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广东以色列理工学院顾继东教授课题组在《Nature Sustainability》上发表综述论文

发布日期:2021/1/13

2020年9月,广东以色列理工学院顾继东教授课题组在《Nature Sustainability》上发表题为"Microbial deterioration and sustainable conservation of stone monuments and buildings (微生物对石质文物和古建筑的破损机制与可持续性保护措施)"的综述论文(IF:12.08)。广东以色列理工学院为该论文的第一署名单位,论文的第一作者为原香港大学博士研究生刘小波(现为广东以色列理工学院研究人员),顾继东教授为论文的通讯联系人。论文中同时署名的有日本东京农工大学片山叶子(Yoko Katayama)教授,世界知名德国文物保护微生物专家Thomas Warscheid和美国史密森尼文保中心主任Robert Koestler。


该论文对过去连续15年中顾继东教授与片山叶子教授长期在吴哥窟合作研究的一系列有关微生物对文物破损的成果和世界各地在石质材料的相关报道进行了系统的梳理,从采样方法和研究模式为基础,阐明了石质文物的生物破损是由一系列复杂的物理、化学和生物化学过程及其相互作用所导致的结果,其中水循环、文物表面的五颜六色的微生物被膜(biofilms)以及其中包含的由微生物主导的生化代谢反应过程驱动得生物化学元素循环(如碳、氮和硫等)反应导致石材的结构破损和组成分解或溶解(图1),最终造成建筑结构的破坏和文化遗产价值的丧失。


具体而言,在不同的气候条件下和不同阶段,石质文物表面微生物被膜由各种光能自养型、化能自养型和异养型微生物组成,特定的微生物种类和群体组成可协同驱动生物地球化学元素循环(如碳、氮和硫等),尤其是在人为污染和大气污染较日益严重的地区,微生物通过利用上述化学元素为自身养分来合成和分泌各种有机或无机酸进而破坏石质材料并同化吸收溶解析出的矿物质促进其自身繁殖和生长。此项研究成果为制定有效的文物保护科学管理策略以实现可持续文化遗产防护的长远目标提供了必要的可靠依据。


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图1 吴哥窟(a, f, g),吴哥大城(b, d, e)和柏威夏寺(c)建筑砂岩上微生物被膜及其所造成石质材料的微生物破损现状


人类文明史中包括利用和发明不同的材料,而这些材料又将历史记录留给了后代。早在新石器时期,石材就用于制作捕猎工具和日常用具,同时也是建筑与艺术品的主要原料。截至2019年,联合国科教文组织(UNESCO)已认定845处历史古迹为世界文化遗产(https://whc.unesco.org/en/list/)。然而,由于全球气候变化、人类活动、地理及环境等因素影响,重要历史文物及建筑正遭受着各种不可逆的破损,包括自然风化、生物侵蚀及人为破坏,导致了人类文明的永久消失,例如我国云冈、大同、敦煌石窟和柬埔寨吴哥窟等。此论文从文物表面微生物被膜的形成、常见石质材料理化特征、人类活动、大气污染及微生物驱动元素循环等多角度入手,详细讨论和总结了微生物侵蚀石质文物和建筑物的主要机理,并以此为基础,探讨相应的可持续保护策略以及展望未来的研究方向。


本单位顾继东教授与片山叶子(Yoko Katayama)教授(原日本东京农工大学任教,现任职于东京国立文化财团)长期研究合作(图2),对赤道地区高热高湿条件下吴哥砂岩文物从表面微生物的无破损取样方法入手,利用最新的DNA/RNA高通量分子测序和同位素示踪技术对微生物种群组成和生物化学破损机制进行了一系列的研究,阐明了石质文物的生物破损过程中一系列复杂的物理、化学和生物过程及其相互作用的结果,揭示了文物表面微生物被膜及其关键生化代谢反应过程。双方在吴哥的长期合作研究所取得的成果已发表20余篇SCI论文,得到国际同行的广泛认可和关注,经常受邀在国际会议上做专题报告并撰写了多篇相关综述文章以及专著中有关微生物退化的章节。


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图2 合作双方团队在结束2019年度采样后合影及采样现场工作实况


原文链接:https://www.nature.com/articles/s41893-020-00602-5


Liu, X., R. Koestler, T. Warscheid, Y. Katayama, and J.-D. Gu (2020) Microbial deterioration and sustainable conservation of stone monuments and buildings. Nature Sustainability 3: 991–1004. DOI:10.1038/s41893-020-00602-5


注:此文中图一为论文中的可公开使用图片,作者拥有其它图片的版权。


文/图:由顾继东提供

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