明城墻微生物調(diào)查及微型藻類腐蝕城墻效應(yīng)探究

蔡曉琛，孫莉莉，萬(wàn)　俐，黃　成

(1. 南京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，江蘇南京　210023； 2. 南京博物院，江蘇南京　210016)

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明城墻微生物調(diào)查及微型藻類腐蝕城墻效應(yīng)探究

蔡曉琛1，孫莉莉1，萬(wàn)俐2，黃成1

(1. 南京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，江蘇南京210023； 2. 南京博物院，江蘇南京210016)

摘要：本研究采用掃描電鏡觀察與生物培養(yǎng)相結(jié)合的方法，考察了南京明城墻表面的微生物種群。本研究發(fā)現(xiàn)地衣、大型真菌、絲狀真菌、藍(lán)細(xì)菌、綠藻和硅藻在城墻上大量存在。此外，在無(wú)地衣及蘚類覆蓋的城磚上，核心自養(yǎng)生物以石生硅藻(Achnanthes lauenburgiana Hustedt)和北方羽紋藻(Pinnularia borealis Ehrenberg)為主，并伴生絲狀真菌。對(duì)城磚生物風(fēng)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，藻類對(duì)城磚具有一定的侵蝕作用(53.65mg/m2 ·yr)。本研究的結(jié)果補(bǔ)充了明城墻微生物種群，及硅藻在陸生環(huán)境下風(fēng)化硅酸巖礦物研究上的空缺，并為明城墻對(duì)藻類微生物腐蝕的防治提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：明城墻保護(hù)；明城墻微生物；藻類腐蝕硅酸巖機(jī)理

0　引　言

南京明城墻是我國(guó)古代軍事的防御設(shè)施，也是城垣建造技術(shù)的集大成之作，保存至今已有600余年，因風(fēng)雨侵蝕和人為破壞，外郭、皇城及宮城僅存部分殘跡，但城墻現(xiàn)存仍可達(dá)25.091km。南京明城墻氣度恢宏、結(jié)構(gòu)牢固、設(shè)施完善，不僅是我國(guó)，也是目前世界上規(guī)模最大的都城城墻[1]。1998年南京城墻被公布為全國(guó)重點(diǎn)文物。2012年11月，又作為“中國(guó)明清城墻”項(xiàng)目列入中國(guó)申遺預(yù)備名單。如何使歷經(jīng)600年歲月洗禮的城墻屹立不倒，與都市大樓、鐘山風(fēng)景和諧相處，是南京城市發(fā)展的重要課題。系統(tǒng)的調(diào)查、科學(xué)的指導(dǎo)、協(xié)調(diào)城墻周邊生態(tài)環(huán)境與整治危害墻體的生物，是城市規(guī)劃成功的基礎(chǔ)。目前，有關(guān)明城墻生物群落及其對(duì)城墻影響的研究主要集中在木本植物根系對(duì)城墻漲裂的危害[2]，尚無(wú)對(duì)城墻微生物調(diào)查的研究。微生物的巖石風(fēng)化作用在加速全球元素循環(huán)中有著重要的地位，其對(duì)各種巖石的風(fēng)化機(jī)理及對(duì)石刻文物的影響也逐漸受到重視，成為微生物領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題[3，4]。南京明城墻磚體以石英和長(zhǎng)石為主要礦物類型[5]，是典型的硅酸巖生境，多種植物攀附在其表面及周圍[2]。有研究發(fā)現(xiàn)，明城墻黏結(jié)材料為糯米石灰漿，至今仍有糯米成分殘留[6]。明城墻的這些結(jié)構(gòu)成分都為微生物的生長(zhǎng)提供了條件，微生物的活動(dòng)可能會(huì)影響到城墻上具有重要?dú)v史價(jià)值的“磚銘文”的保存，也可能為植物種子的萌發(fā)提供條件。本研究通過(guò)調(diào)查明城墻表面的微生物類群，并分選其中對(duì)墻體有危害的種類，探究其侵蝕墻面的機(jī)理，為明城墻微生物腐蝕的防治提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料采集

以實(shí)地勘察的方式對(duì)城墻表面肉眼可見的真菌、地衣的類型及其各自的生態(tài)位進(jìn)行記述、采集、顯微觀察。所有的考察點(diǎn)均進(jìn)行全年跟蹤觀察。

對(duì)中華門、玄武湖、琵琶湖段城墻的黏結(jié)材料和城磚表面生物覆層進(jìn)行采樣。用15mL滅菌塑料離心管封裝，培養(yǎng)樣品當(dāng)日處理，電鏡樣品4℃保存，一周內(nèi)取用。

1.2藻類的培養(yǎng)及純化

樣品采集后立即在超凈臺(tái)內(nèi)用無(wú)菌水流水清洗5min，以除去樣品表面塵土，之后紫外線消毒15min。再將消毒過(guò)的樣品碎片平鋪于藻類固體培養(yǎng)基(BBM培養(yǎng)基，MDM培養(yǎng)基，1%水瓊脂培養(yǎng)基[7])表面，全光照富集培養(yǎng)4周。對(duì)于生長(zhǎng)出菌絲的樣品，先將其菌絲在PDA培養(yǎng)基上分離純化，再將樣品藻類接種在相應(yīng)固體培養(yǎng)基上繼續(xù)培養(yǎng)。

用滅菌針頭挑取樣品上的藻球及綠斑，分別在藻類固體培養(yǎng)基(BBM，3×N BBM，MDM培養(yǎng)基)上劃線，單菌落重復(fù)劃線2次。培養(yǎng)一段時(shí)間后，挑取單菌落接種到相應(yīng)藻類液體培養(yǎng)基中。

1.3掃描電鏡樣品的制備及觀察

樣品制備。制備的電鏡樣品分為四種類型：原位采集的城磚樣品、光照富集后的城磚樣品、接種后的城磚樣品、純培養(yǎng)的藻類樣品。其中，前三類樣品分別在37℃烘箱中干燥脫水1h，再在真空條件下噴金鍍層。制備純培養(yǎng)藻類電鏡樣品方式如下：取9mL藻類懸液于滅菌離心管中，加入1mL 25%戊二醛，渦旋30s，4℃固定2h。用針頭濾器將液體濾出，用10mL PBS溶液清洗濾膜，用5mL濃度分別為25%，50%，75%，95%，100%的乙醇溶液依次清洗濾膜。在超凈臺(tái)內(nèi)將濾膜取出，黏貼在蓋玻片上，待乙醇揮發(fā)完全后取出，真空條件下噴金鍍層。

顯微觀察。取100uL液體培養(yǎng)基培養(yǎng)的藻懸液在光學(xué)顯微鏡下觀察藻類形態(tài)，依據(jù)相關(guān)工具書[8-10]對(duì)培養(yǎng)綠藻進(jìn)行鑒定。

電鏡觀察。實(shí)驗(yàn)所用電鏡為日本Hitachi公司S-3400NⅡ掃描電子顯微鏡。30kV下對(duì)樣品進(jìn)行觀察，并對(duì)生物結(jié)構(gòu)進(jìn)行形態(tài)描述及能譜元素分析。記錄電鏡觀察結(jié)果，并參照工具書[8，10]鑒定硅藻。

1.4風(fēng)化實(shí)驗(yàn)

1.4.1磚塊接種風(fēng)化實(shí)驗(yàn)

將磚面切割為2cm×2cm×0.5cm的體積，用30%H2O2清洗除菌后，分別接種純培養(yǎng)藻類菌液、藻類真菌混合培養(yǎng)液，在光照培養(yǎng)箱全日照條件下培養(yǎng)100天。實(shí)驗(yàn)設(shè)置見表1。培養(yǎng)結(jié)束后，制備掃描電鏡樣品，觀察分析微生物在城磚上的分布及腐蝕情況。

表1　磚塊接種風(fēng)化實(shí)驗(yàn)設(shè)置

接種液量為50uL，“+”表示添加該物質(zhì)，“-”表示不添加該物質(zhì)。

1.4.2磚粉培養(yǎng)液風(fēng)化實(shí)驗(yàn)

1) 培養(yǎng)條件

避開城磚表面侵蝕層，取其表面以下3～5cm部位的城磚，粉碎，過(guò)200目篩。稱取10.00g過(guò)濾后的磚粉，于150mL錐形瓶中，加入100mL培養(yǎng)液后在121℃滅菌20min。滅菌后冷卻至室溫并在超凈臺(tái)中，加入1mL純培養(yǎng)藻類懸液(1012cell/L)，移至20℃光照培養(yǎng)箱靜置培養(yǎng)100d，定期旋搖，測(cè)量pH并用血球計(jì)數(shù)板對(duì)藻類細(xì)胞計(jì)數(shù)。對(duì)照組及實(shí)驗(yàn)組設(shè)置見表1～2。

表2　磚石粉末生物風(fēng)化實(shí)驗(yàn)設(shè)置

接種液量為50uL，“+”表示添加該物質(zhì)，“-”表示不添加該物質(zhì)。

2) 檢測(cè)內(nèi)容

燒失量檢測(cè)。對(duì)磚粉樣品焚燒測(cè)定燒失量。檢測(cè)委托南京大學(xué)現(xiàn)代分析中心進(jìn)行。

無(wú)標(biāo)樣元素半定量檢測(cè)。用X射線熒光光譜儀ARL-9800進(jìn)行無(wú)標(biāo)樣元素半定量檢測(cè)。檢測(cè)委托南京大學(xué)現(xiàn)代分析中心進(jìn)行。

3) 統(tǒng)計(jì)分析

燒失量檢測(cè)及無(wú)標(biāo)樣元素半定量檢測(cè)結(jié)果分析。用UNIQUANT軟件進(jìn)行分析。

溶出吸收離子檢測(cè)結(jié)果分析。用XLSTAT 2015對(duì)離子含量、藻類數(shù)目進(jìn)行方差分析及主成分分析。計(jì)算藻類對(duì)磚石粉末培養(yǎng)液離子濃度變化的影響，分析離子溶出與各物化因素、生物因素的相關(guān)性，并推測(cè)溶解機(jī)理。根據(jù)鋁的溶出量計(jì)算磚石粉末的溶解量。

2　結(jié)果與分析

2.1地衣、大型真菌、微生物在城墻表面的分布

1) 地衣。城墻上生長(zhǎng)的地衣為灰綠色的，在不同高度的墻磚及磚縫中呈集群分布，菌落的直徑范圍為0.5～8cm，有時(shí)覆蓋整塊磚面(圖1)。菌落在一年四季均有存在。

圖1　城墻表面的地衣Fig.1　The wall surface lichen

2) 大型真菌。大型真菌只在秋季時(shí)節(jié)才出現(xiàn)在城墻根部城磚上，每塊墻磚上長(zhǎng)15個(gè)子實(shí)體。子實(shí)體直徑在0.8 cm左右，形似耳朵，呈淡橘色，有的個(gè)體生長(zhǎng)有絨毛狀菌絲(圖2～3)。

圖2　生長(zhǎng)在城墻根部城磚上的大型菌的分布狀況Fig.2　The root of wall bricks macro fungi

圖3　城磚上大型真真菌(近照)Fig.3　Fungal fruiting bodies on the brick

3) 微生物。通過(guò)對(duì)原位樣品的掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，城墻表面有絲狀真菌、硅藻、綠藻等微生物。絲狀真菌分布在城磚表面及石灰類黏結(jié)材料上，有時(shí)覆蓋整片區(qū)域；硅藻成群聚集在城墻表面的微裂縫中；綠藻多與真菌、硅藻等混生在微裂縫中(圖4～5)。

圖4　城墻表面的真菌覆蓋層原位掃描電鏡圖Fig.4　Fungus cover on the wall surface under electron microscope in-situ scanning

圖5　城墻表面裂縫部的綠藻(左下方球狀結(jié)構(gòu))、 絲狀真菌原位掃描電鏡圖Fig.5　Green algae (the globular structure in the left of bottom) and filamentous fungi in the wall surface cracks under electron microscope in-situ scanning

2.2可實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的藻類

非地衣及蘚類覆蓋的城墻表面有豐富的藻類，其中可培養(yǎng)藻類包括硅藻、綠藻及藍(lán)藻。

硅藻中的原位物種主要為曲殼藻目的石生硅藻(AchnantheslauenburgianaHustedt)(圖6)及單殼縫目，舟形藻科，羽紋藻屬的北方羽紋藻(PinnulariaborealisEhrenberg)(圖8)。

圖6　中華門段城墻表面微裂縫部的石生硅藻原位電鏡掃描圖(放大倍數(shù)從左至右漸增)Fig.6　In-situ electron microscope scanning of Achnanthes lauenburgiana Hustedt in the Zhonghuamen wall surface micro cracks (The magnification increases from left to right)

圖7　純培養(yǎng)硅藻的電鏡掃描照Fig.7　Electron micrograph scanning of pure cultured diatom

由圖6中華門段城墻電鏡原位觀察圖可以看出，聚集在城墻表面微裂縫部的石生硅藻，常多個(gè)相連貼附在城磚表面。

根據(jù)圖7純培養(yǎng)硅藻的掃描電鏡照可以看出，硅藻呈圓餅形，直徑約為10μm，寬度約為5μm。此類硅藻常單個(gè)或多個(gè)堆疊生長(zhǎng)，以膠狀物質(zhì)相連在城墻表面。殼縫只存在于每個(gè)硅藻殼的一個(gè)殼面，從殼面看，兩個(gè)殼面線紋間隔大致相同，線紋密度大約20條/10μm，無(wú)殼縫面的馬蹄形不明顯。經(jīng)鑒定為擬殼縫目石生硅藻。

圖8　北方羽紋藻與石生硅藻及絲狀真菌共同生原位電鏡掃描圖(放大倍數(shù)從左至右漸增)Fig.8　Electron micrograph scanning of minor wall surface crack Pinnularia borealis Ehrenberg living together with Achnantheslauenburgiana Hustedt and filamentous fungi (The magnification increases from left to right)

由圖8可以看出，北方羽紋藻常多個(gè)相連貼附在城墻表面，與石生硅藻(AchnantheslauenburgianaHustedt)及絲狀真菌共同生長(zhǎng)在裂縫部。通過(guò)觀察掃描電鏡的北方羽紋藻近照，可見其橫肋紋。該硅藻呈橢圓形，殼面具有平滑的橫肋紋，在10μm約有15條左右，長(zhǎng)度30至40μm。經(jīng)鑒定為北方羽紋藻(PinnulariaborealisEhrenberg)。

城墻表面的可培養(yǎng)綠藻主要是綠藻門、綠球藻目、小球藻科、小球藻屬及鼓藻目、鼓藻科的藻類，其中小球藻屬藻類亦在原位樣品的掃描電鏡觀察中發(fā)現(xiàn)。光照培養(yǎng)1個(gè)月后的原位電鏡掃描照見圖9。

圖9　城磚表面樣品純培養(yǎng)后生長(zhǎng)的絲狀真菌Fig.9　Electron micrograph scanning of pure cultured algae

藍(lán)藻門共分離出一種可培養(yǎng)藻類，為藍(lán)藻綱、色球藻目、色球藻科、色球藻屬的石棲色球藻(ChroococuslithopilusErecgovic)。

2.3城磚實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.3.1城磚成分分析按最高價(jià)氧化物的質(zhì)量百

分?jǐn)?shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，超過(guò)10%的元素有：Si(61.22%)，Al(17.33%)。1%～10%的元素有：K(4.11%)，F(xiàn)e(3.79%)。0.1%～1%的元素有：Mg(0.85%)，Ti(0.68%)，Ca(0.46%)，Na(0.49%)，P(0.14%)。據(jù)此推測(cè)，城磚中主要成分為二氧化硅、硅酸鋁及其它硅酸酸鹽(文獻(xiàn)報(bào)道為二氧化硅和長(zhǎng)石[5])。由燒失量檢測(cè)結(jié)果(10.69%)可知，城磚含有一定量的碳酸鹽及水分(文獻(xiàn)報(bào)道水分含量為1.23%[5])。城磚中含有的鉀、鐵、鎂、鈦、鈣、鈉、磷在常量范圍，此外，還含有多種生物必需的微量元素。城磚的這些成分可為生物的生長(zhǎng)提供潛在的無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)環(huán)境。

2.3.2磚塊接種風(fēng)化實(shí)驗(yàn)石生硅藻磚塊接種風(fēng)化實(shí)驗(yàn)表明，硅藻主要生長(zhǎng)在磚面微裂縫中，無(wú)裂縫磚面鮮有分布，且無(wú)明顯腐蝕坑。這一結(jié)果與原位觀察到的硅藻分布情況一致。

石生硅藻與純培養(yǎng)真菌共接種在磚塊上進(jìn)行風(fēng)化實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其可與絲狀真菌伴生在一些無(wú)裂縫的磚面上(圖10)。這種空間分布特點(diǎn)可能是因?yàn)檎婢拇嬖跒樵孱愄峁┝烁玫乃直３謼l件，但此推想有待進(jìn)一步研究。

圖10　真菌、硅藻共接種磚塊光照培養(yǎng)后電鏡掃描Fig.10　Electron micrograph scanning of fungi and diatom co-inoculated on brick after light culture

由圖10可以看出，真菌和硅藻共接種的磚塊，光照培養(yǎng)百日后，磚塊表面布滿絲狀真菌，硅藻伴生于菌絲之中。

2.3.3磚粉培養(yǎng)液風(fēng)化實(shí)驗(yàn)

1) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果

百日光照培養(yǎng)后各對(duì)照及實(shí)驗(yàn)組元素含量及溶液pH值進(jìn)行主成分分析(表3，5，6)、相關(guān)性分析(表4)。

表3　主成分的特征值，變異性及累積值

表4　相關(guān)性矩陣

圖11　變量—主因子合成圖Fig.11　Variability-principal component synthetic plot

圖12　F1，F(xiàn)2累積成分合成圖Fig.12　Cumulative component of F1， F2 synthetic plot

由圖11可以看出，Mg，Ca，Al，K，Si位于第一象限，與磚石粉末相關(guān)系數(shù)高(>85%)，推測(cè)其主要來(lái)源于磚石粉末。圖12中，按主成分F1， F2對(duì)各組進(jìn)行作圖。對(duì)照組A，B，C分別位于不同象限，實(shí)驗(yàn)組三個(gè)重復(fù)聚類在第四個(gè)象限。

圖13　對(duì)照組A，B，C 在光照100日后的離子含量直方圖Fig.13　The ion content and pH of control group A，B，C after 100 days light cultivation

圖13中，對(duì)照組A只添加BBM液體培養(yǎng)基，對(duì)照組B在BBM液體培養(yǎng)基的基礎(chǔ)上添加1mL藻類懸液，對(duì)照組C添加BBM液體培養(yǎng)基及磚石粉末。對(duì)照組與實(shí)驗(yàn)組在相同光照條件下培養(yǎng)100日。

2) 腐蝕速率計(jì)算

扣除空白后，實(shí)驗(yàn)組Al溶出量△Al為0.07511mg(平均絕對(duì)偏差0.0003125)(圖14)。根據(jù)XRF光譜儀測(cè)得的城磚Al元素含量計(jì)算溶解的城磚質(zhì)量。假定磚石粉末的有效接觸面積為其表面積(200目粉末直徑為0.074cm)。查文獻(xiàn)知城磚真密度為2.75g/cm3，依此計(jì)算藻類單位面積年腐蝕量。

其中m=10.00g；ρ=2.75g/cm3；

r=0.037cm；ωAl%=17.33%

實(shí)驗(yàn)條件下，磚石的年腐蝕質(zhì)量為1.5819mg；有效作用面積為294.84cm2；年腐蝕速率為53.65mg/m2(誤差0.04%)。如果按單面城墻的長(zhǎng)20km，高為12m計(jì)算，則其飽和布滿硅藻時(shí)的年腐蝕量為12.87kg，這一數(shù)量級(jí)與有關(guān)研究中報(bào)道的地衣、蘚類植物腐蝕巖石的速率數(shù)量級(jí)相當(dāng)[11]。在野外環(huán)境中，由于水分、溫度、光照等生態(tài)因子的波動(dòng)，硅藻在城墻表面分布的集群及空間偏好(主要生長(zhǎng)在磚面的微裂縫中)等因素的影響，因而城磚的年腐蝕速率可能小于這一數(shù)值。

3　討　論

3.1關(guān)于研究方法

城墻表面的生物覆層較薄但與磚面附著緊密，部分城磚表面生物量較小，難以直接分離。采樣過(guò)程空氣粉塵沉降會(huì)不可避免地對(duì)實(shí)驗(yàn)研究材料造成污染，為研究帶來(lái)困難。本研究首先通過(guò)掃描電鏡對(duì)城墻表面的微生物進(jìn)行觀察，鑒定發(fā)現(xiàn)其上著生有絲狀真菌、硅藻、綠藻。由于石生微生物培養(yǎng)周期較長(zhǎng)，若期間有細(xì)菌、真菌污染，極易在富集培養(yǎng)基上覆蓋原有微生物種群，造成實(shí)驗(yàn)的失敗。對(duì)此，本實(shí)驗(yàn)采用無(wú)機(jī)藻類培養(yǎng)基對(duì)城磚樣品進(jìn)行光照預(yù)富集，利用掃描電鏡觀察實(shí)驗(yàn)室富集培養(yǎng)下城磚磚面的微生物分布。在此基礎(chǔ)上，分離純化出可純培養(yǎng)的藻類。通過(guò)比對(duì)原位及培養(yǎng)各階段藻類的電鏡特征(主要是紋飾特征)確認(rèn)其中的原位種類。這種排除實(shí)驗(yàn)材料污染，培養(yǎng)純化藻類的方法是本研究的創(chuàng)新之處。本實(shí)驗(yàn)所用的鑒別方法及各方法下微生物統(tǒng)計(jì)見表5。

圖14　扣除對(duì)照組C后，實(shí)驗(yàn)組各離子及元素濃度變化Fig.14　Element content variance of experiment group after Mius the concentration of control group C表5　城墻表面不同微生物的存在證據(jù)Table 5　Summary on evidence show the existence of each kind microbe on the wall

+表明有相應(yīng)研究方法的證據(jù)。

3.2明城墻上的微生物及其腐蝕效應(yīng)

Golubic等在1981年按照微生物與巖石的位置關(guān)系將巖生生物分為三類[12]：石內(nèi)生(Endoliths)、石外生(Epiliths)、石下生(Hypoliths)，其中石內(nèi)生又分為石縫生(Chasmoendoliths)、隱藏石內(nèi)生(Cryptoendoliths)及真石內(nèi)生生物(Euendoliths)。石外生生物在巖石表面生長(zhǎng)。石內(nèi)生生物是三類生長(zhǎng)在巖石內(nèi)部生物的統(tǒng)稱：石縫生生物生長(zhǎng)在巖石裂縫中；隱藏石內(nèi)生生物在孔巖的空穴內(nèi)生長(zhǎng)；真石內(nèi)生生物穿透巖石，依其生物結(jié)構(gòu)形成隧道，在巖石內(nèi)生長(zhǎng)。石下生生物生活在卵石、小石頭下或土壤中。不同巖石生態(tài)位光照強(qiáng)度、紫外線強(qiáng)度、溫差、保水、透氣能力會(huì)有差異，在條件較為極端的沙漠、極地環(huán)境中，因巖石提供的遮蔽作用，石內(nèi)生生態(tài)位往往更為有利。環(huán)境因子分布的差異并沒(méi)有限制同種生物在兩種及其以上巖石生態(tài)位的分布。事實(shí)上，石生生物的分布多為是重疊的，但大部分石生生物都生活在巖石表面及其下1cm深度的范圍內(nèi)[13]。

本研究的南京明城墻微生物屬于石外生微生物種群，該種群在整個(gè)石生境生態(tài)位中占絕大部分生物量[13]。城墻表面的微生物是南京明城墻微生物的主要種群，其對(duì)城墻的表面腐蝕，影響其上磚銘文的保護(hù)及研究。本實(shí)驗(yàn)對(duì)城墻表面1cm以下切片樣品的掃描電鏡觀察結(jié)果未發(fā)現(xiàn)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的生物結(jié)構(gòu)出現(xiàn)。

4　結(jié)論與展望

本研究發(fā)現(xiàn)的城墻微生物類型包括地衣、大型真菌、絲狀真菌、放線菌、硅藻、綠藻及藍(lán)藻。其中非殼狀地衣、絲狀真菌、放線菌，藍(lán)藻對(duì)城墻的風(fēng)化效應(yīng)為表面腐蝕，有研究報(bào)道其風(fēng)化機(jī)理主要是：菌絲機(jī)械漲裂作用[13]；分泌有機(jī)酸促進(jìn)巖石中Na、K、Ca等解離；通過(guò)離子泵不斷吸收溶解的離子促進(jìn)巖石溶解[4，15]；增加水巖作用時(shí)間，促進(jìn)巖石物理風(fēng)化[16]。此外，有研究表明藍(lán)藻在進(jìn)行光合作用時(shí)會(huì)降低微環(huán)境中的CO2濃度，提高pH，促使硅酸鹽礦物中硅酸根的解離[17,18]。對(duì)其它光合微生物來(lái)說(shuō)，藍(lán)藻的這種風(fēng)化機(jī)理可能同樣成立，但此推論仍需進(jìn)一步探究。

硅藻可以利用環(huán)境中的硅元素制造硅藻殼，這也使其在海洋硅元素循環(huán)中扮演著重要角色[19]，然而，其在陸生環(huán)境下對(duì)硅酸巖的風(fēng)化研究尚無(wú)人問(wèn)津。實(shí)驗(yàn)條件下的風(fēng)化速率測(cè)定結(jié)果表明，硅藻對(duì)城墻表面具有腐蝕性(腐蝕率為53.65mg/m2·yr)。在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)硅藻過(guò)程中，培養(yǎng)液的pH有顯著提高。高pH有助于硅酸巖礦物溶解，這種pH升高效應(yīng)在野外低水濃度、無(wú)培養(yǎng)液磷酸鹽緩沖對(duì)的條件下可能被放大；硅藻在生長(zhǎng)分裂過(guò)程中不斷吸收硅元素制造硅藻殼，會(huì)促使可溶硅酸鹽濃度降低，加速硅酸巖的進(jìn)一步溶解。這兩種方式可能是硅藻腐蝕城墻的主要機(jī)理。但磚塊接種實(shí)驗(yàn)表明硅藻本身并不能直接使城墻表面產(chǎn)生微裂縫，可能是在裂縫形成后才定植其中，并促進(jìn)裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)大。真菌的存在可以使硅藻在無(wú)裂縫的磚面上生長(zhǎng)，這可能是由于真菌增加了墻面的持水量，為硅藻的生長(zhǎng)創(chuàng)造條件，但其共同生長(zhǎng)是否能夠促使城墻表面微裂縫的生成，還需更長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)觀察。

根據(jù)本實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果及前人在微生物對(duì)磚石的風(fēng)化機(jī)理方面的研究，在對(duì)城墻的保護(hù)及修復(fù)工作中，可以針對(duì)硅藻的生長(zhǎng)及生境特點(diǎn)，使用有抑制真菌效果的涂料封閉城磚表面的微裂縫，抑制其對(duì)城磚的腐蝕。雖然市面上有抑菌作用的商品很多，但是對(duì)城墻及磚石文物的保護(hù)具有針對(duì)性及安全性的抑菌劑仍需進(jìn)一步研究。

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(責(zé)任編輯謝燕)

收稿日期：2015-04-28；修回日期：2015-09-15

基金項(xiàng)目：江蘇省科技廳科技支撐計(jì)劃(社會(huì)發(fā)展)項(xiàng)目資助(BE2012765)

作者簡(jiǎn)介：蔡曉琛(1993—)，南京大學(xué)生命科學(xué)院本科生,E-mail: 834166861@qq.com 通訊作者：黃成，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)閯?dòng)物學(xué)，E-mail: huangcheng@nju.edu.cn

文章編號(hào)：1005-1538(2016)02-0044-09

中圖分類號(hào)：K878.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Investigation of microbial community on the Ming Dynasty Wall at Nanjing and an exploration of the effect of algal bio-weathering on the wall brick

CAI Xiao-chen1， SUN Lily1， WAN Li2， HUANG Cheng1

(1. College of Life Science, Nanjing University, Nanjing 210023, China; 2. Nanjing Museum， Nanjing 210016, China)

Abstract:In an investigation of the microbial community on the Ming Dynasty Wall at Nanjing, microorganisms were cultivated from the surfaces of city walls at Zhonghuamen, Xuanwu Lake and Pipa Lake city and analyzed by electron microscopy. It is found that lichens, mushrooms, actinomycetes, filamentous fungi, cyanobacteria, epithelic diatoms and Chlorococcum are present ubiquitously on the city wall. On bricks with no lichens and mosses, It is found epithelic diatoms (Achnanthes lauenburgiana Hustedt and Pinnularia borealis Ehrenberg), which co-exist with filamentous fungi. Further study in an experiment of co-cultivation cultured algae and brick powder demonstrated their weathering effect on the wall brick. This research not only suggested the bio-weathering effect of the epithelic diatoms on silicate stones in a terrestrial epilithic environment, but also provided the oretical support for efforts to prevent the corrosive effect of algae on the Ming Dynasty wall.

Key words:Ming Dynasty wall protection; Microbial community of Nanjing Ming Dynasty Wall; Mechanism of algal bio-weathering on silicate