不同石表上微生物群落的结构与组成

《International Biodeterioration & Biodegradation》：Structure and composition of microbial community on different stone surface

微生物群落与石材元素相关性研究揭示蓝藻和变形菌占主导，碳氧钾钙为主要成分，冗余分析显示Candidatus Accumulibacter和Dickeya与钾钙等元素显著正相关。

　　

Xuping Gao|Xueji Liang|Shanshan Meng|Ji-Dong Gu|Zhong Hu

汕头大学生物系，中国广东省汕头市大学路243号，515063

摘要

微生物生物膜由细菌、古菌和真菌组成，通过物理和化学相互作用驱动石料的降解，从而导致侵蚀和结构损伤。本研究分析了大岗河（DGH）和汕头大学水库（STU）中的石料生物膜，包括微生物群落组成及其与石料元素组成的关系。结果显示，蓝细菌（16.86%）和变形菌（31.4%）在所有石料样本中含量较高。同时，通过扫描电子显微镜（SEM）和能量色散谱仪（EDS）分析了石料的元素组成。结果表明，碳（C）、氧（O）、钾（K）和钙（Ca）是石料的主要成分，部分样本（DGH1）含有较高的铷（Rb）含量，而部分样本（DGH-4）含有少量氟（F）。冗余分析（RDA）显示特定细菌属（如Candidatus Accumulibacter和Dickya）与某些元素之间存在显著正相关，例如Rb（R2 = 0.19）、Cl（R2 = 0.21）和Ca（R2 = 0.79）。我们的研究发现揭示了元素组成对微生物群落的影响及其在石料降解中的潜在作用，为未来的石料保护和保存研究提供了参考。

引言

微生物容易在石料表面定殖，从而形成生物膜。这些生物膜是复杂多样的系统，不仅包含微生物本身，还包括它们分泌的物质和代谢副产物，这些物质可能在石料表面积累并造成损害。例如，有研究发现某些微生物通过形成碳酸钙生物膜来破坏历史建筑（Skipper等人，2022年）。在适宜的环境中，细菌、古菌和真菌等微生物可以发展成生物膜。这些生物膜作为微生物间各种代谢相互作用的催化剂，对石料材料产生物理和生化作用，导致不可逆的后果（Liu等人，2022年）。此外，一些光自养微生物能在营养贫乏的环境中（如石料表面）生存并在有水或高湿度的区域繁殖。它们在喷泉和水景的退化过程中起着重要作用（Bolívar-Galiano等人，2020年）。微生物在其生理和生化过程中产生的代谢副产物可通过产生酸来诱导石料材料的降解，从而对有机和无机石料基底造成不同程度的损害。此外，微生物产生的硫酸和硝酸参与氮硫循环，可积累并对石料表面造成不可逆的损伤。例如，硫酸由于其酸性会溶解砂岩中的特定矿物质，并促进无水硫酸钙或石膏（CaSO?·2H?O）的形成，导致阴影区域变暗（Siegesmund等人，2007年；Liu等人，2020年）。这些反应会导致材料孔结构的显著变化。在基于水泥的材料中，孔隙率可能从最初的14.3%降至8.5%。在砂岩中，方解石的溶解会导致石料边缘的机械降解和界面孔隙率的增加（Gutiérrez-León等人，2021年）。同样，来自生物代谢和大气SO?的硫可以促进石料表面黑色结壳的形成或酸性溶液的产生，从而加剧降解（Zhang等人，2023年）。参与氮循环的某些微生物（如氨氧化细菌和古菌）通过氧化铵离子生成硝酸盐离子，这些硝酸盐离子在石料表面积累并促进其侵蚀（Zhang等人，2019年）。 环境因素（如温度、湿度和pH值）是影响石料表面生物膜演变的关键因素（Negi和Sarethy，2019年）。这种影响不仅限于宏观气候条件，还涉及微环境的化学特性。例如，石狗文化遗产所在环境的离子组成会影响生物膜内生物群落的组成，而周围的稻田环境导致开平碉楼中氨氧化细菌的数量多于氨氧化古菌（Meng等人，2023年；Liang等人，2023年）。然而，尽管对这类外部环境驱动因素的理解有所进展，但目前的研究尚未完全阐明石料表面的内在矿物化学如何驱动微生物生长。虽然已知矿物化学在附着过程中起作用，但岩石中的大量元素和微量元素作为营养源或电子供体的具体机制仍不清楚。 本研究假设石料的特定元素组成是影响微生物定殖和群落结构的主要因素。通过探索表面生物膜细菌群的组成、研究石料本身的组成以及表面微生物组成与石料元素组成之间的关系，将有助于理解石料的固有成分确实对微生物群落的组成有影响。有趣的是，通过将石料元素谱（通过SEM-EDS）与微生物群落结构（通过16S rRNA测序）相关联，我们的数据表明石料的矿物化学作用比先前假设的要重要得多。石料的特定元素组成不仅作为简单的物理基底，还积极塑造了河流环境中的微生物组装和定殖模式。本研究为进一步研究河流中石料组成与生物膜内微生物群落之间的关系奠定了坚实的基础。

样本采集

样本于2023年3月11日从大岗河（DGH）堤岸（23°23′N，116°39′E）和汕头大学水库（STU）堤岸（23°24′N，116°37′E）采集。选择DGH地点是因为它位于人口密集的居民区，可能受到生活污水排放和人为营养负荷的影响，这为城市水生生态系统中的河流石料生物降解提供了一个代表性模型。相比之下，STU地点...

石料的电子显微镜特征和元素组成

为了比较石料表面的差异，我们使用扫描电子显微镜进行观察（图2）。DGH-1表面观察到碎屑，DGH-2表面相对光滑，而DGH-3表面有不规则大小的圆形孔洞，DGH-4表面覆盖着类似真菌生长的丝状物质。有趣的是，在DGH-T上也发现了丝状物质，推测这可能是瓷砖加工过程中引入的人工物质。

石料表面微生物与元素之间的相关性

石料的生物降解受其物理结构、化学组成、环境气候（湿度和温度）以及生物群落的影响（Gallego-Cartagena等人，2026年）。尽管大多数研究关注陆地环境中的石料，但河流中的石料生物降解由于持续浸水和水质波动而表现出独特的动态（Kondratyeva等人，2024年）。在这些水生生态系统中，石料表面不仅仅是...

结论

我们收集了被大岗河沿岸侵蚀的石料样本，并将其与汕头大学水库的石料进行了比较。使用EDS和16S rRNA高通量测序研究了这些样本的矿物组成和细菌群落组成。结果表明，石料的元素组成是微生物定殖的主要驱动因素，这种机制的影响超出了周围水柱环境的影响范围。

CRediT作者贡献声明

Xuping Gao：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，软件，方法学。 Xueji Liang：撰写 – 审稿与编辑，概念构思。 Shanshan Meng：资金获取，概念构思。 Ji-Dong Gu：资源获取，方法学。 Zhong Hu：资金获取。

资助

本研究得到了国家自然科学基金（编号32300108和32370132）、广东省自然科学基金（编号2025A1515010972和2024A1515010759）以及汕头大学（STU）科学研究启动基金（编号NTF24007T）的支持。

利益冲突声明

鉴于Ji-Dong Gu担任本期刊的主编，他未参与本文的同行评审，也无法获取有关其同行评审的信息。本文的编辑过程完全由另一位期刊编辑负责。

致谢

作者感谢国家自然科学基金的支持。