Original paper

Geochemische Einflusse endolithischer Mikroorganismen auf Gesteinsoberflächen

Pohl, Wolfhart; Schneider, Jürgen

Kurzfassung

Karbonatoberflächen unterliegen durch die speziellen Eigenschaften des gesteinsbildenden Minerals Kalzit nicht nur morphologischen Veränderungen, sondern schaffen auch ein chemisches Milieu, welches sich von sauren Silikatgesteinen deutlich unterscheidet. Die Löslichkeit von Kalkstein ist gegenüber organischen Säuren um mehrere Größenordnungen höher als die von silikatischen Mineralen und erleichtert den Lithobionten eine endolithische Lebensweise: Das präzise Herauslösen von Material ermöglicht eine komplexe Architektur des lithobiontischen Lebensraumes, die die oberste Substratschicht schont.Dieses konstruktive Element eines Schutzschildes wird durch exopolymere Substanzen (EPS) des Biofilms noch ergänzt und verstärkt, so dass eine wirksame Barriere gegen externe ökologische Stressfaktoren (Strahlung, Temperatur, mechanische Abrasion, Austrocknung) geschaffen wird.Auch begünstigt die pH-erhöhende Wirkung des Kalzits die Akkumulation gerade solcher Elemente, deren Löslichkeit mit sinkendem pH-Wert steigt. Essentielle, für den Metabolismus der Lithobionten benötigte Elemente können somit fixiert und verfügbar gemacht werden.Diese Studie konnte deutliche Hinweise dafür liefern, dass endolithische Biofilme auf Karbonatgesteinen keine Elemente aus dem Substrat benötigen. Das Karbonatgestein dient ihnen lediglich als Behausung, ihr gesamter Metabolismus ist mit Gasen, Wasser und Elementen aus externen Quellen bestreitbar. Ein Substratabbau aus Gründen der Nährstoffgewinnung ist damit recht unwahrscheinlich und der Einfluss der endolithischen Biofilme in dieser speziellen ökologischen Nische eher protektiv als destruktiv für die besiedelte Gesteinsoberfläche gegenüber einer unbesiedelten.Diese Ergebnisse haben u. a. auch für die konservatorische Beurteilung von Karbonatgesteinen in Baudenkmälern Relevanz. Mit dem Wissen über die Möglichkeit eines potentiell begünstigenden Einflusses einer endolithischen Besiedlung sollten Entscheidungen über eine radikale Reinigung von Gesteinsoberflächen unter Entfernung der Biofilme nur nach eingehenden geomikrobiologischen Untersuchungen und einer sorgfältigen Abwägung der spezifischen Sachlage getroffen werden.

Abstract

Due to the specific properties of their main rock-forming constituent, the carbonaceous mineral calcite, limestone rock surfaces exhibit special properties: They not only undergo characteristic morphological changes, but also create a specific chemical milieu, which differs significantly from, e. g., silicate rock surfaces.The solubility by organic acids of calcium-carbonate is several magnitudes higher than of most rock-forming silicate minerals and facilitates an endolithic way of life for lithobiontic micro-organisms. The precise dissolution of the mineral substrate enables a sophisticated architecture of this ecological niche, with a residual protective substrate cover above the colonised zone. This constructive feature of a protective shield against external ecological stress factors (radiation, abrasion, temperature, water) is usually complemented and enhanced by extra-cellular polymeric substances (EPS).Furthermore it can be expected, that the increase of the pH on the rock surface enables the trapping and accumulation of (essential, nutritive) elements, which's solubility increases with decreasing pH.This study was concerned with the investigation of geochemical fluxes at carbonate rock surfaces, the distribution of chemical element concentrations in microscale and some thoughts on a geochemical model. It could be demonstrated that endolithic biofilms do not actually need any elements from their substratum for nutritive purposes, as their entire metabolism can be supplied with water, gases and elements from external sources. The carbonate rock serves exclusively as a physical medium for the construction of their residential pits and cavities.Thus a constant, progressive bio-deterioration of the substratum appears ecologically unlikely. Instead, there are strong implications that the colonisation by endolithic biofilms exerts a protective rather than destructive effect against weathering, corrosion and abrasion on carbonate rock surfaces.These results might be relevant for some practical applications, such as the protection of built cultural heritage constructed from limestone and marble. With a potential beneficial effect of lithobiontic colonisation in mind, the cleaning of rock surfaces and the removal of biofilms should be carefully considered in case by case decisions.

Keywords

endolithische mikroorganismenflechtenkarbonatverwitterungverwitterungsdynamikgeochemieselektive elementanreicherungendolithic microorganismslichensweathering of carbonate rock surfaceweathering dynamicsgeochemistryselective element enrichment