第1卷第2期 2 0 0 0年4月环境污染治理技术与设备 Techniques and Equipments for Environmental Pollution ControlVol . 1 ,No . 2 Apr . , 2 0 0 0地衣对建筑物的生物破坏作用陈 杰 龚子同(中国科学院南京土壤研究所,南京210008) Hans2Peter Blume (德国基尔大学植物营养与土壤研究所,D224098 , Kiel ,德国) 陈世东 (河南省郑州市环卫研究所,郑州450002)摘 要大量的证据表明地衣可以诱发和加速矿质基质的物理、 化学风化过程,着生于建筑物表面的地衣能对建筑材料导致明显的生物破坏其中,地衣菌丝在矿质基质中的穿插生长、 原植体随环境变化表现出的膨胀收缩、 冻融交替等机制对建筑物造成机械破坏而地衣分泌的草酸等简单有机酸以及大量的高分子有机化合物诱发和促进矿质基质的生物-化学风化过程受其影响,矿质建材中原生矿物遭受溶解、 蚀变,并产生多种次生矿物最终破坏建筑物的坚固程度、 缩短其使用寿命、 减低其美学价值关键词:地衣 风化 矿质基质 生物破坏一、 引 言地衣植物在地球上的出现可以追溯到早泥盆纪(约4亿年以前) ( Taylor et al. ,1995)。
从生物学意义上,地衣是早期陆地植物中最为成功的共生形式之一( Galloway ,1994 ; Seaward , 1997)据估计,目前大约8 %的陆地表面为以地衣为优势种的植被所覆 盖(Larson , 1987) 地衣是藻类与真菌在各种可能的固体表面形成的共生体,其中的真菌通常属于子囊 菌纲,个别情况下也可是担子菌类或半知菌类;而藻类一般是绿藻或蓝藻地衣由真菌形成原植体(thallus)或致密的真菌组织(stroma) ,与之共生的藻类进行光合作用(Ahmad2jian , 1993)地衣根据其着生基质的不同可分为几大类,其中生长于岩石及其它矿质基 质(mineral substrate)稳定表面的统称为石生地衣(saxicolous species) ,石生地衣由可分为 壳状地衣(crustose)、 叶状地衣( foliose)以及枝状地衣( f ructicose)三类(Jones and Wilson ,1985 ; Carcia2Rowe and Saiz2Jimenez , 1991)已发现的约1 ,5000个地衣种中,75 %属于壳状地衣(Ahmadjian , 1993)。
石生壳状地衣又可分为石面生(epilithic)与石内生(en2dolithic)类型;后者根据进入岩石方式的不同,可再次细分为石穴生(cryptoendolithic)、 石 缝生(chasmoendolithic)以及全能型(euendolithic)石内生地衣© 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.地衣的生长过程实质上就是与其矿质基质相互作用的过程地衣在建筑物表面的着生(colonization)并对建筑石材或其它矿质建材产生影响通常被视为一种生物破坏作用(biodeteriorating) ,本质上属于生物风化(biotic weathering)的范畴,可导致矿质建材表层的物理、 化学性状发生变化,使其抵抗外界自然风化营力的能力降低,并最终造成建筑物表面出现玷色(stain)、 结壳(encrustation)裂隙(fissure)、 破碎(disaggregation)、 剥蚀(exfoli2ation)等现象,从而使建筑物寿命以及美学价值大大减低地衣对建筑物的破坏作用早在上个世纪就引起了人们注意(Liebig , 1853)。
最近十多年以来,国外尤其是欧洲国家在这方面的研究非常活跃原来研究的对象主要为欧洲为数众多的古建筑如教堂、 修道院、 纪念碑、 雕塑、 市政设施以及其它历史、 文化遗迹但近年来的研究发现,地衣的着生与蔓延可以在较短的时间内对某些建筑物造成明显的破坏(Seaward , 1997 ; Silva et al. , 1997)因此,地衣及其它低等植物对建筑物的破坏与防治研究面临新的挑战为此,国际上成立了 “生物破坏与保护专门委员会”,并出版发行学术期刊 《生物破坏》(“International Biode2terioration”,1992年以后更名为 “International Biodeterioration and Biodegradation”— 《生物破坏与生物降解》)地衣在我国的分布较广,且种类繁多,对建筑物的生物破坏作用不容忽视然而,我国在这一领域内研究的尚属空白几年前在国际生物破坏与生物降解国际会议上关于北京故宫遭受地衣等低等植物破坏状况的报告是由外国科学家完成并提交的本文在这里对地衣生物破坏的本质、 过程、 机制以及可能引发的后果进行一些初步性的介绍,旨在抛砖引玉,以引起有关部门及广大科技人员对地衣等低等植物引发的生物破坏作用及其防治措施研究的重视。
二、 地衣对矿质基质的物理破坏作用尽管早在19世纪Liebig(1853)就注意到出现在某些建筑物表面的结壳可能是地衣对建筑石材进行生物-化学风化过程中产生的次生矿物(neoformation) ,但早期研究的重点始终是地衣诱发的物理风化(physical weathering)或称机械作用(mechanical processes)(Fry , 1922 ; 1924 ; 1927 ; Perez2Llano , 1944)现在已经知道地衣在其着生的岩石及其它矿质基质的物理、 化学风化过程中均发挥重要作用在某些情况下,物理风化可能主导地衣的生物破坏作用,特别是在地衣在基质表面着生的初步阶段地衣对矿质建筑材料的物理破坏作用主要基于以下几种机制11 菌丝的穿插地衣的生物破坏作用始于菌丝在矿质基质各种空隙中的生长与穿插一方面菌丝的穿插生长直接对建筑石材作成损害,更为重要的是,可以诱发和加速其它形式的机械、 化学风化作用地衣菌丝的穿插生长对建筑物的破坏作用见于大量报道Prieto等人(1994)发现五种着生于花岗岩建筑物表面的地衣,其菌丝均可在花岗岩内的各种空隙中穿插生长,导致了花岗岩表层的明显破碎和矿物颗粒的脱落。
在另一例研究中,Prieto Lamas(1995)等人发现,地衣菌丝在花岗岩中的穿插生长沿水平与垂直两个方向进行,可达4毫米的深度66 陈 杰等:地衣对建筑物的生物破坏作用 1卷 © 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.菌丝在花岗岩中通常沿矿物颗粒之间的空隙穿插生长,某些情况下也沿成岩矿物如云母、 长石等的解理面进行,导致矿物颗粒的破碎、 粒径变小在对壳状地衣及其与花岗岩类岩 石之间的交互作用界面(Interface)的超微结构研究中,Ascaso和Wierzchos(1994)发现,在 被剥离的矿物碎片与云母类母矿物之间,有发现良好的地衣原植体存在,进一步证实了菌 丝的穿插生长对矿质基质的机械破坏作用(Ascaso and Wierzchos , 1994 ;Wierzchos andAscaso , 1996)在地衣着生的建筑灰泥表面,经常出现的不规则凹点,据信是由地衣菌丝 (菌丝束)的穿插生长以及孢子体在基质空隙中的发育所造成的,类似的情况也在建筑用砂岩中发现(Arino et al. , 1997)。
21 菌体的胀-缩作用 在研究了地衣对各种矿质基质的物理作用之后,Fry(1924 ,1927)指出,地衣原植体干-湿交替可以引发菌体髓质中凝胶质(gelatinous)、 粘胶质(mucilaginous)类物质的胀缩作 用,从而产生相当大的机械力,对基质的物理破坏作用明显根据Creveld(1981)的研究, 地衣菌体髓质是一种良好的吸水物质(hygroscopic substance)且有较好的持水性(water -holding capacity) ,对外界水分的吸收可达自身干重的300 %因此,在干湿交替频繁的环 境中,菌体的胀-缩作用可能在较短时间内对建筑物造成明显破坏例如,在意大利中部,以地衣菌体的胀-缩作用为主的物理风化过程,可疑在十年甚至更短的时间内对石质 艺术品造成明显损坏(Seardard et al. , 1989)31 菌体及微域环境的冻-融交替 由温度变化引起冻-融交替过程不仅可以发生在地衣菌体内部,同样发生在地衣群 落所创造的微域环境中由于地衣菌丝在矿质基质中的穿插生长,外界水分可以达到原来无法达到的深度,一方面,加速了以水分为基础的化学风化作用,另外,当温度降至0oC 以下时,地衣菌体及微域环境的水分结冰时产生的冻胀即所谓的冰锲作用(ice - wedging) 对矿质基质的机械破坏作用相当严重,尤其在相对寒冷且温度变化频繁且变幅较大的地 区。
Creveld(1981)在挪威南部高山地区的研究表明,地衣以及微域环境的冻-融交替过 程主导了矿质基质的物理风华作用在南极地区,石内生地衣群落及其微域环境的冻-融交替过程是导致岩石发生表层剥蚀的重要原因之一在温带地区,类似的风化机制也 时有报道(e. g. Arino , et al. , 1997)41 盐劈作用 大量的研究表明,岩石内部各种孔隙、 裂缝中盐类的结晶及晶体的生长可以产生足以 分离矿物颗粒及岩石碎屑的营力,这一机制被成为盐劈作用(Wellman and Wilson , 1965 ;Cooke and Smalley; 1968 ; Campbell and Claridge , 1987)生物体分泌的无机、 有机酸与 矿质物质反应生成的结晶盐类对岩石的机械破坏已经被报道(Sand , 1997)在地衣-岩 石交互作用界面以及在地衣菌体内部广泛存在的次生结晶盐,尤其是各种草酸盐晶体的 生长相信会对地衣下岩石基质产生明显的影响然而,就作者所了解,目前尚没有关于与 地衣着生有关的岩石盐劈现象见诸于报道51 菌体对矿质碎屑的捕获 地衣菌体捕获矿质基质受上述各种物理风化机制作用后松动、 剥蚀的矿物及岩屑这 一现象被许多研究者所发现。
借助于扫描电子显微镜,Ascaso和Wierzchos(1994)证实,76 2期 陈 杰等:地衣对建筑物的生物破坏作用 © 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.在地衣Parmelia conspersa与花岗岩类建筑材料的交互作用界面,同一矿物颗粒的一部分尚未与其母岩脱离,而另一部分已经嵌入地衣的菌体在着生于砂岩建筑物表面的地衣Calopaca variabilis与Lecanora alcanora菌体内,含有矿质颗粒的数量分别达到每平方米(着生面积) 5mg与30mg ,其中主要是石英晶粒(Arino et al. , 1995)Prieto等人(1995)在着生于花岗岩建筑物表面的五种地衣中均发现含有石英、 长石以及云母颗粒,再次证实了地衣菌体对其矿质基质松动颗粒的捕获作用当地衣死去并从建筑物表面脱落时,矿质建材表面松动的颗粒也随之脱落条件适宜的情况下,地衣将重新着生于新鲜出露的表面,新的生物破坏作用又开始进行,如此循环往复,最终导致建筑物的严重损坏。
三、 地衣对矿质基质的生物-化学作用在实验室条件下被证实之前,一般认为地衣及地衣分泌物质(lichen substances)对岩石及矿物的化学影响很小,其原因一方面是当时普遍认为地衣化合物不溶于水(Iskandarand Sye。