研究探讨了龙门石窟石灰岩文物生物侵蚀动态中的微生物群，识别了关键微生物群落及其功能，揭示了碳、氮、硫生物地球化学循环对生物侵蚀差异的驱动作用，发现硝化作用是导致生物侵蚀差异的主要因素。
龙门石窟作为联合国教科文组织世界遗产，拥有2345个洞窟和超过11万尊佛教造像，是中国中原地区佛教石窟艺术的杰出代表，但其主要由石灰岩构成的雕刻长期暴露于户外温带大陆性季风气候中，受伊河 hydrological 影响导致持续渗水及温湿度波动，引发微生物大量定殖，造成石像出现变色、结壳、开裂和剥落等严重生物风化与侵蚀现象。尽管已有研究证实微生物是石质文物恶化的主要因素，且微生物通过形成生物膜、驱动碳氮硫生物地球化学循环产生无机和有机酸溶解矿物，进而加剧岩石孔隙度和微裂缝，但目前对龙门石窟石像表面微生物组的组成、功能及其介导的生物侵蚀机制仍缺乏深入理解，这极大限制了该遗产地可持续保护策略的制定与实施，因此亟需系统探究其微生物群落结构与功能对生物侵蚀动态的影响机制。
该研究于2023年7月从龙门石窟7个洞穴（C1381、C404、C1609、C1787、C1744、C712、C159）的石像表面采集约15g生物侵蚀岩石样本（每个样本3个重复），冰袋保存运输，并收集采样前一个月当地气候数据（温度23-33°C，最高超40°C，最低20°C，湿度48-90%）。理化分析以洞穴滴水为对照，岩石样本经研磨、离心后，通过偏光显微镜和SEM观察微观结构，利用离子色谱仪、ICP-OES等检测阴阳离子及金属含量，依据生物膜特征和钙含量（约500mg/L为界）分为高（4个重复）、低（3个重复）生物侵蚀组。DNA提取采用DNeasy PowerSoil Pro Kit，针对细菌和古菌16S rRNA基因V4-V5区进行PCR扩增，经纯化、建库后在Illumina Nova 6000平台测序（数据存于NCBI，PRJNA1273662）。通过高通量qPCR对碳、氮、硫循环功能基因进行qPCR分析，计算绝对定量；基于OTU相对丰度构建分子生态网络，识别Zi>2.5且Pi>0.62的关键类群；使用R、Origin等软件进行数据统计与可视化，样本稀释后进行生态分析。
理化参数显示生物侵蚀存在显著差异：高生物侵蚀样本中溶解金属离子（如Ca²⁺、Mg²⁺）浓度显著高于低生物侵蚀样本，且两者均显著高于洞穴滴水对照，Al、Fe外的Na⁺、K⁺、Cl⁻等也呈现此模式。高生物侵蚀样本中SO₄²⁻浓度是低生物侵蚀样本的三倍，NO₃⁻、NO₂⁻浓度也显著高于低生物侵蚀样本，NH₄⁺浓度较高表明其硝化过程氮源更充足。所有样本pH值在中性或弱碱性范围，提示岩石矿物可能中和酸性代谢物，支持微生物驱动岩石颗粒溶解的假设。尽管龙门石窟石像位置、岩石成分等一致，但微环境因素（如水分可利用性）可能导致地质微生物影响差异，微生物组差异是生物侵蚀过程显著分歧的主要原因之一。
微生物群落结构和功能支持生物侵蚀差异：高、低生物侵蚀样本的微生物多样性和丰富度无显著差异，但细菌群落共享OTU仅占16%，古菌超过一半，且前20个最丰富OTU的丰度分布差异显著，表明群落结构存在显著不同。细菌群落主要由蓝细菌、放线菌、绿弯菌、变形菌和厚壁菌组成，高生物侵蚀样本中光养群落（如蓝细菌、绿弯菌）相对丰度显著高于低生物侵蚀样本，放线菌则相反。低生物侵蚀样本中Crossiella属占近20%，高生物侵蚀样本中Scytonema、Rubrobacter、Chroococcidiopsis等色素细菌占优。古菌在低生物侵蚀样本中以Crenarchaeota（90%）、Halobacterota（7%）、Thermoplasmatota（3%）为主，高生物侵蚀样本中Crenarchaeota（约75%）和Halobacterota（25%）占优。属水平上，低生物侵蚀样本中Candidatus_Nitrocosmicus、Candidatus_Nitrososphaera等丰度显著高于高生物侵蚀样本，而Nitrososphaeraceae、Halorussus在高生物侵蚀样本中更丰富。功能基因分析显示，碳固定相关基因（如pccA、frdA等）与蓝细菌属及氨氧化古菌属显著相关，碳降解基因与Microvirga等属相关；氮代谢中，Scytonema_UTEX_2349与固氮基因nifH相关，Nitrospira与hao、nxrA相关，Bacillus、Microvirga分别与反硝化基因nosZ、nirK相关，氨氧化古菌属介导硝化和反硝化过程；硫代谢中soxY与WD2101_soil_group相关，apsA与硫酸盐还原相关，但古菌参与硫循环较少。
关键群落参与生物侵蚀动态：构建的细菌-古菌共现网络（R²=0.818）含215个节点和464条边，13个模块，蓝细菌存在于多个模块，Chroococcidiopsis和Chalicogloea为核心OTU，与古菌关键类群Candidatus_Nitrocosmicus、Candidatus_Nitrososphaera相关，表明蓝细菌是石质文物微生物定殖的先锋。Nitrospira与WD2101_soil_group负相关，与蓝细菌属正相关。Sporacetigenium、Bacillus、Candidatus_Nitrososphaera在module_3中具有高连接度。氨氧化古菌属分布于不同模块，通过空间隔离和潜在跨群合作维持硝化过程稳定性。模块中心、连接器和网络中心分析确认Halobacterota、Crenarchaeota等为关键类群，6个古菌OTU中有4个属于Nitrososphaeraceae科，表明氨氧化古菌可能在驱动石像生物侵蚀中起关键作用，网络显示蓝细菌和氨氧化古菌形成核心联盟，可能支持高侵蚀洞穴中硝化驱动的酸产生。
硝化而非硫氧化导致生物侵蚀差异：碳固定相关基因在低（21,524.86 copies/ng）和高（13,628.10 copies/ng）生物侵蚀样本中丰度最高，可能与龙门石窟洞穴有机碳低、营养匮乏环境中微生物依赖碳固定获取碳源有关，蓝细菌作为碳固定关键类群支持此假设。碳代谢关键基因热图显示低生物侵蚀样本碳固定和部分碳降解更强烈，acsA基因丰度最高，参与还原性乙酰辅酶A途径，低生物侵蚀样本中accA、acsA等乙酰辅酶A代谢基因及pccA、rbcL等固碳基因丰度高于高生物侵蚀样本，而甲烷氧化基因在低生物侵蚀样本中罕见。高生物侵蚀样本中abfA、sga等纤维素分解基因丰度更高，微生物通过激活这些基因适应碳限制环境。氮循环中，高生物侵蚀样本固氮、厌氧氨氧化和硝化相关基因丰度显著高于低生物侵蚀样本，反硝化、同化和氨化相关基因则相反。nifH基因在高生物侵蚀样本中丰度（1532.71 copies/ng）显著高于低生物侵蚀样本，低生物侵蚀样本中ureC、gdhA基因丰度较高。硝化相关基因（amoA、amoB等）在高生物侵蚀样本中更丰富，amoA编码的氨单加氧酶催化氨氧化为羟胺，是硝化限速步骤，表明高生物侵蚀样本氨氧化潜力更高，产生的硝酸和/或亚硝酸可能导致酸性腐蚀；低生物侵蚀样本反硝化相关基因（nosZ、nirK、nirS）丰度更高，减少酸积累，减缓酸性腐蚀引起的生物侵蚀。硫循环中，硫氧化基因soxY、yedZ在低生物侵蚀样本中略高但无显著差异，硫酸盐还原相关基因丰度也无显著差异，表明硫循环不是生物侵蚀差异的主要原因。
研究揭示蓝细菌作为主要有机碳生产者，支持驱动碳、氮、硫生物地球化学循环的微生物群发展，微生物通过氨氧化和硝化作用产生的酸对矿物的腐蚀是生物侵蚀动态的主要结果。硝化作用是导致龙门石窟石灰岩文物生物侵蚀差异的主要因素，氨氧化古菌（如Nitrososphaeraceae科成员）和硝化细菌（如Nitrospira）是驱动生物侵蚀的关键类群。这些发现为户外石质文物的微生物诱导生物侵蚀的可持续保护提供了理论依据，有助于制定针对性的保护策略，例如靶向抑制关键硝化微生物或调控相关代谢过程，以减缓石质文物的生物侵蚀速率。
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