佛罗伦萨大教堂风化蛇纹岩饰面中隐藏的微生物生命：细菌与真菌群落的生物风化作用研究

《International Biodeterioration & Biodegradation》：Green stone, hidden life: Bacterial and fungal communities on the weathered serpentinite cladding of Florence Cathedral

　　

绿色石材，隐藏的生命：佛罗伦萨大教堂风化蛇纹岩饰面上的细菌与真菌群落 蛇纹岩在建筑环境中的生物退化（biodeterioration）现象尚未得到充分研究。本研究评估了佛罗伦萨大教堂（Florence Cathedral, FC）蛇纹岩饰面的保护状态。研究结果显示，蛇纹岩受到严重的机械弱化和化学蚀变影响。通过培养法和rRNA宏条形码技术（rRNA metabarcoding）对蛇纹岩微生物群进行了研究。研究发现，耐极端环境细菌和黑色酵母菌（black fungi）栖息于FC蛇纹岩及大理石饰面。蛇纹岩在建筑环境中通常为微生物提供有限的营养，但生物定殖仍可能在其蚀变过程中发挥重要作用。与物理和化学风化相比，蛇纹岩的生物退化研究仍显不足，尤其是在建筑背景下，仅有少数研究探讨了其机制及其对天然岩石样本的影响。本研究通过对SMFC蛇纹岩微生物群落的调查，旨在增进对该岩性退化过程中生物因素的理解，并为佛罗伦萨最具标志性 monuments 之一的保护提供新见解。

研究背景与科学问题

蛇纹岩（serpentinite）是一种深绿色至黑色的细粒变质岩，主要由蛇纹石族矿物（serpentine-group minerals）组成，源于橄榄石-rich超基性岩原岩在100–700°C低温至中温条件下的热液蚀变。尽管其力学性能脆弱、耐候性中等，蛇纹岩自古便被广泛用作建筑和装饰石材，主要因其美学品质和可加工性而非耐久性。在意大利托斯卡纳地区，蛇纹岩成为哥特式和文艺复兴时期建筑身份的标志性元素，佛罗伦萨圣玛丽亚·德尔·菲奥雷大教堂（Cathedral of Santa Maria del Fiore, SMFC）将其与白色卡拉拉大理石和红色泥灰岩及菊石石灰岩组合，形成了城市纪念性遗产的标志性三色立面。

然而，蛇纹岩的矿物学和结构特征，加上长期暴露于城市环境，使其特别容易遭受物理、化学和生物风化，最终导致渐进性石材退化。目前，大教堂的蛇纹岩构件表现出多种退化特征，包括颗粒崩解、表面剥落、空洞以及可能与微生物定殖相关的特征。与物理和化学风化相比，蛇纹岩的生物退化研究仍显不足，尤其是在建筑背景下，仅有极少数研究探讨了其机制及其对天然岩石样本的影响。此前唯一一项关于文化遗产背景下蛇纹岩生物退化的研究是Gulotta等人（2018）对意大利蒙扎大教堂不同岩性立面亚气生生物膜（subaerial biofilm, SAB）形成的评估，该研究发现碳酸盐质大理石比硅酸盐质的Oira石表现出更强烈的生物定殖。总体而言，蛇纹岩在文化遗产背景下的定殖和生物退化仍知之甚少，这构成了重要的研究空白。

研究内容与主要结论

本研究聚焦于SMFC外部蛇纹岩及相邻大理石板的微生物群落。由于表面退化严重且受限于从大教堂立面采样的限制，无法获取适合制备薄片或进行整体化学分析的材料，采样仅限于表面刮取物，专门用于生物学研究。石材表征通过非破坏性和微创方法进行，包括宏观现场退化特征观察、Dino-Lite数字显微镜微纹理分析和便携式X射线荧光（portable X-ray fluorescence, pXRF）半定量元素表征。

研究得出以下主要结论：蛇纹岩表面呈现高级化学蚀变和机械弱化状态，风化、表面点蚀和微裂隙是主要退化特征。蛇纹岩表面存在多种耐极端环境细菌和黑色酵母菌（black meristematic fungi, BMF），其丰度与先前报道的SMFC大理石相当。细菌群落以Rubrobacter属为主导，而真菌群落以Coniosporium和Knufia属为主。大理石和蛇纹岩共享一个适应SMFC暴露石材表面恶劣环境条件的"核心微生物群"，但两种岩性间的群落组成和相对丰度存在差异，表明岩性和风化相关因素在塑造微生物群落组装中发挥重要作用。

主要技术方法

研究人员采用多种互补的技术方法开展研究。现场使用Dino-Lite Edge数字显微镜AM7915MZT（10x–220x放大）进行蛇纹岩原位形态分析，使用Bruker Elio便携式XRF光谱仪（铑阳极，<50 kV，<0.2 mA，1 mm准直）进行原位元素分析。微生物培养方面，从蛇纹岩样品S3、S4、S5和S6中分别取20 mg粉末悬浮于磷酸盐缓冲液（PBS）中，细菌在R2A琼脂上20°C培养4天，黑色酵母菌在二氯苯玫瑰红氯霉素琼脂（DRBC）上培养至四周，随后通过ITS rDNA扩增和Sanger测序鉴定分离菌株。环境DNA使用DNeasy Powersoil Kit从约100 mg蛇纹岩（S1、S3、S4）和大理石（M1、M2）粉末中提取，针对细菌16S rRNA基因（V3-V4区）和真菌内转录间隔区2（ITS2）构建扩增子文库，在Illumina MiSeq平台进行300 bp双端测序。序列数据使用QIIME2和DADA2进行预处理、降噪和聚类，以97%相似度阈值聚类为操作分类单元（OTU），真菌使用UNITE+INSD数据库（v10.0）、细菌使用SILVA数据库（v138.2）进行分类学注释，统计分析在R环境中完成。

研究结果

5.1 SMFC蛇纹岩的组成和退化状态

通过宏观观察、显微成像和原位元素数据整合分析，蛇纹岩表面呈现明显粗糙度和孔隙率，具有大量凹坑和颗粒解聚证据，这是高级化学风化的典型特征。颜色分区明显：从白色到浅灰色的较浅区域对应强烈蚀变和淋滤区域，可能富含碳酸盐或粘土矿物；而深绿色至黑色斑块可能保留了原始蛇纹石矿物组合的部分。白色风化物的出现提示孔隙水蒸发后盐类沉淀，可能是镁或钙碳酸盐或硅质残留物。结构不连续面（如脉体和裂隙）常被蚀变产物包围或填充，可能作为水分和污染物的优先通道，加速退化。

Dino-Lite数字显微镜图像显示异质纹理，深色致密区域与较浅的纤维状或微颗粒区域交替出现。裂隙和不连续面常被次生材料填充，颜色从深绿色到白黄色调变化。便携式XRF分析显示相对较高的Ca含量，提示次生含钙相的存在，可能与碳酸盐化过程有关；铁、镍和铬含量可观，但其在微生物定殖和生物退化中的可能作用需谨慎解释。

5.2 细菌和分生孢子真菌的培养

样品S3和S4的可培养细菌滴度约为5 × 10⁵ CFU/g，比先前报道的SMFC外部大理石细菌滴度（4.4 × 10⁶ CFU/g）低一个数量级。黑色酵母菌滴度范围为10⁵ CFU/g至10⁶ CFU/g（样品S5），后者与先前SMFC大理石上BMF滴度（1.2 × 10⁶ CFU/g）更为接近。从S5和S6样品中分离出6株BMF菌株，通过ITS rDNA扩增和测序鉴定，所有分离菌株均属于Coniosporium和Exophiala属，除一株属于Knufia属。

5.3 微生物群落分析

细菌α多样性方面，S4的丰富度最高，与M1、S1和S3存在显著差异；Shannon多样性指数显示S4显著高于所有其他位点。真菌丰富度呈现明显的位点驱动分化，S4显著高于所有其他位点。Shannon多样性和Simpson指数显示M2表现出最高值和最大均匀度，而S3多样性最低。PERMANOVA分析显示位点间和两种基质间均存在显著的全局差异，但两两事后比较未识别出任何特定位点对之间的显著差异，这可能与每点位重复数较少有关。PCoA分析显示大理石和蛇纹岩样品在细菌和真菌群落方面均聚为两个不同的宏观群组。

细菌群落组成方面，两种岩性共有的优势属为Truepera和Modestobacter。大理石以Sphingomonas为主导，其次为Quadrisphaera、Acidiphilium和Hymenobacter；蛇纹岩以Rubrobacter为主导，其他优势属包括Actinomycetospora和Sphingomonas，Deinococcus在S1和S4位点出现但不在S3。真菌群落方面，两种岩性共有的优势属为Vermiconidia（原Vermiconia）和Knufia。大理石以地衣Flavoplaca为主导，在蛇纹岩中则不存在；蛇纹岩还以黑色酵母菌Coniosporium为主导，在大理石环境中存在程度较低。

讨论与结论

研究结果表明，SMFC蛇纹岩的微生物定殖受到基质蚀变状态的强烈影响。尽管新鲜蛇纹岩的矿物学组成、有限的关键营养元素可用性以及潜在毒性元素的富集可能使其成为化学选择性的微生物生长基质，但风化过程可以改变暴露表面的物理化学特征并增加其生物可接受性（bioreceptivity）。与Gulotta等人（2018）研究的Oira石相比，SMFC蛇纹岩表现出广泛的蚀变特征和显著的微生物定殖，表明预先存在的化学-物理风化程度可能比岩性本身更能决定微生物定殖的程度。

蛇纹岩上检测到的Deinococcus和Sphingomonas等细菌类群具有沉淀碳酸钙的能力，而黑色酵母菌已知通过有机酸产生促进碳酸盐溶解，支持微生物定殖与碳酸盐相之间双向相互作用的可能性。铁是矿物-微生物界面的重要组分，所有分生孢子真菌和大多数蛇纹岩细菌属（Actinomycetospora、Hymenobacter、Rubrobacter、Sphingomonas）具有产生铁载体（siderophores）的能力，可能增加这一必需营养素的生物可利用性，同时削弱含铁蛇纹石的矿物晶格。镍和铬的存在可能对微生物施加选择性压力，有利于耐金属类群的持续存在。黑色酵母菌的黑色素化细胞壁具有结合重金属的能力。

SMFC大理石和蛇纹岩均栖息着以耐极端环境类群为主导的微生物群落，包括岩石栖息真菌（rock-inhabiting fungi, RIF）如Coniosporium、Knufia和Vermiconidia，以及细菌如Rubrobacter、Truepera和Deinococcus，这些类群具有高效的DNA修复系统、抗氧化和辐射抗性以及保护性色素。两种岩性间共享的"核心微生物群"表明存在适应SMFC暴露石材表面恶劣环境条件的共同微生物组，但群落组成和相对丰度的差异表明岩性和风化相关因素在塑造微生物群落组装中仍发挥重要作用。Flavoplaca地衣真菌可视为SMFC外部大理石的常见栖息者，其在蛇纹岩上的缺失提示岩性和地球化学因素可能限制其在该基质上的建立。Rubrobacter在蛇纹岩环境中的优势地位及其铁载体生物合成途径的基因组潜力，使其成为未来研究蛇纹岩矿物相、金属获取和细菌活性之间相互作用的理想目标。

总体而言，本研究支持微生物定殖受基质蚀变状态强烈影响的解释。尽管蛇纹岩矿物学在原始条件下可能内在限制生物定殖，但长期环境风化和次生矿物转化可能逐步增加石材的生物可接受性，使适应寡营养、富含金属和应力暴露的岩石环境的特化微生物群落得以建立。这些群落随后可能通过矿物-生物膜相互作用进一步促进石材退化，突显了石材风化和微生物定殖之间在蛇纹岩作为建筑遗产材料长期退化过程中的动态关系。