木材的微生物侵蚀：机理、检测与耐久性评估方法

对于木材这种古老而卓越的生物质材料，其耐久性的关键制约因素之一便是微生物的侵蚀。然而，微生物并非在任何条件下都能“享用”这顿木质盛宴。一个核心前提条件是水分的存在，具体而言，是当木材细胞腔中存在自由水时，微生物的代谢活动才会被激活。

这个临界状态在木材科学中被称为“纤维饱和点”。作为一个经验法则，当木材含水率（相对于木材干重）达到约30%时，即达到了纤维饱和点。低于此含水率的干燥木材，其细胞壁中的吸着水不足以支持微生物的生命活动，因此无法被其代谢。可以说，保持干燥是木材最天然、最有效的防腐手段，无需任何化学防腐剂的介入。

一旦含水率越过纤维饱和点，木材的主要化学组分——纤维素、半纤维素和木质素——便会暴露在大量微生物的降解风险之下。

在众多木材降解者中，木腐菌无疑是表现最明显、破坏力最强的“主力军”。这些真菌主要隶属于担子菌纲（导致褐腐或白腐）、子囊菌纲和半知菌类（导致软腐和变色）。

而在极端潮湿的环境中，虽然也可能存在木材降解细菌，但其降解速度通常极为缓慢，作为木材组分的直接代谢者，其影响在多数情况下可以忽略。然而，随着木材防腐技术从无机、难降解的组分转向有机化合物，情况变得复杂起来。这些有机防腐剂本身可能受到细菌的侵蚀，导致防腐剂失效，从而为以木材为食的微生物打开了侵入通道。

从工程应用角度看，木材腐朽最直接的后果是质量损失，并由此引发强度下降。不过，木材的价值损失也可能源于外观的改变。例如，霉菌和蓝变菌等微生物虽然不降解纤维素、半纤维素或木质素，不会造成结构性损伤，但它们会通过代谢产物和自身颜色使木材表面产生污点或变色，从而降低其商业价值。

木腐菌的目视检测与识别

不同类型的腐朽菌会在木材上留下迥异的侵蚀痕迹。很多情况下，经验丰富的检验者通过肉眼观察即可初步判断，再结合显微镜分析便可确诊。

进行宏观评估时，建议在木材干燥状态下进行，因为此时腐朽产生的干缩裂纹会更加清晰可见。而若要制作显微镜切片进行微观分析，则应使木材含水率高于纤维饱和点（>30%）。这是因为随着含水率的增加，木材的各项强度性能会下降，直至达到纤维饱和点。换言之，湿润的木材更容易切片。

主要木材腐朽类型的视觉区分

软腐 (Soft Rot) 这类真菌主要降解纤维素和半纤维素。宏观上，它们会引起一种灰黑色的腐朽，表面伴有细小的立方状裂纹。从微观上看，其典型特征是在细胞壁内部形成孔洞（见图1b）。

蓝变 (Blue Stains) 蓝变菌并不降解木质素、纤维素或半纤维素，因此不会导致木材质量或稳定性的损失。它们的“食物”是木材薄壁组织中储存的糖类。蓝变菌的菌丝会穿过薄壁细胞在木材内部蔓延，其深蓝黑色的菌丝和孢子使木材产生变色。

图1 (a) 健康未腐朽木材（云杉属）的横切面。(b) 遭受软腐菌侵蚀的木材（云杉属）横切面，可见细胞壁内的孔洞。

褐腐菌 (Brown Rot Fungi) 褐腐菌代谢木材中的纤维素和半纤维素，但无法降解木质素。腐朽后的木材留下类似木炭的深褐色，并呈现出典型的立方体状开裂（见图2a）。其微观特征如图2b所示。

白腐菌 (White Rot Fungi) 白腐菌堪称“全能降解者”，能同时代谢木材的三大主要成分：木质素、纤维素和半纤维素。

宏观上，白腐通常会使木材颜色变浅、发白。白腐可分为两种类型：a) 同时腐朽，在腐朽区域内，纤维素、半纤维素和木质素被完全降解，形成空洞状或筛孔状的腐朽区，也称“孔状腐朽”（见图3a）；b) 选择性降解木质素，这是更常见的白腐形式。与孔状腐朽不同，选择性降解木质素的过程不会在木材表面留下明显的裂纹或孔洞，初期迹象仅表现为质量减轻和颜色相较于未腐朽木材变浅。其微观特征如图3b所示。

图2 (a) 遭受褐腐菌侵蚀的木材（云杉属）纵切面，表面呈现典型的立方状裂纹，图片下部可见褐腐菌的菌丝体。(b) 遭受褐腐菌侵蚀的木材（云杉属）横切面微观图。

区分白腐菌与褐腐菌的一个生化方法是基于Bavendam测试，通过检测酚氧化酶的存在来识别能够降解木质素的白腐菌。

边材变色 (Sap Stains) 这类真菌仅在新砍伐的木材表面生长。它们不代谢木材本身，而是以薄壁组织中储存的糖类为生，并且只能通过木材在砍伐或加工过程中产生的机械损伤处侵入。它们的代谢产物和带色孢子会污染木材表面，导致价值降低。

图3 (a) 遭受白腐菌侵蚀的木材（云杉属）纵切面，图中展示了“孔状腐朽”的实例，表面可见白色的腐朽区域。(b) 遭受白腐菌侵蚀的木材（云杉属）横切面微观图。

用于探测真菌腐朽的无损检测方法

在质量控制和结构评估中，我们常常需要在不破坏材料的前提下了解其内部状况。传统的质量损失测定法需要将木材试样在特定时间点完全干燥至0%含水率。这个过程不仅会杀死活的真菌细胞，还可能因木材的流变特性导致其结构发生开裂和不可逆的物理化学变化，因此它是一种破坏性方法。

当需要对木材结构的变化进行长期监测，或者待测木材已成为建筑结构的一部分时，无损检测（NDT）方法就显得至关重要。以下是一些常用的技术：

• 声波应力波法 (Sonic Stress Wave)：通过冲击或强制振动在木材中产生应力波。通过测量声速或振动频谱，可以计算出材料的动态弹性模量（MOE），从而评估其完整性。
• 挠度法（静态弯曲技术）(Deflection Method)：在不导致试件断裂的安全载荷水平下测量其挠度。根据这些数据可以计算出静态弹性模量（MOE）。
• 电学性能法 (Electrical Properties)：真菌代谢会产生二氧化碳和水，后者会提高木材的局部含水率。该方法基于木材含水率与其电阻之间的关系来探测腐朽区域。
• 伽马射线法 (Gamma Radiation)：这是一种量化腐朽程度的工具，也用于追踪防腐剂在木材中的分布。其主要限制在于使用放射源需要遵守严格的安全法规。
• 探地雷达法 (Penetrating Radar)：该方法目前正处于针对木制品的开发阶段，有潜力用于探测和量化难以接近位置的退化情况。
• X射线法 (X-ray Method)：由于X射线源和测量设备通常较为笨重，此方法多用于实验室或生产线检测。

此外，红外、X射线和伽马射线计算机断层扫描（CT）等成像技术也被用于可视化木材的微生物侵蚀，但这些技术通常成本高昂。

最古老、最经济的无损检测方法，其实就是目视评估。对于经验丰富的专家而言，通过观察和评级试件的腐朽或变色情况，可以获得大量信息。这种方法尤其适用于需要在试验场评估大量试件的场景。

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针对不同使用等级的木材测试

根据木材在实际使用中接触水的风险，可以将其划分为不同的使用等级。等级1和2的环境条件通常不足以提供微生物生长所需的水分。因此，微生物腐朽的测试主要集中在使用等级3和4，即地上暴露和与地面接触的应用场景。

使用等级3的测试

使用等级3是一个非常复杂的类别。根据当地气候条件、构件的截面尺寸及其具体位置（如靠近地面、大部分在屋檐下遮蔽等），其环境严酷程度可能介于等级2和等级4之间。针对等级3开发了许多测试方法，旨在加速微生物的侵蚀，以便在相对较短的时间内获得结果。

现场测试 (Field tests)

• EN 330 (L-接头法)：该方法模拟窗框的榫卯角接头。试件经过防腐处理和涂饰后，暴露在室外。通过定期拆开接头，目视检查内部有无腐朽和变色，并进行评级。这是一种评估有涂层保护的木材防腐剂相对保护效能的方法。
• ENV 12037 (水平搭接法)：与L-接头法不同，此方法评估未经涂饰的防腐处理木材。两个试件搭接在一起，形成一个集水区，为真菌生长创造了有利条件。通过定期目视检查评定腐朽等级。
• AWPA E18-04 (近地无涂层腐朽法)：试件未经涂层处理，水平放置在地面上的混凝土块上，并用遮阳布覆盖。这种布置旨在模拟潮湿、遮蔽的近地环境，加速腐朽过程。

这些现场方法的目的是将处理过的试件暴露在自然界中完整的微生物群落面前。这意味着细菌、酵母菌和各种真菌都有机会侵蚀木材，形成一个实验室中无法模拟的自然演替过程。然而，现场测试也存在固有缺陷。不同地点的气候条件差异巨大，即使相隔不远，测试结果也可能天差地别。例如，欧洲的研究项目表明，未经处理的搭接接头在北欧可能三年内都未受侵蚀，但在热带地区不到一年就严重腐朽。这种结果的低重现性，使其难以用于需要可靠效能数据的木材防腐剂审批。

实验室测试 (Laboratory tests)

• EN 113：使用纯培养的担子菌（褐腐菌或白腐菌）在最佳条件下对处理过的试件进行为期16周的侵蚀，最后通过测量质量损失来确定防腐剂的毒性值。
• TS 839：评估表面处理型防腐剂能否有效保护木结构表面，并阻止真菌向未经处理的内部渗透。
• EN 152-1 / EN 152-2：评估防腐处理对蓝变的防护效果。试件经过6个月的室外自然风化（或人工加速老化）后，被带回实验室接种蓝变菌，培养6周后评估表面变色情况。

使用等级4的测试

在使用等级3中，气候是决定性因素；而在使用等级4中，土壤类型成为关键。

现场测试 (Field tests)

• EN 252 (木桩法)：这是评估接触土壤的防腐剂效能的经典方法。将经过处理的木桩（通常是松木边材）一半埋入试验场的土壤中。每年对木桩进行目视检查和评级，并通过轻轻踢动来探测其剩余强度。通过与已知参考防腐剂处理的木桩进行性能比较，来评估待测防腐剂的效能。此时，也可以结合无损检测方法（如测量MOE）来量化材料性能随时间的变化。

实验室测试 (Laboratory tests)

• ENV 807：该方法使用含有天然微生物菌群的活性土壤作为侵染源，评估防腐剂对抗软腐菌和其他土壤微生物的有效性。它为评估用于等级4的防腐剂提供了一个基础，但通常需要与其他测试数据结合，才能形成完整的性能图像。

水环境中的木材测试（部分属于等级4和等级5）

淡水（等级4）或海洋（等级5）环境极为复杂，细菌、真菌、软体动物和甲壳类动物都可能导致木材破坏。藻类等其他生物会在木材表面附着，形成生物膜，加速污损过程。

目前，对于在水环境中使用的处理木材或天然耐腐木材，尚无已知的标准化实验室测试方法。所有已知的方法都是现场测试，即将试件直接布设在开放水域中。

在海洋环境中，一些特定的钻孔生物破坏力极强，例如软体动物中的船蛆（Toredo navalis, Bankia sp.）和甲壳动物中的海蛆（Limnoria, Cherula, Sphaeroma）。这些生物会主动在木材中钻孔，严重影响木材的结构稳定性。