Badania ichnologiczne

Instytut Nauk Geologicznych Uniwersytetu Jagiellońskiego jest jednym z czołowych ośrodków na świecie prowadzących badania ichnologiczne, polegające na analizie różnorakich interakcji organizmów z osadem deponowanym zarówno w środowiskach morskich, jak i kontynentalnych. Skamieniałe pozostałości działalności organizmów nazywane są skamieniałościami śladowymi lub ichnoskamieniałościami. W latach 2013–16 w ramach badań ichnologicznych przedstawiono cykl ponad 40 opracowań opublikowanych głównie w prestiżowych czasopismach naukowych indeksowanych przez ISI Journal Citation Reports (tzw. lista filadelfijska).

Wśród prezentowanych tam wyników badań, za przełomowe odkrycie należy uznać identyfikację zapisu bakteryjnych procesów bioelektrycznych, znanych do tej pory jako ichnorodzaj Trichichnus spp. Rozpoznanie tej ichnoskamieniałości jako skamieniałej pozostałości po macie bakteryjnej należącej do tzw. megabakterii siarkowych zbliżonych do współczesnego rodzaju Thioploca spp., pozwoliło na wypracowanie nowego modelu natleniania osadu na granicy redox za pomocą zjawisk elektrycznych (Kędzierski et al.., 2015). Taka interpretacja niesie ze sobą daleko idące konsekwencje, gdyż zakłada ona, że granica redox może zostać przesunięta wgłąb osadu o kilka-kilkanaście centymetrów w bardzo krótkim okresie czasu, tworząc miejsce do penetracji osadów dla makroorganizmów. Zatem trwały przyrost miąższości osadów magazynujących materię organiczną może odbywać się jedynie poza zasięgiem penetracji megabakterii. Z kolei, jeśli zgromadzonej materii organicznej jest niewielka miąższość, może ona zostać całkowicie utleniona w jednorazowym akcie natlenienia powierzchni za pomocą bakteryjnych procesów bioelektrycznych, bez udziału makrofauny. Bakteryjne procesy bioelektryczne nawiązują do idei biogeobaterii, której praktyczne zastosowanie umożliwiłoby wytwarzanie tzw. czystej energii elektrycznej.

Fig. 1. Ideogram obrazujący powstawanie ichnoskamieniałości Trichichnus sp. (wg Kędzierski et al., 2015; CC-BY-SA 3.0)

Duże znaczenie ma także udział Instytutu Nauk Geologicznych Uniwersytetu Jagiellońskiego w badaniach ichnologicznych profili, w których zapisane są zmiany i wydarzenia biotyczne istotne dla dziejów Ziemi. Dotyczy to szczególnie epizodów związanych z wielkimi wymieraniami oraz ekstremalnymi warunkami środowiskowymi takimi jak długotrwałe warunki beztlenowe lub anomalnie wysokie temperatury związane z ekstremalnymi warunkami cieplarnianymi, tzw. hot-house.

Efektem tych badań były nowe interpretacje zmian środowiskowych związanych z anoksją występującą na granicy cenoman–turon (Uchman et al., 2013a, b), wielkim wymieraniem na granicy kreda–paleogen (Monaco et al., 2015; Alegret et al., 2015) czy też zmian środowiskowych w profilu stratotypowym granicy dan–zeland (Rodríguez-Tovar et al., 2013).

Potwierdzeniem znaczenia badań ichnologicznych prowadzonych w ING UJ jest sprawowanie przez prof. dr hab. Alfreda Uchmana, lidera instytutowego zespołu ichnologów, funkcji President of the International Ichnological Association (2012–2016 r.), zapraszanie do wygłaszania referatów wiodących na konferencjach międzynarodowych, a także wybranie go w poczet członków korespondentów PAN (2016 r.).

Ponadto Instytut Nauk Geologicznych UJ gości licznych zagranicznych ichnologów, którzy prowadzą w ING UJ badania w ramach stażów magisterskich, doktorskich i po-doktorskich. Część z nich przybywa również celem badań unikatowej kolekcji skamieniałości śladowych. Prowadzone badania ichnologiczne zaowocowały rozbudowaną współpracą międzynarodową i aktywnym udziałem pracowników ING UJ w najważniejszych międzynarodowych konferencjach ichnologicznych.

 

Bibliografia:

Alegret, L., Rodríguez-Tovar, F. J. & Uchman, A., 2015. How bioturbation obscured the Cretaceous-Palaeogene boundary rekord. Terra Nova, 27 (3): 225-230.

Kędzierski, M., Uchman, A., Sawlowicz, Z. & Briguglio, A., 2015. Fossilized bioelectric wire: the trace fossil Trichichnus. Biogeosciences, 12 (8): 2301-2309.

Monaco, P., Rodríguez-Tovar, F. J. & Uchman, A., 2015. A delayed response of the trace fossil community at the Cretaceous-Paleogene boundary in the Bottaccione section, Gubbio, Central Italy. Geobios, 48 (2): 137-145.

Rodríguez-Tovar, F. J., Uchman, A., Orue-Etxebarria, X. & Apellaniz, E. 2013. Palaeoenviromental changes during the Danian-Selandian Boundary interval: the ichnological record at the Sopelana section (Basque Basin, W Pyrenees). Sedimentary Geology, 284-285: 106-116.

Uchman, A., Rodríguez-Tovar, F. J., Machaniec, E. & Kędzierski, M., 2013a. Ichnological characteristics of Late Cretaceous hemipelagic and pelagic sediments in a submarine high around the OAE-2 event: A case from the Rybie section, Polish Carpathians. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 370: 222-231.

Uchman, A., Rodriguez–Tovar F. J. & Oszczypko, N., 2013b. Exceptionally favourable life conditions for macrobenthos during the Late Cenomanian OAE-2 event: Ichnological record from the Bonarelli Level in the Grajcarek Unit, Polish Carpathians. Cretaceous Research, 46:1-10.

 

Stworzenie ekspozycji prezentującej historię naturalną Ziemi

Nowopowstała ekspozycja przedstawia ewolucję środowisk przyrodniczych i związanych z nimi form życia. Ważnym jej elementem jest 11 dioram z modelami środowisk charakterystycznych dla danego okresu geologicznego, począwszy od zaprezentowania najstarszych tkankowców ediakaru, a skończywszy na mioceńskich trąbowcach. Modele przedstawiane w dioramach wzbogacone są gablotami prezentującymi charakterystyczne, równowiekowe skamieniałości. Wiele z nich wymagało ponownych oznaczeń systematycznych, zatem prezentowane dane są wyjątkowo aktualne, co w praktyce muzealnej nie jest często spotykane. Dodatkowo opracowano tablice przedstawiające wyczerpujące opisy środowisk kopalnych uwzględniające najnowsze ustalenia nauki w tym względzie. Wszystko to czyni tę ekspozycję oryginalnym i stojącym na wysokim poziomie dydaktyczno-naukowym osiągnięciem. Jest to więc najpełniejsza – jeśli nie jedyna, ze względu na obszerność opracowania – prezentacja historii naturalnej w Polsce, przygotowana zgodnie z aktualnymi zasadami muzealnictwa przyrodniczego. Przekazuje ona pełną wiedzę o historii Ziemi dostosowaną do poziomu studiów przyrodniczych wszystkich szczebli, od licencjata do doktoranta. Projekt tej ekspozycji i szczegółowe scenariusze zostały przygotowane przez pracowników ING UJ, którzy brali udział także w etapie projektowym i uzgodnień architektonicznych. Ekspozycja znajduje się w Dziale Geologicznym Centrum Edukacji Przyrodniczej UJ otwartym w październiku 2016 r., utworzonym w ramach programu POIS.13.01.00-00-062/08 Rozbudowa i modernizacja infrastruktury dydaktycznej na kierunkach przyrodniczych i ścisłych Uniwersytetu Jagiellońskiego. W skład Działu Geologicznego CEP UJ weszły zbiory dawnego Muzeum Geologicznego ING UJ.

Badania mineralogiczne i geochemiczne w ochronie środowiska i dla zrównoważonego rozwoju

Pracownicy ING UJ współpracując z różnymi ośrodkami naukowymi oraz jednostkami przemysłowymi realizują badania wykraczające poza klasyczne nauki geologiczne. Badania te wykorzystują metody mineralogiczne, petrologiczne i geochemiczne i dotyczą m.in. analiz produktów spalania paliw stałych (węgiel, biomasa) w różnych instalacjach energetycznych, analiz aerozoli w celu określenia ich pochodzenia (Fig. 1), analiz cząstek stałych emitowanych do atmosfery z różnych źródeł (Fig. 2 i 3), analiz żużli i popiołów z zakładów termicznego przekształcania odpadów komunalnych (Fig. 4), przemysłowych i niebezpiecznych oraz osadu ściekowego (Fig. 5), żużli metalurgicznych (Fig. 6), identyfikacji składników antropogenicznych w glebach, charakterystyki odpadów z przeróbki rud, przyczyny i skutki precypitacji i korozji instalacji w systemach geotermalnych (Fig. 7), a także badanie wpływu atmosferycznego CO2 na skały zbiornikowe. Badania obejmują także wykorzystanie osadów ściekowych w produkcji biogazu i optymizacji tego procesu a także interakcje pomiędzy składnikami mineralnymi i mikroorganizmami (Fig. 8). Techniki te są wykorzystywane również w opracowaniu materiałów o różnych zastosowaniach (m.in. do oczyszczanie spalin i ścieków; w instalacjach w systemach geotermalnych).

Prace te mają istotne znaczenie naukowe (potwierdzone publikacjami w prestiżowych czasopismach, takich jak Chemical Engineering Journal (Kowalczyk A., Piwowarska Z., Macina D., Kuśtrowski P., Rokicińska A., Michalik M., Chmielarz L., 2016. MCM-41 modified with iron by template ion-exchange method as effective catalyst for DeNOx and NH3-SCO processes. Chemical Engineering Journal, 295: 167–180), Fuel Processing Technology (Wilczyńska-Michalik,  W., Moryl,  R., Sobczyk, J. & Michalik, M., 2014. Composition of coal combustion by-products: the importance of combustion technology. Fuel Processing Technology, 124: 35–43), Materials Chemistry and Physics (Macina D., Opioła A., Rutkowska M., Basąg S., Piwowarska Z., Michalik M., Chmielarz L., 2017. Mesoporous silica materials modified with aggregated transition metal species (Cr, Fe and Cr-Fe) in the role of catalysts for selective catalytic oxidation of ammonia to dinitrogen. Materials Chemistry and Physics, 187: 60-71), Applied Clay Science(Basag, S., Piwowarska, Z., Kowalczyk, A., Wegrzyn, A., Baran, R., Gil, B., Michalik, M., Chmielarz, L., 2016. Cu-Mg-Al hydrotalcite-like materials as precursors of effective catalysts for selective oxidation of ammonia to dinitrogen - The influence of Mg/Al ratio and calcination temperature, Applied Clay Science, 129: 122-130), Chemie der Erde/Geochemistry (Jerzykowska, I., Majzlan, J., Michalik, M., Göttlicher, J., Steininger, R., Blachowski, A. & Ruebenbauer, K., 2014. Mineralogy and speciation of Zn and As in Fe-oxide-clay aggregates in the mining waste at the MVT Zn-Pb deposits near Olkusz, Poland. Chemie der Erde/Geochemistry, 74: 393–406), Waste Management (Kleyböcker, A., Lienen, T., Liebrich, M., Kasina, M., Kraume, M. & Würdemann, H., 2014. Application of an early warning indicator and CaO to maximize the time–space-yield of a completely mixed waste digester using rape seed oil as co-substrate, Waste Management, 34(3): 661-668), Water Science and Technology (Kasina, M., Kleyböcker, A., Michalik, M. & Würdemann, H., 2015. Extremely fast increase in the organic loading rate during the co-digestion of rapeseed oil and sewage sludge in a CSTR - Characterization of granules formed due to CaO addition to maintain process stability, Water Science and Technology, 72: 1569-1577), Grundwasser (Würdemann, H., Westphal, A., Kleyböcker, A., Miethling-Graff, R., Teitz, S., Kasina, M., Seibt, A., Wolfgramm, M., Eichinger, F. & Lerm, S., 2016. Störungen des Betriebs geothermischer Anlagen durch mikrobielle Stoffwechselprozesse und Erfolg von Gegenmaßnahmen, Grundwasser, 21(2): 93-106), Environmantal Earth Sciences (Pellizzari, L., Morozova, D., Neumann, D., Kasina, M., Klapperer, S., Zettlitzer. M. & Würdemann, H., 2016. Comparison of the microbial community composition of pristine rock cores and technical influenced well fluids from the Ketzin pilot site for CO2 storage, Environmental Earth Sciences, 75: 1-17) jak również znaczenie praktyczne (np. racjonalizacja działań zmierzających do poprawy jakości powietrza, określenie zasięgu oddziaływania emisji przemysłowych na środowisko, możliwość odzysku metali z odpadów oraz recyklingu materiałów, wpływ spalania paliw i produktów spalania oraz odpadów z przeróbki rud na środowisko). Wyniki tych prac mogą wskazywać kierunki działań na rzecz wdrożenia zasad zrównoważonego rozwoju i gospodarki cyrkularnej.

 

Fig. 1. Cząstki aerozoli w Krakowie: Pojedyncze cząstki sadzy (po prawej, u góry); agregat cząstek sadzy (po lewej, u góry); cząstki glinokrzemianowe (po lewej, u dołu); zrost siarczanów K-Mg i Ca (po prawej, u dołu)(z: Michalik M., Brzeżański M., Wilczyńska-Michalik W., Fisior K., Klimas B., Samek L., Pietras B., 2016. Characterisation of solid particles emitted from diesel and petrol engines as a contribution to the determination of the origin of carbonaceous particles in urban aerosol. Scientific Conference on Automotive Vehicles and Combustion Engines (KONMOT 2016) IOP Publishing IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering,148 (2016) 012079 doi:10.1088/1757-899X/148/1/012079 oraz Wilczyńska-Michalik W., Pietras B., Samek L., Furman L., Łatkiewicz A., Rzeźnikiewicz K., Michalik M. 2015. Submikronowe pyły w powietrzu atmosferycznym w Krakowie. Aura, 8, 4-7).

Fig. 2. Cząstki sadzy emitowane z silnika Diesla (po lewej) oraz silnika z bezpośrednim wtryskiem paliwa (po prawej) (z: Michalik M., Brzeżański M., Wilczyńska-Michalik W., Fisior K., Klimas B., Samek L., Pietras B., 2016. Characterisation of solid particles emitted from diesel and petrol engines as a contribution to the determination of the origin of carbonaceous particles in urban aerosol. Scientific Conference on Automotive Vehicles and Combustion Engines (KONMOT 2016) IOP Publishing IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering,148 (2016) 012079 doi:10.1088/1757-899X/148/1/012079).

Fig. 3. Cząstki sadzy emitowane z palenisk domowych opalanych węglem (agregaty z przewodów kominowych; obrazy SEM) (z: Wilczyńska-Michalik W., Michalik, M., 2015. Skład i pochodzenie cząstek pyłów w powietrzu atmosferycznym w Krakowie. Aura, 3, 4-8).

Fig. 4. Składniki metaliczne w pozostałościach po spalaniu odpadów komunalnych (obraz SEM-BSE); (a) ziarna żużla bogate w Al oraz inkluzje metaliczne: 1 (95% Fe, 5% P); (b) , 2 (84% Fe, 10% O, 6% Cr); (c) ziarna popiołu lotnego, 3 (63% Fe, 24% Cr, 13% O), 4 (45% Fe, 55% Si); (d) zaokrąglone ziarna popiołu lotnego (z inkluzjami) wraz z widocznymi fragmentami metalicznymi, 5 (59% Al, 31% O, 10% Ca); (e) bogate w składniki metaliczne ziarna w pozostałościach po oczyszczaniu spalin, 6 (83% Fe, 13% O, 2% Ca/Si), 7 (46% Fe, 31% Zn, 23% Ca), 8 (77% Fe, 8% Si/Ca, 7% O ); (f) duże trzyskładnikowe ziarna w obrębie drobnoziarnistej pozostałości po oczyszczaniu spalin (APC). Skróty nazw minerałów: Cal - kalcyt, Cbl - cebolit Ca5Al2(SiO4)3(OH)4, Crb - węglany, Feox- tlenki żelaza, Fs - skalenie, Glass – szkliwo krzemionkowe, Lrn - larnit, Mll - melilit, Qz - kwarc, Rnk - rankinit Ca3Si2O7. Kowalski, P.R., Kasina, M. & Michalik, M., 2016. Metallic elements fractionation in municipal solid waste incineration (MSWI) residues, Energy Procedia 97: 31-36.

Fig. 5. Formy występowania składników metalicznych w popiołach lotnych i pozostałościach po oczyszczaniu spalin ze spalania komunalnych osadów ściekowych. (a) ziarno z tlenkami żelaza Feox; (b) otoczki wokół szkliwa krzemionkowego zbudowane z tlenków żelaza; (c) stopy Ni-Fe; (d) fosforany o zaokrąglonych krawędziach poprzerastane inkluzjami Sn-Ti; (e; (f) ziarna zawierające  Si, Pb, K (krzemki Pb-K); (f) ziarna bogate w  Si, Fe, Ni (krzemki Fe-Ni); (g) stopy Ti-Fe; (h) ziarno bogate w Ba, Ti, Zn and Fe. (Kasina, M., Kowalski, P.R. & Michalik, M., 2016. Metals Accumulation During Thermal Processing of Sewage Sludge - Characterization of Fly Ash and Air Pollution Control (APC) Residues, Energy Procedia 97: 23-30 .

Fig. 6. Krawędź fragment żużla konwertorowego, wzdłuż której wykrystalizował kalcyt (A, B). C, D, E, F przedstawiają larnit w różnym stopniu transformacji chemicznej (larnit jest zastępowany materiałem bogatym w fosfor). (Kasina, M., Kowalski, P.R. & Michalik, M. (2014): Mineral carbonation of metallurgical slags. Mineralogia, 45(1-2): 27-45).

Fig. 7. (a) Biofilm powstały na powierzchni stali nierdzewnej zawierający mikroorganizmy oraz składniki mineralne głównie FeS w warunkach geotermalnych; (b) Mikroorganizmy na powierzchni fragmentu stali nierdzewnej (Obraz SEM) (Würdemann, H., Westphal, A., Lerm, S.,  Kleyböcker, A., Teitz, S., Kasina, M., Miethling-Graff, R., Seibt, A. & Wolfgramm, M., 2014. Influence of microbial processes on the operational reliability in a geothermal heat store – Results of long-term monitoring at a full scale plant and first studies in a bypass system, Energy Procedia, 59: 412-417

Fig. 8 Obraz SEM przedstawiający powierzchnię stali nierdzewnej pokrytej biofilmem zbudowanym z mikroorganizmów i filamentów pozakomórkowej substancji polimerycznej na wtórnych mikrokrystalicznych siarczkach żelaza. Würdemann, H., Westphal, A., Kleyböcker, A., Miethling-Graff, R., Teitz, S., Kasina, M., Seibt, A., Wolfgramm, M., Eichinger, F. & Lerm, S., 2016. Störungen des Betriebs geothermischer Anlagen durch mikrobielle Stoffwechselprozesse und Erfolg von Gegenmaßnahmen, Grundwasser, 21(2): 93-106.

Badania nad przemianami faz mineralnych w glebie

Na Wydziale GiG UJ stworzony został rozpoznawalny w skali międzynarodowej ośrodek badań nad przemianami faz mineralnych w glebie. Było to możliwe dzięki synergicznej współpracy specjalistów z Zakładu Mineralogii Petrologii i Geochemii ING UJ i Zakładu Gleboznawstwa i Geografii Gleb IGiGP UJ. W ośrodku tym w latach 2013–2016 m.in. przede wszystkim rozpoznano mechanizm przemian dioktaedrycznego wermikulitu w środowiskach geologicznych, stwierdzając, iż divermikulit stanowi metastabilną fazę i zarówno w środowisku glebowym, jak i – przede wszystkim – podczas wczesnej diagenezy osadów morskich, ulega przemianie w dioktaedryczną mikę (illit) (Skiba, 2013).

Fig.1. Ideogram pokazujący procesy powstawania i ewolucji dioktaedrycznego wemikulitu.

Ponadto, zapoczątkowano prace mające na celu rozpoznanie mechanizmu wietrzenia glaukonitu w środowisku wietrzeniowym i glebowym (Skiba et al., 2014). Zweryfikowano także hipotezę zakładającą udział minerałów pęczniejących w formowaniu gruntów strukturalnych na Spitsbergenie (Szymański et al., 2015). Stwierdzono również kluczową rolę minerałów węglanowych w kształtowaniu przemian faz mineralnych w glebach lessowych (Drewnik et al., 2014). Rozwiązano także problem genezy poziomu fragipan w glebach płowych Przedkarpacia na Ukrainie (Nikorych et al., 2014) i zróżnicowania składu mineralnego noduli żelazisto-manganowych w glebach płowych Pogórza Karpackiego (Szymański & Skiba, 2013; Szymański et al., 2014). Kontynuując badania nad charakterem wypełnień przestrzeni międzypakietowych w pęczniejących minerałach glebowych (Skiba et al., 2011) wykazano organiczny charakter ww. wypełnień w minerałów ilastych w glebach płowych na Pogórzu Karpackim (Szymański et al., 2014a).

Literatura
Drewnik, M., Skiba, M., Szymański, W., Żyła, M., 2014. Mineral composition vs. soil forming processes in loess soils — a case study from Kraków (Southern Poland). Catena, 119: 166-173.
Nikorych, V.A., Szymański, W., Polchyna, S.M., Skiba, M., 2014. Genesis and evolution of the fragipan in Albeluvisols in the Precarpathians in Ukraine. Catena, 119: 154-165.
Skiba, M., Szczerba, M., Skiba, S., Bish, D.L. Grybos, M., 2011. The nature of interlayering in clays from a podzol (spodosol) from the Tatra Mountains, Poland. Geoderma, 160: 425-433.
Skiba, M., 2013. Evolution of dioctahedral vermiculite in geological environments – an experimental approach. Clays and Clay Minerals, 61: 290-302.
Skiba, M., Maj-Szeliga, K., Szymański, W., Błachowski, A., 2014. Weathering of glauconite in soils of temperate climate as exemplified by a Luvisol profile from Góra Puławska, Poland. Geoderma, 235-236: 212-226.
Szymański W., Skiba, M. 2013. Distribution, Morphology, and Chemical Composition of Fe-Mn Nodules in Albeluvisols of the Carpathian Foothills, Poland. Pedosphere, 23, 445-454.
Szymański, W., Skiba, M., Błachowski, A., 2014. Mineralogy of Fe–Mn nodules in Albeluvisols in the Carpathian Foothills, Poland. Geoderma,217-218: 102-110.
Szymański, W., Skiba, M., Nikorych, V., Kuligiewicz, A., 2014a. Nature and formation of interlayer fillings in clay minerals in Albeluvisols from the Carpathian Foothills, Poland. Geoderma, 235-236: 396-409.
Szymański, W., Skiba, M., Wojtuń, B., Drewnik, M., 2015. Soil properties, micromorphology, and mineralogy of Cryosols from sorted and unsorted patterned grounds in the Hornsund area, SW Spitsbergen. Geoderma, 253-254: 1-11.