通过宏基因组和DNA-SIP分析揭示协同的氮-硫代谢驱动陈慈洪故居的石材生物劣化

为什么石质纪念物会缓慢风化崩落

从古老的寺庙到百年老宅，许多受人喜爱的石质建筑正悄然从内部被侵蚀。本研究以中国南方的历史建筑群——陈慈洪故居为对象，揭示附着在石材表面的隐形微生物群落如何加速开裂、剥落和雕刻损失。通过追踪微生物对两种常见元素——氮和硫的代谢处理，研究人员揭示了一个将雨水和空气转化为酸和盐的隐秘化学发动机制，这些产物逐步破坏石材。

旧墙上的微薄薄膜

走过陈慈洪故居的人都会看到石材、瓦片、玻璃和木材上的暗色薄膜和污斑。这些斑块是生物膜：由细菌、真菌和其他微生物形成的薄而黏的层。研究团队从多个部位采集了生物膜样本，尤其是暴露于风雨的花岗岩阳台，测量了湿度、酸碱度以及诸如硝酸盐和硫酸盐等溶解离子，并通过DNA测序鉴定了居住其间的微生物。石材表面，尤其是一处上层样本，展现出以利用氮化合物为专长的丰富细菌群落，这提示关键的化学反应正在石材与空气的交界处发生。

隐秘的氮循环

为了了解这些微生物的实际作用，研究人员使用了一种巧妙的追踪方法，采用富集的重氮同位素¹⁵N。他们在实验室中用标记的氨培养石材生物膜，然后分离出掺入这种重氮的DNA，以显示哪些微生物在积极利用它。研究还随时间追踪了标记氮如何转变为亚硝酸盐和硝酸盐。结果表明，石材上的微生物正在积极将氨氧化为更高氧化态的氮——一系列常称为硝化作用的反应——而其他微生物则将硝酸盐转化为逸散到空气中的气体，即反硝化作用。第三条途径DNRA（硝酸还原为氨）将硝酸盐循环回氨。三者共同构成了一个内部氮循环，不断再生维持这些反应所需的化合物，同时持续在石材内部生成具有侵蚀性的溶解盐。

当氮遇上硫

宏基因组分析——即直接从环境DNA重建微生物的遗传工具箱——揭示了更多信息：许多关键微生物类群同时携带反硝化和硫氧化的基因。这意味着同一生物膜既能操控氮循环，也能从硫化物中移取电子，生成硫酸盐。硫酸盐易与石材中结合的钙和镁形成石膏等矿物。当这些盐在微小孔隙中生长和结晶时，会从内部将岩石推裂，导致开裂和表面剥落。研究表明，硝化产生的氮化合物可作为氧化硫微生物的“电子受体”，将两条循环连接为一个强大且自我增强的酸生成和盐沉积引擎。

缓慢但强劲的内部攻蚀

作者表明，这种耦合的氮—硫化学不仅是学术上的趣事；它很可能是陈慈洪故居石材长期弱化的根源。在潮湿时期，由生物膜形成的硝酸盐和硫酸盐会随渗水被带入石材内部；在干旱时期，它们结晶，增加内部压力并推动裂缝扩展。反硝化有时可降低硝酸盐含量并在一定程度上缓解酸性，但在实际环境中常常不完全，仍会促成对石材有害的化学变化。DNRA通过将硝酸盐回馈为氨，帮助维持这一循环，可能持续数年甚至数十年。

为更智能的保护指明方向

对文物保护者而言，结论是单纯清洁表面并不足够。该研究提供了一个框架，可针对驱动损伤的特定代谢途径采取措施，例如有选择地抑制氨氧化微生物或通过去除积累的硝酸盐来切断氮循环。任何此类干预都必须温和并经过严格测试，因为这些微生物群落极为复杂，石材本身不可替代。尽管如此，通过绘制氮和硫循环如何在单一历史住宅表面交织，这项工作为保护全球石质文化遗产免受这种无形却持续的生物侵害提供了清晰的路线图。

引用: 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

关键词: 石材生物劣化, 微生物生物膜, 氮循环, 硫氧化, 文化遗产保护