中國(guó)是歷史悠久的文明古國(guó)，我們的祖先創(chuàng)造了燦爛的文化，留下了豐富的歷史遺產(chǎn)。其中，散布在野外的各種石質(zhì)文物是其中重要的一類。除了酸雨、凍融、鹽結(jié)晶、風(fēng)沙、干濕循環(huán)等因素會(huì)破壞野外的石質(zhì)文物外，生物也是侵蝕石質(zhì)文物的最重要因素之一。近一二十年來(lái)，生物腐蝕石質(zhì)文物的問(wèn)題已經(jīng)越來(lái)越受到人們的關(guān)注。生物的破壞作用盡管較為緩慢，但累積效果不可小視，據(jù)初步估計(jì)有 20%-30% 的石頭表層腐蝕是生物作用的結(jié)果。

    常見(jiàn)的破壞石質(zhì)文物的生物主要有兩大類：微生物：即細(xì)菌、真菌、藻類及地衣等；較高級(jí)生物：包括蘚類、 植物、昆蟲(chóng)及哺乳動(dòng)物等。

    微生物腐蝕作用的觀測(cè)

    在杭州閘口的白塔（建于公元 907年）和杭州靈隱寺雙塔（建于公元 960年）的石灰?guī)r上都有生物生長(zhǎng)和腐蝕的證據(jù)，尤其是微生物幾乎在所有古舊建筑上都有它們生長(zhǎng)和侵蝕的痕跡。在古舊建筑石材上發(fā)現(xiàn)的數(shù)量最多的微生物是異養(yǎng)菌和真菌，在電子顯微鏡下可以直接看到石內(nèi)或石面生的各種微生物群落；通過(guò)檢測(cè)石面層微生物代謝物或反應(yīng)產(chǎn)物的變化可以估計(jì)微生物的活動(dòng)情況；微生物分泌物引起的石面層的 pH值的變化也常常作為微生物化學(xué)侵蝕性的一種指標(biāo)。

    人們?cè)缂喊l(fā)現(xiàn)在古舊石質(zhì)建筑上附生著大量微生物，尤其是大理石或石灰石表層有許多喜鈣微生物，它們是侵蝕大理石等石材的主要禍害之一。例如，在某些氣候條件下凹坑地衣會(huì)造成大理石崩解；異養(yǎng)菌能夠從石灰石中溶解鈣，其中絲狀真菌溶解礦物的能力特別強(qiáng)；硝化細(xì)菌會(huì)分泌硝酸并改變鈣聯(lián)結(jié)材料的化學(xué)組成；硫桿菌能夠產(chǎn)生硫酸并腐蝕所寄居的石材等等。

    微生物腐蝕的機(jī)理

    野外石質(zhì)文物的生物腐蝕過(guò)程可分為生物化學(xué)機(jī)理和生物物理機(jī)理兩類。侵蝕石質(zhì)文物的生物種類從微生物到高等植物都有可能，生物產(chǎn)生的破壞作用既有因植物的根和微生物菌絲的穿透作用引起的機(jī)械破壞，也有因它們的分泌物螯合石頭礦物中的金屬離子而引起的化學(xué)破壞。

    微生物侵蝕石材的過(guò)程可以分為三個(gè)階段。

    1、微生物的傳播與沉積階段

    微生物傳播到石材上需要通過(guò)風(fēng)、浮塵、植物及動(dòng)物的轉(zhuǎn)運(yùn)。在暴露于自然環(huán)境中的石材表面上，有人觀察到異養(yǎng)菌的堆積速度可達(dá)到每天每平方米。

    微生物附著石材的能力，受微生物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和表面電荷的影響，也受石材的性質(zhì)和表面孔隙結(jié)構(gòu)的影響，同時(shí)微生物本身的生存能力也是決定性的因素。堆積形成的微生物和塵埃的履蓋層，由于微生物的代謝作用會(huì)逐漸增加石材表面的粘著力，使石材表面的持水能力和捕獲空氣中營(yíng)養(yǎng)性浮塵及有機(jī)物的能力增加，從而進(jìn)一步改善微生物群落的生存條件。

    2、微生物與巖石的相互作用階段

    石材腐蝕過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)十分復(fù)雜，不僅涉及到微生物代謝和繁殖的機(jī)理，還涉及許多中間產(chǎn)物的轉(zhuǎn)換。首先，巖石礦物晶粒間的聯(lián)接性會(huì)因微生物分泌的酸、深入石材微孔隙菌絲的生物粘液、生物體吸濕和干燥的變化、分泌物凝膠—溶膠間自動(dòng)調(diào)節(jié)的變動(dòng)等等因素而被削弱。其次，微生物的存在改變了石材微孔隙毛細(xì)管水吸收和氣體擴(kuò)散等性能，加快了有機(jī)或無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)浮塵的沉積速度。各種微生物以其擅長(zhǎng)的生存方式在石頭上和石頭內(nèi)生長(zhǎng)。這種生長(zhǎng)有可能會(huì)緩解天然石材對(duì)于干濕、溫差和冰凍等破壞因素的敏感性，但是微生物生長(zhǎng)的穿透性、增容壓力等易引起機(jī)械破壞，特別是酸等分泌物造成的化學(xué)破壞將使石質(zhì)文物的表面層面目全非。

    3、腐蝕層的剝離和腐蝕循環(huán)（恒定期）

    在古舊石材表面覆蓋的微生物層演化發(fā)展過(guò)程中，隨著石面層某些產(chǎn)物的積累和基本礦物的退化，占據(jù)石面層的微生物群落的種類和復(fù)雜程度會(huì)隨時(shí)間變化，生物充分作用后疏松的巖石外殼會(huì)從石材上剝離，新鮮暴露的石材表層會(huì)再度被微生物侵占，腐蝕過(guò)程將繼續(xù)并不斷循環(huán)下去，形成持續(xù)恒定的破壞進(jìn)程。微生物腐蝕石材的過(guò)程和速率受環(huán)境因素的影響。由于人類的活動(dòng)使空氣中的污染物和飄塵增加，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)脂肪烴和芳香烴會(huì)加速古老建筑石材上的異養(yǎng)菌的繁殖速率和腐蝕進(jìn)程。

    侵蝕石質(zhì)文物的微生物

    古舊建筑石材上常見(jiàn)的微生物群落，有簡(jiǎn)單的細(xì)菌、真菌和光合類微生物開(kāi)始，也有復(fù)雜的藻類、藍(lán)細(xì)菌和地衣等微生物群落。

    細(xì)菌

    細(xì)菌是微生物中數(shù)量最多的一類。

    任何有水存在的地方都有細(xì)菌生長(zhǎng)。從腐敗石材上發(fā)現(xiàn)的大多數(shù)微生物是異養(yǎng)型細(xì)菌，它們對(duì)石質(zhì)文物的表面腐蝕起著重要作用，下面以硝化細(xì)菌和硫桿菌為例具體說(shuō)明。

    硝化細(xì)菌有兩類，即能將氨氧化成亞硝酸鹽的亞硝化細(xì)菌和將亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽的硝化細(xì)菌。細(xì)菌從氨或硝酸鹽的氧化過(guò)程中獲得能量，消化碳源以合成細(xì)胞物質(zhì)。建筑石材表層中氨的濃度越高硝化細(xì)菌的數(shù)量也越多，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)巖石環(huán)境的 pH 值為 5-7 時(shí)硝化細(xì)菌最為活躍，古建筑石材最常見(jiàn)的 pH值為 6-7 值為，此時(shí)硝化細(xì)菌是主要的產(chǎn)生酸的細(xì)菌之一。在不同類型的古建筑石材樣品中都已發(fā)現(xiàn)硝化細(xì)菌氧化得到亞硝酸，再得到硝酸的現(xiàn)象。硝化細(xì)菌的繁殖與石材本身的結(jié)構(gòu)特征有關(guān)，當(dāng)石材微孔半徑為 1-10μm 時(shí)硝化細(xì)菌數(shù)量最多，在微孔小于 1μm 的石面層中硝化細(xì)菌的數(shù)量就很少。硝化細(xì)菌的繁殖也與石材的化學(xué)成分有關(guān)，含碳砂巖中硝化細(xì)菌的數(shù)量很多。另外，若巖石表面有黑色風(fēng)化殼層，硝化細(xì)菌就很容易繁殖。

    硫桿菌主要靠氧化還原態(tài)的硫化物而最終形成硫酸鹽，從中獲得能量，消化碳源以合成細(xì)胞物質(zhì)。硫桿菌是好氧菌，其突出特點(diǎn)是耐酸性強(qiáng)，有些種類能在 pH 值為 1-2 的條件下生長(zhǎng)。當(dāng)有揮發(fā)性含硫化合物存在時(shí)，硫桿菌生長(zhǎng)旺盛，由于這類細(xì)菌的繁殖會(huì)產(chǎn)生硫酸，由此不斷降低周?chē)?pH 值，從而侵蝕寄居的石材。

    真菌

    真菌是另一類最活躍的腐蝕石質(zhì)文物的微生物。在每一處被腐蝕的古舊建筑上幾乎都能發(fā)現(xiàn)真菌的存在。真菌是異養(yǎng)型且常為需氧有機(jī)物。在石質(zhì)文物上觀察到的真菌常常為單菌絲或菌絲網(wǎng)形式。在很多石材上常見(jiàn)到類似于酵母菌或者黑色菌的真菌。這些真菌在光學(xué)顯微鏡下酷似石灰質(zhì)沉積，在標(biāo)準(zhǔn)真菌培養(yǎng)基上還難以生長(zhǎng)，故不太容易鑒定。

    但是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)許多建筑石材，特別是城市區(qū)域建筑石材表面的顏色變黑，以及含鈣石材表面石膏殼層的變暗等都與黑色菌的作用有關(guān)。另外，許多石材表面出現(xiàn)的色斑常常與真菌的繁殖和作用有關(guān)，例如石材表面出現(xiàn)的桔紅色斑塊就是一些真菌染色的結(jié)果。另外，石塊間粘接的沙漿、維修加固材料和防護(hù)材料等，如石材表面防護(hù)劑、防水劑、粘接劑等，由于含有有機(jī)物利用并使石材受到侵蝕。

    光合類微生物

    石面微生物群落的光合類主要是藻類和藍(lán)細(xì)菌或藍(lán)綠藻。

    建筑石材的表面都可以找到藻類和藍(lán)細(xì)菌。藻類和藍(lán)細(xì)菌的種類明顯地呈區(qū)域分布，例如在以色列的石質(zhì)文物上看到的大多數(shù)是“黑色的”藍(lán)細(xì)菌，巖石的黑色外觀除煙塵的沉積外，主要是黑色藍(lán)細(xì)菌的生物化學(xué)過(guò)程形成的黑色素造成；在氣候潮濕的德國(guó)北部看到的大多數(shù)是綠色的藻類，而不是藍(lán)細(xì)菌。在中國(guó)，不同地區(qū)情況相差很大，有人估計(jì)藻類與藍(lán)細(xì)菌的分布與石材內(nèi)所含的提供微生物生長(zhǎng)的氮源的含量有關(guān)。

    研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)一定周期的微生物作用，腐蝕層會(huì)自發(fā)剝離，巖石表層的剝離說(shuō)明藍(lán)細(xì)菌和藻類的占據(jù)和繁殖引起了石材的機(jī)械破壞。藻類呼吸的氣體溶于周?chē)乃商妓幔妓岬幕瘜W(xué)酸蝕作用使石材腐蝕。除此之外，也發(fā)現(xiàn)它們會(huì)產(chǎn)生有機(jī)酸，這些酸會(huì)溶解石頭中的鈣從而侵蝕石材。

    地衣

    在世界各地的古建筑上都可以發(fā)現(xiàn)地衣的存在。

    地衣在地質(zhì)巖石和土壤的演變中充當(dāng)著生物風(fēng)化劑的角色，研究已經(jīng)表明地衣是能夠較快地侵蝕石質(zhì)文物的微生物之一。 地衣侵蝕石材的方式和機(jī)理為：

    呼吸出的 CO 2 溶解于水產(chǎn)生酸性溶液；通過(guò)分泌草酸與周?chē)鷰r石中的陽(yáng)離子如鈣離子反應(yīng)形成草酸鹽；分泌檸檬酸和地衣酸等溶于水可與多種陽(yáng)離子形成螯合混合物，改變石材的化學(xué)成分；因菌絲生長(zhǎng)產(chǎn)生的物理壓力破壞石材微孔的微結(jié)構(gòu)；使石材局部改變物理性能如水力膨脹性能造成應(yīng)力破壞。

    微生物是腐蝕破壞石質(zhì)文物和古跡的重要因素之一。微生物對(duì)石質(zhì)文物的危害程度不僅與微生物的種類有關(guān)，也與石材的性質(zhì)和周?chē)沫h(huán)境有關(guān)。在一般情況下微生物是石質(zhì)文物的破壞因素，但在某些特殊情況下微生物也有緩解其他因素腐蝕石質(zhì)文物的作用，例如草酸鈣膜的防酸雨作用等。研究微生物腐蝕石質(zhì)文物的機(jī)理，對(duì)于控制微生物的生長(zhǎng)，保護(hù)石質(zhì)文物和古跡具有十分重要的作用；另外，也告戒我們?cè)陂_(kāi)發(fā)使用新型維修防護(hù)材料時(shí)都應(yīng)該考慮材料本身帶來(lái)或引起的生物破壞問(wèn)題。