Biologické napadení stavebních materiálů

/autor: Richard Wasserbauer/

Úvod


Význam řas jako dílčího biokorozního faktoru byl objeven relativně nedávno. Ještě v 70 letech minulého století byly řasy považovány pouze za předchůdce vyšších rostlin a symbionty lišejníků. Teprve další výzkum prokázal spoluúčast řas při postupné degradaci uměleckých kamenných artefaktů, archeologických objektů, fasád domovních objektů i některých typů střešních krytin. Při osidlování stavebního kamene se jako pionýrské organizmy objevují různé druhy bakterií, které jsou ve vlhké a čisté atmosféře nebo na skrápěných površích následovány řasami. Brzy po nástupu řas se objevují mikroskopické vláknité houby, později mechy a lišejníky (symbiosa řasy a houby), které připravují půdu pro nástup vyšších rostlin.


Co jsou vlastně řasy


Zvláštní a nejstarší skupinu mezi řasami tvoří sinice (rody Aphanothece, Lyngbya, Leptolyngbya, Nostoc, Synechococcus, Plectonema, Phormidium, Chroococcus, Myxosarcina, Pleurocapsa, Scytonema, Gloeocapsa, Apatococcus, Stichococcus, Phormidium a další) Stavbou buňky se podobají bakteriím, proto se také nazývají cyanobakteriemi z řeckého kyaneos = modrý a jsou také mezi bakterie řazeny, protože nemají ještě morfologicky diferencované jádro a asimilační barviva nejsou uložena ve specifických tělískách. Sinice mají charakteristické složení asimilačních barviv. Z běžných chybí chlorofyl b, obsahují ale modrý fykocyan a červený fykoerytrin, které jsou rozpustné ve vodě. Podle složení jednotlivých asimilačních barviv mohou být sinice šedé, modrozelené až černé, případně žlutavé nebo červené. Rozmnožují se nepohlavně nebo vegetativně a to částmi stélek, jednotlivými vlákny nebo jejich úlomky. Buňky se rozmnožují prostým dělením. Sinice jsou fotosynteticky aktivní, čímž poskytují sacharidy pro heterotrofní organizmy v půdě i na stavebním kameni. Sinice jsou rozšířené po celém světě a obývají i zcela extremní stanoviště. Náleží proto k průkopníkům života na holých skalách i na fasádách i střešních krytinách, kde připravují podmínky pro následný růst dalších organizmů. Bentické sinice rostou na dně vodních nádrží, kde za určitých podmínek tvoří tzv. vodní květ. Hodně druhů roste na vlhkých skalách, na kůře stromů a na vlhkém dřevě. Některé druhy žijí endolithicky, tj. rozrušují kamenný podklad, na kterém žijí a prorůstají pod stavební kámen až několik mm hluboko. Zajímavým fyziologickým detailem, který objasňuje neobyčejnou odolnost sinic a vláknitých terestrických řas je přítomnost ochranných pouzder. Ta slouží jako rezervoár vody, která je zde držena značnými molekulárními silami. Pouzdra sinic a řas také přispívají k tloušťce a stabilitě jimi vytvářené krusty. Retence vody v krustě a její odpar se odráží i ve změnách objemu krusty. Při rychlém vysychání a zvlhčování vznikají síly, které vedou k uvolnění zrnek stavebního kamene. Vzniká pitting o rychlosti cca 1 mm za 40 let. (Myxosarcina) Chasmoedolithické sinice expandují ve vlhku o 300±170%. Thalus lišejníků (ve spojení se sinicemi – např. rod Collema) zvyšuje objem při imbibici vody o 1400±350%. Takovéto expanze vyvozují významné tlaky na částice kamene a působí jeho drolení. Symbiotické sinice zastupují ve stélce lišejníku tzv. fykobiont. Často se jedná o rody Gloeocapsa, Chroococcus, Nostoc, Stigonema, ze kterých se také lišejníky často vytváří.


Zelené řasy tvoří druhově nejbohatší a tvarově velmi rozmanitou skupinu řas, která se velmi často vyskytuje na stavebním kameni. (rody Gloeocystis, Tetracystis, Cystomonas, Muriella, Chlorella, Stichococcus, Scenedesmus, Klebshormium, Apatococcus, Trebauxia a další). Společným znakem zelených řas je přítomnost asimilačních barviv chlorofylu a, karoténu a xantofylu. Asimilačním produktem je škrob. Zelené řasy mají řadu organizačních stupňů (monádový, hemimonádový, vláknitý aj.). Protoplast buď vyplňuje celý obsah buňky nebo ho středová vakuola zatlačuje k buněčné stěně. Několik rodů má místo chloroplastu modrozelené cyanely, ale i ty jsou schopné vytvářet škrob. Vegetativní buňky mají zpravidla jedno jádro, výjimečně jsou zelené řasy vícejaderné. Zelené řasy se rozmnožují jak nepohlavně (vegetativní dělení buňky na dvě části, rozmnožování zoosporami, hemisporami apod.), tak pohlavně (tvorba zygoty). Jsou všeobecně rozšířené a nacházejí se ve všech biotopech zeměkoule. Jsou ve vodách, obrůstají vlhký kámen, v půdě, v kanálech na vlhkých místech staveb i na sněhu. Např. Pleurococcus vulgaris (drobnozrnko), Hormidium flaccidum Stichococcus bacilaris (řadovka), Trentepohlia aurea, Chlorela ellipsoidea (zrněnka) jsou časté na kůře stromů, dřevěných plotech, na stěnách skleníků, vlhkých skalách a v půdě. V novější době kolonizují vlhká místa staveb. Některé řasy žijí v symbióze  se živočichy (zoochlorely), nebo s houbami (gonidiová složka lišejníků tzv. fykobiont, Stichococcus, Trebouxia, Trentepohlia, Phycopeltis aj.)


Podmínky pro růst řas


Sinice i zelené řasy vyžadují k růstu světlo, vzdušnou vlhkost a minerální látky. Velmi dobře rostou v místech, kde je nějaký čas zadržována voda (římsy, parapety oken, balkóny, nerovné zóny zdiva, sokly, vyskytují se zejména na severní a severovýchodní části budov včetně střech. Řasy se rovněž častěji vyskytují tam, kde jsou stromy a keře blízko budovy a dlouho na ni vrhají stín. Za příznivých vlhkostních podmínek tvoří rozsáhlé povlaky různé konzistence, tloušťky a barvy. Převládá zelená až modrozelená, ale také šedá, hnědá a v suchých místech až černá (sinice). Barva sinic je extremně hluboká, je-li kámen suchý a organismy jsou dehydratovány. Hlavními pigmenty jsou v tomto případě karoten-lutein, a chlorofyl b. Důležité je, že tmavá pigmentace přetrvává i když buňky odumřou. Chlorofyl a karotenoidy lze čistit rozpouštědly (methanol, ethanol, aceton). Je-li ovšem pigment adsorbován na zdivu alumosilikáty, je čištění neúspěšné.


Živiny, které potřebují pro svůj růst si řasy berou z oxidu uhličitého, dusík z amonných solí, nebo přímo ze vzduchu. Protože obsahují chlorofyl, vytváří pomocí fotosyntézy cukry, které slouží i jako zdroj živin pro jiné mikroorganizmy. Z hlediska výživy jsou řasy obligátní fototrofi, avšak u řady druhů byla prokázána jejich schopnost přecházet fakultativně i na jiný způsob získávání energie či uhlíku. Fakultativní fotoheterotrofové a chemoheterotrofové byli zjištěni u všech hlavních skupin řas. U řady druhů je známa auxotrofie (řasy vyžadují ke svému růstu specifické sloučeniny) a mixotrofie (smíšený typ výživy). Někteří obligátní fototrofové jsou schopni využívat některé jednoduché organické látky jako zdroj fosforu, dusíku a síry. Z tohoto důvodu se růst řas na fasádách zkrápěných deštěm zvyšuje v souvislosti stále větší eutrofizací srážek. Rozvoji řas napomáhá i adsorbce prachu a špíny a nejrůznějších těkavých látek na povrchu fasády za spolupůsobení větru. U zelené řasy Chlorella byla zjištěna přítomnost sedmi přenosových systémů, které umožňují využívat neutrální aminokyseliny obsažené v nečistotách včetně prolinu, basické aminokyseliny včetně histidinu a řasa má i specifický systém pro transport methioninu, glutaminu a threoninu. Pokud je Chlorella kultivována spolu s glukózou vytváří a aktivuje naopak šest systémů pro produkci neutrálních aminokyselin, threoninový systém methioninový systém a glutaminový systém. Řasa se v tomto případě chová jako bakterie, či kvasinka. Sinice jsou schopny současně asimilovat jak CO2, tak molekulární N2. Tuto schopnost mají jak některé jednobuněčné, tak i vláknité sinice, ovšem pouze v semianaerobních podmínkách. Proto fixace N2 probíhá pouze ve tmě, kdy je nitrogenáza chráněna před fotosynteticky uvolňovaným kyslíkem (Aphanothece, Oscilatoria, Gloeothece).


Řasy jsou schopny růst ve velmi extremních podmínkách, kde mohou nejen přežívat ale i aktivně metabolizovat. U řady druhů ke známa jejich schopnost přetrvat různě dlouho v extrémních teplotách (-195 až + 1000 °C). Snášejí vyschnutí (až několik desítek let) a extrémně vysoké a nízké pH, silné γ a UV záření. Na kameni a na stavebních fasádách jsou takovéto spící, nekultivovatelné mikroskopické formy nazývány poikilotrofními organizmy (syndrom „Šípkové Růženky“). Po iniciační periodě (déšť) se však tyto organizmy rychle vrací do formy biofilmu.


Přizpůsobení řas pro extrémní podmínky je nejrůznějšího charakteru. Mimo tvorby klidových stadií, je to tvorba slizových obalů a pochev, změna viskozity protoplazmy, změna struktury buněčných stěn, přítomnost doplňkových pigmentů. Pro růst řas zejména v aridních podmínkách (fasády stavebních objektů) je rovněž důležitá jejich schopnost rychlého startu životní činnosti a značného rozvoje po slabých deštích. Díky produkci fytohormonu kyseliny abscisové, která u rostlin zvyšuje odolnost proti stresu a kterou řasy produkují, jsou odolné i proti vysoké salinitě a nízkému pH.


Řasy dobře rostou na povrchu i v pórech a prasklinách stavebního kamene, případně kámen aktivně penetrují. V nároku na světlo nejsou náročné. Vyskytují se sice především na ozářených místech, avšak mohou vegetovat i při slabém osvětlení ovšem ve spojení s nízkou teplotou. (okolo 0 °C). Je znám případ z jeskyní v Českém krasu, kde řasy vegetují na vlhké skále v okolí svitidel. Některé řasy jsou schopny naopak a přežívat dlouhá období sucha (třída Cyanophyceae). Další řasy (zástupci třídy Chlorophyceae, rod Pleurococcus a Trebauxia) tvoří bohaté porosty na vlhkém zdivu, ale v nouzi vystačí i se vzdušnou vlhkostí. Na vlhkých odvodňovacích žlabech vytváří sinice Lyngbya a Leptolyngbya velké odbarvené plochy. Růst řas je proto výrazný především na jaře a v zimě, méně na podzim, kdy se rozvíjí Nostoc na pojivu, Chlorela na stavebním kameni, Chroococcus na nástěných freskách. V létě roste dobře pouze Haematococcus a Hontzschia. Řasy nesnášejí pH okolo 12. Jakmile však vlivem atmosferické karbonatace klesne pH ve stavebním kameni pod 9 je nástup řas na vlhkém substrátu prakticky nevyhnutelný. Řasy dobře snášejí na osluněném zdivu velké tepelné výkyvy (0 až 850 °C). Teplota stavebního kamene nad 450 °C indukuje barevné rezistentní formy (Haematococcus, Pleurocapsa). Na cementových omítkách vytváří typický oranžový film sinice Trentepohlia (akumulace barviva karoténu).


Krátce o dalších mikroorganismech doprovázejících růst řas


Obdobně jako jiné skupiny mikrobů i řasy žijí v různých společenstvech, kde svými metabolity obohacují další členy mikrobní komunity a přispívají tak ke zvýšení agresivity celé mikrobní populace na stavebním kameni. Velmi časté jsou proto asociace řas a bakterií, řas a plísní, případně řas plísní a sirných bakterií. Na stavebním kameni jsou za příznivých vlhkostních a nutričních podmínek téměř vždy přítomny různé mikrokolonie chemoorganotrofních bakterií a mikromycet (plísní), mnohdy doprovázené aktinomycetami. Ty osidlují kámen především v sušším období a spolu s řadou zástupců rodu Bacillus (B. mycoides, B. subtilis, B. licheniformis aj.) tvoří dominantní společenstvo suchých povrchů fasád i anorganické střešní krytiny. Velmi častá je též asociace řas a bakterií nebo řas a plísní (řasa Chlorella sp. a bakterie Micrococcus, Flavobacterium, Alternaria spp., řasa Chlorella spolu s plísněmi Aspergillus, Penicillium, Cladosporium spp., případně řas plísní a bakterií (řasa Chroococcus, plíseň Trichothecium sp., sirné bakterie). Byl popsán i případ degradace stavebního kamene kooperací řas a mechů. Některé specie řasy Gleocapsa mohou být dokonce předchůdci dřevokazných hub. Ve všech případech řasy udržují ve svém okolí vysokou vlhkost, čímž tvoří vhodné mikroklima pro růst dalších skupin bakterií.


Biokorozní působení řas a doprovodných mikroorganismů


Epilithické řasy, které rostou na povrchu stavebního kamene jsou agresivní především svými metabolity. Řasy syntetizují polysacharidy, aminokyseliny, vitamíny, organické kyseliny, (kys. citronová, glutamová, glykolová, šťavelová, uronová a další, není vyloučena ani tvorba nižších mastných kyselin), dusíkaté báze, barviva a další látky (produkty fotorespiračního procesu), které průvodní bakterie a plísně asimilují rovněž za tvorby kyselin (kyselina šťavelová, citrónová, glukonová, a-ketoglutarová, itakonová, fumarová). Samy bakterie a plísně rovněž produkují velké množství kyselin zejména kys. mravenčí, octovou, oxaloctovou, jablečnou, jantarovou, glyoxalovou, glukonovou, glukuronovou, a šťavelovou. Dochází tak k acidolyse stavebního kamene a k tvorbě bohatých výkvětů, které obsahují zvýšené množství Ca2+, K+, Na+, Mn2+ Anionty kyselin reagují s kationty kamene za vzniku vodorozpustných solí, jejichž hydratace vede ke vzrůstu vody v pórech stavebního kamene a k pozvolnému uvolňování kationtů ze stavebního kamene tzv. chelatizací. To po delší době vede ke zvýšené porozitě a pozvolnému rozpadu povrchu stavebního kamene.


Chasmolithické řasy mohou také vrůstat do malých štěrbin a při navlhání a rozšiřování objemu působit narušení materiálu. Endolithické řasy aktivně penetrují stavební kámen, tvoří mikrodutinky různých tvarů a sekrecí rozpouštějí a vyluhují karbonáty přítomné ve stavebním kameni. Některé vláknité zelené řasy vytvářejí proplétáním vláken a slepováním částic omítek slizem souvislé povlaky a krusty. Např. řasa Trentepohlia sp., obrůstá svými vlákny krystalické částice betonu, které postupně uvolňuje z podkladu. Řasy působí i estetické škody. Protože zachytávají velké množství prachu, objevují se na stavbě v podobě špinavých mokvajících skvrn.


Zvláště na pískovcích tvoří porosty řas spolu s prachovými částicemi, sazemi, vlákny hub a bakteriemi krustu, která produkuje na spodní straně sliz obsahující drobné částečky kamene. Při mrazových cyklech a fázové přeměně vody v led dochází tak k odrolování částic kamene, do kterého jsou řasy prorostlé. Krusta zároveň zabraňuje „dýchání stavebního kamene“, ucpává póry omítek a přispívá tak k rozkladu povrchu fasády. Roztažnost takové krusty je totiž při střídavém vysychání a navlhání jiná než roztažnost podkladu. K obdobnému odrolování stavebního kamene dochází i při růstu sinic. Celý proces probíhá v několika etapách:



  1. Řasy kolonizují vlhké trhliny v kameni o velikosti 0,1 až několika mm,

  2. růst a expanze řas v závislosti na přítomnosti vody,

  3. precipitace karbonátů okolo buněk sinic, Ca(HCO3)2<——>CaCO3 + H2O + CO2, (proces je vratný),

  4. postupné otvírání trhliny kontinuální precipitací karbonátů a expanzí řas při inbibici vody,

  5. penetrace prachových částic do trhliny,

  6. částečné odumírání sinic zasypaných prachovými částicemi, změny v nanoklimatických podmínkách trhliny,

  7. kolonizace trhliny heterotrofními bakteriemi a plísněmi, případně hmyzem, roztoči a pavouky,

  8. zvýšení tlaku na stěny trhliny nově produkovanými organickými komponenty, odpadnutí povrchové vrstvy.

Výčet mikroorganizmů, které se podílí na degradaci fasád však není konečný. Jak již bylo zmiňováno vpředu, ve společenstvu řas nacházíme další mikroorganizmy především mikroskopické vláknité houby (plísně) a z nich zejména zástupce rodu Alternaria , kteří jsou považováni za hlavní příčinu hnědých a černých skvrn na mramorech, pískovcích, vápencích a nyní i na fasádách stavebních objektů. Alternaria alternata roste i při teplotě -50 °C a v rozmezí pH 2,7 až 8. Spolu s další druhem Alternaria tenuisima náleží k tzv. kyselomilným plísním. Další mikroskopickou vláknitou houbou je Cladosporium sphaerospermum, které je rovněž časté na vlhkém a chladném stavebním kameni, včetně fasád a náleží také mezi typickou psychrofilní flóru bytových objektů. Z dalších plísní jsou to zejména zástupci rodů Acremonium (A. butyri, A. murorum, A. strictum), Mucor hiemalis, Penicillium chrysogenum (P. aurantiogriseum), kteří již patří mezi typické půdní mikromycety, které se také, většinou větrem, dostaly na fasády stavebních objektů.


Represivní a preventivní prostředky na ochranu proti řasám


Mezi nejúčinnější algicidy jsou počítány kvarterní amoniové sloučeniny, organociničité sloučeniny (nyní zakázány) deriváty močoviny, karbamáty, deriváty benzthiazolu a lineární acetaly, různé typy S N heterocyklů. isothiazoliny ftalimidy a sulfamidy Je věcí dalšího vývoje, zda by bylo možné aplikovat některou z uvedených sloučenin přímo do roztoku s organokřemičitými sloučeninami a tím nejen chránit fasádu proti řasám, ale navíc zvýšit její hydrofobitu.


Příspěvek byl zpracován za podpory VZ1 MSM 684 077 0001 „Spolehlivost, optimalizace a trvanlivost stavebních materiálů a konstrukcí.


Literatura:


[1] Baur B., Frosberg L., Baur A.: Species diversity and grazing damage in calcicolous lichen community on top of stone walls in Oland, Sweden, Annales Botanici Tennici, 32, 239-250, 1995.
[2] Bellizone A.M., Caneva G., Ricci S.: Ecological trends in travertine colonization by pioneer algae and plant communities, Int. Biodeterioration & Biodegradation 51, 203-210, 2003.
[3] Bolivar F.C., Sánchez – Castillo P.M.: Characterization of lithobiontic algae communities colonizing Alhambra Fountains (Granada, Spain), 2nd. International Symposium on Biodeterioration and Biodegradation, Abstracts p. 15, Sevilla 1994.
[4] Cho B.H., Komor E.: The amino acid transport systems of the autotrophically growth free alga Chlorella, Biochimica et Biophysica Acta-Membranes, 823, 384-392, 1985.
[5] Crispin C.A., Gaylarde C.C., Gaylarde P.M.: Biofilms on church walls in Porto Alegre, RS, Brazil, with special attention to cyanobacteria, Int. Biodeterioration & Biodegradation 54, 121-124, 2004.
[6] Danin A., Caneva G.: Deterioration of limestone walls in Jerusalem and marble monuments, in Rome, caused by cyanobacteria and cyanphillous lichens, International Biodeterioration 26, 239-417, 1990.
[7] Delatore M.A., Gomez-Alarcon G., Vizciano C., Garcia M.A.: Biochemical mechanismus of stone alteration carried by filamentous fungi living in monuments, Biogeochemistry 19, 129-147, 1993.
[8] Dornieden Th., Gorbushina A.A., Krumbein W.E.: Biodecay of cultural heritage as a space/time related ecologiocal situation – an evaluation of a series of studies, Int. Biodeterioration & Biodegradation 46, 261-270, 2000
[9] Garcia –Valles M., Urzi C., DeLeo F., Salomone P., Vendrell S.M.: Biological weathering and mineral deposits of Belevi marble quarry (Ephesus, Turkey), Int. Biodeterioration & Biodegradation 46, 221-227, 2000.
[10] Guillitte O., Dreesen R.: Laboratory chamber studies and petrographical analysis as bioreceptivity assesment tools of building materials, The Science of the Total Environment 167, 365-374, 1995.
[11] Gódyová M., Uher B., Šimonovičová J., Ševc J.: Mikrobiálná biodeterioracia kameňa, Bulletin Čs. společnosti mikrobiologické, 44, 37-48, Praha 2003.
[12] Lukešová A., Maršálek B.: Půdní řasy, dosud málo známá součást fytoedafonu, Bulletin Čs. společnosti mikrobiologické, 31, 1-7, 1991.
[13] Tomaselli L., Lamenti G., Bosco M., Tiano P.: Biodiversity of photosynthetic microorganisms dwelling on stone monuments, Int. Biodeterioration & Biodegradation 46, 251-258, 2000.
[14] Schuman R., Häulner N., Klausch S., Karsten U.: Chlorophyl extraction methods for the qualification of green microalgae colonizing building facades, Int. Biodeterioration & Biodegradation 55, 213-222, 2005.
[15] Wasserbauer R.: Biologické znehodnocení staveb ABF.2000, (dtto co 51)