当提及岩石的风化与侵蚀，我们通常会联想到风、水、温度变化等纯粹的物理化学过程。然而，一个常被忽视的强大力量正以其独特的方式，日夜不休地重塑着地表与人类文明的石质遗迹——这便是微生物的生命活动。从宏伟的纪念碑到普通的墓石，地质学、化学与生物学的交叉研究揭示了生物作用是导致岩石劣化的一系列复杂现象的核心驱动力，包括粉末化、蜂窝化、鳞片化、剥落、盐霜、生物膜、包浆、结壳和坑蚀等。
这些劣化形式并非随机出现。例如，砂岩和石英砂岩更易发生粉末化和形成黑色结壳；而石灰岩与大理石则更常见生物坑蚀和生物膜腐蚀。环境污染、岩石上的生物群落与劣化现象之间存在着错综复杂的相互关系。以下，我们将结合一些典型案例，深入探讨生物作用影响岩石的具体机制。
砂岩和石英砂岩最典型的劣化特征之一就是深度的粉末化。这一过程的本质是岩石结构组分间的内聚力与附着力下降，导致孔隙率增加、原始机械强度降低。最终，岩石材料在无外力或轻微风化、冲击作用下，以粉末形式脱落。
这种表面砂化的现象在石灰岩和大理石上也能观察到，但其显著性远不及生物坑蚀。在某些情况下，砂化会演变为蜂窝状侵蚀——一种在高孔隙率岩石上形成深大空腔的劣化形态。在其晚期阶段，甚至可能形成在许多沙漠环境中常见的“盐风化穴”(tafonis)。
在这些发生粉末化的区域，藻类、地衣等大型微生物通常并不显眼。真正的“幕后推手”往往是那些不易察觉的微生物，包括化能有机营养菌、氨和亚硝酸盐氧化菌（尤其在盐风化穴中），以及大量形成黏液的球菌（或棒状杆菌）和杆状细菌。它们的存在与这类生物腐蚀现象密切相关。
在多数砂岩、花岗岩和片麻岩中，甚至在石灰岩和大理石上，都能观察到剥落、剥离和鳞片化。这些腐蚀现象的特征是岩石表层首先发生翘起，继而发生分离脱落。根据脱落层的尺寸和厚度，可细分为：
通过对大量古迹的地衣学研究发现，这类生物腐蚀的程度与地衣的覆盖率呈现出一种有趣的负相关关系：地衣覆盖率越低，剥落和剥离现象反而越严重。在表现出剥离和剥落的硅质岩石上，经常可以观察到 Lecanora conizaeoides、Acarospora fuscata、Candelariella vitellina 等地衣物种。通常，在这些地衣旁边还伴生有显著的藻类层。
结壳形成后的鳞片化也十分常见。例如，在强光或地表极端干燥条件下，岩内生长的藻类会形成藻垫；或者，当密集的岩内铁动员真菌将部分胶结物转化为新的红色铁质结壳时，都可能引发大规模的鳞片化。科隆大教堂的 Schlaitdorfer 砂岩就曾频繁观测到此类现象，这在沙漠环境中同样存在。
颜色或深或浅的薄膜、岩漆或包浆（在意大利艺术史文献中常称为 scialbatura），以及厚薄不一的黄色、红色、棕色和黑色岩表及岩内结壳，是许多受生物侵蚀的岩石和墓碑的典型特征。由于这些表型背后的化学、物理及生物成因的转化过程尚未完全厘清，我们在此一并讨论。
在受污染的环境中，砂岩表面会被一层黑色结壳覆盖。这层结壳是岩石表面物质与粉尘、煤烟等污染物共同作用的产物，其化学和矿物学性质与下方的基质岩石已截然不同。结壳有时会通过剥落或其下方的粉末化与基质分离。结壳的成分复杂，包含来自大气污染物的碳氢化合物、醇类，以及生物成因的残留物，特别是胞外聚合物（EPS）。这些EPS在湿润时如同“捕蝇纸”，能有效捕捉和粘合工业粉尘、灰烬等颗粒物。而在干燥状态下，EPS黏度极高，成为阻碍化学物质迁移和扩散的屏障。即便在湿润膨胀后，EPS依然能显著降低气体和溶质在岩石内外的扩散速率。
石膏作为一种生物腐蚀产物，在这些黑色结壳中频繁出现，尤其是在碳酸盐胶结的砂岩、石灰岩和大理石上，甚至在纯硅质砂岩和花岗岩中也有发现。一个普遍的误解是，工业区和城市的酸雨是导致石灰岩转化为石膏结壳的元凶。然而，事实并非如此。正如备受争议的酸雨对森林的破坏一样，酸雨并非破坏建筑石材的真正主因。在没有酸雨记录的偏远沙漠地区，同样发现了石膏的形成，这雄辩地证明了矿物转化的主导因素另有其因。今天，微生物学界的观点是，微生物对硫的转化作用，才是驱动碳酸钙向硫酸钙转化的最活跃因素。
对各类膜、壳、包浆的生物影响进行分析还为时过早，但以下几个要点可以为后续研究提供方向：
包浆与岩漆 (Patinas and Varnishes)：在孔隙率极低的大理石、石英砂岩等致密岩石上，黄色、红色、棕色和黑色的岩漆和表膜通常是壳状地衣和/或真菌膜在岩石表面及亚表面反复定植的产物。这些膜内生物物质转移的典型特征包括：(1) 相对于岩石和尘埃来源的锰/铁比值，膜中锰(IV)相对于铁(III)显著富集；(2) 膜常呈现环状分布；(3) 存在草酸钙（如水草酸钙石和复水草酸钙石）以及草酸铁、草酸锰（如草酸铁石）等矿物。
结壳与硬壳 (Crusts and Incrustations)：这些结构通常由相同的微生物群落——藻类、蓝细菌、真菌、地衣化真菌以及岩内生地衣的生物膜和微生物席所形成。在坚硬基质上，岩表生物膜会形成向外生长的结壳；而表-岩内生物膜则会在原始岩石表面之下形成或深或浅的硬壳。光照穿透度、湿度条件、其他生物因子以及岩石孔隙率等，共同决定了硬壳的厚度，并影响其最终导致剥落还是鳞片化等物理破坏现象。这种硬化过程之后，往往会发生厚达1cm的、与表面平行的整层岩石剥离。
岩石的颜色变化，即着色，是与包浆、结壳等现象密切相关的一种劣化形式，对大理石雕像等艺术品的审美价值损害尤为严重。这些表面的膜和壳可以呈现从黄色到黑色乃至彩虹的各种颜色，其成因主要为生物或生物催化作用：
铁锰盐着色：铁和锰是岩石中最常见的两种金属。在微生物的氧化还原催化下，它们与大气环境和污染物反应，形成各种颜色的氢氧化物、氧化物、硫酸盐、磷酸盐和草酸盐，导致岩石表面和内部出现从淡黄到黑色的多彩斑点。
有机色素沉着：岩石上的微生物自身也会产生色素。蓝细菌和藻类的叶绿素是深绿色到沥青般亮黑色素的主要来源，干燥时呈现深黑或铅灰色。放线菌和产黑色素的真菌则会带来棕色、灰色甚至黑色的斑点。类胡萝卜素等保护性色素则用于抵御紫外线。在极少数情况下，微生物产生的硝酸与蛋白质反应会产生黄色到棕色的黄蛋白，甚至有学者推测，生物成因的硫酸攻击可能导致糖类等有机物发生类似“焦糖化”的反应，尽管尚未在岩石上证实。不过，在烹饪中常见的“美拉德反应”在自然界的岩石衰变环境中可能扮演着重要角色。一个更前沿的观点认为，附着或吸附在岩石和土壤颗粒上的有机色素，可能比任何涉及铁锰转化的无机化学路径，能更简单地解释土壤和岩石的颜色。
有色粉尘的捕获与粘合：生物膜中的EPS无疑是捕获和粘合有色粉尘的主要因素（捕蝇纸效应）。在北半球，这通常是煤烟和飞灰带来的黑色。在其他地区，来自沙漠的赤铁矿粉尘则可能通过大气输送造成红色污染。
特殊重金属污染：在含有金属的古迹上，铜、锰、钴、银、硫等元素的生物溶解、氧化还原和再沉淀，会产生特殊的颜色，如铅字造成的黑灰色，铜合金造成的蓝绿色等。
岩石上的盐霜和结晶常常是微生物活动的直接或间接产物。微生物代谢、改变孔隙结构，为盐的形成和富集创造了条件。这些盐类（主要是碱金属和碱土金属盐及复盐）在温湿度变化时会发生惊人的体积变化（据报道可达300%），从而产生巨大的物理破坏力。
通常认为盐的矿化独立于生物活动，但事实并非如此。研究在地衣和生物膜内部及下方发现了嗜盐和高度耐盐的细菌，并在其附近发现了新生成的矿物，如磷灰石、鸟粪石、绿松石等。这些生物成因的盐类矿物种类繁多，包括草酸盐（水草酸钙石、草酸铁石等）、硫酸盐、硝酸盐甚至氯化物。破坏性极强的钠、钾、钙、镁复盐（如钙芒硝、白钠镁矾、芒硝等）也常与细菌共生。
坑蚀（Pitting）在地质学上指由腐蚀或侵蚀过程在岩石表面留下的小凹痕。而我们定义的“生物坑蚀”（Biopitting）则特指由生物体，主要是岩表和岩内生地衣，造成的火山口状空腔。在石灰岩和大理石上，生物坑蚀是主导性的腐蚀形式。基于其尺寸，可分为三个等级：
微米级坑蚀 (Micropitting)：由单个细胞、菌丝或菌丝体造成，仅在扫描电镜下可见。直径在0.5至20 μm之间，深度可达数百微米。其形态类似于矿物学家描述的“铅笔蚀刻”。
介观级坑蚀 (Mesopitting)：主要由岩内生地衣的子实体或壳状地衣下方的蓝细菌/藻类群落造成，形成半椭球形或透镜状的凹坑。直径通常在20至800 μm之间。
宏观级坑蚀 (Macropitting)：在地中海地区及其他区域的大理石雕像上肉眼清晰可见的典型坑洞。它们通常是多个小坑融合的结果，直径范围从1mm到最大2cm，深度在1至5mm之间。
准确识别和表征这些微观到宏观的坑蚀结构，对于评估石材病害程度和追溯其生物成因至关重要。这往往需要借助高倍显微镜和微区成分分析技术，对样品进行精细的形貌观察和化学物相鉴定。这正是专业检测实验室的核心价值所在。
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值得强调的是，生物坑蚀的过程与蜂窝化（Alveolization）有着本质区别。蜂窝穴的直径通常为1至数厘米，且深度几乎总是大于其直径，其形成与水势和微化学梯度密切相关。
溶胀，这一曾被认为是纯物理的现象，实际上是生物作用引发的强大物理破坏力。要理解它，首先需要重新认识岩石的结构。岩石并非由“胶水”粘合的固体，而是一个由大小不一的矿物或岩石颗粒紧密堆积而成的聚合体，颗粒间的接触遵循静电力、范德华力等物理法则。
生物活动，特别是其产生的EPS，能够从根本上削弱这些粘合力。EPS具有惊人的吸水溶胀能力。许多细菌EPS和低等真核生物（如海带、泥炭藓）的保水系统在充足水分下，重量可增加至干重的1600%，体积可轻易膨胀十倍以上。这种由溶胀和收缩产生的应力，是导致岩石、灰泥、壁画等材料崩解的最具破坏性的生物物理作用之一，其破坏力甚至超过盐类结晶的体积变化。
当附有地衣的岩石表层剥离时，总会粘附着一些岩石颗粒。这种现象与多种壳状地衣有关。去除地衣壳后，可以观察到岩石表层已变得疏松，孔隙率增加，机械强度显著下降。切片分析显示，菌丝网络可以侵入砂岩内部达3mm之深。即使没有菌丝，一层致密的EPS黏液层也常常覆盖在矿物颗粒上。正是这层黏液的反复溶胀-收缩循环，驱动了粉末化、剥离、剥落乃至坑蚀的发生。
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