《Science of The Total Environment》：Biodeterioration of built heritage in the context of climate change and atmospheric pollution: Toward transdisciplinary conservation strategies
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本文综述了气候变化与大气污染协同作用加速建筑遗产生物降解的机制，聚焦碳酸盐材料（如石灰岩、大理石）的降解过程，探讨环境因子（温湿度、污染物）与微生物代谢的交互作用，提出功能基生物降解风险评估模型及多层级风险评估框架，强调需建立跨学科整合的预测性保护体系。
Euler Gallego-Cartagena|Héctor Morillas|Maite Maguregui
哥伦比亚巴兰基亚市，Costa大学土木与环境系，58街55-66号，邮编080002
摘要
建筑遗产——包括纪念碑、历史建筑和雕塑群——正日益受到气候变化、大气污染和生物活动的协同影响的威胁。本文批判性地分析了导致建筑遗产生物降解的机制，重点关注石灰质材料（如石灰石、大理石和石灰基砂浆），这些材料在建筑遗产中广泛存在且极易退化。我们研究了环境因素（如高湿度、温度波动和污染物沉积（SO?、NO?、颗粒物）如何触发复杂的物理化学和生化反应，从而损害结构的稳定性和美观性。文章探讨了生物降解微生物（真菌、藻类、蓝细菌）的代谢策略，污染物与矿物基底的相互作用，以及由此产生的盐类、黑色结壳和腐蚀产物的形成。我们强调了生物监测作为一种方法论和解释工具的重要性，它将大气污染与生物降解过程联系起来。此外，我们还讨论了新兴的跨学科方法（包括功能宏基因组学、微生物网络分析和代谢组学分析），并介绍了基于功能的生物降解风险评估模型，该模型扩展为一个多层次风险评估框架，将微生物功能、材料诊断和气候建模相结合。我们认为，在变化的气候条件下保护建筑遗产需要从静态的、以材料为中心的诊断方法转向综合的、预测性的框架，从而为适应性和前瞻性的保护策略提供基础。
引言
建筑遗产——包括纪念碑、历史建筑和雕塑群——是人类创造力、技术进步和集体身份的宝贵记录。然而，这一遗产正面临来自气候变化、大气污染和生物活动的加速且相互交织的威胁。这些压力因素在空间和时间尺度上协同作用，改变了建筑遗产的物理化学稳定性、生态平衡和保护管理框架（联合国教科文组织，2023年）。
几个世纪以来，建筑遗产的退化过程主要归因于非生物因素，如温度波动、降雨和盐结晶。然而，环境和遗产科学的最新进展表明，这些过程受到真菌、细菌、藻类、地衣和苔藓等生物体的深刻影响，它们的生存和代谢直接受到污染和气候动态的影响。将生物降解视为一个综合的物理化学和生物现象，改变了保护科学的概念边界，强调了将建筑遗产视为材料、微生物和环境条件之间活生生的界面的必要性（Liu等人，2022年）。
本文将气候变化和大气污染视为重塑微生物定植的生态和化学条件的双重催化剂。温度升高、湿度增加和降雨量增加会改变生物膜的活动和持久性，而二氧化碳（CO?）、二氧化氮（NO?）和颗粒物的增加会提高基底的酸度、孔隙率和养分可用性。这些过程在石灰质材料（如石灰石、大理石和石灰基砂浆）中尤为关键，因为它们的溶解性和吸湿性使它们对耦合的生物地球化学反应非常敏感（Comite等人，2020年）。了解污染物和微生物如何共同产生退化环境，有助于从描述性案例研究转向基于过程的预测性模型。
同时，本文也认识到研究和保护工作的地域差异。虽然欧洲和北美在遗产生物降解研究方面占据主导地位，但拉丁美洲和东南亚的新研究揭示了由持续高湿度、强烈污染物沉积和极端气候条件驱动的独特的热带和沿海退化模式（Gaylarde等人，2018年）。整合这些背景对于建立一个能够应对共同大气和气候压力下地区特定脆弱性的全球框架至关重要。
本文不仅记录了退化过程，还提出了一个功能性和跨学科的视角。它探讨了最新方法（功能宏基因组学、代谢组学和微生物网络分析）如何识别直接导致矿物溶解、生物膜韧性和生物地球化学反馈的生化途径（Perito和Cavalieri，2018年）。此外，本文介绍了基于功能的生物降解风险评估（FBRA）方法，该方法将微生物功能与气候变量和材料诊断联系起来，并将其扩展为一个多层次风险评估框架（MLRAF），整合了生化、结构和治理维度，以实现适应性遗产管理。
最终，本文倡导将遗产保护从静态的、以材料为中心的做法转变为综合的、响应气候变化的预测性框架。通过结合生物学、化学、气候科学和政策的见解，本文强调在人类世保护建筑遗产需要技术创新和统一的科学框架，以跨越学科和治理障碍。未来的遗产保护将依赖于将材料退化理解为一个动态过程，这一过程反映了文化价值、材料系统和环境变化之间的持续互动。
章节摘录
气候变化和污染对建筑遗产的退化影响
自古以来，建筑物、纪念碑和雕塑中使用的建筑材料的退化现象就有记录。例如，哈利卡纳苏斯的希罗多德（公元前484-425年）在《历史》第二卷《欧特佩》中描述了他在埃及旅行时观察到的这种退化现象，称“硝石从地面冒出，甚至侵蚀了金字塔”。如今，建筑遗产仍然容易受到自然因素（如地理位置、风和湿度）引起的退化。
颗粒物（PM）：起源、组成及其环境相关性
大气中的颗粒物（PM）污染改变了大气的自然组成，这是由于空气中悬浮的多种微小固体和液体颗粒或液滴簇的复杂混合。当颗粒直径增大时，它们会缓慢沉积在表面上。总体而言，颗粒物的组成随时间和空间而变化。较大的颗粒在大气中的寿命较短，通常停留在其来源附近。建筑遗产的生物降解
在过去二十年里，生物降解在遗产科学中受到了越来越多的关注，这反映了人们对微生物定植、环境压力因素和历史材料物理化学脆弱性之间复杂相互作用的认识日益加深。为了说明这一趋势，我们使用Scopus和Web of Science Core Collection作为主要数据库，对2000-2024年的文献进行了文献计量分析。大气污染的生物监测及其对建筑遗产生物降解的相关性
城市和工业大气中金属和类金属污染物的持续排放和沉积不仅威胁公共卫生，还改变了遗产材料与污染物和定植生物相互作用的近地表环境。因此，最初用于评估空气质量的生物监测方法对于诊断和预测生物降解具有直接相关性：它整合了随时间变化的暴露情况，捕捉到了实际的污染物混合物。结论与展望
本文综合了越来越多的科学证据，表明建筑遗产的退化正在因气候变化和大气污染的共同作用而加速，这两种因素共同改变了表面微气候，增强了生物可接受性，并加剧了物理化学和生物降解过程。石灰质基底（如石灰石、大理石和石灰基砂浆）由于溶解性和吸湿性而特别脆弱。
CRediT作者贡献声明
Euler Gallego-Cartagena：资源获取、调查、数据分析、概念化。Héctor Morillas：撰写初稿、可视化、监督、数据管理。Maite Maguregui：撰写与编辑、验证、监督、数据管理、概念化。
利益冲突声明
- 本文内容未在其他地方全文或部分发表。
- 本文目前未考虑在其他期刊上发表。
- 所有作者均亲自参与了这项工作，并对其内容负责。
- 作者声明与本文的发表不存在利益冲突。
致谢
我们衷心感谢哥伦比亚Costa大学提供的机构支持，这使得我们能够完成和最终确定这篇综述文章。同时，我们也感谢巴斯克大学（UPV/EHU）提供的学术环境，这丰富了我们在准备手稿期间的学术交流。
