Original paper

Die Besiedlung unterschiedlicher Sandsteine durch chemoorganotrophe Bakterien und deren Einfluß auf den Prozeß der Gesteinszerstörung

[The Colonization of Various Types of Sandstones by Chemoorganotrophic Bacteria and their Influence on the Biodeterioration Process]

Warscheid, Thomas; Petersen, Karin; Krumbein, Wolfgang E.

Kurzfassung

Im Rahmen des laufenden BMFT-Projektes "Denkmalpflege" wurden hinsichtlich der Beurteilung des Einflusses biologischer Faktoren auf den zunehmenden Gesteinszerfall Keimzahlbestimmungen von chemoorganotrophen und biokorrosiv wirkenden Bakterien aus Oberflächenproben (ca. 350 Probenstellen) folgender unterschiedlicher Sandsteine von historischen Monumenten in der Bundesrepublik Deutschland durchgeführt: Roter Mainsandstein und Pfälzer Sandstein (mittlerer Buntsandstein); Eifeler Buntsanstein (oberer Buntsandstein) Werksandstein (unterer Keuper, Lettenkohlenkeuper); Schilfsandstein (mittlerer Keuper; Gipskeuper); Burgsandstein und Stubensandstein (mittlerer Keuper, Sandsteinkeuper); Kreidesandstein (Unterkreide, Wealden); Grünsandstein (Oberkreide, Cenoman). Die Untersuchungen machen deutlich, daß die mikrobielle Besiedlung der Sandsteine neben umweltrelevanten Einflüssen, wie Feuchtigkeitseintrag und Schadstoffbelastung, sehr stark durch gesteinsspezifische Parameter wie dem Mineralbestand, der Art des Bindemittels und die Porosität und Permeabilität des jeweiligen Gesteins bestimmt wird. Während kieselig gebundene Sandsteine nur sehr eingeschränkt einem mikrobiellen Befall unterliegen, begünstigen verwitterungslabilere Karbonat- und insbesondere Glimmer- oder Tonmineral-gebundene Sandsteine den Aufwuchs biokorrosiver, chemoorganotropher Bakterien. Grobporige Sandsteine fördern durch ihren hohen Feuchtigkeitsdurchsatz nur temporär die mikrobiologische Besiedlung, wohingegen feinporige Sandsteine durch länger anhaltende Feuchtigkeitsbindung langfristig günstigere Lebensbedingungen für die gesteinsbesiedelnden Bakterien offerieren. Treten daneben hinsichtlich der Mineralzusammensetzung des Sandsteins zusätzlich noch nennenswerte Feldspat- und Tonmineralanteile (z. B. Illit und Chlorit) beim Aufbau der Gesteinsmatrix hinzu (z. B. beim Schilfsandstein), so sind durch das damit verbundene Angebot an angreifbaren Mineralen sowie die Vergrößerung der inneren Oberfläche im Gestein optimale Bedingungen für den Aufwuchs und die biokorrosive Aktivität chemoorganotropher Bakterien gegeben. Die Bedeutung und Auswirkungen dieser aufgezeigten Beziehungen zwischen mikrobiellem Befall und Gesteinsstruktur werden in Zusammenhang mit dem Verwitterungsverhalten der Sandsteine in situ an den untersuchten Monumenten diskutiert.

Abstract

Integrated in a running german research program on monuments, we were asked to evaluate the influences of biological factors in stone decay. As a basis for future analysis we determined the numbers of chemoorganotrophic and biocorrosively operating bacteria in the uppermost layers of the following sandstones (about 350 samples) from different historical monuments in West-Germany: "Roter Mainsandstein" and "Pfälzer Sandstein" (Quartzitic Lower-Triassic "sm"); "Eifeler Buntsandstein" (Quartzitic Lower-Triassic "so"); "Werksandstein" (Upper-Triassic "kuW"); "Schilfsandstein" (Upper-Triassic "kmS"); "Burgsandstein" and "Stubensandstein" (Upper-Triasic "km"); "Kreidesandstein" (Early-Cretaceous, Barriasian); "Gruensandstein" (Calcareous Middle-Cretacous, Cenomanian). The results indicate that the microbial colonization of the sandstones, besides environmental influences, like humidity and air pollution, is closely related to stone specific parameters. These include mineral composition, type of cement as well as porosity and permeability of the respective rock. Siliceous sandstones exhibit limited microbial growth, the calcareous and especially mica- or clay-cemented sandstones favour the colonization by biocorrosive, chemoorganotrophic bacteria. Coarse-grained sandstones promote, due to their high permeability for water, a temporary microbial colonization, while fine-grained sandstones favour the long-term establishment of microorganisms because they bind humidity much better and consequently longer. If the sandstones contain appreciable amounts of feldspars and clayminerals (like illite and chlorite) added to the stone matrix (like in "Schilfsandstein"), optimal conditions for the growth and biocorrosive activity of chemoorganotrophic bacteria develop. This is explained on one hand by the increased amount of extractable minerals, on the other hand by the enlargement of the inner surface. The important and effects of the demonstrated relations between microbial contamination and stone biodegradation in connection with the weathering behaviour of the sandstones in situ in the examined monuments are discussed.

Keywords

Ornamental materialssandstonesTriassicCretaceousmineral compositioncementsporositypermeabilitychemoorganotrophic bacteriabiodeterioration processesalterationenvironmental geology West Germany (different historical monuments)