刘小波/顾继东团队Trends in Microbiology综述：生物被膜对石质文物是生物保护还是生物侵蚀？

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石质文物及古建筑是世界文化遗产的重要组成部分，遍布全球各大洲。然而，它们常常遭受着严重的生物被膜定殖（图1），包括生物侵蚀、生物保护和自然风化等现象影响 [1]。由于石质文物表面生物被膜内菌群结构受环境条件影响而波动，因此，关于石质文物表面生物膜作用的争论由来已久。

近日，南京理工大学环境与生物工程学院刘小波教授受邀与广东以色列理工学院顾继东教授团队合作在Cell Press细胞出版社期刊Trends in Microbiology 发表了题为 “Biofilms on stone monuments: biodeterioration or bioprotection?”的文章。该论文提出了“相对生物保护率”概念，即通过评估自然风化和生物侵蚀的主导地位来确定生物被膜对石质文物是保护还是侵蚀，强调结合文化遗址周围环境、气候以及生物被膜内活跃菌群组成进行逐案分析。

▲图1 石质文物表面生物被膜定殖

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以自然风化为基线

自然风化作用可视为评估基准，因为所有的石质文物和历史建筑都会受到这种非生物过程的影响。石质文物表面生物被膜的生物保护作用及其贡献可分别从生物侵蚀和自然风化中进行对比评估（图2）。因此，我们引入新的术语“相对生物保护率”并将其定义如下：

相对生物保护率=自然风化总和/生物侵蚀总和

相对生物保护率大于1意味着生物被膜起保护作用；比值越高，保护作用越大。相反，低值表明生物侵蚀作用更大。该评价标准对生物被膜的作用进行了定量评估，强调两个自相矛盾的过程共同发生，以两者作用的净效应作为评价结果。具体可通过分析生物被膜内微生物群落组成和代谢潜力、活跃的微生物群落成员及其代谢、周围盛行的环境或气候条件进行评估。

▲图2 生物被膜生物侵蚀与生物保护对用比较

鉴定微生物群落组成和代谢潜力

微生物群落组成和活动决定了生物被膜的生理生态作用。微生物群落组成的鉴定是确定生物被膜主要群落的第一步，代谢潜力的预测可以推测代谢多样性并可初步辨别生物侵蚀和生物保护菌群。采用现代宏基因组学和宏转录组学技术，可有效揭示微生物群落组成和代谢潜力，分类学分析和代谢潜力的预测是确定生物被膜中优势菌群以及与生物侵蚀相关的主要代谢反应的重要步骤 [2]。因此，证实定殖微生物区系的活跃代谢反应对评价生物被膜的作用最为关键。

证实活跃的微生物群落及其代谢

通过将现代多组学与传统化学分析相结合，可证实代谢或特定生化反应的活跃形式，确定主导活跃菌群和生物被膜内主要活动。研究重点应集中在碳、氮和硫元素相关的生物地球化学循环。例如，在氮循环和硫循环中生成的生物酸 [3,4]，可溶解石质文物内矿物成分，导致金属离子析出并被生物被膜内成员同化，包括化能有机营养型生物。同时，随着人类活动增加和全球气候变化加剧，这些生物侵蚀化反应过程会加速。因此，确定相关环境因素对它们的贡献并进行定量排序是鉴别生物被膜对石质文物作用的重要一步；同时，由于石质文物本体材料的化学成分各不相同，还应区别评估所造成的影响。

分析盛行的环境或气候条件

大多数石质文物都暴露在自然的、条件多变的环境中，它们表面的生物被膜群落常因季节、地理位置和文物年龄的不同而处于动态演替中，从而造成微生物群落和活动变化，导致生物侵蚀和生物保护作用波动（图2）。不同的微生物群落及其关键的代谢活动受到关键生态因素的调节，气候变化对生物侵蚀和生物保护过程的作用以及自然风化均有深渊影响。因此，将当地环境或气候条件与文物表面生物被膜的生态模式相结合，可提高对生物侵蚀和生物保护作用评估的准确性。

总结与展望

石质文物表面生物被膜的生物保护和生物侵蚀作用相互共存且随环境变化而相互转换。为了进一步了解所涉及的生化机制，以微生物和基质材料之间的生化相互作用为重点的基于实验室培养的研究是必不可少的。因此，必须对生物侵蚀和生物保护进行全面、定量的评估，通过现场测试和实验室验证相结合，可为石质文物自然风化、生物保护和生物侵蚀研究建立一个有效的评估模型，从而为正确判断石质文物表面生物被膜对本体材料是生物侵蚀还是生物保护提供参考依据。

本文参考文献（上线划动查看）

1.Liu, X. et al. (2020) Microbial deterioration and sustainable conservation of stone monuments and buildings. Nat. Sustain. 3, 991-1004.

2.Liu, X. et al. (2022) Innovative approaches for the processes involved in microbial biodeterioration of cultural heritage materials. Curr. Opin. Biotechnol. 75, 102716.

3.Wang, Y. and Liu, X. (2021) Sulfur-oxidizing bacteria involved in the blackening of basalt sculptures of the Leizhou Stone Dog. Int. Biodeterior. Biodegrad. 159, 105207.

4.Ding, X. et al. (2021) An internal recycling mechanism between ammonia/ammonium and nitrate driven by ammonia-oxidizing archaea and bacteria (AOA, AOB, and Comammox) and DNRA on Angkor sandstone monuments. Int. Biodeterior. Biodegrad. 165, 105328.

论文作者介绍

刘小波

教授

刘小波博士，教授，南京理工大学环境与生物工程学院博士生导师，国家自然科学基金委评审专家。目前在Nature Sustainability、Microbiome、Trends in Ecology & Evolution、Trends in Microbiology 等期刊发表论文36篇。主要从事环境微生物与生物技术领域研究，包括微生物被膜介导的生物污损及其对文物等工程材料的生物侵蚀、生物地球化学循环、生物催化等方向。目前担任Heliyon、3 Biotech、Biotechnology Reports 期刊副主编以及Microbial Biotechnology、Science of the Total Environment、Annals of Microbiology等多个SCI期刊编委。

个人网页：https://ebe.njust.edu.cn/6c/9a/c5080a289946/page.htm

顾继东

教授

顾继东博士，教授，广东以色列理工学院环境科学与工程系博士生导师，获美国弗吉尼亚理工大学博士学位。曾就职于哈佛大学微生物生态实验室、香港大学生物科学学院教授。2020年起，就职于广东以色列理工学院。担任国际学术期刊International Biodeterioration & Biodegradation的主编，Ecotoxicology和Journal of Polymers and the Environment的副主编。目前主要研究领域为文化遗产微生物学、文化遗产保护、微生物驱动氮循环等。2022年全球性信息分析公司爱思唯尔（Elsevier）“中国高被引学者（Highly Cited Chinese Researchers）”。

个人网页：https://research.gtiit.edu.cn/en/persons/jidong-gu