绿藻定植引起的砖与抹面的物理化学及力学性能变化——模型与现场研究

《International Biodeterioration & Biodegradation》：Physicochemical and mechanical alterations of brick and render induced by green algae colonisation – model and field investigations

　　

气生绿藻是外部建筑材料常见的定殖者，可能促成其生物劣化；然而，其对材料物理化学和力学性能的长期影响，特别是现代防护涂层，仍未被充分了解。本研究通过为期六个月的实验室模型实验并结合现场暴露，考察了陆地绿藻引起的砖和硅酮抹面的物理化学及力学变化。藻类活性通过叶绿素荧光参数评估，而材料变化则通过CIELAB（国际照明委员会色彩空间）系统的颜色测量、pH值测定和吸水率测试进行分析。力学性能通过测量砖的抗压强度、水蒸气渗透性以及抹面的附着力进行评估。Klebsormidium nitens、Stichococcus bacillaris、Bracteacoccus minor、Chloroidium saccharophilum 和 Diplosphaera chodatii 在两种基材上均实现了活跃定殖，其中实验室条件下观察到更密集的生长，而现场暴露下发展较慢。研究记录了较高的光合作用活性，尤其在硅酮抹面上，并确定了最小荧光值（F0> 100）作为建筑材料上藻类活性升高的指标。藻类定殖导致了显著的颜色变化（ΔE = 15.00 - 47.47），色彩向绿色和蓝色色调偏移，明度降低，pH值最多下降1.46个单位，含水量增加（尤其在硅酮抹面中增加约3个百分点），而力学性能未受影响。这些发现证实了陆地绿藻对外部建筑材料的生物劣化潜力，并强调需要进行长期研究以可靠评估材料耐久性并制定有效的保护策略。

论文解读文章

研究背景、问题与动机

气生光能自养生物（特别是绿藻）在全球各气候带的建筑材料上广泛定殖，是生物劣化的主要贡献者。在温带和寒冷气候区，绿藻常作为先驱定殖者，而在温暖和热带气候区，此角色更多由蓝细菌承担。绿藻通过光合色素引起的美学改变、形成增加基质湿度的生物膜（促进冻融循环中的微裂纹发展）以及产生酸性代谢物等途径，导致建筑材料的机械侵蚀和化学降解。尽管有假设认为气生绿藻可能损害建筑材料的结构完整性，但此前缺乏综合评估藻类定殖后材料性能变化的全面研究。大多数关于藻类和蓝细菌生物劣化的研究集中于天然石材，而对砖和抹面（其组成和物理性质与石材不同）的关注较少，尤其是现代防护涂层（如丙烯酸基和硅酮基材料）的相关研究更为匮乏。此外，过往研究多使用蓝细菌作为生物模型，而在温带气候中占主导的绿藻研究相对不足，且结合详细生物学特性与材料力学、耐久性性能分析的整合研究较为罕见。因此，本研究旨在评估气生绿藻定殖和活性引起的砖和抹面的物理化学及力学变化，包括六个月的实验室模型实验和现场测试，以探讨材料耐久性、性能和保护问题。

研究方法概述

本研究采用了实验室模型实验与现场暴露相结合的长期（六个月）研究设计。选用的代表性建筑材料包括商业红砖（Euroclass A1）和无杀菌剂的薄层硅酮分散抹面。藻种为先前从建筑材料中分离的五株非无菌藻株：Bracteacoccus minor PNK015、Stichococcus bacillaris PNK040、Klebsormidium nitens PNK013、Chloroidium saccharophilum PNK010 和 Diplosphaera chodatii PNK021。样本在实验室（受控光、温、湿条件）和环境（室外模拟东北向墙面）条件下培养六个月。分析范围涵盖藻类活性（光合作用荧光参数F₀、F_m）、生物膜形态观察（扫描电镜SEM、光学显微镜）、材料颜色变化（CIELAB系统）、以及材料的物理化学性能（吸水率、pH值）和力学性能（砖的抗压强度、水蒸气渗透性；抹面的附着力）。所有测试均设有未接种的对照样本，数据统计分析采用单因素方差分析（ANOVA）和Tukey事后检验。

研究结果

1. 1.
   藻类定殖与光合活性：测试的陆地绿藻在六个月内成功定殖于砖和抹面。实验室条件下的生长更为旺盛，现场条件下的定殖发展较慢。抹面上的藻类生物膜生长比砖上更丰富。荧光参数F₀在藻类定殖样本中显著升高，尤其在实验室培养的抹面上（F₀= 510.72）。研究发现F₀> 100可作为建筑材料上藻类高光合活性的指标。对照样本的荧光值始终较低，仅在环境条件下六个月后略有增加，但未超过F₀= 100的阈值。
2. 2.
   颜色变化：藻类生物膜的发展导致了显著的色泽变化。总色差ΔE值在砖上为15.31至29.09，在抹面上为15.00至47.47。颜色变化主要体现为明度（ΔL）降低、绿色色调（Δa负向偏移）和蓝色色调（Δb正向偏移）增加。抹面上的颜色变化比砖上更为全面和显著。对照样本在储存期间未观察到显著的色度变化。
3. 3.
   pH值变化：藻类定殖导致两种材料的pH值下降。砖的pH降低幅度在0.69至1.34个单位之间，抹面的pH降低幅度在0.31至1.46个单位之间。实验室条件下的酸化效应比环境条件更明显。这归因于藻类产生的酸性代谢物。
4. 4.
   吸水率变化：藻类定殖增加了材料的含水率。砖的吸水率增加了约1.15%至2.68%（绝对值），抹面的吸水率增加了约2.04至2.87个百分点（绝对值），特别是硅酮抹面增加了约3%。所有砖的吸水率仍在标准范围内（8-25%），但抹面（尤其是藻类定殖后）的吸水率高于典型硅酮抹面的预期范围（1.5-5%）。
5. 5.
   力学性能：六个月的藻类定殖未对材料的核心力学性能产生统计学上的显著影响。
   • •
     砖的抗压强度：对照砖的抗压强度在27.65至32.00 MPa之间，藻类定殖后的砖维持在30.90至31.16 MPa，变化不显著。
   • •
     砖的水蒸气渗透性：以水蒸气扩散阻力因子（μ）表示，对照砖和藻类定殖砖的μ值在6.72至9.42之间，无显著差异，均符合规范值。
   • •
     抹面的附着力：对照抹面的附着力在1.81至2.98 MPa之间，藻类定殖后，在环境条件下为1.91 MPa，在实验室条件下为3.23 MPa，与各自对照无显著差异。但环境条件下的附着力显著低于实验室条件，表明环境因素对附着力影响更大。

讨论与结论总结

讨论部分指出，藻类生物膜的形成可能导致孔隙和微裂缝的部分堵塞，影响湿热膨胀、水分保持和热导率，从而可能弱化结构基质。尽管未观察到抗压强度下降的直接关系，但考虑到生物劣化的局部性以及微藻定殖孔隙和微裂缝的能力，局部材料颗粒剥离的可能性仍需考虑。藻类生物膜增加砖和抹面的吸水率和保水性，可能促进后续降解微生物的发展，改变材料表面的盐浓度，导致生物地球化学和生物热降解，尤其在冻融循环中。对于硅酮抹面，吸水率增加可能表明其疏水性逐渐或部分丧失。附着力测试中的脱粘伴随从抹面表面贯穿至基材的变色，突显了局部降解过程，这与先前关于生物膜在材料深层定殖的发现一致。

研究结论翻译：

所进行的研究表明，陆地绿藻（Klebsormidium nitens, Stichococcus bacillaris, Bracteacoccus minor, Chloroidium saccharophilum, Diplosphaera chodatii）能够在六个月的培养期内，在砖表面和硅酮抹面上活跃生长。实验室条件下观察到更密集的发展，而在现场条件下藻类定殖有所延迟。藻类表现出较高的光合活性（通过叶绿素荧光参数评估），抹面上的值高于砖。研究表明，最小荧光参数（F₀> 100）可作为建筑材料上绿藻高生物活性的指标。藻类生长导致两种测试材料发生显著色泽变化。总色差（ΔE）在砖上为15.31至29.09，在抹面上为15.00至47.47。个体颜色分量（Δa和Δb）向绿色和蓝色色调偏移，同时样本明度（ΔL）降低。此外，确认了藻类生长导致两种材料的pH降低，砖降低0.69至1.34个pH单位，抹面降低0.31至1.46个pH单位。绿藻的存在还导致所研究材料含水量增加，砖增加约1.15-2.68%，硅酮抹面增加约3%，这超出了可接受限度。尽管观察到物理化学参数的变化，但在六个月的培养期内，未检测到藻类生长对材料力学性能（包括砖的抗压强度和水蒸气渗透性，以及抹面的附着力）的显著影响。在实验室和现场条件下进行的模型研究结果清楚地表明了陆地绿藻在外部建筑材料（包括被视为防护涂层的硅酮抹面）上发展的生物劣化潜力。这种生物劣化潜力源于它们主动定殖建筑基材、显著增加水分含量、引起色泽变化以及降低建筑材料pH值的能力。然而，六个月的暴露期不足以观察到材料与强度相关的劣化。所获得的结果可能表明，生物膜活性引起的变化具有局部性质；但需要进一步研究来证实这一假设。因此，需要进一步的长期研究，尤其是在环境条件下，这对于评估建筑材料的耐久性和提出适当的保护策略至关重要。