夜间装饰性照明下,生长在花岗岩和砂浆基底上的藻类生物膜对生物物理环境的影响

时间:2026年2月3日
来源:Journal of Cultural Heritage

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研究通过对比琥珀绿、暖白及冷白LED灯光对花岗岩和水泥砂浆表面藻类生物膜的影响,发现琥珀绿光可有效抑制生物膜形成,降低表面粗糙度和硬度,减少水吸收时间,为文化遗产夜间照明提供可持续方案。

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安赫罗·门德斯(Anxo Méndez)、达维德·古洛塔(Davide Gulotta)、大卫·M·弗雷雷-利斯塔(David M. Freire-Lista)、帕特里夏·桑马丁(Patricia Sanmartín)
CRETUS,土壤学与农业化学系,圣地亚哥-德孔波斯特拉大学,西班牙圣地亚哥-德孔波斯特拉15782

摘要

装饰性LED照明常用于夜间照亮建筑遗产。由于光合生物依赖光作为能量来源,因此人工延长自然光照周期可能会影响栖息在岩石表面的微藻和蓝细菌。这些生物会形成附生物膜(SABs),导致建筑材料发生生物污染,对遗产保护构成挑战。本研究首次深入探讨了在日光照射后进行装饰性照明时,SAB与基底界面发生的现象。实验使用了花岗岩(西班牙西北部及世界许多其他地区历史建筑和结构的主要材料)和水泥(现代及当代建筑中最常用的建筑材料)作为测试基底,这些基底上生长着主要由绿藻Bracteacoccus minorStichococcus bacillaris组成的藻类生物膜。测试条件为:13小时日光照射后,接着是6小时不同类型的装饰性LED照明,最后是5小时黑暗(模拟装饰性照明的光照周期)。测试的装饰性LED照明包括一种创新的琥珀色+绿色光线(3000 K,具有生物抑制效果,正在研究中)、两种适合城市照明的光线:暖白色光线(2580 K,偏黄色)和冷白色光线(4600 K,偏蓝色),以及一个无装饰性照明的参考组(即黑暗环境)。通过测量表面粗糙度和硬度、可见光光谱光度、静态接触角和吸水性,以及进行岩相学和三维显微镜观察,来评估照明对SAB与建筑材料相互作用的影响。结果显示,SAB的存在增加了表面硬度、吸水时间和静态接触角,同时降低了花岗岩和砂浆基底的硬度。暴露在琥珀色+绿色光线下的SAB与基底界面表现与无装饰性照明的生物污染样本相似,其影响小于其他两种白色光线。装饰性照明条件引起的表面颜色差异在琥珀色+绿色光下也得到了缓解。结果表明,在这种创新照明下,SAB的生长程度较低。岩相学切片显示,花岗岩表面的SAB覆盖情况因局部矿物成分不同而有所差异,其中黑云母区域未被生物膜覆盖。在砂浆样本中,SAB较薄,似乎填充了宏观孔隙。这些研究结果可为城市中更有效的装饰性照明策略设计提供参考,有助于利用琥珀色+绿色光线减少生物污染。

引言

向更高效、更易于管理的LED技术转型增加了夜间照亮的纪念碑数量,关于如何使户外纪念碑照明更加可持续的讨论也日益重要[1,2]。历史建筑和结构的夜间装饰性照明往往被忽视,仅从美学和能耗角度进行考虑。因此,其对遗产保护策略的影响,尤其是对光合生物引起的生物污染的影响,仍不明确[3]。迄今为止,关于装饰性照明的研究主要集中在提高能源效率和减少二氧化碳排放[4]、降低纪念碑照明对光污染的贡献[5],以及改善具有艺术或历史价值的建筑物的光照融合度[6,7]上。纪念碑的照明管理规则通常与路灯不同,更注重美学考量和根据反射率优化光照强度。例如,西班牙的法规在制定光照强度决策时,会考虑立面的保护状况(无论是生物性还是非生物性污染)。较高的(生物)污染程度会导致所需光照量增加(从而增加能耗),以补偿反射率的损失[3]。然而,现行法规未能充分考虑光照对生物(尤其是光合生物)引起的污染的影响,因此没有将照明视为保护的关键因素。人工照明对微生物繁殖的影响是遗产保护面临的最新挑战。例如,贝利亚等人的研究[8]表明,博物馆展览中使用的彩色人工光(460 nm、518 nm、594 nm和638 nm)会直接影响文物(尤其是动物标本)上的真菌生长,尽管真菌是异养生物,但仍会加速其降解。在地下遗产(如洞穴、岩洞和地下空间)中,装饰性照明对光合生物的繁殖有显著影响。光合生物和异养生物的生长会通过改变岩石壁、壁画和其他人工照明的装饰表面的外观、化学成分或物理结构来影响其文化价值[9,10]。
光合生物形成的附生物膜(SABs)主要由藻类和蓝细菌组成,会在遗产建筑和纪念碑表面形成有色层。作为初级生产者,这些生物依赖光进行光合作用,因此受到夜间装饰性照明的影响[11,12]。它们在基底材料上形成一层,直接改变表面粗糙度、孔隙结构和水分传输等物理性质[13]。因此,SABs可能引发生物物理变化,即由于(微)生物的存在而改变基底的物理性质,但并不一定是因为基底作为营养来源[14]。SABs的发展可能会侵蚀基底(例如,丝状细胞穿透孔隙或裂缝[15]),或者由于干湿循环导致胞外聚合物基质(EPS)体积变化[16]。生物膜的存在还会改变岩石的自然水分循环。例如,研究发现蓝细菌生物膜降低了石灰岩的吸水性[17],而多物种藻类生物膜由于分泌胶状物质而增加了石灰岩喷泉的吸水性[18]。
在石质遗产中,生物污染是花岗岩基底最重要的破坏形式之一[19]。花岗岩是伊比利亚半岛西北部建筑遗产中最常见的石材[20,21],在西班牙其他地区以及芬兰、俄罗斯、挪威、美国和南非等地也很常见,占全球遗产石材资源的15.5%[22,23]。自19世纪以来,基于水泥的砂浆和混凝土越来越多地用于现代和当代建筑及纪念碑的建设[24,25]。由于水泥基砂浆的孔隙性和成分,它们可能成为各种微生物的营养来源,从而容易被微生物污染[26]。
目前关于SABs的存在是否会造成显著的物理和/或化学损伤存在争议,也有观点认为它们具有生物保护作用[27,28],或者这种作用会随暴露条件和环境因素的变化而变化。已知基底类型对SAB的表现至关重要。在具有碎屑结构和高孔隙性的岩石(如某些砂岩和砾岩)中,SAB的存在可作为抵御风蚀和暴雨等风化因素的保护层[27]。在中国长城中,观察到生物膜及其EPS填充孔隙的作用可以阻止外部侵蚀物质侵入[29]。还有记录显示,蓝细菌参与了砂岩中的铁、锰和钙的矿化过程[30],以及地衣EPS对铁的生物矿化[31]。
藻类(本研究关注的主要SAB形成生物)的潜在生物降解、中性或生物保护作用无法事先确定,因为这取决于具体案例以及基底性质、生物膜组成和环境微气候因素之间的复杂相互作用。尽管如此,可以明确的是,生物污染会在基底-SAB界面引起一定程度的生物物理变化。研究表明,琥珀色(593 nm)和绿色(528 nm)LED光的组合可用于管理和控制建筑遗产上的光合生物繁殖[3],这是CromaLux项目(http://cromalux.santiagodecompostela.gal/en)研究的一部分。正在进行的研究已经证明了装饰性照明对光合[12]和异养[32]生物膜的生理和多样性的影响,但尚未考虑这些变化如何影响生物膜及其基底作为一个整体系统。实验室研究表明,在琥珀色+绿色LED光照下,多物种SAB的发展受到抑制,其湿生物量产量低于冷白色(4300 K)和暖白色(2580 K)光照条件[33]。所有SAB中的物种发展都受到了抑制,相对于无装饰性照明的对照组,各物种的比例没有变化。然而,在琥珀色+绿色光下,某些物种的相对贡献发生了变化,例如丝状绿藻Klebsormidium flaccidum或球形藻Ettlia sp.

研究目的

近期研究重点在于了解生物膜如何改变天然石材的物理表面性质[17],但针对花岗岩和其他类似人造石材的材料(如水泥基砂浆)的深入研究仍不足。尽管已经研究了琥珀色+绿色光的生物抑制潜力[12,33],但这些变化如何影响被污染的基底仍不清楚。装饰性照明是否直接改变了

天然石材和水泥砂浆基底

本研究选择了Silvestre品种的花岗岩和水泥砂浆作为测试基底。岩相学图像见图1。
本研究使用的花岗岩品牌为Silvestre Ingemar(来自西班牙Siverio Obradoiro Da Pedra S.L.),属于细粒结构,孔隙率约为0.9%。样品为新开采的,表面无明显风化迹象,仅有少量晶间微裂纹。

表面粗糙度和表面硬度

由于夜间装饰性照明,建筑遗产上的光合生物污染通常会经历较长的光照周期,这种照明用于突出特定的建筑和装饰特征。已知人工延长光照周期可以增加藻类生物量的产生,这一方法在生物反应器中被用于提高藻类生物量[45, [46], [47]]。相关色温(CCT,即光谱或质量的度量)

结论

装饰性照明改变了被污染样本的生物物理性质。SAB的存在增加了表面粗糙度(Ra),降低了矿物基底-SAB系统的表面硬度(HLD),尤其是在冷白色和暖白色光照下。静态接触角和吸水时间(WAT)也有所增加,但在琥珀色+绿色光照下,SAB与基底的界面表现与未受污染的空白样本相似

数据可用性

数据可应要求提供。

CRediT作者贡献声明

安赫罗·门德斯(Anxo Méndez):概念构思、数据整理、数据分析、实验研究、初稿撰写。达维德·古洛塔(Davide Gulotta):概念构思、数据整理、数据分析、实验研究、撰写——审稿与编辑、监督。大卫·M·弗雷雷-利斯塔(David Freire-Lista):数据分析、实验研究、撰写——审稿与编辑。帕特里夏·桑马丁(Patricia Sanmartín):概念构思、撰写——审稿与编辑、资金筹集、项目管理、监督。所有作者均已阅读并批准了最终稿件。

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