Результаты исследований

Физико-химические параметры среды, Новоафонской и Воронцовской пещер сходны (табл. 1), а расположение фототрофных видов в них связано с наличием освещения и практически равномерно охватывает все субстраты и поверхности. Сообщества фототрофов в исследуемых пещерах имеют близкий видовой состав и произрастают на субстратах сходной природы (табл. 2).

Эффективность известных способов удаления фототрофных организмов проверяли в Новоафонской пещере, результаты представлены в табл. 3. Несмотря на то, что фотосинтетический ингибитор глифосат показал высокую эффективность, после его воздействия органическое вещество остается в доступной для гетеротрофных организмов форме. Применение гипохлорита натрия и гипохлорита кальция показало одинаковые по эффективности результаты, но гипохлорит кальция в большей степени соответствует критериям использования в пещерной среде [9, 10, 11].

Использование гипохлоритов может сопровождаться образованием канцерогенных соединений, а также появлением токсичного хлора в воздухе. Гипохлорит кальция имеет общие с гипохлоритом натрия недостатки, однако не содержит ионов натрия и быстро разлагается в щелочной среде [6], что снижает вероятность его накопления в субстратах и водных потоках. Лишь в небольших карстовых полостях и при недостаточном токе воздуха загрязнение пещерной атмосферы хлором может стать серьезной проблемой [9]. В нашем случае наличие больших объемов и достаточно интенсивного движения воздушных масс, такой проблемы не возникает. Специфический запах исчезает в течение суток с момента использования препарата. Вредные последствия использования гипохлорита кальция можно минимизировать с помощью предлагаемых методических приемов. Один из них – это бесконтактный способ нанесения реактива распылением с помощью пульверизатора, который позволяет избежать излишнего расхода реактива и нарушения микрорельефа поверхности. Другой - это использование гипохлорита только на поверхностях с фотосинтезирующими организмами с последующим удалением органических остатков после обработки. Последнее имеет большое значение и для снижения вероятности развития грибных сообществ на остатках органического вещества. Применение гипохлорита кальция в оптимальных концентрациях, подбираемых экспериментально для каждого субстрата, также препятствует избыточному загрязнению окружающей среды.

Загрязнение карстовых вод, особенно мелких ванночек и закрытых водоемов также легко уменьшить за счет оптимизации способа нанесения препарата. Предотвращение попадания реактива в закрытые водоемы обеспечивалось с учетом рельефа мест обработки, их расположения, а также наличия потоков, которые могут переносить реактив. Очистку поверхностей с временными водными потоками желательно проводить в сезон межени или временно отводить водный поток. В случае с гуровыми ванночками или при большой площади распространения фотосинтезирующих организмов целесообразно проводить обработку в паводок, чтобы реактив (и другие сопутствующие вещества) попадал в подземные воды в максимально разбавленном состоянии.

Однако применение только гипохлорита кальция не сняло основной проблемы – отсутствия пролонгированности действия реагента. Оценка состояния тестовых площадок в Новоафонской пещере через месяц после обработки гипохлоритом кальция показала наличие повторного зарастания (табл. 4), особенно на кальците. Восстановление сообществ обрастания происходит в течение 2-3 месяцев за счет оставшихся живыми организмов.

Другая нерешенная проблема состояла в изменении состояния кальцитовых образований, а именно, их микрорельефа и цвета. Обнаружено, что на поверхности кальцита развиваются виды цианобактерий с известковыми чехлами (рис. 1, А). При обработке гипохлоритом кальция, оставшиеся после гибели клеток чехлы и проникшие вглубь кальцитового слоя клетки придают минеральным образованиям не свойственный им серо-зеленый оттенок (рис. 1, Б). При этом изменяется не только цвет, но и микрорельеф поверхности кальцитовых образований. По-видимому, образующиеся на поверхностях кальцитовых отложений, пораженных «ламповой флорой», новые слои кальцита обладают пониженной прочностью межслоевого сцепления и могут свободно скользить друг относительно друга, тем самым, меняя микрорельеф и нарушая механическую прочность всего объекта в целом.

Для предотвращения указанных выше процессов была разработана методика использования водной суспензии (0,1—5 масс %) нанокристаллического гидроксиапатита [4], которая наносится бесконтактным способом на поверхности, предварительно обработанные гипохлоритом кальция. В ряде случаев (в частности, для субстратов, покрытых мхами) перед обработкой наногидроксиапатитом необходимо дополнительное механическое удаление остатков растений. Гидроксиапатит (ГАП) совершенно безопасен с экологической точки зрения и проявляет антибактериальную активность [7]. Прием вторичной обработки показал хорошие результаты на разных субстратах с различными фотосинтезирующими организмами (табл. 5) и позволяет в основном решить проблему повторного зарастания, а также исключить возникновение эффекта изменения цветности кальцитовых образований и визуально осветлить их.

Механизм действия ГАП основан на способности его наночастиц прочно закрепляться на поверхности кальцита и проникать в самые мелкие поры минерального слоя. В зависимости от концентрации суспензии ГАП образует на кальцитовых поверхностях адгезионные слои, представляющие собой или островки нанокристаллов, или сплошной слой, инкрустирующий микрорельеф поверхности кальцита (рис. 2). Существенным фактором является определенное структурное сродство ГАП и кальцита, способствующее межслоевому упрочнению вновь образующихся кальцитовых натеков, за счет образования промежуточных структур типа карбонатапатита. Косвенным подтверждением этого служит тот факт, что ГАП не предотвращает рост мхов на глинистых отложениях, но не дает развиваться протонеме мхов на кальците и известняке (табл. 5).

Таким образом, на примере экспериментального исследования двух экскурсионных пещер рассмотрены методологические подходы поиска эффективных способов удаления фотосинтезирующих организмов в условиях подземной среды. Разработан и оптимизирован экологически безопасный метод очистки натечных образований, позволяющий добиться хороших результатов при удалении фототрофных организмов, предотвращении их повторного роста и реабилитации кальцитовых поверхностей за счет ускорения процессов отложения кальцита. Данный способ можно рекомендовать для карстовых пещер со сходным биотопом и структурой фотосинтезирующих сообществ. Список литературы:

1. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. - М.: Изд-во МГУ, 1970. - 488 с.

2. Клименко В.И., Резван В.Д., Дублянский В.Н. Инженерно-геологическое районирование территории развития горного известнякового карста для обоснования защитных мероприятий. - Сочи, 1991. - 116с.

3. Ляхницкий Ю.С. Научно-методические основы охраны и использования пещер, как памятников природы. // Проблемы экологии и охраны пещер. – Красноярск - 2002 - С.127 – 130.

4. Мазина С.Е., Северин А.В. Техногенные нарушения подземных полостей и способы их восстановления. // Минералогия техногенеза-2007. Миасс: ИМин УрО РАН. – 2007. – С. 12-15.

5. Мелихов И.В., Комаров В.Ф., Божевольнов В.Е., Северин А.В. Двумерно-кристаллический гидроксиапатит // ДАН. 2000. Т. 373. № 3. С. 355—358.

6. Мейнелл Дж., Мейнелл, Э. Экспериментальная микробиология. – Москва, 1967 –348 с.

7. Панкратов А.С. Остеорепарация посттравматических дефектов нижней челюсти под воздействием гидроксиапатита ультравысокой дисперсности // Клиническая стоматология. - 2001. — № 4. — С. 66—70.

8. Тинтилозов З. К. Новоафонская пещерная система. – Тбилиси, 1983. –152с.

9. Faimon J., Stelcl J., Kubesova S., Zimak J. Environmentally acceptable effect of hydrogen peroxide on cave “lamp-flora”, calcite speleothems and limestones. // Environmental Pollution. - 2003. – V. 122. – Р. 417-422.

10. Grobbelaar J. U. Lithophytic algae: A major threat to the karst formation of show caves. // Journal of Applied Phycology. - 2000. – V. 12. - P. 309 – 315.

11. Johnson K. Control of Lampenflora at Waitomo Caves. // New Zealand, Cave Management in Australia III, Proceedings of the 3rd Australasian Cave Tourism and Management Conference. – 1979. – V. 3. – Р. 105-122.

12. Kartalis, N., Mais, K. The influence of illumination in the Akistrati Cave, Serron, Greece. // International Conference on Cave Lighting, 15–17, November, Budapest, Hungary, Abstracts. - 2000. – Р. 12–13.

13. Spate A. P. Lampenflora Part 3. // ACKMA Journal. - 2004. - V. 56.

Таблица 1. Характеристика физико-химических параметров пещерных местообитаний. Диапазон изменений значений параметров характеризует различия мест отбора проб и близость источников увлажнения.

температура воздуха, ºС	влажность воздуха, %	субстрат	температу-ра субстрата, ºС	количес-тво влаги в субстрате, %	рН	содержание органическо-го вещества, %	содержание карбонатов, %
Новоафонская
11—18	65—100	глина	9—12	18—50	8.3—8.6	0.05—0.5	50—80
		известняк		24—70	8.2—9.0	0—0.2	70—80
		кальцит		5—30		0—0.2	90
		лунное молоко		33—72	7.8	0.1—0.5	86
Воронцовская (оборудованная часть)
8.5—14, лето — до 20	65—66 лето —до100%	глина	9.2—11.2	5—60	8.4	0.05—0.1	20—50
		известняк		30—60	8.6	0—0.05	60—70
		кальцит				0.05—0.1	80
		лунное молоко		74—87		6	82

Таблица 2. Состав таксонов фотосинтезирующих организмов и их распределение по субстратам (по состоянию до начала работ по очистке пещер: Новоафонская – 2006 год, Воронцовская – 2007 год).

Субстрат	Сообщество		Доля площади каждого субстрата от общей площади, занятой ламповой флорой, % (до очистки)
	Новоафонская	Воронцовская	Новоафонская	Воронцовская
Глина	мхи, проростки папоротников, цианобактерии, покрытосемянные	мхи, проростки папоротников, цианобактерии, диатомовые	30.5	40
известняк	мхи, зеленые водоросли, цианобактерии, диатомовые	мхи, зеленые водоросли, цианобактерии, диатомовые	48.4	45
	хлорелла, цианобактерии	хлорелла, цианобактерии, диатомовые
кальцит	мхи, зеленые водоросли, цианобактерии	мхи, зеленые водоросли, цианобактерии, диатомовые	20.1	15
	цианобактерии	Цианобактерии, мхи
лунное молоко	цианобактерии, зеленые водоросли		0.9	-

Таблица 3. Эффективность использованных реагентов в Новоафонской пещере

Название реагента	Время воздействия	Концентрация, %	Субстрат	Результат (% погибших особей)
Гипохлорит кальция Ca(ClO)2	Сутки	2	Известняк	100%(мхи), до90% (водоросли)
			кальцит	до80%
Гипохлорит натрия NaOCl	Сутки	2	известняк	100%(мхи), до80% (водоросли)
			кальцит	до80%
Глифосат (ингибитор фотосинтеза)	Сутки	4	известняк	до100%
			кальцит	до 90%
Тетраборат натрия Na2B4O7		20	известняк/мхи, кальцит/цианобактерии	нет
Пероксид водородаH2O2		15	кальцит/цианобктерии/известняк	нет

Таблица 4. Повторное зарастание тестовых площадок после обработки гипохлоритом кальция (2%).

Субстрат/организмы	Количество организмов, % от общей поверхности тестовой площадки
На поверхности кальцита (цианобактерии)	10
В слоях кальцита (цианобактерии)	40
Известняк (водоросли)	10
Известняк (мхи, проростки папоротников)	20
Глинистые отложения (цианобактерии, водоросли)	20
Глинистые отложения (мхи, папоротники, проростки высших растений)	20—30

Таблица 5. Скорость повторного развития фотоавтотрофных сообществ после обработки гипохлоритом кальция на участках без вторичной обработки и обработанных гидроксиапатитом.

Способ обработки	Время после обработки	Площадь зарастания фотосинтезирующими сообществами, % от общей поверхности тестовой площадки (ошибка определения не более 10 %)
		цианобактерии (кальцит)	хлорелла (кальцит)	хлорелла (известняк)	мхи (известняк)	мхи (кальцит)	мхи (глинистые отложения)
до обработки	-	80	50	100	80	30	90
ГАП	6 месяцев	25	10	40	60	25	90
Ca(ClO)2	сутки	30	2	0	15	10	15
Ca(ClO)2	6 месяцев	50	5	5	25	15	50
Ca(ClO)2	12 месяцев	80	10	15	40	25	70
Ca(ClO)2	18 месяцев	80	30	40	60	25	90
Ca(ClO)2+ ГАП	сутки	30	2	0	0*	0*	0*
Ca(ClO)2+ ГАП	6 месяцев	20	0	0	0	0	50
Ca(ClO)2+ ГАП	12 месяцев	20	0	0	0	0	70
Ca(ClO)2+ ГАП	18 месяцев	20	5	0	0	0	90

* после обработки субстратов гипохлоритом кальция проводили дополнительное

механическое удаление остатков растений.

Рис. 1.

а. б.

Рис. 2.