background image

BACTERIAL INFLUENCE ON SPELEOTHEM OXYGEN ISOTOPE COMPOSITION                               199

GEOLOGICA CARPATHICA, 54, 3, BRATISLAVA, JUNE 2003

199–204

BACTERIAL INFLUENCE ON SPELEOTHEM OXYGEN ISOTOPE

COMPOSITION: AN EXAMPLE BASED ON CAVE PISOIDS

FROM PERLOVÁ CAVE (SLOVAKIA)

MICHA£ GRADZIÑSKI

Institute of Geological Sciences, Jagiellonian University, Oleandry Str. 2a, 30-063 Kraków, Poland; gradzinm@ing.uj.edu.pl

(Manuscript received April 4, 2002; accepted in revised form December 12, 2002)

Abstract: The origin of recently growing irregular cave pisoids in Perlová Cave (Ve¾ká Fatra Mts, Slovakia) seems to be

due to the activity of hydrogen-oxidizing bacteria. Several samples of water and freshly deposited calcite from cave

pisoids were analysed for stable oxygen isotope ratios. The obtained values were checked using the O’Neil equation.

Almost all the calcite samples display values more positive than their calculated counterparts. This phenomenon is

ascribed to a fractionation process mediated by bacteria. The light isotope of oxygen is preferentially taken up by the

hydrogen-oxidizing bacteria. It causes the relative enrichment in the heavy isotope in the bacterias’ surroundings, which

is recorded in the calcite precipitated around the bacterial cells.

Key words: Ve¾ká Fatra Mts, stable oxygen isotopes, bacterial influence, speleothems.

Introduction

Carbonate speleothems which grow under conditions of isoto-

pic equilibrium between calcite and ambient water are often

used  as  a  tool  in  paleoclimatic  reconstruction  (cf.  Schwarcz

1986;  Gascoyne  1992).  In  contrast,  much  less  attention  has

been paid to the other speleothems of specific isotope compo-

sitions,  since  these  are  considered  useless  for  paleo-

environmental studies.

The causes of disequilibrium in the C and O isotopes during

the growth of speleothems were usually attributed to the rapid

diffusion  of  CO

and/or  to  the  evaporation  effect  (Hendy

1971). However, these processes of stable isotope fractionat-

ion have been only sporadically discussed so far. Study of re-

cent  cave  pisoids  from  Perlová  Cave  in  Slovakia  offers  the

possibility of analysing and explaining a process of the stable

oxygen  isotope  fractionation  between  ambient  water  and

growing calcite speleothems.

Environmental setting

Perlová Cave (Perlová jaskyòa) lies in the Belanská Valley

in the northern part of the Ve¾ká Fatra Mountains (Great Fatra)

in Slovakia (Fig. 1) (Mrázik 1987). Its entrance is situated at

910 m a.s.l. The average temperatures in the region range from

4 °C to 7 °C, depending on altitude (Droppa 1975).

Perlová Cave is developed in Guttenstein bedded limestone

(Middle Triassic) of the Krížná Unit overthrusted over Meso-

zoic autochthonous cover of the crystalline core of the Ve¾ká

Fatra Mountains (Mahe¾ 1968). The 408 m-long cave is rich in

speleothems  (Mrázik  1987;  Holúbek  &  Kleskeò 1993).  The

internal temperature ranges between 5.1–6.8 °C. The cave is

devoid of any permanent or ephemeral watercourses. Water is

pilled up only in small stepped rimstone pools (Fig. 2) located

in two places: in the Pearls Passage (Perlová chodba) and in

the Parliament Chamber (Parlament; Mrázik 1987). The depth

of the pools ranges from 2 cm to 6 cm and the size of the big-

gest is 1´1.2 m. The water is of HCO

3

–Ca–Mg type not dif-

fering from typical karst water in composition. Total dissolved

solids  (TDS)  fluctuates  between  302  and  432 mg/dm

3

.  The

saturation  index  (SI)  indicates  supersaturation  both  with  re-

spect to the aragonite and calcite (Gradziñski 2001).

Individual pools host a dozen to several hundred pisoids of

various sizes. Irregular rough surfaces, irregular subtle lamina-

Fig. 1. Location of Perlová Cave.

background image

200                                                                                           GRADZIÑSKI

tion and lack of a nucleus characterizes the pisoids (Fig. 3).

Low-Mg  calcite  is  the  only  autochthonous  carbonate  phase

that forms pisoids. The magnesium content in calcite does not

exceed 5600 ppm (i.e., 1.47 mole % of MgCO

3

). The pisoids

grow  due  to  physiological  processes  generated  by  chemo-

lithoautotrophic  hydrogen-oxidizing  bacteria.  The  bacteria

grow in the mucilaginous biofilm that occurs on the surface of

the pisoids (Fig. 4). Hydrogen-oxidizing bacteria actively up-

take CO

2

 from their surroundings (Aragno & Schlegel 1992)

resulting in a disequilibrium state of the solution and, conse-

quently, in precipitation of calcite upon the surface of pisoids.

Thus, the growth of the pisoids is controlled by bacterial meta-

bolic activity (Gradziñski 2001).

Materials and methods

Six rimstone pools with pisoids were selected for isotopic

examination. Three of these, P1, P5 and P6, were located in

the Pearls Passage and the other three, P8, P9 and P10, came

from the Parliament Chamber. Sampling of water for analysis

of isotopic composition in selected rimstone pools was car-

ried out twice: on November 11, 1998 and on May 19, 1999.

Eleven pisoids were selected for the analysis of stable isotope

composition. The diameters of the pisoids ranged from 1.2 to

2.5 cm.

Stable isotope ratios were analysed for the samples of water

and pisoids. The analyses of the water samples were conducted

in the Mass Spectrometry Laboratory of the Department of En-

vironmental Physics, the Faculty of Physics and Nuclear Engi-

neering,  Academy  of  Mining  and  Metallurgy,  Kraków.  The

procedure used was a standard procedure for the equilibration

of a sample with gaseous CO

2

 (

δ

18

O

w

) and reduction of water

on metallic uranium at a temperature of 650 °C (

δ

D). Oxygen

and  hydrogen  isotope  ratios  were  measured  using  a  FINNI-

GAN Delta S mass spectrometer. The analytical error for sin-

gle measurements is ±0.1 ‰ for 

δ

18

O

w

 and ±1 ‰ for 

δ

D. Sta-

ble  isotope  ratios  in  water  are  presented  here  vs.  SMOW

standard (cf. Hoefs 1997).

To  define  stable  carbon  and  oxygen  isotope  ratios  in  the

pisoids, samples of ca. 10 mg weight were taken with Dremel

drilling machine. Where possible, the samples were taken from

isochronous  horizons.  The  measurements  of  carbonates 

δ

13

C

and 

δ

18

O

c

 were conducted with a mass spectrometer SUMY in

the Institute of Geological Sciences, the Academy of Sciences

of Belarus in Minsk. The isotope ratios were measured in car-

bon dioxide obtained by way of reaction of the analysed sam-

ples with 100 % orthophosphoric acid. The carbon dioxide was

subsequently trapped in liquid nitrogen and purified in a vacu-

um. The analytical error for single measurements is ±0.2 ‰.

Stable carbon isotope ratios in the carbonate samples are pre-

sented here vs. PDB standard while stable oxygen isotope ra-

tios vs. both PDB and SMOW standards (the latter values are

given in brackets) to simplify the conducted calculations.

Some portions of each analysed calcite sample did not come

directly from the surface, but from the subsurface part of the

pisoids. It is due to the fact that, for technical reasons, the min-

imal mass of a calcite sample required for defining the content

of 

18

O is 10 mg. This resulted in contamination of the analysed

portion with the portion of calcite which had been precipitated

earlier (cf. Fig. 3). However, on the basis of insignificant year-

to-year  fluctuation  in  temperature  (Wigley  &  Brown  1976)

within caves as well as stable isotope composition in cave wa-

ter (see Harmon 1979; Yonge et al. 1985), one can assume that

it should not influence the measured stable isotope composi-

tion of the calcite.

Fig.  4.  Porous  mucilaginous  biofilm  covering  the  surface  of  cave

pisoid.

Fig. 3. Cross-section of pisoid from Perlová Cave, location of sample

taken for measurements of stable isotope composition is indicated.

Fig. 2. Stepped rimstone pools with pisoids, Pearls Passage, Perlová

Cave.

background image

BACTERIAL INFLUENCE ON SPELEOTHEM OXYGEN ISOTOPE COMPOSITION                               201

Results

The proportion of stable isotopes in water (D, 

18

O

w

) analy-

sed in two series are quite uniform (Table 1). This is in accor-

dance with the observations by Harmon (1979) and Yonge et

al.  (1985),  who  ascertained  that  the  isotopic  composition  of

percolating water is equal to the average annual isotopic com-

position of the rainwater in the catchment area. Admittedly,

the 

δ

D and 

δ

18

O

w

 values become more negative in the second

series of samples in comparison with the first one. This is no-

ticeable in pools P1 and P5. The shift is probably linked to so-

called seasonal effects (cf. Rozanski & Dulinski 1988). The

majority  of  the 

δ

18

O

c

  values  obtained  from  the  analysed

pisoids  range  from  –8.3 ‰  (22.3 ‰)  to  –5.0 ‰  (25.8 ‰),

with the exception of the 

δ

18

O

c

 value from one pisoid (sample

P6) which is 0.1 ‰ (31.0 ‰; Table 2).

calcite permitted a test of whether the process of crystalliza-

tion proceeded under equilibrium conditions. The test was car-

ried out using the dependence expressed by the equation for-

mulated  by  O’Neil  et  al.  (1969)  and  modified  later  by

Friedman & O’Neil (1977):

10

ln

α

c-w

 = 2.78 (10

T

–2

) – 2.89

              (1)

where T is the temperature of the process in Kelvin, and the

parameter 

α

c-w

 is the calcite–water fractionation factor, which

is expressed by equation as follows:

α

c-w 





&

&

+

+

δ

δ

O

O

c

w

                                                       (2)

The values of expression 10

ln

α

c-w

 for pisoids from Perlová

Cave were calculated using the equation 2 and the measured

values 

δ

18

O

w

  and 

δ

18

O

c

.  The  results  of  the  calculations

(10

ln

α

c-w

)  are  presented  in  Table  2.  As  the  values 

δ

18

O

w

measured in two series differed slightly from each other the

parallel calculations were made for both of them (in the case

of the pisoids from pools P1, P5, P8 and P9). Since the tem-

perature of crystallization is known, one can compare the ex-

pressions 10

ln

α

c-w

  and  2.78  (10

T

–2

) – 2.89,  which  should

be  equal  according  to  equation  1.  However,  the  comparison

reveals that these expressions are not equal. The above depen-

dencies are presented in Fig. 5, where it is shown that the cal-

culated values 10

ln

α

c-w

 fall above the equilibrium line. This

proves  that  the  crystallizing  calcite  is  enriched  in  the  heavy

oxygen isotope in relation to ambient water and that the ma-

jority of the analysed pisoids grew under conditions of dise-

quilibrium between the water and calcite.

Stable oxygen isotope fractionation

during the growth of pisoids in Perlová Cave

Several  possible  reasons  for  the  disequilibrium  conditions

between water and calcite ought to be considered. The dise-

quilibrium can be caused by: (i) rapid diffusion of CO

2

 from

solution to atmosphere; (ii) water evaporation; (iii) kinetic ef-

fects connected with the rate of calcite crystallization; (iv) in-

corporation  of  other  (besides  Ca

2+

)  cations  into  the  calcite

structure, and (v) the effects caused by metabolism of organ-

isms.

The rapid diffusion of CO

2

 from water to cave atmosphere

preferentially removes isotopically lighter molecules (C

16

O

2

)

from water (Usdowski et al. 1991). Thus, the above process

should lead to the relative increase of C

18

O

2

 content in water.

However,  oxygen  isotope  equilibration  between  dissolved

CO

2

  and  H

2

O  occurs  simultaneously  (Usdowski  &  Hoefs

1990), and can be expressed as follows:

C

18

O

2

 + H

2

16

O ® C

16

O

2

 + H

2

18

O                                  (3)

The systematic enrichment of dissolved CO

2

 remaining in

water in 

16

O is the effect of the equilibration process operating

during rapid diffusion of CO

2

.

Thus, the above processes should result in the crystalliza-

tion of calcite enriched in 

16

O (Guo et al. 1996). The only ex-

 

Pool 

number 

Sampling      

date 

@D         

[‰ SMOW] 

@

18

O        

[‰ SMOW] 

T      

[°C] 

T          

[K] 

11.11.1998 

– 69.9 

–10.51 

5.1 

278.1 

19.05.1999 

– 74.5 

–10.87 

5.8 

278.8 

11.11.1998 

– 72.0 

–10.54 

5.1 

278.1 

19.05.1999 

– 74.1 

–10.85 

5.9 

278.9 

11.11.1998 

– 70.9 

–10.49 

4.9 

277.9 

11.11.1998 

– 71.2 

–10.53 

5.0 

278.0 

19.05.1999 

– 70.7 

–10.43 

5.6 

278.6 

11.11.1998 

– 70.2 

–10.41 

4.9 

277.9 

19.05.1999 

– 70.3 

–10.25 

5.8 

278.8 

10 

11.11.1998 

– 72.8 

–10.70 

5.1 

278.1 

 

Table 2: Stable isotope composition of water and calcite from stud-

ied  pisoids  and  calculated  values  of  fractionation  factor  (expressed

as 10

lna

c-w

).

Table 1: D and 

18

O content in water from Perlová Cave, with mea-

sured temperature values.

 

Sample 

number 

@

13

C       

[‰ PDB] 

@

18

Oc        

[‰ SMOW] 

@

18

Oc      

[‰ PDB] 

@

18

Ow       

[‰ SMOW] 

10

3

ln=c-w 

P 1/1 

–5.3 

25.2 

–5.5 

– 10.51 

35.45 

P 1/1 

–5.3 

25.2 

–5.5 

– 10.87 

35.81 

P 1/3 

–3.9 

23.8 

–6.9 

– 10.51 

34.09 

P 1/3 

–3.9 

23.8 

–6.9 

– 10.87 

34.45 

P 1/8 

–6.3 

22.3 

–8.3 

– 10.51 

32.62 

P 1/8 

–6.3 

22.3 

–8.3 

– 10.87 

32.98 

P 1/9 

–6.7 

23.4 

–7.3 

– 10.51 

33.70 

P 1/9 

–6.7 

23.4 

–7.3 

– 10.87 

34.06 

P 5/6 

–7.5 

22.6 

–8.1 

– 10.54 

32.94 

P 5/6 

–7.5 

22.6 

–8.1 

– 10.85 

33.26 

P 6/3 

–5.0 

24.0 

–6.7 

– 10.49 

34.26 

P 6/5 

–4.6 

31.0 

   0.1 

– 10.49 

41.07 

P 8/2 

–5.6 

25.8 

–5.0 

– 10.53 

36.06 

P 8/2 

–5.6 

25.8 

–5.0 

– 10.43 

35.96 

P 9/1 

–6.4 

22.7 

–8.0 

– 10.41 

32.91 

P 9/1 

–6.4 

22.7 

–8.0 

– 10.25 

32.76 

P 9/2 

–6.5 

23.6 

–7.1 

– 10.41 

33.79 

P 9/2 

–6.5 

23.6 

–7.1 

– 10.25 

33.63 

P 9/4 

–5.9 

23.2 

–7.5 

– 10.41 

33.40 

P 9/4 

–5.9 

23.2 

–7.5 

– 10.25 

33.23 

P 10/2 

–6.3 

23.1 

–7.6 

– 10.70 

33.59 

 

Assuming that the calcite crystallizes in isotope equilibrium,

the content of 

18

O in the calcite depends on the content of 

18

O

in the ambient water and on the temperature of crystallization.

The knowledge of the temperature in the cave as well as the

content of 

18

O in the ambient water and the content of 

18

O in

background image

202                                                                                           GRADZIÑSKI

ception occurs when chemical reactions leading to the precipi-

tation of the CaCO

3

 proceed faster than the process of oxygen

isotope equilibration between CO

2

 and H

2

O. Such a process

occurs near springs fed by water overcharged with CO

2

 (cf.

Duliñski  et  al.  1995;  Guo  et  al.  1996),  but  not  in  a  typical

karst cave, such as Perlová Cave.

Evaporation should be regarded as the second process influ-

encing the content of 

18

O in calcite. Evaporation preferentially

removes lighter molecules H

2

16

O from water (Epstein & May-

eda 1953). This leads to the isotope disequilibrium between

water and dissolved CO

2

 and HCO

3

. Due to isotope re-equili-

bration the process expressed by equation (3) proceeds from

right to left. The CaCO

3

 crystallization under such conditions

results in systematic enrichment in the heavy oxygen isotope

of successively precipitated portions of CaCO

3

. However, the

precipitated CaCO

3

 still reflects the changes of 

18

O/

16

O ratio

in the water. Because CaCO

3

 precipitates in isotopic equilibri-

um with the ambient water, the only exception is in conditions

where  crystallization  proceeds  faster  than  isotopic  re-equili-

bration between dissolved CO

2

, HCO

3

 and H

2

O. In such cases

the  precipitated  calcite  would  be  more  enriched  in  the  light

isotope of oxygen than a carbonate system of the ambient wa-

ter  (see  e.g.,  Usdowski  et  al.  1979;  Dandurand  et  al.  1982;

Turi 1986; Chafetz et al. 1991; Chafetz & Lawrence 1994).

Therefore, the above mechanism cannot be applicable to Per-

lová Cave. It is noteworthy, that the relative humidity in deep-

er parts of single-entrance caves situated, like Perlová Cave,

in the temperate climate zone is very high and reaches over

95 % in summer and even 100 % in other seasons (Wigley &

Brown 1976). Thus evaporation in the studied cave seems not

to proceed at all or proceeds on a negligible scale.

The rate of crystallization may influence the isotopic com-

position of calcium carbonate (Chafetz et al. 1991; Dickson

1991; Chafetz & Lawrence 1994). The more rapid the process

of crystallization is, the more calcite is enriched in the light

isotope of oxygen (cf. Hoefs 1997). This leads in the opposite

direction to that detected in the studied pisoids. Therefore, the

rate of crystallization can be excluded from the factors con-

trolling isotope exchange between the ambient water and cal-

cite.  The  influence  of  other  cations  apart  from  Ca

2+

  should

also be excluded, because of the absence of their significant

admixture within the pisoids (cf. O’Neil et al. 1969; Mortimer

& Coleman 1997).

Therefore  another  explanation  is  to  be  sought.  The  most

plausible explanation deals with the physiology of the bacte-

ria.  Bacterial  physiology  may  cause  isotopic  disequilibrium

between water and calcite. Organisms show a metabolic pref-

erence  for  the  light  rather  than  the  heavy  isotope  (Ehrlich

1996, 1998). The phenomenon is known mainly in relation to

stable carbon isotopes (cf. Mertz 1992 and references quoted

herein). Preferential use of the light oxygen isotope is decid-

edly less known. Such effects have been found in foraminifer-

al tests and coral skeletons (Grossman 1987; McConnaughey

1989). As for the foraminifers it is demonstrated in the enrich-

ment of tests in the light isotope of oxygen (

16

O) due to the in-

corporation of isotopically light metabolic oxygen molecules

into the test (Grossman 1987). Recently, examples of fraction-

ation of the oxygen isotopes caused by the metabolic process-

es of bacteria have also been reported. Mortimer & Coleman

(1997) showed the influence of the bacteria Geobacter metal-

lireducens on the 

δ

18

O values of diagenetic siderite. Horita et

al. (1998) also reported a similar process in the iron oxides of

microbial origin.

As mentioned above, hydrogen-oxidizing bacteria occur in

the biofilm covering the studied pisoids. The bacteria change

the chemistry of their microenvironments by uptake of oxy-

gen either in the form of O

2

, which they use to obtain energy

from reaction of the synthesis of the water, or in the form of

CO

2

 used to build up the organic matter (Aragno & Schlegel

1992).

Oxygen isotope disequilibrium can be caused by the prefer-

ential uptake of the C

16

O

2

 molecules and/or by the preferen-

tial uptake of 

16

O

2

. It is not possible to determine which pro-

cess is of crucial significance. Each can result in the relative

depletion  of 

16

O

2

  in  the  bacterial  microenvironment,  that  is

within the biofilm. Since the biofilm is a zone isolated from

the external environment (Decho 2000) this depletion is not

sufficiently  quickly  re-equilibrated.  Therefore,  the  calcite

which grow around the bacterial cells within the biofilm is de-

pleted in the light isotope of oxygen.

The 

δ

13

C values of the studied pisoids fall in the range –6.7

to –3.9 (Table 2). It means that they do not differ from values

typical of carbonate speleothems (cf. Schwarcz 1986; Baker et

al.  1997).  Unfortunately,  it  was  impossible  to  carry  out  the

study of carbon isotopic composition of carbonate molecules

in the ambient solution. It was due to technical reasons (the

relatively small volume of the studied pools and relatively big

amount of water needed for analysis). Therefore, one cannot

decipher the fractionation of the stable isotopes of carbon be-

tween the carbonate molecules in the ambient water and the

growing pisoids.

The differences in 

δ

18

O

c

 values between the pisoids grow-

ing  in  the  single  pool  are  another  question  which  can  be

posed. They probably owe their origin to the variable intensity

of bacterial physiological processes existing on a microenvi-

ronmental  scale  and  their  intensity  can  change  over  a  very

short distance (cf. Chafetz et al. 1991). Local mechanical deg-

radation of a biofilm, which can cause faster re-equilibration

of the stable isotope composition between the biofilm and ex-

ternal environment, seems to be another explanation.

Fig. 5. Fractionation factor (expressed as 10

ln

α

c-w

) vs. temperature

(expressed as 10

T

–2

); triangles — values calculated for temperatures

of November, squares — values calculated for temperatures of May.

background image

BACTERIAL INFLUENCE ON SPELEOTHEM OXYGEN ISOTOPE COMPOSITION                               203

Conclusions

This  study  suggests  that  the  physiology  of  chemo-

lithoautotrophic hydrogen-oxidizing bacteria accounts for ex-

change of stable oxygen isotope occurring during the growth

of pisoids in Perlová Cave. This indicates that not only CO

2

diffusion and evaporation but also biological processes influ-

ence the oxygen isotope ratio within speleothems. It can be

assumed that these processes also have an effect on other spe-

leothems attributed to a microbial origin (Le Métayer-Levrel

et al. 1997; Northup & Lavoie 2001; Jones 2001). This sug-

gestion especially concerns moonmilk speleothems, which are

also  formed  by  mediation  of  hydrogen-oxidizing  bacteria

(Gradziñski et al. 1997).

Acknowledgments: The study is a part of the author’s PhD

thesis  prepared  under  the  supervision  of  Prof.  A.  Radomski

(Institute  of  Geological  Sciences,  Jagiellonian  University,

Kraków, Poland). The author wishes to thank Peter Holúbek

for  field  assistance,  Jadwiga  Faber  for  taking  SEM  photo-

graphs,  and  to  Dr.  Marek  Duliñski  (Faculty  of  Physics  and

Nuclear  Technics,  University  of  Mining  and  Metallurgy,

Kraków,  Poland)  for  discussion.  Thanks  also  go  to  Dr.

Joachim Szulc (Institute of Geological Sciences, Jagiellonian

University)  for  constructive  comments  on  an  early  draft  of

this paper. The study was financed by the State Committee for

Scientific Research (KBN) Grant No. 6PO4D 019 14. M.G. is

supported  by  the  Foundation  for  Polish  Sciences  (Prof.  J.

KaŸmierczak Grant for Researchers). Criticism of Dr. Pavel

Bosák (Institute of Geology, Czech Academy of Sciencs), Dr.

Micha³ Gruszczyñski (Institute of Paleobiology, Polish Acad-

emy of Sciences, Warszawa, Poland) and two anonymous re-

viewers helped to improve the manuscript.

References

Aragno M. & Schlegel H.G. 1992: The mesophilic hydrogen-oxy-

dizing (knallgas) bacteria. In: Balows A., Trüper H.G., Dwor-

kin M., Harder W. & Schleifer K.H. (Eds.): The prokaryotes. A

handbook on the biology of bacteria: Ecophysiology, isolation,

identification,  applications.  Volume  III.  Springer,  New  York,

344–384.

Baker  A.,  Ito  E.,  Smart  P.L.  &  McEwan  R.F.  1997:  Elevated  and

variable values of 

13

C in speleothems in a British cave system.

Chem. Geol. 136, 263–270.

Chafetz  H.S.  &  Lawrence  J.R.  1994:  Stable  isotopic  variability

within  modern  travertines.  Géographie  Physique  et  Quater-

naire 48, 257–273.

Chafetz H.S., Rush P.F. & Utech N.M. 1991: Microenvironmental

controls  on  mineralogy  and  habit  of  CaCO

3

  precipitates:  An

example  from  an  active  travertine  system.  Sedimentology  38,

107–126.

Dandurand  J.L.,  Gout  R.,  Hoefs  J.,  Menschel  G.,  Schott  J.  &  Us-

dowski  E.  1982:  Kinetically  controlled  variations  of  major

components  and  carbon  and  oxygen  isotopes  in  a  calcite-pre-

cipitating spring. Chem. Geol. 36, 299–315.

Decho A.D. 2000: Exopolymer microdomains as a structuring agent

for  heterogeneity  within  microbial  mats.  In:  Riding  R.E.  &

Awramik S.M. (Eds.): Microbial Sediments.  Springer, Berlin,

9–15.

Dickson  J.A.D.  1991:  Disequilibrium  carbon  and  oxygen  isotope

variations in natural calcite. Nature 353, 842–844.

Droppa  A.  1975:  Karsterscheinungen  im  Belianska-Tal  in  der

Großen  Fatra.  Slov.  Kras  13,  107–129  (in  Slovak,  German

summary).

Duliñski M., Grabczak J., Kostecka A. & Wêc³awik S. 1995: Stable

isotope composition of spelean calcites and gaseous CO

2

 from

Tylicz (Polish Carpathians). Chem. Geol. 125, 271–280.

Ehrlich  H.L.  1996:  Geomicrobiology.  Marcel  Dekker,  New  York,

1–719.

Ehrlich  H.L.  1998:  Geomicrobiology:  its  significance  for  geology.

Earth Sci. Rev. 45, 45–60.

Epstein S. & Mayeda T. 1953: Variation of 

18

O content of waters

from natural sources. Geochim. Cosmochim. Acta 4, 213–234.

Friedman I. & O’Neil J.R. 1977: Compilation of stable isotope frac-

tionation  factors  of  geochemical  interest.  In:  Fleischer  M.

(Ed.): Data of geochemistry. Geol. Surv. Profess. Pap. (Wash-

ington) 440–KK, 1–12.

Gascoyne  M.  1992:  Paleoclimate  determination  from  cave  calcite

deposits. Quaternary Science Reviews 11, 609–632.

Gradziñski M. 2001: Role of bacteria in the growth of cave pearls.

In:  13

th

  International  Congress  of  Speleology.  Proceedings,

Brasilia, S1, 205.

Gradziñski  M.,  Szulc  J.  &  Smyk  B.  1997:  Microbial  agents  of

moonmilk calcification. In: Jeannin P.Y. (Ed.): Proceedings of

the 12

th

 International Congress of Speleology, Volume 1. Swiss

Speleological Society, La Chaux-de-Fonds, 275–278.

Grossman  E.L.  1987:  Stable  isotopes  in  modern  benthic  foramin-

ifera: a study of vital effect. J. Foram. Res. 17, 48–61.

Guo L., Andrews J., Riding R., Dennis P. & Dresser Q. 1996: Possi-

ble  microbial  effects  on  stable  carbon  isotopes  in  hot-spring

travertines. J.  Sed. Res. 66, 468–473.

Harmon R.S. 1979: An isotopic study of groundwater seepage in the

central Kentucky Karst. Wat. Resour. Res. 15, 476–480.

Hendy C.H. 1971: The isotopic geochemistry of speleothems. I. The

calculation of the effects of different modes of formation on the

isotopic composition of speleothems and applicability as palaeo-

climatic indicators. Geochim. Cosmochim. Acta 35, 801–824.

Hoefs J. 1997: Stable isotopes geochemistry. Springer, Berlin, 1–201.

Holúbek P. & Kleskeò J. 1993: Discoveries in Perlová Cave. Spra-

vodaj  Slovenskej  Speleologickej  Spoloènosti  23,  2,  20–22  (in

Slovak).

Horita J., Cole D.R., Zhang C., Phelps T.J., Liu S.V., Valley J.W. &

Kayashi K.I. 1998: Geochemical study of the microbial and in-

organic precipitation of magnetite and siderite at low tempera-

tures. Mineral. Mag. 62A, 651–652.

Jones B. 2001: Microbial ativity in caves — A geological perspec-

tive. Geomicrobiology Journal 18, 345–357.

Le Métayer-Levrel G., Castanier C., Loubière J.F. & Perthuisot J.P.

1997:  La  carbonatogenèse  bacteriénne  dans  les  grottes.  Étude

su  MEB  d‘une  hélictite  de  Clamouse,  Hérault,  France.  C.  R.

Acad. Sci. 325, 179–184.

Mahe¾ M. 1968: The Mesozoic. In: Mahe¾ M. & Buday T. (Eds.):

Regional  Geology  of  Czechoslovakia.  Part  II.  The  West  Car-

pathians. Geol. Surv. Czech. Acad. Praha, 138–143.

McConnaughey T. 1989: 

13

C and 

18

O isotopic disequilibrium in bio-

logical carbonates: II. In vitro simulation of kinetic isotope ef-

fects. Geochim. Cosmochim. Acta 53, 163–171.

Merz  M.U.E.  1992:  The  biology  of  carbonate  precipitation  by  cy-

anobacteria. Facies 26, 81–102.

Mortimer R.J.G. & Coleman M.L. 1997: Microbial influence on the

oxygen  isotopic  composition  of  diagenetic  siderite.  Geochim.

Cosmochim. Acta 61, 1705–1711.

Mrázik P. 1987: Perlová Cave. Spravodaj Slovenskej Speleologickej

Spoloènosti 18 (1–2), 24–27 (in Slovak).

Northup D. & Lavoie K.H. 2001: Geomicrobiology of caves: A re-

background image

204                                                                                           GRADZIÑSKI

view. Geomicrobiology J. 18, 199–222.

O’Neil  J.R.,  Clayton  R.N.  &  Mayeda  T.K.  1969:  Oxygen  isotope

fractionation in divalent metal carbonates.  J. Chem. Phys. 51,

5547–5558.

Rozanski K. & Dulinski M. 1988: A recoinnaissance isotope study

of waters in the karst in the West Tatra Mountains. Catena 15,

289–301.

Schwarcz H.P. 1986: Geochronology and isotopic geochemistry of

speleothems.  In:  Fritz  P.  &  Fontes  J.Ch.  (Eds):  Handbook  of

environmental isotope geochemistry. Volume 2. The terrestrial

environment, B. Elsevier, Amsterdam, 271–303.

Turi B. 1986: Stable isotope geochemistry of travertines. In: Fritz P.

&  Fontes  J.Ch.  (Eds):  Handbook  of  environmental  isotope

geochemistry.  Volume  2.  The  terrestrial  environment,  B.

Elsevier, Amsterdam, 205–238.

Usdowski E. & Hoefs J. 1990: Kinetic 

13

C/

12

C and 

18

O/

16

O effects

upon  dissolution  and  outgassing  of  CO

2

  in  the  system  CO

2

-

H

2

O. Chem. Geol. 80, 109–118.

Usdowski E., Hoefs J. & Menschel G. 1979: Relationship between

13

C and 

18

O fractionation and changes in major element com-

position  in  a  recent  calcite-depositing  spring.  A  model  of

chemical variations with inorganic CaCO

3

 precipitation. Earth

Planet. Sci. Lett. 42, 267–276.

Usdowski E., Michaelis J., Böttcher M.E. & Hoefs J. 1991: Factors

for  the  oxygen  isotope  equilibrium  fractionation  between

aqueos and gaseous CO

2

, carbonic acid, bicarbonate, and water

(19 °C). Zeitschrift für Physikalische Chemie 170, 237–249.

Wigley T.M.L. & Brown M.C. 1976: The physics of caves. In: Ford

T.D. & Cullingford C.H.D. (Eds.): The science of speleology.

Academic Press, London, 329–358.

Yonge C.J., Ford D.C., Gray J. & Schwarcz H.P. 1985: Stable iso-

tope studies of cave seepage water. Chem. Geol. 58, 97–105.