《Environmental Pollution》：Artificial light pollution alters epilithic microbial communities and functional biodeterioration-related functional potentials in subterranean sandstone environments
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摘要人工光污染是地下遗产环境中一种重要的人为干扰因素，但其与岩壁表面微生物群落及生物劣化过程之间的关联仍不甚明了。在可供游客进入的地下洞穴中，人造照明会在岩石表面形成持续的明亮区域，这可能改变微生物群落的组成以及与生物膜形成相关的生物地球化学功能。本研究以中国浙江省的长游洞穴为例
摘要
人工光污染是地下遗产环境中一种重要的人为干扰因素，但其与岩壁表面微生物群落及生物劣化过程之间的关联仍不甚明了。在可供游客进入的地下洞穴中，人造照明会在岩石表面形成持续的明亮区域，这可能改变微生物群落的组成以及与生物膜形成相关的生物地球化学功能。本研究以中国浙江省的长游洞穴为例，利用16S rRNA基因测序和宏基因组学技术进行了分析。所有样本中细菌群落占主导地位（相对丰度超过98%）。在人工光照和日光下，蓝细菌门（Cyanobacteriota）显著富集，而在黑暗环境中则以假单胞菌门（Pseudomonadota）和放线菌门（Actinomycetota）占优势。黑暗区域的细菌α多样性更高，共生网络也更复杂。与日光和黑暗环境相比，人工光照环境下的细菌群落组成具有更大的随机性，生态位范围更广，生态位重叠度更低。代谢潜力分析进一步显示：人工光照增强了氮和硫的同化代谢，日光促进了固氮作用，而黑暗环境则有利于硝化、反硝化和硫氧化过程。然而，细菌群落模式也受到温度、湿度、pH值和可溶性盐的影响，表明观察到的差异反映了光和环境异质性的综合效应。这些发现表明，人造照明是与岩壁表面细菌群落相关的一个重要且可控制的环境因素，并为将照明管理纳入地下砂岩遗产的保护策略提供了依据。
引言
石质文化遗产是人类历史和艺术成就的不可替代的记录，但其暴露在外的表面容易受到环境破坏和人为干扰（Li等人，2024年）。人工光污染已成为地下环境中日益普遍的人为干扰因素。在可供游客参观的考古遗址中，通常会安装人造照明设备用于展示、安全保障和管理，但持续的光照会在原本黑暗的岩石表面创造出新的生态位，并促进光养微生物的定殖。这种生物膜的形成对石质遗产尤为严重，因为微生物可以通过胞外聚合物、有机酸、矿物转化等生物地球化学过程改变基质性质（Liu等人，2020年；Wu等人，2021年；Yang等人，2025a年）。因此，了解人工光污染如何调节岩壁表面微生物群落不仅对微生物生态学至关重要，也对地下石质环境的生态风险评估和预防性保护具有重要意义。
微生物在石质遗产表面的定殖是一个涉及附着、生长、种间相互作用和演替的动态生态过程（Boniek等人，2019年）。生物劣化很少由单一微生物引起，通常是由于多物种群落及其共同的代谢活动造成的（Wang等人，2026年）。尽管基于培养的方法可以直接获取微生物的分离和生理特征信息，但它们只能捕捉到有限的环境微生物（Jroundi等人，2017年；Yoshioka等人，2026年）。相比之下，基于16S rRNA和功能基因的高通量测序及组学方法为表征遗产表面的微生物多样性、群落结构和生态潜力提供了更强大的工具（Cattò等人，2023年）。先前的研究表明，石质文化遗产中常见放线菌门（Actinomycetota）、假单胞菌门（Pseudomonadota）、蓝细菌门（Cyanobacteriota）、绿弯菌门（Chloroflexota）、子囊菌门（Ascomycota）和担子菌门（Basidiomycota）的成员，其中许多参与生物膜形成、酸的产生、矿物溶解和养分循环（Zhang等人，2021年）。然而，这些群落如何响应人工光污染，以及这些响应如何改变微生物的生态功能，目前尚不明确。
环境条件及其塑造的微环境在调节岩壁表面微生物群落方面起着决定性作用（Bai等人，2021年；Ding等人，2022年；Yang等人，2025c年）。先前的研究表明，温度、降雨量、湿度和盐度都会显著影响微生物群落的组成和多样性（Cruz-Paredes等人，2023年；Li等人，2022年；Rath等人，2019年；Ren等人，2018年）。温暖潮湿的环境通常有利于微生物的生长和群落扩张（Liu等人，2018年；Yuan等人，2021年）。盐分的积累和结晶可能通过改变表面粗糙度、孔隙度和水分 availability 来增强岩石的生物可接受性，从而促进微生物定殖和生物膜的形成（Yang等人，2023年）。此外，岩石本身的矿物组成、表面结构和风化程度也会影响微生物的附着和代谢活动（Yang等人，2025b年；Zhao等人，2024年）。与其他环境因素相比，人工光污染的研究仍不够充分，尽管它具有重塑地下环境中能量输入和微生物生态位的巨大潜力。特别是，人工光如何影响砂岩表面的微生物群落组成和功能潜力仍不清楚。
本研究选择了中国浙江省的长游洞穴作为代表性地下砂岩环境，以研究人工光污染对岩壁表面微生物生物膜的影响。通过结合16S rRNA基因测序和宏基因组测序，本研究旨在解决三个问题：（1）人工光如何改变岩壁表面微生物群落的组成、多样性和相互作用网络；（2）人工光污染是否使群落组成从确定性的环境筛选过程转变为随机过程；（3）不同的光照条件如何改变与生物膜形成和生物劣化风险相关的微生物氮和硫循环潜力。研究结果为人工光污染作为岩壁表面微生物生态学驱动因素提供了新的见解，并为地下砂岩环境中的照明管理策略提供了科学依据。
节选
样本采集
长游洞穴位于中国浙江省衢州市长游县（29.03°N, 119.17°E），属于湿润的亚热带季风气候区。年平均气温在16.3至17.3°C之间，年温差约为24°C，相对湿度达到76%–80%，显示出明显湿润的气候特征。
长游洞穴的岩体主要由砂岩构成，洞穴内部具有相对封闭的微环境。
人工光污染导致微生物群落组成发生显著变化
为了研究光污染对石质遗产表面微生物群落结构的影响，选取了长游洞穴砂岩表面的微生物覆盖情况作为研究对象。随后比较了来自三种环境（人工光照、日光和黑暗）的样本的群落组成。宏基因组分析显示，长游洞穴砂岩表面的微生物群落以细菌为主。
人工光污染改变了石质遗产表面的细菌群落结构
研究表明，光照条件是影响长游洞穴砂岩表面细菌群落分化的重要环境因素。然而，观察到的群落模式应在包括温度、湿度、pH值和可溶性盐在内的更广泛的环境条件下进行解释。在人工光照和日光条件下，蓝细菌门均显著富集，而假单胞菌门和放线菌门
结论
通过16S rRNA高通量测序和宏基因组测序，本研究系统揭示了不同光照条件下长游洞穴砂岩表面微生物群落的结构特征。结果显示，洞穴表面的生物覆盖以细菌为主，除少数情况外，细菌的相对丰度超过98%。在人工光照下，蓝细菌门显著富集
CRediT作者贡献声明
Zhonghua Jiang: 负责撰写、审稿和编辑，以及实验设计。Lixin Peng: 负责撰写、审稿和编辑，以及项目管理和实验设计。Zhiyu Xu: 负责撰写、审稿和编辑，以及资源管理和实验设计。Jiuqing Xiang: 负责撰写、审稿和编辑，以及项目管理和实验设计。Biao Cui: 负责撰写、审稿和编辑，以及项目管理和实验设计。haiqing Yang: 负责撰写、审稿和编辑，以及数据可视化和项目协调。
数据可用性
本研究的原始序列数据存储在NCBI Sequence Read Archive (SRA) 数据库中，存档号为PRJNA1449197和PRJNA1449940。
资金来源
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52179096）、重庆市人才计划青年拔尖人才项目（项目编号：cstc2024ycjh-bgzxm0047）、重庆市 Graduate Research and Innovation Foundation（项目编号：CYB25042）以及国家重点文物保护项目专项基金的支持。
? 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Haiqing Yang教授表示获得了国家自然科学基金的支持；Xingyue Li与重庆市 Graduate Research and Innovation Foundation有合作关系；Zhiyu Xu与相关机构有合作关系。
作者名单：Xingyue Li | Haiqing Yang | Zhiyu Xu | Lixin Peng | Zhonghua Jiang | Xiaoyu Zhou | Jiuqing Xiang | Biao Cui
中国重庆市重庆大学土木工程学院山区土木工程安全与韧性国家重点实验室，邮编400045
