Vrouw Maria hylyltä kesällä 2007 nostetun puunäytteen kunnon ja puun hajottajamikrobien tutkimus sekä puun alkuaineanalyysi.

Transkriptio

1 Vrouw Maria hylyltä kesällä 2007 nostetun puunäytteen kunnon ja puun hajottajamikrobien tutkimus sekä puun alkuaineanalyysi. Veijo Kinnunen Pro-gradu tutkielma Helsingin yliopisto Biotieteiden tiedekunta Bio-ja ympäristötieteiden laitos Akvaattisten tieteiden osasto Huhtikuu 2008

2 Tiedekunta/Osasto Fakultet/Sektion Faculty Laitos Institution Department Biotieteiden tiedekunta Bio- ja ympäristötieteiden laitos Tekijä Författare Author Kinnunen, Veijo Työn nimi Arbetets titel Title Vrouw Maria hylyltä kesällä 2007 nostetun puunäytteen kunnon ja puun hajottajamikrobien tutkimus sekä puun alkuaineanalyysi. Oppiaine Läroämne Subject Hydrobiologia Työn laji Arbetets art Level Pro gradu tutkielma Tiivistelmä Referat Abstract Aika Datum Month and year Huhtikuu 2008 Sivumäärä Sidoantal Number of pages 70 Pro gradu työssäni tutkin Vrouw Maria hylyltä nostetun puunäytteen kuntoa ja puun hajottajien esiintymistä näytteessä. Näytteen kunnon selvittämiseksi määritin näytteen puulajin, puun kosteuspitoisuuden sekä tiheyden ja tarkastelin puuta röntgenkuvien sekä valo- ja elektronimikroskooppitutkimusten avulla. Lisäksi analysoin puun sisältämien rikin ja raudan määriä SEM-EDS menetelmällä ja selvitin puun hajottajamikrobien esiintymistä DNA-tutkimuksilla. Tutkimusten tarkoituksena oli perehtyä vettyneen arkeologisen puumateriaalin hajoamisen tutkimusmenetelmiin sekä saada tietoa hylkypuun hajoamisesta Vrouw Maria hylyn ympäristössä. Hylkypuun kuntoa Vrouw Maria hylyltä ei ole vastaavalla tavalla aikaisemmin selvitetty, lukuunottamatta vuonna 2003 tekemääni pienimuotoista esitutkimusta. Hylkypuun kunnon tutkimukset ovat ajankohtaisia sillä vaihtoehtoja Vrouw Maria hylyn tulevaisuuden suhteen pohditaan parhaillaan. Mahdollisuuksina ovat esimerkiksi hylyn nostaminen pinnalle ja museoiminen yleisön nähtäville tai in situ konservointi, jolloin hylkyä esiteltäisiin yleisölle erilaisten visualisointitapojen avulla. Puunäyte osoittautui metsämännyksi (Pinus sylvestris) ja ikäisekseen se oli kohtalaisen hyvin säilynyt. Vrouw Maria upposi vuonna 1771, eikä ole syytä olettaa, että nyt tutkittu puunäyte olisi muualta kuin hylyltä peräisin. Se oli siis ennen nostamistaan maannut hylyn kannella 236 vuotta. Puun röntgentutkimuksella voitiin varmistaa ettei puussa ole laivamatoa (Teredo navalis), mikä olisi vakava uhka hylyn säilymiselle ja edellyttäisi nopeita toimenpiteitä säilymisen turvaamiseksi. Verrattaessa puun pinnasta otetun näytteen tiheyttä tuoreen männyn keskimääräiseen tiheyteen on näyte 23 % kevyempi, joten hajoamisen myötä se on menettänyt osan massastaan ja siten myös lujuudestaan. Puu olikin pinnastaan noin viiden mm:n syyvyydelle hyvin pitkälle hajonnut ja mikroskooppitutkimuksilla pinnan hajottajaksi todettiin jokin katkolahoa aiheuttava sieni. Syvemmällä puu on ehjempää, vaikka siellä havaittiin runsaasti eri asteisia bakteerien aiheuttamia hajoamisjälkiä. Bakteerit olivat selvästi levinneet syvemmälle puusolukkoon ydinsäteitä pitkin ja hajottaneet niiden tylppysoluja. Niitä esiintyi monin paikoin runsaasti myös ydinsäteitä reunustavien pitkittäisten putkisolujen onteloissa joiden sekundaariseinät olivat paikoitellen hajonneet. Bakteerien puusolukolle aiheuttamiin hajoamisjälkiin perustuvan morfologialuokituksen perusteella havaitut bakteerit voidaan luokitella eroosiobakteereiksi. Bakteereiden esiintymisestä puun pinnalla ja sisällä saatiin varmistus DNA-tutkimusten avulla. Näytteen sisäosista saatiin positiivinen tulos bakteereja tunnistavilla yleisalukkeilla ja pinnalta myös sulfaatin pelkistäjien alukkeilla. Lisäksi DNA-tutkimuksilla osoitettiin näytteessä olevan arkkeja. Alkuaineanalyysi osoitti, että puuhun on kertynyt sekä rikkiä että rautaa. Rikin määrä puussa oli keskimäärin 0,58 massaprosenttia ja suurimmillaan 1,31 massaprosenttia. Raudan pitoisuus oli keskimäärin 0,54 massaprosenttia. Tukholmaan museoidun Vasa - laivan pintapuussa on huomattavasti enemmän rikkiä, suurimmillaan 10 massaprosentin luokkaa, mikä on aiheuttanut puun konservointiongelmia. Portsmouthiin museoidun Mary Rose hylyn puurakenteissa on rikkiä noin yhden massaprosentin verran, mikä on vain hieman enemmän kuin nyt Vrouw Marian puunäyttestä mitatut pitoisuudet. Näytteen sisältämien meriveden suolojen ja rikin määräsuhteet osoittivat, että rikkiä on selvästi rikastunut hylkypuuhun. Luultavasti tämä johtuu hapettomissa oloissa tapahtuvasta bakteerien aiheuttamasta sulfaatin pelkistyksestä ja puuhun helposti diffundoituvan rikkivedyn muodostumisesta. Vaikka rikin määrä hylkypuussa ei lähentelekään Vasa-laivan puuosien suuria pitoisuuksia, on se syytä ottaa huomioon suunniteltaessa mahdollisia hylyn tai sen puuosien noston jälkeisiä konservointitoimia. Sama pätee raudan suhteen. Nyt nostetun puunäytteen kunnon tutkimustuloksia ei voida sellaisenaan yleistää koskemaan koko hylyn kuntoa. Vrouw Maria hylyn runko on tiettävästi tammea, jonka mikrobiologinen hajoaminen voi poiketa tutkitun mäntynäytteen hajoamisesta. Hylky on myös monimutkainen kokonaisuus, jossa on erilaisia mikroilmastoja missä olosuhteet puun hajomiselle saattavat poiketa huomattavasti puunäytteen ottopaikan olosuhteista. Hylyn rungon kunnon selvittämiseksi tarvitaankin lisätutkimuksia. Vaikka hylyltä ei voida ottaa suuria määriä näytteitä hylkyä vaurioittamatta, on mielestäni tarpeen selvittää hylyn kuntoa myös siitä harkitusti otettavien puunäytteiden avulla. Suosittelen varsinaisen runkopuun tutkimuksiksi ainakin valomikroskooppisia tutkimuksia ja puun alkuaineanalyysejä. Lisäksi on syytä jatkaa ei-kajoavien menetelmien, kuten veden alla tehtävien ultraäänitutkimusten kehittämistä sekä tässä aloitettujen DNA-tutkimusten tekemistä hajottabakteerien ja sienten lajien määrittämiseksi. Avainsanat Nyckelord Keywords Vrouw Maria, hylkytutkimus, hylkypuu, katkolaho, eroosiobakteeri, Teredo navalis, rikki, rauta, SEM, SEM-EDS, LM, röntgen, alkuaineanalyysi Säilytyspaikka Förvaringställe Where deposited Viikin tiedekirjasto, Museoviraston meriarkeologinen yksikkö, Turun maakuntamuseon kirjasto, Tvärminnen eläintieteellinen asema Muita tietoja Övriga uppgifter Additional information 2

3 SISÄLTÖ 1) JOHDANTO TUTKIMUKSEN TAUSTAA TUTKIMUKSEN TARKOITUS VROUW MARIA YMPÄRISTÖOLOSUHTEET VROUW MARIA HYLYLLÄ PUUNÄYTE PUUN KOSTEUSPITOISUUS JA TIHEYS PUUN RÖNTGENTUTKIMUS PUUN MIKROSKOOPPITUTKIMUKSET Puun rakenne ja kemiallinen koostumus Puun tunnistamisesta Puun mikrobiologinen hajoaminen ALKUAINEANALYYSI Rikki ja rauta puuhylkyjen uhkana Rikin ja raudan kerääntyminen puusolukkoon meriympäristössä Alkuaineanalyysin tausta ja teoriaa DNA-TUTKIMUKSET Arkit, bakteerit ja sienet Mikrobien tunnistus DNA-tutkimusten avulla ) AINEISTO JA MENETELMÄT PUUN KOSTEUSPITOISUUS JA TIHEYS RÖNTGENTUTKIMUS PUUN MIKROSKOOPPITUTKIMUKSET Puulajimääritys Puun valomikroskooppitutkimukset (LM) Puun elektronimikroskooppitutkimukset (SEM) Valo- ja elektronimikroskooppinäytteiden arviointi ALKUAINEANALYYSI DNA-TUTKIMUKSET ) TULOKSET PUUN KOSTEUSPITOISUUS JA TIHEYS RÖNTGENTUTKIMUS PUUN MIKROSKOOPPITUTKIMUKSET Puulajimääritys Puun valo- ja elektronimikroskooppitutkimukset ALKUAINEANALYYSI DNA-TUTKIMUKSET ) TULOSTEN TARKASTELU PUUN KOSTEUSPITOISUUS JA TIHEYS PUUN RÖNTGENTUTKIMUS PUUN MIKROSKOOPPITUTKIMUKSET Puulajimääritys Valo- ja elektronimikroskooppitutkimukset ALKUAINEANALYYSI DNA-TUTKIMUKSET YHTEENVETO KIITOKSET: KIRJALLISUUS:

4 1) Johdanto 1.1. Tutkimuksen taustaa Tämä työ sai alkunsa jo vuonna 2003, jolloin pääsin kolmanneksi sukeltajaksi Ari Ruuskasen ja Niko Napun mukaan Vrouw Maria hylyllä tutkimusta tekevään biologiryhmään. Juha Flinkman oli myös perehtynyt hylyn tutkimuksiin ja hänen ehdotuksestaan aloin selvittää mahdollisuutta hylkypuuta hajottavien mikrobien tutkimuksiin. Silloisen Suomen Merimuseon henkilökunta kiinnostui esittämästäni tutkimussuunnitelmasta ja sain luvan tehdä alustavia kartoituksia hylyllä ja syvyyksistä jopa tuotiin pieni puupala pinnalle. Tästä puupalasta teimme Helsingin Yliopiston Kasvimuseolla Tuuli Timosen ja Pirkko Harjun kanssa ensimmäiset valomikroskooppileikkeet, joiden tuloksena syntyi tähän tutkimukseen johtanut esitutkimus (Ruuskanen ym. 2004). Esitutkimuksen valmistuttua jäivät nämä tutkimukset osaltani muutamaksi vuodeksi. Mutta viime kesänä Museoviraston meriarkeologisen yksikön konservaattori Ulla Klemelä pyysi minua katsomaan elektronimikroskoopilla Vrouw Marian hylylle MoSS projektin yhteydessä vuonna 2002 vietyjä puunäytteitä. Nämä näytteet piti suunnitelman mukaan analysoida vuonna Kesällä 2007 hylyllä kuitenkin vallitsivat erittäin huonot olosuhteet, eikä hylylle viisi vuotta aiemmin vietyjä näytteitä saatu tuotua ylös. Sen sijaan hylyn kannelta nostettiin pinnalle irtonainen pala varsinaista hylkypuuta ja päätimme meriarkeologisen yksikön tutkijoiden kanssa aloittaa sen tutkimukset. Näistä tutkimuksista aloin tehdä tätä poikkitieteellistä gradutyötäni, jossa yhdistyvät meribiologia, kasvianatomia ja mikrobiologia ja lisäksi mukana on hiukan fysiikkaa, kemiaa ja molekyylibiologiaa. Olen saanut työn tekemiseen runsaasti ohjausta sekä teknistä apua laitteiden ja kameroiden käyttöön. Ohjaamassa ja avustamassa on ollut oman alansa asiantuntijoita puuanatomian, mikrobiologian, alkuaineanalytiikan, puun röntgentutkimusten ja DNAtutkimusten aloilta sekä Museoviraston meriarkeologisesta yksiköstä. Viimeksi mainittu myös rahoitti tutkimusta yhdessä Suomen Kulttuurirahaston kanssa. Osa työssä olevista kuvista on muiden kuin itseni ottamia. Näissä olen maininnut kuvaajat erikseen kuvatekstissä. Ne kuvat, joissa ei ole mainintaa kuvaajasta ovat omiani. 4

5 1.2. Tutkimuksen tarkoitus Opinnäytetyöni koostuu useasta eri osatutkimuksesta, jotka saattavat vaikuttaa irrallisilta tai päällekkäisiltä. Kukin tutkimus antaisi jo yksin tehtynä varsin hyvin tietoa puunäytteen kunnosta, mutta tekemällä useita erilaisia tutkimuksia haluan saada siitä mahdollisimman tarkan kuvan sekä myös testata ja opetella hylkypuun kunnon tutkimuksissa käytettäviä menetelmiä. Sana puu on moniselitteinen ja sitä käytetään tavallisesti laajemmassa merkityksessä, kuin kuvaaman varsinaista puusolukkoa tai puuainetta. Käytän tässä työssä kuitenkin sanaa puu ajoittain myös silloin, kun tarkoitan varsinaista puusolukkoa. Mikroskooppitutkimusten avulla tarkoitukseni on määrittää näytteen puulaji ja selvittää puun kuntoa solutasolla. Käytän tutkimuksiin sekä valo- että elektronimikroskooppia, koska uskon niiden yhdessä antavan enemmän tietoa puun soluseinien kunnosta ja hajottajamikrobien esiintymisestä puussa, kuin kumpikaan yksin antaisi. Röntgentutkimuksilla taas haluan varmistaa, ettei puunäytteessä ole laivamatoa (Teredo navalis), joka on erittäin tehokas puun hajottaja meriympäristössä (Didžiulis 2007). Alkuaineanalyysien avulla yritän selvittää onko puunäytteeseen kerääntynyt rikkiä ja rautaa. Puuhun kerääntyneet rikki- ja rautayhdisteet voivat aiheuttaa konservointiongelmia pintaan nostetulle puuhylylle, kuten on käynyt esimerkiksi Vasa-laivan ja Mary Rosen hylyillä (Sandström ym. 2002; Sandström ym. 2005; Fors & Sandström 2006; Wetherall ym. 2007). Alkuaineanalyysin avulla voidaan saada viitteitä siitä, onko Vrouw Maria hylyllä odotettavissa vastaavia ongelmia, jos se päätetään nostaa pinnalle. DNA tutkimusten tarkoituksena on kokeilla onnistuuko mikrobi DNA:n eristäminen vettyneestä, 236 vuotta meren syvyyksissä maanneesta puunäytteestä, testata PCRtutkimusmenetelmiä ja yrittää näytteessä mahdollisesti esiintyvien mikrobien tunnistamista ryhmätasolle: arkit - bakteerit - sienet. Mikäli arkkeja ja bakteereita löytyy, yritän selvittää onko näytteessä sulfaatin pelkistäjiä, sillä niiden läsnäolo puussa mahdollistaisi pelkistyneiden rikkiyhdisteiden kertymisen puuhun. Lisäksi määritän puun kosteusprosentin ja tiheyden, joiden avulla voidaan myös tehdä päätelmiä puun hajoamisasteesta. Puun kosteuspitoisuuden ja tiheyden mittausta käytettiin yhtenä puun kunnon arviointimenetelmänä Suomen Merimuseon koordinoimassa 5

6 MoSS-projektissa vuosina , jossa Vrouw Maria hylky oli mukana yhtenä tutkimuskohteena (Palma 2004) Vrouw Maria Hollantilainen purjealus Vrouw Maria oli matkalla Amsterdamista Pietariin syys- lokakuussa Pimeänä ja myrskyisenä lokakuun kolmannen päivän yönä laiva eksyi kurssiltaan ja osui karille Saaristomeren eteläosassa. Karilleajossa syntyneet vauriot eivät johtaneet aluksen välittömään uppoamiseen ja miehistö pystyi purjehtimaan vuotavan laivan turvaan läheisen luodon rantaan. Usean päivän ajan miehistö yritti pumpata laivaa tyhjäksi vedestä ja pelastaa sen lastia. He viettivät yönsä maissa palaten päivisin laivan ja sen lastin pelastustöihin, kunnes lokakuun yhdeksännen aamun valjetessa laiva oli kadonnut. Edellisenä iltana keli oli muuttunut huonoksi ja etelän ja kaakon välinen tuuli oli voimistunut. Laiva oli yön aikana irronnut kiinnityksistään ja ajelehtinut ulos merelle, missä se upposi (Leino 2002; Pelanne & Tikkanen 2007). Vrouw Marian hylkyä ei yrityksistä huolimatta löydetty sen uppoamisen jälkeen ja sen olinpaikka pysyi arvoituksena aina vuoteen 1999 asti. Kesäkuun 28 päivä, systemaattisten etsintöjen tuloksena, Rauno Koivusaari kumppaneineen löysi Vrouw Marian hylyn 41 metrin syvyydestä Saaristomeren eteläosasta (kuva 1). Hylky makasi pohjassa kokonaisena ja purjehdusasennossa ja vaikutti hyvin säilyneeltä (Leino 2002; Pelanne & Tikkanen 2007). Vrouw Maria hylky on Suomen valtion omaisuutta ja sen hoidosta ja tutkimuksista vastaa Museovirasto. Hylyllä on tehty meriarkeologisia tutkimuksia sen löytämisestä lähtien ja sen kuntoa on kartoitettu Suomen Merimuseon koordinoiman laajan kansainvälisen MoSS-projektin yhteydessä vuosina Vrouw Maria oli yksi neljästä merkittävästä eurooppalaisesta hylystä, joita MoSS-projetissa tutkittiin (Alvik & Tikkanen 2004; Pelanne & Tikkanen 2007). Vrouw Maria hylky on edelleen ajankohtainen ja se on saanut huomiota osakseen myös julkisuudessa, sillä sen lastin mukana on tiettävästi ollut Venäjän keisarinna Katariina Suurelle matkalla olleita arvokkaita maalauksia. Hylyn saama julkisuus lienee tutkimusten jouduttamisen kannalta ollut myönteinen asia, mutta julkisuudessa on myös liikkunut hyvin epärealistisia arvioita liittyen hylyn nostoon ja museointiin. On ymmärrettävää, että yleisö haluaisi nähdä hylyn museoituna, mutta ennen kuin tähän päästään, on 6

7 hylyllä tehtävä huomattavasti enemmän sen kuntoon liittyvää tutkimusta, kuin tähän mennessä on tehty. Tämä on tärkeää jotta ei hätäilemällä tuhottaisi sitä meriarkeologista aarretta, mikä nyt näyttää säilyneen hyvin. Vrouw Maria hylyn sijainti vaikuttaa merkittävästi tutkimusten etenemiseen. Se sijaitsee hyvin avoimella paikalla, missä jo kohtalainen tuuli estää sukellustukialuksen toiminnan (kuva 1). Sukeltajat voivat tavallisella paineilmalla sukeltaessaan toimia vain rajoitetun ajan (n minuuttia) kerrallaan hylyllä, eikä tällaisia sukelluksia yleensä voi tehdä kuin kaksi kertaa päivässä lyhyen ajanjakson aikana. Erityiskoulutuksella ja seoskaasuilla sukellettaessa voidaan sukellusaikoja jonkin verran pidentää. Mutta kun kuvitellaan sitä työmäärää, mikä tarvittaisiin hylyn ja sen lastin nostamiseen niitä vahingoittamatta, on helppo ymmärtää miksi nostoa ei haluta kiirehtiä. Nykyinen suuntaus vedenalaisten muinaisjäännösten säilyttämisessä on in situ konservointi, eli muinaisjäännösten säilymisen varmistaminen siinä ympäristössä, missä ne löydettäessä ovat (Gregory 1998; Curci 2006). Tätä mahdollisuutta tutkitaan myös Vrouw Maria hylyn kohdalla pinnalle nostamisen vaihtoehtona. In situ konservointiin liittyvät myös erilaiset hylyn visualisointihankkeet, joiden avulla tietoa hylystä voidaan tuoda yleisön nähtäville (Leino ym. 2004; Pelanne & Tikkanen 2007). Kuva 1: Vrouw Maria hylyn sijainti Saaristomeren eteläosassa. Kuva: Mikko Rautala, Museovirasto. 7

8 1.4. Ympäristöolosuhteet Vrouw Maria hylyllä Itämeri on murtovettä, jonka pintaveden suolapitoisuus vaihtelee jokisuistojen lähes makeasta vedestä Kattegatin promillen ( ) suolapitoisuuteen. Suomenlahden länsiosassa ja Saaristomeren eteläosassa pintaveden suolapitoisuus on noin 6-7. Koska Itämeri on Tanskan salmien kautta yhteydessä Kattegatiin ja Pohjanmereen, virtaa sieltä jonkin verran suolaista vettä Itämereen. Suolaisempi vesi on raskaampaa ja se pysyttelee omana kerroksenaan pohjan tuntumassa. Itämerelle onkin tyypillistä suolapitoisuuden kerrostuneisuus, jonka harppauskerros eli halokliini on noin metrin syvyydessä varsinaisella Itämerellä ja Suomenlahden länsiosan syvänteissä. Koska Itämeri on matala vesiallas, keskisyvyyden ollessa 54 metriä, ei tätä suolapitoisuuden kerrostuneisuutta havaita matalilla alueilla (Aniansson 1989; Myrberg ym. 2006). Myös Itämeren pintavesi kerrostuu lämpötilaerojen takia kesäaikaan. Kesällä pintavesi lämpenee noin C:een ja koska lämpimän veden tiheys on pienempi kuin kylmän alusveden, muodostuu vesipatsaaseen lämpötilakerrostuneisuus. Tämän kerroksen jyrkkä vaihettumisvyöhyke eli termokliini on kesäisin noin metrin syvyydessä ja sen alla veden lämpötila jää usein 4-6 C:een. Sekä suolaisuuden, että lämpötilan aiheuttama vesipatsaan kerrostuneisuus on hyvin voimakas. Termokliini eristää tehokkaasti pintaveden syvävedestä ja halokliini päällään olevan makeamman veden syvännevedestä. Tästä seuraa, että syvällä vesi on kylmää vuoden ympäri, ja veteen liuenneiden ravinteiden ja kaasujen vaihto pintaveden kanssa on kesäaikaan rajoittunutta (Aniansson 1989; Myrberg ym. 2006). Lämpimässä ja valoisassa pintakerroksessa on kesäisin käynnissä voimakas kasviplanktonin perustuotanto, josta suuri osa aikaa myöten päätyy eri muodoissa meren pohjaan, missä sitä hajottavat erilaiset pohjaeläimet ja mikrobit. Tämän orgaanisen aineksen hajotustoiminnan ja eri vesikerrosten välisen rajoittuneen veteen liuenneiden kaasujen vaihtumisen seurauksena voi termokliinin eristämästä syvästä vedestä kesän aikana kulua happi loppuun. Syksyllä pintaveden jäähtyessä tämä termokliini kuitenkin purkautuu, jolloin pinta ja syvävesi sekoittuvat ja syvävesi hapettuu jälleen. Halokliinin esiintymisessä ei sen sijaan ole samanlaista vuodenaikaisvaihtelua, joten sen alla olevassa syvännevedessä voi olla pidempiaikainen happikato (Niemi 1984; Aniansson 1989). Merentutkimuslaitos teki Vrouw Maria hylyn ympäristössä ympäristöolosuhteiden vuodenaikaisseurantaa syyskuun 2002 ja elokuun 2003 välisenä aikana. Hylyllä vallitsee 8

9 merialueelle tyypillinen, edellä kuvatusta vesipatsaan lämpötilakerrostuneisuudesta johtuva vuodenaikaisvaihtelu lämpötilan, suolapitoisuuden ja veteen liuenneen hapen määrien suhteen. Loppusyksyllä 2002 hylkyä ympäröivän veden happipitoisuus oli alle 1 ml/l, kunnes lokakuun 23 päivä kerrostuneisuus murtui ja vesipatsas sekoittui pohjaan saakka. Tämän jälkeen hapen määrä pysyi korkeana (noin 8 ml/l) aina huhtikuun puoliväliin 2003 asti, jolloin vesipatsas alkoi jälleen kerrostua. Kesän 2003 aikana hapen määrä väheni melko tasaisesti syksyyn asti, saavuttaen noin 2 ml/l arvon (Hietala ym. 2004). Lämpötila hylyllä vaihteli talven -0,4 C:sta syystäyskierron aikaan mitattuun 8,1 C:een. Lämpötila pysyi nollan asteen tuntumassa koko talven ajan eikä kesälläkään noussut juuri kuutta astetta korkeammalle. Suolaisuus pohjalla vaihteli 5,5 ja 6,6 promillen välillä ollen suurimman osan vuodesta lähellä korkeinta lukemaa. Veden ph vaihteli 7,03 ja 7,16 välillä (Hietala ym. 2004) Puunäyte Tutkimuksessa tarkasteltava puunäyte nostettiin Vrouw Maria hylyn kannelta Näytteen toi pintaan Merentutkimuslaitoksen erikoistutkija Juha Flinkman, joka oli kesän 2007 tarkastusmatkalla kuvaamassa hylkyä. Näyte on hylyn kannelta sen oikean laidan keskiosassa maannut irtonainen puupala ja se lienee peräisin kannelle romahtaneesta takilasta tai partaasta (kuva 2a). Puu on pituussuunnassa haljennut ja sen pidempi osa on noin 84 cm pitkä, 11 cm leveä ja 8 cm korkea (kuvat 2 b ja 2c). Kuva 2: a) Kannelta nostetun irtonaisen puupalan sijaintialue on piirroksessa punaisen ympyrän kohdalla. b) ja c) Näytepala on haljennut pituussuuntaan kahdeksi erilliseksi palaksi. Piirros a) Tiina Mertanen, kuvat b) ja c) Ulla Klemelä. 9

10 1.6. Puun kosteuspitoisuus ja tiheys Puu on hyvin huokoista materiaalia, joka on suurelta osin rakentunut pitkittäisistä putkisoluista, joista osa on onttoja ilman solun sisältöä (kuva 3a). Putkisolut osallistuvat aineiden kuljetukseen puun osasta toiseen ja niitä reunustaa pääasiassa selluloosa- ja ligniinipitoinen soluseinä. Lisäksi puussa on mm. poikittaisia ydinsäteitä, jotka lisäävät sen huokoisuutta. Kun puu joutuu veden alle, täyttyvät nämä ontelot vähitellen vedellä eli puu vettyy. Puun hajotessa osa sen soluseinistä häviää ja puuhun voi imeytyä enemmän vettä. Tällöin sen kosteusprosentti kasvaa ja tiheys pienenee. Mittaamalla ja laskemalla puun kosteusprosentti ja tiheys voidaan tehdä päätelmiä puun hajoamisasteesta. Puun kosteuspitoisuuden ja tiheyden mittausta käytettiin yhtenä puun kunnon arviointimenetelmänä myös Suomen Merimuseon koordinoimassa MoSS-projektissa. Siinä tutkittiin muun muassa ympäristöolosuhteiden vaikutusta veden alle vietyyn puuhun kolmen merkittävän Eurooppalaisen puuhylyn uppoamispaikalla. Hylyiltä otettiin pohjaan viedystä puusta näytteet kolmen tai viiden kuukauden ja 12 kuukauden pohjassa olon jälkeen. Yksi tutkitusta hylyistä oli tässä tutkimuksessa mukana oleva Vrouw Maria hylky (Palma 2004). Olen koonnut tutkimuksen tausta-aineistoksi MoSS projektissa mukana olleille puuhylyille viedyistä mäntynäytteistä tehdyt vesipitoisuuden ja tiheyden tulosten vaihteluvälit ja laskenut tulosten keskiarvot taulukkoon 1. Taulukko 1: MoSS projektissa kolmelle puuhylylle vietyjen puunäytteiden kosteuspitoisuus (MC) ja tiheys (R). Vrouw Marialta ja Burgzand Noord hylyiltä otettiin ensimmäiset näytteet kolmen kuukauden pohjassa olon jälkeen ja Darsser Kogge hylyltä viiden kuukauden jälkeen. Keskiarvojen perässä on suluissa mainittu mittausten määrä. Taulukko tehty Palma 2004 perusteella ja siinä on mukana arvot vain mäntynäytteistä. Vaihteluväli 3/5kk Keskiarvo 3/5kk Vaihteluväli 12kk Keskiarvo 12 kk Hylky MC (%) R (g/cm3) MC (%) R (g/cm3) MC (%) R (g/cm3) MC (%) R (g/cm3) Vrouw Maria 146,5-170,3 0,42-0,47 162,96 (5) 0,44 (5) 145,3-208,1 0,36-0,47 175,72 (5) 0,42 (5) Darsser Kogge 104,4-236,7 0,33-0,58 161,58 (5) 0,46 (5) ,3 0,41-0,45 165,98 (4) 0,43 (4) Burgzand Noord 71,6-127,7 0,51-0,72 106,78 (5) 0,59 (5) 69,6-157,2 0,45-0,74 132,65 (4) 0,53 (4) 1.7. Puun röntgentutkimus Röntgenkuvaamalla puunäyte voidaan nähdä onko siihen iskenyt yksi hylkypuun pahimmista vihollisista, laivamato (Teredo navalis) (Didžiulis 2007). Harhaanjohtavasta nimestään huolimatta laivamato kuuluu nilviäisten pääjaksoon (Mollusca) ja simpukoiden (Bivalvia) luokkaan. Sen kuori on eläimen hoikan matomaisen osan toisessa päässä 10

11 ja kuoren avulla se kaivertaa tiensä puun sisälle. Laivamadolla on pelaginen eli vapaassa vedessä elävä toukka. Asetuttuaan puuhun toukka alkaa kasvaa aikuiseksi, joka elää koko lopun elämänsä samassa puussa. Se pystyy käyttämään ravintonaan puun selluloosaa, mutta se myös suodattaa sifoneillaan planktonia ympäröivästä vedestä (Storer ym. 1979, Hoppe 2002). Laivamato kaivertaa puuhun halkaisijaltaan noin 1cm:n kokoisia käytäviä, jotka se verhoaa kalkkikuorella. Nämä käytävät näkyvät paljain silmin, kun niitä on paljon, mutta satunaiset käytävät saa parhaiten varmistettua puun röntgenkuvauksella. Itse laivamato voi kasvaa yli 45 cm:n mittaiseksi (Storer ym. 1979; Didžiulis 2007). Laivamatoa ei toistaiseksi ole tavattu pohjoiselta Itämereltä, mutta Ruotsin länsirannikolla sekä Tanskan ja Saksan rannikolla sitä esiintyy Kattegatin alueelta aina Malmö- Rostock linjalle asti (Bonsdorff 2006; Westin ym. 2006; Didžiulis 2007). Myös Pohjanmereltä sitä on havaittu Weserin estuaarion matalista suolapitoisuuksista Bremerhavenin sataman alueella pohjois Saksassa (Tuente ym. 2002). Laivamadon leviämistä varsinaiselle Itämerelle vaikeuttaa Itämeren matala suolapitoisuus, sillä lisääntyäkseen eläin vaatii vähintään 11 :n suolapitoisuuden (Norman 1977). Aikuinen yksilö kuitenkin sietää epäsuotuisia ympäristöolosuhteita varsin hyvin ja selviää pitkiä aikoja hengissä myös viiden promillen suolapitoisuudessa (Miller 1926). Altistuessaan ilmalle tai makealle vedelle se voi suojautua onkaloonsa sulkemalla kaksi ovenkaltaista kalkkilevyä, jolloin se voi pysyä hengissä jopa kolme viikkoa (Hoppe 2002). Myös laivamadon pelaginen toukka selviää noin viiden promillen suolapitoisuudessa (Hoagland 1986). Laivamato ja sen tekemät käytävät voidaan nähdä röntgenkuvista erinomaisesti (Tuente ym. 2002). Röntgentutkimuksia käytettiin myös MoSS-projektissa, jossa laivamatoa löydettiin Alankomaiden Waddenin meren länsiosassa sijaitsevan Burgzand Noord 10 hylyn röntgennäytteistä. Hylylle vietiin tammi ja mäntynäytteitä, jotka otettiin ylös kolmen ja 12 kuukauden kuluttua. Jo kolmen kuukauden näytteissä havaittiin viitteitä laivamadon hyökkäyksestä, mutta erityisen selviä jäljet olivat 12 kuukauden mäntynäytteessä. Vrouw Maria hylyltä tutkituissa vastaavissa näytteissä ei laivamatoa havaittu (Palma 2004). Toinen pohjoisen pallonpuoliskon valtamerissä yleinen ja puuta nopeasti tuhoava eläin on äyriäisiin (Crustacea) kuuluva porasiira (Limnoria lignorum, Limnoria sp.). Porasiira 11

12 ei kuitenkaan pysty elämään Itämeren suolapitoisuuksissa, sillä jo 6,5 suolapitoisuus on sille vuorokauden kuluessa tappava (Miller 1926). Porasiira ei myöskään pysty porautumaan puuhun alle 10 promillen suolapitoisuudessa (Eltringham 1961). Itämeren tuntumasta porasiiraa on tavattu ainakin Ruotsin länsirannikolta Kristinebergin meribiologisen tutkimusaseman edustalta, missä suolapitoisuus vaihtelee promillen välillä (Westin ym. 2006). Myös porasiiran esiintyminen puunäytteessä on mahdollista varmistaa röntgenkuvista. Röntgenkuvista on voidaan myös nähdä puuhun diffundoituneita raudan ja muiden metallien suoloja (Lehmann ym. 2005; Leena Tomanterä 2007, henk. koht. tiedonanto). Tämä perustuu siihen, että läpivalaistaessa esinettä tai organismia röntgensäteillä on sen sisältämillä raskaammilla alkuaineilla, kuten metalleilla säteilyn vaimeneminen suurempaa, kuin kevyillä alkuaineilla (Lehmann ym. 2005). Röntgenkuvassa nämä alueet, jotka ovat läpäisseet vähemmän säteilyä, nähdään vaaleina ja enemmän säteilyä läpäisseet alueet tummina (Holmberg & Perkkiö 1988). Käytännössä tämä siis tarkoittaa, että puuaines hyvin säteilyä läpäisevänä on kuvissa tummempi kuin sen sisältämät metallisuolat. Koska röntgentutkimukset eivät tuhoa tutkittavaa materiaalia, ovat ne hyvin käyttökelpoisia arkeologisissa tutkimuksissa (Lehmann ym. 2005) Puun mikroskooppitutkimukset Puun rakenne ja kemiallinen koostumus Tutkimuksessa tarkasteltava puu tiedettiin aikaisessa vaiheessa havupuuksi, joten keskityn tässä kappaleessa kuvaamaan lähinnä havupuun puusolukon rakennetta ja kemiallista koostumusta. Käsittelen aihetta myös vain siinä laajuudessa, mitä tarvitaan tutkimuksen kannalta oleellisten puun hajoamiseen liittyvien asioiden ymmärtämiseksi. Havupuun rungon puusolukko muodostuu suurimmaksi osaksi pitkittäisistä putkisoluista (trakeidit), jotka toimivat veden ja siihen liuenneiden aineiden kuljetusreittinä puun juurista lehtiin ja myös tukisolukkona. Putkisolut ovat suippopäisiä ja niitä sanotaan suippusoluiksi (prosenkyymisolut). Lisäksi puussa on tylppäpäisiä varasto- ja eritesoluja, joita sanotaan tylppysoluiksi (parenkyymisolut). Niitä on esimerkiksi ydinsäteissä ja pihkatiehyissä, eivätkä ne yleensä ole puutuneita. Rungon poikkileikkauksessa nähdään sisäkkäisiä vuosilustoja eli vuosirenkaita. Ne muodostuvat ohutseinäisiä suurionteloisia soluja sisältävästä kevätpuusta ja paksuseinäisiä ja pienionteloisia soluja sisältävästä 12

13 kesäpuusta. Kevätpuu syntyy kasvukauden alussa nopean kasvuvaiheen aikana ja kasvun myöhemmin hidastuessa on tuloksena kesäpuuta (Fagerstedt ym. 2005; Jääskeläinen & Sundqvist 2007). Varsinaisen puuaineksen eli ksyleemin ulkopuolella on rungossa yhden solukerroksen paksuinen jälsi, joka saa aikaan rungon paksuuskasvun sekä puuaineksen että puun kuoren suuntaan. Jällen ulkopuolella on kuoren sisin osa nila, joka on erikoistunut yhteyttämistuotteiden kuljetukseen lehdistä puun muihin osiin. Monien havupuiden puussa on myös pihkatiehyitä ja puun pinnasta säteittäisesti sisäänpäin kulkevia kapeita ydinsäteitä (kuva 3a). Ydinsäteet toimivat kuljetusreittinä nilan ja puuaineksen välillä ja muun muassa yhteyttämistuotteet pääsevät kulkemaan tätä reittiä nilasta puuhun. Puun putkisolujen seinissä on myös huokosia, jotka mahdollistavat aineiden liikkumisen solusta toiseen (Fagerstedt ym. 2005; Jääskeläinen & Sundqvist 2007). Puuvartisilla kasveilla on jäykät puutuneet soluseinät. Soluseinien jäykkyys johtuu pääasiassa niiden sisältämästä puuaineesta eli ligniinistä sekä ligniinin, selluloosan ja hemiselluloosan keskinäisestä järjestäytymisestä soluseinärakenteessa. Ligniini on soluseinässä limittäin selluloosan ja hemiselluloosan kanssa (Kärkkäinen 2003; Jääskeläinen & Sundqvist 2007). Putkisolujen seinä koostuu useasta eri kerroksesta (kuva 3b). Solujen välinen keskilevy eli välilamelli muodostuu pääasiassa ligniinistä ja pektiiniaineista. Sen sisäpuolella on primääriseinä, jossa on ligniiniä ja hemiselluloosaa sekä jonkin verran selluloosaa. Nämä kaksi kerrosta ovat hyvin ohuita ja yhdessä ne muodostavat yhdistetyn välilamellin. Sisimpänä on kolmekerroksinen (S1, S2 ja S3) sekundääriseinä, jossa selluloosaa on hemiselluloosaa enemmän ja lisäksi siinä on jonkin verran ligniiniä. Vaikka ligniiniä on sekundääriseinässä suhteellisesti vähemmän kuin yhdistetyssä välilamellissa, on sekundääriseinässä sen paksuuden takia määrällisesti eniten ligniiniä koko puun soluseinässä (Kärkkäinen 2003; Jääskeläinen & Sundqvist 2007). 13

14 Kuva 3: Havupuun puusolukon rakenne yksinkertaistettuna. a) Leikkaussuunnat ja b) Soluseinän eri kerrokset. Selluloosamikrofibrillit ovat suuntautuneet sekundääriseinän eri kerroksissa eri suuntiin. Primääriseinässä mikrofibrillit eivät ole samalla tavoin järjestäytyneet. Tuoreen puun soluseinistä voi jopa 40 % olla vettä. Soluseinien sisältämien kuivaaineiden osuudet vaihtelevat eri puulajien välillä sekä lajien sisällä kasvupaikasta ja kasvuolosuhteista riippuen. Vaihtelua esiintyy myös yksilöstä toiseen. Männyn puuaines sisältää keskimäärin 40 % selluloosaa, % hemiselluloosaa ja % ligniiniä (Jääskeläinen & Sundqvist 2007) Puun tunnistamisesta Puulajin tunnistamiseksi näytettä pitää yleensä tarkastella useammalta eri kantilta (kuva 3a). Tavallisin tarkastelusuunta on poikkileikkaus, josta saadaan jo määritettyä onko kyseessä havu- vai lehtipuu. Havupuun tuntomerkkeinä poikkileikkauksessa nähdään säteensuuntaisesti tasaisesti järjestäytyneet putkisolut ja tarkkarajaiset vuosilustot sekä kapeat ydinsäteet. Useissa havupuissa on myös pihkatiehyitä. Lehtipuun puusolukon rakenne on monipuolisempi monine eri solutyyppeineen. Useiden lehtipuiden kevät- ja kesäpuut ovat samankaltaisia ja siten vuosilustojen rajat ovat huonommin erottuvia. Myös niiden ydinsäteet ovat monimuotoisempia, kuin havupuilla (Timonen 2000; Fagerstedt ym. 2005). Poikkileikkauksen lisäksi pitää useimmiten tarkastella tangentin ja säteen suuntaisia leikkeitä. Tangentin suunnasta voidaan havupuilla nähdä onko puussa yksirivisten ydinsäteiden lisäksi monirivisiä pihkatiehyellisiä ydinsäteitä. Säteen suuntaisesta leikkeestä 14

15 nähdään onko ydinsäteiden putkisoluissa soluseinäpaksunnoksia ja millaisia ristikenttien huokoset ovat (Timonen 2000; Fagerstedt ym. 2005) Puun mikrobiologinen hajoaminen Puun hajottajamikrobeita ovat sienet ja bakteerit, jotka maan pinnalla ovat hyvin tehokkaita kuolleen puun hajottajia. Mikäli puu on joutunut kosteaan ympäristöön, kuten suohon, järveen tai meren pohjaan, sen hajoaminen hidastuu huomattavasti. Itämeren pohjoisosissa puu säilyy veden syvyyksissä sitä paremmin, mitä syvemmälle se on päätynyt, johtuen syvällä vallitsevasta matalasta lämpötilasta ja maan päälisiin olosuhteisiin verrattuna vähäisestä hapen määrästä (Björdal ym. 1999). Puun hajoaminen alkaa heti puun kuoltua. Maan päällä tehokkaimpia puun hajottajia ovat kantasienet (Basidiomycetes). Niiden aiheuttama hajoaminen voidaan jakaa morfologian mukaan valko- ja ruskolahoon (Blanchette ym. 1990; Eriksson ym. 1990). Kantasieniä ei tavata vedenalaisista ympäristöistä, sillä ne tarvitsevat runsaasti happea elintoimintoihinsa (Blanchette ym. 1990; Eriksson ym. 1990; Nilsson 1999). Sen sijaan katkolahoa aiheuttavat kotelosienet (Ascomycetes) ja vaillinaissienet (Deuteromycetes, Fungi imperfecti) pystyvät hajottamaan puuta myös veden alla (Blanchette ym. 1990; Eriksson ym. 1990; Björdal ym. 1999; Kärkkäinen 2003) Valkolaho on yleinen sienten aiheuttama hajoamisen muoto maan pinnalla. Se on saanut nimensä siitä, että sienet hajottavat aluksi puun ligniinin, jolloin jäljelle jää vaalea selluloosa. Ligniinin hajottua valkolahottajat voivat iskeä selluloosan ja hemiselluloosan kimppuun. Ne pystyvät myös hajottamaan elävää puuta (Blanchette ym. 1990; Eriksson ym. 1990; Kärkkäinen 2003). Ruskolahottajat ovat erikoistuneet hajottamaan puun soluseinien selluloosaa ja hemiselluloosaa mutta vähemmässä määrin ligniiniä, jolloin jäljelle jääneen ligniinin takia puu näyttää ruskealta. Ruskolahottajat iskevät alkuvaiheessa erityisesti puusolujen sekundaariseinän S2 kerrokseen edeten soluontelon suunnasta kohti ligniinipitoisempaa keskilevyä. Pidemmälle hajotessaan puu muuttuu pieneksi kuution muotoisista paloista koostuvaksi puruksi (Blanchette ym. 1990; Eriksson ym. 1990; Kärkkäinen 2003). Katkolahoa aiheuttavat sienet ovat sopeutuneet hajottamaan puuta myös hyvin kosteissa ympäristöissä ja tätä lahoa on havaittu muun muassa meren pohjaan joutuneiden hylky- 15

16 jen puurakenteissa (Björdal ym. 1999). Paljain silmin katsottuna se muistuttaa ruskolahoa. Katkolahossa puu pehmenee ja hajoaa aluksi pinnastaan, mistä hajoaminen etenee hitaasti syvemmälle puun sisään. Sienirihma kaivautuu puusolun sekundaariseinän S2 kerrokseen ja muodostaa lieriön muotoisia onteloita, jotka seuraavat S2 kerroksen selluloosamikrofibrillien rakennetta. Käytävien muodostumisen lisäksi tapahtuu soluseinien eroosiota soluontelon suunnasta keskilevyä kohti. Katkolahottajat pystyvät hajottamaan sekä selluloosaa että ligniiniä, mutta näiden hajoamisessa on eroa lehti- ja havupuiden välillä; lehtipuilla selluloosan on havaittu hajoavan ligniiniä herkemmin, kun taas havupuilla asia on päinvastoin. Katkolaho näyttääkin hajottavan lehtipuuta nopeammin kuin havupuuta (Eriksson ym. 1990). Katkolahottajia tavataan usein yhdessä puuta hajottavien bakteerien kanssa (Kim & Singh 2000; Kärkkäinen 2003). Bakteerit ovat ensimmäisiä kuolleeseen puuhun tunkeutuvia mikrobeja sekä maan pinnalla, että veden alla. Osa bakteereista hyödyntää puun tylppysolujen sisältöä, osa taas hajottaa varsinaista soluseinäainesta. Bakteerit iskevät usein helposti hajoaviin ydinsäteiden tylppysoluihin ja leviävät ydinsäteitä pitkin syvemmälle puusolukkoon. Ne myös hajottavat soluseinien välisiä huokosia ja voivat siirtyä ydinsäteiden tylppysoluista ristikentän huokosten kautta pitkittäisiin putkisoluihin (Blanchette ym. 1990; Eriksson ym. 1990). Bakteerit voivat iskeä myös puun putkisoluihin ja hajottaa niiden soluseinien selluloosaa aiheuttaen soluseinien eroosiota. Nämä bakteerit ovat puun hajoamismorfologian mukaan nimetty eroosiobakteereiksi (Eriksson ym. 1990; Kärkkäinen 2003). Eroosiobakteerien hyökkäys alkaa soluontelon suunnasta puusolun sekundaariseinään ja se voi johtaa koko sekundaariseinän hajoamiseen, jolloin jäljelle jäävät vain primääriseinä ja keskilevy. Eroosiobakteerit pystyvät jossain määrin hajottamaan myös ligniiniä, jolloin hajoaminen voi jatkua yhdistetyn välilamellin alueelle (Blanchette ym. 1990; Eriksson ym. 1990). Eroosiobakteerien ja katkolahottajien aiheuttamia hajoamisjälkiä voi olla vaikea erottaa toisistaan, varsinkin jos bakteerien aiheuttama soluseinien eroosio on edennyt pitkälle. Alkuvaiheessa bakteerien aiheuttama eroosio eroaa katkolahon aiheuttamasta siten, että bakteerien hajottama soluseinä näyttää raidalliselta tai uurteiselta (Kim & Singh 2000). Eroosiobakteerit pystyvät myös hajottamaan puuta vähähappisessa ympäristössä veden alla, joten ne ovat potentiaalisia hylkypuun hajottajia (Gregory 1998; Björdal 1999; Nilsson 1999; Kim & Singh 2000). 16

17 Eroosiobakteereiden lisäksi ovat puun soluseinien hajoamismorfologian mukaan nimensä saaneet tunneli- (tunneling) ja kuoppabakteerit (cavitation). Tunnelibakteerit tekevät nimensä mukaan tunnelimaisia käytäviä soluseiniin ja ne pystyvät myös hajottamaan ligniiniä. Lisäksi ne voivat hajottaa suoja-ainein käsiteltyä puuta. Ne kuitenkin tarvitsevat runsaasti happea, eikä niitä juurikaan ole tavattu vettyneestä puusta (Blanchette ym. 1990; Eriksson ym. 1990; Kärkkäinen 2003). Puun hajoaminen veden alla on huomattavasti hitaampaa kuin maan pinnalla ja vaikeammin hajoavat, runsaasti ligniiniä sisältävät keskilevyt jäävät näissä olosuhteissa helposti muuten hajonneen puun ehjäksi tukirangaksi. Katkolahon tai eroosiobakteerien hajottama vettynyt puu voi kosteana näyttää silmämääräisesti katsottuna lähes normaalilta, mutta puun lujuus heikkenee ja kuivuessaan se hajoaa helposti (Florian 1981; Björdal 1999; Björdal & Nilsson 2001). Kuivumisen aiheuttamaa kutistumista ja hajoamista puussa voidaan ehkäistä puuhun imeytettävien konservointiaineiden avulla eli korvaamalla puun sisältämä vesi, jolloin puu säilyttää muotonsa. Yleisesti käytetään polyetyleeniglykolia (PEG) eri vahvuisina liuoksina (Grattan & Clarke 1987). Bakteerien ja sienten aiheuttaman hajoamisen merkitys vettyneiden puuesineiden konservoinnin kannalta vaihtelee hajoamistyypistä ja hajoamisen laajuudesta riippuen. Eroosiobakteerien ja katkolahottajien aiheuttama hajoaminen voi ydinsäteiden tylppysolujen ja putkisolujen välisten huokosten hajotessa aluksi parantaa konservointiaineiden tunkeutumista puusolukkoon. Mutta hajoamisen edetessä pidemmälle bakteerien jäljiltä jää puun soluonteloihin osittain hajonnutta jäännösmateriaalia, mikä voi haitata konservointiaineiden pääsyä puuhun (Björdal, ym. 1999) Alkuaineanalyysi Rikki ja rauta puuhylkyjen uhkana Meren pohjassa maanneeseen puuhun kerääntyneiden rikin ja raudan on pinnalle noston jälkeen todettu aiheuttavan ongelmia puuesineiden ja puuhylkyjen konservoinnissa. Tunnetuimpia esimerkkejä näistä ongelmista ovat Vasa-laivan ja Mary Rosen hylyt, joiden puun pintarakenteisiin on noston jälkeen syntynyt rikkisaostumia. Molempien hylkyjen rakenteissa on havaittu myös rautasuoloja. Rautaionit katalysoivat rikkihapon 17

18 muodostumista pelkistyneistä rikkiyhdisteistä ja happamat olosuhteet edistävät puun selluloosan hajoamista. Näiden kahden alkuaineen esiintyminen hylkypuussa onkin pinnalle nostettujen puuhylkyjen säilymisen kannalta hyvin haitallista (Sandström ym. 2002; Sandström ym. 2005; Fors & Sandström 2006; Wetherall ym. 2007) Rikin ja raudan kerääntyminen puusolukkoon meriympäristössä Merivesi sisältää erilaisia suoloja, joista runsaimmat ovat kloridi, natrium, sulfaatti, magnesium, kalsium ja kalium (taulukko 2). Vaikka meriveden suolapitoisuus vaihtelee alueellisesti, eri suolojen määräsuhteet ovat hyvin vakioita. Rikkiä on luontaisesti merivedessä varsin runsaasti sulfaatin muodossa; Itämeressä seitsemän promillen ( ) saliniteettialueella noin 0,5 g/l, josta alkuainerikkiä hieman alle 0,2 g/l. Rautaa Itämeren vedessä taas on vähän, vain 1-10 µg/l. Itämeressä on myös runsaasti ravinnesuoloja, joista tärkeimmät ovat typen ja fosforin suolat (Voipio & Perttilä 1984; Aniansson 1989; Perttilä 2006). Taulukko 2: Meriveden suolojen yleisimpien ionien osuus ja niiden määrät valtameressä (S=35 ) ja Itämeressä (S=7 ). Taulukon arvot on laskettu Voipio & Perttilä 1984 ja Perttilä 2006 mukaan. Alkuainerikin osuus ja määrät on laskettu sulfaatin ja rikin molekyylipainojen perusteella. Aine % merivedessä g/kg valtameressä g/kg Itämeressä Kloridi Cl - 55,29 19,35 3,87 Natrium Na + 30,80 10,78 2,156 Sulfaatti 2- SO 4 7,74 2,71 0,542 Magnesium Mg 2+ 3,66 1,28 0,256 Kalsium Ca + 1,17 0,41 0,082 Kalium K + 1,14 0,4 0,08 Rikki S 2,57 0,9 0,18 Meren pohjaan päätyneeseen hylkypuuhun vaikuttavat erilaiset kemialliset, fysikaaliset ja biologiset tekijät kuin siihen sen kasvuaikana tai sen ollessa laivan rakenneosana ovat vaikuttaneet. Puun huokoinen solurakenne täyttyy merivedellä ja puusolukkoon pääsee hiljalleen diffundoitumaan vedessä olevia suoloja ja muita yhdisteitä. Näin meren pohjassa makaavan puun sisältämien aineiden määräsuhteet vähitellen muuttuvat. Puuhun voi bakteeritoiminnan seurauksena rikastua pelkistyneitä rikkiyhdisteitä. Sulfaatin pelkistäjäbakteerit käyttävät hapettomissa olosuhteissa sulfaattia elektronien vas- 18

19 taanottajana molekylaarisen hapen sijaaan hajottaessaan orgaanista ainesta (Böttcher & Lepland 2000). Tuloksena syntyy veteen liuennutta rikkivetyä, joka voi kulkeutua puun soluonteloita pitkin syvemmälle puuhun, missä se muiden bakteerien toiminnan seurauksena voi muuttua edelleen kiinteiksi rikkiyhdisteiksi ja alkuainerikiksi (Sandström ym. 2002; Fors & Sandström 2006). Esimerkkinä bakteerien aiheuttama sulfaatin pelkistyminen ja rikkivedyn syntyminen orgaanisen aineksen hajotessa hapettomissa merenpohjan olosuhteissa (esim. Böttcher & Lepland): (CH 2 O) 106 (NH 3 ) 16 (H 3 PO 4 ) + 53SO H HCO NH HPO H 2 S Hylkypuussa esiintyvä rauta on tavallisesti peräisin hylyssä olevien rautaesineiden, kuten sen rakentamisessa käytettyjen rautanaulojen ja pulttien tai tykinkuulien yms. esineiden korroosiosta. Korroosiossa muodostuneet rauta(ii)ionit muodostavat rikkivedyn kanssa pyriittiä (FeS 2 ) ja muita sulfideja (Fors & Sandström 2006). Puun pysyessä meren pohjassa ei rikin ja raudan kertymisestä liene puulle suurtakaan haittaa, mutta ongelmia voi syntyä, jos se nostetaan pinnalle. Pinnalla joutuvat pelkistyneet rikkiyhdisteet tekemisiin hapen kanssa, jolloin ne hapettuvat rikkihapoksi ja kuivuessaan muodostavat kiinteitä suoloja. Tätä hapettumisreaktiota katalysoivat puussa esiintyvät rautaionit. Puun säilymisen kannalta hapon muodostuminen on haitallista, sillä alhainen ph aiheuttaa selluloosan hydrolyysiä ja selluloosan hajotessa puu heikkenee. Syntyneiden kiinteiden suolojen vaatima tilavuus on myös suurempi verrattuna pelkistyneisiin rikkiyhdisteisiin ja tämän tilavuuden lisäyksen takia puu voi halkeilla (Fors & Sandström 2006; Wetherall ym. 2007). Esimerkkinä pelkistyneen pyriitin hapettuminen ferrosulfaatiksi ja rikkihapoksi (esim. Sandström ym. 2005; Fors & Sandström 2006): FeS 2 (s) + 7 / 2 O 2 + (n+1)h 2 O FeSO4*n H 2 O(s) + H 2 SO 4 (aq) Pinnalle nostetuista hylyistä yksi tunnetuimmista on Tukholmassa museoitu Vasa-laiva, joka upposi neitsytmatkallaan Tukholman sataman edustalle 32 metrin syvyyteen vuonna Olosuhteet meren pohjassa suurkaupungin edustalla olivat laivan säilymisen kannalta hyvät; vesi syvällä oli kylmää ja runsaan orgaanisen aineksen hajotuksen takia 19

20 myös hapetonta. Näissä oloissa eivät puuta hajottavat eliöt viihtyneet ja laiva on säilynyt erittäin hyvin (Fors & Sandström 2006; Vasamuseet 2008) Vasa-laivaa ympäröineissä hapettomissa oloissa on sulfaatin pelkistys kuitenkin ollut vilkasta ja pelkistyneitä rikkiyhdisteitä on kertynyt laivan rakenteisiin. Laivan rakenteista tehdyissä alkuaineanalyyseissä on havaittu rikkiä olevan runsaimmin puun pintaosassa uloimman senttimetrin alueella ja määrän vähentyvän huomattavasti syvemmälle mentäessä. Rikkiä mitattiin ensimmäisen senttimetrin syvyydeltä yleisesti 5-6 massaprosenttia ja suurimmillaan jopa 10 massaprosenttia, mutta jo puolentoista senttimetrin jälkeen aina yhdeksän cm:n syvyyteen asti rikkiä oli 1 massaprosentti tai alle. (Sandström ym. 2002; Fors & Sandström 2006) Toinen esimerkki museoiduista laivoista on Britannialainen sotalaiva Mary Rose, joka upposi vuonna 1545 Portsmouthin edustalla Britanniassa vaatien lähes 400 ihmishenkeä. Mary Rose upposi 14 metrin syvyyteen vuorovesialueelle ja vähitellen osa hylystä peittyi sedimentillä. Sedimentin yläpuolelle jääneet osat hajosivat nopeasti mm. laivamadon (Teredo navalis) takia. Sedimentin sisälle hautautuneet hylyn osat taas olivat paremmin suojassa hajottajilta ja säilyivät kohtalaisen hyväkuntoisina. Hylyn jäännökset on nostettu ylös ja museoitu Portsmouthiin Mary Rose museoon (Fors & Sandström 2006; The Mary Rose Trust 2008) Mary Roselta tehtyjen rikkianalyysien perusteella hylyn rakenteissa on rikkiä noin 1 massaprosentti pinnasta aina 20 cm:n syvyydelle asti. Samanlaista rikkipiikkiä kuin Vasa-laivalla ei puun pintaosissa ole havaittavissa. Tämän on arveltu johtuvan siitä, että Mary Rosella sedimentti on estänyt hapettoman meriveden pääsyn puurakenteisiin (Sandström ym. 2005; Fors & Sandström 2006; Wetherall ym. 2007). Kolmas esimerkki rikkiyhdisteiden esiintymisestä hylkypuussa on Weser jokeen Saksassa uponnut Bremen Cog. Laiva rakennettiin arviolta vuonna 1380 ja se löydettiin Bremenin sataman edustalta Sittemmin se on nostettu paloina pinnalle ja rakennettu uudelleen Saksan merimuseoon. Koska hylky on maannut niukasti sulfaattia sisältävässä virtaavassa jokivedessä, on sen puuhun kertynyt hyvin vähän rikkiä. Rikin määrä on suurimmillaan 0,15 massaprosenttia puun pinnassa ja syvemmällä sitä on vain 0,05 massaprosenttia. Puun rautapitoisuus on samaa luokkaa tai hieman korkeampi (Fors & Sandström 2006). 20

21 Alkuaineanalyysin tausta ja teoriaa Alkuaineanalyysejä on käytetty arkeologisissa tutkimuksissa, kun on haluttu selvittää historiallisten esineiden alkuperää tai aitoutta. Alkuaineanalyyseillä on myös saatu tietoja esineiden ja asuinpaikkojen sekä näihin liittyvän ihmistoiminnan historiasta. Nykyisin alkuaineanalyysejä käytetään yhä enemmän myös historiallisten esineiden hajoamiseen, konservointiin ja säilymiseen liittyvissä tutkimuksissa (Dietrich ym. 1998; Schreiner ym. 2007). Alkuaineanalyysi pyyhkäisyelektronimikroskoopilla ja siihen liitetyllä alkuaineanalysaattorilla perustuu näytteeseen johdetun elektronisuihkun näytteessä aikaansaaman röntgensäteilyn analysointiin. Nykyisin käytetään lähinnä SEM/EDS (Scanning Electron Microscopy/Energy Dispersive Analysis) menetelmää (Scott ym. 1995; Schreiner ym. 2007). Tässä röntgenmikroanalyysiksi kutsutussa menetelmässä näytteeseen johdetaan voimakas elektronisuihku, jolla ionisoidaan näytteen alkuaineiden atomeja. Atomin ionisoituessa sen sisemmiltä elektronikuorilta poistuu elektroneja. Kun näihin sisäkuorille syntyneisiin aukkoihin siirtyy elektroneja ulommilta kuorilta, vapautuu energiaa röntgensäteilynä. Kullakin alkuaineella on sille tyypillinen röntgensäteilyn energia ja eri alkuaineiden tunnistus perustuu tämän karakteristisen säteilyn mittaamiseen (Holmberg & Perkkiö 1988; Scott ym. 1995). SEM/EDS menetelmän etuna se, että sillä saadaan tarkasti selville missä kohtaa näytteessä tiettyä alkuainetta esiintyy. Nykyaikaiseen ESEM (Environmental SEM) tai LVSEM (Low Vacuum SEM) mikroskooppiin yhdistettynä menetelmää voidaan käyttää myös herkkiin biologisiin materiaaleihin ja näyte voidaan usein säilyttää alkuperäisessä kunnossa. Tällaisen ei-kajoavan menetelmän käyttö on historiallisten esineiden tutkimiseksi usein välttämätöntä niiden ainutkertaisuuden takia. Isoista kappaleista on kuitenkin otettava näytepala, johtuen analyyseissä tyypillisesti käytettävien elektronimikroskooppien näytekammioiden pienestä koosta. SEM/EDS menetelmällä saadaan myös tehtyä kvantitatiivisia analyyseja ja alkuainemäärityskohta voidaan samaan aikaan kuvata ja yhdistää kuvaan alkuainemäärityksen tulokset (Scott ym. 1995; Schreiner ym. 2007). 21

22 1.10. DNA-tutkimukset Arkit, bakteerit ja sienet Mikrobeista bakteerit ja arkit kuuluvat prokaryootteihin, eli esitumallisiin ja sienet eukaryootteihin, eli aitotumallisiin eliöihin. Sienten lisäksi eukaryootteihin kuuluvat yksisoluiset levät ja alkueläimet, sekä monisoluiset kasvit ja eläimet (Storer ym. 1979; Rikkinen 1999). Bakteerit ja arkit ovat yksisoluisia ja alkeellisempia eliöitä kuin aitotumalliset. Niillä ei ole lainkaan tumaa, vaan niiden DNA on rengasmaisena kromosomina solun sisällä (Mäkelä ym. 1993). Arkit ovat hyvin vanha ryhmä, jonka edustajia tavataan maapallon ääriolosuhteista, kuten hyvin suolaisista ympäristöistä tai kuumista lähteistä. Genomiltaan ne intronijaksoineen muistuttavat enemmän eukaryootteja kuin bakteereita, sijoittuen näiden kahden ryhmän välimaastoon (Keeling & Doolittle 1995). Arkkeja elää myös Itämeren pohjasedimenteissä ja ne lienevät hyvin tärkeä osa sedimenttien prokaryoottiyhteisöjä (Cifuentes ym. 2000; Edlund ym. 2006). Arkkeja on löydetty myös pelagiaalisena järvivedestä (Jurgens ym. 2000). Bakteerit puolestaan ovat hyvin monimuotoinen ja arkkeja paremmin tunnettu eliöryhmä ja niitä tavataan kaikkialta, missä elämä on mahdollista. Itämeressä bakteereilla on hyvin suuri merkitys muun muassa vapaan veden perus- ja sekundaarituotannossa, orgaanisten aineiden mineralisoimisessa, ja ilmakehän typen sidonnassa (Sandberg ym. 2004; Moisander, ym. 2007) Typen sidontaan pystyvät sinilevien lisäksi myös eräät heterotrofiset bakteerit (Boström ym. 2007). Sedimenteissä bakteerit hajottavat orgaanista ainesta ja osallistuvat esimerkiksi typen, fosforin, rikin ja raudan kiertoihin (Moeslund & Thamdrup 1994; Tuominen ym. 1999; Podgórska & Mudryk 2003). Osa bakteereista elää kokonaan hapettomissa ympäristöissä, osa pelkästään hapellisissa, mutta monet pystyvät selviämään kummassakin (Mäkelä ym. 1993). Eukaryootit lienevät aikojen kuluessa kehittyneet prokaryoottisista eliöistä. Niiden DNA on solukalvon ympäröimässä tumassa ja on kaksisäikeinen. Kasvit ovat autotrofisia, eli pystyvät itse tuottamaan tarvitsemansa orgaaniset aineet, mutta eläimet ovat joitakin alkueläimiä lukuun ottamatta heterotrofisia eli toisenvaraisia (Storer ym. 1979; Klug & Cummings 2002). Sienet eivät ole kasveja eivätkä eläimiä vaan kuuluvat omaan sienikuntaansa. Kaikki sienet ovat heterotrofisia, eli toisenvaraisia, joten ne ottavat tar- 22