《International Biodeterioration & Biodegradation》：Wood deterioration assessment and microbial community analysis of foundation piles experimentally installed for 8 and 10 years
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本研究针对水饱和厌氧条件下埋设8-10年的木桩长期劣化机制不清的问题，通过微生物群落分析和木材物理性能评估，揭示了木材密度和渗透性对微生物定殖的关键影响。研究发现日本杉木因密度低、渗透性高更易被细菌侵入，而落叶松表现出更强耐久性；厌氧细菌（如Clostridia、Limnochordia）是主要降解者。该研究为木桩法地基改良技术的长期稳定性评估提供了微生物学依据。
在地震频发的地区，土壤液化是威胁建筑安全的重要地质隐患。为了加固软土或可液化地基，工程师们常采用一种名为“木桩法”的地基改良技术，即将原木桩垂直打入地下，通过压实和固化作用来提高土壤的稳定性。木材作为一种可再生、低碳的天然材料，在此类土木工程应用中具有显著优势。历史上，威尼斯和阿姆斯特丹等城市的水下木桩基础更是证明了木材在厌氧水饱和环境中可保持数百年稳定。然而，埋设于复杂地下环境中的木桩，其长期的生物劣化过程，特别是微生物在其中扮演的角色，至今仍未得到充分理解。这直接关系到木桩工程的使用寿命和安全性评估。为了解决这一关键问题，由日本高知工业大学Sitompul Afrida、Ikuo Momohara、Sakae Horisawa等研究人员组成团队，对实验性埋设长达8至10年的日本杉木（Cryptomeria japonica）和日本落叶松（Larix kaempferi）桩基进行了系统的木材劣化评估和微生物群落分析，其研究成果发表在《International Biodeterioration & Biodegradation》上。
为了深入探究埋设木桩的微观劣变与微生物活动，研究人员综合运用了几项关键技术。他们在日本松阪市（内陆）和木更津市（沿海填海区）两个具有不同土壤成分和地下水条件的实验场地，分别埋设了日本杉木和日本落叶松原木桩。经过8-10年的埋设后，将木桩取出，系统采集了不同深度（上、中、下）和不同径向位置（最外层边材、内层边材、心材）的木材样本以及周边土壤样本。研究主要通过光学显微镜观察木材细胞壁的微观结构变化，并通过排水法测量木材密度以评估物理性质的变化。在微生物分析方面，核心方法是利用下一代测序技术（NGS），分别针对细菌的16S rDNA V3-V4区域和真菌的ITS2区域进行扩增子测序，从而全面解析木材内部及周边土壤中的微生物群落结构和多样性。
3.1. 原木及周边土壤的颜色变化
研究人员观察到，埋设8年的日本杉木桩，其木材颜色从典型的新鲜色调逐渐变为灰色乃至黑色，这种变化从边材到心材，在上、中、下三个截面均有体现。而埋设约10年的日本落叶松木桩，颜色变深（至黑灰色）主要发生在上截面的边材到心材，中、下截面的颜色变化则仅限于边材，心材部分视觉上几乎无变化。周边土壤的颜色也发生了显著改变，靠近木桩表面的土壤从棕色变为蓝灰色，随着深度增加，土壤颜色从浅棕色过渡到蓝灰色（约110厘米深），直至更深部变为黑色。这种土壤颜色的变化是典型的潜育化（Gleying）现象，指示了长期水饱和和缺氧的还原环境。
3.2. 显微镜观察
显微镜分析显示，尽管大部分细胞壁保持完整，但在日本杉木样本中发现了轻微的细胞壁改变迹象。劣变主要局限于薄壁组织细胞：在最外层边材中，这些细胞的胞腔是空的；而在内层边材和心材中，胞腔内则含有沉积物。在日本落叶松中，细胞壁的变化更为有限，仅在上截面一个样本的心材中观察到管胞细胞壁内层的轻微分离和暗色 discoloration，劣变程度极微。
3.3. 密度测量
密度测量结果表明，经过长期埋设，两种木材的密度均未出现明显下降。日本杉木在最外层边材、内层边材和心材的平均密度为0.38 ± 0.01 g/cm3。日本落叶松在最外层边材、内层边材和心材的平均密度分别为0.55 ± 0.04 g/cm3, 0.53 ± 0.04 g/cm3 和 0.46 ± 0.05 g/cm3。这些数值均处于健康木材的正常密度范围内，证实了在观测期内木材整体结构保持良好。
3.4. 日本杉木和落叶松中的微生物群落与多样性
通过PCR和NGS分析，研究人员发现微生物在两种木材中的分布存在显著差异。在日本杉木中，细菌DNA在所有径向位置（A, B, C）和深度截面均能被检测到，表明细菌已广泛渗透。而在日本落叶松中，细菌DNA的检测主要局限于最外层边材（A），仅个别样本的内层边材（B）和心材（C）在增加木材粉末用量后才检测到信号，说明微生物的定殖在落叶松中受到更多限制。
微生物群落分析揭示，木材内部的细菌群落以厌氧菌为主。在日本杉木和日本落叶松中，梭菌纲（Clostridia）都是最优势的类群。杉木中的次优势类群为Limnochordia，而落叶松中则为Negativicutes（尤其是Veillonellales-Selenomonadales）。与之形成对比的是，周边土壤中的细菌群落以兼性厌氧菌为主，其中Chitinophagales目尤为丰富。真菌群落分析显示，木材内部的真菌多样性很低，杉木中主要以Gymnopilus属为主，落叶松中则以Trametes属为主。尽管检测到了真菌信号，但显微镜下并未观察到明显的真菌降解痕迹。细菌多样性指数（如Shannon指数）分析表明，从木材外层到心部，微生物多样性呈下降趋势，这与其渗透路径和内部环境梯度相符。
研究的讨论部分对上述结果进行了深入分析。持续水饱和导致的土壤潜育化（灰色、蓝灰色和黑色土层）创造了强还原环境，极大地抑制了好氧微生物（特别是真菌）的活动，从而显著减缓了木材的降解速率。这使得木桩在埋设8-10年后仍能保持极高的结构完整性。木材内部占主导地位的厌氧细菌群落（如Clostridia, Limnochordia）被认为是潜在的分解者，但它们在此类环境下的降解活动极其缓慢。
研究结果清晰地表明了木材本身特性，尤其是密度和渗透性，对微生物侵染和初期劣变有关键性影响。日本杉木密度较低，且其具缘纹孔的闭塞率（8-10%）远低于日本落叶松（22-25%），导致其具有更高的水渗透性，这使得细菌和水分更容易从边材侵入并扩散至心材。相反，日本落叶松凭借其较高的密度和较低的渗透性，对微生物的向内迁移构成了更强的物理屏障，因此表现出更优的耐久性。显微镜下观察到的初期劣变始于杉木的薄壁组织细胞，也符合细菌降解通常从富含营养物质的细胞开始的规律。
综上所述，本研究通过多学科交叉的方法证实，在厌氧、水饱和的地下环境中，用于地基改良的木桩在埋设8-10年内能够保持极佳的物理和结构稳定性。木材的劣变过程主要由厌氧细菌驱动，但进程缓慢。木材的物种特性，特别是其密度和渗透性，是决定微生物定殖模式和劣变速度的关键因素。日本落叶松因其固有的高密度和低渗透性，在此类应用中显示出比日本杉木更优越的长期耐久性潜力。这些发现不仅深化了对地下木质材料生物劣化机制的理解，也为土木工程中合理选材、评估木桩法地基的长期性能以及开发可持续的碳封存策略提供了重要的科学依据。
