導(dǎo)致古代木質(zhì)沉船腐蝕的生物類群及其腐蝕歷程

謝 夢(mèng)

20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著我國(guó)水下考古事業(yè)不斷發(fā)展完善，沉船的發(fā)掘工作伴隨考古的一次次新發(fā)現(xiàn)。水下考古人員在我國(guó)東南沿海相繼發(fā)現(xiàn)了一批古沉船遺址，如“南海I號(hào)”“南澳I號(hào)”“華光礁I號(hào)”等。伴隨沉船出水的還有大批珍貴的文物，包括瓷器、鐵器、青銅器、金銀器等無(wú)機(jī)質(zhì)類文物和漆器、果核等有機(jī)質(zhì)類文物，為研究我國(guó)古代貿(mào)易史、造船史和古代海上絲綢之路提供了重要的實(shí)物資料。

近年來(lái)考古發(fā)掘的沉船由于船體材質(zhì)和結(jié)構(gòu)、海洋水體理化性質(zhì)以及海相沉積物等埋藏環(huán)境的差異，出水時(shí)保存狀況各不相同。例如，2007年整體打撈出海的“南海I號(hào)”，出水時(shí)木質(zhì)船體結(jié)構(gòu)的破壞和糟朽比較嚴(yán)重，水線以上甲板部分已不復(fù)存在，甲板下的隔艙、船體支撐結(jié)構(gòu)保存尚可，而船的艏艉部分破壞最為嚴(yán)重[1]。2007發(fā)現(xiàn)的“南澳I號(hào)”，據(jù)考古人員水下勘探后發(fā)現(xiàn)船體甲板以上的部分在海水的侵蝕和水流的沖擊下已蕩然無(wú)存，但船舷和船艙部分保存完好[2]。2008年完成船體打撈和分解提取的“華光礁I號(hào)”沉船船體殘缺過(guò)半，船體木質(zhì)也有一定程度的糟朽[3]。

海洋出水文物同陸地考古發(fā)掘出土文物在病害類型上既有相同之處，也有很大差異。其中生物病害在海洋出水文物上表現(xiàn)得特別明顯，例如海洋出水的木質(zhì)古船船體上船蛆造成的孔洞，附著其上的貝殼和藻類生物等。

我國(guó)海洋考古和海洋出水木質(zhì)文物保護(hù)領(lǐng)域有關(guān)導(dǎo)致文物腐蝕的生物因素研究起步較晚。海洋工程學(xué)等相關(guān)學(xué)科的研究成果將可能導(dǎo)致沉船糟朽的生物分為三大類來(lái)闡述——海洋水體中的污損生物、海洋底棲生物類群和海洋沉積物中的微生物?！澳虾號(hào)”作為較早發(fā)掘出水的一艘沉船，相關(guān)的研究成果較為完善，有利于總結(jié)導(dǎo)致沉船腐蝕的生物類群及其腐蝕過(guò)程。

一、海洋工程學(xué)相關(guān)研究成果

(一) 污損生物

在海洋工程學(xué)中，對(duì)污損生物(Marine fouling organisms)的定義是：海洋環(huán)境中棲息或附著在船舶和各種水下人工設(shè)施上，對(duì)人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)產(chǎn)生不利影響，給投資者帶來(lái)負(fù)效益的動(dòng)物、植物和微生物的總稱[4]。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界海洋污損生物共4000余種，中國(guó)沿海記錄發(fā)現(xiàn)的有614種，其中最主要的類群是藻類、水螅、外肛動(dòng)物、尤介蟲、雙殼類、藤壺和海鞘等[5]。嚴(yán)濤等人于1986—1987年對(duì)珠江口東南近海海區(qū)的污損生物狀況進(jìn)行研究，采集和鑒定出藻類16種、刺胞動(dòng)物8種、扁形動(dòng)物1種、外肛動(dòng)物7種、環(huán)節(jié)動(dòng)物4種、軟體動(dòng)物20種、甲殼動(dòng)物21種、棘皮動(dòng)物1種[6]。李恒翔等人于2006—2007年在北部灣白龍半島鄰近海域進(jìn)行周年污損生物掛板試驗(yàn)，調(diào)查結(jié)果表明該海域污損生物群落有海藻3種、多孔動(dòng)物2種、刺胞動(dòng)物3種、扁形動(dòng)物1種、多毛類15種、苔蘚蟲13種、軟體動(dòng)物種、甲殼動(dòng)物8種、海鞘類2種[7]。林傳旭等人于2008—2009年對(duì)廣東碣石灣海域進(jìn)行周年污損生物掛板試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)藻類10種、刺胞動(dòng)物8種、外肛動(dòng)物6種、扁形動(dòng)物2種、紐形動(dòng)物1種、環(huán)節(jié)動(dòng)物16種、軟體動(dòng)物13種、節(jié)肢動(dòng)物24種、棘皮動(dòng)物2種、尾索動(dòng)物4種[8]。

(二) 海洋底棲生物

底棲生物是指生活于沉積物底上和底內(nèi)的動(dòng)物、植物和微生物。底棲生物可分為三個(gè)類型：大型底棲生物(分選時(shí)能被孔徑為0.5mm網(wǎng)篩留住的生物)、小型底棲生物(分選時(shí)能通過(guò)0.5mm孔徑網(wǎng)篩而被42μm孔徑網(wǎng)篩留住的生物)和微型底棲生物(分選時(shí)能通過(guò)42μm孔徑網(wǎng)篩的生物，主要是原生動(dòng)物、細(xì)菌等)[9]。

畢洪生等人在1991—1995年間，通過(guò)對(duì)膠州灣10個(gè)監(jiān)測(cè)站季度取樣，對(duì)膠州灣大型底棲生物群落進(jìn)行分析，結(jié)果表明，監(jiān)測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)208種底棲生物，其中多毛類86種、甲殼動(dòng)物57種、軟體動(dòng)物40種、棘皮動(dòng)物11種和其它類別14種[10]。李榮冠等人根據(jù) 2001年 5月、8月、11 月和2002年2月泉州灣大型底棲生物調(diào)查資料整理，大型底棲生物有256種，其中多毛類66種、軟體動(dòng)物74種、甲殼動(dòng)物77種、棘皮動(dòng)物12種和其他動(dòng)物27種[11]。楊俊毅等人于2002—2003年對(duì)樂(lè)清灣大型底棲生物進(jìn)行了四季采樣研究，發(fā)現(xiàn)124種大型底棲生物，其中多毛類41種、軟體動(dòng)物37種、甲殼類22種、棘皮動(dòng)物10種和其他類14種[12]。劉錄三等人于2005—2006年進(jìn)行了4個(gè)航次調(diào)查，分別對(duì)長(zhǎng)江口及毗鄰海域進(jìn)行了大型底棲動(dòng)物取樣工作，發(fā)現(xiàn)大型底棲動(dòng)物330種，其中軟體動(dòng)物122種、多毛類83種、甲殼動(dòng)物67種、棘皮動(dòng)物23種、底棲魚類28種以及其它類群7種[13]。

張志南等人于1995—1996年在膠州灣北部軟底水域進(jìn)行調(diào)查，結(jié)果鑒定出14個(gè)小型生物類群，海洋線蟲、介形類、多毛類和橈足類共同構(gòu)成小型動(dòng)物的優(yōu)勢(shì)類群[14]。慕方紅等人于1997—1999年對(duì)渤海底棲小型生物類群的調(diào)查結(jié)果顯示，在生物量中所占比例列前4位的類群依次為線蟲、多毛類、橈足類、雙殼類[15]。方少華等人于1998年在廈門潯江灣水域5個(gè)測(cè)站對(duì)小型底棲生物進(jìn)行調(diào)查分析，結(jié)果顯示海洋線蟲是優(yōu)勢(shì)類群，其它橈足類、多毛類、介形類、動(dòng)吻類等其它類群所占比例較少[16]。華爾等人于2003年在長(zhǎng)江口外陸架淺海水域進(jìn)行小型底棲生物取樣分析，共鑒定出21個(gè)小型生物類群，其中海洋線蟲為最優(yōu)勢(shì)類群，其次還有底棲橈足類、多毛類、動(dòng)吻類和雙殼類等[17]。

(三) 海洋沉積物中的微生物

海洋沉積物是漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代里，由陸地河流和大氣輸入海洋的物質(zhì)以及人類活動(dòng)中落入海底的東西，包括軟泥沙、灰塵、動(dòng)植物的遺骸、宇宙塵埃等，統(tǒng)稱為海洋沉積物[18]。

海洋沉積物中存在大量微生物，主要是細(xì)菌?；舴f異等人于2006年對(duì)浙江蒼南大漁灣近海海底沉積物樣品采用非培養(yǎng)法構(gòu)建分子文庫(kù)，并結(jié)合純培養(yǎng)法分離培養(yǎng)海洋微生物，鑒定了沉積物中微生物主要有變形桿菌綱(Alphaproteobacteria，2株, 2.5%)、γ-變形桿菌綱(Gammaproteobacteria，54株，68.4%)和厚壁菌門(Firmicutes，23株，29.1%)3個(gè)類群。α-變形桿菌綱菌株分屬于勞氏菌屬(Loktanella)和赤桿菌屬(Erythrobacter)；γ-變形桿菌綱菌株歸屬于海桿菌屬(Marinobacter)，假交替單胞菌屬(Pseudoalteromonas)，鹽單胞菌屬(Halomonas)，弧菌屬(Vibrio)，假單胞菌屬(Pseudomonas)，鹽堿湖生菌屬(Nitrincola)，海細(xì)菌屬(Marinobacterium)，產(chǎn)微球莖菌屬(Microbulbifer)和希瓦氏菌屬(Shewanella)；而厚壁菌門菌株歸屬于芽孢桿菌屬(Bacillus)，鹽芽孢桿菌屬(Halobacillus)和海棲芽孢桿菌屬(Marinibacillus)[19]。

二、“南海I號(hào)”相關(guān)研究成果

通過(guò)對(duì)“南海I號(hào)”沉船出水木質(zhì)文物標(biāo)本中細(xì)菌類群的分析，得知飽水木質(zhì)文物中的細(xì)菌類群分屬34目、35科的187個(gè)屬；多數(shù)細(xì)菌OTU屬于變形菌門(Proteobacteria)細(xì)菌，占全部細(xì)菌OTU的52.9%，在細(xì)菌綱水平上γ-變形菌綱(γ-Proteobacteria)(占17.9%)是豐度最高的細(xì)菌綱。德沃氏菌屬(Devosia)(3.5%)是“南海I號(hào)”沉船樣品豐度最高的屬，其它分別屬于甲基嬌養(yǎng)桿菌屬(Methylotenera)(2.4%)、鼠尾菌屬(Muricauda)(1.2%)。其中氫噬胞菌屬(Hydrogenophaga)、中國(guó)農(nóng)大湖積物桿菌(Lacibactercauensis)、德氏食酸菌(Acidovoraxdelafieldii)、德沃斯氏菌屬(Devosia)、沉積物桿狀菌屬(Sediminibacterium)、缺陷短孢單胞菌(Brevundimonasdiminuta)和門多薩假單胞菌(Pseudomonasmendocina)在所有樣品中均可檢測(cè)到[20]。

水下固相表面受到海洋里各種生物類群的綜合影響，結(jié)合海洋工程學(xué)和“南海I號(hào)”相關(guān)研究成果可知，其中植物主要是藻類；動(dòng)物主要包括大型的軟體動(dòng)物、環(huán)節(jié)動(dòng)物、刺胞動(dòng)物、外肛動(dòng)物、扁形動(dòng)物和甲殼動(dòng)物等，以及小型的海洋線蟲、多毛類、橈足類、動(dòng)吻類、棘皮類和腔腸類動(dòng)物等；微生物主要是變形菌門變形菌綱和γ-變形菌綱的若干屬。

三、古船在生物因素作用下的腐蝕歷程

借鑒污損生物生態(tài)學(xué)的概念和理論，我們可以將沉船看成一種特殊生態(tài)環(huán)境，在這種特殊的環(huán)境中形成了相應(yīng)獨(dú)特的污損生物群落。對(duì)于沉船來(lái)說(shuō)，污損生物群落的形成是一個(gè)典型的生態(tài)演替過(guò)程，這個(gè)過(guò)程可分為三個(gè)階段。

第一階段：生物膜的形成。在古船最初沉沒(méi)時(shí)，船體表面很快富集一層有機(jī)物，由于木材本身的結(jié)構(gòu)是疏松多孔的，表面富集有機(jī)物的這個(gè)過(guò)程所需時(shí)間更短，富集的有機(jī)物種類和數(shù)量也更多。這層有機(jī)物層形成之后，由細(xì)菌作為“先鋒”，在船體表面的有機(jī)物層上附著，進(jìn)而形成一層生物膜。這層生物膜的主要成分是水、前期富集的有機(jī)物、細(xì)菌以及其分泌的胞外代謝產(chǎn)物。

第二階段：海洋植物和動(dòng)物的附著。在這一階段，植物(主要是藻類)、小型和大型污損生物如藤壺和貝類、以及棘皮動(dòng)物、軟體動(dòng)物等無(wú)脊椎動(dòng)物等的幼體開(kāi)始附著于前期形成的生物膜之上。此時(shí)的船體已經(jīng)發(fā)生肉眼可辨識(shí)的表面污損。隨著污損生物的種類和個(gè)體數(shù)不斷增多，群落體積和質(zhì)量也不斷增大。這時(shí)，群落發(fā)生明顯的演替現(xiàn)象——一些個(gè)體密度大、生長(zhǎng)迅速的種類成為群落中的主導(dǎo)種，而個(gè)體密度較小、生長(zhǎng)較緩慢的種類逐漸被淘汰。

第三階段：群落趨于穩(wěn)定，古船發(fā)生緩慢的降解。在這一階段，生長(zhǎng)期長(zhǎng)、個(gè)體大的種類充分生長(zhǎng)，排擠或覆蓋那些已經(jīng)附著的中、小型種類，隨著時(shí)間的推移，其結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生很顯著的變化。據(jù)Bjordal，Daniel & Nilssion的研究可知，細(xì)菌分解植物細(xì)胞壁的多糖和部分木質(zhì)，導(dǎo)致細(xì)胞壁的空腔化并逐漸向胞間層發(fā)展[21]。Daniel & Nilssion的研究表明，細(xì)菌通過(guò)胞外粘液附著在植物細(xì)胞內(nèi)腔表面，開(kāi)始腐蝕次生壁，并最終形成小的空腔[22]。經(jīng)歷長(zhǎng)年的地下埋藏、水浸及自然降解，細(xì)胞壁內(nèi)的半纖維素、纖維素和木質(zhì)素等主要成分大量地流失，細(xì)胞空腔逐漸被水占滿。細(xì)胞壁強(qiáng)度降低，細(xì)胞壁變薄，整個(gè)細(xì)胞變得非常脆弱。木質(zhì)文物變軟，機(jī)械強(qiáng)度下降及顏色變深。

四、討論

古船在海洋環(huán)境中經(jīng)歷百千年，除了陸地考古出土木質(zhì)文物常見(jiàn)的變色、裂紋、扭曲、起翹和糟朽等病害之外，生物類病害表現(xiàn)得特別明顯。海洋各種生物的侵蝕和破壞，包括各種動(dòng)物、植物和微生物的棲息和附著，對(duì)船體結(jié)構(gòu)和外觀造成破壞。其中植物主要是藻類；動(dòng)物主要包括大型的軟體動(dòng)物、環(huán)節(jié)動(dòng)物、刺胞動(dòng)物、外肛動(dòng)物、扁形動(dòng)物和甲殼動(dòng)物等，以及小型的海洋線蟲、多毛類、橈足類、動(dòng)吻類、棘皮類和腔腸類動(dòng)物等；微生物主要是變形菌門變形菌綱和γ-變形菌綱的若干屬。

沉船在水中逐漸發(fā)生腐蝕的過(guò)程，其實(shí)也是海洋動(dòng)植物和微生物發(fā)生典型生態(tài)演替的過(guò)程。具體可以分為三個(gè)階段：第一階段，微生物作為先鋒生物在古船表面形成生物膜；第二階段，海洋植物和動(dòng)物在古船表面附著；第三階段，動(dòng)植物和微生物群落不斷優(yōu)勝劣汰，最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，群落趨于穩(wěn)定。動(dòng)植物和微生物等污損生物群落的形成過(guò)程在海洋內(nèi)的幾乎所有固相表面都是普遍存在的，它們的腐蝕作用除了直接啃食和運(yùn)動(dòng)造成的機(jī)械損傷之外，還會(huì)通過(guò)代謝分泌多種化學(xué)物質(zhì)從而對(duì)木質(zhì)沉船產(chǎn)生后續(xù)腐蝕。

在保護(hù)和修復(fù)出水木質(zhì)文物時(shí)，應(yīng)充分考慮動(dòng)植物和微生物的生態(tài)演替和動(dòng)態(tài)平衡，通常對(duì)威脅文物后續(xù)保存的動(dòng)植物予以去除，對(duì)微生物則盡量不去破壞原有平衡。因?yàn)椴煌纳镱惾褐g常常通過(guò)互生共生甚至寄生的方式共同抵御惡劣的環(huán)境，創(chuàng)造更為有利于生存的條件。若用極端方式將某一種群微生物消滅殆盡，之后必然會(huì)有其它微生物種群以爆發(fā)之勢(shì)發(fā)展為優(yōu)勢(shì)種群，這種劇烈的微環(huán)境變化反而會(huì)對(duì)文物造成更為嚴(yán)重的破壞。所以，阻止文物上微生物群落中某些菌群發(fā)展為優(yōu)勢(shì)菌群，盡力維護(hù)各種群之間的平衡狀態(tài)才是明智之舉。