古代壁画是具有重要历史、艺术与科学价值的珍贵文化遗产。然而，在自然环境因素和生物因素的长期作用下，古代壁画存在多种类型的病害。同时，随着全球气候变化和极端天气频发，石窟寺壁画面临的微生物问题日趋突出，严重威胁其永续保存和传承利用。兰州大学冯虎元教授带领文化遗产微生物学团队联合敦煌研究院武发思研究员、汪万福研究员团队，在天水麦积山石窟、敦煌莫高窟、武威天梯山石窟及敦煌佛爷庙湾壁画墓等遗址地开展系统研究，取得了系列成果。
1. 石窟寺微生物病害暴发的成因
麦积山石窟位于甘肃天水，是中国四大石窟之一，2014年列入《世界文化遗产名录》。始建于公元4世纪，现存洞窟200余个，塑像7000余尊，壁画面积千余平方米，其中微生物活动是典型病害之一（图1）。通过传统培养方法与高通量测序揭示了病害区与不可见病害区微生物群落差异，分离到一株可分泌有色物质，会导致壁画色变的优势真菌种（Arachnomyces sp.）。为降低传播风险，采用真空负压吸纳与软毛刷扫除相结合的非破坏性清洁技术，并施用高效低毒抑菌剂，有效清除并杀灭了壁画表面菌丝体（图2）。研究发现长期高湿与通风不良是微生物周期性暴发的关键环境因素。
图1. 麦积山石窟整体外观及微生物病害典型洞窟
图2.第155窟壁画表面处理前后对比图
2. 壁画劣化的微生物作用
通过DNA/RNA联合测序和模拟培养分析壁画表面的黑、白两类微生物，确定白色生物膜以蛛网菌属的物种为主，其代谢活性强，可降解纤维素、明胶、酪蛋白等材料，对壁画有潜在劣化作用；黑色微生物以帚霉属的真菌为主，与洞窟内动物活动有关。研究表明，湿度、壁画材料和生态选择共同影响微生物膜的形成，并提出通过控制湿度和动物活动以减轻微生物对壁画的损害（图3）。
图3.麦积山石窟壁画生物膜形成过程示意图
3.湿度驱动了壁画微生物组成
对比麦积山石窟与莫高窟壁画微生物特征发现，半湿润环境下放线菌门占优，而极端干旱环境中厚壁菌门占主导，水分对壁画微生物定殖有重要影响，环境湿度在调控群落结构中起到关键作用（图4）。
图4.微生物群落结构与环境因子的相关性分析
对比麦积山石窟与天梯山石窟砂岩生物膜发现，较高的生物易感性和局部水分促进了微生物群落的定殖。通过监测空气真菌的季节性变化，发现枝孢属和青霉属等真菌在高湿条件下更为活跃。
4.莫高窟典型洞窟壁画微生物发生年代
通过显微观察、染色、传统培养与高通量测序，揭示了第256窟壁画微生物块体的群落结构，发现其当前已没有活性。其中细菌以红球菌属和罗尔斯通氏菌属为主，真菌以曲霉属为优势类群。放射性碳定年（14C）发现这些微生物块体可能形成于宋代，与当时的壁画重绘有关。沙漠地区偶发强降雨及窟顶渗水是微生物暴发生长的关键诱因，该研究为极端干旱区壁画微生物成因提供了新证据（图 5,6）。
图5.莫高窟第256窟原始壁画、重绘壁画和微生物块体的14C测年结果及洞窟建造文献记载时间轴
图6.极端干旱区重层壁画表面真菌暴发模式图
5. 佛爷庙湾墓葬壁画黑斑中的微生物
针对距今约1700年的敦煌墓葬砖壁画，分析了真菌多样性及其生物降解作用。发现砖壁画表面黑斑主要由青霉属和曲霉属真菌引起。多数真菌具有产酸和蛋白水解能力，可溶解碳酸钙并促进生物矿化。相关研究对理解墓葬壁画的微生物风险提供了科学依据（图 7）。
图7.古代墓室砖壁画表面真菌产酸导致碳酸钙和草酸钙晶体析出
上述成果中，部分揭示了壁画微生物群落特征、环境驱动成因及其生物侵蚀机制，为石窟寺文物的科学保护提供了科学依据与理论支撑，段育龙、贺东鹏、马文霞、张永等做出了重要贡献，相关研究与广东以色列理工学院、兰州交通大学及中国科学院西北生态环境资源研究院等多家科研机构合作完成。未来，研究团队将进一步深入探究壁画微生物功能和防控技术，为提高石窟文物科技保护水平贡献智慧和力量。该研究受到国家自然基金和甘肃省敦煌文物保护研究中心开放课题的资助。
编辑 | 刘璇璇
责编 | 彭倩
内容来源 | 兰州大学生命科学学院