Synergistischer Stickstoff‑Schwefel‑Stoffwechsel treibt die Biodeterioration an, aufgedeckt durch metagenomische und DNA‑SIP‑Analysen in der Residenz von Chen Cihong

Warum Steinmonumente langsam zerfallen

Von antiken Tempeln bis zu hundertjährigen Stadthäusern: Viele geliebte Steinbauten werden still und leise von innen heraus angegriffen. Diese Studie untersucht die ehemalige Residenz von Chen Cihong, einen historischen Herrenhauskomplex im Süden Chinas, um aufzudecken, wie unsichtbare Mikrobengemeinschaften auf der Steinoberfläche Risse, Abblättern und den Verlust von Schnitzereien beschleunigen können. Indem die Forschenden verfolgen, wie diese Mikroben mit zwei häufigen Elementen — Stickstoff und Schwefel — umgehen, enthüllen sie einen verborgenen chemischen Motor, der Regen und Luft in Säuren und Salze verwandelt, die den Stein langsam zerstören.

Winzige Filme auf alten Wänden

Wer die Residenz von Chen Cihong betritt, sieht dunkle Beläge und Flecken auf Stein, Fliesen, Glas und Holz. Diese Stellen sind Biofilme: dünne, schleimige Schichten, die von Bakterien, Pilzen und anderen Mikroben gebildet werden. Das Team entnahm Proben von Biofilmen an mehreren Stellen, vor allem an wetterexponierten Granitbalkonen. Sie maßen Feuchtigkeit, Säuregehalt und gelöste Ionen wie Nitrat und Sulfat und nutzten dann DNA‑Sequenzierung, um zu bestimmen, welche Mikroben dort lebten. Steinoberflächen, insbesondere eine Probe aus der oberen Etage, beherbergten besonders vielfältige Bakteriengemeinschaften, die auf die Nutzung von Stickstoffverbindungen spezialisiert sind — ein Hinweis darauf, dass wichtige chemische Reaktionen genau an der Kontaktfläche zwischen Stein und Luft ablaufen.

Der verborgene Stickstoffkreislauf

Um zu sehen, was diese Mikroben tatsächlich tun, verwendeten die Forschenden eine raffinierte Verfolgungsmethode mit einer schweren Form von Stickstoff, bekannt als ¹⁵N. Sie kultivierten Steinbiofilme im Labor mit markiertem Ammoniak und isolierten dann die DNA, die diesen schweren Stickstoff aufgenommen hatte, um zu zeigen, welche Mikroben ihn aktiv nutzten. Außerdem verfolgten sie, wie sich der markierte Stickstoff im Laufe der Zeit in Nitrit und Nitrat umwandelte. Die Ergebnisse zeigten, dass Mikroben auf dem Stein Ammoniak fleißig in stärker oxidierte Stickstoffformen umsetzten — eine Reaktionskette, die oft als Nitrifikation bezeichnet wird — während andere Mikroben Nitrat in gasförmige Produkte umwandeln, die an die Luft entweichen (Denitrifikation). Ein dritter Weg, die DNRA, recycelt Nitrat zurück zu Ammoniak. Zusammen bilden diese Schritte eine interne Stickstoffschleife, die kontinuierlich die Verbindungen regeneriert, die nötig sind, damit die Reaktionen weiterlaufen und aggressive gelöste Salze im Inneren des Steins entstehen.

Wenn Stickstoff auf Schwefel trifft

Die metagenomische Analyse — also der Wiederaufbau der genetischen Werkzeuge der Mikroben direkt aus Umwelt‑DNA — brachte noch mehr zutage: Viele der wichtigsten mikrobiellen Gruppen trugen Gene sowohl für Denitrifikation als auch für Schwefeloxidation. Das bedeutet, dass dieselben Biofilme, die Stickstoff umsetzen, auch Elektronen aus Schwefelverbindungen entziehen und so Sulfat erzeugen können. Sulfat verbindet sich leicht mit im Stein gebundenen Calcium‑ und Magnesiumionen und bildet Minerale wie Gips. Wenn diese Salze in winzigen Poren wachsen und kristallisieren, drücken sie das Gestein von innen auseinander, was zu Rissen und Ablösungen der Oberfläche führt. Die Studie legt nahe, dass durch Nitrifikation erzeugte Stickstoffverbindungen als „Elektronenakzeptoren“ für schwefeloxidierende Mikroben dienen und so die beiden Kreisläufe zu einem mächtigen, sich selbst verstärkenden Motor für Säurebildung und Salzakkumulation koppeln.

Ein langsamer, aber mächtiger innerer Angriff

Die Autorinnen und Autoren zeigen, dass diese gekoppelten Stickstoff‑Schwefel‑Chemien nicht nur eine Kuriosität sind; sie stehen wahrscheinlich hinter einem großen Teil der langfristigen Schwächung der Steinbauten in Chen Cihong. In feuchten Perioden werden Nitrat und Sulfat, die von den Biofilmen gebildet werden, mit eindringendem Wasser in den Stein gezogen. In trockenen Phasen kristallisieren sie aus, erhöhen den inneren Druck und treiben das Wachstum von Rissen. Denitrifikation kann gelegentlich die Nitratlast reduzieren und die Säure etwas mindern, ist in der Praxis aber oft unvollständig und trägt weiterhin zu chemischen Veränderungen bei, die dem Stein schaden. DNRA hält den Kreislauf dadurch aufrecht, dass es Ammoniak zurückführt, wodurch der Prozess über Jahre oder Jahrzehnte stabilisiert wird.

Richtungen für klügere Schutzmaßnahmen

Für Restauratorinnen und Restauratoren lautet die Botschaft: Einfaches Reinigen der Oberflächen reicht nicht aus. Die Studie liefert einen Rahmen, um gezielt jene Stoffwechselwege anzugehen, die den Schaden antreiben — etwa durch selektive Hemmung ammoniak‑oxidierender Mikroben oder durch Unterbrechung der Stickstoffschleife durch Entfernung angesammelter Nitrate. Jede solche Intervention muss schonend und sorgfältig getestet werden, denn diese mikrobiellen Gemeinschaften sind komplex und der Stein selbst unersetzlich. Nichtsdestoweniger bietet diese Arbeit, indem sie aufzeigt, wie sich Stickstoff‑ und Schwefelkreisläufe an der Oberfläche eines einzelnen historischen Hauses verknüpfen, eine klare Landkarte zum Schutz von steinernem Kulturerbe weltweit gegen einen unsichtbaren, aber unerbittlichen biologischen Angriff.

Zitation: Liang, X., Gao, X., Xie, C. et al. Synergistic nitrogen-sulfur metabolism driving biodeterioration revealed by metagenomic and DNA-SIP analyses at the Chen Cihong residence. npj Herit. Sci. 14, 236 (2026). https://doi.org/10.1038/s40494-026-02467-x

Schlüsselwörter: Stein‑Biodeterioration, mikrobielle Biofilme, Stickstoffkreislauf, Schwefeloxidation, Konservierung kulturellen Erbes