石质文物的生物风化及其防治研究进展

石质文物的生物风化问题普遍存在,随着全球气候与环境变化加剧,其面临的生物风化挑战日趋严峻,防风化任务愈趋紧迫.本文综述了地衣类微生物介导的石材风化机理及其与气候环境因子间的关系,讨论了地衣的生物保护作用和地衣防治中生物杀灭剂的效力评价,并展望了该领域未来的研究方向.对地衣-岩石界面的大量研究表明,生物风化可主要归因于以菌丝穿透和草酸钙形成为代表的生物物理风化和生物化学风化;露天石质文物的生物风化与包括石材基质、周边环境及气候因素等在内的整个生态系统多种非生物条件息息相关;地衣对石材兼具生物风化作用和生物保护效应.在石质文物风化修复方面,应逐步改善文物赋存的环境条件,建立用于生物风化和杀灭效率评估的行业规范和国家标准等“通用语言”,推进石质文物的科学保护.     

敦煌莫高窟及周边环境拟步甲虫害调查研究

自2018年以来,每年春夏季在莫高窟窟区及周边荒漠都会出现大规模的拟步甲科昆虫活动,对壁画保存和游客参观造成了影响。为明确拟步甲虫害情况,采用样方法、陷阱法对该区域进行全面普查,以明确拟步甲虫害类型、分布、暴发特点以及对文化遗产的危害。结果表明,在莫高窟暴发的拟步甲科昆虫主要有4种：洛氏脊漠甲Pterocoma loczyi、克氏扁漠甲Sternotrigon kraatzi、三沟胸鳖甲Colposcelis trisulcata和光滑胖漠甲Trigonoscelis sublaevigata,优势种为洛氏脊漠甲。莫高窟约1/3的调查洞窟内有拟步甲活动,对起甲和酥碱壁画威胁较大;其主要取食白刺Nitraria tangutorum,危害荒漠植被。虫害暴发与区域降雨量增加和植物食源丰富相关;亟需采取有效防控措施,以确保文物及其赋存环境安全。本研究为莫高窟虫害的监测防治和文物保护提供了科学依据。     

麦积山石窟赋存环境中空气细菌的时空分布特征

【目的】空气微生物沉降及污染与文化遗产的微生物退化密切相关,本文对世界文化遗产地麦积山石窟赋存环境空气中细菌浓度和群落结构的季节性变化特征进行了系统研究,为石窟环境监测预警和文物预防性保护提供依据。【方法】利用生物气溶胶采样器,在2016年春、夏、秋和冬季分别采集空气样品;基于传统培养方法获得空气中细菌浓度及纯培养菌株;通过提取基因组DNA、扩增细菌16S rRNA、测序和系统发生树等分子技术研究细菌群落时空动态变化规律;结合环境监测数据,分析影响遗产地空气细菌变化的主要因素。【结果】监测期内,空气细菌浓度在(281.20–1409.20)CFU/m3之间,最高浓度出现在MJ4处的夏季,最低浓度出现在MJO处的春季;具有明显季节性变化特征,在空间层位分布上有所差异,但不显著(P0.05)。培养的细菌菌株经鉴定属于4个门11个属;芽孢杆菌属(Bacillus)、Paenarthrobacter、节杆菌属(Arthrobacter)、薄层菌属(Hymenobacter)和考克氏菌属(Kocuria)等为优势属。【结论】麦积山石窟空气细菌群落结构具有明显的季节性和空间分布动态变化特征;在石窟不同层位,空气中细菌群落分布与相对湿度、温度与降雨量相关;部分细菌种属如芽孢杆菌属、微球菌属(Micrococcus),为壁画及彩塑生物腐蚀的潜在病害菌;麦积山石窟及周边环境空气细菌的监测可为石窟保护和旅游开放管理提供重要参考。     

仿爱夜蛾成虫对敦煌莫高窟模拟洞窟壁画的选择趋性

为探明仿爱夜蛾Apopestes spectrum对莫高窟壁画的损害过程, 给壁画病害昆虫的有效防治提供科学依据。本文结合莫高窟洞窟的微气候环境监测, 在置于莫高窟第53窟中模拟洞窟中观察了仿爱夜蛾成虫的空间分布特点及其对不同颜料壁画的选择趋性。微气候环境监测结果表明, 在8-9月仿爱夜蛾成虫发生高峰期, 模拟洞窟内和莫高窟第53窟内的平均温度分别为17.97℃和18.02℃, 相对湿度分别为37.04%和37.13%, 两者非常接近, 说明模拟洞窟可以较好地模拟自然洞窟内的气象环境条件。空间分布观察结果表明, 仿爱夜蛾在模拟洞窟内不同方位壁画表面的分布数量差异较大, 其中在南壁上部和东壁两侧分布数量最多, 而在底部、 顶部和西壁上部分布数量最少。不同颜料壁画选择趋性测定结果表明, 仿爱夜蛾成虫对不同颜料壁画的选择偏好差异明显, 其中在靛蓝、 铁红和墨壁画色块上的数量最多, 其次为铅丹和石绿色块。Pearson相关性分析显示, 壁画颜料明度与其表面仿爱夜蛾的分布数量呈极显著负相关, 表明壁画颜料明度是影响仿爱夜蛾成虫对不同颜料趋性的重要因素之一。本研究对于其他石窟寺病害昆虫损坏壁画机理研究具有重要的借鉴意义。     

敦煌莫高窟第98窟壁画表面菌斑的群落结构分析

【目的】确定第98窟壁画表面白色污染物内微生物微观特征, 分析其群落组成、结构特点及诱发壁画病害微生物产生的因素, 为石窟寺保护和旅游管理提供建议。【方法】利用无菌手术刀收集壁画表面白色污染物样品; 利用扫描电子显微镜(SEM)分析样品中微生物体微观形貌; 通过提取样品总DNA、扩增细菌16S rDNA、构建克隆文库、测序和系统发生关系分析等技术研究壁画微生物群落组成与结构特点。【结果】壁画白色污染物中存在大量具有微生物特征的结构体, 形态多呈短杆状和卵圆形, 大小在 (3.0?5.5)?μm×(1.5?2.5) μm之间。共得到克隆文库序列111条, 主要为变形菌门γ-变形菌亚门肠杆菌科(Enterobacteriaceae)与假单孢菌科(Pseudomonadaceae)成员。群落组成和结构分析表明所得序列主要隶属于肠杆菌属(Enterobacter)、埃希菌属(Escherichia)、固氮菌属(Azotobacter)、沙雷氏菌属(Serratia)和克雷伯菌属(Klebsiella); 埃希菌属和肠杆菌属为优势属, 分别占克隆文库中总序列的46.8%和35.1%, 二者在自然界分布广泛, 大多属于人类致病菌。【结论】莫高窟第98窟壁画表面白色污染物主要为病害细菌生长所形成的菌斑群落集成。变形菌门在壁画细菌克隆文库中占绝对优势, 壁画病害微生物的出现和蔓延可能与该洞窟之前长期旅游开放存在一定关联。     

应用氢氧稳定同位素对极端干旱区蒸发水分来源的确定

长期监测发现敦煌莫高窟窟顶戈壁存在稳定的蒸发水分。为了进一步厘清蒸发水分的来源,利用拱棚-凝结法定期收集蒸发水分,应用水同位素示踪原理监测凝结水分、莫高窟降水和潜水的δD和δ~(18)O值,以揭示戈壁蒸发水分的来源。结果表明,蒸发水分的δD、δ~(18)O平均值分别为-33.06‰和-5.33‰,莫高窟降水为-66.44‰和-8.57‰,潜水为-72.19‰和-9.75‰,说明当地潜水并非来自于莫高窟降水;通过经纬度和海拔,应用在线降水同位素计算的当地降水δD和δ~(18)O值(-60.00‰,-8.50‰)和降水加权平均值(-5.30‰,-0.75‰)同样表明,当地降水不是地下潜水的合理来源,而党河源区(野马山)的降水(-86.00‰,-12.00‰)才是地下潜水的真正来源。土壤水分蒸发实验与土壤垂直剖面水分检测表明,戈壁深厚包气带土壤在潜水水汽向上运移过程中选择了δ值相对较高的潜水水分,因此,戈壁蒸发水分来自地下潜水,存在清晰的来源通道。极干旱区蒸发水分来源的再确定为蒸发潜水的利用奠定了基础,对极干旱区生态恢复有重要意义,并为干旱、半干旱区地下水的利用提供了新视角,为莫高窟洞窟水分来源研究亦提供了重要参考。     

墓室酥碱砖壁画及其环境的真菌多样性分析

【背景】酥碱是威胁古代墓室砖壁画保存的主要病害之一,水分和盐分共同作用下壁画产生酥碱病害,而其中真菌类群、来源及耐盐性鲜有报道。【目的】比较敦煌汉墓、晋墓和嘉峪关五号墓内砖壁画酥碱样品及其赋存环境空气中可培养真菌的群落组成、多样性及耐盐性,为砖壁画的防护提供理论依据。【方法】运用扫描电镜观察酥碱样品微观形貌,并结合能谱、X射线衍射进行成分分析;对样品培养、分离、纯化获得真菌纯菌株,运用形态和分子生物学技术鉴定种属;利用梯度含盐培养基研究菌株的耐盐性。【结果】墓室酥碱样品及环境空气中青霉属(Pencillium)、曲霉属(Aspergillus)和枝孢属(Cladosporium)丰度较高,为优势属;其他菌属包括镰孢菌属(Fusarium)和毛壳菌属(Chaetomium)为稀有属。三座墓室砖壁画酥碱中均存在烟曲霉(A.fumigatus)、花斑曲霉(A.versicolor)以及黄灰青霉(P.aurantiogriseum);酥碱样品与墓室内外空气中分离获得的真菌类群间有一定相似性。多数菌株可在含15%NaCl的培养基上生长,一株产黄青霉(P. chrysogenum)甚至可在30%盐浓度条件下生长。【结论】青霉属和曲霉属为墓室共有优势菌,多数菌株有较强的耐盐性。     

敦煌莫高窟中细菌多样性的研究

【目的】通过对敦煌莫高窟内细菌多样性及生理生化特征的分析,为壁画微生物病害防治提供试验依据。【方法】采用纯培养与16S rDNA等技术对莫高窟245#窟内空气样品、壁画样品进行分析,并在培养基中添加壁画颜料测试其对细菌生长的影响。【结果】分离出可培养细菌76株,分属于8个属。其中空气中有6个属,分别为Bacillus、Arthrobacter、Pseudomonas、Acinetobacter、Enterobacter、Kocuria,优势菌为Bacillus、Arthrobacter。壁画上有Bacillus、Arthrobacter、Paenibacillus、Erythrobacter 4个属,优势菌为Bacillus、Arthrobacter;并发现DHXJ05(Enterobacteriaceae)、DHXJ08(Bacillaceae)、DHXJ15(Erythrobacteraceae)、DHXJ16(Bacillaceae)和DHXJ17(Bacillaceae)能在含有铁红、铅丹、朱砂的环境中良好生长。【结论】为后期研究壁画颜料的变色机理及选择相应的细菌防治制剂提供了条件。     

太原北齐徐显秀墓壁画可培养真菌多样性及危害防治

【背景】原址保护的墓葬壁画普遍存在着有害微生物的威胁,对壁画菌害的长效防治是文物保护领域久未解决的难题。【目的】确定太原北齐徐显秀墓墓道霉变壁画上可培养真菌多样性,分离优势菌株,并筛选长效的生物杀灭剂,为墓葬壁画菌害的抢救性防治提供科学依据。【方法】利用无菌棉签采集壁画表面白色菌丝体样品,使用扫描电子显微镜分析病害菌微观形貌特征;通过培养、分离及纯化获得真菌菌株,运用形态学和分子技术鉴定种属;结合实验室抑菌圈测试和原位杀菌试验,分析不同生物杀灭剂的抑菌圈大小、杀菌后原位可培养微生物浓度以及ATP荧光值差异,以期找到长效的生物杀灭剂。【结果】霉变壁画表面有大量菌丝体并伴有分生孢子,白色菌丝体样品中可培养真菌属于子囊菌门(Ascomycota)的6个属,其中白色侧齿霉菌(Parengyodontium album)相对丰度最高(98.13%),为优势病害菌。经实验室和原位试验筛选评估,确定了双氯酚复配型杀灭剂(0.5%双氯酚+75%乙醇)对该病害真菌杀灭效果最好,在7年连续监测期内未出现病害菌的复发。【结论】白色侧齿霉菌是引起徐显秀墓墓道壁画霉变的主要可培养病害菌;双氯酚复配型杀菌剂用于该病害菌防治的时效性最长;建议后期结合抢救性防治、环境调节和跟踪监测,以达到墓葬壁画微生物危害的长效防控。     

大、小苏干湖浮游藻类的群落组成特点研究

大小苏干湖是位于柴达木盆地北缘的一个内陆封闭的生态系统,本文对湖泊的浮游植物多样性及其季节变化特征进行了初步研究。通过春季（5月）、夏季（8月）和秋季（10月）的采样分析,发现大苏干湖中共有浮游植物61种,小苏干湖中共有68种;在3次所采水样中,浮游植物的密度春季最低,夏季最高;大苏干湖中硅藻门一直占据着绝对的优势,即使在相对少的8月份,也占到了总体的41.5%左右;其次是蓝藻门,在8月份占总量的56.1%;而小苏干湖中硅藻门也是一直占据着绝对的优势,占到了总量的70%左右;其次是蓝藻门,在8月份占总量的20.1%。大苏干湖的绿藻指数为4.00,小苏干湖的绿藻指数为3.67,大苏干湖样品的藻类综合指数为5.00,小苏干湖样品的藻类综合指数为8.67,说明水体属于中度以上富营养型;大苏干湖相同月份各区的Shannon指数差别不明显,Pielou均匀度指数的差别也不大,全湖的变化不显著。Shannon指数 H' 在各月的变动范围平均在1.823－2.192之间,小苏干湖的Shannon指数 H' 在各月的变动范围平均在2.068－3.036之间。两湖相比,无论从Shannon指数还是Pielou指数来看,小苏干湖生物多样性指数高于大苏干湖。