Výzkum a dokumentace

Ochrana přírody 4/2008 — 19. 8. 2008 — Výzkum a dokumentace

Mikrobiální napadení aragonitu

na Oponě ve Zbrašovských aragonitových jeskyních

autoři: Milan Geršl, Dana Hanuláková, Barbora Šimečková

Z brašovské aragonitové jeskyně (ZAJ) leží v katastru obce Teplice nad Bečvou v areálu místních lázní. Od roku 2003 jsou součástí Národní přírodní památky Zbrašovské aragonitové jeskyně.

Jedná se o největší dosud známý jeskynní systém Hranického krasu s celkovou délkou 1 240 m (2005), jehož poloha na rozhraní dvou evropských geomorfologických celků – Českého masivu a Západních Karpat – předznamenala také jeho naprosto mimořádný geologický vývoj. Na zkrasovění zdejších devonských vápenců se kromě klasických procesů podílely také vydatné prameny teplých uhličitých kyselek vystupující z velkých hloubek podél tektonických zlomů. V jeskyních byly vytvořeny jedinečné jeskynní výplně a unikátní typy hydrotermální výzdoby, které představují raftové (dříve gejzírové) stalagmity, podhladinové sintrové povlaky nazývané „koblihy“ (cave clouds) i samotný minerál aragonit. Jeskyně je charakteristická specifickým mikroklimatem s výskytem tzv. plynových jezer oxidu uhličitého a vysokou průměrnou teplotou ovzduší pohybující se okolo 15 °C. Jeskynní systém objevený na přelomu roku 1912–1913 byl zpřístupněn veřejnosti v roce 1926, návštěvní sezona probíhá od dubna do října a roční návštěvnost se v současné době pohybuje okolo 50–60 tisíc osob.

Opona – souvislá aragonitová plocha

Opona je vžité pojmenování svislého skalního štítu o délce cca 10 m a výšce 3 m, který se nachází ve stropní partii největší prostory ZAJ – Jurikově dómu. Jedná se o jedinou souvislou plochu aragonitu v celém systému, který se zde vyskytuje v jehlicovitých až keříčkovitých drúzách. Aragonit je v jeskyních poměrně vzácnou modifikací uhličitanu vápenatého (CaCO3) krystalizující v soustavě kosočtverečné (rombické), vzniklou zde ve vzdušném prostředí nad hladinou jezer kyselky. Negativní změny na Oponě byly poprvé makroskopicky pozorovány v 80. letech 20. století, a to v podobě chomáčů znečištění ulpělých na koncích krystalů a nápadných barevných změn, které se projevovaly na stále větších plochách původně bělostné výzdoby. Byly pozorovány červenavé, rezavé až červenohnědé povlaky, které pokrývaly větší část původně bílého aragonitu. Citát J. Kunského (1940): „V posledním dómu, Jeskyni Jurikově, je velký výběžek skalního stropu, zvaný Opona, porostlý krystalovaným aragonitem. Jsou to nádherné jehlicovité drúzy, třpytivě se lesknoucí, na nichž se drobí světlo lamp v nespočetné světelné záblesky…,“ tak pomalu přestával být pravdou.

Odstranění povlaků

Odborné řešení tohoto nežádoucího stavu, který představuje ve světovém měřítku bezprecedentní problém, si vyžádalo mnohaletou spolupráci specialistů z několika vědních oborů. První kroky byly vedeny domněnkou, že „znečištění“ a „zabarvení“ aragonitu je anorganického původu, tj. prachovými částicemi z ovzduší a sedimenty z prosakující povrchové vody. Mineralogickými analýzami provedenými ing. Alexandrem Zaspalem na katedře geologie a mineralogie Vysoké školy báňské Ostrava v roce 1990 byl vyloučen anorganický původ vzorků „prachového znečištění“ a rovněž přítomnost železa v červeně zabarvených povlacích aragonitových krystalů (Morávek 1992).

V roce 1991 identifikovala RNDr. Věra Kalousková z Výzkumného ústavu vlnařského v Brně složení „prachových chomáčů“ jako povlak tvořený převážně textilními vlákny (vlna, bavlna, králičí srst, polyester apod.), uvolněnými v důsledku mechanického oděru z oděvů návštěvníků, jež jsou stoupavým prouděním vzduchu unášeny směrem ke hraně Opony.

Současně kolektiv mikrobiologů Československé sbírky mikroorganismů Masarykovy univerzity v Brně pod vedením RNDr. Lubomíra Scháněla poprvé prokázal výskyt mikroskopických hub se zdrojem živin ve zmíněných textilních vláknech. Jako možný důvod barevných změn aragonitu byly označeny metabolické produkty růstu mikroorganizmů – organické pigmenty a enzymy. Zároveň byly dokumentovány degradační projevy metabolických produktů mikroorganizmů na povrch krystalů aragonitu. Další výzkum v letech 1991–1994 byl zaměřen na bližší identifikaci druhů nalezených bakterií a plísní. Seznam identifikovaných mikromycet uvádějí např. Hanuláková – Marvanová (1994). Současně byl zkoumán vliv koncentrace oxidu uhličitého na výskyt mikromycet a následně zkoušeny aplikace mikrovlnného ozáření a roztoku boritanu sodného s cílem provést dezinfekci aragonitu. Vlivem metabolických produktů bakterií a mikromycet na degradaci uhličitanových forem sintrů v ZAJ se zabýval rovněž Novák (1999).

Novou etapu nalezení účinné cesty k sanaci mikrobiálního napadení jsme započali v roce 2000 detailní mineralogickou analýzou Opony. Kromě aragonitu byl na Oponě hojně zjištěn především kalcit, tedy trigonální modifikace CaCO3, a to převážně v podobě pizolitů. Dalšími minerály, vyskytujícími se společně s aragonitovými drúzami, jsou magnezit (MgCO3) a huntit (CaMg3(CO3)4), jejichž směs zde byla dříve nesprávně Kašparem popsána jako ondřejit (1944–1945) a omyl byl vysvětlen až Paděrou a Povondrou (1964), dále sádrovec (CaSO4.2H2O), baryt (BaSO4) a nepatrná množství opálu (SiO2.nH2O). Byl zdokumentován stav aragonitových drúz, zmapován rozsah znečištění a jejich sekundární přeměny. Studiem na elektronovém mikroskopu byly objeveny korozní důlky na povrchu aragonitových krystalů způsobované pravděpodobně chemickými produkty plísní a bakterií.

V té době byly již řadu let známy úspěšné sanační účinky vodného roztoku peroxidu vodíku, které praktikoval Alexandr Komaško při likvidaci prachoplísňových povlaků na sintrové výzdobě v Koněpruských jeskyních. Při aplikaci peroxidu vodíku dochází k oxidaci biomasy a jeho rozkladem nevznikají žádné nepřirozené sloučeniny, které by mohly kontaminovat jeskynní prostředí, tedy ani vzdušiny a podzemní vody. Kolektiv geochemiků pod vedením Jiřího Faimona tyto postupy publikoval (2001, 2003), a to včetně laboratorních testů ověřujících interakce postřiků se spelotémami.

Vzhledem k tomu, že zmíněné testy byly prováděny na vápenci a kalcitovém sintru, bylo provedeno nejprve ověření vlivu uvažovaných postřiků na aragonit v laboratorních podmínkách (2003). Zkoumány byly zejména optimální koncentrace roztoku vzhledem k možnému narušení krystalografických tvarů aragonitu, vhodné zároveň k praktickému použití v ZAJ. Výsledkem byl návrh na aplikaci roztoku peroxidu vodíku o koncentraci 5 až 12 % předem syceného kalcitem. Zároveň bylo zjištěno, že po aplikaci na odebraný vzorek aragonitu dochází díky oxidačním vlastnostem peroxidu k jeho vybělení, avšak pouze není-li již znečištění překryto mladším povlakem minerálu.

Testem účinnosti peroxidu vodíku na cílovou skupinu organizmů D. Hanuláková současně ověřila, že aplikací roztoku dochází u drtivé většiny druhů k potlačení života-schopnosti až k usmrcení. V dodaných vzorcích dále identifikovala tři skupiny hub produkujících barevné, především červené a tmavé pigmenty. Bylo zjištěno, že mimo uplatnění metabolitů těchto hub však pravděpodobně dochází ke vzniku pigmentů také jinými způsoby.

Na základě zjištěných poznatků tak mohl být v roce 2004 zahájen pokusný sanační postřik na vybraném úseku Opony o ploše 1 m2 s cílem ověřit antimikrobiální působení 10% vodného roztoku peroxidu vodíku analytické čistoty in situ v jeskynním prostředí. Byl ověřen požadovaný účinek na cílovou skupinu mikroorganizmů a zároveň bylo potvrzeno, že deprese o průměru několika mikrometrů na povrchu krystalů nejsou způsobovány peroxidem vodíku, ale přítomností mikroorganizmů a jejich metabolitů.

V letech 2005–2006 byla provedena první celoplošná aplikace roztoku peroxidu vodíku, a to v koncentraci 12 %. Na Oponě bylo stanoveno 11 kontrolních bodů vyznačených barevným plastem, které sloužily k prostorové orientaci při fotodokumentaci i při opakovaném vzorkování. Roztok peroxidu byl aplikován v odstupu pěti měsíců dvakrát a po druhé aplikaci byl povrch Opony omyt vodní mlhou s cílem odstranit především ulpělé organické nečistoty i zbylý roztok peroxidu. Kromě účinného usmrcení mikroorganizmů došlo na něk­terých částech Opony ke zřetelnému vybělení nánosu nečistot, v jiných tento efekt naopak nebyl patrný. Příčinou je pronikání nečistot do porézních a členitých povrchů a také jejich překrytí novotvořenými minerály. Analýzou odebraných vzorků roztoků skapávajících po aplikaci z Opony byly sledovány ekvivalentní hmotnosti rozpouštěných minerálů, které se vzhledem k minimálním hodnotám jeví jako zanedbatelné. Aplikované koncentrace peroxidu tedy považujeme pro jeskynní výzdobu za bezpečné, a to i proto, že po krátké době dochází k samovolnému rozkladu peroxidu na obyčejnou vodu.

Ke snížení přínosu polétavých částic na Oponu učinila správa ZAJ v témže roce také zásadní technické opatření. V rámci celkové rekonstrukce návštěvní trasy byl odkloněn prohlídkový chodník v Jurikově dómě tak, aby se stanoviště návštěvníků nenacházelo přímo pod spádnicí Opony.

V letech 2007–2008 byla ověřována účinnost postřiku v časovém horizontu. Před zahájením návštěvnické sezony v březnu 2007 byl proveden opakovaný postřik 9% roztokem peroxidu a vzorky pro mykologickou analýzu byly odebírány pravidelně v odstupu jednoho měsíce od zákroku. Záměrem bylo jak stanovení „okamžiku nástupu“ mikroorganizmů v souvislosti s návštěvním provozem, tak zároveň co možná největší snížení počtu dezinfekčních zásahů. Pro srovnání byl proveden také postřik skalních stěn podél návštěvní trasy a zjištěné výsledky monitorovány. Bylo prokázáno nižší osídlení mikroskopickými houbami již při počátečním odběru ve srovnání s roky před zahájením postřiků, kdy se vyskytovaly stejné rody a druhy jako v předchozích letech, ale v omezeném spektru. Vzorky odebírané v dalších měsících vykazovaly částečně se měnící spektrum s velmi omezeným růstem. Mikrobiální napadení se v průběhu monitorování nijak dramaticky neměnilo, pouze při posledních odběrech v lednu a únoru 2008 byl zjištěn pomalý nárůst. Bylo doporučeno provést preventivní postřik v předstihu před návštěvnickou sezonou, což se také stalo a vzorky jsou i nadále odebírány v měsíčních intervalech.

Mimo výše popsanou linii sanačních kroků byl v letech 2005–2006 zahájen výzkum červených barviv, který pod vedením ing. Josefa Čáslavského (Fakulta chemická Vysokého učení technického Brno) provedly v rámci středoškolské odborné činnosti studentky Kateřina Marečková a Hana Nováková ze Střední průmyslové školy chemické Brno (Marečková – Nováková 2005/06, Marečková a kol. 2006). Složení červených pigmentů a jejich původ se pomocí rentgenové difrakční analýzy ani elektronové mikrosondy nepodařilo mezi klasickými anorganickými sloučeninami nalézt. K odhalení nepomohlo ani využití metod organické chemie, resp. plynové chromatografie spojené s hmotnostní spektrometrií. Na základě jejich výzkumu lze vyslovit předpoklad, že červenavé zbarvení je způsobeno intracelulárním pigmentem mikroorganizmů, k jehož charakterizaci by bylo zapotřebí využít metod schopných analyzovat těžší molekuly než použitá metoda GC/MS. V získaných extraktech byly dále identifikovány sloučeniny ukazující na znečištění jeskynního prostředí v důsledku přítomnosti mikroorganizmů, provádění rekonstrukčních prací a jinou antropogenní činností, částečně probíhající také na povrchu, s možným následným transportem do podzemí. Jedná se např. o biogenní lipidy a vosky, produkty lokálních topenišť či kouření, pravděpodobné povýbuchové zplodiny z prorážky spojovací štoly, produkty spalovacích motorů či zbytky fungicidních látek.

Cílem všech výše popsaných snah je zachování v současné době stabilizovaného stavu mimořádně cenné aragonitové výzdoby pomocí opakovaných dezinfekčních zásahů a dalšího výzkumu. Úplné odstranění zabarvení aragonitu však již patrně nebude v lidských možnostech. Berme to jako varování před unáhleným nebo necitlivým zpřístupňováním jeskyní s mimořádně choulostivou výzdobou, a to kdekoli v krasových oblastech.

Sanační kroky nadále pokračují a jsou koordinovány správou ZAJ pod odborným vedením mikrobiologů a environmentálních geologů. Realizace zásahů, tj. vlastní postřiky, odběry ap. jsou financovány v rámci tzv. managementových programů ve zvláště chráněných územích. Od roku 2006 je provádějí členové Základní organizace Českého svazu ochránců přírody 74/08 Zbrašov.

Milan Geršl, Česká geologická služba, Dana Hanuláková, IFCOR-99, s. r. o., Barbora Šimečková, Správa Zbrašovských aragonitových jeskyní

LITERATURA

FAIMON J., ŠTELCL J., KUBEŠOVÁ S., ZIMÁK J. (2003): Environmentally acceptable effect of hydrogen peroxide on cave „lamp-flora“, calcite speleothems and limestones. – Environmental Pollution, 122 (2003), 417-422. – FAIMON J., ŠTELCL J., KUBEŠOVÁ S. (2001): Chemická eliminace „lampenflóry“ v jeskyních systémech. – Geol. výzk. Mor. Slez. v r. 2000, 101-103. Brno. – GERŠL M., HANULÁKOVÁ D., NOVÁK M. (2003): NPP Zbrašovské aragonitové jeskyně – Identifikace původu znečištění aragonitové výzdoby na útvaru opona ve Zbrašovských aragonitových jeskyních včetně dokumentace stavu před sanací. MO3 č.j. 9347/03. – MS, archiv ZAJ. Hranice. – GERŠL M., NOVÁK M. (2003): Biologická degradace aragonitu ve Zbrašovských aragonitových jeskyních. – Geol. výzk. Mor. Slez. v r. 2002, 92-95. Brno. – GERŠL M., NOVÁK M. (2004): NPP Zbrašovské aragonitové jeskyně – Desinfekce mikrobiálního napadení aragonitové výzdoby na Oponě v ZAJ. Závěreční zpráva MO3 č.j. 3306/04. – MS, archiv ZAJ. Hranice. – GERŠL M., HANULÁKOVÁ D. (2006): Dezinfekce mikrobiálního napadení Opony v Jurikově dómě ve Zbrašovských aragonitových jeskyních. Závěrečná zpráva. – MS, archiv ZAJ. Brno. – HANULÁKOVÁ D., MARVANOVÁ L. (1994): Závěrečná zpráva o výskytu mikromycet ve Zbrašovských jeskyních a ověření možného fungicidního působení roztoku Boronitu na tyto mikroorganismy. – MS, archiv ZAJ. Brno. – HANULÁKOVÁ D., MARVANOVÁ L. (1993): Vliv mikrovlného ozáření na výskyt mikroskopických hub. Vliv koncentrace oxidu uhličitého na omezení růstu mikroskopických hub. – MS, archiv ZAJ. Brno. – KAŠPAR J. (1944–45): Ondřejit, nový nerost. – Věda přírodní, 25, 5, 132-137. Praha. – KUNSKÝ J. (1940): Aragonitové jeskyně u Hranic na Moravě. – Časopis turistů, 52, 11–12, 69-170. Praha. – MAREČKOVÁ K, NOVÁKOVÁ H. (2005/2006): Degradace aragonitové výzdoby ve Zbrašovských aragonitových jeskyních (ZAJ). – MS, Střední průmyslová škola Brno, archiv ZAJ. Brno. – MAREČKOVÁ K., NOVÁKOVÁ H., ČÁSLAVSKÝ J., PĚNČÍKOVÁ H., GERŠL M. (2006): Charakterizace zbarvení aragonitového útvau “Opona” ve Zbrašovských aragonitových jeskyních pomocí GC/MS. – Speleofórum 25, Kras 2006, 21. 4. 2006, Sloup, Sborník abstraktů, 80-81. Čes. speleolog. spol. Praha. – MARVANOVÁ L., KALOUSKOVÁ V., SCHÁNĚL L. (1991): Napadení, poškození a znečištění aragonitu ve Zbrašovských aragonitových jeskyních. – MS, archiv ZAJ. Brno. – MARVANOVÁ L., KALOUSKOVÁ V., HANULÁKOVÁ D., SCHÁNĚL L. (1992): Microscopic fungi in the Zbrašov aragonite caves. – Čes. Mykol., 46, 243-250. – MORÁVEK R. (1992): K výzkumu napadení aragonitu ve Zbrašovských aragonitových jeskyních – Ochrana přírody, 47 (1992), 2, 46-50.Praha. – NOVÁK M. (1999): Vliv metabolických produktů bakterií a mikromycet na degradaci uhličitanových forem sintrů ve Zbrašovských aragonitových jeskyních – MS, diplomová práce. PřF UP. Olomouc. – PADĚRA K., POVONDRA P. (1964): Das Vorkommen des Huntits und Magnesits aus den Grotten Zbrašov bei Teplice nad Bečvou. – Acta. Univ. Carol., Geol. 1, 15-24. Praha.