温带气候区气生绿藻在建筑材料上的生长策略及其对基底生物劣化的影响

《Scientific Reports》：Growth strategy of aerial green algae on building materials in the temperate climate zone and its relevance to substrate biodeterioration

本研究针对早期定殖的气生绿藻是否对建筑材料产生超越美学影响的实质性生物劣化问题，通过对砖块和灰泥上分离的 Chloroidium saccharophilum、Klebsormidium nitens 等五种早期定殖藻类进行长达六个月的实验室和环境培养实验，结合叶绿素a浓度(Cchla)、荧光强度(chlFI)和基底剖面高度(Rt)等指标监测，发现除Bracteacoccus minor外，其余四种藻类通过形成致密生物膜填充孔隙、产生膜状覆盖层及剥离矿物颗粒等方式，显著促进砖块的物理性生物劣化，为建筑遗产保护提供了重要科学依据。

　　

在温带气候区的古老建筑外墙和历史遗迹表面，我们常常能看到一片片绿色的污渍，这些看似不起眼的"绿斑"实则是微生物长期作用的结果。以往研究多关注细菌和真菌对建筑材料的分解作用，而气生绿藻的作用常被简单归为美学影响。但事实上，这些先锋藻类可能从定殖初期就开始悄然破坏建筑材料的内部结构。

来自罗兹大学的研究团队在《Scientific Reports》发表的最新研究，首次系统揭示了五种常见气生绿藻在建筑材料上的生长策略及其生物劣化机制。研究通过传统和分子鉴定方法，从砖块和灰泥表面分离出早期定殖藻类，并在实验室和环境条件下进行长达六个月的培养实验，结合多种显微技术和生物量监测手段，揭示了这些微小生物对建筑材料的实质性破坏作用。

关键技术方法包括：通过形态学观察和18S-ITS、rbcL分子标记进行藻种鉴定；使用共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)检测叶绿素荧光强度(^chlFI)以评估藻类在基底内部的定殖情况；利用扫描电子显微镜(SEM)测量基底剖面总高度(R_t)分析表面结构变化；通过光谱法测定叶绿素a浓度(C_chla)监测生物量变化；采用典范对应分析(CCA)研究环境因子与藻类分布的关系。

早期定殖藻类的多样性特征

研究从20个采样点获得61株藻类，鉴定出7个分类单元，其中6个属于绿藻门(Chlorophyta)，1个属于轮藻门(Charophyta)。 Klebsormidium nitens形成易断裂的长丝状结构，Bracteacoccus minor产生球形细胞，Chloroidium saccharophilum具有厚细胞壁的椭圆形细胞，而Prasiola群的成员（包括Diplosphaera chodatii和Stichococcus bacillaris）则呈现伸长形态。生态学分析显示，底物湿度和光照度是影响藻类分布的关键因素，分别解释了23.1%和15.3%的变异。

藻类在基底上的生长策略

所有测试藻种均能在砖块和灰泥表面及内部生长。Chloroidium saccharophilum表现最强适应力，生物量增长最显著。砖块上的藻类生物量普遍高于灰泥，实验室条件下的生长优于自然环境。通过CLSM检测发现，藻类能够深入材料内部孔隙，叶绿素荧光强度在基底内部和表面无显著差异，表明藻类在材料内部仍保持生理活性。

藻类生物膜形成机制具有物种特异性：球状藻类形成致密生物膜填充孔隙；Klebsormidium nitens和Stichococcus bacillaris能产生膜状层覆盖表面凹陷。这种生长策略不仅改变了材料的自然孔隙结构，还影响了其湿热性能和热传导性。

藻类定殖对基底的冲击效应

扫描电镜分析显示，藻类生物膜显著改变了砖块表面形貌。培养三个月后，所有藻类生物膜均使砖块剖面高度(R_t)降低达25.4%，六个月后K. nitens和B. minor生物膜继续使R_t降低50.7%和30.2%。生物膜在干燥过程中产生裂缝和剥离，导致砖块矿物颗粒脱落，表面粗糙度增加。相比之下，灰泥基底的结构变化不显著。

研究首次可视化记录了藻类生物膜剥离导致的材料损失：C. saccharophilum、K. nitens、D. chodatii和S. bacillaris的生物膜脱落时携带砖块表面矿物颗粒，造成实质性结构损伤。而B. minor仅引起美学劣化，不导致结构性破坏。