中国是历史悠久的文明古国，我们的祖先创造了灿烂的文化，留下了丰富的历史遗产。其中，散布在野外的各种石质文物是其中重要的一类。除了酸雨、冻融、盐结晶、风沙、干湿循环等因素会破坏野外的石质文物外，生物也是侵蚀石质文物的最重要因素之一。近一二十年来，生物腐蚀石质文物的问题已经越来越受到人们的关注。生物的破坏作用尽管较为缓慢，但累积效果不可小视，据初步估计有 20%-30% 的石头表层腐蚀是生物作用的结果。

    常见的破坏石质文物的生物主要有两大类：微生物：即细菌、真菌、藻类及地衣等；较高级生物：包括藓类、 植物、昆虫及哺乳动物等。

    微生物腐蚀作用的观测

    在杭州闸口的白塔（建于公元 907年）和杭州灵隐寺双塔（建于公元 960年）的石灰岩上都有生物生长和腐蚀的证据，尤其是微生物几乎在所有古旧建筑上都有它们生长和侵蚀的痕迹。在古旧建筑石材上发现的数量最多的微生物是异养菌和真菌，在电子显微镜下可以直接看到石内或石面生的各种微生物群落；通过检测石面层微生物代谢物或反应产物的变化可以估计微生物的活动情况；微生物分泌物引起的石面层的 pH值的变化也常常作为微生物化学侵蚀性的一种指标。

    人们早己发现在古旧石质建筑上附生着大量微生物，尤其是大理石或石灰石表层有许多喜钙微生物，它们是侵蚀大理石等石材的主要祸害之一。例如，在某些气候条件下凹坑地衣会造成大理石崩解；异养菌能够从石灰石中溶解钙，其中丝状真菌溶解矿物的能力特别强；硝化细菌会分泌硝酸并改变钙联结材料的化学组成；硫杆菌能够产生硫酸并腐蚀所寄居的石材等等。

    微生物腐蚀的机理

    野外石质文物的生物腐蚀过程可分为生物化学机理和生物物理机理两类。侵蚀石质文物的生物种类从微生物到高等植物都有可能，生物产生的破坏作用既有因植物的根和微生物菌丝的穿透作用引起的机械破坏，也有因它们的分泌物螯合石头矿物中的金属离子而引起的化学破坏。

    微生物侵蚀石材的过程可以分为三个阶段。

    1、微生物的传播与沉积阶段

    微生物传播到石材上需要通过风、浮尘、植物及动物的转运。在暴露于自然环境中的石材表面上，有人观察到异养菌的堆积速度可达到每天每平方米。

    微生物附着石材的能力，受微生物的细胞结构和表面电荷的影响，也受石材的性质和表面孔隙结构的影响，同时微生物本身的生存能力也是决定性的因素。堆积形成的微生物和尘埃的履盖层，由于微生物的代谢作用会逐渐增加石材表面的粘着力，使石材表面的持水能力和捕获空气中营养性浮尘及有机物的能力增加，从而进一步改善微生物群落的生存条件。

    2、微生物与岩石的相互作用阶段

    石材腐蚀过程的化学反应十分复杂，不仅涉及到微生物代谢和繁殖的机理，还涉及许多中间产物的转换。首先，岩石矿物晶粒间的联接性会因微生物分泌的酸、深入石材微孔隙菌丝的生物粘液、生物体吸湿和干燥的变化、分泌物凝胶—溶胶间自动调节的变动等等因素而被削弱。其次，微生物的存在改变了石材微孔隙毛细管水吸收和气体扩散等性能，加快了有机或无机营养浮尘的沉积速度。各种微生物以其擅长的生存方式在石头上和石头内生长。这种生长有可能会缓解天然石材对于干湿、温差和冰冻等破坏因素的敏感性，但是微生物生长的穿透性、增容压力等易引起机械破坏，特别是酸等分泌物造成的化学破坏将使石质文物的表面层面目全非。

    3、腐蚀层的剥离和腐蚀循环（恒定期）

    在古旧石材表面覆盖的微生物层演化发展过程中，随着石面层某些产物的积累和基本矿物的退化，占据石面层的微生物群落的种类和复杂程度会随时间变化，生物充分作用后疏松的岩石外壳会从石材上剥离，新鲜暴露的石材表层会再度被微生物侵占，腐蚀过程将继续并不断循环下去，形成持续恒定的破坏进程。微生物腐蚀石材的过程和速率受环境因素的影响。由于人类的活动使空气中的污染物和飘尘增加，已经发现脂肪烃和芳香烃会加速古老建筑石材上的异养菌的繁殖速率和腐蚀进程。

    侵蚀石质文物的微生物

    古旧建筑石材上常见的微生物群落，有简单的细菌、真菌和光合类微生物开始，也有复杂的藻类、蓝细菌和地衣等微生物群落。

    细菌

    细菌是微生物中数量最多的一类。

    任何有水存在的地方都有细菌生长。从腐败石材上发现的大多数微生物是异养型细菌，它们对石质文物的表面腐蚀起着重要作用，下面以硝化细菌和硫杆菌为例具体说明。

    硝化细菌有两类，即能将氨氧化成亚硝酸盐的亚硝化细菌和将亚硝酸盐氧化成硝酸盐的硝化细菌。细菌从氨或硝酸盐的氧化过程中获得能量，消化碳源以合成细胞物质。建筑石材表层中氨的浓度越高硝化细菌的数量也越多，实验发现岩石环境的 pH 值为 5-7 时硝化细菌最为活跃，古建筑石材最常见的 pH值为 6-7 值为，此时硝化细菌是主要的产生酸的细菌之一。在不同类型的古建筑石材样品中都已发现硝化细菌氧化得到亚硝酸，再得到硝酸的现象。硝化细菌的繁殖与石材本身的结构特征有关，当石材微孔半径为 1-10μm 时硝化细菌数量最多，在微孔小于 1μm 的石面层中硝化细菌的数量就很少。硝化细菌的繁殖也与石材的化学成分有关，含碳砂岩中硝化细菌的数量很多。另外，若岩石表面有黑色风化壳层，硝化细菌就很容易繁殖。

    硫杆菌主要靠氧化还原态的硫化物而最终形成硫酸盐，从中获得能量，消化碳源以合成细胞物质。硫杆菌是好氧菌，其突出特点是耐酸性强，有些种类能在 pH 值为 1-2 的条件下生长。当有挥发性含硫化合物存在时，硫杆菌生长旺盛，由于这类细菌的繁殖会产生硫酸，由此不断降低周围的 pH 值，从而侵蚀寄居的石材。

    真菌

    真菌是另一类最活跃的腐蚀石质文物的微生物。在每一处被腐蚀的古旧建筑上几乎都能发现真菌的存在。真菌是异养型且常为需氧有机物。在石质文物上观察到的真菌常常为单菌丝或菌丝网形式。在很多石材上常见到类似于酵母菌或者黑色菌的真菌。这些真菌在光学显微镜下酷似石灰质沉积，在标准真菌培养基上还难以生长，故不太容易鉴定。

    但是已经发现许多建筑石材，特别是城市区域建筑石材表面的颜色变黑，以及含钙石材表面石膏壳层的变暗等都与黑色菌的作用有关。另外，许多石材表面出现的色斑常常与真菌的繁殖和作用有关，例如石材表面出现的桔红色斑块就是一些真菌染色的结果。另外，石块间粘接的沙浆、维修加固材料和防护材料等，如石材表面防护剂、防水剂、粘接剂等，由于含有有机物利用并使石材受到侵蚀。

    光合类微生物

    石面微生物群落的光合类主要是藻类和蓝细菌或蓝绿藻。

    建筑石材的表面都可以找到藻类和蓝细菌。藻类和蓝细菌的种类明显地呈区域分布，例如在以色列的石质文物上看到的大多数是“黑色的”蓝细菌，岩石的黑色外观除烟尘的沉积外，主要是黑色蓝细菌的生物化学过程形成的黑色素造成；在气候潮湿的德国北部看到的大多数是绿色的藻类，而不是蓝细菌。在中国，不同地区情况相差很大，有人估计藻类与蓝细菌的分布与石材内所含的提供微生物生长的氮源的含量有关。

    研究发现，经过一定周期的微生物作用，腐蚀层会自发剥离，岩石表层的剥离说明蓝细菌和藻类的占据和繁殖引起了石材的机械破坏。藻类呼吸的气体溶于周围的水生成碳酸，碳酸的化学酸蚀作用使石材腐蚀。除此之外，也发现它们会产生有机酸，这些酸会溶解石头中的钙从而侵蚀石材。

    地衣

    在世界各地的古建筑上都可以发现地衣的存在。

    地衣在地质岩石和土壤的演变中充当着生物风化剂的角色，研究已经表明地衣是能够较快地侵蚀石质文物的微生物之一。 地衣侵蚀石材的方式和机理为：

    呼吸出的 CO 2 溶解于水产生酸性溶液；通过分泌草酸与周围岩石中的阳离子如钙离子反应形成草酸盐；分泌柠檬酸和地衣酸等溶于水可与多种阳离子形成螯合混合物，改变石材的化学成分；因菌丝生长产生的物理压力破坏石材微孔的微结构；使石材局部改变物理性能如水力膨胀性能造成应力破坏。

    微生物是腐蚀破坏石质文物和古迹的重要因素之一。微生物对石质文物的危害程度不仅与微生物的种类有关，也与石材的性质和周围的环境有关。在一般情况下微生物是石质文物的破坏因素，但在某些特殊情况下微生物也有缓解其他因素腐蚀石质文物的作用，例如草酸钙膜的防酸雨作用等。研究微生物腐蚀石质文物的机理，对于控制微生物的生长，保护石质文物和古迹具有十分重要的作用；另外，也告戒我们在开发使用新型维修防护材料时都应该考虑材料本身带来或引起的生物破坏问题。