古代壁畫是具有重要歷史、藝術與科學價值的珍貴文化遺產。然而，在自然環(huán)境因素和生物因素的長期作用下，古代壁畫存在多種類型的病害。同時，隨著全球氣候變化和極端天氣頻發(fā)，石窟寺壁畫面臨的微生物問題日趨突出，嚴重威脅其永續(xù)保存和傳承利用。蘭州大學馮虎元教授帶領文化遺產微生物學團隊聯(lián)合敦煌研究院武發(fā)思研究員、汪萬福研究員團隊，在天水麥積山石窟、敦煌莫高窟、武威天梯山石窟及敦煌佛爺廟灣壁畫墓等遺址地開展系統(tǒng)研究，取得了系列成果。

1. 石窟寺微生物病害暴發(fā)的成因

麥積山石窟位于甘肅天水，是中國四大石窟之一，2014年列入《世界文化遺產名錄》。始建于公元4世紀，現(xiàn)存洞窟200余個，塑像7000余尊，壁畫面積千余平方米，其中微生物活動是典型病害之一（圖1）。通過傳統(tǒng)培養(yǎng)方法與高通量測序揭示了病害區(qū)與不可見病害區(qū)微生物群落差異，分離到一株可分泌有色物質，會導致壁畫色變的優(yōu)勢真菌種（Arachnomyces sp.）。為降低傳播風險，采用真空負壓吸納與軟毛刷掃除相結合的非破壞性清潔技術，并施用高效低毒抑菌劑，有效清除并殺滅了壁畫表面菌絲體（圖2）。研究發(fā)現(xiàn)長期高濕與通風不良是微生物周期性暴發(fā)的關鍵環(huán)境因素。

圖1. 麥積山石窟整體外觀及微生物病害典型洞窟

圖2.第155窟壁畫表面處理前后對比圖

2. 壁畫劣化的微生物作用

通過DNA/RNA聯(lián)合測序和模擬培養(yǎng)分析壁畫表面的黑、白兩類微生物，確定白色生物膜以蛛網菌屬的物種為主，其代謝活性強，可降解纖維素、明膠、酪蛋白等材料，對壁畫有潛在劣化作用；黑色微生物以帚霉屬的真菌為主，與洞窟內動物活動有關。研究表明，濕度、壁畫材料和生態(tài)選擇共同影響微生物膜的形成，并提出通過控制濕度和動物活動以減輕微生物對壁畫的損害（圖3）。

圖3.麥積山石窟壁畫生物膜形成過程示意圖

3.濕度驅動了壁畫微生物組成

對比麥積山石窟與莫高窟壁畫微生物特征發(fā)現(xiàn)，半濕潤環(huán)境下放線菌門占優(yōu)，而極端干旱環(huán)境中厚壁菌門占主導，水分對壁畫微生物定殖有重要影響，環(huán)境濕度在調控群落結構中起到關鍵作用（圖4）。

圖4.微生物群落結構與環(huán)境因子的相關性分析

對比麥積山石窟與天梯山石窟砂巖生物膜發(fā)現(xiàn)，較高的生物易感性和局部水分促進了微生物群落的定殖。通過監(jiān)測空氣真菌的季節(jié)性變化，發(fā)現(xiàn)枝孢屬和青霉屬等真菌在高濕條件下更為活躍。

4.莫高窟典型洞窟壁畫微生物發(fā)生年代

通過顯微觀察、染色、傳統(tǒng)培養(yǎng)與高通量測序，揭示了第256窟壁畫微生物塊體的群落結構，發(fā)現(xiàn)其當前已沒有活性。其中細菌以紅球菌屬和羅爾斯通氏菌屬為主，真菌以曲霉屬為優(yōu)勢類群。放射性碳定年（14C）發(fā)現(xiàn)這些微生物塊體可能形成于宋代，與當時的壁畫重繪有關。沙漠地區(qū)偶發(fā)強降雨及窟頂滲水是微生物暴發(fā)生長的關鍵誘因，該研究為極端干旱區(qū)壁畫微生物成因提供了新證據(jù)（圖 5,6）。

圖5.莫高窟第256窟原始壁畫、重繪壁畫和微生物塊體的14C測年結果及洞窟建造文獻記載時間軸

圖6.極端干旱區(qū)重層壁畫表面真菌暴發(fā)模式圖

5. 佛爺廟灣墓葬壁畫黑斑中的微生物

針對距今約1700年的敦煌墓葬磚壁畫，分析了真菌多樣性及其生物降解作用。發(fā)現(xiàn)磚壁畫表面黑斑主要由青霉屬和曲霉屬真菌引起。多數(shù)真菌具有產酸和蛋白水解能力，可溶解碳酸鈣并促進生物礦化。相關研究對理解墓葬壁畫的微生物風險提供了科學依據(jù)（圖 7）。

圖7.古代墓室磚壁畫表面真菌產酸導致碳酸鈣和草酸鈣晶體析出

上述成果中，部分揭示了壁畫微生物群落特征、環(huán)境驅動成因及其生物侵蝕機制，為石窟寺文物的科學保護提供了科學依據(jù)與理論支撐，段育龍、賀東鵬、馬文霞、張永等做出了重要貢獻，相關研究與廣東以色列理工學院、蘭州交通大學及中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院等多家科研機構合作完成。未來，研究團隊將進一步深入探究壁畫微生物功能和防控技術，為提高石窟文物科技保護水平貢獻智慧和力量。該研究受到國家自然基金和甘肅省敦煌文物保護研究中心開放課題的資助。

編輯：王文樂

責編：彭倩