает необходимость изменить вертикальные швы, рекомендуется действовать на сужение. Наконец, вертикальные швы должны быть одинаковыми по толщине, но и не отклоняться от вертикали по высоте стены. Подгонка вертикальных швов, которые не вписываются в стандартные параметры 10 мм, чревата потерей толщины. Она начинает «гулять», что провоцирует отклонения вертикальных швов. Особенно это касается длинных стен.

Для вертикальных швов лучше не подгонять толщину, если требуется внушительное изменение, хотя иногда бывают исключения.

Сначала целесообразно сделать «сухую кладку» стены, а затем понять, нужна ли подгонка с точки зрения эстетики. Если она неприемлема, то середину стены нужно заполнить неполномерными кирпичами по принципу «ломаной кладки».

Задача такого подхода – сохранение целостности исходной кладки, как в визуальном, так и в конструктивном аспекте. Размер околотых кирпичей обратно пропорционален их заметности. По этой причине середина стены должна создаваться с помощью кирпичей длиной не меньше половинки. Таким образом можно создать минимальное перекрытие размером в четверть кирпичика. Уменьшать его не рекомендуется, чтобы сохранить прочностные характеристики стены по распределению нагрузки.

Как отмечалось ранее, в кирпичной кладке немаловажное значение имеет сохранение перпендикулярности вертикальных швов. Но не менее значимый аспект – место сосредоточения ломаной кладки. Из-за излишнего отклонения швов от вертикали можно обратить на кладку ненужное внимание.

При ломанной кладке раскладка кирпичей должна соответствовать двум принципам – точность и аккуратность. Раскалывание происходит по лицевой стороне так, чтобы кирпичи соответствовали единому размеру. Для этого все кирпичи для последующей ломаной кладки подлежат замеру, пометке и раскладыванию. Подобный подход существенно увеличивает продуктивность труда, ведь каменщик не нуждается в остановках на каждом ряду для нарубки кирпичей.

Ломанную кладку можно сделать и альтернативными методами, если требует ситуация. Для каждого конкретного случая каменщик должен подобрать индивидуальный подход. С точки зрения результата важна оптимизация сразу нескольких факторов. Во-первых, рекомендуется применять самые крупные околотые кирпичи, чтобы снизить визуальную заметность ломаной кладки. Во-вторых, использовать  околотые кирпичи в каждом ряду в минимальном количестве с целью снижения временных затрат на их раскалывание. В-третьих, позаботиться о том, чтобы не ухудшить качество (конструктивное и эстетическое) исходной кладки. Достичь этих целей и проверить возможные пути решения можно только «сухой кладкой» по центру стены.

Любые ломаные кладки на зданиях намечаются строго по центру над и под проемами. Так можно избавиться от двусторонних откосов небольших околотых кирпичей, которые портят эстетику. Также подобное решение снизит видимость ломаной кладки и сократит околотые кирпичи по количеству. Откосы оконных и дверных проемов рекомендуют намечать посредством целых ложков в первом ряду кирпичной кладки у законченного нулевого уровня. Именно этими параметрами определяется наружная поверхность стены при ее возведении – это необходимо с целью точного определения положения рам на той высоте, которая необходима. Изображают положение проемов красным цветом тогда, когда нулевой уровень уже имеет целые ложки. Также схема показывает, каким образом эти положения вертикально переносятся на откосы. Ломанная кладка находится в центре под оконным проемом.

ЗАЩИТА СВЕЖЕЙ КИРПИЧНОЙ ИЛИ БЛОЧНОЙ КЛАДКИ

Во время работы постоянно нужно соблюдать меры, направленные на защиту новой кирпичной или блочной кладки от атмосферных осадков и других погодных воздействий – дождя, мороза и снега. Влага может вымыть из швов еще незастывший строительный раствор, и, как следствие, оставить неэстетичные потеки снаружи стены. Одновременно холодая вода в швах со строительным раствором, замерзая и становясь твердой, увеличивается в объеме. Это приводит к непоправимому разрушению свежей кирпичной кладки, особенно в условиях насыщенности водой верхней стены. Этот факт также увеличивает вероятность того, что свободная известь из швов вымоется, вызывая эффект так называемых «известковых пятен». Кроме того, могут появиться некрасивые пятна солей, образовавшихся после высыхания растворимых солей на наружной поверхности стены. Стоит обратить внимание и на фактор солнечного воздействия в жаркое время года. Под влиянием высоких температур швы, заполненные строительным раствором, высыхают слишком быстро, в результате чего цемент не успевает схватываться. При наличии сильного ветра, который выдувает влагу, проблема заостряется еще больше.

РАСШИВКА И ЗАДЕЛКА С РАСШИВКОЙ

Необходимость в завершающей обработке швов кирпичной кладки, заполненных строительным раствором, целесообразна сразу по нескольким причинам. В целом, на вид финишной обработки влияет комплекс факторов внешнего вида и стойкости к атмосферным явлениям. Эти факторы зависят от места расположения кладки и подверженности к негативному влиянию погоды и климата.

Основной задачей выполнения финишной обработки швов, заполненных строительным раствором на наружной кирпичной кладке, является герметичность и плотность поверхности. Это необходимо, чтобы вода не проникла внутрь стены, а кладка имела привлекательный внешний вид. Финишная обработка внутренней кладки происходит под влиянием сугубо эстетических соображений. Представлен огромный выбор видов обработки швов на завершающем этапе работ.

Чтобы обозначить расшивку швов используют два основных термина: «заделка» и «расшивка». Поэтому необходимо понимать их основные отличия, чтобы избежать путаницы и неправильного применения. Под «заделкой и расшивкой» подразумевается заполнение уже созданных швов строительным раствором и расшивка. Под последней понимается расчистка от негодного раствора швов старой кладки (до глубины 15 мм), а также заполнение расчищенных швов новым строительным раствором и их финальная обработка.

Понятие «расшивка» применяют в процессе финишной обработки швов со строительным раствором. Эту процедуру принято относить в категорию обязательных процессов при возведении свежей кладки.

Расшивка – это не простая операция, которую можно осуществить быстро и без особых хлопот. От ее качества зависит и долговечность, и внешняя красота кладки, поэтому в этом деле важно все, начиная от выбора расшивки швов и заканчивая уровнем мастерства специалиста. Даже хорошо сделанная кладка из кирпича может выглядеть весьма посредственно только из-за того, что расшивка плохого качества. Зато отлично выполненная расшивка положительным образом влияет даже на среднюю кирпичную кладку, которая сразу приобретает привлекательный внешний вид.

 ВРЕМЯ НА РАСШИВАНИЕ ШВОВ

Время, необходимое для расшивания свежей кирпичной кладки, – важный аспект в достижении результата. Для легкого уплотнения раствор должен быть в меру мягким. С этой целью используется инструмент для расшивки швов, плотно сцепляющий кирпичи ребрами. Расшивка при чрезмерно мягком растворе может повлечь за собой выдавливание цементного теста на поверхность. Сухой раствор в шве после расшивания оставляет пористость, которая чревата низкой устойчивостью к негативному атмосферному воздействию. Рано начавшееся расшивание может  привести к попаданию раствора на лицевую сторону кирпича и образованию пятен. При этом шов будет отличаться неровной структурой, из-за того, что мягкий раствор практически не оказывает сопротивление инструменту, что вызывает определенные сложности в поддержании одинаковой линии или глубины. При чрезмерной сухости и жесткости раствора для расшивания и уплотнения шва нужны большие усилия, поэтому вследствие большого трения поверхность может потемнеть, а структура стать пористой и раскрошится.

Вопрос времени для расшивания находится под влиянием самых разных факторов. Это и скорость, с которой кирпичи поглощают влагу, и количество воды в кирпичах, и состав раствора в смеси, и значение температуры. Также играет весомую роль направление ветра и влажность окружающей среды. Если кладка будет происходить в утреннее время с участием кирпичей с низкой гигроскопичностью или скоростью поглощения влаги, то расшивка должна происходить только после полудня. Если погода холодная и сырая, мягкость раствора сохранится надолго, что увеличивает временной промежуток между кладкой кирпичей и стартом расшивания швов. Напротив, если речь идет о сухих кирпичах, которые поглощают влагу с высокой скоростью, расшивание необходимо после укладки нескольких кирпичей. Сложности могут возникнуть в условиях теплой и сухой погоды, когда раствор приходит в негодность очень быстро, настолько, что кирпич не схватывается с раствором. Чтобы снизить негативное влияние этих факторов, кирпичи с низкой гигроскопичностью должны храниться в сухом виде, а их аналоги с высокой поглощательной способностью желательно обрабатывать водой.

Выбрать время для расшивки – это не значит постичь азы точной науки. Этот процесс находится под влиянием ряда факторов, которые постоянно подвергаются изменениям. Поэтому желательно регулярно осуществлять проверку кирпичной кладки и степени ее подготовки к проведению обработки швов на завершающем этапе. Если такая готовность есть, можно смело приступать к расшивке, в противном случае рекомендуется отложить процедуру.

ШОВ ПОЛУКРУГЛЫЙ ВОГНУТЫЙ (ШОВ «РУЧКА ВЕДРА»)

Шов этого типа делается с помощью «проглаживания» швов круглой или самодельной расшивкой. Интересное название «ручка ведра» зародилось очень давно, еще в тот период, когда каменщики только начали эксперименты с использованием в качестве расшивочных инструментов оцинкованных ведерных ручек. Современный строительный рынок предлагает технологичные полукруглые расшивки. Несмотря на это, многие специалисты не изменяют классическим принципам и используют длинные металлические стержни диаметром 13 мм, специально согнутые в виде колена. Мастер-каменщик ориентирует такую расшивку на середину. Диаметр стержня должен составлять больше 10 мм, чтобы не допустить чрезмерно глубокого «проглаживания» швов и обеспечить одинаковую длину финишной обработки.

Расшивка полукруглым вогнутым швом предполагает обязательную обработку всех вертикальных поперечных швов. Прямое положение инструмента во время работы является обязательным условием для достижения успеха. При этом не рекомендуется углубляться по центру шва, чтобы он не имел вогнутый по высоте вид. После обработки всех вертикальных швов, можно расшивать постельные. Важно действовать с максимальным вниманием и кропотливой аккуратностью, чтобы срезать отрезовкой или кончиком кельмы весь раствор, который был выдавлен и попал на кирпичные ребра.

Расшивка постельных швов предполагает «перекрытие» верха и низа всех вертикальных швов, из-за чего нужно обработать их повторно. Это делается с помощью пятки расшивки: снизу и сверху каждого шва наносится «складка».

Такой процесс известен в строительстве как «обработка верха и низа» вертикальных швов. Его результат – ровные и непрерывные вертикальные швы.

«Проглаживание» швов самодельной расшивкой должно происходить при одном обязательном условии – обеспечение соприкосновения инструмента для расшивки швов с ребрами кирпичей, которые находятся выше и ниже постельного шва или располагаются с обеих сторон вертикального шва (см. рис. 155). Такой подход способствует хорошему сцеплению, поддерживает постоянную глубину расшивки и обеспечивает отменное качество поверхности, в котором отсутствуют «пропуски» или так называемые «трамвайные пути».

Наиболее щадящим в плане незначительных отклонений в габаритах кирпичей является способ полукруглой расшивки. В данном случае удается достичь однородности в наружной поверхности стены, ведь кирпичи со швами и строительным раствором полностью сливаются друг с другом. Еще одно преимущество полукруглой расшивки – простота и легкость в обращении, а также устойчивость к влиянию атмосферных явлений. Именно поэтому такую расшивку можно с уверенностью назвать употребительным инструментом, предназначенным для финишной обработки швов.

ВЫПОЛНЕНИЕ ШВА «ПУСТОШОВКА»

Шов «пустошовка» оставляет лицевые грани всех кирпичей в открытом виде, что создает резкие линии тени на стене из кирпичей. По этой причине все возможные дефекты стройматериала или его кладки становятся заметными.

Исходя из этого, такой способ обработки может быть уместен только в ситуации, когда задействованы кирпичи высокого качества, которые не менее качественно укладываются. Разумеется, за исключением тех случаев, когда существует потребность в грубой обработке. Поэтому «пустошовка» нередко замечена на стенах, выложенных из кирпичей разных форм, сделанных ручным способом.

«Пустошовку» осуществляют инструментом, похожим на колесницу или же самодельным скребком. Это маленький брусок дерева размером 50 х 30 х 20 мм и круглый гвоздь, выступающий на расстоянии, которое точно соответствует требуемой глубине обработки. Плоская поверхность образуется с помощью головки гвоздя. Она врезается в шов, который заполнен строительным раствором.

Паз, вырезанный в деревянном бруске на месте предполагаемого забивания гвоздя, приведет к тому, что вычищаемый из шва строительный раствор не налипнет вокруг гвоздя и, тем самым, не вымажет готовую кладку из кирпича. По эффективности «колесница» не уступает самодельному скребку, а единственным ее достоинством является то, что вставляемый и закрепляемый гвоздь можно установить на разной глубине. «Колесница» не сломается, в отличие от хрупкого бруска дерева.

Чаще всего для «пустошовки»  расчистка швов происходит на глубине 10 мм. Сначала ее делают с вертикальными швами, а потом с постельными. При этом важно, чтобы процесс происходил равномерно по всей глубине. В результате на кирпичных гранях в шве раствор не должен оставаться.

Если работы ведутся внутри помещения, допускается шероховатость расчищенного шва (при условии непременной уборки мусора внутри шва). Наружные работы подразумевают «подшлифовку» ровной поверхности стальной расшивкой с прямоугольными кромками. Такое выполнение работ «вподрезку» значительно увеличивает стойкость шва к погодным факторам.

Даже при наличии дополнительной «шлифовки» шов станет устойчивым к погодным условиям, по сравнению со швом с полукруглой расшивкой, отличающимся повышенной плотностью.

Шовная ниша – это идеальная полка для скопления воды от дождя, что может разрушить ребра кирпичей, особенно во время зимних морозов при отсутствии клинкерных, высокопрочных кирпичей. Таким образом, шов «пустошовка» идеален только для внутренней кирпичной кладки.

ВЫПОЛНЕНИЕ ШВА, ЗАЩИЩЕННОГО ОТ АТМОСФЕРНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

Шов с защитой от атмосферных воздействий выполняется путем «проглаживания» шва обратной стороной отрезовки и одновременным прижатием или сдвигом постельного слоя раствора вглубь у верхнего края, за ребро кирпича, который находится сверху. Получается плоская наклонная поверхность, соединяемая с верхним ребром находящегося ниже кирпича. По этой причине вода от дождя непременно направляется вниз. Сдвиг вертикальных швов происходит на одну сторону, преимущественно левую. По сути, направление неважно, но в обязательном порядке смещение вертикальных швов должно быть односторонним, чтобы избежать эффекта теневых линий.

По глубине сдвиг должен быть одинаков и постоянен; толщина отрезовки является достаточной. Если сделать сдвиг более глубоким, создаются линии с более густой тенью, что влияет на эстетичность кладки. Важно понимать, что первыми расшиваются именно вертикальные швы, а только после них постельные. Необходим аккуратный и тщательный срез раствора, который был выдавлен и очутился на ребрах. Делается это отрезовкой или кончиком кельмы каменщика. Как и при полукруглой расшивке, после того, как постельные швы закончены, обрабатывается верх и низ вертикальных швов для совмещения с постельными швами.

Еще одно условие качественного выполнения швов, защищенных от атмосферных воздействий –  «проглаживание» постельных швов на всю глубину, а вертикальных – по ширине. Выполняется это до тех пор, пока наклонная плоская поверхность не совпадет с ребрами прилегающих кирпичей. При отсутствии этого условия после удаления лишнего строительного раствора появятся плоские пятна.

Шов, защищенный от атмосферных воздействий, имеет и альтернативный вариант. Это шов кирпичной кладки со скошенным низом, где постельный слой раствора сдвигается в нижней части. Наружные работы ограничены в случаях, аналогичных тем, которые описаны выше (шов «пустошовка»).

ВЫПОЛНЕНИЕ ШВА ВПОДРЕЗКУ

Название говорит само за себя: шов плоский и делается заподлицо с наружной поверхностью кирпичной кладки (см. рис. 163). В процессе внутренних работ эти швы оставляют в заполненном  «до краев» виде. Такой грубой отделке присущи щели и пропуски, не защищающие от негативного влияния атмосферных явлений. Так как стальные инструменты оставляют на растворе следы, швы разглаживают деревянным инструментом (200 х 50 х 12 мм), который имеет закругленный лопаточкообразный кончик. При расшивке швы должны быть плоскими, без изогнутости.

Время, как всегда, имеет большое значение при выполнении шва, потому что лицевая поверхность кирпичной кладки подвержена загрязнениям. Если сделать расшивку слишком рано, строительный раствор получится жидким. Напротив, поздний процесс сделает его структуру крошащейся.

В процессе внутренних работ заполненный «до краев» шов может приобрести единый вид, без пропусков и огрехов. Для этого достаточно потереть поверхность мешковиной. Этот процесс так и называют –«растирание мешковиной».

Несмотря на то, что поверхностная отделка приобретает ровность, заполнитель в строительном растворе остается слабо защищенным от влияния атмосферы, поэтому для наружных работ такой способ не подходит. На больших площадях мешковину необходимо переворачивать и стряхивать, чтобы лицевая сторона кладки из кирпича оставалась чистой.

ВНИМАНИЕ К ДЕТАЛЯМ

Из-за плохого качества расшивки значительно ухудшается внешний вид объекта даже при условии, что кирпичная кладка сделана  безуоризненно. Поэтому немаловажным фактором успешного процесса считается правильный выбор времени для процедуры, внимательное мастерское исполнение и тщательное продумывание деталей.

Четкость и аккуратность – основные качества, которыми должны обладать постельные швы наружных улов, торцов стен и откосов проемов (см. рис. 164). «Проглаживание» шва должно происходить от наружного угла, а не по направлению к нему. Иначе шов на конце закруглится или «вытянется». Эффект увеличивается, если работать инструментом для расшивки швов с чрезмерным давлением.

Аналогичный принцип применяется и к вертикальным швам между кирпичами, которые поставлены на ребро. В таком случае при отсутствии должного внимания к деталям огромное количество швов станет чрезмерно заметным.

Вертикальные швы во внутренних углах делаются по четкой схеме перевязки кладки с обязательным пересечением кирпичей на текущем и соседнем ряду (см. рис. 165). При этом вертикальные швы смежных рядов никогда не должны приближаться друг к другу, превращаясь в непрерывный вертикальный шов.

Также желательно чистить кладку из кирпича руками с помощью мягкой щетки, которая убирает мусор вместе с излишками строительного раствора, оставшегося после предыдущей расчистки инструментом для расшивки или кельмой. Операция должна быть строго спланирована по времени, чтобы расшитые швы не повредились и на сыром строительном растворе не остались следы.

Исправление возможных дефектов

КИРПИЧНАЯ КЛАДКА

Несмотря на то, что кирпичи считаются долговечным строительным материалом, их срок эксплуатации ограничен и не застрахован от дефектов, которые возникают с течением времени. Причина проблем может быть разной: начиная от исходного сырья низкого качества и неточной съемки при строительстве и заканчивая продолжительным неблагоприятным воздействием климатических условий. Поэтому ремонт кирпичной кладки должен иметь регулярный характер.

ВЫСАЛИВАНИЕ

Под термином «высаливание» подразумевается процесс проступания растворимых солей (то есть тех, которые растворяются в воде) на поверхности готовой кладки из кирпича. Кальций и магний, калий и натрий – соли этих веществ входят в состав глины, из которой производятся кирпичи, или песка, который является незаменимым ингредиентом строительного раствора.

При влажности кирпичной кладки происходит растворение солей. После высыхания влага из стены естественным образом испаряется, делая соли твердыми. В результате снаружи они становятся видимыми и проступают на поверхности материала некрасивым порошком белого цвета.

Высаливанию подвержена кладка из кирпича, вне зависимости от ее возраста. Но чаще такая проблема характерна для свежей кладки, высыхающей на завершающем этапе строительных работ. Высолы могут проступать и из-за плохой почвы – растворенные в земле солевые растворы абсорбируются кирпичной кладкой. По этой причине в большинстве случаев высолы встречаются ниже горизонтального уровня гидроизоляционного слоя, в частности, когда высокопрочные материалы были заменены кирпичами с высокой скоростью водопоглощения.

Только одним способом можно устранить высолы – путем регулярного очищения отложений соли с сухих кирпичей с помощью щетки. Делать это рекомендуют по мере проступления веществ на поверхности, пока вся соль не будет полностью очищена. А вот водой смыть высолы практически невозможно. Из-за естественной растворимости солей в воде, они снова попадут во внутренние структуры кирпичной кладки. Таким образом, после высыхания соль в очередной раз станет заметной на поверхности.

Производители проверяют свою продукцию на степень подверженности к проступлению солей. Исходя из этого, новые кирпичи классифицируются по такому параметру, как площадь поверхности, занимаемой солями:

  • Без отложений: нет заметного высаливания.
  • Слабое: тонкий слой – максимум 10%.
  • Среднее: площадь покрытия в пределах 10-50%.
  • Сильное, отличается толстыми отложениями, которые покрывают более половины поверхности, но не осыпаются хлопьями.
  • Для серьезной степени характерны толстые отложения, которые оставляют порошок и хлопья, особенно заметные в сырую погоду.

Кирпичи с градацией высаливания выше слабого уровня встречаются нечасто.

Существует и так называемое скрытое высаливание – особо опасный эффект, который может существенно повредить кирпичную кладку. Это происходит при образовании кристалликов соли под поверхностью кирпича. Частицы соли расширяются и сжимаются за счет влияния таких условий, как сухость или влажность кирпичной кладки. В результате таких движений происходят неприятные процессы – поверхность отслаивается, осыпается и растрескивается. Особенно часто такое происходит с кирпичами, ослабленными недостаточной температурой обжига во время производственного процесса. Скрытое высаливание можно спутать с морозным разрушением, потому что видимые повреждения в обоих случаях имеют схожие черты.

ИЗВЕСТКОВЫЕ ПЯТНА

Чаще всего, эти явления считают высолами, однако известковые пятна появляются из-за швов, заполненных строительным раствором, а не кирпичей. При этом проблему невозможно устранить повышением влажности. Появляются они, как и высолы, под действием насыщения для растворения и переноса вещества. В данном случае это гидроксид кальция, т.е. свободная известь, находящаяся в строительном растворе. После ее вымывания водой, известь садится на поверхности и оставляет видимые следы. Далее, в отличие от высаливания, гидроксид кальция химически реагирует на углекислый газ из воздуха и образует новое вещество – карбонат кальция, который считается основой известняка, нерастворимого в воде.

Устранение известковых пятен – сложный процесс. Тем не менее, свежие пятна, еще не насыщенные углекислым газом, очищаются немного проще, с помощью жесткой щетки и воды. Действовать необходимо с максимальной аккуратностью, чтобы кладка с лицевой стороны осталась неповрежденной. Устаревшие пятна, которые уже начали карбонизироваться и создавать известняк, можно удалить только кислотным воздействием. Для начала необходимо уменьшить всасывающую способность стены – смочить (не до насыщения) ее водой. Так кислота не достигнет «внутренностей» кирпичной кладки, а останется в непосредственной близости с поверхностью для начала своей работы. Важно аккуратно нанести с помощью кисти специальный раствор кислот для растворения извести, а после этого легкими движениями потереть кирпичи жесткой щеткой и водой. Средства для чистки так и называются – «кислоты для очистки кирпичей» – и применяются строго по производственной инструкции с обязательным соблюдением утвержденных мер безопасности. Обработку стены необходимо начать с обязательной предварительной проверки действия средства. Сделать это можно на незаметном участке кирпичной кладки. Таким образом, предоставляется возможность убедиться, что средство не испортит стену.

Если три обработки подряд так и не устранили известковые пятна, то ситуацию вряд ли получится улучшить. В таких случаях рекомендуют обращаться за помощью профессионалов из специализированных компаний.

Но риск появления высолов и известковых пятен можно существенно снизить. Для этого нужно принять во внимание следующие принципы:

  • Хранение кирпичей должно происходить в сухом месте, а непосредственно во время строительного процесса необходимо обеспечить надежную защиту от атмосферных осадков.
  • Гидроизоляционные слои должны быть выложены правильно.
  • Важно уделить внимание свежей  и незаконченной кирпичной кладке с целью сохранения от дождя.
  • Швы должны быть полностью заполнены раствором – без внутренних пустот, которые скапливают ненужную воду.
  • Следует предусмотреть, чтобы кирпичи периодически намокали или насыщались водой. Для этого нужно использовать высокопрочные кирпичи между законченным нулевым уровнем и уровнем гидроизоляционного слоя.
  • Немаловажное значение имеет соблюдение осторожности при проектировании зданий, контактирующих с бетоном или камнем, ведь свободная известь обладает способностью мигрировать в соседнюю кирпичную кладку.

Замена раскрошившихся кирпичей

Еще одна проблема – это «растрескивание» или «выкрашивание» через внушительный промежуток времени после окончания строительства.

Такая неприятность возникает, к примеру, по причине низких температур: вода в кирпиче превращается в лед, а затем, затвердевая, расширяется, что приводит к тому, что кирпич с лицевой стороны крошится (см. рис. 267). Не так часто возникает скрытое высаливание, который приводит к аналогичному эффекту. Это происходит в основном в кирпичной кладке ниже уровня гидроизоляционного слоя на тех стенах, которые разрушаются под действием атмосферных явлений, или на отдельно стоящих стенах, где нет сбрасывания воды, которая в результате стекает наружу.

Ремонт наружных стен подразумевает вырубку и замену отдельных или растрескавшихся кирпичей. Поврежденные строительные материалы удаляются  вырубыванием строительного раствора из швов кувалдой или острым скальпелем. Упростить и ускорить процесс на пустотелых стенах можно, просверлив 8-миллиметровые отверстия в швах строительного раствора. При этом важно не повредить те кирпичи, которые находятся рядом, поэтому лучше не пользоваться большими сверлами или тяжелыми инструментами по типу ручного зубила.

Кирпичи, которые подлежат замене, должны сочетаться с имеющейся кирпичной кладкой, а новый строительный раствор лучше брать по аналогии с тем, что использовался ранее. Если строительные растворы будут разные, это приведет к неравномерному движению и дальнейшему растрескиванию. При этом важно учитывать эстетический фактор, ведь ремонт нельзя сделать незаметно за счет использования новых материалов. Не стоит исключать и воздействие погодных условий, которые со временем меняют цветовую гамму стены.

После того, как старые кирпичи и строительный раствор убраны, нужно ликвидировать мусор и пыль, а затем намочить этот участок водой. Это обеспечит хорошую адгезию для нового строительного раствора.

Замена кирпичей может привести к трудностям в посадке, а также заполнении шва сверху. Этот факт имеет первоочередное значение в ремонте пустотелой стены, поскольку в задней части кирпича присутствует только воздух. Поэтому «прижать» новый строительный раствор для заделки верхнего шва невозможно – он упадет в полость. Чтобы подобного не произошло, после установки последнего кирпича нужно «законопатить» верхний шов с помощью кусков кровельной плитки. Это обеспечит прочную и плотную посадку, а также легкую заделку и расшивка шва. При этом не стоит забывать о мусоре, который может оказаться в полости – он должен убираться.

Ситуация упрощается, если речь идет о замене кирпичей в передней части сплошной стены в один кирпич (или более) толщиной. Чтобы шов сверху нового или последнего кирпича был плотным, важно использовать строительный раствор в большом количестве и вдавить его в отверстие деревянным или резиновым молотка. Такой инструмент не нанесет вреда кирпичному «лицу». При вставке кирпича в отверстие, нанесенный сзади строительный раствор выдавливается в его верхнюю часть. Немаловажным фактором успеха в этом процессе является такое качество строительного раствора, как удобоукладываемость. Финишная заделка и расшивка делается, с целью получения плотного шва (при этом не нужны никакие дополнительные манипуляции).

В случае с отдельно стоящими стенами поврежденную кладку можно заменить другим способом. Например, частично разобрать стену до поврежденного кирпича. Затем, следуя принципу убежной штрабы, заменить испорченный материал и проложить новую стену. Важно оценить целесообразность подобного алгоритма с практической точки зрения, поскольку, чем ниже положение кирпичей, тем больше кладки нужно заменить. Также важно учесть время, необходимое для восстановления стены и стоимость материалов. Если стена будет восстанавливаться старыми кирпичами, они должны быть чистыми. Устранение строительного раствора требует дополнительного времени.

ЗАМЕНА ВЫКРОШИВШЕГОСЯ ИЗ ШВОВ РАСТВОРА

С течением времени под влиянием климатических факторов материалы разрушаются. Особенно это актуально для стен и сооружений на основе мягкого известкового раствора или слабых смесей. Строительный раствор страдает от мороза: крошится и вываливается из передней части шва. Если запустить ситуацию, то это чревато серьезной опасностью, вплоть до разрушения всей конструкции.

Расчистка швов кладки

Оптимальное решение – удаление разрушившегося раствора до минимальной глубины в 15 мм, а также повторная заделка кирпичной кладки с помощью нового строительного раствора. При этом старый раствор должен убираться осторожно, чтобы ребра кирпичей не повредились. Для этих целей больше подходит молоток и скарпель, чем угловая шлифовальная машинка.  В частности, это касается старых зданий с мягкими и недообожженными кирпичами. Чрезмерно мягкий строительный раствор удаляется с помощью плоской отвертки. Для старой кирпичной кладке с узкими швами подойдет полотно камнерезной пилы. Несмотря на то, что угловая шлифовальная машинка работает быстрее, ее непросто удерживать на линии шва, что чревато возможными повреждениями кладки из кирпича. Поэтому ручная расчистка швов – оптимальный вариант.

При расчистке швов кладки важно продвигаться вниз от верха стены и за один подход обрабатывать хотя бы три кирпичных ряда. В первую очередь, строительный раствор убирается из вертикальных швов, позже из постельных. Если нарушить этот порядок, могут появиться сколы при зачистке вертикальных швов.

Успех предприятия во многом зависит от глубины расчистки. Она не должна быть меньше 15 мм, а строительный раствор внутри швов по краю ликвидироваться. Иначе адгезия окажется плохой, а строительный раствор не выдержит низких температур и вывалится при первых же морозах. Поэтому расчистка не до достаточной глубины чревата лишними хлопотами, тратой времени и напрасными усилиями при повторных манипуляциях с заделкой и расшивкой. В случае, если строительный раствор приобрел рыхлость и ушел на глубину больше 15 мм, он вычищается, пока не станет прочным.

Способ заделки швов

Повторная заделка осуществляется исключительно при хорошей погоде – без дождя или мороза даже в перспективе.

После того, как расчистка закончена, нужно избавиться от мусора и пыли. Загрязнения могут помешать новому строительному раствору «связаться» с кладкой. Хорошая адгезия возможна после смачивания расчищенных швов влажной щеткой или водой из распылителя; важно, чтобы обе грани кирпичей и старый строительный раствор были достаточной влажности. А стене чрезмерная влажность не нужна, иначе кирпичная кладка вымажется.

Если площадь кирпичной кладки скромная, строительный раствор для заделки удерживается на полотне кельмы каменщика. В противном случае применяется сокол, который вмешает раствор в большем количестве.

Вне зависимости от выбора инструмента, раствор необходимо разгладить и выровнять, посредством похлопывания обратной стороной отрезовки, непосредственно к толщине шва, заполненного строительным раствором 10 мм (спереди нужен прямой край). Похлопывание строительного раствора лучше удерживает его на кельме или соколе.


Порядок заполнения швов во время их заделки

Схемы составов ЖД и расположение вагонов

В обычном составе поезда дальнего следования 15 вагонов. В зависимости от сезона и загруженности направления их может быть больше или меньше. Например, летом поезда южного направления комплектуются 20 вагонами. Поезда «Сапсан», которые курсируют между Москвой и Санкт-Петербургом, ходят сдвоенными составами – по 10 штук в каждом.

То, что мы привыкли называть «схемой поезда», у железнодорожников называется «композиция состава». Сколько каких ж/д вагонов будет в поезде, зависит от его категории. Большую часть состава традиционно занимают плацкартные – билеты в них раскупают охотнее всего. Стандартный «плацкарт» поезда способен разместить 54 пассажира. В составе из 15 вагонов минимум половина будут именно плацкартными. Купейные же занимают примерно треть состава. В них по 36 мест. Здесь тоже все зависит от направления – в поездах, идущих на дальние расстояния, их больше – как и желающих с комфортом ехать, например, из Москвы в Иркутск. В скорых поездах купейных вагонов больше, чем плацкартных, а в поездах дальнего следования (не скорых) – меньше.

Билеты в спальные вагоны, или СВ – одни из самых дорогих, поэтому в поезде их обычно не больше одного. В нем 24 места. Если направление не слишком популярное или поезд не фирменный, то СВ может не быть вовсе.

Вагоны с местами для сидения постепенно исчезают из российских поездов, однако в больших составах сидячими будет 1 или 2. Одновременно в них может ехать 81 пассажир (в каждом). Кроме пассажирских вагонов, в составе поезда могут быть также почтовый, багажный и штабной. Еще одна категория – ресторан. Располагают вагон-ресторана обычно строго по центру поезда – чтобы все пассажиры могли до него добраться. Меню в железнодорожном ресторане и цены разные в каждом поезде, они утверждаются заранее. Однако пассажирам нужно быть готовыми к тому, что цены будут отличаться от привычных в несколько раз, причем в большую сторону.

В последнее время парк железнодорожных вагонов активно обновляется – старых, отслуживших 25 лет и больше, становится все меньше. Новые более эргономичны, в них есть розетки, биотуалеты, а покрытие полок мягкое и удобное.

Раньше вагоны РЖД поездов дальнего следования окрашивали в зеленый цвет. Фирменные поезда – «Татарстан», «Чувашия», «Красная стрела» и другие — имели собственный стиль, можно было встретить и синие, и белые, и красные. С недавних пор все они (за исключением поездов «Ласточка», «Сапсан», «Аллегро», «Красная стрела» и нескольких других) окрашены в фирменные цвета РЖД – красный и серый. Схема поезда доступна заранее – вы можете узнать, сколько каких вагонов в составе и каково расположение мест в каждом. К сожалению, узнать заранее, откуда начинается нумерация – с головы или с хвоста – можно только в редких случая. Например, у «Сапсана», отбывающего в Санкт-Петербург, нумерация традиционно начинается с головы, а у прибывающего в Москву – с хвоста.

Как правильно пользоваться маской для лица

Масками называются специальные концентрированные составы, которые используются в дополнительных уходовых программах за кожей лица, шеи и даже зоны декольте. На сегодняшний день они являются одними из наиболее популярных и распространенных средств как в салонах, так и в домашней косметичке. Хорошая маска способна преобразить лицо за несколько минут. Причем получить отличный результат можно при минимуме усилий.

Впрочем, не все девушки правильно ими пользуются, в том числе, не соблюдают регулярность. Как часто можно делать маски для лица, в какое время – об этом поговорим ниже. Заодно рассмотрим наиболее распространенные ошибки, которые допускают женщины при использовании таких средств.

Основные разновидности масок для лица

Маски для лица представлены в продаже в большом ассортименте. Они различаются как по целевому действию – увлажняют, тонизируют, успокаивают, очищают, оказывают лифтинговый и омолаживающий эффект, так и по форме выпуска. По консистенции они бывают:

  • кремообразные;
  • порошковые;
  • гелевые.

Также существуют тканевые маски. Они представляют собой специальные выкройки из целлюлозного материала на все лицо, с прорезями для глаз, носа и рта. Ткань пропитана концентрированным уходовым составом того или иного спектра действия. Преимущество заключается в простоте нанесения. Их удобно брать с собой в путешествия, использовать даже при длительных перелетах или в поездках.

Порошковые продаются сухими смесями. Как пользоваться маской для лица этого вида? Все просто: перед нанесением ее следует приготовить. Для этого потребуется порошок разбавить водой, размешать до однородной массы. Потом можно накладывать на подготовленное к процедуре лицо. Среди наиболее распространенных порошковых составов – глиняные и альгинатные маски. Гелеобразные и кремовые представляют собой уже готовые к применению смеси. Как использовать маску для лица этого типа, знают, пожалуй, все. Они продаются в баночках или тюбиках. Для применения нужно лишь нанести на лицо.

Важно! Различаются такие средства на домашние и профессиональные. Первые представляют собой приготовленные или подготовленные к применению смеси (как крем или гель), которые просто можно нанести самостоятельно, не боясь прогадать с концентрацией, пропорциями. Как пользоваться маской для лица профессионального назначения, лучше всего может рассказать косметолог. Такие продукты представлены составами со специальными свойствами – моделирующие, подтягивающие, разглаживающие морщины. Их нужно использовать под контролем специалиста, чтобы избежать негативных последствий. Часто они требуют предварительного приготовления перед нанесением.

ТОП вопросов относительно применения

Далеко не все знают, что специальными средствами нужно уметь правильно пользоваться. Попробуем разобрать ТОП популярных вопросов по этой теме:

  1. С какого возраста можно использовать? Обычно рекомендации напрямую зависят от состояния кожи лица. Если серьезных проблем нет, то стоит включить их в домашние уходовые процедуры с 25 лет. Как часто можно использовать маски для лица? Примерно раз в неделю, отдавая предпочтение увлажняющим или питательным составам. Но обладательницам жирной, проблемной кожи стоит подобрать очищающие и успокаивающие маски в более раннем возрасте. Регулярность можно увеличить, если это рекомендует косметолог.
  2. Как часто нужно делать маски для лица? Интервал и регулярность определяются по состоянию кожи, возрасту и проблемам, которые нужно решить. Оптимально делать 1-2 раза в неделю. Если проблем много, то можно увеличить число процедур до 3.
  3. Сколько масок нужно для домашнего ухода? Тут все зависит от состояния эпидермиса и желания ухаживать за собой. Вполне достаточно 1–3 продуктов. Однако стоит понимать, что домашний уход не даст такого же эффекта, как профессиональный, скорее, он может поддержать его. Для молодой кожи достаточно 1 вида. Но чем она старше, тем больше продуктов можно применять для ухода.

Также при выборе стоит обратить внимание на рекомендации от производителя, соответствие типу и состоянию кожи.

Несколько советов по применению масок для лица

Обычно все они касаются вопросов, когда лучше делать маски для лица, как правильно их использовать. Попробуем разобраться детальнее.

Среди основных советов по применению следует выделить:

  1. Подготовку кожи. Далеко не все знают, как правильно делать маски для лица, а от этого зависит их эффективность. Прежде всего, следует хорошо очистить поверхность эпидермиса от загрязнений и макияжа, протереть тоником. Нужно ли после маски для лица наносить крем, если формулы данных средств достаточно концентрированные? Да, это необходимо для закрепления эффекта и «консервации» полезных веществ. Исключение составляют ночные несмываемые маски.
  2. Особенности нанесения. Накладывать нужно кончиками пальцев или специальной кистью. Распределять масочку следует по массажным линиям лица, чтобы избежать растяжения кожи.
  3. Время действия. Обычно требуется выдерживать ее минут 15–20, после чего она смывается теплой водой. Но если это ночная маска, то ее можно оставлять на коже, как крем. За время сна она впитается.

Кроме того, не стоит забывать о рекомендациях от производителя и косметолога. Обязательно учитывайте их!

Разновидности по способу действия

Это один из основных принципов классификации. По способу действия они различаются на:

  1. Увлажняющие. Они универсальные. Увлажнение необходимо коже любого типа и возраста, независимо от сезона, погоды, программ ухода.
  2. Очищающие. Такие маски созданы для жирной и комбинированной кожи. Специальные вещества в их формуле адсорбируют излишки кожного сала, способствуют стягиванию пор и обеспечивают матирующий эффект.
  3. Противовоспалительные. Они разработаны для кожи с высыпаниями, подсушивают прыщики, оказывают антисептическое действие, поэтому и улучшается общий вид. Разбираясь с рекомендацией, когда лучше делать маски для лица с противовоспалительным эффектом, стоит учитывать, что для более выраженного положительного результата нужно дать коже немного времени. То есть, не следует сразу же накладывать макияж и идти на работу или важную встречу.
  4. Питательные. Они оптимальны для сухой и увядающей кожи, помогают бороться с первыми признаками старения. Основное назначение таких продуктов заключается в восстановлении эпидермального барьера и устранении стянутости. После использования кожа становится гладкой и упругой. Как часто можно делать маски для лица с питательной формулой? Тоже нужно учитывать рекомендации специалистов и посоветоваться с косметологом. Дело в том, что такие продукты обычно отличаются плотной консистенцией, содержат масла, могут забивать поры. Поэтому пользоваться ими следует осторожно, чередуя с увлажняющими или очищающими составами.
  5. Успокаивающие. Они предназначены для чувствительной кожи лица. Это самый капризный тип эпидермиса. Чувствительная кожа непредсказуемо реагирует на внешние раздражители, погодные факторы, тип воды и средства по уходу, продукты питания. Главное назначение успокаивающих составов заключается в устранении покраснений, раздражений и прочих реакций. В какое время лучше делать маски для лица такого типа? Желательно на ночь, но можно и в течение дня. Если предстоит какое-то важное событие, то наложить состав допустимо за пару часов до выхода из дома.

Стоит отметить, что совершенно нормально, если в арсенале домашних средств есть 2-3 разного типа. Дело в том, что в зависимости от погоды, сезона и даже от дней цикла кожа требует всестороннего ухода.

Основные ошибки применения

Многие девушки неправильно расценивают значение таких составов. Купив продукт, они начинают применять его слишком активно, вплоть до того, что ежедневно наносят на лицо. Это ошибка! Сразу стоит уточнить, как часто можно делать маски для лица с учетом конкретного типа кожи, возраста, проблем и характеристик состава. Обычно количество применений в неделю составляет не более 3.

Второй момент касается правил нанесения. Не все знают, как пользоваться маской для лица. Многие дамы, наложив состав, продолжают весь период его действия заниматься своими делами: убирают в квартире, совмещают с другими гигиеническими процедурами, просто сидят и смотрят сериал. Это тоже неправильно! Данные средства представляют собой тяжелые и плотные субстанции. При «ношении» на лице в вертикальном положении они тянут кожу вниз.

То есть, получается эффект, обратный лифтингу. После умывания не стоит ждать подтянутости, наоборот, со временем овал еще сильнее «поплывет» вниз. Поэтому важно знать, как пользоваться маской для лица: после нанесения нужно полежать в горизонтальном положении минут 15–20, пока продукт воздействует на кожу. Потом следует умыться, и можно продолжать другие занятия.

В какое время лучше делать маски для лица? Незнание ответа на этот вопрос порождает третью ошибку в использовании данных уходовых средств. Девушки думаю, что чудодейственные свойства проявляются сразу после нанесения, часто накладывают состав перед работой, свиданием. Такой подход применим лишь к экспресс-средствам. Они действительно оказывают мгновенный эффект (охлаждение, увлажнение, питание, даже лифтинг). Правда, длительность такого результата краткосрочная.

Поэтому, купив новый продукт, стоит в инструкции сразу уточнить момент, когда лучше делать маски для лица: утром или вечером. Например, почти все успокаивающие, противовоспалительные и питательные составы нужно наносить перед сном. А вот для увлажняющих и противоотечных оптимальное время – первая половина дня. Но в любом случае стоит уточнить, когда лучше делать маски для лица: утром или вечером.

Изменения видового и функционального состава семенного фонда при сборке полуестественных пастбищ: разбор семенного банка или экологический палимпсест?

Вопрос В отличие от сбора надземных растительных сообществ, процессы, управляющие сборкой банка семян в почве после серьезного нарушения среды обитания, плохо изучены. В этом контексте были выдвинуты две гипотезы: (1) «гипотеза экологического палимпсеста» предполагает постепенное накопление видов в банке семян; и (2) «гипотеза разрушения сообщества» предполагает постепенную детерминированную потерю видов из банка семян.Здесь мы исследовали, какая гипотеза применима к банку семян полуестественных пастбищ после вырубки леса. Кроме того, мы спросили, происходит ли дивергенция сообщества банка семян на уровне видов и функциональных признаков. Местоположение Восстановленные и древние (старые) известняковые пастбища на юге Бельгии. Методы. Видовой состав 106 образцов семенного банка трех восстановительных возрастных классов был получен в результате эксперимента по проращиванию. Средневзвешенные значения сообщества были рассчитаны для 26 функциональных признаков.Мы оценили изменения видового и функционального состава с увеличением возраста пастбищ. Между возрастными группами сравнивалась дифференциация видового и признакового состава. Наконец, мы проверили наличие вложенности сообществ банка семян в зависимости от возраста. Результаты. Видовое богатство банка семян уменьшилось со временем после восстановления, на уровне признаков, что отражается заменой признаков, связанных с универсальными терофитами, признаками, типичными для хамефитов и специалистов по пастбищам. .В то время как дифференциация видов оставалась относительно постоянной, дифференциация признаков уменьшалась со временем после восстановления. Состав банка семян старых пастбищ был вложенным подмножеством состава молодых пастбищ. Выводы. Наши результаты показывают, что «гипотеза разборки сообщества» применима к сборке сообщества полуестественных пастбищ. Непосредственно после вырубки леса формируется разнообразный банк семян, за которым следует постепенная чистая потеря видов. Удивительно, но потеря этого вида определяется не признаками устойчивости семян, а функциональными изменениями в надземном сообществе.Этот процесс разборки приводит к одному детерминированному конечному состоянию на уровне признака, но не на уровне вида.

MICAL2 усиливает разборку разветвленной актиновой сети за счет окисления Arp3B-содержащих комплексов Arp2/3 | Журнал клеточной биологии

Для экспрессии всех комплексов Arp2/3 в клетках насекомых Sf21 использовали мультибак-систему вектора экспрессии pFL (Fitzgerald et al., 2006). Для получения соответствующих бакуловирусов для инфицирования клеток Sf21 использовали следующие векторы: pFL-ARPC2-Arp3, pFL-ARPC2-Arp3B, pFL-ARPC4-ARPC1A-TEV-STREP, pFL-ARPC4-ARPC1B-TEV-STREP, pFL- ARPC3–ACTR2–ARPC5 и pFL–ARPC3–ACTR2–ARPC5L.Arp3B человека амплифицировали с помощью ПЦР с использованием pLVX-GFP-Arp3B в качестве матрицы и клонировали в сайты BamHI/NotI вектора pFL, который также содержит ArpC2 (Abella et al., 2016). Бакуловирусные векторы экспрессии для других субъединиц/изоформ были описаны ранее (Abella et al., 2016). Расщепляемую TEV двойную метку STREP на С-конце ARPC1A/ARPC1B использовали для аффинной очистки. Изоформ-специфические комплексы Arp2/3 были получены с использованием комбинации трех бакуловирусов из списка выше, в зависимости от изоформного состава.Три вируса использовали для коинфицирования клеток насекомых Sf21, поддерживаемых в среде SF900-III (Life Technologies). Через 72 ч после инфицирования клетки собирали центрифугированием и ресуспендировали в буфере А (50 мМ Трис, рН 8,0, 100 мМ KCl, 5 мМ ЭГТА, 1 мМ ЭДТА, 2 мМ MgCl -2-, 0,5 мМ ДТТ, 0,2 мМ АТФ). , 2,5% [об./об.] глицерина и ингибитор протеазы [Roche]). Клетки лизировали ультразвуком, нерастворимую фракцию удаляли центрифугированием при 80000 g в течение 30 мин. Полученную растворимую фракцию загружали в одноразовую 1 мл колонку StrepTrap HP объемом 1 мл (GE Healthcare) со скоростью 1 мл мин -1 .После промывки связанную фракцию элюировали буфером А с 10 мМ D-дестиобиотином (Sigma; D1411). Элюированный комплекс Arp2/3 разводили 1:2 в буфере для разведения Mono S (20 мМ MES, pH 6,1, 2 мМ MgCl 2 , 5 мМ EGTA, 1 мМ EDTA, 0,5 мМ DTT, 0,2 мМ АТФ и 10 мМ). % [об./об.] глицерина) и наносили на катионообменную колонку Mono S 5/50 GL (GE Healthcare) при 1 мл мин -1 . Буфер B (20 мМ MES, pH 6,1, 2 мМ MgCl 2 , 50 мМ KCl, 5 мМ EGTA, 1 мМ EDTA, 0,5 мМ DTT, 0,2 мМ АТФ и 10% [об./об.] глицерина) использовали в качестве рабочий буфер, а элюирование проводили буфером C (20 мМ MES, pH 6.1, 2 мМ MgCl 2 , 500 мМ KCl, 5 мМ ЭГТА, 1 мМ ЭДТА, 0,5 мМ ДТТ, 0,2 мМ АТФ и 10% [об./об.] глицерина). Комплексы элюировали около 200 мМ KCl. Элюированные фракции, содержащие все семь субъединиц, объединяли и дополнительно очищали методом исключения размера на колонке Superose12 (10/300) и в буфере D (20 мМ MOPS, pH 7,0, 100 мМ KCl, 2 мМ MgCl 2 , 5 мМ EGTA, 1 мМ ЭДТА, 0,5 мМ ДТТ и 0,2 мМ АТФ, 5% [об./об.]) в качестве конечного буфера. Аликвоты очищенных комплексов подвергали мгновенной заморозке в жидком азоте и хранили при -80°С.

Обзор

— Посмертный анализ старых литий-ионных аккумуляторов: методология разборки и методы физико-химического анализа

Увеличение срока службы является важным вопросом при разработке литий-ионных аккумуляторов. Механизмы старения, ограничивающие продолжительность жизни, можно эффективно охарактеризовать с помощью физико-химического анализа состарившихся клеток с помощью различных дополнительных методов. В этом исследовании рассматривается современная литература по послесмертному анализу литий-ионных аккумуляторов, включая методологию разборки, а также методы физико-химической характеристики материалов аккумуляторов.Подробная схема анализа Post-Mortem выведена из литературы, включая предварительный осмотр, условия и безопасную среду для разборки клеток, а также разделения и постобработки компонентов. Особое внимание уделяется характеристике состарившихся материалов, включая аноды, катоды, сепараторы и электролит. В частности, подробно рассмотрены микроскопия, химические методы, чувствительные к поверхности электрода или объему электрода, и анализ электролитов. Методики дополняются электрохимическими измерениями с использованием методов реконструкции электродов, встроенных в половинные и полные ячейки с электродом сравнения.Критически обсуждаются изменения, происходящие с материалами при старении, а также возможности рассматриваемых методов анализа их наблюдать.

Литий-ионные аккумуляторы

в настоящее время используются в повседневных предметах, таких как смартфоны, электроинструменты и планшетные компьютеры, а также в растущих областях легких электромобилей (LEV), беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), аккумуляторных электромобилей (BEV). , гибридные электромобили (HEV) и подключаемые гибридные электромобили (PHEV). 1–4 Кроме того, распространение возобновляемых источников энергии, таких как ветровая и солнечная энергия, которые доступны только с перерывами, требует надежных и очень гибких стационарных решений для хранения энергии, которые обеспечивают высокую емкость и предсказуемый срок службы. 2,5

Старение литий-ионных аккумуляторов является общей проблемой для производителей, поскольку они должны гарантировать долгосрочную надежность своей продукции. В современных элементах эффекты деградации на уровне материала приводят к снижению емкости и увеличению сопротивления на уровне элемента. 6–28 Состояние старения батареи часто характеризуется состоянием работоспособности (SOH) в % согласно 3,16,22,29–31

, где t представляет собой время старения. В целом следует различать циклическое старение 7,16,18,21,23–25,32 и календарное старение. 7,19,21–24,27 Поскольку коммерческие литий-ионные элементы могут подвергаться календарному старению в период между производством и поставкой, рекомендуется измерять разрядную емкость при t = 0 для каждого элемента, подвергающегося тест на старение. Поскольку разрядная емкость зависит в основном от температуры, глубины разряда (DOD) и разрядного тока, SOH обычно контролируется путем регулярных проверок с определенными наборами параметров, 7,16,21,23,24 , которые могут варьироваться в зависимости от приложения.Как правило, температура 25°C, 16,22,24 DOD 100%, 16,21 и скорость разряда 1C 7,16,21,22,24 или ниже 23 используются в осмотры.

Снижение производительности на уровне элемента в основном связано с химическими реакциями деградации на уровне материала и на уровне электрода (см. рис. 9). 3,9,15–17,25,28,33–41 В этом смысле полное понимание механизмов деградации, происходящих внутри клеток, имеет решающее значение для увеличения продолжительности их жизни.

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рисунок 9.  Обзор механизмов старения в отношении деградации электрода и деградации материала. Обратите внимание, что механизмы деградации электрода могут происходить как на стороне анода, так и на стороне катода, хотя на этой иллюстрации они показаны только для одного конкретного электрода. Указаны методы анализа для наблюдения за соответствующими явлениями. Методы с ограниченным доступом к механизму старения указаны в скобках.

Чтобы сделать вывод о механизмах старения, необходимо разобрать клетки и проанализировать соответствующие клеточные компоненты. Для глубокого понимания процесса старения батареи важна гомогенизированная процедура, включающая вскрытие элемента, разборку, обработку образцов и анализ, чтобы избежать повреждения, загрязнения и модификации компонентов элемента и получить интерпретируемые данные.

Однако, как указано на корпусе почти каждого коммерческого литий-ионного аккумулятора, производители не рекомендуют разбирать аккумулятор.Это связано с угрозами безопасности, т.е. возможность создания коротких замыканий при вскрытии ячейки, что может привести к тепловому разгону ячейки. Кроме того, существуют серьезные проблемы со здоровьем, возникающие из-за химических соединений и риска повреждения образцов в результате неправильной обработки. 30 Однако при соблюдении определенных протоколов разборка литий-ионных аккумуляторов безопасна и дает надежные результаты о составе встроенных материалов и изменениях в процессе старения.

В 2011 г. Williard et al.представил методологию анализа отказавших литий-ионных аккумуляторов, например. после теплового разгона. 30 Однако, насколько нам известно, не существует стандартного метода разборки и анализа состарившихся литий-ионных элементов, хотя до сих пор было проведено много исследований, включающих разборку состарившихся аккумуляторов без отказа. 12,16,17,25,26,28,32,42–47

В этой статье мы рассматриваем современные методы разборки старых литий-ионных аккумуляторов, а также физико-химические методы анализа материалов из разобранных аккумуляторов.Для каждого метода обсуждаются выявленные механизмы старения и наблюдаемые изменения на материальном уровне, происходящие при старении. Особое внимание обращается на вопрос, какие изменения можно наблюдать при конкретных методах анализа. Наконец, мы делаем вывод о комбинациях методов, чтобы получить полное представление о процессах старения.

Предварительный осмотр и неразрушающие методы перед вскрытием литий-ионных аккумуляторов

Обзор отдельных этапов посмертного анализа представлен на рисунке 1.Перед разборкой клеток полезны неразрушающие методы характеристики, чтобы получить первое представление о механизмах старения. В дополнение к испытаниям емкости (см. уравнение 1), анализ возрастающей емкости (ICA) 48,49 и спектроскопия электрохимического импеданса (EIS) являются мощными методами получения информации о механизмах старения. 37,50–52 ICA основан на dQ/dV и . В и поэтому преобразует плато напряжения и точки перегиба на кривых напряжения в пики dQ/dV. 48 Изменения пиков dQ/dV (интенсивность пиков и сдвиги пиков) можно отслеживать во время старения и делать выводы об утрате активного материала/потере электрического контакта, изменениях в химическом составе элемента, недостаточной разрядке, недостаточной зарядке, 48 и снятие литиевого покрытия. 53 Удаление лития также определяли анализом дифференциального напряжения (DVA) в dV/dQ по сравнению с . участков Q. 53

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рисунок 1.  Блок-схема разборки литий-ионных аккумуляторов и анализа компонентов.

EIS — еще один неразрушающий метод для характеристики состарившихся клеток. 25,34,37,39,50–52 Во время старения импеданс клеток обычно увеличивается, что приводит к более медленной кинетике, что частично является причиной снижения емкости. 34,37 Причиной увеличения импеданса являются физико-химические процессы внутри клеток, такие как увеличение резистивных слоев. 25,39,50 Клетт и др. обнаружили существенные различия в графике Боде для клеток с календарным и циклическим возрастом. 39 Установлено, что основной причиной такой разницы является более выраженная пленка на поверхности анода при циклическом старении. 39 Однако на импеданс ячейки влияет множество факторов, требующих моделирования. 50 Более простым и быстрым методом получения самой базовой информации об изменениях импеданса ячеек являются измерения только на одной частоте, обычно 1 кГц. 28 Такие измерения позволили обнаружить прямые корреляции между ростом импеданса в процессе старения и увеличением Mn, P и Li на графитовых анодах с помощью анализа Post-Mortem. 28

Хотя неинвазивные электрохимические методы являются мощным инструментом для получения информации о механизмах старения, прямое наблюдение за химическими изменениями возможно только с помощью посмертного анализа. Кроме того, локальные явления старения, представляющие собой лишь малые доли электродов, часто не видны при электрохимических измерениях, так как они усредняются по всем электродам ячейки.

После электрохимической характеристики визуальный осмотр, графическое документирование и взвешивание являются следующими разумными шагами в анализе состарившихся литий-ионных аккумуляторов.Это может указывать на внешнюю деформацию или утечку, которые могут повлиять на поведение при старении или привести к выходу из строя элемента. Кроме того, эти шаги могут дать первые подсказки о наилучшем положении для открытия ячейки. В то время как для ячеек стандартной конструкции, таких как ячейки 18650 или 26650, положения разреза в большинстве случаев одинаковы (примерно 1 мм рядом с положительным или отрицательным разъемом), может потребоваться проведение дополнительных испытаний для других геометрий, таких как призматические и карманные ячейки.

К неразрушающим методам, выявляющим внутреннюю часть батарей, относятся рентгеноструктурный анализ, 30,54–56 Рентгеновская компьютерная томография (КТ), 9,42,54–65 и нейтронная томография. 66,67 Поскольку рентгеновский анализ позволяет получить 2D-изображения пропускания (рис. 2а), в зависимости от конструкции ячейки может потребоваться проведение измерений пропускания рентгеновского излучения под несколькими углами обзора. 55

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рисунок 2.  Примеры неразрушающего контроля литий-ионных аккумуляторов. а) Просвечивающее рентгеновское изображение клетки с намотанным желейным валиком 30 (с любезного разрешения Springer Science and Business Media).б) Фронтальная КТ рядом с положительным разъемом ячейки типа 18650 32 (воспроизведено с разрешения The Electrochemical Society). Штриховыми линиями обозначены возможные места разреза корпуса ячейки без проникновения электродов.

Напротив, данные КТ получаются путем поворота ячейки с небольшими угловыми шагами, в то время как рентгеновские изображения записываются для каждого угла. Из этого набора данных 3D-модель клетки определяется с помощью математического алгоритма, который позволяет рассчитывать осевые и фронтальные 2D-сечения в определенных положениях (см. Рисунок 2b и Рисунок 3a).Таким образом, КТ является дорогостоящим методом и обычно требует более длительного времени измерения по сравнению с измерениями пропускания рентгеновских лучей. Кроме того, КТ приводит к большим объемам данных и большей рабочей нагрузке для интерпретации этих данных. Тем не менее, КТ может выявить многие детали внутреннего устройства батареи, такие как деформации внутри элементов после старения, 9,32,42 стресс, 64 отказ, 54–56,58 или тесты на неправильное использование. 57,59,60 В случае внутренних деформаций КТ очень полезна для изображения их формы без приложения механической силы, которая может изменить ячейку 32,42,64 (см. рис. 3а).И рентгеновский анализ, и компьютерная томография подходят для определения положения разреза для вскрытия клеток, как показано на рис. 2.

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рисунок 3. а) Аксиальная КТ клетки 18650 с деформированным желейным валиком. Область поперечного сечения клетки на (b) отмечена на КТ. b) СЭМ-изображение поперечного сечения ячейки, на котором видны такие детали, как трещины в покрытии 32 (воспроизведено с разрешения The Electrochemical Society).

Методы с использованием нейтронов также подходят для получения информации о макроскопическом устройстве внутри литий-ионных аккумуляторов 66 и могут даже предоставлять информацию о химическом составе 66,68 неразрушающим способом. Однако из-за того, что этот метод требует очень больших усилий, нейтронная томография непрактична для определения положения разрезов для разборки клеток. Также следует иметь в виду, что образец может быть радиоактивным после обработки нейтронами.

Разборка литий-ионных элементов при фиксированном SOC и в контролируемой среде

Для поддержания компонентов элемента в состоянии, близком к состоянию во время работы, и для безопасности экспериментатора состояние элемента и среда разборки должна быть четко определена.

Перед разборкой аккумулятор необходимо зарядить или разрядить до определенного уровня заряда (SOC). 12,16,17,30,34,45,69–71 С точки зрения безопасности желателен глубокий разряд (до конечного напряжения разряда 0 В), поскольку он снижает энергосодержание сотовый. В случае нежелательного короткого замыкания глубокий разряд уменьшит риск теплового разгона.

С другой стороны, напряжение элемента не должно выходить за пределы нормального рабочего диапазона во избежание нежелательных изменений материала, не вызванных старением.Поэтому большинство авторов перед разборкой разряжают элементы до конечного напряжения разряда, соответствующего SOC = 0%. 12,16,17,28,30,34,46,69,70,72 Определенный SOC также важен для сопоставимости результатов различных ячеек, например. старые и свежие клетки одного типа. Точная процедура разрядки перед разборкой, к сожалению, не приводится большинством авторов. Кобаяши и др. упомянули, что напряжение холостого хода (OCV) старых элементов, разряженных до 2,5 В при C/20, было больше, чем OCV свежих элементов из-за увеличения внутреннего сопротивления элемента. 12 Таким образом, авторы выдерживали все элементы при напряжении 3,0 В более 10 часов перед разборкой, что привело к OCV 3,0 В ± 0,01 В. 12 Аналогичный метод разряда был использован Takahara et al. 26 Кумаресан и др. разряжали клетки мешочка в два этапа, сначала с C/33 и после 30-минутного периода покоя с C/83 для обеспечения полного разряда. 73

Разборка клеток при более высоких SOC была проведена для Т-клеток, 70 емкость которых очень низкая (∼0.2 мА·ч) и, следовательно, риск невелик по сравнению с коммерческими аккумуляторами (несколько А·ч). Бернс и др. Недавно открыли коммерческие аккумуляторы емкостью 0,22 А·ч при ∼50% SOC и обнаружили литий-покрытие после циклирования с высокими токами. 45 Те же авторы также открыли аккумуляторы типа 18650 емкостью 3,4 Ач после разрядки до 0 В из соображений безопасности 45 из-за их большей емкости. Следовательно, литиевое покрытие больше не было видно напрямую (но были явные различия в цвете и текстуре отрицательного электрода), хотя это и ожидалось по кулонометрическим измерениям. 45 Это несоответствие было объяснено глубоким разрядом до 0 В. 45

Поскольку некоторые компоненты литий-ионных аккумуляторов реагируют с O 2 и H 2 O, перчаточный бокс, заполненный высокочистой атмосферой Ar содержащих H 2 O и O 2 только в более низком диапазоне частей на миллион. 30,32,34,45–47,69–71,73–78 Особенно Li x C 6 , металлический Li и LiPF 6 проявляют реактивность с компонентами воздуха.LiPF 6 реагирует с водой с образованием газа HF, 30,36,79 , который может вызвать серьезные проблемы со здоровьем без соответствующего защитного снаряжения 30 , а также коррозию материалов катода. 36 Мы отмечаем, что использование N 2 в качестве инертного газа не подходит из-за его реакционной способности с металлическим Li с образованием Li 3 N. 80 В своей статье от 2002 г. Aurbach et al. использовали заполненный аргоном перчаточный ящик с содержанием O 2 в диапазоне от 5 до 10 частей на миллион и содержанием H 2 O от 2 до 5 частей на миллион. 34 Вильярд и др. предполагают, что как O 2 , так и H 2 содержат O ниже 5 частей на миллион. 30 Большинство других авторов не комментируют верхние значения загрязнения перчаточных боксов.

В некоторых случаях защита образцов от воздуха менее важна. 30 Примерами являются XRD или ICP-OES измерения промытых катодных материалов. Авторы рекомендовали вытяжной шкаф со скоростью 60–100 футов в минуту в качестве минимального требования для разборки небольших коммерческих ячеек после циклирования в неагрессивных условиях. 30 Следовательно, Amanieu et al. открыли 18650 ячеек внутри перчаточного бокса, заполненного аргоном, из соображений безопасности, однако после удаления электролита с помощью ДМК образцы LiMn 2 O 4 были высушены в постоянном потоке воздуха вытяжного шкафа в течение ночи, так как образцы были не чувствителен к воздуху. 74 Отметим, что безопасность при разборке ячеек на воздухе зависит и от влажности. Открытие ячейки во влажном воздухе также имеет решающее значение и может привести к критическим условиям, приводящим к пожарам в лаборатории.

В любом случае состаренные электроды, которые используются для получения повторно собранных элементов (см. раздел «Электрохимический анализ повторно собранных электродов»), должны храниться в перчаточном боксе 12,34,73,81 до того, как они будут помещены в герметичный элемент. Костецкий и др. проводили вскрытие и промывку ячейки в перчаточном боксе, заполненном аргоном, и хранили образцы электродов в герметичной ячейке в перчаточном боксе перед дальнейшими исследованиями. 69 Обращаем внимание, что образцы электродов, находящиеся в контакте с электролитом, портятся даже в герметично закрытом виде, поэтому рекомендуем использовать электроды для дальнейших электрохимических испытаний в день разборки.

Хайтауэр и др. использовали специальную защиту, покрывая образцы Li x C 6 инертной жидкостью (Fluorinert FC-43) внутри заполненного аргоном перчаточного бокса перед переносом по воздуху в вакуумную камеру устройства ТЕМ, где инертная жидкость испарялась во время эвакуация камеры. 82

На этом этапе мы приходим к выводу, что разборка литий-ионных аккумуляторов должна выполняться в химически инертной среде, такой как бардачок, заполненный аргоном. Даже если элементы разряжены до конечного напряжения разрядки, разборку старых литий-ионных элементов следует выполнять с большой осторожностью.Процедура и, следовательно, затраты на разборку ячейки в решающей степени зависят от рисков для оператора и чувствительности материалов к воздуху и влаге.

Процедура вскрытия литий-ионного элемента и разделение компонентов токопроводящими инструментами, металлической пластинкой во время резки или контактом с металлической поверхностью перчаточного ящика. В зависимости от конкретной конструкции ячейки, корпус ячейки может быть соединен как с положительным, так и с отрицательным выводом.Это можно легко определить с помощью вольтметра перед разборкой.

Кроме того, во время вскрытия ячейки необходимо соблюдать осторожность, чтобы предотвратить внутренние короткие замыкания ячейки, 30,32,54,74 , а также образцов. 30 Внутренние короткие замыкания наиболее вероятны во время разрезания корпуса ячейки, либо из-за проникновения или деформации набора электродов / желейного валика, либо из-за механического давления. Таким образом, перед вскрытием секции литий-ионных элементов необходимо определить идеальное положение разреза для каждого типа элементов, применяя неразрушающие методы, как показано выше в разделе «Предварительный осмотр и неразрушающие методы».Кроме того, выгодно использовать непроводящие инструменты, т.е. из керамики или с непроводящим покрытием.

Аурбах и др. представила специальное устройство для открытия ячеек 18650, которым можно управлять в перчаточном ящике. 34 В этом устройстве цилиндрическая ячейка вращается с помощью двигателя с дистанционным управлением, а крышка корпуса ячейки разрезается пилой с твердосплавным наконечником. 34 Как показано на рис. 4а, инструмент Dremel можно также использовать для вскрытия ячеек. После снятия крышки ячейки (рис. 4b) необходимо срезать выступы, соединенные с корпусом.Затем можно разрезать дно ячейки и, наконец, распилить оболочку по оси цилиндра и развернуть желейный рулет (рис. 4в).

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рисунок 4.  Процесс открытия ячейки. а)–в) Использование инструмента Dremel при вскрытии ячейки цилиндрического типа. г)–е) Использование керамических ножниц при вскрытии ячейки кармана.

Ячейки пакета в целом легче открывать, как показано на рисунках 4d–4f, поскольку фольгу пакета можно просто разрезать керамическими ножницами 30 или ножом.В случае призматических ячеек было предложено сделать неглубокий надрез режущим инструментом на одной стороне ячейки, прежде чем снимать оставшуюся оболочку с помощью изолированных плоскогубцев. 30 В любом случае открытие ячейки должно выполняться очень осторожно, и следует избегать чрезмерных усилий на желейный валик или стопку электродов.

Образование металлической пыли или стружки зависит от метода резки. Пыль может попасть в элемент и загрязнить материалы, 30 , в то время как стружка может достигать нескольких миллиметров в длину и создавать короткие замыкания, приводящие к нежелательному разряду элемента и выделению тепла.Кроме того, следует учитывать, что во время резки также возникает локальный нагрев, который может вызвать изменение материалов ячейки или даже привести к проблемам с безопасностью.

В большинстве случаев компоненты ячейки будут отделены друг от друга, чтобы анализировать их отдельно (см. рис. 4c, 4f). Для старых анодов может случиться так, что активный материал прилипнет к сепаратору, 32 , что приведет к проблемам с разделением компонентов. Эту проблему можно решить, погрузив анод и сепаратор в DMC.Напротив, для состаренных катодов это часто менее проблематично.

Типичные конфигурации ячеек представляют собой намотанные желейные рулоны в цилиндрических ячейках, плоские желейные рулоны в призматических и пакетных ячейках, а также уложенные друг на друга электроды/сепараторы, z-образные сепараторы или комбинации укладки и намотки в пакетных и призматических ячейках. К сожалению, большинство авторов не комментируют этот этап разборки клеток. Мы отмечаем, что необходимо соблюдать особую осторожность, чтобы избежать перекрестного загрязнения при контакте между анодом и катодом.Если присутствует электролит, прямой контакт анода и катода создает короткое замыкание, приводящее к последствиям, описанным выше.

С самого начала открытия капли электролита могут быть восстановлены, если они содержатся в достаточном избытке. 83 В противном случае необходимо отобрать пробы электролита, погрузив желейный валик сразу после снятия корпуса в CH 2 Cl 2 84 или отдельные смоченные компоненты в ацетонитриле. 85 Последний метод позволяет извлечь электролит, а также соединения, образующиеся при его разложении при старении на каждом электроде.Поскольку многие растворители электролита очень летучи, рекомендуется быстрое восстановление электролита, чтобы сохранить состав неизменным.

Постобработка образцов разобранных литий-ионных аккумуляторов

После разделения компонентов аккумуляторов большинство экспериментаторов промывают эти компоненты типичными электролитными растворителями, такими как ДМЦ, 12,16,17,25,26,28,46, 47,65,71,72,74,82,86–90 DEC, 70,91 и EMC, 69 , тогда как только некоторые авторы не проводили промывку своих образцов. 34,45,53,65,78,92 Это возможно, когда требуется только визуальный осмотр 45,53 и/или электрохимические испытания. 46,65 Непромытые электроды, вероятно, содержат остаточный кристаллизованный LiPF 6 или нелетучие растворители, которые трудно отличить от элементов в SEI или интеркалированного Li. Кроме того, этап промывки также полезен для уменьшения коррозии образцов, поскольку LiPF 6 реагирует с H 2 O и O 2 и, как уже упоминалось, для защиты чувствительного аналитического оборудования, если образцы подвергаются воздействию воздуха.Сомервилл и др. показали, что промывка не является необходимой для удаления EC и других типичных карбонатов, когда образцы помещены в вакуум (∼10 -4 кПа), т.е. в вакуумных устройствах, таких как XPS или SEM. 89

К сожалению, большинство авторов не комментируют процедуру промывки (время, температура, объем, тип растворителя) 26,74,82 , хотя это могло существенно повлиять на результаты. Бах и др. замачивали свои образцы на 60 минут в DMC, а затем на 30 минут в новом DMC. 65 Вильярд и др. отметили, что промывка может привести к отсутствию определенных компонентов SEI. 30 Абрахам и др. продемонстрировали, что промывка DMC должна удалять изолирующие частицы, отложившиеся на поверхности графита после старения. 93 Недавно Somerville et al. подробно исследовал эту тему для графитовых анодов с пленками, образованными различными количествами добавки VC. 89 В зависимости от количества VC в электролите и, следовательно, от состава пленки также было обнаружено, что SEI можно изменить, по крайней мере частично, путем промывки DMC. 89 В одном конкретном случае LiPF 6 и LiF были полностью удалены, а частицы LiP x F y были восстановлены через 1 мин. 89 Согласно их исследованию, продолжительность промывки и/или промывка или отсутствие промывки должны быть проверены для каждого химического состава клеток. 89

Исходя из нашего опыта, два этапа промывки чистым растворителем продолжительностью от 1 до 2 минут необходимы для удаления следов соли лития из образцов. Кроме того, важно всегда выполнять этапы промывки одним и тем же способом, чтобы получить сравнимые результаты.

В некоторых методах, таких как анализ ICP-OES 16,28 , используется соскребание активного материала с электродов. Такая механическая обработка не изменит химический состав и поэтому не представляет проблем. XRD возможен как с электродами, так и с соскобленным порошкообразным материалом, однако следует учитывать, что предпочтительные ориентации частиц в электродах, которых нет в соскобленном материале, могут привести к различиям в интенсивности пиков. 34

Если исследуются трещины в активном материале, можно подготовить поперечные сечения всего литий-ионного элемента (см. рис. 3b).При этом кожух ячейки не снимается. Вместо этого выполняется разрез непроводящим электричеством пильного диска через всю ячейку. Положение разреза может быть определено заранее с помощью компьютерной томографии (см. Рисунок 3а). После разрезания элемента электролит удаляется, после чего следует стабилизация с помощью эпоксидной смолы и этап металлографической полировки. 30,32,42,56,94,95

По сравнению с КТ срезы клеток более трудозатратны и приводят к разрушению клетки.Тем не менее, поперечные сечения ячейки могут обеспечить значительно более высокое разрешение для определенных частей ячейки (сравните рисунки 3a и 3b), а также возможность выполнять измерения с помощью других мощных методов, таких как резка сфокусированным ионным пучком (FIB) 42,74 и наблюдение с помощью оптической микроскопии, 18,19,30,42,74,94,95 SEM, 30,32,42,74,95–97 или EDX. 95,97 Сечения комплектных ячеек дают толщину электродов в рабочем состоянии (соответствующего уровня заряда), т.е.е. с тем же давлением, что и в закрытой ячейке. Отметим, что это не относится к поперечным сечениям одиночных электродов, 18,19,74,96,97 , которые могли расшириться после разделения компонентов ячейки.

В этом разделе рассматриваются методы физико-химической характеристики материалов батарей. Данные о механизмах старения, полученные соответствующими методами, обсуждаются, чтобы дать обзор возможностей наблюдения за конкретными механизмами деградации.

На рисунке 5 показана схема основных компонентов клетки и соответствующие доступные методы физико-химического анализа для их характеристики. Образцы могут быть взяты из анода, катода, сепаратора, токосъемника или электролита, однако для упрощения на рис. 5 в качестве примера показан только катод. Из рис. 5 видно, что можно различать разные части твердого образца: поверхность электрода, объем, поперечные сечения и к ним можно отнести соответственно разные методы анализа.

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рисунок 5.  Обзор компонентов внутри литий-ионной батареи и физико-химические методы определения характеристик после посмертного анализа.

Причины поверхностной чувствительности методов анализа связаны с физической природой задействованных типов излучения или частиц. Упрощенный обзор физических/химических принципов (облучение и/или обнаружение электронов e , электромагнитного излучения/фотонов hv , нейтральных частиц и ионов) показан на рисунке 6.Они кратко объясняются для каждого метода в разделах ниже. Для получения более подробной информации о механизмах возбуждения и обнаружения соответствующих методов анализа мы обратимся к учебникам. 98–102

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 6. а)–л) Упрощенные схемы обнаружения частиц при различных методах анализа. Электромагнитное излучение hv соответствует видимому свету в (а), (е), (ж), рентгеновским лучам в (г), (д), (л) и радиоволнам в (к).В (b) испускаемые электроны можно разделить на обратно рассеянные электроны, оже-электроны и вторичные электроны. h) ИК в режиме отражения. м) Принцип разделения компонентов смеси в хроматографии. Кружки и линии представляют собой молекулы образца и стационарную фазу соответственно.

Поверхностная чувствительность создается либо путем отражения излучения/частиц от поверхности образца (например, при исследовании электрода с помощью оптической микроскопии), либо из-за коротких длин свободного пробега частиц внутри твердых образцов (например,грамм. методы с участием e или ионов). Типичными поверхностно-чувствительными методами являются микроскопия, EDX, XPS, IR или SIMS.

Напротив, другие методы не являются поверхностно-чувствительными и включают информацию об объеме электрода. В этом случае материал с образца необходимо соскоблить, т.е. в анализе ICP-OES, или обнаруженное излучение не препятствует образцу (например, рентгеновские лучи в случае XRD).

Типичные методы посмертного анализа клеточных компонентов и выявляемые ими механизмы старения обсуждаются отдельно в следующем разделе.Однако из-за чувствительности методов к различным частям образцов, упомянутых выше, обзор возможностей каждого метода приведен в разделе «Комбинация методов для полной характеристики механизмов старения».

Микроскопия

Оптическая микроскопия

Оптическая микроскопия основана на отражении видимого света от поверхности образца (рис. 6а). В общем, разрешение оптических микроскопов ограничено дифракционным пределом Аббе, соответствующим диапазону 0.2 мкм. 99 Это позволяет разделять частицы в микрометровом диапазоне с меньшими усилиями по сравнению с методами электронной микроскопии. 18,19,30,42,74,95 Таким образом, можно обнаружить эффекты старения, такие как изменение толщины электрода 18,19 или отложения на поверхности электродов размером в микрометровом диапазоне. 18,78 Из-за ограниченного разрешения оптической микроскопии обнаружение трещин в частицах или очень тонких пленок затруднено или может быть незаметно.Однако оптическая микроскопия является очень эффективным методом получения обзора поверхности образца.

Бранд и др. наблюдал подгорание сепаратора с помощью оптической микроскопии после встряхивания тестов 18650 клеток. 64 Некоторые группы изучали отложение лития и образование дендритов во время процесса зарядки in situ с помощью оптической микроскопии. 96,103–109 Кроме того, изменение цвета графитового 96 и рутилового 110 электродов контролировали in situ с помощью оптических микроскопов.

В случае разрабатываемых новых электродных материалов оптическая микроскопия также оказалась полезной. Фарр и др. смогли использовать методы оптической микроскопии для определения энергии разрушения литированных кремниевых тонкопленочных электродов в зависимости от концентрации лития. 111 Ли и Федкив успешно изучили влияние наночастиц кремнезема, добавленных в гелевые электролиты, для предотвращения коррозии алюминиевого токосъемника. 112

Это лишь несколько эксклюзивных примеров, демонстрирующих использование оптической микроскопии в посмертном анализе литий-ионных клеток, однако они иллюстрируют широкий спектр возможностей этого метода характеризации, который довольно часто недооценивается.

Сканирующая электронная микроскопия

Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) обеспечивает улучшенное разрешение по сравнению с оптической микроскопией благодаря меньшей длине волны де Бройля электронов по сравнению с видимым светом. Разрешение РЭМ в основном ограничено сферической аберрацией электронных линз. 99 Кроме того, при интерпретации изображений СЭМ следует учитывать тот факт, что вместо фотонов используются электроны (рис. 6b). Контрастность изображения сильно зависит от выбранного детектора, который улавливает либо обратно рассеянные, либо вторичные электроны. 99 Кроме того, наблюдения РЭМ ограничены вакуумом, что приводит к испарению летучих компонентов, таких как карбонатные растворители.

Благодаря более высокому разрешению СЭМ наблюдаемые области могут быть намного меньше по сравнению с оптической микроскопией. Поэтому необходимо уделять большое внимание регистрации данных, которые являются репрезентативными для всей выборки. Обычно это делается путем записи обзорных изображений, а затем увеличения различных частей образца. Различные компоненты клеток обычно наблюдаются с помощью СЭМ, поскольку он дает фундаментальную информацию о микроструктуре, которая может быть связана с механизмами деградации.

Кроме того, РЭМ ограничивается наблюдениями за поверхностью образца. Для получения информации об объеме и/или химическом составе РЭМ обычно дополняется другими методами. Например, SEM часто комбинируют с EDX-анализом для определения химического состава и/или комбинируют с методами поперечного сечения, такими как металлографическая подготовка, 30,32,42,56,94–96,113 Резка FIB, 39, 42,74,114–119 или ионное измельчение. 120 Кроме того, удаление тонких срезов с помощью FIB и последующая визуализация SEM позволяют создавать видеоролики 119 и строить 3D-модели электродов 116–118,121 (томография FIB/SEM).Такие трехмерные модели электродов оказались полезными в многомасштабных расчетах, где учитывалась микроструктура электродов. 118,121

С другой стороны, графит является наиболее распространенным анодным материалом, и в сочетании с другими методами СЭМ дала важные результаты для определения механизмов деградации, происходящих на поверхности этого материала.

Рост границы раздела твердого электролита (SEI) на поверхности частиц графита в процессе старения наблюдали с помощью SEM 16,18,40 (см. верхнюю часть рисунка 7).Рост SEI во время старения связан с разложением электролита и является причиной потери лития и, следовательно, падения емкости. 16,18,28,33,122

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рисунок 7. СЭМ-изображения графитовых анодов и катодов до и после циклирования 40 (воспроизведено с разрешения The Electrochemical Society).

Другим механизмом старения является отложение металлического лития на графитовых анодах.Хонбо и др. изучали отложение лития на графите с помощью СЭМ и выявили дендритную и гранулированную морфологию на исходном и измельченном углероде соответственно. 123 Zier et al. показали, что можно улучшить материальный контраст осаждения Li на графитовых электродах путем реакции с OsO 4 . 119 Изучение других анодных материалов, таких как Li 4 Ti 5 O 12 с помощью СЭМ до сих пор не дало точной информации о механизмах деградации. 124

Со стороны катода при СЭМ часто не видно никаких изменений между нетронутыми и старыми катодами 16,40,125 (см. нижнюю часть рисунка 7). Когда сообщалось о видимой поверхностной пленке после продолжительного циклирования поверх LiCoO 2 , было невозможно связать ее с четким механизмом деградации. 34 С другой стороны, механическое напряжение 126–128 из-за изменения объема во время циклирования приводит к трещинам в частицах, которые наблюдаются с помощью РЭМ. 42,74,75,129,130 ​​

В дополнение к механизмам старения, включающим электродные материалы, деградация других компонентов ячейки, такая как коррозия алюминиевых токосъемников 131–133 и закрытие пор 14,134,135 или плавление 124 90 сепараторов наблюдаемый с помощью СЭМ.

Просвечивающая электронная микроскопия

По сравнению с РЭМ, просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) обычно использует более высокие ускоряющие напряжения для электронов, что позволяет проходить через материалы (рис. 6c) и более высокое разрешение вплоть до атомного масштаба. 119,136,137 Таким образом, ПЭМ раскрывает характеристики образца с точки зрения морфологии частиц, кристалличности, напряжения или даже магнитных доменов. Однако из-за более высокой энергии необходимо учитывать повреждение луча для материалов батареи. 138 Следует отметить, что измерения ПЭМ ограничены локализованными областями образца, и поэтому трудно точно исследовать большой образец.

Как и для всех микроскопических методов, подготовка проб и мониторинг проб во время сбора данных имеют решающее значение для ПЭМ, например.грамм. Резка FIB оказалась полезной. Кроме того, большое значение имеют размер (чем тоньше, тем лучше) и чистота образца. Более высокие усилия при подготовке образцов делают ПЭМ более трудоемким методом по сравнению с СЭМ. Несколько обзоров с точки зрения экспериментальных возможностей и сравнения с другими микроскопическими методами можно найти в учебниках. 101,102

Структурные изменения морфологии частиц в результате календарного и циклического старения были исследованы Watanabe et al.для LiNi 0,8 Co 0,15 Al 0,05 O 2 материал катода. 139,140 Анализ ПЭМ также дал ценную информацию о зависимости связующего вещества от производительности ячейки, 141 образования SEI на катодах 142 и оценке новых электродных материалов. 110,143–146

В этом обзоре было упомянуто лишь несколько возможностей ПЭМ в патологоанатомическом анализе, однако использование этого метода смещается от метода посмертной характеристики к методу in situ и Operando . 147 Эта тенденция становится все более очевидной по мере того, как появляются аналитические приборы, чувствительные к низкому Z-элементу, контроль окружающей среды пробы, а высокоскоростные и чувствительные детекторы прямых электронов становятся все более и более доступными. 148

Методы химического анализа, чувствительные к поверхностям электродов

Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия

Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия (EDX) часто сочетается с устройствами РЭМ. Принцип EDX основан на облучении образца электронами и обнаружении генерируемых характеристических рентгеновских фотонов (рис. 6d).Таким образом, EDX позволяет получить информацию о химическом составе образца. Кроме того, если поверхность образца сканируется электронным лучом, карты химического состава на поверхности могут быть созданы путем наложения изображений SEM (картирование EDX). 39,95,97,119,149,150 Однако у EDX есть существенный недостаток, поскольку он не может обнаруживать Li. Поэтому для его обнаружения и количественного определения необходимы дополнительные методы. 16,17,72,150

Анализ ЭДС, проводимый при патологоанатомических исследованиях, позволяет проверить состав активных материалов и выявить наличие дополнительных фаз.Например, EDX позволил обнаружить повторное отложение растворенного Mn поверх графитового электрода после растворения катодов из смеси NMC/LiMn 2 O 4 . 16,28 Точно так же Klett et al. наблюдал Fe на анодах после растворения из LiFePO 4 катодов. 17 Также можно измерить присутствие F и P на анодах из-за деградации электролита. 16,17,28,151 Для анализа таких элементов подготовка проб и промывка электродов очень важны, как описано в разделе «Методы вскрытия ячеек».Однако можно обратить внимание, что в некоторых случаях присутствие таких элементов действительно может быть частью активного материала. 152

Кремер и др. модифицированные аноды с нанесением лития с использованием изопропанола. 150 EDX-картирование позволило обнаружить O и C, предполагая образование Li 2 CO 3 , однако авторам пришлось провести дальнейшие измерения с использованием FTIR и XRD для проверки. 150 Модификация осаждения Li изопропанолом позволила оценить площадь поверхности анода, покрытую Li 2 CO 3 , по EDX-картированию. 150

Малеки и др. исследовали эффекты глубокого разряда ниже напряжения окончания разряда для коммерческих LiCoO 2 / графитовых элементов. 153 Авторы обнаружили, что разрядка до 0 В может привести к растворению Cu из отрицательного токосъемника, что соответственно было обнаружено как на аноде, так и на катоде с помощью EDX. 153 Кроме того, EDX использовался в сочетании с SEM для обнаружения загрязнений после выхода из строя ячеек. 54

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС) основана на фотоэлектрическом эффекте. 98,154 Атомы в образце ионизируются рентгеновскими лучами и измеряются кинетические энергии испускаемых фотоэлектронов (рис. 6e). 98 Поскольку кинетическая энергия испускаемого фотоэлектрона характерна для исходного элемента, XPS позволяет анализировать и определять все элементы (кроме H и He), их степени окисления и, в определенной степени, их химическое окружение. 98 XPS чувствителен к поверхности из-за малой длины свободного пробега испускаемых электронов в твердых телах (несколько нм). 98 Таким образом, XPS может характеризовать химические изменения на поверхности частиц, что делает его ценным с точки зрения посмертного анализа.

В лабораторных условиях обычно используются источники рентгеновского излучения Al K-альфа. Кроме того, синхротронное излучение также можно использовать для проведения экспериментов в области жесткого рентгеновского излучения (HAXPES), 17,155,156 , однако это требует гораздо больших усилий.

Однако из-за высокой энергоемкости рентгеновских лучей необходимо учитывать возможность радиационного повреждения образца.Особенно компоненты SEI могут изменить свою химическую природу. Поэтому интерпретация данных XPS требует высокого уровня знаний об исследуемой системе. Кроме того, следует отметить, что измерения XPS сильно локализованы, поэтому для получения общего представления необходимо исследовать более крупный образец в разных областях. XPS можно комбинировать с ионным распылением для получения профилей глубины. Неровная поверхность электрода делает это упражнение особенно трудным, и при анализе данных требуется особая осторожность.Однако в сочетании с напылением XPS не может измерить профиль глубины всего образца электрода. В частности, XPS ограничен первыми нанометрами поверхности. Поэтому можно наблюдать только слой SEI, и часто сигнал от активного материала остается скрытым.

Полезный обзор возможных каталитических реакций, протекающих на границе электролита с графитом, и их наблюдение с помощью РФЭС недавно был сделан Россом. 157 Общий обзор анализа SEI, включая XPS, был предоставлен Verma et al. 158

Коммерческий LiFePO 4 / графитовые элементы, исследованные Klett et al. показали неравномерное старение электродов для циклированных клеток, тогда как электроды клеток с календарным старением были однородными 17 , что связано с температурой 77,159–161 и градиентами давления, возникающими во время циклирования.

Лу и др. обсуждалось старение с акцентом на LiCoO 2 / графитовых элементах. 162 Авторы выполнили XPS анализ поверхности и профилирования по глубине и наблюдали увеличение толщины SEI в старых клетках. 162 Недавний отчет группы Эренберга посвящен формированию SEI в коммерческих клетках мешочков. 163 С помощью РФЭС авторам удалось идентифицировать составляющие наружного и внутреннего слоев SEI, однако не удалось выяснить, есть ли различия в характеристиках SEI для разных способов формирования. 163

Несколько групп собрали информацию о составах SEI на анодных материалах, отличных от графита, таких как SiO 164 или Sn. 47 Несколько авторов сообщили о переходных металлах, которые растворялись в катоде, мигрировали через электролит и выпадали в осадок или были включены в слой SEI состарившегося анода. 165,166 О таком поведении также сообщалось с помощью дополнительных методов. 16,18,26,28

Связь между различными условиями старения и химическим составом SEI представляла интерес для Zheng et al. 167 Авторы исследовали деградацию коммерческих LiFePO 4 /графитовых ячеек при календарном старении в течение 10 месяцев при различных температурах и SOC. 167 При температурах, повышенных до 55°C, и высоких SOC при хранении они наблюдали значительное увеличение объемного сопротивления и сопротивления переносу заряда, а также потерю емкости. 167 Посмертный XPS-анализ подтвердил, что новообразованные слои Li 2 CO 3 и LiF на поверхности анода ответственны за изменения в поведении клеток. 167

При разработке новых электродных материалов Post-Mortem XPS может помочь идентифицировать неизвестные продукты побочных реакций, происходящих на поверхностях.Как указал Feng et al., основная проблема Li-S элементов заключается в накоплении соединений S на поверхности электродов, что обнаруживается с помощью XPS, и в результате этого снижается емкость. 168

XPS — универсальный инструмент для получения информации о химическом составе поверхностных частиц, образующихся в процессе старения. В отличие от EDX, ЯМР, XRD и ИК-спектроскопии почти все элементы могут быть обнаружены полуколичественно с помощью XPS. Кроме того, XPS является одним из немногих методов изучения продуктов реакции образования SEI и продуктов разложения.

Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье

Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье (FTIR) основана на взаимодействии образца с инфракрасным излучением. На рис. 6h показано это взаимодействие в режиме отражения. Отметим, что режим передачи также возможен для FTIR, который является объемным методом и поэтому здесь не обсуждается. Данные высокого разрешения собираются одновременно в выбранном спектральном диапазоне. Применяя преобразование Фурье к сигналу, создается фактический спектр.

Ранние FTIR-исследования материалов в литий-ионных элементах проводились группой Аурбаха 169,170 и Yoshida et al. 171 и сосредоточился на понимании химических характеристик SEI на литиевых и графитовых анодах. Эти исследования позволили выделить важные полосы рефлексов SEI в виде асимметричного карбонильного растяжения при 1650 см -1 , характерного для (ROCO 2 Li) 2 и 1450 и 870 см -1 характерного для Li 2 CO 3 .

ИК-Фурье-спектрометрия образцов после вскрытия также была проведена с целью устранения различий при использовании добавок к электролиту. 172–174 В этих случаях исследовались как аноды, так и катоды. Точно так же результаты FTIR используются для сравнения характеристик SEI при замене соли на основе лития. 175

Было проведено множество других FTIR-исследований для изучения эффектов старения. 34,46,150,176,177 Аурбах и др. выполнили FTIR-тесты на образцах электродов на основе графита и LiCoO 2 из 18650 литий-ионных элементов, подвергнутых циклированию при различных температурах. 34 Керлау и Костецкий проанализировали Li 0,8 Ni 0,8 Co 0,15 Al 0,05 O 2 Электроды на и углеродной основе после календарного старения методом FTIR при 45°C 176 Перед экспериментами электроды были промыты и высушены, и в обоих случаях были получены очень похожие спектры с полосами 864 см -1 , 1008 см -1 и 1240 см -1 , отнесенными к Li x PF y и Li x PF y O z , полученные в результате термического разложения LiPF 6 . 176 Норберг и др. исследовали катоды на основе LiNi 0,5 Mn 1,5 O 4 , подвергнутые циклу с 1 M LiPF 6 в смеси EC/DEC. 177 После циклирования FTIR-тесты выявили характерные полосы алкилкарбонатов, а также полосы при 1310 см -1 и 1110 см -1 , относящиеся к модам растяжения C-O и C-C в кетонах, что свидетельствует о разложении электролита на поверхности катода. . 177 Однако с помощью этого метода невозможно было идентифицировать конкретные соединения разложения.

Для экспериментов с ИК-Фурье необходимо отметить, что протокол подготовки образца электрода имеет решающее значение, поскольку необходимо удалить следы электролита, чтобы избежать нежелательных отражений. В качестве альтернативы измерению отражательной способности электродов также можно соскоблить активный материал и построить гранулы KBr. 177,178 Перенос проб из перчаточного ящика в ИК-Фурье-спектрометр, а также анализы следует проводить в инертной атмосфере, поскольку (ROCO 2 Li) 2 на поверхности электродов может реагировать с H 2 O для формирования Li 2 CO 3 . 179

Наконец, важно отметить, что FTIR не позволяет проводить количественный анализ соединений. Таким образом, интерпретация результатов FTIR часто дополняет посмертный анализ другими методами, такими как электрохимическое тестирование, XPS и SEM/EDX.

Масс-спектроскопия вторичных ионов

Масс-спектроскопия вторичных ионов (ВИМС) позволяет охарактеризовать элементный и молекулярный состав поверхности материала. Молекулярные фрагменты, кластеры, а также положительные и отрицательные ионы отрываются от поверхности с помощью первичного (импульсного) ионного пучка (рис. 6i).В случае статической SIMS или TOF-SIMS (Time of Flight SIMS) вторичные ионы, поступающие из образца, собираются и анализируются в масс-анализаторе «время пролета»: массовое разделение ионизированных фрагментов основано на необходимом времени. добраться до детектора. Хотя количественную оценку трудно применить, SIMS и, в частности, TOF-SIMS являются очень чувствительными методами (вплоть до нескольких частей на миллион). Более того, благодаря сложной электронике можно сфокусировать первичный ионный пучок и получить спектроскопическое изображение поверхностей.

Несмотря на то, что TOF-SIMS является поверхностно-чувствительным методом, он широко используется для исследования поверхности сыпучих материалов. Это делается путем распыления образца пучком ионов Cs + или Ar + , что позволяет получить профили концентрации по глубине. Это делает TOF-SIMS мощным инструментом для определения характеристик тонких слоев, таких как те, которые используются в системах микробатарей. 180,181 Спектроскопия поверхности может помочь в определении природы электрохимических пассивирующих слоев или покрытий на коллекторах и материалах электродов.

Использование TOF-SIMS может также помочь в изучении старения токосъемников или электродных материалов во время. 182–185 Wang et al. продемонстрировали растворение Fe из материала LiFePO 4 и подчеркнули роль защитного углеродного покрытия. 186,187 Точно так же растворение Mn и Ni из высоковольтной шпинели было охарактеризовано путем объединения экспериментов XPS, TEM и TOF-SIMS. 188 Результаты TOF-SIMS, показывающие концентрационные профили продуктов ионизации (LiF 2 , MnF 3 , NiF 3 ), образующихся при выводе анализа наличие MnF 2 на поверхности катода.

SEI также можно изучать с помощью TOF-SIMS. За прошедшие годы было доказано, что это мощный дополнительный подход к XPS, позволяющий лучше понять химическую структуру SEI. Первые исследования материалов для литий-ионных аккумуляторов на основе ВИМС начались в 2000-х годах. Пелед и др. инициировал первые попытки изучения SEI на поверхности электрода с помощью TOF-SIMS на монокристаллах ВОПГ, поскольку этот материал можно рассматривать в качестве модельного электрода для графитовых систем. 189,190 Авторы представили доказательства присутствия полимеров в SEI и зависимости химического состава SEI от природы плоскостей ВОПГ.Затем другие группы рассмотрели спектроскопию TOF-SIMS для изучения влияния добавок или альтернативных электролитов (например, ионных жидкостей) на химическую структуру SEI. 191–194

Хотя TOF-SIMS по-прежнему недостаточно используется в области накопления энергии и, в частности, для литий-ионных аккумуляторов, количество таких исследований в последние годы выросло. Уникальными преимуществами этого мощного метода спектроскопии анализа поверхности являются чувствительность, способность анализировать изотопы, лучшее горизонтальное разрешение по сравнению с другими спектроскопиями анализа поверхности, такими как XPS.

Профилирование по глубине с помощью оптической эмиссионной спектроскопии тлеющего разряда

Профилирование по глубине с помощью оптической эмиссионной спектроскопии тлеющего разряда (GD-OES) обеспечивает элементный анализ образцов путем распыления и регистрации излучаемого видимого света оторванных частиц, которые возбуждаются в плазме Гримма лампа 195 (рис. 6g) и детектируется круговым спектрометром Роуленда. 100

GD-OES хорошо зарекомендовал себя для контроля качества обработки поверхностей и стальных покрытий с использованием потенциала постоянного тока (DC).Из-за простоты использования и высокой чувствительности были проведены дальнейшие разработки, чтобы сделать метод применимым к непроводящим материалам с помощью радиочастотного (РЧ) потенциала, что позволило распространить применение GD-OES на тонкие пленки и непроводящие материалы. -анализ токопроводящего покрытия. 196–198 Совсем недавно электроды литий-ионных аккумуляторов стали предметом исследований GD-OES. 26,28,43,44,72,199,200

Данные профиля глубины получают путем послойного удаления атомов образца с помощью плазменного распыления. 201 Установка следующая: 195 образец помещается перед анодом и играет роль катода. Анод устройства ГД-ОЭС представляет собой полый цилиндр, который будет заполнен газообразным аргоном низкого давления (∼10 -4 гПа). Ионизация газа и генерация плазмы осуществляются при приложении разности потенциалов (∼500–1000 В). Распыленные атомы образца диффундируют в плазму и возбуждаются в результате дальнейших столкновений. Это приводит к испусканию характеристических фотонов, которые регистрируются оптическим эмиссионным спектрометром.Цилиндрический анод имеет типичный диаметр 2,5 мм или 4,0 мм, что соответствует размеру пятна анализа. Конструкция лампы Гримма делает анализ GD-OES независимым от матрицы образца. 100

В отличие от ряда других методов, таких как XPS и SIMS, глубинное профилирование GD-OES не ограничивается областью поверхности образца, но может анализировать ее от поверхности электрода до токосъемника. Следовательно, GD-OES может давать информацию как о поверхности электрода, так и об объеме электрода. 26,28,43,44,72,199,200

Saito et al. наблюдал распределение Li в катодах мощных литий-ионных аккумуляторов. 199 Авторы сообщили о градиенте лития к поверхности в разряженном состоянии и наоборот, что объясняется медленной диффузией лития как в электроде, так и в электролите. 199 Al-дефицитные области в NCA, как также сообщалось, формировались во время циклирования. 199 Такахара и др. провели обширные исследования не только катодов, но и анодов на основе графита, сосредоточив внимание на росте SEI при циклическом старении. 26,43,44,200 Авторы смогли выполнить калибровку на основе конкретного случая исследования и получить количественное распределение Li по всему графитовому аноду. Они также сообщили о более быстром и более точном профилировании глубины графитовых анодов с использованием газа Ar с дополнительным 1% H 2 . 200

GD-OES был применен к графитовым электродам из старых коммерческих элементов 18650, где была достигнута корреляция с электрохимическими данными. 28 В исследовании проводилось различие между «поверхностным» и «объемным» Li с использованием данных глубинного профилирования GD-OES, откалиброванных для Li на основе результатов ICP-OES. 28 Исследование показало, что содержание лития на поверхности коррелирует с величиной потери емкости, что указывает на важную роль побочных реакций на поверхности графита в деградации клеток. 28

GD-OES недавно использовался в посмертном анализе для обнаружения литиевого покрытия на графитовых анодах, 72 , что трудно или невозможно другими методами. По сравнению с анодами с SEI градиент Li и содержание Li значительно увеличиваются в случае покрытия Li. 72 Кроме того, было замечено, что большая часть металлического лития находится на поверхности графитовых анодов, 72 , что согласуется с моделированием Хайна и Латца. 202

Благодаря сравнительно короткому времени измерения, небольшому размеру образца, высокой чувствительности и возможности обнаружения Li в глубинных профилях через все электроды метод GD-OES является многообещающим аналитическим инструментом для лучшего понимания Li. механизмы старения ионных аккумуляторов. Однако, чтобы получить полную картину механизмов старения, ГД-ОЭС необходимо сочетать с дополнительными методами.

Методы химического анализа для объемного анализа электродов

Оптическая эмиссионная спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой

В посмертных анализах для определения элементного состава электродов используется оптическая эмиссионная спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой (ICP-OES). 16,18,19,28,151 В ИСП-ОЭС индуктивно-связанная плазма используется для получения возбужденных ионов и атомов из образца, которые излучают электромагнитное излучение в видимом диапазоне (рис. 6f).Длины волн этого излучения характерны для конкретного элемента. Таким образом, ИСП-ОЭС может дать соотношение между элементами, присутствующими в образце. Преимущество этого метода заключается в том, что могут быть обнаружены элементы от диапазона ppm до основных элементов образца. Однако одним из недостатков является то, что ИСП-ОЭС не дает полного состава пробы, что требует использования дополнительных методов. ICP-OES часто сравнивают с EDX (см. выше), однако ICP-OES имеет преимущество в обнаружении Li.Образцы полностью растворяются в растворе кислоты, а затем измеряются. Это означает, что исследованию подлежит объем образца, а не только его поверхность. Кроме того, для ИСП-ОЭС требуются площади образцов в диапазоне 2 см. Однако ИСП-ОЭС не может обеспечить профили глубины, и материал приходится соскабливать с нескольких см 2 образцов электродов, что ограничивает его возможности для изучения местных явлений.

В посмертном анализе измерения ICP-OES полезны для доказательства растворения переходных металлов с катода путем обнаружения мигрировавшего материала на аноде. 16,18,19,28,151 Было показано, что это растворение способствует механизму старения анода 16,19,28,36,37 и вызвано HF. 36,37 Stiaszny et al. обнаружены концентрации переходных металлов в свежих и состаренных анодах LiMn 2 O 4 -NMC/графитовые ячейки с ICP-OES. 19 Этот результат был подтвержден уменьшением высоты пика НМК в циклической вольтамперометрии. 19 Было обнаружено, что количество Mn на графитовых анодах, растворенных из катодов из смеси NMC/LiMn 2 O 4 , увеличивается с температурой 16,28 и временем 28 с помощью ИСП-ОЭС.Кляйн и др. хранить LiFe 0,3 Mn 0,7 PO 4 /LiMn 1,9 Al 0,1 O 4 смешивать катоды в различных соотношениях в электролите в течение двух недель при 60°C. 203 Наименьшее растворение Mn авторы наблюдали в чистом оливине, тогда как в чистой шпинели оно было на два порядка выше. 203 Для всех смесей авторы обнаружили резкое снижение растворения марганца с помощью ИСП-ОЭС в электролите. 203

Рост толщины SEI является еще одним механизмом старения и был изучен с помощью ICP-OES, ограниченного элементами Li, P и Mn и подтвержденный EDX. 16,28 Результаты согласуются с ростом SEI за счет разложения соли LiPF 6 на аноде | интерфейс электролита. 16,28,33 Было обнаружено, что потребление циклируемого лития на аноде, измеренное с помощью ИСП-ОЭС, напрямую коррелирует с уменьшением емкости, 12,28 снижением содержания лития в катоде и увеличением сопротивления ячейки. 28 С другой стороны, обсуждается реакция электролита на поверхности анода, приводящая к высыханию элементов, что приводит к дальнейшему снижению емкости. 25 204

Спектроскопия ядерного магнитного резонанса

Спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) — это мощный метод, позволяющий характеризовать материалы и химические соединения в твердом состоянии и растворенные в растворителях. 205,206 Он предоставляет не только химическую и структурную информацию, но также информацию о транспортных свойствах и подвижности ионов, электронных, магнитных, а также термодинамических и кинетических свойствах. 207–211

Образец помещают в магнитное поле, при этом он возбуждается радиочастотным импульсом (рис. 6к).Записанный спад свободной индукции (FID) обрабатывается с помощью преобразования Фурье для получения спектра ЯМР. Требуется одно или несколько активных ядер ЯМР (ядерный спин ≠ 0), которые служат в качестве зонда для обнаружения изменений в их химическом окружении и их электронных свойствах. Оба типа образцов, жидкие и твердые вещества, также можно исследовать на месте с помощью специальных измерительных установок. 212,213 Несколько авторов представили обзорные статьи, касающиеся ЯМР-спектроскопии в развитии литий-ионных клеток и посмертного анализа. 214

ЯМР — это полезный инструмент для облегчения разработки новых анодных материалов на основе данных, полученных в результате посмертных анализов. Согласно Delpuech et al., высокая необратимая потеря емкости анодов на основе кремния в основном происходит из-за разложения карбонатных растворителей с последующим образованием нелитиированных углеродных частиц в олигомерной или полимерной форме. 215 Грей и его коллеги показали, что потеря емкости и саморазряд напрямую связаны со структурными изменениями в кремниевых анодах, и их можно избежать путем правильного выбора связующих. 216 Перес-Висенте и его коллеги изучали Sn 4 P 3 в качестве возможного нового анодного материала. 217

В то время как большинство исследований ЯМР, связанных с материалами литий-ионных элементов, состоят из измерений твердотельного вращения под магическим углом (MAS), в сообществе литий-ионных элементов часто игнорируется тот факт, что это также мощный метод изучения жидкости. образцы и растворы. Современные жидкие электролиты, представляющие собой смеси огромного количества органических и неорганических соединений, обеспечивают большое разнообразие активных ядер ЯМР, таких как 1 H, 13 C (в органических молекулах), 7 Li, 31 P, 19 F (в LiPF 6 ), в случае недавно разработанных проводящих солей, таких как LiTFSI или LiFSI, даже 14 N или 15 N могут быть вариантами.Это огромное разнообразие активных ядер открывает множество возможностей для изучения явлений, связанных с электролитом, таких как старение, разложение электролита или образование SEI.

ДеСильва и др. изучали образование SEI на катодах LiNi 0,80 Co 0,2 O 2 и MCMB-(1028)-углеродных анодах с помощью 7 Li, 19 F и 31 MAS NMR в твердом состоянии PMR. 218 Их электролиты на основе LiPF 6 представляли собой растворители на карбонатной основе (EC, EMC), содержащие фторсодержащие добавки, такие как 1-FEC, DTFEC (бис-(2,2,2-трифторэтилкарбонат), 2,2,2-трифторэтилкарбонат). метилкарбонат (ТФЭМК) и трифенилфосфат. 218 В случае катода авторы смогли определить различные количества необратимых концентраций Li для одного и того же номинального электрохимического SOC после разборки элемента. 218 Кроме того, они смогли показать, что на катоде также происходит аддитивное разложение и осаждение. 218

С точки зрения анода были обнаружены различные количества LiF, а также продукты разложения фторированных карбонатов. Дюпре и его коллеги исследовали состаренные электроды из Li 4 Ti 5 O 12 и LiFePO 4 и определили в них концентрацию LiF. 219 На основе корреляции с уменьшением емкости циклированной ячейки авторы смогли предложить несколько путей реакции для различных механизмов старения исследованных электродов. 219

Lucht и его коллеги предложили механизмы термического разложения из-за автокатализа и протонных примесей для нескольких карбонатных растворителей, часто используемых в современных электролитах, таких как DMC, EC и DEC. 220,221 Их исследование представляло собой комбинацию методов ЯМР ( 1 H, 13 C, 19 F, 31 P, DEPT, COSY и HETCOR), ГХ-МС и SEC и проводилось на модели система, которая не содержала материала, собранного из старого литий-ионного элемента.Однако в дополнение к протонным примесям, таким как H 2 O или этанол, авторы смогли определить DEC как основную причину термического разложения LiPF 6 и обнаружили ряд продуктов разложения, которые также могут изменять материалы анода и катода во время процесса. срок службы литий-ионного аккумулятора. 220 В последующем исследовании они исследовали взаимодействие нескольких катодных материалов с органическими электролитами при повышенных температурах. 221 Очевидно, Li 2 CO 3 , присутствующий на поверхности катодных частиц, способен ингибировать термическое разложение органических электролитов. 221 Кроме того, продукты разложения электролита, обнаруженные в этом исследовании, были аналогичны продуктам, наблюдаемым на катодах, удаленных из литий-ионных аккумуляторов, подвергшихся термическому воздействию. 222

Подводя итог, можно сказать, что модельные исследования, включающие измерения ЯМР в сочетании с другими методами характеризации, могут быть полезны для интерпретации данных, полученных в результате посмертного анализа состарившихся литий-ионных клеток.

Структурная характеристика

При посмертном анализе метод дифракции рентгеновских лучей (XRD) обычно применяется для структурного анализа активных материалов в электродах (рис. 6k).Как и все методы дифракции, XRD применим только к материалам, атомы которых демонстрируют определенную степень периодичности. XRD широко используется для диагностики многих механизмов старения, поскольку он предоставляет важную информацию о структурных изменениях, которым могут подвергаться кристаллические активные материалы во время старения. 16,34,81,135,223

Кроме того, XRD дает информацию об изменении ориентации частиц и образовании пленки на электроде | интерфейс электролита. 34,135 Последнее явление можно наблюдать в XRD по уменьшению пиковой интенсивности. 34 135 Аналогично, Liu et al. показали, что уширение пиков XRD указывает на возникновение эксфолиации графита. 223 Кристаллические продукты распада на поверхности анода наблюдаются по дополнительным пикам. 122

XRD также позволяет обнаруживать химические реакции разложения/растворения по уменьшению объема решетки катодных частиц. Стиасный и др. проанализировали коммерческий литий-ионный аккумулятор со смешанным катодом LiMn 2 O 4 /NMC и графитовым анодом, циклически работающим при комнатной температуре. 18 Авторы измерили изменение параметров решетки состаренного активного материала NMC, на которое повлияло растворение переходных металлов в электролите, что приводит к уменьшению количества Li в катоде. 18,19

Температурно-зависимое изменение механизма старения (покрытие литием / рост SEI) в коммерческой ячейке 18650 с графитовым анодом и катодом из смеси LiMn постоянных решетки a и c НМК. 16 Постоянные решетки также коррелировали с содержанием лития, измеренным методом ИСП-ОЭС в состаренных анодах и катодах. 16 После консервации осаждения Li путем химической реакции его поверхности с изопропанолом для идентификации Li была использована порошковая рентгеновская дифракция (PXRD) 2 CO 3 . 150 Результаты согласуются с измерениями EDX и FTIR. 150

Рентгеноструктурный анализ является распространенным методом, позволяющим сделать вывод о постоянной решетки кристаллических активных материалов.Однако, поскольку XRD ограничивается измерениями на объеме электрода, его часто приходится комбинировать с другими методами, например поверхностно-чувствительный метод, такой как SEM или EDX.

Анализ электролитов

Разложение электролита происходит из-за побочных реакций, которые дают нерастворимые, растворимые и газообразные продукты. 37,224,225 Идентификация таких продуктов имеет основополагающее значение для отслеживания побочных реакций, ответственных за старение батареи. Таким образом, во многих исследованиях были реализованы методы анализа электролитов и газов, образующихся при старении аккумуляторов.Наряду с жидкостной ЯМР-спектроскопией (см. выше) хроматографические методы оказались очень успешными для посмертной характеристики электролита. Основным принципом хроматографии является разделение компонентов в смеси и последующее детектирование. Разделение достигается, например, разным временем удерживания в адсорбированном состоянии на стенке при движении по капилляру (рис. 6, м). Эксперименты с другими методами часто дополняют друг друга, особенно для анализа нерастворимых продуктов; эти методы описаны в других подразделах этой рукописи.Большинство исследований, касающихся методов хроматографии, сосредоточены на смесях растворителей на основе карбонатов LiPF 6 (EC, PC, DMC, EMC и DEC), поскольку они являются наиболее распространенными электролитами, используемыми в литий-ионных батареях.

В нижеследующем обзоре литературы по посмертному анализу электролита и газа выделяются две основные группы: исследования с использованием ячеек лабораторного масштаба, разработанных специально для сбора большого количества проб жидкости и газа, и исследования с использованием коммерческих ячеек, обычно содержащих только небольшой избыток электролита, который трудно восстановить.

Электролитный и газовый анализы, выполненные в лабораторных ячейках

Ранние исследования 171 проводились при первой загрузке LiCoO 2 /графитовых ячеек. Авторы применили жидкостную хроматографию в сочетании с инфракрасной Фурье-спектрометрией (LC-FTIR) для анализа восстановленного электролита, что позволило получить алкилдикарбонаты в качестве основного растворимого соединения, образующегося в результате разложения электролита. 171

Газовая хроматография (ГХ) в сочетании с детектором по теплопроводности (ГХ-ТПД) позволила обнаружить H 2 , CO, CO 2 , CH 4 , C 2

7 8 0

8 H 4

8 , C

2 H 6 и C 3 H 8 при первой зарядке.Чтобы получить представление о механизме образования алкилдикарбонатов, Sasaki et al. провели посмертный анализ ГХ-масс-спектрометрии (ГХ-МС) электролита, восстановленного после циклирования Li/графитовых полуэлементов. 226 Присутствие алкилдикарбоната было подтверждено, и параллельное химическое моделирование показало, что алкоксиды лития могут вызывать образование алкилдикарбоната. 226

Стремясь понять восстановительное разложение LiPF 6 -карбонатных растворителей, группа Laruelle 227–229 провела посмертный анализ электролитов и газов на клетках лабораторного масштаба.Авторы использовали электрораспылительную ионизацию в сочетании с масс-спектрометрией высокого разрешения (ESI-HRMS) и ГХ-МС для анализа электролитов, хотя для ГХ-МС анализов отработанного газа был использован другой набор капиллярных колонок. Параллельное использование этих методов позволяет обнаруживать соединения в широком диапазоне масс, таким образом, был выяснен общий механизм деградации электролита. 228,229 Авторы обнаружили, что большинство соединений деградации получены в результате линейного восстановления карбонатов, которые дают алкоксиды лития, которые дополнительно запускают этерификацию электролита, в то время как двухстадийное восстановление ЕС было менее важным.

С другой стороны, следы H 2 O в LiPF 6 приводят к образованию POF 3 , HF и LiF. Этот механизм усиливается при температуре, поэтому в литературе также встречаются тесты на хранение электролита, реализующие хроматографический анализ. 230–234 Terborg et al. 230 исследовал механизмы термического старения и гидролиза LiPF 6 с помощью ионной хроматографии (IC) в сочетании с ESI-MS. В этих исследованиях интересно отметить, что реализация IC позволяет обнаруживать HF в электролитах благодаря идентификации F .Крафт и др. 234 изучали продукты разложения электролитов LP30 и LP50 при термическом старении путем разработки методов разделения и сравнения надежности трех различных колонок IC. Кроме того, авторы объединили IC-ESI-MS-MS для идентификации новых фосфорорганических соединений. 234 Гендель и др. исследовали термическое разложение смесей EC/DEC+LiPF 6 с загрязнением деионизированной водой, применяя ГХ-МС для анализа жидких электролитов и Headspace-GC-MS для анализа летучих соединений. 233 Также были проведены дополнительные ЯМР и кислотное титрование. Авторы пришли к выводу, что старение электролита происходило медленно, поскольку исключались каталитические поверхности, окружающий воздух и протонные примеси. 233

Анализы электролитов и газов, выполненные на коммерческих элементах

Хроматографические методы также применялись для анализа электролита и газа, взятых из коммерческих литий-ионных элементов. 83,225,235–238 Задача состоит в том, чтобы применить знания, полученные в результате анализов в лабораторных ячейках, к коммерческим, чтобы указать пути разложения электролита, которым следует данный протокол старения.Идентификация нежелательных продуктов реакции может указывать на будущие оптимизации коммерческих ячеек. Тем не менее, метод отбора проб имеет решающее значение, поскольку коммерческие элементы обычно не имеют ни избытка электролита, ни газовых карманов.

Кумай и др. разработал сосуд для выпуска газа для сбора проб газа из графитовых элементов LiCoO 2 после испытаний на цикличность, перезарядку и переразрядку. 235 CO 2 , CO, CH 4 , C 2 H 6 и C 3 H 8 были обнаружены путем проведения анализа ГХ-ионизации с пламенным детектором и ГХД -ФИД).Терборг и др. восстановленный электролит из коммерческого элемента после 1400 циклов путем промывки сепараторов, анода и катодов в ПК. 237 Затем растворы подвергали анализу ГХ-МС. 237

Совсем недавно было представлено оборудование GC-FTIR-MS 236 в качестве полезного метода анализа газов из набухшей коммерческой ячейки. Извлечение газа выполняли в перчаточном боксе, заполненном аргоном, путем прокалывания мешочка для клеток воздухонепроницаемым шприцем. Авторы идентифицировали CO, CO 2 , CH 4 и C 3 H 8 на графике GC/FTIR Gram-Schmidt, тогда как хроматограмма GC/MS позволила обнаружить другие менее распространенные летучие соединения. 236 Дополнительные анализы электролитов ГХ-МС позволили обнаружить алкилдикарбонаты и более длинные карбонатные цепи, а также органофосфатные соединения, что показало, что следы воды, присутствующие в промышленной ячейке, играют роль в разложении электролита. 236

Grützke et al. восстановленный электролит из литий-ионных элементов на основе NMC емкостью 5 Ач, которые были испытаны в полевых условиях на гибридных электромобилях. 83 Клапан давления каждой ячейки был раздавлен, и электролит был собран. 83 Анализы ГХ-МС позволили определить компоненты электролита, а анализы ГХ-ПИД позволили оценить состав. 83 Авторы обнаружили виды F и PO 2 F 2 с помощью IC-ESI-MS при вскрытии клеток в инертной атмосфере, тогда как HPO 3 F и HPO 2 PO 4 также были обнаружены при вскрытии во влажной среде. 83 В промышленных элементах следы воды кажутся неизбежными из-за гигроскопичности LiPF 6 , тогда электрохимическое/химическое разложение электролита, которое приводит к этерификации растворителя, сопровождается образованием органофосфатов, поскольку продукты разложения реагируют с ПОФ 3 . 228

Чтобы понять влияние добавок, необходимо провести посмертный анализ разложившихся электролитов и образовавшегося газа в лабораторных ячейках 239 , а также в более крупных прототипах. 225 Кроме того, методы посмертной хроматографии начинают применяться для оценки новых составов электролитов, предназначенных для применений с высоким напряжением, для которых окисление электролита и термическое разложение являются основными проблемами, требующими решения.

Электрохимический анализ повторно собранных электродов

Реконструкция в полуячейки

Посмертные электрохимические характеристики могут быть выполнены в ячейках путем реконструкции анодов или катодов вместе с металлическим литием в качестве противоэлектрода. 12,17–19,34,88 Для электродов с двусторонним покрытием необходимо удалить одно покрытие, т.е. с помощью N-метилпирролидона 88 или с помощью лазерного гашения. 87,90

Электроды, извлеченные из свежих клеток, и электроды из старых клеток исследуются по одним и тем же протоколам. Целями этих электрохимических испытаний являются (i) доступ к остаточной (или остаточной) емкости электродов (в мАч/см 2 ) и (ii) измерение обратимой емкости (в мАч/см 2 ), учитывая что элементы обязательно были разобраны при одном и том же SOC (часто 0% SOC).

Для элементов с отрицательным электродом/литием первое электрохимическое испытание состоит в заряде для извлечения лития из анода (делитиирование). Принимая во внимание, что для ячеек с положительным электродом / Li первые испытания состоят в разряде для введения Li в катод (литирование). Тогда соответствующие емкости являются остаточными емкостями электродов. Для получения обратимых емкостей отрицательный электрод в полуячейке снова литируют, а положительный электрод делитируют.

В электродах, извлеченных из свежих клеток, остаточная емкость позволяет оценить начальную необратимость клеток из-за образования слоя SEI на этапе формирования. 46 Реверсивная мощность раскрывает начальную балансировку. 12

В состаренных электродах эволюция остаточной емкости указывает на потребление лития в побочных реакциях, а эволюция обратимой емкости служит для отслеживания разбалансировки клеток при старении, а также для правильного определения механизма старения. 17,46

На рис. 8 показан принцип определения емкости в полуячейках монеты. Следует отметить, что при использовании указанного метода определения емкости следует соблюдать осторожность, если в электроде присутствуют неоднородности из-за погрешностей изготовления или старения.Один из способов решения этой проблемы состоит в том, чтобы не учитывать среднюю поверхностную емкость (в мАч/см 2 ) образцов, а учитывать средний вес образцов, собранных из «свежих» электродов, перед созданием монетных ячеек для расчета и сравните массовую емкость (в мАч/г).

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рисунок 8.  Процедура электрохимических измерений в повторно собранных полуэлементах монеты.

Кобаяши и др. предложил аналогичную процедуру для определения емкости каждого электрода. 12 Они изучали LiMn 2 O 4 /LiNi 0,8 Co 0,15 Al 0,05 O 2 смесь катодов угольно-графитовая анодная система. 12 Остаточная емкость катодов, снятых с элементов после циклирования или календарного старения (в пересчете на СЗ катода в разрядном состоянии), увеличилась по сравнению со значением, полученным для свежего элемента. 12 Авторы продемонстрировали, что существует связь между сохранением емкости исследуемого элемента и SOC катода в состоянии разряда (аналогично с напряжением холостого хода полукруглого элемента, которое определяет состояние литирования). электрода). 12 Это говорит о том, что ионы Li не только необратимо накапливаются на стороне анода в начальном цикле формирования SEI, но и постоянно накапливаются в процессе циклического или календарного старения. Аналогичные результаты были получены и другими методами. 16,28

Аурбах и др. повторно собрали свежие и циклированные электроды из ячейки 18650 с угольными анодами и катодами LiCoO 2 в ячейки с литиевыми противоэлектродами и электродами сравнения. 34 Авторы провели циклическую вольтамперометрию (CV) и электрохимическую импедансную спектроскопию (EIS) с этими повторно собранными ячейками. 34 Из измерений CV и EIS они заметили, что кинетика состаренных анодов становится медленнее по сравнению со свежими анодами. 34 Причина – рост толстой поверхностной пленки при старении. 28,34,135,240

Такие базовые электрохимические тесты в полуэлементной конфигурации дают представление о реальном состоянии литирования каждого электрода полного элемента в состоянии разряда. Остальные емкости могут косвенно свидетельствовать о необратимом накоплении ионов Li в аноде, что может быть подтверждено также химическим анализом анода методом ИСП-ОЭС. По обратимым емкостям можно оценить эволюцию вводимой способности основной структуры каждого электрода, и можно определить наиболее значимый фактор снижения емкости.Ключевым вопросом является согласованность повторно собранных ячеек, поэтому как минимум две ячейки должны быть построены из одних и тех же электродов.

Реконструкция в полные элементы с электродами сравнения

Дополнительно к реконструкции анода или катода в полуэлементы по сравнению с . Li, 12,34,81 можно построить полные ячейки, используя анод, катод и дополнительный электрод сравнения (RE). 75,87,241 РЭ позволяет получать потенциалы как анода, так и катода при зарядке и разрядке. 87 Отметим, что измерения в полуячейках дают другой результат, так как взаимодействие между анодом и катодом отсутствует.

Стабильность во времени потенциала РЗЭ является фундаментальной и зависит от температуры испытаний и природы электрохимической пары, выбранной в качестве РЗ (Li + /Li, 16,241–257,90 FePO 4 / Lifepo 4 , 258 Бифазные пары любят Li 4 Ti 5 O 12 / Li 7 Ti 5 O 12 , 258-261 Li сплавы, такие как Li x Sn /Sn, 262 263 Li x Al/Al, 264 или Li x Bi/Bi 265 ).

Хорошо известно, что положение RE имеет особое значение. Например, в водных системах хорошо зарекомендовал себя капилляр Лаггина-Габера, который расположен (i) рядом с рабочим электродом и (ii) между пробкой и противоэлектродом. 266 Недавно Hogg и Wohlfahrt-Mehrens провели измерения в 4-электродных полных ячейках с двумя RE. 241 Авторы обнаружили, что положение РЭ между анодом и катодом также очень важно для правильного измерения анодных потенциалов в полной литий-ионной ячейке. 241

Рамадасс и др. повторно собранные Т-клетки против . Li из графитовых анодов и LiCoO 2 катодов из коммерческих аккумуляторов 18650 (800 циклов при комнатной температуре). 81 Собранные элементы были помещены в перчаточный ящик с использованием сепаратора из разобранного старого элемента Sony и 1 M LiPF 6 в EC:DMC = 1:1 в качестве электролита. 81 Графитовый анод и катод NCA из коммерческих высокоэнергетических элементов типа 18650 недавно были повторно собраны в полные трехэлектродные элементы с дополнительным литиевым электродом сравнения. 87 Используя этот метод, можно было измерить анодный потенциал относительно . Li/Li + и, следовательно, для определения условий осаждения Li. 87,90 Следовательно, можно разработать оптимизированные процедуры зарядки, чтобы предотвратить отложение лития в коммерческих элементах 18650 и значительно увеличить срок службы батареи. 87

В дополнение к измерению электродных потенциалов с помощью РЭ также можно выполнять измерения импеданса как анода, так и катода, извлеченных из свежих и состаренных элементов одновременно при различных состояниях заряда. 261 Этот тип измерения требует оптимизации морфологии РЭ и его размещения внутри клетки для получения надежных спектров импеданса.

Положение RE важно для получения надежных значений потенциала и импеданса. 248 Диз и др. смоделировали распределение потенциала электролита внутри ячейки, чтобы найти наилучшее расположение РЭ внутри ячеек-мешков. 267 Другие статьи 248,249,268 демонстрируют искажения или артефакты смоделированных спектров импеданса комбинированных геометрических и электрических асимметрий в электродах.Эти артефакты часто представляют собой индуктивные петли в низкочастотной области одного из электродов.

В любом случае очень важно хранить электроды в строго контролируемых условиях. 75 Itou et al. повторно собрали электроды из циклированных ячеек вместе со свежими электродами в новые ячейки с литиевым электродом сравнения, чтобы измерить увеличение сопротивления электродов. 75 С помощью этого метода авторы обнаружили, что катод в основном ответственен за увеличение сопротивления во время циклирования при 60°C. 75 По согласованности FIB/SEM и XAFS выявили растрескивание на границе раздела зерен внутри частиц и локальные изменения в катоде LiNi 0,8 Co 0,15 Al 0,05 O 2 . 75

Следует отметить, что еще одной конфигурацией для посмертных тестов импеданса являются симметричные монетные ячейки с электродами одинаковой полярности. Это позволяет оценивать каждый электрод без влияния противоэлектрода или RE. 269,270 Недостатком этой конфигурации является то, что импеданс может быть получен только при одном уникальном состоянии литирования, соответствующем SOC элемента перед разборкой.

Альтернативным решением может быть встраивание РЭ непосредственно в еще функционирующую коммерческую ячейку без разборки и реконструкции электродов. Этот подход сложен, поскольку необходимо будет обеспечить надлежащее повторное запечатывание ячеек.

Как подробно обсуждалось в Физико-химическом анализе состарившихся материалов после разборки секции литий-ионных элементов, каждый метод физико-химического анализа имеет свои преимущества и недостатки, позволяя наблюдать только определенные аспекты механизма старения, но не в состоянии характеризуют другие.Например, поверхностно-чувствительные методы не могут получить доступ к объемным свойствам электродов. Напротив, методы, чувствительные к объему, смешивают свойства поверхности со свойствами объема электрода. Поскольку объем обычно намного больше поверхности, влияние поверхности на измерение часто незначительно. Методы глубинного профилирования обнаруживают как поверхность электрода, так и его объем, однако они не наблюдают морфологических или структурных изменений.

Требуемая способность метода анализа сильно зависит от наблюдаемого механизма старения.На рис. 9 представлен схематический обзор механизмов деградации электродов и материалов, которые часто не выделяются в литературе. Деградация электродов включает рост пленки на поверхности электродов (разложение электролита 16,18,26,28,40,122 или осаждение лития 25,45,72 ), закупорку пор электродов или сепаратора, 37 расслоение сепаратор, 42,95 трещины в покрытии электродов 32,42,223 или деформация электродов или сепаратора. 9,14,32

Разрушение материала с образованием трещин в частицах, 42,74,75,129,130 ​​ расслоение, 37 изменение поверхности частиц, 37,158 36,37,272 разрушение электролита, 175,228,229 или закрытие пор сепаратора (например, приложенным давлением). 134 273 Соответствующие рекомендуемые методы анализа указаны на рисунке 9.

На рис. 10 представлен обзор возможностей методов анализа, подробно рассмотренных в разделе «Физико-химический анализ состарившихся материалов после разборки секции литий-ионных аккумуляторов». Зеленый, оранжевый и красный цвета указывают на хорошую, ограниченную способность и отсутствие возможности обнаружения определенного механизма старения соответственно. Из рисунка 10 ясно видно, что возможности различных методов анализа широко распространены, но не существует метода, охватывающего все механизмы старения. Поэтому мы даем четкую рекомендацию исследовать образцы с помощью различных дополнительных методов анализа, чтобы получить полную картину механизмов старения литий-ионных аккумуляторов.

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рисунок 10.  Обзор методов анализа и явлений, которые они могут обнаруживать. Зеленый, оранжевый и красный цвета указывают на хорошую, ограниченную и отсутствие возможности обнаружения определенного механизма старения соответственно.

Разборка литий-ионных аккумуляторов обязательна для сбора образцов для определения механизмов старения и улучшения материалов, включая поэтапное улучшение современных материалов, а также разработку новых поколений материалов.

В настоящей статье рассматриваются современные процедуры посмертного анализа состарившихся литий-ионных клеток. В частности, широко рассматриваются методы разборки старых литий-ионных аккумуляторов, а также физико-химический анализ их компонентов.

Химически инертная среда во время открытия ячейки имеет решающее значение для обеспечения надежных результатов с образцами, чувствительными к воздуху, и безопасной работы экспериментатора. Для последующей обработки образцов рекомендуется промывать электроды в растворителе, который уже входит в состав электролита (например,грамм. DMC) для поддержания качества образцов. Однако на данный момент не совсем ясно, как промывка влияет на слои SEI на электродах. Опытный экспериментатор, использующий соответствующее оборудование для вскрытия ячеек, обязателен для получения интерпретируемых результатов при анализе образцов, полученных из литий-ионных ячеек.

Был проведен обзор доступных физико-химических методов анализа литий-ионных аккумуляторов после вскрытия, включая микроскопию, химические методы, чувствительные к поверхностям электродов и объему электродов, а также методы анализа электролитов и реконструкцию электродов пополам и пополам. полные ячейки с электродом сравнения.Для последнего случая существует существенная разница между реконструкцией в половинные и полные ячейки. Полуэлементы с анодами или катодами по сравнению с . Литиевый противоэлектрод обеспечивает емкость одиночных электродов. Напротив, реконструкция анодов и катодов в трехэлектродные ячейки с дополнительным электродом сравнения содержит информацию о взаимодействии между анодом и катодом. Таким образом, 3-электродные ячейки позволяют получить представление об электродных сопротивлениях и электродных потенциалах, которые имеют решающее значение для основных механизмов старения (например,грамм. Литиевое покрытие для отрицательных потенциалов анода).

Каждый метод физико-химического анализа позволяет наблюдать только определенные аспекты деградации литий-иона. Поэтому рекомендуется исследовать образцы с помощью ряда дополнительных методов анализа, чтобы получить полную картину механизмов старения. Комбинируя рассмотренные методы, можно охарактеризовать все соответствующие части элементов (аноды, катоды, сепараторы и электролиты) с точки зрения их микроструктуры, кристаллографической структуры и химического состава.

Только при детальном знании механизмов старения современные материалы могут быть удовлетворительно улучшены и разработаны новые материалы для решения задач и требований будущих применений аккумуляторов в форме повышенной мощности и плотности энергии. Таким образом, мы считаем процедуры, рассмотренные в этой статье, подходящими для разборки элементов будущих поколений аккумуляторов с повышенной мощностью и плотностью энергии после небольшой модификации метода разборки, если это необходимо.

Этот обзор был написан в рамках проекта MAT4BAT (http://mat4bat.eu/) и получил финансирование от Седьмой рамочной программы Европейского сообщества (FP7/2007-2013) в соответствии с соглашением о гранте № 608931.

Зарождающиеся клатриновые решетки спонтанно разбираются без достаточного количества адапторных белковНаблюдается, что эти структуры содержат не менее

~ 20 клатрина 1 ; они динамические 3 и нестабильные? Было показано, что многие белки настраивают частоту и вероятность разборки в этих переходных структурах 1,2,4,5 , но ни один из этих белков не является физическим драйвером разборки. Клатриновое оборудование для снятия покрытия , способное вести разборку 6,7 , редко встречается при созревании покрытых клатрином структур 8,9 .Таким образом, остается фундаментальный вопрос: что физически стабилизирует структуры, покрытые клатрином, от разборки и в какой степени? Решение этого вопроса поможет установить, при каких условиях ранние покрытые клатрином структуры развиваются в продуктивные везикулы. Здесь наше моделирование рекрутирования и сборки клатрина на мембранах воспроизводит кинетических данных in vitro , подтверждая модель, которая затем устанавливает, как ключевые параметры плотности адаптера, отношение объема к площади (V/A) и концентрация клатрина определяют кинетику и критические ядра покрытых клатрином структур на мембранах.

Эксперименты in vitro показали, что покрытые клатрином структуры могут прочно собираться на мембранах с клатрином и минимальным набором компонентов, что требует цитозольного адаптера, который локализует клатрин на мембране, и сайтов связывания мембраны, которые локализуют адаптеры на мембране, которые физиологически является незаменимым липидом PI(4,5)P 2 10–12 . Кроме того, клатрин in vitro собирает как плоские, так и пузыревидные решетки, точно так же, как это наблюдается in vivo 13,14 .Однако эти эксперименты не исследовали то, какая стехиометрия клатрина, адаптеров и площади мембраны определяет переход от нестабильных клатриновых оболочек к стабильным, поскольку все изученные условия сообщают о равновесных, высоко стабилизированных решетках. Даже когда концентрации компонентов сравнимы с зарегистрированными значениями in vivo , отношение V/A обычно на несколько порядков выше, чем в клетках, что может значительно увеличить стабильность комплексов, связанных с мембраной 15 . Эксперименты in vivo позволили получить более детальное представление о динамике зародышеобразования и почкования клатриновой оболочки 3,16 , а также ряд факторов, которые, как известно, способствуют клатрин-опосредованному эндоцитозу в клетках, включая ферментативную активность 17,18 , делает невозможным оценку критического ядра клатрина и адаптеров, устойчивых к разборке. Состав успешных продуктивных везикул 19 демонстрирует, что разнообразие композиций адаптеров и рецепторов приводит к продуктивному почкованию, и цель нашего исследования состоит в том, чтобы установить минимальные критерии для стабильного зарождения и роста, зависящего от концентрации адаптера, вне равновесия.

Кинетические измерения предоставили мощную переменную для оценки как моделей, так и механизмов сборки растворов в различных системах формирования нитей 20,21 , агрегации 22,23 и системах формирования капсида 24 . С помощью недавних кинетических экспериментов Саркар и Пукайдил 25 предоставили информацию не только о начальных условиях, которые могут способствовать формированию стабильной решетки клатрина на мембранах, но и об ограничениях скорости роста, в то время как предыдущие биохимические эксперименты ограничивали относительную свободную энергию клатрин-клатрин . 26 и клатрин-адаптер 27 взаимодействия.В кинетических экспериментах использовались начальные условия, которые снова управляли стабильными решетками, и не могли проверить требования к стабильным и нестабильным решеткам. Чтобы оценить размер и скорость стабильных ядер, поскольку они могут встречаться в клетке, нам нужно имитировать более низкое отношение V/A клетки, воссоздавая эти эксперименты in silico в новых условиях, которые являются сложными экспериментально. Большим преимуществом микроскопического пространственного моделирования здесь является то, что вместо проведения экспериментов при многих различных концентрациях для подгонки уравнений скорости к данным 23 наши явные физические модели жестко ограничивают подмножество констант скорости, которые могут дать количественную оценку данных. .

Моделирование сыграло важную роль в понимании принципов сборки с клатриновым покрытием, но еще предстоит охарактеризовать кинетику сборки из-за проблем с захватом молекулярной структуры в мезоскопических масштабах длины (мкм) и времени (минуты). Мы достигаем этого здесь, используя недавно разработанное программное обеспечение 28 для анализа структур с разрешением, которое фиксирует грубую молекулярную структуру 29 для многокомпонентных систем в 3D 30 , 2D 31 и переходы между 32 .Важно отметить, что уменьшение размеров или изменение пространства поиска и динамики, сопровождающие переходы от 3D к 2D 33 , строго учитываются в нашей модели, что количественно влияет на стабильность 15 и кинетику 34 этапов сборки. Наша модель производит энергетику клатриновых клеток, аналогичную чисто статистическим механическим моделям 35–39 , хотя этим моделям не хватает временного разрешения и молекулярных деталей. Наша модель создает структуры, аналогичные предыдущим пространственным симуляциям в растворе 40–42 , но с включением мембраны эти симуляции были слишком дорогими, чтобы охарактеризовать экспериментальную кинетику 43 .Здесь мы оцениваем энергетический баланс формирования изогнутой клетки и изгиба мембраны путем определения формы мембраны с минимальной энергией, совместимой с изогнутыми клетками решения. Подобно др. подходам 44-46 , мы не связываем динамически сборку клеток с образованием пузырьков. Тем не менее, мы можем уловить кинетику локализации и сборки на мембране, отслеживая сборку плоской решетки, что согласуется с наблюдаемым ранним ростом 13 . Наша модель служит отправной точкой для выхода за пределы непространственных кинетических моделей 47,48 или моделей с балансировкой сил 49 и включает важные структурные детали, которые обязательно повлияют на упаковку, механику и переделку адаптеров и грузов в везикулы.Важно отметить, что наши симуляции предоставляют подробную информацию о каждом мономере клатрина и структуре более высокого порядка по мере их эволюции во времени и пространстве. Используя концепции классической теории нуклеации, мы можем, таким образом, количественно определить критические ядра как функцию плотности адаптера, показав, что при фиксированной концентрации клатрина минимальная плотность адаптера необходима для запуска нуклеации и продолжения роста с соответствующими физиологическими скоростями ( ~ 60 с). .

МОДЕЛЬ

Наша модель предназначена для воспроизведения количественной кинетики недавно измеренной сборки клатрина на мембранах 25 путем захвата грубой структуры тримера клатрина и его адаптерного белка, белковых (и мультибелковых) констант диффузии, скоростей, описывающих все парные белок-белковые взаимодействия, а также концентрации и соотношение V/A в эксперименте.Каждый тример жесткого клатрина содержит 3 сайта для связывания другого клатрина, образующих плоскую или изогнутую гексагональную решетку в зависимости от угла «морщинистости» α ножек относительно оси z (рис. 1). Каждый тример также содержит 3 сайта для связывания адаптеров. Каждый адаптер содержит один сайт для клатрина и один сайт для связывания мембранного липида. Когда две молекулы связываются через свои специфические центры взаимодействия, они принимают заданную ориентацию относительно друг друга, образуя либо плоскую шестиугольную решетку ( α =90°), либо сферическую клетку ( α >90°). с сепаратором, состоящим из шестиугольников, пятиугольников и несовершенными контактами из-за жесткости тримеров 28 .Масштабы длины белков выбраны в соответствии с известным размером решетки клатрина 50 с межцентровым расстоянием здесь 17 нм. Исключенный объем (рис. 1) необходим для предотвращения перекрытия решеток при их диффузии в 3D или 2D, что, как мы убедились, не изменяет кинетику (рис. S1A).

Рис. 1. Реакционно-диффузионная модель с разрешением структуры для рекрутирования и сборки клатрина на мембранах фиксирует структуру, валентность и исключенный объем.

Тримеры Clathrin инициализируются в растворе, но связываются с адапторными белками, локализованными на поверхности.Связывание клатрина с адаптерами только один раз на поверхности согласуется с поведением AP-2 10 . Белки-адаптеры могут связывать специфические липиды на поверхности мембраны, если они инициализированы в растворе. Несвязанные сайты клатрин-клатрин исключают друг друга с радиусом σ=5 нм (синие кружки) и клатрин-адапторы с σ=1 нм. Во все моменты моделирования центры масс (ЦМ) на тримерах исключают другие ЦМ тримера на σ = 10 нм (фиолетовые кружки).

Мы исправили несколько параметров на основе эксперимента, описанного здесь.Мы используем фиксированные константы диссоциации 120 мкМ для клатрин-клатрин (без адаптера) 26 и 25 мкМ для клатрин-адаптер 27 . Экспериментальное отношение V/A составляет 991 мкм (методы) при концентрации клатрина 80 нМ 25 . Наш объем моделирования имеет плоскую SA 1 мкм 2 , что потребовало бы высоты 991 мкм. Чтобы сохранить такое же отношение V/A без распространения огромного избытка клатрина в растворе, вместо этого мы используем высоту 1 мкм и поддерживаем постоянную (стохастически колеблющуюся) концентрацию [Cla] to = 80 нМ (48 копий) в растворе (рис. .2А и см. Методы СИ). Это предполагает, что общая концентрация клатрина в растворе не изменяется по мере того, как клатрин накапливается на мембране, что соответствует очень хорошему приближению: <5% всего клатрина оказывается на мембране к 100 с. Для кинетического моделирования наша мембрана моделируется как плоская поверхность, а отдельные участки связывания на поверхности моделируются неявно 32 . Неявные адаптеры имеют высоту 4 нм, что обеспечивает точную кинетику связывания с мембраной, что подтверждается изменением временного шага моделирования (рис.S1B) и простой системой без реакции клатрин-клатрин (рис. S1C). Мы оцениваем транспортные свойства по Эйнштейну-Стоксу, с D Cla =13 мкм 2 /с, D R,Cla =0,03 рад 2 /с, D ap =25 мкм 2 /с, D ap =25 мкм 2 /с, R,ap = 0,5 рад 2 /с, D липид = 0,5 мкм 2 /с и D R,lipis =0,01 рад 2 /с, чтобы обеспечить вращение связанных комплексов поверхность. Диффузия замедляется по мере роста комплексов в соответствии с Эйнштейном-Стоксом 29 .

Рисунок 2. Моделирование реакции-диффузии с разрешением структуры кинетики сборки клатрина на мембранах воспроизводит эксперимент in vitro .

A) Моделирование было настроено так, чтобы имитировать экспериментальные условия из опубликованной работы Pucadyil et al 25 , где флуоресценция клатрина на мембранных канальцах измерялась во времени. Постоянная (колеблющаяся) концентрация клатрина в растворе (80 нМ) поддерживалась за счет обмена с резервуаром большого объема. B) Данные флуоресценции, усредненные по нескольким канальцам, показаны черным цветом.Экспериментальные данные были нанесены на график в единицах числа копий на мкм 2 , а не в произвольных единицах, путем обнуления смещения (вычитание 300) и масштабирования высоты на 1,7. Результат модели показан синим цветом (усреднено по 4 траекториям моделирования). C) Снимки одной траектории моделирования в разные моменты времени. D) Макроскопические временные масштабы (время запаздывания τ и начальная скорость роста E*k — см. уравнение 1), когда мы изменяем параметры модели в таблице 1 вместе с подгонками (уравнения 2 и 3).

Параметры, которые мы варьировали для оптимального воспроизведения эксперимента, приведены в таблице 1.Мы допускаем, что относительные скорости связывания клатрин-клатрин ( k CLA-CLA ) и клатрин-адаптер ( k AP-CLA ) могут варьироваться. Наш клатрин-клатрин К Д усиливается, когда клатрин связывается с адаптером, что давно известно из эксперимента 51 . Таким образом, мы понизием свободную энергию, δ г + AP 2 = δ G Coop + δ G COP Использование δ G COP Значения в диапазоне −1.от 1 до −3 k B T , где k B — постоянная Больцмана, а T — температура. Мы сохраняем скорость диссоциации клатрин-клатрин неизменной и увеличиваем скорость включения на f coop = exp (–Δ G coop /k B T ). Наша модель учитывает изменения скоростей, которые сопровождают локализацию в двумерной мембране 52 , которая компактно определяется одной молекулярной шкалой длины, ч . Мы проверили значения ч = 1-100 нм, порядок величины шкалы длины молекулярного клатрина.Введем энергию деформации Δ G деформацию для образования замкнутых многоугольников (шестиугольников или пятиугольников). Когда решетка клатрина образует замкнутый шестиугольник (или пятиугольник), диссоциация одиночной связи клатрин-клатрин не приводит к высвобождению мономера или фрагмента. Отношение скорости повторного связывания к скорости несвязывания определяется выражением , где Δ G CC представляет собой разность свободной энергии несвязанной и связанной пары клатрина 28 . Термин exp просто обозначает парную реакцию, где C 0 — концентрация в стандартном состоянии (1M), дающая коэффициент повторного связывания, равный 8.3×10 3 или 9,2×10 4 для клатрин-клатриновых связок без и с адаптерной связкой соответственно. Гораздо более высокие скорости повторного связывания делают шестиугольники очень устойчивыми к диссоциации. Таким образом, член exp снижает стабильность шестиугольника по сравнению с 6 идеальными связями (для Δ G штамм > 0). Есть несколько причин, по которым мы могли бы ожидать этого, поскольку клатрин представляет собой гибкую молекулу, которая образует различные решетки и клетки. Формирование двух связей для замыкания шестиугольника/пятиугольника может привести к упругой деформации клатрина, снижая его стабильность.Некоторые решетки in vivo , особенно плоские решетки, также образуют крайне несовершенные «шестиугольники», которые явно имеют плохо выровненные контакты 53 , что способствует менее стабильной и более динамичной решетке. При значении Δ G штамма +6,9 k B T свободная энергия гексагонального 6-мера соответствует прочности 5,4 идеальных связей, а не 6, тогда как 6-мер в расширенном конформация содержит 5 связей. Наконец, плотность адаптеров ( ρ AP ) в моделировании in vitro рассматривается как переменный параметр, поскольку, хотя плотность участков связывания мембраны была известна (0.0746/nm 2 ), мы не ожидаем, что все эти сайты будут набирать адаптеры. Для K D в диапазоне от 1 до 10 мкМ 54 между хелатирующим агентом и His-меченым адаптером (присутствует при 200 нМ) 25 , у нас будет ~ 0,0014-0,012/нм 2 перед адаптерами на поверхности втекает клатрин, который мы используем в качестве ограничения параметра плотности нашего адаптера. Мы отмечаем, что в экспериментах in vitro присутствует только бета-придаток AP-2, и мы предполагаем, что он остается связанным с мембраной на протяжении всего моделирования.В «физиологических» условиях мы позволяем белку AP-2 обратимо связываться с мембраной и предотвращаем связывание этого полноразмерного AP-2 с клатрином в растворе, поскольку связывание ингибируется до локализации мембраны 10 .

Таблица 1.

Вариации параметров модели и оптимальные значения для воспроизведения экспериментальной кинетики

РЕЗУЛЬТАТЫ

Установлено количественное соответствие между моделированием и

кинетикой in vitro

Моделирование роста решетки клатрина (см. рис.2А) воспроизводят экспериментальную кинетику в эквивалентных условиях (рис. 2В). Основными характеристиками кинетики являются время запаздывания ( τ ) и наклон начального роста ( k × E ), которые следуют из приближенного выражения для мембраносвязанного клатрина, [CLA] mem ( т ):

Математически отставание в начальном росте объясняется ступенчатой ​​функцией Хевисайда H, которая равна нулю до τ и единице после. Смоделированные временные масштабы [ τ , 1/ k ] = [13 с, 121 с] отлично согласуются с экспериментом [11 с, 107 с].Геометрия эксперимента ( В/А ) и размер предела решетки клатрина [CLA] мкм от до ~ 5000 клатрин/мкм 2 ( ~ 201 нм 2 на тример). Таким образом, как в эксперименте, так и в моделировании насыщение клатрина на поверхности является результатом потери доступной площади поверхности, а не потери сайтов связывания адаптера. Быстрый рост после первоначального отставания является отличительной чертой кооперативности. Здесь клатрин связывает адаптеры, увеличивая скорость ассоциации с другим клатрином.Уменьшение геометрического пространства поиска после связывания с мембраной (уменьшение размеров) еще больше увеличивает скорость.

Для воспроизведения экспериментальной кинетики требуется кооперативность как уменьшения размеров, так и связывания адаптера

Эксперименты показали, что как только клатрин связывается с адаптерными белками, его сродство к другим клатринам увеличивается 51 . Основываясь на наших симуляциях, где K D без адаптера имеет фиксированное значение 26 , мы наблюдаем, что сродство с адаптером увеличивается на ~ 2 .4 k B T , что обеспечивает более быстрое и стабильное связывание. Кроме того, как только клатрин локализуется на поверхности, он связывает дополнительные адаптеры или клатрины с двумерной константой скорости 15 с масштабом длины 30 нм, определенным путем сравнения с экспериментальной кинетикой (см. Моделирование), что сравнимо с радиусом клатрина. Оба источника кооперативности вносят значительный вклад в быстрый рост на поверхности (рис. 2D).

Время запаздывания определяется скоростью прилипания клатрина к поверхности

На рисунке 2D черным цветом показана чувствительность τ lag к шести основным параметрам модели (см. Таблицу 1).Данные моделирования показывают четкие тенденции, которые хорошо согласуются с упрощенной моделью, суммированной по двум временным шкалам, первая из которых представляет локализацию клатрина на мембране, а вторая — зарождение клатрин-клатриновых контактов: где f coop = exp (–Δ G coop /k B T ) и коэффициент размерности DF = В/А/ч . [ CLA ] объем – концентрация клатрина в растворе. Упрощенная модель отставания τ от представлена ​​черной пунктирной линией на рис.2D. Параметры упрощенной модели определяются путем подгонки всех результатов моделирования (включая рис. 2–3), так что она описывает как in vitro , так и физиологические модели ниже (рис. S2, методы SI, таблица S2). Зависимость τ lag от скоростей и концентраций аналогична полупериоду 55 или среднему времени первого прохождения 34 , изменяясь обратно пропорционально скорости x концентрации в обоих слагаемых. Однако существует нелинейная зависимость от фактора размерности ( DF ) и упругой деформации решетки клатрина (Δ G деформация ).Вероятно, это связано с тем, что некоторые клатрины связываются непосредственно с клатрином из раствора, минуя кооперативные механизмы, обеспечиваемые редукцией размеров. Зародышеобразование на поверхности также меньше зависит от общего объема, так как откачивает лишь небольшое количество клатрина. В этих симуляциях in vitro время локализации клатрина на мембране составляет около 40% задержки (первый член в уравнении 2) и, как и ожидалось, наиболее чувствительно как к скорости связывания клатрина с адаптером, так и к скорости связывания клатрина с адаптером. Плотность адаптера на мембране.Зарождение клатриновой структуры (второй термин) требует, чтобы множественные клатрин локализовались в одном положении, что ограничивается, прежде всего, низкой концентрацией клатрина (0,08 мкМ).

Рис. 3. Решетки клатрина с физиологической геометрией не собираются, пока концентрация адаптера не достигнет 0,6 мкМ.

A) Кинетика самой большой сборки клатриновой решетки быстрее и достигает больших размеров с увеличением концентрации адаптера. Все симуляции содержат 0,65 мкМ клатрина. B) Время запаздывания и темпы роста следуют простым формулам уравнения 2 и уравнения 3.C) Время запаздывания медленнее в этих геометрически физиологических симуляциях и ограничено по скорости рекрутированием клатрина на мембрану с гораздо меньшим количеством сайтов связывания адаптера, чем in vitro . D) Размер самых больших решеток увеличивается с адаптерами, переходя от малых к большим решеткам при 0,8 мкм (черные квадраты). В этот момент стехиометрия клатрин:адаптер достигла 1:1 (оранжевые кружки).

Кинетика роста контролируется главным образом за счет набора адаптеров

На рисунке 2D красным цветом показана чувствительность начальной скорости роста k × E к параметрам в таблице 1.Как и в случае τ , упрощенная модель, основанная на кинетике действия масс, в большинстве случаев достаточно хорошо соответствует данным (рис. 2D, красная пунктирная линия):

Этот первоначальный быстрый рост наиболее чувствителен к первому члену (пропорциональному k AP-CLA ), учитывающему привлечение клатрина к адаптерам. Рост дополнительно усиливается благодаря двумерным взаимодействиям между контактами клатрин-тример-тример и клатрин-адаптор. Изменение ч = k on, 3D / k on, 2D при фиксированном V/A показывает чувствительность к DF (рис. 2D), указывая на то, что привязка 2D необходима для управления экспериментальными скоростями роста.

Как ни странно, более высокая свободная энергия деформации Δ G штамм замедляет время запаздывания, но увеличивает скорость роста, тогда как все другие параметры вызывают коррелированное замедление запаздывания и роста. Увеличение штрафа за деформацию дестабилизирует замкнутые гексагональные структуры, способствуя разборке, которая замедляет зародышеобразование (τ отставание ), как и следовало ожидать. Однако рост ускоряется за счет увеличения выборки динамических и неупорядоченных структур с большим количеством «липких концов» или свободных ветвей (1 свободная ветвь/тример в шестиугольнике, 1.33 свободной ноги/тримера в удлиненном 6-члене), который быстрее рекрутирует дополнительный клатрин.

Одного AP-2 недостаточно для зарождения решеток в клеточных условиях. концентрации тримера клатрина до 0,65 мкМ

56 (Методы). Стабильные решетки не зарождаются при физиологических концентрациях AP-2 (0,2 мкМ 56 , см.3А). По сравнению с системой in vitro значительно сниженное V/A приводит к гораздо более низкой плотности AP-2 на мембране ( ~ 120 мкм -2 по сравнению с 9000 мкм -2 ). Большинство композиций клатрина представляют собой димеры и мономеры со стехиометрией 2 клатрин:1 АР-2, что слишком мало, чтобы индуцировать кооперативность, необходимую для зародышеобразования. При такой концентрации клатрина характерные фазы запаздывания и роста требуют отношения клатрина к адаптеру ~ 1:1 (достигается при 0.7-0,8 мкм адаптера). Флуктуации равновесия в этой точке максимальны, что указывает на переход в росте решетки (рис. S3). Увеличение АР-2 зарождает более крупные решетки с более коротким временем задержки и более быстрым ростом (рис. 3В).

Уравнение 2 показывает, что время задержки значительно увеличивается при низких концентрациях AP-2. При наличии нескольких сайтов связывания AP-2 локализация клатрина на мембране ограничивает скорость (рис. 3C). Скорость роста значительно ниже, чем у in vitro , где только несколько клатринов рекрутируются на площадь поверхности 2 мкм в секунду (рис. 3B).Здесь снова несколько доступных AP-2 ограничивают набор клатрина на поверхность. Привлечение клатрина клатрином также замедлилось из-за чувствительности скорости роста к DF при стабилизации контактов клатрин-клатрин на поверхности. Мы отмечаем, что привлечение AP-2 к липидам не ограничивает скорость в этих моделях, так как покрытие PI(4,5)P 2 составляет ~ 20000 мкм -2 (1%), а скорость Связывание AP-2 с липидами происходит быстро, 0,3 с -1 мкМ -1 (таблица S2).

Сборка решеток преодолевает начальный барьер с последующим небольшим повышением стабильности при росте

Отслеживание размеров решеток в ходе моделирования позволяет количественно оценить их относительную вероятность при росте в kT единиц, — ln p obs ( n; t ), (рис. 4А), а равновесная свободная энергия всех размеров решетки, — ln p ( n ). При равновесии и при более высоких концентрациях адаптеров мы наблюдаем бимодальное распределение — либо очень большие решетки, либо совокупность малых решеток n < ~ 25 (рис.4А,С). Это примечательный результат, поскольку он показывает, что даже при более высокой концентрации адаптера, после того как большая часть растворенного клатрина и адаптера сконцентрирована в единую структуру с покрытием, оставшийся клатрин образует небольшие кластеры, которые не устойчивы к разборке. Следовательно, образование стабильных клатриновых решеток может локально истощать ресурсы, необходимые для зарождения дополнительных стабильных сайтов. Фаза роста сборки (рис. 4A-желтый) также показывает, как даже после преодоления начального барьера для зародышеобразования решетки демонстрируют одинаковую стабильность в широком диапазоне размеров, что указывает на динамическое ремоделирование (рис.4А, 4В). За этой плоской областью следует стабильная яма, которая увеличивается и углубляется по мере того, как система уравновешивается до максимальных размеров решетки, с конечной «стенкой», которая предотвращает дальнейший рост. Эта стенка возникает из-за недостаточности адаптеров для стабилизации роста на периферии решетки.

Рисунок 4. Решетки клатрина сталкиваются с начальным барьером для роста, при этом стабильный размер достигается только после значительного роста.

A) Вероятность наблюдения клатриновых решеток размером n может быть преобразована в энергоподобную метрику -ln(P( n )), которая в равновесии представляет собой истинную свободную энергию.Начальный барьер для плато зародышеобразования, за которым следует плоская область, где структуры имеют сопоставимую вероятность. Фаза роста (желтая) представляет собой образец решетки среднего размера, в то время как в равновесии видны только маленькие и большие кластеры. Полная траектория выделена зеленым цветом. [AP2] = 1,6 мкМ. B) Для количественной оценки окончания начального барьера роста (n 1 ) и начала стабилизированного роста (n 2 ) мы определяем плато при константе -ln(P(n)), которое определяет эти перехваты для каждой траектории (Методы).C) С увеличением концентрации адаптера стабилизируются более крупные решетки. D) Критический размер плато барьера составляет ~ n 1 = 25, независимо от концентрации адаптера. За областью плато следует скважина, которая начинается с n 2 и увеличивается с переходниками. (Врезка) Время прохождения первого барьера обратно пропорционально концентрации адаптера τ набл. ∝ 1/[ AP2 ], с константой пропорциональности 1/[0,026 μ M -1 с -1 ].

Концентрация адаптера определяет время достижения наблюдаемого ядра, но не его размер

По мере того, как мы увеличиваем концентрацию адаптера выше 0,7 мкМ, мы наблюдаем, что по всей траектории начальный барьер для зародышеобразования переходит в уплощенную область с аналогичной решеткой размер n 1 ~ 25 клатрина для всех концентраций адаптера (рис. 4C–4D). Этот начальный барьер является значительным, поскольку более мелкие решетки склонны к разборке (рис. S3C). Существует более поздний переход, когда начинает формироваться стабильная яма, при n 2 , которая явно смещается в сторону более крупных решеток по мере увеличения концентрации адаптера (рис.4С). Эти два размера решетки, которые ограничивают уплощенную область, возникающую во время роста, вполне согласуются с размерами решетки, которые определяют равновесные области (рис. 4D) (методы). Таким образом, во всех фазах остается барьер зарождения, в значительной степени не зависящий от концентрации адаптера, тогда как максимальный размер решеток растет. Мы действительно наблюдаем некоторые особенности в более плоской, более шумной промежуточной области по всей траектории, где небольшой барьер может существовать при более высоком размере решетки (n ~ 40-70).Это указывает на то, что во время роста реже всего наблюдаются решетки, размер которых примерно на полпути к стабильному, и действительно имеют короткое время жизни (рис. S3). Дополнительные адаптеры также значительно ускоряют время, необходимое для достижения «критического» ядра, со временем, приблизительно пропорциональным обратной концентрации адаптера (вставка на рис. 4D).

Размер наблюдаемых нами «критических» зародышей показывает, что даже после образования нескольких (8-10) шестиугольников (вставка на рис. 4А) решетка все еще может спонтанно разбираться.В частности, в масштабах времени, меньших времени, необходимого для достижения этого критического размера, который даже для адаптера 1,6 мкМ составляет ~ 30 с, решетки демонстрируют значительное динамическое ремоделирование. Большая часть роста и сжатия происходит за счет мономеров (рис. S3B), и когда решетка действительно меняет размер, вероятности диссоциации тримера или его добавления сопоставимы до достижения максимального предела размера (рис. S3C). При изменении концентрации клатрина размер первоначально стабильных ядер действительно меняется, что указывает на то, что общий доступный клатрин контролирует начальный барьер для нуклеации при наличии достаточного количества адаптеров (рис.С4).

Сборка в растворе менее кооперативна, чем на мембране, несмотря на повышенную стабильность изогнутых структур

Вышеприведенное моделирование отслеживало плоские клатриновые решетки на плоской поверхности. Однако в растворе клетки изогнуты 51 , что указывает на то, что изогнутые клетки более стабильны при отсутствии внешних ограничений мембраны. Недавние эксперименты также количественно определили, что сборка клатрина более стабильна на сильно изогнутых поверхностях, что иллюстрирует прирост энергии, сопровождающий изогнутые клатриновые контакты 57 .В соответствии с этими наблюдениями, когда мы используем одни и те же энергетические и кинетические параметры для моделирования образования изогнутой клетки в растворе, мы видим минимальную сборку (рис. 5). Это показывает, что полная энергия решетки на мембране слабее, чем в растворе, либо потому, что она плоская, либо потому, что она изогнута, но ее устойчивость снижается из-за сил изгиба мембраны. Увеличивая свободную энергию связи клатрин-клатриновых контактов, согласующуюся с повышенной стабильностью изогнутой решетки в растворе, и уменьшая штраф за деформацию шестиугольников или пятиугольников, мы наблюдаем увеличение сборки.Выход этой сборки зависит от концентрации адаптера, что согласуется с экспериментами in vitro по формированию каркаса, управляемого адаптерным пептидом, в растворе 51 и показывает значительно меньшую кооперативность, чем на мембране, из-за отсутствия уменьшения размеров. Благодаря стабилизации связей на уровне ~ 2k B T и уменьшению гексагональной деформации на 2,3k B T наша сборка клетки относительно хорошо согласуется с экспериментами in vitro (рис.S5) 51 . В результате как связи, так и гексагональной деформации мы оцениваем, что искривленная решетка имеет дополнительную свободную энергию в 3-4 k на тример (таблица S1), доступную для выполнения работы на плоской мембране, то есть для ее изгиба. . В дальнейшем мы будем называть эту величину «свободной энергией кривизны клатрина».

Рисунок 5. Сборка изогнутой клетки в растворе требует дополнительной стабилизации, которая сравнима с энергиями изгиба мембраны

A) Клатриновые клетки с имеющимися адаптерами не образуются в растворе (черные точки), при использовании той же модели, что и на мембране (открытые кружки) .При дополнительной стабилизации с помощью клатрин-клатриновых связей (ΔG) и уменьшенной деформации (ΔG , штамм ) начинают формироваться клетки растворов (красный и синий). Б) Энергия изгиба мембраны на тример клатрина при увеличении размеров n изогнутых решеток. Более сильно изогнутые клетки ( α =98°) требуют больше энергии на тример для изгиба мембраны. Энергия мембраны пропорциональна модулю изгиба, где мы используем 20 k B T в соответствии с измерениями на плазматической мембране 58 .

Стоимость изгиба мембраны может быть хотя бы частично компенсирована стабильностью изогнутой решетки

При формовании на мембране формирование изогнутой клетки должно сочетаться с изгибом мембраны, и здесь мы гармонично связали наши собранные изогнутые клетки с моделью деформируемой мембраны 59 , который следует за гамильтонианом Хелфриха 60 (вставки на рис. 5B) (методы). Энергии мембраны, представленные на рис. 5В, показывают, что упругая энергия мембраны и свободная энергия кривизны клатрина сравнимы (3-4 k B T), что указывает на то, что изогнутые ямки близки по устойчивости к плоской решетке.Для плоской решетки на мембране натянута клатриновая решетка, а мембрана находится в покое. Когда образуется ямка, нагрузка на решетку уменьшается, но стоимость изгиба мембраны увеличивается. Обратите внимание, что мы не ожидаем, что изогнутая, связанная мембраной клатриновая решетка восстановит стабильность изогнутых клеток раствора из-за сил, действующих на нее со стороны деформированной мембраны. Таким образом, энергии криволинейной сборки изменяются на мембранах, что наблюдалось в крупнозернистой модели клатрина 43 .Этот баланс напряжений является основой для использования отдельных скоростей для искривленных решеток в растворе по сравнению с ожидаемыми значениями на мембране, которые в этом случае будут более похожи на значения плоской решетки. Наши расчеты также показывают, как стоимость энергии изгиба изменяется в зависимости от кривизны пузырька. Для более крупных везикул требуется больше клатрина, но общая кривизна ниже, что приводит к меньшим затратам энергии на изгиб на клатрин (рис. 5В).

Обсуждение

Наша модель предсказывает, что зарождающиеся клатриновые решетки на мембранах нестабильны до тех пор, пока не будет присутствовать ~ 25 клатрина, при физиологических параметрах 0.65 мкм клатрина и V/A=1 мкм. Наша оценка порога стабильности очень похожа на размеры абортивных структур в клетках 1 . Минимальным требованием для преодоления этого барьера для ядерных структур на мембране является достаточная концентрация адапторных белков, которые могут связывать клатрин с мембраной, позволяя сборке совместно извлекать выгоду из повышенной (управляемой адаптером) стабильности и уменьшения размеров. Одних только физиологических концентраций AP-2 недостаточно для рекрутирования достаточного количества клатрина для спонтанного образования связанных с мембраной клеток.Следовательно, участие других адаптеров необходимо для запуска зародышеобразования. Наша модель показывает, как условий in vitro с концентрациями белка in vivo не отражают переход между нестабильным и стабильным ростом решетки, в значительной степени из-за нефизиологического соотношения V/A. Наше кинетическое моделирование и теоретический анализ позволяют нам преодолеть геометрический разрыв между in vitro, и in vivo; наша модель предсказывает, что для того, чтобы один тип адаптера приводил к продуктивному зародышеобразованию и росту в течение ~ 60 с (среднее время для образования везикул), требуется как минимум 1.Адаптеры 6 мкм. Это также требует достаточных популяций липидов, которые могут запускать эффективное связывание с мембраной, с более медленными скоростями связывания липидов или уменьшенными популяциями, что в конечном итоге замедляет как отставание, так и скорость роста. Наши результаты ясно демонстрируют, что спонтанная разборка покрытых клатрином структур на мембранах может происходить естественным образом даже через относительно длительные периоды времени (многие секунды). Как свидетельствуют наши результаты, накопление большей части клатрина в одиночные структуры также истощает локальные популяции клатрина и адаптера, оставляя оставшийся клатрин способным образовывать только небольшие и временные структуры (рис.4).

Путем моделирования только одного типа адаптера для рекрутирования клатрина к мембране мы смогли построить прогностические формулы того, как микроскопические переменные изменяют макроскопическое запаздывание и время роста, даже если мы варьировали концентрацию клатрина, концентрацию липидов, систему геометрия, изменения кооперативности (рис. S6) или скорости связывания липидов (рис. S7). Однако in vivo существует несколько типов адаптеров или вспомогательных белков, которые могут связывать клатрин с мембраной 61 .Хотя наша модель предсказывает, как адаптеры с более быстрой или более медленной кинетикой связывания будут изменять макроскопический рост, способность многих из этих белков связываться друг с другом 62 создает перекрестные связи, которые стабилизируют эти белки на поверхности мембраны 15 . Увеличивая локальную плотность сайтов рекрутирования клатрина, мы предсказываем, что это поперечное сшивание затем поможет зародышеобразовать стабильные решетки при более низких концентрациях, чем это происходит для одного типа адаптера. Кинетика связывания дополнительных взаимодействий также может быть значительно более динамичной, чем у АР-2; белки FCho1 и eps15 образуют кластеры с AP-2, что помогает инициировать сайты формирования покрытых клатрином структур в клетках, и тем не менее, как FCHo1, так и eps15 в значительной степени отсутствуют в завершенных везикулах, что указывает на быстротечность их контактов с клатрином 63-65 .Поведение этих дополнительных типов адаптерных белков согласуется с предсказанием нашей модели о том, что AP-2 нуждается в помощи для зарождения стабильных решеток, и в будущей работе мы рассмотрим, как явное перекрестное связывание может повысить локальные концентрации, чтобы стимулировать зародышеобразование и рост во времени и пространстве. . Важно отметить, что модель и программное обеспечение имеют открытый исходный код, поэтому их можно сразу же применять и модифицировать с помощью дополнительных экспериментальных данных (методов).

Ограничением нашей модели является то, что сборка клатриновой оболочки не связана динамически с ремоделированием мембраны с образованием сферических везикул.Однако наши энергетические расчеты с использованием наших собранных структур клатрина и модели деформируемой мембраны показывают, что энергия, приходящаяся на клатрин, необходимая для изгиба мембраны, сравнима со свободной энергией кривизны клатрина. Таким образом, наша модель предсказывает, что энергия плоских решеток на мембранах и изогнутых клеток на изогнутых мембранах имеет аналогичный масштаб, хотя и чувствительна к жесткости мембраны и дополнительным механизмам генерации кривизны. Дополнительная индукция искривления, управляемая адапторными белками (например,грамм. вставка амфипатической спирали и домены BAR 66 ) могут помочь ремоделировать мембрану, тем самым уменьшая работу, требуемую только от клатриновой решетки. Кинетика изгиба мембран вряд ли будет ограничивать скорость, учитывая медленные временные шкалы рекрутирования клатрина и относительно быструю динамику ремоделирования, наблюдаемую при почковании мембран 67 . Однако кинетика поздней сборки клетки может быть изменена из-за почкования из-за уменьшения периметра решетки клатрина в изогнутой клетке по мере того, как размер выходит за пределы диаметра пузырька ( ~ 150 нм).Хотя это не повлияет на ранний рост для преодоления барьера зародышеобразования, закрытие везикулы связано с сокращением периметра, который уменьшает сайты для рекрутирования клатрина, но увеличивает количество контактов, формируемых в среднем на клатрин. Моделирование кинетики сопряженной сборки и ремоделирования в конечном счете будет важно для выделения событий формирования продуктивных пузырьков и возможно для используемых здесь типов моделей.

Сборка клатриновой оболочки, изучаемая здесь, имеет много общих фундаментальных свойств с различными биологическими путями, включая этапы сборки вируса 67–69 и агрегации белка 70 , где мы ожидаем аналогичную чувствительность к мембранной или поверхностной (воздух/вода) локализации и геометрия.Наша работа здесь предсказывает, как сборка и агрегация могут происходить на поверхностях с более слабыми энергиями взаимодействия или значительно меньшим числом копий, чем это необходимо для зарождения структур в растворе. Локализация на поверхности обеспечивает дополнительную временную шкалу, которая может замедлить зародышеобразование, что может помочь избежать кинетических ловушек 71 для повышения выхода в спроектированных системах 72,73 . Добавление мембраны обеспечивает контрольную переменную для экспериментальной количественной оценки кинетики взаимодействия, где мы показали здесь, как визуализация рекрутирования на поверхности 25 может быть эффективным наблюдаемым для различения механизмов сборки.Ферментативный контроль состава мембраны затем можно использовать для инициирования разборки для изучения скоростей расщепления 28 . В целом, подход, основанный на скорости, используемый здесь 28 , предлагает ценную платформу для механистического и прогностического моделирования самосборки в состоянии равновесия и вне его.

Разборка и повторная сборка вирусоподобных частиц вируса папилломы человека приводит к большей реактивности антител, подобных вириону | Virology Journal

  • Roldao A, Mellado MCM, Castilho LR, Carrondo MJT, Alves PM: Вирусоподобные частицы в разработке вакцин.Эксперт Rev Вакцины. 2010, 9: 1149-1176. 10.1586/эрв.10.115.

    ПабМед КАС Статья Google ученый

  • Villa LL: Профилактическая вакцинация против ВПЧ: первые годы и чего ожидать дальше. Рак Латт (Нью-Йорк, Нью-Йорк, США). 2011, 305: 106-112.

    КАС Google ученый

  • Квак К-Х, Емельянова А., Роден RBS: Профилактика рака профилактическими вакцинами против вируса папилломы человека.Курр Опин Иммунол. 2011, 23: 244-251. 10.1016/j.coi.2010.11.009.

    ПабМед КАС ПабМед Центральный Статья Google ученый

  • Majewski S, Bosch FX, Dillner J, Iversen OE, Kjaer SK, Munoz N, Olsson SE, Paavonen J, Sigurdsson K, Bryan J, et al: Воздействие четырехвалентного вируса папилломы человека (типы 6, 11, 16, 18) вакцина с вирусоподобными частицами у европейских женщин в возрасте от 16 до 24 лет. J Eur Acad Dermatol Venereol. 2009, 23: 1147-1155.10.1111/j.1468-3083.2009.03266.х.

    ПабМед КАС Статья Google ученый

  • Bryan JT: Разработка вакцины против ВПЧ для предотвращения рака шейки матки и остроконечных кондилом. вакцина. 2007, 25: 3001-3006. 10.1016/j.vaccine.2007.01.013.

    ПабМед КАС Статья Google ученый

  • Frazer IH, Lowy DR, Schiller JT: Профилактика рака с помощью иммунизации: перспективы и проблемы в 21 веке.Евр Дж Иммунол. 2007, 37: С148-С155. 10.1002/eji.200737820.

    ПабМед КАС Статья Google ученый

  • Frazer IH, Leggatt GR, Mattarollo SR: Профилактика и лечение рака, связанного с папилломавирусом, посредством иммунизации. Анну Рев Иммунол. 2011, 29: 111-138. 10.1146/аннурев-иммунол-031210-101308.

    ПабМед КАС Статья Google ученый

  • Buck CB, Cheng N, Thompson CD, Lowy DR, Steven AC, Schiller JT, Trus BL: Расположение L2 в капсиде папилломавируса.Дж Вирол. 2008, 82: 5190-5197. 10.1128/ОВИ.02726-07.

    ПабМед КАС ПабМед Центральный Статья Google ученый

  • Чжао К., Ву С., Мангер В., Гадам С.: Процесс получения частиц, подобных вирусу папилломы человека, с улучшенными свойствами. Патент США 6 436 402. 2002

    Google ученый

  • Buck CB, Thompson CD, Pang Y-YS, Lowy DR, Schiller JT: Созревание капсидов папилломавируса.Дж Вирол. 2005, 79: 2839-2846. 10.1128/ОВИ.79.5.2839-2846.2005.

    ПабМед КАС ПабМед Центральный Статья Google ученый

  • McCarthy MP, White WI, Palmer-Hill F, Koenig S, Suzich JA: Количественная разборка и повторная сборка вирусоподобных частиц папилломавируса человека типа 11 in vitro. Дж Вирол. 1998, 72: 32-41.

    ПабМед КАС ПабМед Центральный Google ученый

  • Mach H, Volkin DB, Troutman RD, Wang B, Luo Z, Jansen KU, Shi L: Разборка и повторная сборка полученных из дрожжей рекомбинантных вирусоподобных частиц папилломавируса человека (ВПЧ ВПЧ).Дж. Фарм. 2006, 95: 2195-2206. 10.1002/jps.20696.

    ПабМед КАС Статья Google ученый

  • Salunke D, Caspar DLD, Garcea RL: Полиморфизм в сборке капсидного белка полиомавируса VP1. Биофиз Дж. 1989, 56: 887-900. 10.1016/S0006-3495(89)82735-3.

    ПабМед КАС ПабМед Центральный Статья Google ученый

  • Nguyen H, Reddy VS, Brooks CL: Инвариантный полиморфизм в сборке вирусного капсида.J Am Chem Soc. 2009, 131: 2606-2614. 10.1021/ja807730x.

    ПабМед КАС ПабМед Центральный Статья Google ученый

  • Нгуен Х., Брукс К.Л.: Обобщенный структурный полиморфизм в самособирающихся вирусных частицах. Нано Летт. 2008, 8: 4574-4581. 10.1021/нл802828в.

    ПабМед КАС ПабМед Центральный Статья Google ученый

  • Shi L, Sings HL, Bryan JT, Wang B, Wang Y, Mach H, Kosinski M, Washabaugh MW, Sitrin R, Barr E: GARDASIL: Разработка профилактической вакцины против вируса папилломы человека — от настольного до прикроватного.Клин Фармакол Тер. 2007, 81: 259-264. 10.1038/sj.clpt.6100055.

    ПабМед КАС Статья Google ученый

  • Christensen ND, Dillner J, Eklund C, Carter JJ, Wipf GC, Reed CA, Cladel NM, Galloway DA: Поверхностные конформационные и линейные эпитопы на вирусоподобных частицах HPV-16 и HPV-18 L1, как определено моноклональными антитела. Вирусология. 1996, 223: 174-184. 10.1006/viro.1996.0466.

    ПабМед КАС Статья Google ученый

  • Christensen ND, Cladel NM, Reed CA, Budgeon LR, Embers ME, Skulsky DM, McClements WL, Ludmerer SW, Jansen KU: молекулы гибридного папилломавируса L1 собираются в вирусоподобные частицы, которые восстанавливают конформационные эпитопы и индуцируют нейтрализующие антитела к отдельные типы ВПЧ.Вирусология. 2001, 291: 324-334. 10.1006/виро.2001.1220.

    ПабМед КАС Статья Google ученый

  • Shank-Retzlaff M, Wang F, Morley T, Anderson C, Hamm M, Brown M, Rowland K, Pancari G, Zorman J, Lowe R, et al: Корреляция между активностью мыши и относительной эффективностью in vitro для человека вирусоподобные частицы папилломавируса типа 16 и образцы вакцины Гардасил. Гум вакцины. 2005, 1: 191-197. 10.4161/хв.1.5.2126.

    КАС Статья Google ученый

  • Шанк-Ретцлафф М.Л., Чжао К., Андерсон С., Хамм М., Хай К., Нгуен М., Ван Ф., Ван Н., Ван Б., Ван Ю и др.: Оценка термической стабильности Гардасила.Гум вакцины. 2006, 2: 147-154. 10.4161/хв.2.4.2989.

    КАС Статья Google ученый

  • Opalka D, Lachman CE, MacMullen SA, Jansen KU, Smith JF, Chirmule N, Esser MT: Одновременный количественный анализ антител к нейтрализующим эпитопам на вирусоподобных частицах вирусов папилломы человека типов 6, 11, 16 и 18 с помощью мультиплексный люминесцентный анализ. Клин Диагн Лаб Иммунол. 2003, 10: 108-115.

    ПабМед КАС ПабМед Центральный Google ученый

  • Opalka D, Matys K, Bojczuk P, Green T, Gesser R, Saah A, Haupt R, Dutko F, ​​Esser MT: Мультиплексный серологический анализ для девяти типов аногенитального вируса папилломы человека.Клин Вакцина Иммунол. 2010, 17: 818-827. 10.1128/CVI.00348-09.

    ПабМед КАС ПабМед Центральный Статья Google ученый

  • Роден RBS, Армстронг А., Хадерер П., Кристенсен Н.Д., Хабберт Н.Л., Лоуи Д.Р., Шиллер Дж.Т., Кирнбауэр Р.: Характеристика зависимого от варианта нейтрализующего эпитопа папилломавируса человека типа 16. Дж Вирол. 1997, 71: 6247-6252.

    ПабМед КАС ПабМед Центральный Google ученый

  • Carter JJ, Wipf GC, Benki SF, Christensen ND, Galloway DA: Идентификация эпитопа, специфичного для вируса папилломы человека типа 16, на С-концевом плече основного капсидного белка L1.Дж Вирол. 2003, 77: 11625-11632. 10.1128/ОВИ.77.21.11625-11632.2003.

    ПабМед КАС ПабМед Центральный Статья Google ученый

  • Кейсон Дж., Патель Д., Нейлор Дж., Ланни Д., Шеперд П.С., Бест Дж.М., Макканс Д.Дж.: Идентификация иммуногенных областей основного белка оболочки вируса папилломы человека типа 16, которые содержат эпитопы, ограниченные по типу. Джей Ген Вирол. 1989, 70: 2973-2987. 10.1099/0022-1317-70-11-2973.

    ПабМед КАС Статья Google ученый

  • Wang D, Christensen N, Schiller JT, Dillner J: Моноклональные антитела против интактных капсидов вируса папилломы человека типа 16 блокируют серологическую реактивность большинства сывороток человека.Джей Ген Вирол. 1997, 78: 2209-2215.

    ПабМед КАС Статья Google ученый

  • Culp TD, Spatz CM, Reed CA, Christensen ND: Эффективность связывания и нейтрализации моноклональных антител, Fab-фрагментов и scFv, специфичных для эпитопов L1 на капсиде инфекционных частиц ВПЧ. Вирусология. 2007, 361: 435-446. 10.1016/ж.вирол.2006.12.002.

    ПабМед КАС ПабМед Центральный Статья Google ученый

  • High K, Meng Y, Washabaugh MW, Zhao Q: Определение пикомолярных равновесных констант диссоциации в растворе методом иммуноферментного анализа с флуоресцентным детектированием.Анальная биохимия. 2005, 347: 159-161. 10.1016/j.ab.2005.09.007.

    ПабМед КАС Статья Google ученый

  • Meng Y, High K, Wang Y, Washabaugh M, Zhao Q: Анализ антигенности растворов препаратов вирусоподобных частиц вируса папилломы человека типа 16 путем определения IC50 связывания антител и определения константы аффинности. Тезисы докладов, 228-е Национальное собрание ACS, Филадельфия, Пенсильвания, США. 2004 г., БИОЛ-229

    Google ученый

  • Dillner J, Dillner L, Utter G, Eklund C, Rotola A, Costa S, DiLuca D: Картирование линейных эпитопов вируса папилломы человека типа 16: открытые рамки считывания L1 и L2.Инт Джей Рак. 1990, 45: 529-535. 10.1002/ijc.20326.

    ПабМед КАС Статья Google ученый

  • Wang X, Wang Z, Christensen ND, Dillner J: Картирование сывороточно-реактивных эпитопов человека в вирусоподобных частицах вирусов папилломы человека типов 16 и 11. Вирусология. 2003, 311: 213-221. 10.1016/S0042-6822(03)00179-X.

    ПабМед КАС Статья Google ученый

  • Бишоп Б., Дасгупта Дж., Кляйн М., Гарсеа Р.Л., Кристенсен Н.Д., Чжао Р., Чен Х.С.: Кристаллические структуры четырех типов капсидных белков папилломавируса человека L1: понимание специфичности нейтрализующих моноклональных антител.Дж. Биол. Хим. 2007, 282: 31803-31811. 10.1074/jbc.M706380200.

    ПабМед КАС Статья Google ученый

  • Friguet B, Chaffotte AF, Djavadi-Ohaniance L, Goldberg ME: Измерение истинной константы аффинности в растворах комплексов антиген-антитело с помощью твердофазного иммуноферментного анализа. Дж Иммунол Методы. 1985, 77: 305-319. 10.1016/0022-1759(85)-4.

    ПабМед КАС Статья Google ученый

  • Christensen ND, Reed CA, Cladel NM, Hall K, Leiserowitz GS: Моноклональные антитела к вирусоподобным частицам HPV-6 L1 идентифицируют конформационные и линейные нейтрализующие эпитопы на HPV-11 в дополнение к типоспецифическим эпитопам на HPV-11. 6.Вирусология. 1996, 224: 477-486. 10.1006/viro.1996.0554.

    ПабМед КАС Статья Google ученый

  • Чжао К., Таун В., Браун М., Ван И, Абрахам Д., Освальд К.Б., Хименес Д.А., Вашабау М.В., Кеннеди Р., Ситрин Р.Д.: Глубокое понимание процесса созревания и потенциала RECOMBIVAX HB((R)) улучшение эпитопов при окислительно-восстановительной обработке: многогранная биохимическая и иммунохимическая характеристика. вакцина. 2011, 29: 7936-7941. 10.1016/j.vaccine.2011.08.070.

    ПабМед КАС Статья Google ученый

  • Zhao Q, Wang Y, Abraham D, Towne V, Kennedy R, Sitrin RD: Мониторинг в режиме реального времени развития антигенности вирусоподобных частиц HBsAg (VLP) во время термической и окислительно-восстановительной обработки. Biochem Biophys Res Commun. 2011, 408: 447-453. 10.1016/j.bbrc.2011.04.048.

    ПабМед КАС Статья Google ученый

  • Zhao Q, Allen MJ, Wang Y, Wang B, Wang N, Shi L, Sitrin RD: Разборка и повторная сборка улучшают морфологию и термостабильность вирусоподобных частиц папилломавируса человека типа 16.Наномедицина. 2012, doi:10.1016/j.nano.2012.01.007

    Google ученый

  • Dasgupta J, Bienkowska-Haba M, Ortega ME, Patel HD, Bodevin S, Spillmann D, Bishop B, Sapp M, Chen XS: Структурная основа распознавания рецепторов олигосахаридов вирусом папилломы человека. Дж. Биол. Хим. 2011, 286: 2617-2624. 10.1074/jbc.M110.160184.

    ПабМед КАС ПабМед Центральный Статья Google ученый

  • Вольф М., Гарсеа Р.Л., Григорьев Н., Харрисон С.К.: Взаимодействие субъединиц в вирусе папилломы крупного рогатого скота.Proc Natl Acad Sci USA. 2010, 107: 6298-6303. 10.1073/пнас.04107.

    ПабМед КАС ПабМед Центральный Статья Google ученый

  • Zhao Q, Guo HH, Wang Y, Washabaugh MW, Sitrin RD: Визуализация дискретных олигомеров L1 в вирусоподобных частицах вируса папилломы человека 16 с помощью гель-электрофореза с окрашиванием Кумасси. Дж. Вироловые методы. 2005, 127: 133-140. 10.1016/j.jviromet.2005.03.015.

    ПабМед КАС Статья Google ученый

  • Sapp M, Fligge C, Petzak I, Harris JR, Streeck RE: Сборка папилломавируса требует тримеризации основного белка капсида дисульфидами между двумя высококонсервативными цистеинами.Дж Вирол. 1998, 72: 6186-6189.

    ПабМед КАС ПабМед Центральный Google ученый

  • Smith JF, Brownlow M, Brown M, Kowalski R, Esser MT, Ruiz W, Barr E, Brown DR, Bryan JT: Антитела женщин, иммунизированных Гардасилом, перекрестно нейтрализуют псевдовирионы ВПЧ 45. Hum Vaccines FIELD Полное название журнала: Human Vaccines. 2007, 3: 109-115.

    КАС Статья Google ученый

  • Модис Ю., Трус Б.Л., Харрисон С.К.: Атомная модель капсида папилломавируса.EMBO J. 2002, 21: 4754-4762. 10.1093/emboj/cdf494.

    ПабМед КАС ПабМед Центральный Статья Google ученый

  • Ризк Р.З., Кристенсен Н.Д., Майкл К.М., Мюллер М., Сер П., Уотербур Т., Павлита М.: Характер реактивности 92 моноклональных антител с 15 типами вируса папилломы человека. Джей Ген Вирол. 2008, 89: 117-129. 10.1099/вир.0.83145-0.

    ПабМед КАС Статья Google ученый

  • Elliott S, Lorenzini T, Chang D, Barzilay J, Delorme E, Giffin J, Hesterberg L: Картирование тонкой структуры эпитопа моноклональных антител против эритропоэтина выявило модель структуры рекомбинантного человеческого эритропоэтина.Кровь. 1996, 87: 2702-2713.

    ПабМед КАС Google ученый

  • Park S, Park J, Ko J, Chen L, Meriage D, Crouse-Zeineddini J, Wong W, Kerwin B: Биохимическая оценка продуктов эритропоэтина из Азии по сравнению с американским эпоэтином альфа производства Amgen. Дж. Фарм. 2009, 98: 1688-1699. 10.1002/jps.21546.

    ПабМед КАС Статья Google ученый

  • Leatherbarrow R: GraFit (5) Программное обеспечение для подбора данных.2006 г., Хорли Сирри, Великобритания: Erithacus Software limited

    Google ученый

  • Suloway C, Pulokas J, Fellmann D, Cheng A, Guerra F, Quispe J, Stagg S, Potter CS, Carragher B: Автоматизированная молекулярная микроскопия: новая система Leginon. J Struct Biol. 2005, 151: 41-60. 10.1016/j.jsb.2005.03.010.

    ПабМед КАС Статья Google ученый

  • Emsley P, Cowtan K: Coot: инструменты построения моделей для молекулярной графики.Acta Crystallogr D: Биол Кристаллогр. 2004, 60: 2126-2132. 10.1107/S049158.

    Артикул Google ученый

  • Муршудов Г.Н., Вагин А.А., Додсон Э.Дж.: Уточнение макромолекулярных структур методом максимального правдоподобия. Acta Crystallogr D: Биол Кристаллогр. 1997, 53: 240-255. 10.1107/S04996012255.

    КАС Статья Google ученый

  • %PDF-1.5 % 1 0 объект > /Метаданные 2 0 R /Страницы 3 0 Р /StructTreeRoot 4 0 R /Тип /Каталог >> эндообъект 5 0 объект /ModDate (D:20160520104951+02’00’) /Режиссер >> эндообъект 2 0 объект > поток приложение/pdf

  • Grainne Mulhern
  • 2016-05-20T08:31:59+02:00Microsoft® Word 20132016-05-20T10:49:51+02:002016-05-20T10:49:51+02:00Microsoft® Word 2013uuid:0c75bfaa-8491-492e- a433-7a2dfc0b3abeuuid:4666d28e-6f59-45ef-ae27-861c4d4 конечный поток эндообъект 3 0 объект > эндообъект 4 0 объект > эндообъект 6 0 объект > /MediaBox [0 0 594.96 842,04] /Родитель 3 0 Р /Ресурсы > /Шрифт > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] /XОбъект > >> /Повернуть 0 /StructParents 0 /Вкладки /S /Тип /Страница /Анноты [71 0 R] >> эндообъект 7 0 объект > /MediaBox [0 0 594,96 842,04] /Родитель 3 0 Р /Ресурсы > /Шрифт > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /Повернуть 0 /StructParents 1 /Вкладки /S /Тип /Страница >> эндообъект 8 0 объект > /MediaBox [0 0 594,96 842,04] /Родитель 3 0 Р /Ресурсы > /Шрифт > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /Повернуть 0 /StructParents 2 /Вкладки /S /Тип /Страница >> эндообъект 9 0 объект > /MediaBox [0 0 594.96 842,04] /Родитель 3 0 Р /Ресурсы > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /Повернуть 0 /StructParents 37 /Вкладки /S /Тип /Страница >> эндообъект 10 0 объект > /MediaBox [0 0 594,96 842,04] /Родитель 3 0 Р /Ресурсы > /Шрифт > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /Повернуть 0 /StructParents 38 /Вкладки /S /Тип /Страница >> эндообъект 11 0 объект > /MediaBox [0 0 594,96 842,04] /Родитель 3 0 Р /Ресурсы > /Шрифт > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /Повернуть 0 /StructParents 39 /Вкладки /S /Тип /Страница >> эндообъект 12 0 объект > /MediaBox [0 0 594.96 842,04] /Родитель 3 0 Р /Ресурсы > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /Повернуть 0 /StructParents 53 /Вкладки /S /Тип /Страница >> эндообъект 13 0 объект > /MediaBox [0 0 594,96 842,04] /Родитель 3 0 Р /Ресурсы > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /Повернуть 0 /StructParents 70 /Вкладки /S /Тип /Страница >> эндообъект 14 0 объект > /MediaBox [0 0 594,96 842,04] /Родитель 3 0 Р /Ресурсы > /Шрифт > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /Повернуть 0 /StructParents 71 /Вкладки /S /Тип /Страница >> эндообъект 15 0 объект > /MediaBox [0 0 594.96 842,04] /Родитель 3 0 Р /Ресурсы > /Шрифт > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /Повернуть 0 /StructParents 72 /Вкладки /S /Тип /Страница >> эндообъект 16 0 объект > /MediaBox [0 0 594,96 842,04] /Родитель 3 0 Р /Ресурсы > /Шрифт > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /Повернуть 0 /StructParents 73 /Вкладки /S /Тип /Страница >> эндообъект 17 0 объект > /MediaBox [0 0 594,96 842,04] /Родитель 3 0 Р /Ресурсы > /Шрифт > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] /XОбъект > >> /Повернуть 0 /StructParents 76 /Вкладки /S /Тип /Страница >> эндообъект 18 0 объект > /MediaBox [0 0 594.96 842,04] /Родитель 3 0 Р /Ресурсы > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /Повернуть 0 /StructParents 79 /Вкладки /S /Тип /Страница >> эндообъект 19 0 объект > /MediaBox [0 0 594,96 842,04] /Родитель 3 0 Р /Ресурсы > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /Повернуть 0 /StructParents 81 /Вкладки /S /Тип /Страница >> эндообъект 20 0 объект > /MediaBox [0 0 594,96 842,04] /Родитель 3 0 Р /Ресурсы > /Шрифт > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] /XОбъект > >> /Повернуть 0 /StructParents 84 /Вкладки /S /Тип /Страница >> эндообъект 21 0 объект > /MediaBox [0 0 594.96 842,04] /Родитель 3 0 Р /Ресурсы > /Шрифт > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /Повернуть 0 /StructParents 85 /Вкладки /S /Тип /Страница >> эндообъект 22 0 объект > /MediaBox [0 0 594,96 842,04] /Родитель 3 0 Р /Ресурсы > /Шрифт > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /Повернуть 0 /StructParents 88 /Вкладки /S /Тип /Страница >> эндообъект 23 0 объект > /MediaBox [0 0 594,96 842,04] /Родитель 3 0 Р /Ресурсы > /Шрифт > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] /XОбъект > >> /Повернуть 0 /StructParents 90 /Вкладки /S /Тип /Страница >> эндообъект 24 0 объект > /MediaBox [0 0 594.96 842,04] /Родитель 3 0 Р /Ресурсы > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /Повернуть 0 /StructParents 92 /Вкладки /S /Тип /Страница >> эндообъект 25 0 объект > /MediaBox [0 0 594,96 842,04] /Родитель 3 0 Р /Ресурсы > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /Повернуть 0 /StructParents 93 /Вкладки /S /Тип /Страница >> эндообъект 26 0 объект > /MediaBox [0 0 594,96 842,04] /Родитель 3 0 Р /Ресурсы > /Шрифт > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /Повернуть 0 /StructParents 94 /Вкладки /S /Тип /Страница >> эндообъект 27 0 объект > /MediaBox [0 0 594.96 842,04] /Родитель 3 0 Р /Ресурсы > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] /XОбъект > >> /Повернуть 0 /StructParents 96 /Вкладки /S /Тип /Страница >> эндообъект 28 0 объект > /MediaBox [0 0 594,96 842,04] /Родитель 3 0 Р /Ресурсы > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] /XОбъект > >> /Повернуть 0 /StructParents 97 /Вкладки /S /Тип /Страница >> эндообъект 29 0 объект > /MediaBox [0 0 594,96 842,04] /Родитель 3 0 Р /Ресурсы > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /Повернуть 0 /StructParents 99 /Вкладки /S /Тип /Страница >> эндообъект 30 0 объект > /MediaBox [0 0 594.96 842,04] /Родитель 3 0 Р /Ресурсы > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /Повернуть 0 /StructParents 100 /Вкладки /S /Тип /Страница >> эндообъект 31 0 объект > /MediaBox [0 0 594,96 842,04] /Родитель 3 0 Р /Ресурсы > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /Повернуть 0 /StructParents 102 /Вкладки /S /Тип /Страница >> эндообъект 32 0 объект > /MediaBox [0 0 594,96 842,04] /Родитель 3 0 Р /Ресурсы > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /Повернуть 0 /StructParents 104 /Вкладки /S /Тип /Страница >> эндообъект 33 0 объект > /MediaBox [0 0 594.96 842,04] /Родитель 3 0 Р /Ресурсы > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /Повернуть 0 /StructParents 105 /Вкладки /S /Тип /Страница >> эндообъект 34 0 объект > /MediaBox [0 0 594,96 842,04] /Родитель 3 0 Р /Ресурсы > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /Повернуть 0 /StructParents 111 /Вкладки /S /Тип /Страница >> эндообъект 35 0 объект > /MediaBox [0 0 594,96 842,04] /Родитель 3 0 Р /Ресурсы > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] /XОбъект > >> /Повернуть 0 /StructParents 117 /Вкладки /S /Тип /Страница >> эндообъект 36 0 объект > /MediaBox [0 0 594.96 842,04] /Родитель 3 0 Р /Ресурсы > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] /XОбъект > >> /Повернуть 0 /StructParents 123 /Вкладки /S /Тип /Страница >> эндообъект 37 0 объект > /MediaBox [0 0 594,96 842,04] /Родитель 3 0 Р /Ресурсы > /Шрифт > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] /XОбъект > >> /Повернуть 0 /StructParents 124 /Вкладки /S /Тип /Страница >> эндообъект 38 0 объект > /MediaBox [0 0 594,96 842,04] /Родитель 3 0 Р /Ресурсы > /Шрифт > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /Повернуть 0 /StructParents 126 /Вкладки /S /Тип /Страница >> эндообъект 39 0 объект > /MediaBox [0 0 594.96 842,04] /Родитель 3 0 Р /Ресурсы > /Шрифт > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /Повернуть 0 /StructParents 127 /Вкладки /S /Тип /Страница >> эндообъект 40 0 объект > /MediaBox [0 0 594,96 842,04] /Родитель 3 0 Р /Ресурсы > /Шрифт > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /Повернуть 0 /StructParents 128 /Вкладки /S /Тип /Страница >> эндообъект 41 0 объект > /MediaBox [0 0 594,96 842,04] /Родитель 3 0 Р /Ресурсы > /Шрифт > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] /XОбъект > >> /Повернуть 0 /StructParents 133 /Вкладки /S /Тип /Страница >> эндообъект 42 0 объект > /MediaBox [0 0 594.96 842,04] /Родитель 3 0 Р /Ресурсы > /Шрифт > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /Повернуть 0 /StructParents 135 /Вкладки /S /Тип /Страница >> эндообъект 43 0 объект > /MediaBox [0 0 594,96 842,04] /Родитель 3 0 Р /Ресурсы > /Шрифт > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /Повернуть 0 /StructParents 136 /Вкладки /S /Тип /Страница >> эндообъект 44 0 объект > /MediaBox [0 0 594,96 842,04] /Родитель 3 0 Р /Ресурсы > /Шрифт > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /Повернуть 0 /StructParents 138 /Вкладки /S /Тип /Страница >> эндообъект 45 0 объект > /MediaBox [0 0 594.96 842,04] /Родитель 3 0 Р /Ресурсы > /Шрифт > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /Повернуть 0 /StructParents 140 /Вкладки /S /Тип /Страница >> эндообъект 46 0 объект > /MediaBox [0 0 594,96 842,04] /Родитель 3 0 Р /Ресурсы > /Шрифт > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /Повернуть 0 /StructParents 145 /Вкладки /S /Тип /Страница >> эндообъект 47 0 объект > /MediaBox [0 0 594,96 842,04] /Родитель 3 0 Р /Ресурсы > /Шрифт > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /Повернуть 0 /StructParents 146 /Вкладки /S /Тип /Страница >> эндообъект 48 0 объект > /MediaBox [0 0 594.96 842,04] /Родитель 3 0 Р /Ресурсы > /Шрифт > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /Повернуть 0 /StructParents 147 /Вкладки /S /Тип /Страница >> эндообъект 49 0 объект > /MediaBox [0 0 594,96 842,04] /Родитель 3 0 Р /Ресурсы > /Шрифт > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /Повернуть 0 /StructParents 148 /Вкладки /S /Тип /Страница >> эндообъект 50 0 объект > /MediaBox [0 0 594,96 842,04] /Родитель 3 0 Р /Ресурсы > /Шрифт > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /Повернуть 0 /StructParents 149 /Вкладки /S /Тип /Страница >> эндообъект 51 0 объект > /MediaBox [0 0 594.96 842,04] /Родитель 3 0 Р /Ресурсы > /Шрифт > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /Повернуть 0 /StructParents 150 /Вкладки /S /Тип /Страница >> эндообъект 52 0 объект > /MediaBox [0 0 594,96 842,04] /Родитель 3 0 Р /Ресурсы > /Шрифт > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /Повернуть 0 /StructParents 151 /Вкладки /S /Тип /Страница >> эндообъект 53 0 объект > /MediaBox [0 0 594,96 842,04] /Родитель 3 0 Р /Ресурсы > /Шрифт > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] /XОбъект > >> /Повернуть 0 /StructParents 36 /Вкладки /S /Тип /Страница >> эндообъект 54 0 объект > эндообъект 55 0 объект > эндообъект 56 0 объект > эндообъект 57 0 объект > поток xXnH}G^ nKrd’l>LNjCL.8BjuNթ*7��y9~ ?wo|ُnav/hrg��nA:`nu9$,1[«p1BSureAT[h8iYulj

    Frontiers | Изменчивость состава актинобактериальных сообществ и потенциальной функции в различных почвенных экосистемах, принадлежащих засушливому бассейну реки Хэйхэ на северо-западе Китая

    Введение

    Тип Actinobacteria представляет собой первичную эубактериальную филогенетическую кладу, содержащую разнообразные грамположительные бактерии (Sun et al., 2010), принадлежащие к нескольким классам, таким как Acidimicrobiia, Actinobacteria и Thermoleophila.Большинство актинобактерий являются аэробными сапрофитами, и многие из них могут продуцировать биологически активные соединения (Eisenlord and Zak, 2010; Miao and Davies, 2010). Многие из этих вторичных метаболитов используются в медицине и сельском хозяйстве, включая антибактериальные, противогрибковые и противоопухолевые препараты (Hill et al., 2011). Неисследованные и малоизученные местообитания-ниши являются важным ресурсом редких актиномицетов и, следовательно, потенциальными новыми биологически активными соединениями. Распространение различных актинобактерий связано с факторами окружающей среды, такими как тип почвы и рН (Hayakawa et al., 1988; Мацукава и др., 2007 г.; Хаякава, 2008).

    Актинобактерии обычно являются доминирующими почвенными микробами (Hill et al., 2011). Они важны для круговорота углерода, азота, фосфора, калия и ряда других элементов в почве (Goodfellow and Williams, 1983; Holmalahti et al., 1994; Hill et al., 2011). Как сапрофиты, они производят ряд внеклеточных гидролитических ферментов, которые могут разлагать животные и растительные полимеры, включая лигнин, целлюлозу, хитин и другие органические соединения (Eisenlord and Zak, 2010).Род актиномицетов Frankia представляет собой корневые симбионты, встроенные в клубеньки широкого круга многолетних древесных двудольных растений (Normand et al., 1996). Однако во многих случаях экологическая роль актинобактерий в почвах плохо изучена (Miao and Davies, 2010). Лучшее понимание разнообразия и распространения актинобактерий может дать представление об экологии микробов и помочь в открытии новых видов биологической активности, таких как новые антибиотики (Beattie et al., 2011; Hill et al., 2011).

    Разнообразие актинобактерий было исследовано в нескольких особых или экстремальных средах, таких как морские отложения (Zhang et al., 2014; Duran et al., 2015), вулканические пещеры (Riquelme et al., 2015), отложения холодных источников ( Yang et al., 2015), микробные маты горячих источников (Jiang et al., 2012), ледниковые предгорья (Zhang et al., 2016b), озера (Parveen et al., 2011), ассоциации с организмами (Inthasotti and Pathom -aree, 2015) и пустыни (Ding et al., 2013). В этом исследовании мы исследовали бассейн реки Хэйхэ, расположенный в засушливом северо-западном регионе Китая.Он предлагает как особую среду, так и неиспользованный ресурс потенциального нового разнообразия актинобактерий. Предыдущие исследования микробного разнообразия в реке Хэйхэ ограничивались исследованиями, связывающими качество водосбора со структурами бактериального сообщества в среднем течении речного бассейна (Borruso et al., 2015). Кроме того, Су и соавт. (2004) исследовали бактериальное разнообразие в низовьях реки с использованием культурально-зависимых методов. Более того, Тай и соавт. (2013) изучали разнообразие азотфиксирующих бактерий в верховьях реки Хэйхэ.

    Типы среды обитания могут существенно повлиять на бактериальное разнообразие почвы (Han et al., 2007; Xu et al., 2014). Бассейн реки Хэйхэ — идеальное место для исследования микробного разнообразия по отношению к окружающей среде. Типы растительности региона варьируются от низких до больших высот (Wang et al., 2009; Tai et al., 2013). Абиотические (например, почва) и биотические (например, растительность) варьировались в зависимости от склона (Qin et al., 2016). Плотность почвенного органического углерода колебалась от 9,73 до 35,21 кг·м –2 на высоте 0–60 см в масштабе холма (Zhu et al., 2017). Можно ожидать, что меры актинобактериального разнообразия по отношению к растительности дадут представление об экологической роли бактерий. Понимание экологии почвы можно получить, если понять, как микробные сообщества влияют на функциональное разнообразие почвы (Xu et al., 2014). Однако исследования состава сообщества, основанные на последовательностях генов 16S рРНК, обычно игнорировали функциональные и метаболические свойства микробного сообщества (Langille et al., 2013). Цели этого исследования состояли в том, чтобы: (1) исследовать сообщества актинобактерий в почвах бассейна реки Хэйхэ с образцами, взятыми из рощ, кустарников, лугов, пустынь и сельскохозяйственных угодий, (2) оценить любую связь градиента растительности (рощи, кустарников, лугов, пустынь) к сообществам актинобактерий и (3) оценить, в какой степени метаболические пути различаются среди актинобактерий, обнаруженных в почвах этих различных местообитаний.

    Материалы и методы

    Описание участка и отбор проб почвы

    Бассейн реки Хэйхэ на северо-западе Китая представляет собой второй по величине внутренний речной бассейн в этом засушливом регионе (37°41′-42°42′ северной широты и 96°42′-102°00′ восточной долготы) (Wang et al., 2009). ). Бассейн реки Хэйхэ простирается от ее верховий, расположенных на северных склонах гор Цилянь (Li et al., 2001). Осадки в основном выпадают в летние месяцы и уменьшаются с востока на запад, увеличиваясь примерно с 200 мм на малых высотах до 600 мм на больших высотах.Типы обнаруженных сред состоят из следующих зон: пустынная степь, засушливые кустарниковые луга, лесные пастбища, субальпийские кустарниковые луга, альпийские холодно-пустынные луга и альпийские вечной мерзлоты-снежно-ледяные от низких до больших высот, соответственно (Wang et al., 2009; Tai et al., 2013). Нижнее течение бассейна реки Хэйхэ расположено на севере нагорья Алкса. Это один из самых засушливых регионов Китая. Осадки концентрируются летом. Среднегодовое количество осадков составляет 42 мм при среднегодовом испарении 3755 мм (Li et al., 2001; Инь и др., 2012).

    Образцы почвы были взяты из пяти типов естественной почвенной среды: лесных рощ, кустарников, лугов, пустынь и сельскохозяйственных угодий в период с 27 июля по 14 августа 2012 г. (таблица 1 и дополнительный рисунок S1). Для древесных рощ, кустарников и луговых экосистем для отбора проб почвы были выбраны четыре различных репрезентативных вида растений, типичных для каждого местообитания. В пустыне мы выбрали почвы, представляющие четыре различные степени опустынивания. Для сельскохозяйственных угодий были выбраны образцы почвы, обработанные четырьмя различными удобрениями.Более подробная информация об участках отбора проб представлена ​​в табл. 1. Образцы пустынной почвы были получены исключительно из нижнего течения бассейна реки Хэйхэ. На каждом пробном участке мы отобрали три независимых повторных образца, и каждый повтор был объединен из пяти образцов почвы (четыре угловых и один центральный образец), глубиной 5 см на площади 2 м 2 . Для каждого образца кельмой было получено примерно 10 г почвы, которая была просеяна для удаления посторонних частиц.Образцы из кустарниковых и древесных рощ были получены из почвы, соседствующей с соответствующими несмешанными видами растений. Образцы хранили при температуре ниже 4°C во время транспортировки в лабораторию, а затем хранили при -20°C до выделения ДНК.

    Таблица 1. Обзор мест отбора проб почвы.

    Экстракция ДНК и секвенирование

    ДНК

    выделяли из репрезентативных образцов по 0,5 г смешанных почв в трех экземплярах или из образцов по 2 г пустынной почвы с использованием набора для выделения ДНК PowerSoil (MoBio Mo Bio Laboratories, Inc., Карлсбад, Калифорния). Мы амплифицировали область V4 бактериальных генов 16S рРНК с бактериальными универсальными праймерами 515F и 806R. Условия ПЦР-амплификации были точно такими же, как описано ранее (Zhang et al., 2016a). Ампликоны секвенировали на платформе Illumina.

    Анализ последовательности

    Чтения необработанных последовательностей были отсортированы по штрих-кодам и обработаны по качеству с использованием QIIME 1.91 (Caporaso et al., 2010) в Bio-Linux 8.0.5 (Field et al., 2006). Использовались следующие параметры: длина не менее 200 п.н., полное совпадение с меткой последовательности (штрих-код) и праймером гена 16S рРНК, а также исключение последовательностей с неопределенными основаниями, включая химерные последовательности.Остальные последовательности были сгруппированы в рабочие таксономические единицы (OTU) с минимальной идентичностью 97% с использованием usearch v11.0 (Edgar, 2010) на QIIME с последующим таксономическим присвоением каждой последовательности с помощью RDP (Wang et al., 2007) в соответствии с лучшие совпадения в базе данных рибосом SILVA (версия 132) (Quast et al., 2013; Yilmaz et al., 2014). Последовательности, принадлежащие к типу Actinobacteria, идентифицировали с помощью QIIME из каждой библиотеки (filter_taxa_from_otu_table.py, –positive_tax p__Actinobacteria).Специалисты определялись как семейства или роды, которые присутствовали максимум в двух из 20 образцов, тогда как универсалы определялись как семейства родов, присутствующие более чем в 18 образцах. Заселенность указывает, на скольких участках было обнаружено семейство или род. Последовательности, полученные в результате этого исследования, были депонированы в DDBJ/EMBL/GenBank под номером доступа KCVG00000000.

    Анализ метагенома

    Мы использовали PICRUSt для прогнозирования функционального содержания актинобактериального сообщества на основе последовательностей 16S рРНК (Langille et al., 2013). Для определения операционных таксономических единиц (OTU) в каждой экосистеме последовательности 16S рРНК сравнивали с последовательностями в базе данных рибосом Greengenes (версия 13-5). Для классификации каждой OTU с использованием pick_closed_reference_otus.py в QIIME использовалась идентичность минимум 97% (DeSantis et al., 2006). Данные для каждой экосистемы были нормализованы с точки зрения количества последовательностей, представляющих каждую OTU, с использованием normalize_by_copy_number.py в PICRUSt. В последствии скрипт предсказал_метагеномы.py в PICRUSt использовался для прогнозирования функции метагенома для данной OTU со ссылкой на базу данных Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (Kanehisa and Goto, 2000). Полное описание методов подробно описано в Cleary et al. (2015). Вклады генов и выбранные порядки для каждого образца были проанализированы с помощью сценария metagenome Introductions.py в PICRUSt.

    Статистический анализ

    Альфа-разнообразие образцов было рассчитано с помощью alpha_diversity.py в QIIME с наименьшим количеством последовательностей среди всех образцов.Несходство актинобактериальных сообществ и функционального состава генов метагенома определяли с помощью программы beta_diversity.py в QIIME по методу Брея-Кертиса (beta_diversity.py -i otu_table.biom -o otu_beta_diversity -m bray_curtis). Неметрическое многомерное шкалирование (NMDS), основанное на расстоянии Брея-Кертиса, использовалось для визуализации состава актинобактериальных сообществ с использованием веганского пакета в R3.1.3 (R Core Team, 2012). Мы использовали тест ANOSIM, чтобы оценить, связано ли значительное изменение среды с актинобактериальным составом или средой, чтобы предсказать функцию метагенома с помощью скрипта compare_categories.ру в QIIME. Количество перестановок было установлено на уровне 999; все остальные аргументы использовали набор значений по умолчанию. Односторонние тесты PERMANOVA использовались для проверки значительной изменчивости состава актинобактериального сообщества для каждой пары сред с помощью скрипта compare_categories.py в QIIME. Количество пермутаций было установлено на уровне 999. Оценка обнаружения биомаркеров высокой размерности и объяснение актинобактериальных сообществ и функционального содержания генов метагенома были выполнены с использованием анализа LEfSe (Segata et al., 2011). Мы использовали сетевой анализ для изучения моделей совместного появления актинобактериальных сообществ для каждой среды. Сначала мы рассчитали коэффициент корреляции Пирсона актинобактериальных сообществ на таксономическом уровне от вида к классу. Затем использовалось программное обеспечение Gephi (версия 0.9.2) для визуализации сильно коррелированных данных со значением p < 0,01 и r > 0,6 или r < -0,6. В качестве алгоритма компоновки сети использовался алгоритм Фрухтермана-Рейнгольда.

    Результаты

    Состав сообщества актинобактерий в почвах бассейна реки Хэйхэ

    Всего из 362 554 последовательностей было получено 110 773 (в среднем 5 539 проб –1 ) последовательностей актинобактерий из 20 участков почвы. При группировке на уровне сходства 97% образовалось 17 714 актинобактериальных ОТЕ. 12 010 OTU содержали только одну последовательность. Наиболее распространенные 20 OTU были представлены 22 440 последовательностями или 20,3% от общего количества. В топ-100 и 1000 OTU вошли 32.2% и 59,1% соответственно от всего набора данных. Девяносто семь процентов последовательностей актинобактерий можно сгруппировать в 11 классов (рисунок 1 и дополнительный рисунок S2). Средняя относительная численность для каждого класса: Actinobacteria (36,1%), Thermoleophilia (28,1%), Acidimicrobiia (19,4%), MB-A2-108 (8,4%), Nitriliruptoria (2,5%), 0319-7L14 (2,1%), Рубробактерии (1,2%), кориобактерии (0,14%), WCHB1-81 (0,02%), FFCh26263 (0,006%) и KIST-JJY010 (0,005%). Только один класс в базе данных SILVA, RBG-16-55-12, не был представлен.На нижнем уровне классификации в бассейне реки Хэйхэ было обнаружено 33 отряда, 83 семейства, 214 родов и 247 видов. Последовательности рода Streptomyces составляют менее 1% от общего числа.

    Рисунок 1. Состав сообщества актинобактерий на уровне классов для 20 пробных участков.

    Актинобактериальные сообщества универсалов и специалистов среды обитания

    Каждой таксономической единице актинобактерий была присвоена относительная численность по сравнению с численностью.график занятости, чтобы разделить набор таксонов на две основные категории: почвоведы широкого профиля и специалисты (рисунок 2 и дополнительный рисунок S3). Всего было пять классов, 15 порядков, 20 семейств и 36 родов-специалистов по среде обитания, а также три класса, семь порядков, 17 семейств и 69 специалистов по среде обитания. На таксономическом уровне класса Actinobacteria, Thermoleophilia, Acidimicrobiia, MB-A2-108 и Rubrobacteria были универсалами, тогда как WCHB1-81, FFCh26263 и KIST-JJY010 были специалистами. На таксономическом уровне семейства Micrococcaceae , 67-14 и Solirubrobacteraceae были основными универсалами, тогда как некультивируемых бактерий Acidimicrobiales , Acidimicrobiaceae и AcidothermВ роду таксономическом уровне, Gaiella , Solirubrobacter , Nocardioides и Blastococcus были главными универсалы, с некультурных Acidimicrobiales бактерии , Collinsella и некультурных прокариот Gaiellales является основным специалистов (Дополнительный Рисунок S3). Количество универсальных родов было намного выше, чем неуниверсальных родов (дополнительный рисунок S3). Более половины специализированных родов относились к классу Actinobacteria.

    Рисунок 2. График численности (ось y ) и занятости (ось x ) актинобактериальных сообществ на таксономическом уровне семейства (A) . Занятость указывает количество участков, восстановленных семьей. Средняя относительная численность семейств указана точками (левая ось у ). Специализированные семейства показаны синими точками. Универсальные семейства показаны красными точками. Количество семей при каждом размещении указано столбиками (правая ось и ) (A) .Среднее относительное обилие 17 основных специализированных семей (B) и 20 основных семей универсальных местообитаний (C) нанесено на гистограммы (неклассифицированные последовательности не включены). Все относительные количества на рисунках являются пропорциями филума Actinobacteria.

    Несходство актинобактериальных сообществ между различными растительными экосистемами

    В соответствии с таксономической информацией из базы данных SILVA (Quast et al., 2013), последовательности могут быть сгруппированы в неклассифицированные, некультивированные и точные классификации. С уменьшением уровня классификации соотношение неклассифицированных и некультивируемых последовательностей увеличивалось (дополнительная фигура S2). Соотношение некультурных и точно классифицированных последовательностей на лугах было самым высоким из пяти типов экосистем. Больше различий появилось между неклассифицированными, некультивируемыми и точно классифицированными последовательностями при снижении уровня классификации в пяти экосистемах.

    Мы использовали Chao1 и индекс ACE для оценки богатства актинобактериальных сообществ, а также индекс Шеннона-Винера и Симпсона для оценки разнообразия актинобактериальных сообществ в пяти различных экосистемах (рисунок 3 и дополнительный рисунок S4). Результаты показали, что как богатство, так и разнообразие сообществ актинобактерий следуют одной и той же тенденции. Самый высокий показатель был для экосистемы сельскохозяйственных угодий, за которой следуют пустыни, рощи, кустарники и луговые экосистемы. Разнообразие образцов, принадлежащих луговой экосистеме, демонстрировало больший диапазон вариаций, чем для других экосистем, что, вероятно, отражает связь между структурой сообщества и видами растений, поскольку каждый из четырех образцов был получен из почв, прилегающих к разным видам растений.Разнообразие образцов, полученных из экосистем сельскохозяйственных угодий и лесных рощ, было меньше, чем для других экосистем.

    Рисунок 3. Блочные диаграммы, показывающие индекс Шеннона-Винера (A) и индекс Chao1 (B) актинобактериальных сообществ в пяти типах биомов.

    Различия в сообществах актинобактерий из 20 участков были выявлены с помощью двойного графика NMDS (рис. 4). Все сайты, кроме М4, были агрегированы со своим окружением.Примечательно, что на состав актинобактериальных сообществ существенно влияла среда (тест ANOSIM, R = 0,6804, p = 0,001). Влияние пяти видов экосистем на сообщества актинобактерий было разным (дополнительная таблица S1). Четыре образца в среде сельскохозяйственных угодий имели наибольшее сходство со значением 0,82 ± 0,03. Напротив, четыре образца с лугов имели наибольшее различие со значением 0,45 ± 0.18. Сравнение сходства актинобактериальных сообществ между каждой парой сред показало, что экосистемы кустарников и древесных рощ были наиболее схожими средами (0,67 ± 0,09), тогда как кустарники по сравнению с сельскохозяйственными угодьями или пустынными экосистемами демонстрировали наибольшее различие (0,36 ± 0,03, 0,36 ± 0,05). Кроме того, мы использовали односторонние тесты PERMANOVA (расстояние Брея-Кертиса и расстояние Евклида) для анализа различий в сообществах актинобактерий для каждой пары сред, указывая на то, что сообщества деревьев и кустарников существенно не различались.Попарные сравнения сообществ древесных рощ и лугов, а также сообществ кустарников и лугов показали незначительные значимые различия (дополнительные таблицы S2, S3).

    Рисунок 4. Неметрический многомерный масштаб (NMDS) двойной график матрицы несходства Брея-Кертиса, который показывает структуру сообщества актинобактерий (A) и функциональный метагеномный анализ (B) 20 участков выборки.

    На уровне таксономического класса класс Actinobacteria доминировал в лесных рощах, пустынях и на фермах; Thermoleophilia была самым большим классом в среде кустарников и лугов (рис. 1).На уровне семьи между экосистемами было больше различий (дополнительный рисунок S5). Используя анализ LefSe, мы получили актинобактериальные биомаркеры от класса к виду для каждой среды (дополнительная фигура S5). Было выявлено 29 биомаркеров в образцах рощ, 22 – в образцах кустарников, два – в образцах лугов, 45 – в образцах пустыни и 41 – в образцах сельскохозяйственных угодий.

    Различие потенциальной функции актинобактериальных сообществ

    Мы классифицировали результаты анализа метагенома KEGG по иерархиям функциональных путей.Хотя в разных местах обитания существовали разные сообщества актинобактерий, предсказанные функциональные пути актинобактерий из этих разных мест обитания были схожими. Пять наиболее распространенных метаболических прогнозируемых путей включали метаболизм пуринов, метаболизм бутаноатов, расщепление валина, лейцина и изолейцина, метаболизм пропаноатов и метаболизм жирных кислот. Однако двумя наиболее распространенными специфическими функциями были транспортеры и транспортеры ABC. Они относятся к категории обработки информации об окружающей среде и занимают до 11% всех отсчетов гена.

    Различия в потенциальных функциях (состав KO) актинобактериальных сообществ среди 20 участков были идентифицированы с помощью двойного графика NMDS (рис. 4). Так же, как и при несходстве актинобактериальных сообществ, все сайты, кроме М4, были агрегированы с окружающей их средой. На функцию метаболического потенциала актинобактериальных сообществ значительное влияние оказывала среда (тест Аносима, R = 0,7317, p = 0,001). Анализ показал, что разные сообщества актинобактерий имеют разные метаболические функции, связанные с экосистемой, которую они занимают.

    Кроме того, анализ LefSe также показал значительные различия в потенциальных метаболических функциях в каждой среде (дополнительная фигура S6). Этот анализ идентифицировал 20 биомаркеров для кустарников, 15 для лугов, девять для сельскохозяйственных угодий, 16 для пустынь и три для древесных рощ.

    Очевидно, что метаболизм азота является важной особенностью актинобактериальных сообществ, особенно на сельскохозяйственных угодьях и в невозделываемых пустынных экосистемах (рис. 5). Sporichthyaceae , широко распространенные в пустынной среде, были основным источником путей фиксации азота (модуль M00175). Frankiaceae , присутствующие в образцах S4 и M4, также могут фиксировать азот. Пути диссимиляционного восстановления нитратов и денитрификации (модули M00530 и M00529 соответственно) также широко распространены в пустынных и сельскохозяйственных экосистемах.

    Рисунок 5. Гистограммы с накоплением, показывающие предполагаемый вклад количества генов (ось y ) порядков (≥2%) для M00175 ( A , фиксация азота), M00530 ( B , диссимиляционное восстановление нитратов) ) и M00529 ( C , денитрификация).

    Обсуждение

    Экосистемы с различной растительностью существенно влияют на состав сообщества актинобактерий

    Наши анализы показывают, что системы почвенной растительности существенно влияют на состав актинобактериальных сообществ в бассейне реки Хэйхэ. Тип растительной экосистемы играет более важную роль в актинобактериальных сообществах, чем входящие в нее виды растений. Это явление согласуется с предыдущими наблюдениями за тем, как на бактериальные сообщества влияет тип экосистемы (Fierer et al., 2012б; Чжан и др., 2013 г.; Сюй и др., 2014). Однако влияние каждой из различных растительных экосистем на почвенные актинобактериальные сообщества было различным. Например, в этом исследовании луговая почва была наименее богатой и наименее разнообразной экосистемой (рис. 3), но содержала некластеризованные структуры сообщества (рис. 4), что, вероятно, отражает то, что сообщества актинобактерий различаются в зависимости от типа растительности. Эти результаты отличаются от анализа бактериального сообщества Xu et al. (2014). Они обнаружили, что пробные участки, принадлежащие пастбищам, были интенсивно сгруппированы вместе на основе оценок сходства бактериального сообщества Брея-Кертиса.Это предполагает различия в том, как можно влиять на сообщества актинобактерий и бактерий в целом в одной и той же среде.

    Предыдущий анализ показал, что структура бактериального сообщества почвы зависит от конкретных видов растений, произрастающих на пробных участках (Rich et al., 2003; Chu et al., 2011; Zhang et al., 2013; Xu et al. , 2014). Наш анализ почв бассейна реки Хэйхэ показывает, что сообщества актинобактерий в почвах древесных рощ и кустарников тесно связаны, в то время как они различны для трех образцов почвы лугов (рис. 4А).Исключением был участок М4, который сгруппирован с древесными рощами и кустарниковыми почвами. Почва на этом участке связана с растением Achnatherum splendens , которое может создавать почвенную микросреду, подобную почвам рощ и кустарников. Функциональный метагеномный анализ также показал связь между структурой сообщества этого участка и структурой древесных рощ и кустарников (рис. 4В). В этих экосистемах пути метаболизма аминокислот и углеводов были представлены лучше, чем в других местах.В разных биомах обычно обитают разные виды растений (Fierer et al., 2012b). Из-за различных типов подстилки и корневых систем органические материалы почвы, связанные с различной растительностью, могут различаться (Chan et al., 2008; Zeng et al., 2016). Следовательно, это может повлиять на структуру микробного сообщества почвы.

    Пустынная экосистема бассейна реки Хэйхэ является богатым источником актинобактерий

    Пустынная экосистема бассейна реки Хэйхэ характеризуется богатым ресурсом актинобактерий.Он имеет высокий индекс альфа-разнообразия для необрабатываемых земель (Shannon, Chao1, ACE) (рисунок 3 и дополнительный рисунок S4), имеет самую низкую относительную численность точных классификационных последовательностей (дополнительный рисунок S2), имеет наибольшее количество видов биомаркеров и самый низкий показатель модульности. Сообщество актинобактерий в этой пустынной экосистеме отличалось от такового в других пустынных экосистемах. В то время как роды Micromonospora , Streptosporangium и Cellulomonas были обнаружены в почвах пустынь на северо-востоке Цинхай-Тибетского нагорья (Ding et al., 2013), в экосистеме пустыни Хэйхэ они не обнаружены. Роды Microbispora и Microtetraspora были обнаружены в почвах пустыни Мохаве, Калифорния (Takahashi et al., 1996), но не в почве пустыни в этом исследовании. Кроме того, род Lechevalieria был идентифицирован в почвах пустыни Атакама, Чили (Okoro et al., 2009), но в данном исследовании отсутствовал. Geodermatophilaceae была доминирующей группой как в Бадайн Джаран (27.4%) и Тенгер (18,2%), но только 6,8% в этом исследовании (Sun et al., 2018). Это говорит о том, что сообщества актинобактерий в пустыне Хэйхэ отличаются от других пустынь. Действительно, в последние несколько лет из пустынных почв было выделено множество редких актиномицетов (Tiwari, Gupta, 2013). Более двух третей редких родов актиномицетов, выявленных в период с 2006 по 2018 год, которые, как известно, производят новые природные продукты (Zhang et al., 2019), присутствовали в почве пустыни бассейна реки Хэйхэ.Напротив, относительное обилие видов, принадлежащих к роду Streptomyces , не превышало 1%.

    Различные актинобактериальные сообщества населяют копиотрофные и олиготрофные экосистемы

    Распространение Actinobacteria было связано с различными факторами окружающей среды, такими как тип почвы и pH (Hayakawa et al., 1988; Matsukawa et al., 2007; Hayakawa, 2008). Во многих исследованиях обилие актинобактериальных сообществ положительно коррелирует с содержанием углерода и азота в почве и, следовательно, считается копиотрофными бактериями.Например, наблюдалось увеличение относительной численности многих доминирующих актинобактерий с градиентами азота на сельскохозяйственных полях (Fierer et al., 2012a). Кроме того, обилие актинобактерий положительно коррелировало с содержанием углерода и азота в почвах влажных тропических лесов (Nemergut et al., 2010). Более того, в девяти различных экосистемах, исследованных в Северной Америке, добавление азота постоянно приводило к увеличению количества почвенных актинобактерий (Ramirez et al., 2012). Эйлерс и др. (2010) обнаружили, что соединения углерода с низкой молекулярной массой оказывают значительное влияние на относительное увеличение числа актинобактерий.Однако мы обнаружили, что относительное обилие актинобактерий было выше в олиготрофных средах (пустынная почва), а структура их сообщества существенно отличалась от копиотрофных. Например, в условиях пустыни обогащались классы Rubrobacteria и Nitriliruptoria. Это говорит о том, что некоторые представители филума Actinobacteria могут жить в олиготрофной среде. Ароча-Гарза и др. (2017) выделили 350 различных штаммов из олиготрофного пустынного оазиса.Актинобактерии могут продуцировать различные внеклеточные гидролитические ферменты для разложения остатков животных и растений, подстилки и других органических соединений в почве, что позволяет им процветать в олиготрофной среде (Eisenlord and Zak, 2010). Шанге и др. (2012) обнаружили, что отряды Actinomycetales и Solirubrobacterales продемонстрировали наибольшую численность при самых низких значениях содержания органического углерода в почве в разнообразной агроэкосистеме. Род Saccharomonospora был идентифицирован как наиболее распространенный в относительно бедных гумусом щелочных почвах (Hayakawa, 2008).

    Сообщества актинобактерий могут играть важную роль в круговороте азота в экосистеме олиготрофной пустыни

    Считается, что сообщества актинобактерий играют важную роль в экосистемах, которые они колонизируют (Goodfellow and Williams, 1983; Holmalahti et al., 1994; Rich et al., 2003; Hill et al., 2011), хотя функциональное описание их вклад часто отсутствует. Биоинформационный метагеномный анализ дал нам представление о потенциальной функции актинобактерий в экосистемах бассейна реки Хэйхэ, предполагая важную роль в круговороте азота в олиготрофной пустынной экосистеме.В этой среде Sporichthyaceae и Frankiaceae , по-видимому, важны для фиксации азота и, следовательно, могут способствовать приживанию других организмов. Кроме того, представители актиномицетов вносят значительный вклад в круговорот азота в этой среде. Ранее Navarrete et al. (2015) выявили тесную связь между актинобактериальными сообществами и метаболизмом азота в копиотрофных лесных почвах Амазонки. Наш анализ указывает на потенциальную роль актинобактерий в круговороте азота, а также в удобренной копиотрофной экосистеме сельскохозяйственных угодий.

    Заключение

    Это подробное описание сообществ актинобактерий в пяти различных экосистемах бассейна реки Хэйхэ показывает, что структуры сообществ различаются в зависимости от преобладающей растительности и трофического статуса почв. Это указывает на удивительно разнообразную структуру сообщества в олиготрофной пустынной почве, где актинобактерии могут играть важную роль в фиксации азота. Эта среда обитания также примечательна обилием редких актинобактерий, которые, вероятно, являются источниками новых биологически активных соединений.

    Заявление о доступности данных

    Наборы данных, созданные для этого исследования, можно найти в NCBI, KCVG00000000.

    Вклад авторов

    BZ, TC и GL разработали исследование. XW, XT и MW выполняли полевые наблюдения и отбор проб. BZ, LS и XC проанализировали данные секвенирования Illumina. BZ, GZ и WZ выполнили статистический анализ. BZ, TC, GL и PD интерпретировали результаты и написали рукопись.

    Финансирование

    Эта работа финансировалась Национальным фондом естественных наук Китая (Nos.41801045 и 31570498), Бюро международного сотрудничества Китайской академии наук (131B62KYSB20160014), программы CAS «Свет Западного Китая» и Государственной ключевой лаборатории криосферных наук, а также Северо-Западного института экосреды и ресурсов Китайской академии. наук (СКЛКС-ОП-2018-10).

    Конфликт интересов

    Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

    Дополнительный материал

    Дополнительный материал к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmicb.2019.02209/full#supplementary-material

    .

    Каталожные номера

    Ароча-Гарса, Х. Э., Кастильо, Р. К., Эгиарте, Л. Э., Соуза, В., и Торре-Завала, С. Д. (2017). Высокое разнообразие и предполагаемая эндемичность культивируемых актинобактерий в чрезвычайно олиготрофном пустынном оазисе. PeerJ 5:e3247. doi: 10.7717/peerj.3247

    Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

    Битти, А. Дж., Хэй, М., Магнуссон, Б., де Нис, Р., Смизерс, Дж., и Винсент, Дж. Ф. (2011). Экология и биоразведка. Австралийский экол. 36, 341–356. doi: 10.1111/j.1442-9993.2010.02170.x

    Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

    Боррузо, Л., Зербе, С., и Брусетти, Л. (2015). Структуры бактериального сообщества как диагностический инструмент для оценки качества водосбора. Рез. микробиол. 166, 38–44. doi: 10.1016/j.resmic.2014.11.004

    Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

    Caporaso, J.G., Kuczynski, J., Stombaugh, J., Bittinger, K., Bushman, F.D., Costello, E.K., et al. (2010). QIIME позволяет анализировать данные секвенирования с высокой пропускной способностью. Нац. Методы 7, 335–336. doi: 10.1038/nmeth.f.303

    Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

    Чан О.К., Каспер П., Sha, L.Q., Feng, Z.L., Fu, Y., Yang, X., et al. (2008). Растительный покров леса, кустарников и пастбищ сильно влияет на структуру бактериального сообщества почвы, что было выявлено с помощью анализа T-RFLP гена 16S рРНК. FEMS Microbiol. Экол. 64, 449–458. doi: 10.1111/j.1574-6941.2008.00488.x

    Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

    Чу, Х.Ю., Нойфельд, Дж.Д., Уокер, В.К., и Гроган, П. (2011). Влияние типа растительности на доминирующие почвенные бактерии, археи и грибы в ландшафте низинной арктической тундры. Почвоведение. соц. Являюсь. Дж. 75, 1756–1765. doi: 10.2136/sssaj2011.0057

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Клири, Д.Ф.Р., де Воогд, Нью-Джерси, Полония, А.Р.М., Фрейтас, Р., и Гомеш, Н.К.М. (2015). Состав и прогностический функциональный анализ бактериальных сообществ в морской воде, отложениях и губках на архипелаге Спермонде, Индонезия. Микроб. Экол. 70, 889–903. doi: 10.1007/s00248-015-0632-5

    Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

    ДеСантис, Т.Z., Hugenholtz, P., Larsen, N., Rojas, M., Brodie, E.L., Keller, K., et al. (2006). Greengenes, проверенная химера база данных генов 16S рРНК и рабочая среда, совместимая с ARB. Заяв. Окружающая среда. микробиол. 72, 5069–5072. doi: 10.1128/AEM.03006-05

    Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

    Дин, Д., Чен, Г.К., Ван, Б.К., Ван, К.Л., Лю, Д.М., Пэн, М., и соавт. (2013). Культивируемые актиномицеты из пустынной экосистемы на северо-востоке Цинхай-Тибетского плато. Энн. микробиол. 63, 259–266. doi: 10.1007/s13213-012-0469-9

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Дюран, Р., Билен, А., Парадзик, Т., Гасси, К., Пустиянац, Э., Каньон, К., и соавт. (2015). Изучение сообществ актинобактерий в прибрежных морских отложениях под контрастным человеческим влиянием в западной части Истрийского моря, Хорватия. Окружающая среда. науч. Загрязн. Рез. 22, 15215–15229. doi: 10.1007/s11356-015-4240-1

    Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

    Эйлерс, К.Г., Лаубер, К.Л., Найт, Р., и Фиерер, Н. (2010). Сдвиги в структуре бактериального сообщества, связанные с поступлением в почву низкомолекулярных соединений углерода. Почвенный биол. Биохим. 42, 896–903. doi: 10.1016/j.soilbio.2010.02.003

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Эйзенлорд, С. Д., и Зак, Д. Р. (2010). Моделирование осаждения атмосферного азота изменяет состав сообщества актинобактерий в лесных почвах. Почвоведение. соц. Являюсь. Дж. 74, 1157–1166.дои: 10.2136/sssaj2009.0240

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Филд Д., Тивари Б., Бут Т., Хаутен С., Свон Д., Бертран Н. и др. (2006). Открытый софт для биологов: от голода к пиршеству. Нац. Биотехнолог. 24, 801–803. doi: 10.1038/nbt0706-801

    Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

    Фиерер, Н., Лаубер, К.Л., Рамирес, К.С., Заневельд, Дж., Брэдфорд, М.А., и Найт, Р. (2012a). Сравнительный метагеномный, филогенетический и физиологический анализ почвенных микробных сообществ в градиентах азота. Исме Дж. 6, 1007–1017. doi: 10.1038/ismej.2011.159

    Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

    Fierer, N., Leff, J.W., Adams, B.J., Nielsen, U.N., Bates, S.T., Lauber, C.L., et al. (2012б). Кросс-биомный метагеномный анализ почвенных микробных сообществ и их функциональных свойств. Проц. Натл. акад. науч. США 109, 21390–21395. doi: 10.1073/pnas.1215210110

    Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

    Гудфеллоу, М.и Уильямс, С. Т. (1983). Экология актиномицетов. год. Преподобный Микробиолог. 37, 189–216. doi: 10.1146/annurev.mi.37.100183.001201

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Хан, С. М., Ван, Р. К., Лю, Р., Ван, М. С., Чжоу, Дж., и Го, У. Х. (2007). Влияние типа растительности на структуру микробного сообщества почвы и катаболическое разнообразие, оцененное полифазными методами в Северном Китае. Дж. Окружающая среда. науч. Китай 19, 1228–1234. дои: 10.1016/S1001-0742(07)60200-9

    Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

    Хаякава, М.(2008). Исследования по выделению и распространению редких актиномицетов в почве. Actinomycetologica 22, 12–19. doi: 10.3209/saj.SAJ220103

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Хаякава, М., Исидзава, К., и Нономура, Х. (1988). Распространение редких актиномицетов в почвах Японии. J. Технология ферментации. 66, 367–373. дои: 10.1016/0385-6380(88)-5

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Хилл, П., Криштуфек, В., Dijkhuizen, L., Boddy, C., Kroetsch, D., and van Elsas, JD (2011). Интенсивность землепользования регулирует структуру сообщества актинобактерий. Микроб. Экол. 61, 286–302. doi: 10.1007/s00248-010-9752-0

    Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

    Холмалахти Дж., Райт А. и Раатикайнен О. (1994). Вариации спектров биологической активности актиномицетов, выделенных из разных почв. Письмо. заявл. микробиол. 18, 144–146. дои: 10.1111/j.1472-765X.1994.tb00829.x

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Интхасотти, Т., и Патом-Ари, В. (2015). Разнообразие актинобактерий, связанных с макроколониями nostoc commune vaucher ex Bornet & Flahault. Энн. микробиол. 65, 2229–2240. doi: 10.1007/s13213-015-1063-8

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Jiang, H., Dong, C.Z., Huang, Q., Wang, G., Fang, B., Zhang, C., et al. (2012). Разнообразие актинобактерий в микробных матах пяти горячих источников в центральном и центрально-восточном Тибете, Китай. Геомикробиолог. Дж. 29, 520–527. дои: 10.1080/014

    .2011.5

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Langille, M.G.I., Zaneveld, J., Caporaso, J.G., McDonald, D., Knights, D., Reyes, J.A., et al. (2013). Прогностическое функциональное профилирование микробных сообществ с использованием последовательностей маркерных генов 16S рРНК. Нац. Биотехнолог. 31, 814–821. doi: 10.1038/nbt.2676

    Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

    Ли, Х., Лу, Л., Ченг, Г.Д., и Сяо, Х.Л. (2001). Количественная оценка ландшафтной структуры бассейна реки Хэйхэ на северо-западе Китая с использованием FRAGSTATS. J. Засушливая среда. 48, 521–535. doi: 10.1006/jare.2000.0715

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Мацукава Э., Накагава Ю., Иимура Ю. и Хаякава М. (2007). Стимулирующее действие индол-3-уксусной кислоты на образование воздушного мицелия и продукцию антибиотиков у Streptomyces spp. Actinomycetologica 21, 32–39.doi: 10.3209/saj.SAJ210105

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Наваррете, А. А., Цай, С. М., Мендес, Л. В., Фауст, К., де Холландер, М., Кассман, Н. А., и соавт. (2015). Реакция почвенного микробиома на краткосрочные последствия обезлесения Амазонки. Мол. Экол. 24, 2433–2448. doi: 10.1111/mec.13172

    Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

    Немергут, Д. Р., Кливленд, К. С., Видер, В. Р., Вашенбергер, К. Л., и Таунсенд, А.Р. (2010). Манипуляции с поступлением органического вещества в почву в масштабе участка коррелируют со сдвигами в составе микробного сообщества в низинных тропических лесах. Почвенный биол. Биохим. 42, 2153–2160. doi: 10.1016/j.soilbio.2010.08.011

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Норманд, П., Орсо, С., Курнуайе, Б., Жаннин, П., Шапелон, К., Доусон, Дж., и др. (1996). Молекулярная филогения рода Frankia и родственных родов и поправок семейства Frankiaceae . Междунар. Дж. Сист. бактериол. 46, 1–9. дои: 10.1099/00207713-46-1-1

    Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

    Окоро, С.К., Браун, Р., Джонс, А.Л., Эндрюс, Б.А., Асенджо, Дж.А., Гудфеллоу, М., и соавт. (2009). Разнообразие культивируемых актиномицетов в гипераридных почвах пустыни Атакама, Чили. Антони Ван Левенгук 95, 121–133. doi: 10.1007/s10482-008-9295-2

    Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

    Парвин, Б., Reveilliez, J.P., Mary, I., Ravet, V., Bronner, G., Mangot, J.F., et al. (2011). Разнообразие и динамика свободноживущих и ассоциированных с частицами бетапротеобактерий и актинобактерий по отношению к сообществам фитопланктона и зоопланктона. FEMS Microbiol. Экол. 77, 461–476. doi: 10.1111/j.1574-6941.2011.01130.x

    Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

    Цинь, Ю. Ю., Фэн, К., Холден, Н. М., и Цао, Дж. Дж. (2016). Изменение содержания органического углерода в почве в зависимости от вида склона в середине гор Цилянь в верховьях бассейна реки Хэйхэ, Китай. CATENA 147, 308–314. doi: 10.1016/j.catena.2016.07.025

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Quast, C., Pruesse, E., Yilmaz, P., Gerken, J., Schweer, T., Yarza, P., et al. (2013). Проект базы данных генов рибосомной РНК SILVA: улучшенная обработка данных и веб-инструменты. Рез. нуклеиновых кислот. 41, Д590–Д596. doi: 10.1093/nar/gks1219

    Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

    Рамирес, К.С., Крейн, Дж.М.и Фиерер, Н. (2012). Последовательное воздействие добавок азота на микробные сообщества почвы и процессы в биомах. Глоб. Изменить биол. 18, 1918–1927 гг. doi: 10.1111/j.1365-2486.2012.02639.x

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Рич, Дж. Дж., Хейхен, Р. С., Боттомли, П. Дж., Кромак, К., и Мирольд, Д. Д. (2003). Состав сообщества и функционирование денитрифицирующих бактерий сопредельных луговых и лесных почв. Заяв. Окружающая среда. микробиол. 69, 5974–5982.doi: 10.1128/Aem.69.10.5974-5982.2003

    Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

    Riquelme, C., Hathaway, J.J.M., Dapkevicius, M.D.N.E., Miller, A.Z., Kooser, A., Northup, D.E., et al. (2015). Актинобактериальное разнообразие в вулканических пещерах и связанные с ним геомикробиологические взаимодействия. Фронт. микробиол. 6:1342. doi: 10.3389/fmicb.2015.01342

    Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

    Сегата, Н., Изард, Дж., Уолдрон, Л., Геверс, Д., Миропольский, Л., Гарретт, В.С., и соавт. (2011). Открытие и объяснение метагеномных биомаркеров. Геном Биол. 12:R60. DOI: 10.1186/GB-2011-12-6-R60

    Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

    Шанге, Р. С., Анкума, Р. О., Ибекве, А. М., Забава, Р., и Дауд, С. Э. (2012). В условиях разнообразно управляемой агроэкосистемы выявлены отчетливые сообщества почвенных бактерий. PLoS One 7:e40338. doi: 10.1371/journal.pone.0040338

    Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

    Вс, Дж.P., Wu, Y.Q., Ma, X.J., Zhang, G.S., Feng, H.Y., and Zhang, Y.H. (2004). Почвенный микробный учет и идентификация культивируемых бактерий в экстремально аридной зоне. Фолиа микробиол. 49, 423–429. дои: 10.1007/Bf02931604

    Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

    Сунь В., Дай С., Цзян С., Ван Г., Лю Г., Ву Х. и др. (2010). Культурально-зависимое и культуронезависимое разнообразие актинобактерий, ассоциированных с морской губкой Hymeniacidon perleve из Южно-Китайского моря. Антони Ван Левенгук 98, 65–75. doi: 10.1007/s10482-010-9430-8

    Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

    Сунь Ю., Ши Ю. Л., Ван Х., Чжан Т., Ю Л. Ю., Сунь Х. и соавт. (2018). Разнообразие бактерий и особенности структуры сообществ актинобактерий в пустынях Бадайн-Джаран и Тенгер в Китае. Фронт. микробиол. 9:1068. doi: 10.3389/fmicb.2018.01068

    Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

    Тай, Х.S., Mao, W.L., Liu, G.X., Chen, T., Zhang, W., Wu, X.K., et al. (2013). Высокое разнообразие азотфиксирующих бактерий в верховьях реки Хэйхэ на северо-западе Китая. Биогеонауки 10, 5589–5600. doi: 10.5194/bg-10-5589-2013

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Такахаши Ю., Мацумото А., Сейно А., Иваи Ю. и Омура С. (1996). Редкие актиномицеты, выделенные из пустынных почв. Actinomycetologica 10, 91–97. doi: 10.3209/saj.10_91

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Ван, Н.L., Zhang, S.B., He, J.Q., Pu, J.C., Wu, X.B., and Jiang, X. (2009). Отслеживание основного источника образования горного стока реки Хэйхэ на северо-западе Китая с использованием метода стабильных изотопов. Китай. науч. Бык. 54, 2751–2757. doi: 10.1007/s11434-009-0505-8

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Ван, К., Гаррити, Г. М., Тидже, Дж. М., и Коул, Дж. Р. (2007). Наивный байесовский классификатор для быстрого отнесения последовательностей рРНК к новой таксономии бактерий. Заяв. Окружающая среда. микробиол. 73, 5261–5267. doi: 10.1128/AEM.00062-07

    Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

    Сюй, З. Ф., Хансен, М. А., Хансен, Л. Х., Жакиод, С., и Соренсен, С. Дж. (2014). Биоинформационные подходы позволяют выявить метагеномную характеристику почвенного микробного сообщества. PLoS One 9:e93445. doi: 10.1371/journal.pone.0093445

    Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

    Ян, Дж., Ли, С.Ю., Хуанг, Л. К., и Цзян, Х. К. (2015). Актинобактериальное разнообразие в отложениях пяти холодных источников Цинхай-Тибетского плато. Фронт. микробиол. 6:1345. doi: 10.3389/Fmicb.2015.01345

    Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

    Yilmaz, P., Parfrey, L.W., Yarza, P., Gerken, J., Pruesse, E., Quast, C., et al. (2014). Таксономические рамки SILVA и «Всевидового проекта живых деревьев (LTP)». Рез. нуклеиновых кислот. 42, Д643–Д648.doi: 10.1093/nar/gkt1209

    Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

    Инь, Л., Чжао, Л., Жуань, Ю., Сяо, Х., Ченг, Г.-Д., Чжоу, М.-Х., и др. (2012). Изучение источников пополнения воды типичных экосистем и преобладающей растительной воды в низовьях Хэйхэ, Китай. Дж. Гласиол. геокриол. 34, 1478–1486.

    Академия Google

    Цзэн, К., Донг, Ю., и Ан, С. (2016). Реакция бактериального сообщества на почву вдоль широтного и растительного градиента на лёссовом плато, Китай. PLoS One 11:e0152894. doi: 10.1371/journal.pone.0152894

    Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

    Zhang, B., Wu, X., Zhang, G., Li, S., Zhang, W., Chen, X., et al. (2016а). Разнообразие и биогеография сообществ актинобактерий в предгорьях ледников в континентальном масштабе. Окружающая среда. Рез. лат. 11:054012. дои: 10.1088/1748-9326/11/5/054012

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Чжан, Б., Wu, X., Zhang, W., Chen, X., Zhang, G., Ai, X., et al. (2016б). Разнообразие и сукцессия актинобактерий в предгорьях ледника Тянь-Шань, Китай. Геомикробиолог. J. 33, 716–723. дои: 10.1080/014

    .2015.1085468

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Чжан, Г.Ю., Цао, Т.Ф., Ин, Дж.С., Ян, Ю.Л., и Ма, Л.К. (2014). Разнообразие и новизна актинобактерий в арктических морских отложениях. Антони Ван Левенгук Инт. Дж. Генерал Мол. микробиол. 105, 743–754. doi: 10.1007/s10482-014-0130-7

    Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

    Чжан Дж., Ян X., Чжоу Х., Ян Ю. и Дин З. (2019). Новые природные продукты редких актиномицетов с 2006 по 2018 гг. Китай. Дж. Орг. хим. 39, 1–40. doi: 10.6023/cjoc201810006

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Zhang, X.F., Zhao, L., Xu, S.J., Liu, Y.Z., Liu, H.Y., and Cheng, G.D. (2013). Влияние влажности почвы на бактериальное и грибковое сообщество в многолетнемерзлых почвах реки Бейлу (Тибетское нагорье) с различными типами растительности. J. Appl. микробиол. 114, 1054–1065. doi: 10.1111/jam.12106

    Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

    Чжу М., Фэн К., Цинь Ю. Ю., Цао Дж.

    admin

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.