生物膜定植石材表面润湿性分析：台式与便携式接触角测量技术的比较研究及其现场应用价值

本研究针对建筑石材表面生物膜（SABs）对水相关性质的影响机制，通过对比台式与便携式接触角测量技术（WCA），建立了适用于现场检测的生物膜润湿性评估方法。研究验证了便携式设备在非吸收性表面的可靠性，并首次系统分析了单/双菌种生物膜对多孔石材表面水接触角（WCA）及液滴吸收时间的差异化影响，为文化遗产保护中生物膜作用评估提供了非破坏性检测新方案。

　　

建筑遗产表面的石材风化是一个复杂的多因素作用过程，其中水分与生物膜的协同效应尤为关键。液态水既是化学风化（如溶蚀）和物理风化（如冻融循环）的主要驱动力，也是微生物定植的必要条件。然而，当前对生物膜如何改变石材表面水相关性质的认识仍存在空白，特别是缺乏适用于现场的非破坏性检测方法。传统实验室台式接触角测量仪（WCA）虽能精确评估表面润湿性，但无法满足建筑立面的现场检测需求。这一技术瓶颈严重制约了文化遗产保护中对生物膜生态功能的准确评估，也阻碍了保护材料性能的现场监测。

针对上述问题，Letizia Berti等研究团队在《iScience》发表论文，首次系统比较了台式与便携式WCA测量技术在不同表面（包括非吸收性聚合物、未定植及生物膜定植石材）的应用效果。研究采用实验室培养的单菌种（Synechocystis sp. PCC 6803）和双菌种（加入Bacillus subtilis NCIB 3610）生物膜模型，结合3D光学显微镜、扫描电镜（SEM）和共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）分析生物膜结构特征，通过500+次WCA测量和液滴吸收时间测定，建立了适用于现场检测的标准化流程。

关键技术方法

研究采用Lecce石灰石作为模式基质，通过浸渍法培养单/双菌种生物膜。表面形貌通过3D光学显微镜（ISO 21920-2标准）量化粗糙度（Ra/Rz），SEM观察微观结构，CLSM结合SYTO9/ConA荧光染色三维重建生物膜架构。润湿性分析使用Kruss Drop Shape Analyzer（台式）和Mobile Surface Analyzer（便携式），通过Young-Laplace模型计算WCA，记录液滴完全吸收时间。统计采用bootstrap法确定最小样本量，回归分析评估方法相关性。

Benchtop和便携式测量在参考聚合物表面的比较

在非吸收性聚合物表面，两种方法测得的WCA无显著差异（p=0.3），但便携式设备的液滴体积变异系数较高（4.33±0.49 μL vs 4.87±0.19 μL）。通过bootstrap分析确定，为达到10%体积测量精度需20次重复，而WCA测量仅需14次即可实现5%误差控制。值得注意的是，便携设备在垂直表面测量时性能稳定，重力效应可忽略（图2）。

实验室生物膜样品的应用

生物膜显著改变了石材表面特性：CLSM显示双菌种生物膜生物量（7.80±0.65 μm³/μm²）高于单菌种（6.65±0.37 μm³/μm²），且胞外多糖（EPS）含量更高（p=0.036）。这种差异直接反映在润湿性上——双菌种生物膜使WCA提升至120°以上（便携式）或90°（台式），液滴吸收时间延长至238秒（vs未定植组的5秒），证实其更强的疏水效应（图8-9）。SEM观察到双菌种生物膜形成更复杂的微纳结构，可能是疏水性增强的结构基础。

方法学关联性

回归分析揭示两种设备的液滴吸收时间数据高度线性相关（R²=0.967），但WCA值存在25%系统性偏差（R²=0.334），这与台式设备液滴释放阶段的预吸收效应有关（图10）。

结论与意义

该研究首次验证了便携式WCA测量在文化遗产现场检测中的可行性，建立了生物膜润湿性分析的标准化流程。发现双菌种生物膜通过EPS分泌和微结构调控，比单菌种更能显著延缓水分渗透，这对理解生物膜在石材保护中的"双刃剑"作用具有突破性意义。提出的液滴吸收时间参数为评估保护材料性能提供了新指标，其非破坏性特点尤其适合珍贵文物的长期监测。未来需扩大样本多样性并优化环境干扰控制，但当前成果已为建筑遗产的预防性保护提供了重要技术支撑。