Экспериментальное светодиодное освещение экскурсионного маршрута в пещере Шульган-Таш Печать
09.12.2014 14:53

Ш.Р. Абдуллин1, И.А. Гайнутдинов2
1Башкирский государственный университет, 450076, Россия, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. З. Валиди, 32
2Государственный природный заповедник «Шульган-Таш», 453585, Россия, Республика Башкортостан, Бурзянский район, д. Иргизлы, ул. Заповедная, 14

Одной из проблем экскурсионных пещер является «ламповая флора» – цианобактерии, водоросли, мхи, лишайники, папоротники и цветковые растения, развивающиеся при искусственном освещении [19, 23]. В результате развития «ламповой флоры» снижается эстетическая ценность пещер, происходит разрушение пола и стен, известны случаи разрушения палеолитических рисунков (пещера Ляско). Кроме этого происходит накопление органических веществ, что может способствовать росту плесневых грибов, которые также способны разрушать стены пещер, причем, уже без света. При использовании ламп накаливания изменяется и микроклимат пещер, что в целом также увеличивает их разрушение [11].

В последнее время для контроля роста «ламповой флоры» в экскурсионных пещерах используют светодиоды, так как они способны давать свет низкой интенсивности и определенной длины волны, которая не способствует фотосинтезу [25, 24, 26]. Однако некоторые цианобактерии и водоросли способны, используя дополнительный набор пигментов, фотосинтезировать и при других длинах волн. Это явление называется хроматической адаптацией [12]. Таким образом, пока невозможно однозначно оценить влияние светодиодов при использовании их в экскурсионных пещерах.
К дополнительным факторам развития «ламповой флоры» относятся занос ее зачатков с помощью воздуха, текущей воды, человека и животных [18, 29]. Все эти пути заноса были выявлены в пещере Шульган-Таш [14, 1].
Интересно отметить, что при функционировании экскурсионных маршрутов как до зала Хаоса, так и до Промежуточной площадки «ламповая флора» не развивалась [1], хотя для экскурсий использовались и используются шахтерские фонари с лампами накаливания. Соответственно, одним из факторов развития «ламповой флоры» может быть стационарность или временность освещенности, что отмечается и в литературе [27].
Целью данной работы является изучение влияния экспериментального светодиодного освещения на развитие «ламповой флоры» на территории экскурсионного маршрута в пещере Шульган-Таш (Каповой).


Рис. 1. Схема экскурсионного маршрута в привходовой части пещеры Шульган-Таш [10].

Материалы и методы. Пещера Шульган-Таш (Капова) находится на правом берегу реки Белая, на территории заповедника «Шульган-Таш», в Бурзянском районе Республики Башкортостан, в 4 км ниже деревни Новоакбулатово. Галереи и залы полости расположены на 3 ярусах. Общая протяженность всех доступных ныне ходов пещеры превышает 3000 м. Генезис полости неразрывно связан с рекой Шульган, которая в нескольких км от входа в пещеру уходит под землю. В Шульган-Таше река доступна лишь на нижнем ярусе в Дальнем отделе. У входа Шульган, поднявшись с глубины 82 м, образует Голубое озеро-родник. На верхнем ярусе пещеры расположены 2 озера – Ближнее верхнее и Дальнее верхнее. Пещера залегает в девонских и каменноугольных известняках. Всемирную известность пещера получила после находок А.В. Рюминым в 1959 году рисунков палеолитического человека [9]. В пещере проходит кольцевой экскурсионный маршрут от входа (грот Портал) через Главную галерею, Сталагмитовый зал и Смотровую площадку (рис. 1). На стенах Главной галереи для посетителей сделаны копии палеолитических рисунков [10].
Экспериментальное светодиодное оборудование для освещения экскурсионного маршрута в пещере Шульган-Таш было установлено на 3 площадках: 1 – Главная галерея, напротив копий палеолитических рисунков (правая стена, по ходу в пещеру); 2 – Сталагмитовый зал; 3 – Смотровая площадка (рис. 1). На каждой площадке было смонтировано по 4 светодиодных лампы холодного белого цвета, рассчитанные на напряжение 12 В: 1 площадка – мощностью 1,1 Вт (6500 К); 2 площадка – мощностью 2,7 Вт (6500 К); 3 площадка – мощностью 5,0 Вт (6800-7200 К). Половина ламп на каждой площадке крепилась стационарно, половина – подвижно. У подвижных ламп направление освещения изменялось раз в 3-4 дня. Освещение на 1 и 2 площадках было оборудовано 26.08.2011; на 3 площадке – 26-27.10.2011. При наличии экскурсий освещение включалось лишь во время прохождения экскурсантов. При отсутствии экскурсий для эксперимента освещение включалось 5 раз в неделю в будние дни по 4 часа в день (с 12-00 до 16-00).
С августа 2011 г. по ноябрь 2013 г. (26.08.2011, 27.10.2011, 14.12.2011, 10.02.2012, 21.04.2012,
13.06.2013, 13.07.2013, 02.08.2013, 15.08.2013, 13.09.2013, 13.10.2013, 13.11.2013) на участках с экспериментальным освещением было отобрано 280 проб грунта и соскобов со стен. Все пробы помещались в стерильные пластиковые пакеты. Отбор проводился стерильными инструментами [8].
В местах отбора проб замерялась освещенность. Замеры температуры, влажности, направления и скорости движения воздуха проводились в течение всего периода исследований.
Кроме этого учитывалось число посетителей экскурсионного маршрута в пещере в различные периоды.
Выявление видового состава цианобактерий и водорослей в пробах, а также подсчет выросших колоний проводились в лаборатории после культивирования проб на твердой агаризованной среде №6 [6] после 10-ти дней культивирования. В исследованиях использовался световой микроскоп “Микмед-1”. Цианобактерии и водоросли культивировались в люминостате при освещенности 2500-3000 лк и комнатной температуре.
При определении водорослей использовали определители В.М. Андреевой (1998), М.М. Голлербаха с соавт. (1953), М.М. Забелиной с соавт. (1951), П.М. Царенко (1990), K. Krammer, H. Lange-Bertalot (1986; 1991), J. Komarek, B. Fott (1983).
Систематика цианобактерий приведена по K. Anagnostidis, J. Komárek, (1986; 1988; 1989), систематика диатомовых – по F.E. Round с соавт. (1990). Зеленые водоросли даны по системе, приведенной в справочнике «Водоросли» (1989); порядки Tetrasporales, Chlorococcales и Chlorosarcinales приводятся согласно В.М. Андреевой (1998). Жизненные формы даны по Т.И. Алексахиной и Э.А. Штиной (1984).
Частоту встречаемости, или константность видов (F) рассчитывали по формуле:
F = a/A·100 %, (1)
где а – число образцов, в которых обнаружен вид, А – общее число исследованных образцов [8].
Результаты и обсуждение. Общая таксономическая и экологическая характеристика цианобактерий и водорослей. В ходе исследований в целом было выявлено 13 видов и внутривидовых таксонов цианобактерий и водорослей, относящихся к 3 отделам, 3 классам, 6 порядкам, 8 семействам и 11 родам (табл. 1). Доминировали представители отделов Cyanoprokaryota и Chlorophyta; порядков Chlorococcales и Oscillatoriales; семейства Chlorellaceae; родов Leptolyngbya и Muriella. Наиболее часто встречались виды Mychonastes homosphaera (F = 3,5 %), Choricystis shodatii (F = 2,7 %) и Leptolyngbya boryana (F = 1,9 %).
В спектре жизненных форм – Ch5P4hydr.2CF1B1 – доминировали представители Ch- и P- формы. В 258 пробах не было выявлено вегетирующих цианобактерий и водорослей.
Площадка 1 (Главная галерея). В августе 2011 г. на данной площадке в результате качественного анализа обнаружили 3 вида и внутривидовых таксона цианобактерий и водорослей, относящихся к 2 отделам, 2 порядкам, 3 семействам и 3 родам (табл. 1). Незначительно доминировали представители отдела Cyanoprokaryota; порядка Oscillatoriales; все семейства и роды были представлены 1 видом. Наиболее часто встречался вид Mychonastes homosphaera (F = 50,0%). Спектр жизненных форм: P2Ch1. Альгологически стерильными оказались 4 пробы: 2 пробы грунта и 2 пробы со стен. В результате количественного анализа было выявлено низкое содержание цианобактерий и водорослей в пробах грунта: в среднем 25,5 колониеобразующие единицы (КОЕ)/г (табл. 1).
В июле 2013 г. на данной площадке в результате качественного анализа обнаружили 1 вид Choricystis shodatii из отдела Chlorophyta (табл. 1), представленный 1 колониеобразующей единицей (табл. 1).
Остальные пробы, отобранные на данном участке, не содержали цианобактерий и водорослей.
Площадка 2 (Сталагмитовый зал). В августе 2011 г. на данной площадке в результате анализа систематического состава выявили 9 видов и внутривидовых таксона цианобактерий и водорослей, относящихся к 3 отделам, 5 порядкам, 6 семействам и 7 родам (табл. 1). Незначительно доминировали представители отдела Cyanoprokaryota; порядков Oscillatoriales и Chlorococcales; семейств Chlorellaceae и Pseudanabaenaceae; родов Leptolyngbya и Muriella. Наиболее часто встречались виды Leptolyngbya boryana (F = 37,5 %) и Muriella terrestris (F = 37,5 %). В спектре жизненных форм – P3Ch3hydr.1CF1B1 – доминировали представители P- и Сh-формы. Альгологически стерильными оказались 2 пробы со стен. Количественный анализ показал относительно высокое содержание цианобактерий и водорослей в пробах грунта (табл. 1).
В октябре, 2011 г. на данной площадке обнаружили 2 вида цианобактерий и водорослей, относящихся к 2 отделам, 2 порядкам, 2 семействам и 2 родам (табл. 1). Наиболее часто встречался вид Muriella terrestris (F = 25,0 %). Спектр жизненных форм: P1Ch1. Альгологически стерильными оказались 6 проб: 2 пробы со стен и 4 пробы грунта.
В результате количественного анализа было выявлено низкое содержание цианобактерий и водорослей в пробах грунта: в среднем 3,0 КОЕ/г (табл. 1).
В декабре, 2011 г. на данной площадке в результате качественного анализа выявили 6 видов цианобактерий и водорослей, относящихся к 3 отделам, 4 порядкам, 4 семействам и 6 родам (табл. 1). Наиболее часто встречался вид Choricystis shodatii (F = 25,0 %). В спектре жизненных форм – Ch3hydr.2P1 – доминировали представители Сh-формы. Альгологически стерильными оказались 6 проб: 2 пробы со стен и 4 пробы грунта. Количественный анализ показал низкое содержание цианобактерий и водорослей в пробах грунта: в среднем 3,5 КОЕ/г (табл. 1).
В феврале, 2012 г. обнаружили 2 вида водорослей, относящихся к отделу Chlorophyta, 1 порядку, 1 семейству и 2 родам (табл. 1). Наиболее часто встречался вид Choricystis shodatii (F = 37,5 %). Жизненные формы представлены Сh-формой. Альгологически стерильными оказались 5 проб: 2 пробы со стен и 3 пробы грунта. В результате количественного анализа было выявлено низкое содержание цианобактерий и водорослей в пробах грунта (табл. 1).
В июне и августе 2013 г. на данной площадке был выявлен 1 вид Chlorella vulgaris (табл. 1) в количестве 1 КОЕ/г (табл. 1).
Остальные пробы оказались альгологически стерильными.
Площадка 3 (Смотровая площадка). В феврале 2012 г. на данной площадке был выявлен вид Choricystis shodatii из отдела Chlorophyta в количестве 11 КОЕ/г (табл. 1).
В июле 2013 г. обнаружили 1 вид Chlorella vulgaris из отдела Chlorophyta (табл. 1), в количестве 2 КОЕ/г (табл. 1).
Остальные пробы, отобранные на данном участке, не содержали цианобактерий и водорослей.

Таблица 1. Таксономический состав цианобактерий и водорослей участков с искусственным экспериментальным освещением пещеры Шульган-Таш в различные периоды

Таксон

ЖФ

08.2011

10.2011

12. 2011

02.2012

06.2013

07.2013

08.2013

1

2

2

2

2

3

2

3

1

2

Характеристика условий среды

Температура воздуха, °С

 

+10,9

+11,0

+11,0

+11,1

+7,6

+3,1

+0,4

+4,1

+11,9

+15,7

13,3

13,1

Относительная влажность воздуха, %

 

96-99

96-100

99

96

97

87

93

62

77

100

Скорость движения

воздуха, м/с

 

-0,43

-0,19

+0,09

+0,04

+0,2

*0,05

нд

нд

нд

нд

Искусственная освещенность, лк

 

0,6-8,8

0,5-10,0

0,8-19,3

0,8-19,3

0,8-19,3

0,9-9,8

0,5-14,0

нд

нд

1,0-64,0

Среднее число посетителей, чел./день

 

153,0

153,0

9,5

2,8

6,1

6,1

245,5

492,3

492,3

222,9

Характеристика видового состава

Количественный состав, КОЕ/г

 

1-44

2-433

1-5

1-6

0,5-2

11

1

2

1

1

Cyanoprokaryota

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Oscillatoriales

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Pseudanabaenaceae

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Leptolyngbya boryana

(Gom.) Anagn. et Kom.

P

 

+

+

 

+

 

 

 

 

 

 

Leptolyngbya hollerbachiana (Elenk.) Anagn.

et Kom.

 

P

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

Oscillatoriaceae

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Plectonema terebrans Born.et Flah

P

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Phormidiaceae

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Phormidium ambiguum Gom.

P

+

+

 

 

 

 

 

 

 

 

Nostocales

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Nostocaceae

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Nostoc paludosum

(Kütz.) Elenk.

CF

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

Bacillariophyta

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Achnanthales

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Achnanthaceae

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Achnanthes linearis

(W.Sm.) Grun.

hydr.

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

Naviculales

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Naviculaceae

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Navicula minima Grun.

B

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

Thalassiophysales

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Catenulaceae

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Amphora montana

Krasske

hydr.

 

+

 

+

 

 

 

 

 

 

Chlorophyta

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Chlorococcales

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Chlorellaceae

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

Chlorella vulgaris Beijer

Ch

 

 

 

 

 

 

+

+

 

+

Muriella terrestris

Boye-Pet.

Ch

 

+

 

+

 

 

 

 

 

 

Muriella magna Fritsch et John.

Ch

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

Mychonastes homosphaera (Skuja) Kalina

et Punč.

 

Ch

 

+

 

+

 

+

 

+

 

+

 

 

 

 

 

Choricystis shodatii

(Jaag) Fott

Ch

 

 

 

+

+

+

 

 

+

 

Примечания: ЖФ – жизненные формы; 1 – Главная галерея, напротив копий палеолитических рисунков;
2 – Сталагмитовый зал; 3 – Смотровая площадка; «+»: поток воздуха внутрь пещеры; «-» поток наружу;
«*» - восходящий поток; «нд» - данные отсутствуют.

Грунт и часть стен в Сталагмитовом зале за весь период исследований были влажными, наблюдалась интенсивная капель. Видимо, повышенное число видов цианобактерий и водорослей, а также КОЕ/г в Сталагмитовом зале по сравнению с другими площадками в соответствующие периоды вызвано инфильтрационным и инфлюационным (во время паводков) заносом водой данных организмов. На это указывают и выявленные только на данном участке представители hydr.-форм диатомовых водорослей (табл. 1). Поэтому, на наш взгляд, этот участок из всех трех представляет наибольшую потенциальную опасность для развития «ламповой флоры» при искусственном освещении.
В исследуемый период не выявлена прямая корреляция качественного и количественного состава цианобактерий и водорослей с температурой, направлением и скоростью движения воздуха, числом посетителей в различные периоды, искусственной освещенностью (табл. 1), а также со стационарностью или подвижностью светильников. Влажность воздуха, инфлюационный и инфильтрационный занос, скорее всего, оказывали некоторое влияние на развитие цианобактерий и водорослей.
В целом за весь исследованный период (конец августа 2011 г. – конец ноября 2013 г.) развития цианобактерий и водорослей при использовании экспериментального светодиодного освещения не наблюдалось. Это позволяет говорить о том, что искусственное освещение экскурсионного маршрута с существующими параметрами не вызывает развития «ламповой флоры», тем не менее при обустройстве стационарного освещения необходим постоянный мониторинг ее возможного появления.
Выводы. В целом за весь исследованный период (конец августа 2011 г. – конец ноября 2013 г.) развития «ламповой флоры» при использовании экспериментального светодиодного освещения не наблюдалось.
В исследуемый период не выявлена прямая корреляция качественного и количественного состава цианобактерий и водорослей с температурой, направлением и скоростью движения воздуха, числом посетителей в различные периоды, искусственной освещенностью, а также со стационарностью или подвижностью светильников. Влажность воздуха, инфлюационный и инфильтрационный занос, скорее всего, оказывали некоторое влияние на развитие этих организмов.
В ходе исследований в целом было выявлено 13 видов и внутривидовых таксонов цианобактерий и водорослей, относящихся к 3 отделам, 6 порядкам, 8 семействам и 11 родам.
Доминировали представители отделов Cyanoprokaryota и Chlorophyta. Наиболее часто встречались виды Mychonastes homosphaera (F = 3,5 %), Choricystis shodatii (F = 2,7 %) и Leptolyngbya boryana (F = 1,9 %). В 258 пробах не было выявлено цианобактерий и водорослей.
Из всех трех участков экскурсионного маршрута Сталагмитовый зал представляет наибольшую потенциальную опасность для развития «ламповой флоры» при искусственном освещении, что вызвано высоким уровнем влажности стен и грунта, а также инфлюационным и инфильтрационным заносом водой цианобактерий и водорослей.
При обустройстве стационарного освещения необходим постоянный мониторинг возможного появления «ламповой флоры».

Литература
1. Абдуллин Ш.Р. Цианобактерии и водоросли пещеры Шульган-Таш (Каповой): Автореф. дис. … канд. биол. наук. Уфа, Башкирский государственный университет, 2005. – 16 с.
2. Алексахина Т.И., Штина Э.А. Почвенные водоросли лесных биогеоценозов. – М.: Наука, 1984. – 152 с.
3. Андреева В.М. Почвенные и аэрофильные зеленые водоросли (Chlorophyta: Tetrasporales, Chlorococcales, Chlorosarcinales). – СПб.: Наука, 1998. – 351 с.
4. Водоросли. Справочник / Под ред. С.П. Вассера. – Киев, 1989. – 608 с.
5. Голлербах М.М., Косинская Е.К., Полянский В.И. Определитель пресноводных водорослей СССР. Вып. 2. Синезеленые водоросли. – М.: Советская наука, 1953. – 654 с.
6. Громов Б.В. Коллекция культур водорослей Биологического института Ленинградского университета // Труды Петергоф. биол. ин-та ЛГУ. – Л., 1965. Т. 19. – С. 125-139.
7. Забелина М.М., Киселев И.А., Прошкина-Лавренко А.И., Шешукова В.С. Определитель пресноводных водорослей СССР. Вып. 4. Диатомовые водоросли. – М.: Советская наука, 1951. – 620 с.
8. Кузяхметов Г.Г., Дубовик И.Е. Методы изучения почвенных водорослей. – Уфа, 2001. – 56 с.
9. Ляхницкий Ю.С. Шульганташ. – Уфа: Китап, 2002. – 200 с.
10. Ляхницкий Ю.С. Сокровище палеолита. – Уфа: Китап, 2008. – 188 с.
11. Мазина С.Е. Сообщества фототрофных организмов в экскурсионных пещерах при искусственном освещении: Автореф. дис. … канд. биол. наук. – Москва, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 2010. – 24 с.
12. Саут Р., Уиттик А. Основы альгологии: Пер. с англ. – М.: Мир, 1990. – С. 267-268.
13. Царенко П.М. Краткий определитель хлорококковых водорослей Украинской ССР. – Киев: Наук. думка, 1990. – 208 с.
14. Abdullin Sh.R. and Sharipova M.Yu. Studies of algae in the Shulgan-Tash (Kapova) Cave, South Ural, Russia // Cave and Karst Science. Vol. 31, No. 2. 2004. – P. 83-86.
15. Anagnostidis K. and Komárek J. Modern approach to classification system of cyanophytes. 2. Chrooccocales // Arch. Hydrobiol./Suppl. 73,2, Algological Studies. 1986. 43. – P. 157-226.
16. Anagnostidis K. and Komárek J. Modern approach to classification system of cyanophytes. 3. Oscillatoriales // Arch. Hydrobiol./Suppl. 80, Algological Studies. 1988. 50/53. – P. 327-472.
17. Anagnostidis K. and Komárek J. Modern approach to classification system of cyanophytes. 4. Nostocales // Arch. Hydrobiol./Suppl. 82,3. Algological Studies. 1989. 56. – P. 247-345.
18. Dobat K. Considerations sur la vegetation cryptogamique des grottes du Jura Souabe (sudouest de l’Allemagne) // Annales de Speleologie. 1970. V. 25. No. 4. – P. 872–907.
19. Dobat K. Flore de la lumiere artificielle (Lampenflora – Maladie verte) // In C. Juberthie et V. Decu, eds. Encyclopaedia biospeleologica. Société de biospéologie, Moulis, France. T. II. 1994. – P. 1325-1335.
20. Komarek J., Fott B. Chlorophyceae (Grünalgen): Chlorococcales // Binnengewässer. Bd. 16. 1983. Vol. 7. № 1. – 1044 s.
21. Krammer K., Lange-Bertalot H. Süßwasserflora von Mitteleuropa / Bd. 2. Bacillariophyceae. T. 1. Naviculaceae. Jena: Gustav Fischer Verl., 1986. – 876 s.
22. Krammer K., Lange-Bertalot H. Süßwasserflora von Mitteleuropa / Bd. 2. Bacillariophyceae. T. 4. Achnanthaceae. Jena: Gustav Fischer Verl., 1991. – 434 s.
23. Mulec J., Kosi G. Lampenflora algae and methods of growth control // Journal of Caves and Karst Studies. 2009. V. 71. No 2. – P. 109-115.
24. Novomesky J. The past, present and future of the lighting equipment in Dobšiná Ice Cave // Proceedings of the 2nd International Workshop on Ice Caves, Demänovská Dolina, 2006. – P. 98-101.
25. Olson R. Control of lamp flora in Mammoth Cave National Park // In Hazslinszky, T., ed. International Conference on Cave Lighting, Budapest, Hungary, Hungarian Speleological Society, 2002. – P. 131–136.
26. Olson R. and Smith T. A taxonomic survey of lamp flora (Algae and Cyanobacteria) in electrically lit passages within Mammoth Cave National Park, Kentucky // Int. J. of Speleol. 2007. 36 (2). – P. 105-114.
27. Planina T. Preprecˇevanje rasti vegetacije ob lucˇeh v turisticˇnih jamah // Nasˇe Jame. 1974. V. 16. – P. 31–35.
28. Round F.E., Crawford R.M. and Mann D.G. The Diatoms: biology and morphology of the genera. Cambridge: Cambridge University Press, 1990. – 748 pp.
29. Vegh Z. The problem of the lampflora in Baradla cave // In Proceedings of the 10th International Congress of Speleology, Budapest, Hungary, Hungarian Speleological Society, Budapest, 1989. – P. 559–561.