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建筑外墙生物杀灭剂与朝向对微生物群落的影响研究。通过对比北西向（受风雨侵蚀）和南东向（非侵蚀）的无毒与含毒（含OIT、TER等）丙烯酸涂层混凝土外墙，采用高通量测序技术分析了一年后细菌和真菌群落结构。结果显示：生物杀灭剂显著改变群落组成，含毒N/W墙表皮 Rust菌（Sphingomonas）和滇红酵母（Cladosporium）丰度降低，而耐污菌（如Klenkia）增多；朝向影响真菌群落（p=0.01）但细菌较少（p=0.046）。BFF（无毒）墙普遍存在Nesterenkonia等耐旱菌属，而BCF（含毒）墙出现Massilia等耐药菌属。研究证实生物杀灭剂与微环境（朝向、温湿度）共同塑造微生物群落，建议结合气象数据优化生物杀灭剂使用策略。
米哈尔·乔克（Micha? Ciok）| 丹妮拉·魏森伯格（Daniela Weisenberger）| 莫里茨·尼特莱因（Moritz Nichterlein）| 斯特凡·卡尔克霍夫（Stefan Kalkhof）| 马蒂亚斯·诺尔（Matthias Noll）
德国科堡应用科学与艺术大学生物分析研究所
摘要
杀生物剂如辛基异噻唑啉酮（Octylisothiazolinone, OIT）和特丁硫磷（Terbutryn, TER）常用于建筑材料中以防止微生物侵袭。它们的释放和抗菌效果受到风驱雨（wind-driven rain, WDR）的影响，而风驱雨与建筑立面的朝向直接相关。本研究调查了无杀生物剂（BFF）和含杀生物剂（BCF）立面上细菌和真菌群落的组成，这些立面的朝向分别为北/西（N/W）和南/东（S/E），代表了在太阳辐射、干燥速率和水分可用性方面的不同微气候条件。采样是在室外暴露一年后使用非培养方法进行的。结果发现，BCF和BFF之间的细菌和真菌群落组成存在显著差异。此外，立面朝向对细菌和真菌群落组成也有显著影响。朝南/东的立面上细菌多样性明显高于其他立面。其中，Nesterenkonia、Paracoccus、Microbacteriaceae、Pseudomonas和Dioszegia属的菌类在N/W朝向的立面上占主导地位，而Klenkia、Massilia、Capnodiales和Filobasidium属的菌类主要存在于N/W朝向的立面上。只有Vishniacozyma属的真菌在所有处理组中都有出现。与生物降解、变色和生物分解相关的细菌和真菌属，如Nocardioides、Sphingomonas、Kineosporiaceae和Arthrobacter，主要存在于N/W朝向的立面上；Arthrobacter也出现在BFF的N/W朝向立面上；Cladosporium和Alternaria属的真菌则常见于S/E朝向的立面上。这些结果表明，杀生物剂的存在和立面朝向对微生物定殖模式施加了选择性压力。因此，这些发现为立面微生物组提供了更全面的视角，并提示需要调整杀生物剂的使用方式，包括考虑风化因素和杀生物剂的施用方法。
引言
在诸如外墙抹灰（基于丙烯酸的抹灰材料和丙烯酸涂料系统）等建筑材料中，杀生物剂有两个主要用途。首先，它们作为罐内防腐剂添加其中，例如异噻唑啉酮类（如benzisothiazolinone, BIT、methylisothiazolinone, MIT和chloromethylisothiazolone, CMIT），以延长产品的保质期（Paijens等人，2020年；Reiβ等人，2021年）。其次，立面是建筑物的最外层，可保护其免受风驱雨（WDR）或温度波动等环境因素的影响，同时还具有美观功能（Hofbauer & G?rtner，2021年）。因此，杀生物剂也被用作室外表面的薄膜防腐剂，主要目的是长期防止微生物生长（Bollmann等人，2017年；Reiβ等人，2021年），从而减少生物膜生物量的积累、生物降解并延缓生物膜的形成。表面观察到的任何成分变化都被解释为选择性压力的结果，而非设计目的（Maisto等人，2025年；Reiβ等人，2021年；新兴和新型健康风险科学委员会（SCENIHR），2009年；Viegas等人，2023年）。常用的薄膜防腐剂包括特丁硫磷（TER）、辛基异噻唑啉酮（OIT）和锌吡硫酮（ZnP）（Paijens等人，2020年；Reiβ等人，2021年；Wicke等人，2022年）。
薄膜防腐剂不会永久性地结合在涂层基质上，可能会被降雨和风驱雨（WDR）释放到城市径流和接收水中（Burkhardt等人，2012年；Paijens等人，2020年）。最近的现场和浸渍研究表明，立面渗出物（包括罐内和薄膜防腐剂的混合物）可能对水生和沉积物生物产生生态毒性影响，尤其是在使用初期（Kiefer等人，2024年；Reiβ等人，2025b）。此外，如OIT的光降解等转化过程可能产生新的代谢产物，从而增加环境负担（Bollmann等人，2017年）。
Vega-Garcia等人（2020年）证明了立面朝向与WDR加速杀生物剂排放之间的相关性，他们发现巴伐利亚州（德国）朝西的立面上杀生物剂的累积排放量最大。尽管该研究未涉及杀生物剂的封装技术，但如今这在立面薄膜防腐剂的应用中很常见，并显著延长了抗菌作用的持续时间（Arzani & dos Santos，2022年），这一点已有许多报道（Bergek等人，2014年；Eversdijk等人，2012年；Nordstierna等人，2010年）。
此外，封装的杀生物剂可以减缓微生物的定殖速度。立面的定殖过程始于初始定殖者（如细菌和真菌），随后是次级定殖者，主要是藻类和地衣。总共在立面上鉴定出超过220个不同的微生物类群（Hofbauer & G?rtner，2021年；Sterflinger & Pi?ar，2013年）。微生物定殖受立面材料和结构、环境条件（如太阳辐射强度、湿度水平、季节性温度变化）、杀生物剂配方（Song等人，2020年）、微生物营养物质的可用性（Péguilhan等人，2025年）以及空气中微生物的种类和数量（Hofbauer & G?rtner，2021年；Thelandersson & Isaksson，2013年）的影响。此外，还应考虑附近的植被覆盖情况和立面朝向（Reiβ等人，2021年；Vega-Garcia等人，2020年）。
为了克服基于培养的方法的局限性（Rappé & Giovannoni，2003年；Santos和Olivares，2021年），一些研究采用了非培养方法来研究建筑材料上的微生物生物膜和群落组成。这些方法通常包括提取环境DNA，然后通过基于扩增子的高通量测序（HTS）来鉴定微生物群落组成。这类分子方法已成功应用于涂漆外墙表面（Ogawa等人，2017年）和外部热绝缘复合系统（ETICS）立面材料（Viegas等人，2023年），为本研究提供了方法论基础。此外，还使用定量PCR方法从文化遗产遗址、ETICS和立面本身中提取环境DNA，以量化特定微生物类群（Li等人，2018年；Meng等人，2016年；Rosado等人，2014年；Savkovi?等人，2021年）。在文化遗产的生物降解过程中，已经鉴定出多种导致变色、溶解或沉淀的细菌和真菌物种（Negi & Sarethy，2019年；Schr?er等人，2021年）。这些研究表明，立面定殖是一个复杂的多因素过程，受表面和材料特性、表面粗糙度、水分可用性和干燥动态、微生物相互作用以及局部暴露条件（包括立面朝向）的影响。然而，系统评估立面朝向和杀生物剂施用对相同材料系统综合影响的基于现场的研究仍然很少，这突显了在现实室外条件下处理-暴露相互作用方面的知识空白。
本研究有两个主要目标：i) 使用HTS方法，在暴露一年后，分别鉴定北/西（N/W）朝向（风化部位）和南/东（S/E）朝向（非风化部位）的无杀生物剂（BFFs）和含杀生物剂（BCFs）立面上的细菌和真菌群落组成；ii) 确定与生物降解、变色以及杀生物剂生物降解和抗性相关的潜在微生物功能。
采样
采样方法
所研究的立面系统由涂在混凝土块上的丙烯酸抹灰层和丙烯酸涂料层组成。配方和施工程序已在先前的研究中描述（Ciok等人，2025年；Kiefer等人，2024年）；BCF配方中加入了防腐剂（MIT/CMIT/BIT；OIT/TER/ZnP），而BFF则未添加任何杀生物剂（见补充图S3）。简而言之，从BCF和BFF中各选取三个独立样本进行采样。
杀生物剂的存在及立面朝向对细菌和真菌群落组成及多样性的影响
评估了北/西（N/W）和南/东（S/E）朝向的BFFs、BCFs N/W和BCFs S/E的细菌和真菌群落组成（图1）。杀生物剂的存在显著改变了细菌（p = 0.001）和真菌群落组成（p = 0.007）（BCFs与BFFs之间，双向——PERMANOVA）。此外，立面朝向也显著影响了真菌群落组成（p = 0.01）（N/W与S/E），而细菌群落组成仅有边缘显著性差异（p = 0.046）。
讨论
本研究提供了基于现场的证据，表明立面朝向和薄膜防腐剂的存在对在真实室外环境中相同立面材料上发展的细菌和真菌生物膜群落施加了强烈但不同的选择性压力。细菌和真菌群落组成受立面类型的影响（图1、图2、图3）。Nesterenkonia属的细菌在两种朝向的BFFs上都是最占主导地位的菌类。
结论
含杀生物剂的立面在一年室外暴露后显著改变了丙烯酸涂层混凝土上的细菌和真菌群落组成，减少了极端微生物如Nesterenkonia和Paracoccus的存在。尽管使用了杀生物剂，但Klenkia、Sphingomonas和Cladosporium等耐受性强的菌类仍然存在，表明微生物在现实条件下具有适应性和生物降解潜力。朝南/东的BCFs支持最高的微生物多样性。
作者贡献声明
米哈尔·乔克（Micha? Ciok）：撰写原始稿件、可视化处理、验证、方法学设计、实验实施、数据分析。
丹妮拉·魏森伯格（Daniela Weisenberger）：验证、资源管理、方法学设计、数据整理。
莫里茨·尼特莱因（Moritz Nichterlein）：验证、数据分析、项目监督、资金获取。
斯特凡·卡尔克霍夫（Stefan Kalkhof）：撰写修订稿件、项目监督、资源管理、项目协调、资金获取、数据分析、概念构思。
伦理声明
由于本研究不涉及人类或动物的伦理问题，因此免去了伦理审查和批准程序。
资助
本研究得到了巴伐利亚州科学与艺术部（项目“OMiBiB：优化和减少建筑材料中的杀生物剂使用”[资助编号H.2-F1116.CO/47/2]（资助给MN和SK）以及巴伐利亚州环境与消费者保护部的支持（在BayOekotox项目网络下[资助编号1209 TG73]（资助给MN和SK）。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢Julia Kenzel和Eva Wittmann在OMIBIB项目管理工作中的支持，以及Shakhawat Hossen和Benjawan Tanunchai在技术实施方面的协助。
