探究|导致古代木质沉船腐蚀的生物类群及其腐蚀历程
2020-05-08 15:43:27 作者: 谢 梦 来源:自然科学博物馆研究 分享至:

640?wx_fmt=jpeg&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1.jpg

作者:谢 梦(湖北省博物馆馆员)

欢迎转载,须注明作者与来源(《自然科学博物馆研究》2019年第6期)


【摘要】海洋出水木质文物和陆地考古发掘出土木质文物相比,生物类病害表现得特别明显。借鉴海洋工程学和“南海I号”相关研究成果,我们将导致古代木质沉船腐蚀的生物分为三大类:海洋植物、海洋动物和海洋微生物。船体的腐蚀过程主要分为三个阶段:固相表面形成生物膜阶段;大型污损生物等的幼体附着于前期形成的生物膜之上阶段;群落趋于稳定、船体木质逐步降解阶段。沉船腐蚀过程中不同生物类群之间共生或寄生在一起形成动态平衡,因此,对于出水木质文物的生物修复应该在保证生物群落稳定的状态下进行,避免单一种群剧烈发展对文物造成的二次损害。


【关键词】海洋出水木质文物;木质沉船;生物类病害;腐蚀


20世纪90年代以来,随着我国水下考古事业不断发展完善,沉船的发掘工作伴随考古的一次次新发现。水下考古人员在我国东南沿海相继发现了一批古沉船遗址,如“南海I号”“南澳I号”“华光礁I号”等。伴随沉船出水的还有大批珍贵的文物,包括瓷器、铁器、青铜器、金银器等无机质类文物和漆器、果核等有机质类文物,为研究我国古代贸易史、造船史和古代海上丝绸之路提供了重要的实物资料。


近年来考古发掘的沉船由于船体材质和结构、海洋水体理化性质以及海相沉积物等埋藏环境的差异,出水时保存状况各不相同。例如,2007年整体打捞出海的“南海I号”,出水时木质船体结构的破坏和糟朽比较严重,水线以上甲板部分已不复存在,甲板下的隔舱、船体支撑结构保存尚可,而船的艏艉部分破坏最为严重。2007发现的“南澳I号”,据考古人员水下勘探后发现船体甲板以上的部分在海水的侵蚀和水流的冲击下已荡然无存,但船舷和船舱部分保存完好。2008年完成船体打捞和分解提取的“华光礁I号”沉船船体残缺过半,船体木质也有一定程度的糟朽。


海洋出水文物同陆地考古发掘出土文物在病害类型上既有相同之处,也有很大差异。其中生物病害在海洋出水文物上表现得特别明显,例如海洋出水的木质古船船体上船蛆造成的孔洞,附着其上的贝壳和藻类生物等。


我国海洋考古和海洋出水木质文物保护领域有关导致文物腐蚀的生物因素研究起步较晚。海洋工程学等相关学科的研究成果将可能导致沉船糟朽的生物分为三大类来阐述——海洋水体中的污损生物、海洋底栖生物类群和海洋沉积物中的微生物。“南海I号”作为较早发掘出水的一艘沉船,相关的研究成果较为完善,有利于总结导致沉船腐蚀的生物类群及其腐蚀过程。


一、海洋工程学相关研究成果


(一)污损生物


在海洋工程学中,对污损生物(Marine foulingorganisms)的定义是:海洋环境中栖息或附着在船舶和各种水下人工设施上,对人类经济活动产生不利影响,给投资者带来负效益的动物、植物和微生物的总称。


据统计,全世界海洋污损生物共4000余种,中国沿海记录发现的有614种,其中最主要的类群是藻类、水螅、外肛动物、尤介虫、双壳类、藤壶和海鞘等。严涛等人于1986-1987年对珠江口东南近海海区的污损生物状况进行研究,采集和鉴定出藻类16种、刺胞动物8种、扁形动物1种、外肛动物7种、环节动物4种、软体动物20种、甲壳动物21种、棘皮动物1种。李恒翔等人于2006-2007年在北部湾白龙半岛邻近海域进行周年污损生物挂板试验,调查结果表明该海域污损生物群落有海藻3种、多孔动物2种、刺胞动物3种、扁形动物1种、多毛类15种、苔藓虫13种、软体动物种、甲壳动物8种、海鞘类2种。林传旭等人于2008-2009年对广东碣石湾海域进行周年污损生物挂板试验,发现藻类10种、刺胞动物8种、外肛动物6种、扁形动物2种、纽形动物1种、环节动物16种、软体动物13种、节肢动物24种、棘皮动物2种、尾索动物4种。


(二)海洋底栖生物


底栖生物是指生活于沉积物底上和底内的动物、植物和微生物。底栖生物可分为三个类型:大型底栖生物(分选时能被孔径为0.5mm网筛留住的生物)、小型底栖生物(分选时能通过0.5mm孔径网筛而被42μm孔径网筛留住的生物)和微型底栖生物(分选时能通过42μm孔径网筛的生物,主要是原生动物、细菌等)。


毕洪生等人在1991-1995年间,通过对胶州湾10个监测站季度取样,对胶州湾大型底栖生物群落进行分析,结果表明,监测过程中出现208种底栖生物,其中多毛类86种、甲壳动物57种、软体动物40种、棘皮动物11种和其它类别14种。李荣冠等人根据 2001年 5月、8月、11 月和2002年2月泉州湾大型底栖生物调查资料整理,大型底栖生物有256种,其中多毛类66种、软体动物74种、甲壳动物77种、棘皮动物12种和其他动物27种。杨俊毅等人于2002-2003年对乐清湾大型底栖生物进行了四季采样研究,发现124种大型底栖生物,其中多毛类41种、软体动物37种、甲壳类22种、棘皮动物10种和其他类14种。刘录三等人于2005-2006年进行了4个航次调查,分别对长江口及毗邻海域进行了大型底栖动物取样工作,发现大型底栖动物330种,其中软体动物122种、多毛类83种、甲壳动物67种、棘皮动物23种、底栖鱼类28种以及其它类群7种。


张志南等人于1995-1996年在胶州湾北部软底水域进行调查,结果鉴定出14个小型生物类群,海洋线虫、介形类、多毛类和桡足类共同构成小型动物的优势类群。慕方红等人于1997-1999年对渤海底栖小型生物类群的调查结果显示,在生物量中所占比例列前4位的类群依次为线虫、多毛类、桡足类、双壳类。方少华等人于1998年在厦门浔江湾水域5个测站对小型底栖生物进行调查分析,结果显示海洋线虫是优势类群,其它桡足类、多毛类、介形类、动吻类等其它类群所占比例较少。华尔等人于2003年在长江口外陆架浅海水域进行小型底栖生物取样分析,共鉴定出21个小型生物类群,其中海洋线虫为最优势类群,其次还有底栖桡足类、多毛类、动吻类和双壳类等。


(三)海洋沉积物中的微生物


海洋沉积物是漫长的地质年代里,由陆地河流和大气输入海洋的物质以及人类活动中落入海底的东西,包括软泥沙、灰尘、动植物的遗骸、宇宙尘埃等,统称为海洋沉积物。


海洋沉积物中存在大量微生物,主要是细菌。霍颖异等人于2006年对浙江苍南大渔湾近海海底沉积物样品采用非培养法构建分子文库,并结合纯培养法分离培养海洋微生物,鉴定了沉积物中微生物主要有变形杆菌纲(Alphaproteobacteria,2株, 2.5%)、γ-变形杆菌纲(Gammaproteobacteria,54株,68.4%)和厚壁菌门(Firmicutes,23株,29.1%)3个类群。α-变形杆菌纲菌株分属于劳氏菌属(Loktanella)和赤杆菌属(Erythrobacter);γ-变形杆菌纲菌株归属于海杆菌属(Marinobacter),假交替单胞菌属(Pseudoalteromonas),盐单胞菌属(Halomonas),弧菌属(Vibrio),假单胞菌属(Pseudomonas),盐碱湖生菌属(Nitrincola),海细菌属(Marinobacterium),产微球茎菌属(Microbulbifer)和希瓦氏菌属(Shewanella);而厚壁菌门菌株归属于芽孢杆菌属(Bacillus),盐芽孢杆菌属(Halobacillus)和海栖芽孢杆菌属(Marinibacillus)。


二、“南海I号”相关研究成果


通过对“南海I号”沉船出水木质文物标本中细菌类群的分析,得知饱水木质文物中的细菌类群分属34目、35科的187个属;多数细菌OTU属于变形菌门(Proteobacteria)细菌,占全部细菌OTU的52.9%,在细菌纲水平上γ-变形菌纲(γ-Proteobacteria)(占17.9%)是丰度最高的细菌纲。德沃氏菌属(Devosia)(3.5%)是“南海I号”沉船样品丰度最高的属,其它分别属于甲基娇养杆菌属(Methylotenera)(2.4%)、鼠尾菌属(Muricauda)(1.2%)。其中氢噬胞菌属(Hydrogenophaga)、中国农大湖积物杆菌(Lacibactercauensis)、德氏食酸菌(Acidovorax delafieldii)、德沃斯氏菌属(Devosia)、沉积物杆状菌属(Sediminibacterium)、缺陷短孢单胞菌(Brevundimonasdiminuta)和门多萨假单胞菌(Pseudomonas mendocina)在所有样品中均可检测到。


水下固相表面受到海洋里各种生物类群的综合影响,结合海洋工程学和“南海I号”相关研究成果可知,其中植物主要是藻类;动物主要包括大型的软体动物、环节动物、刺胞动物、外肛动物、扁形动物和甲壳动物等,以及小型的海洋线虫、多毛类、桡足类、动吻类、棘皮类和腔肠类动物等;微生物主要是变形菌门变形菌纲和γ-变形菌纲的若干属。


三、古船在生物因素作用下的腐蚀历程


借鉴污损生物生态学的概念和理论,我们可以将沉船看成一种特殊生态环境,在这种特殊的环境中形成了相应独特的污损生物群落。对于沉船来说,污损生物群落的形成是一个典型的生态演替过程,这个过程可分为三个阶段。


第一阶段:生物膜的形成。在古船最初沉没时,船体表面很快富集一层有机物,由于木材本身的结构是疏松多孔的,表面富集有机物的这个过程所需时间更短,富集的有机物种类和数量也更多。这层有机物层形成之后,由细菌作为“先锋”,在船体表面的有机物层上附着,进而形成一层生物膜。这层生物膜的主要成分是水、前期富集的有机物、细菌以及其分泌的胞外代谢产物。


第二阶段:海洋植物和动物的附着。在这一阶段,植物(主要是藻类)、小型和大型污损生物如藤壶和贝类、以及棘皮动物、软体动物等无脊椎动物等的幼体开始附着于前期形成的生物膜之上。此时的船体已经发生肉眼可辨识的表面污损。随着污损生物的种类和个体数不断增多,群落体积和质量也不断增大。这时,群落发生明显的演替现象——一些个体密度大、生长迅速的种类成为群落中的主导种,而个体密度较小、生长较缓慢的种类逐渐被淘汰。


第三阶段:群落趋于稳定,古船发生缓慢的降解。在这一阶段,生长期长、个体大的种类充分生长,排挤或覆盖那些已经附着的中、小型种类,随着时间的推移,其结构不会发生很显著的变化。据Bjordal,Daniel & Nilssion的研究可知,细菌分解植物细胞壁的多糖和部分木质,导致细胞壁的空腔化并逐渐向胞间层发展。Daniel & Nilssion的研究表明,细菌通过胞外粘液附着在植物细胞内腔表面,开始腐蚀次生壁,并最终形成小的空腔。经历长年的地下埋藏、水浸及自然降解,细胞壁内的半纤维素、纤维素和木质素等主要成分大量地流失,细胞空腔逐渐被水占满。细胞壁强度降低,细胞壁变薄,整个细胞变得非常脆弱。木质文物变软,机械强度下降及颜色变深。


四、讨论


古船在海洋环境中经历百千年,除了陆地考古出土木质文物常见的变色、裂纹、扭曲、起翘和糟朽等病害之外,生物类病害表现得特别明显。海洋各种生物的侵蚀和破坏,包括各种动物、植物和微生物的栖息和附着,对船体结构和外观造成破坏。其中植物主要是藻类;动物主要包括大型的软体动物、环节动物、刺胞动物、外肛动物、扁形动物和甲壳动物等,以及小型的海洋线虫、多毛类、桡足类、动吻类、棘皮类和腔肠类动物等;微生物主要是变形菌门变形菌纲和γ-变形菌纲的若干属。


沉船在水中逐渐发生腐蚀的过程,其实也是海洋动植物和微生物发生典型生态演替的过程。具体可以分为三个阶段:第一阶段,微生物作为先锋生物在古船表面形成生物膜;第二阶段,海洋植物和动物在古船表面附着;第三阶段,动植物和微生物群落不断优胜劣汰,最终达到动态平衡,群落趋于稳定。动植物和微生物等污损生物群落的形成过程在海洋内的几乎所有固相表面都是普遍存在的,它们的腐蚀作用除了直接啃食和运动造成的机械损伤之外,还会通过代谢分泌多种化学物质从而对木质沉船产生后续腐蚀。


在保护和修复出水木质文物时,应充分考虑动植物和微生物的生态演替和动态平衡,通常对威胁文物后续保存的动植物予以去除,对微生物则尽量不去破坏原有平衡。因为不同的生物类群之间常常通过互生共生甚至寄生的方式共同抵御恶劣的环境,创造更为有利于生存的条件。若用极端方式将某一种群微生物消灭殆尽,之后必然会有其它微生物种群以爆发之势发展为优势种群,这种剧烈的微环境变化反而会对文物造成更为严重的破坏。所以,阻止文物上微生物群落中某些菌群发展为优势菌群,尽力维护各种群之间的平衡状态才是明智之举。

免责声明:本网站所转载的文字、图片与视频资料版权归原创作者所有,如果涉及侵权,请第一时间联系本网删除。