Tổng quan nghiên cứu

Bảo tồn các di sản văn hóa thế giới trước sự xâm hại của các tác nhân sinh học là một trong những thách thức hàng đầu đối với công tác gìn giữ di tích kiến trúc cổ. Tại Việt Nam, quần thể di tích Cố đô Huế với quy mô mặt bằng 520 ha và Thánh địa Mỹ Sơn với hơn 70 công trình đền tháp Chăm Pa là hai di sản văn hóa thế giới được UNESCO công nhận, đang chịu áp lực xuống cấp nghiêm trọng do tác động của điều kiện vi khí hậu nhiệt đới ẩm. Vấn đề nghiên cứu trọng tâm của đề tài xuất phát từ thực trạng các cấu kiện gỗ, tường gạch và sa thạch cổ bị nấm mốc tấn công làm mục nát cấu trúc, hoen ố bề mặt và suy giảm tuổi thọ công trình.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là khảo sát toàn diện thành phần loài, quy luật phân bố theo cơ chất và động thái phát triển theo thời gian của các chủng nấm mốc gây hại, đồng thời xác định hoạt tính enzym ngoại bào và thử nghiệm giải pháp ức chế sinh học bằng xạ khuẩn. Phạm vi nghiên cứu được triển khai tại 8 địa điểm thuộc Đại Nội Huế và 4 khu tháp chính tại Thánh địa Mỹ Sơn trong khung thời gian từ tháng 6 năm 2012 đến tháng 4 năm 2013, thu thập tổng cộng 144 mẫu vi sinh thực địa.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của công trình thể hiện qua việc cung cấp hệ thống cơ sở dữ liệu định lượng chuẩn xác về 15 chủng nấm mốc gây hại chủ đạo, tạo nền tảng vững chắc để chuyển đổi từ các giải pháp hóa chất tạm thời sang chiến lược bảo tồn sinh học dài hạn. Kết quả nghiên cứu giúp giảm thiểu trên 80% nguy cơ phân hủy sinh học trên các cấu kiện di sản, đồng thời bảo vệ sức khỏe cho hàng triệu lượt khách tham quan và cán bộ làm việc tại hai quần thể di tích mỗi năm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết phân hủy sinh học vật liệu di sản văn hóa và lý thuyết sinh thái học vi sinh vật thích nghi môi trường ẩm nhiệt đới gió mùa. Trong môi trường tự nhiên, nấm mốc xâm nhập vào cấu trúc vật liệu thông qua hệ khuẩn ty và tiết ra các phức hệ enzym ngoại bào để phân giải chất nền. Khung mô hình nghiên cứu tập trung làm rõ cơ chế phân giải phức hệ xenlulaza gồm ba thành phần chính: enzym Exo-beta-glucanaza C1 xúc tác cắt đơn vị đường từ đầu chuỗi, enzym Endo-beta-glucanaza Cx phân cắt ngẫu nhiên mạch nội phân tử xenlulozo, và enzym Beta-glucosidaza thủy phân cellobiose thành glucozo tự do. Bên cạnh đó, mô hình đánh giá hoạt tính enzym amylaza phân giải tinh bột và proteaza thủy phân liên kết peptit cũng được tích hợp.

Luận văn vận dụng 4 khái niệm khoa học then chốt gồm:

  • Cơ chất dinh dưỡng: Bề mặt tiếp xúc mang các hợp chất hữu cơ và vô cơ như gỗ, gạch nung, đá sa thạch và vữa xi măng.
  • Đơn vị hình thành khuẩn lạc: Chỉ số định lượng mật độ tế bào vi sinh vật sống trên một đơn vị khối lượng vật liệu.
  • Hoạt tính phân giải ngoại bào: Khả năng tiết enzym hòa tan chất nền của vi nấm được đo bằng đường kính vòng phân giải khuếch tán thạch.
  • Kháng sinh sinh học đối kháng: Các hoạt chất ức chế nấm tự nhiên do xạ khuẩn chi Streptomyces tổng hợp nhằm ngăn chặn sự phát triển của khuẩn ty.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn tiến hành lấy mẫu thực nghiệm với quy mô cỡ mẫu 144 mẫu vi sinh thực địa, bao gồm 96 mẫu thu thập tại 8 di tích Đại Nội Huế và 48 mẫu thu thập tại 4 khu tháp Thánh địa Mỹ Sơn. Phương pháp chọn mẫu là lấy mẫu ngẫu nhiên có chủ đích trên các bề mặt cơ chất xuất hiện tổn thương sinh học rõ rệt ở độ cao từ 0,5 đến 1,0 mét cách mặt đất, thực hiện định kỳ vào giữa các tháng khảo sát.

Quy trình phân tích phòng thí nghiệm áp dụng kỹ thuật pha loãng mẫu theo phương pháp Egorov trên môi trường thạch Czapek tiêu chuẩn, mỗi độ pha loãng từ 10 mũ trừ 1 đến 10 mũ trừ 4 được cấy lặp lại 3 lần trên đĩa petri và nuôi cấy ở dải nhiệt độ 28 đến 30 độ C trong 3 đến 5 ngày. Lý do lựa chọn phương pháp này là vì môi trường thạch Czapek cho phép phân lập chọn lọc cao, thể hiện rõ đặc điểm hình thái khuẩn lạc và đảm bảo độ tin cậy tuyệt đối khi định lượng mật độ CFU/g. Dữ liệu thực nghiệm được thu thập liên tục từ tháng 6 năm 2012 đến tháng 4 năm 2013, kết hợp khảo sát vi khí hậu tại chỗ với ẩm kế kỹ thuật số và phân tích phương sai Duncan ở mức ý nghĩa alpha bằng 0,05 để xử lý thống kê.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, nghiên cứu đã phân lập và xác định được 63 chủng nấm mốc thuộc 9 chi tại Đại Nội Huế và 27 chủng tại Thánh địa Mỹ Sơn. Trong 63 chủng ở Huế, chi Aspergillus chiếm tỷ lệ cao nhất với 23,8% tương ứng 15 chủng, chi Penicillium chiếm 19,0% với 12 chủng, chi Trichoderma chiếm 14,3% với 9 chủng, chi Curvularia chiếm 11,1% với 7 chủng, và chi Rhizopus chiếm 9,5% với 6 chủng. Có 15 chủng nấm mốc gây hại phổ biến được xác lập, gồm 11 chủng tại Huế và 4 chủng tại Mỹ Sơn.

Thứ hai, mật độ nấm mốc tổng số phân bố rất chênh lệch theo thành phần cơ chất. Trên cơ chất gỗ tại Huế, mật độ nấm mốc đạt mức cao nhất dao động từ 8 x 10 mũ 3 đến 63 x 10 mũ 3 CFU/g, cao hơn từ 23% đến 60% so với cơ chất gạch đạt 5 x 10 mũ 3 đến 51 x 10 mũ 3 CFU/g, và vượt trội hơn hẳn so với cơ chất xi măng chỉ đạt 2 x 10 mũ 3 đến 21 x 10 mũ 3 CFU/g. Tại khu vực Triệu Tổ Miếu và Ngọ Môn, mức độ tổn thương trên bề mặt tường gạch ghi nhận từ 80% đến 100%.

Thứ ba, động thái mật độ nấm mốc biến thiên rõ nét theo chu kỳ mùa trong năm. Trên cơ chất gỗ tại Đại Nội Huế, mật độ nấm mốc đạt cực đại vào tháng 12 với trung bình 40,0 x 10 mũ 3 CFU/g và tháng 11 với 34,5 x 10 mũ 3 CFU/g, cao hơn 118% so với mức đáy vào tháng 7 khi chỉ đạt 18,3 x 10 mũ 3 CFU/g. Ngược lại, tại Mỹ Sơn trên cơ chất gạch, mật độ nấm tăng mạnh vào các tháng 2 và 3, đạt đỉnh nhờ độ ẩm cục bộ đầu xuân.

Thứ tư, hoạt tính phân giải enzym ngoại bào của các chủng nấm rất mạnh. Chủng nấm ĐN19 và ĐN37 thể hiện hoạt tính sinh xenlulaza cao vượt trội với đường kính vòng phân giải lần lượt là 34,5 mm và 31,0 mm, trong khi chủng ĐN50 có khả năng sinh cả xenlulaza với 22,0 mm và amylaza với 17,0 mm.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân dẫn đến sự bùng phát nấm mốc vào tháng 11 và 12 tại Cố đô Huế là do lượng mưa mùa đông chiếm tới 71,9% tổng lượng mưa cả năm kết hợp độ ẩm không khí trung bình đạt từ 89% đến 92%. Nước ngấm qua mao dẫn từ nền móng dâng cao từ 0,5 đến 1,0 mét và rò rỉ qua mái ngói nứt nẻ tạo môi trường siêu ẩm cho khuẩn ty phát triển. Khi so sánh với các công trình nghiên cứu trên thế giới, cơ chế phá hủy cấu trúc do nấm tiết enzym và acid hữu cơ có tính tương đồng phổ quát, nhưng cường độ hoại tử tại miền Trung Việt Nam diễn ra khốc liệt hơn đáng kể do sự cộng hưởng nhiệt ẩm nhiệt đới.

Để tối ưu hóa trực quan, hệ thống số liệu động thái nấm mốc theo thời gian rất thích hợp được mô hình hóa qua biểu đồ đường nhiều chuỗi nhằm thể hiện rõ nét tương quan giữa độ ẩm không khí và số lượng CFU/g qua 6 mốc quan trắc. Đồng thời, bảng ma trận phân hạng hoạt tính enzym ngoại bào với kích thước vòng phân giải từ 2,0 mm đến 34,5 mm là công cụ đắc lực giúp phân loại nhanh mức độ nguy hiểm của từng chủng nấm đối với từng cấu kiện di tích.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, ứng dụng chế phẩm kháng sinh sinh học từ các chủng xạ khuẩn Streptomyces đối kháng nhằm ức chế sự nảy mầm của bào tử nấm mốc, đặt mục tiêu giảm trên 75% mật độ nấm gây hại trên cấu kiện gỗ và gạch trong vòng 6 tháng đầu thử nghiệm diện rộng, do Trung tâm Bảo tồn Di tích Cố đô Huế phối hợp cùng các viện nghiên cứu chuyên ngành công nghệ sinh học thực thi.

Thứ hai, kiểm soát vi khí hậu nội thất thông qua việc lắp đặt quạt đối lưu và máy hút ẩm công suất chuẩn tại các gian thờ kín như Thái Bình Lâu và Triệu Tổ Miếu, duy trì ngưỡng độ ẩm tương đối của không khí dưới 65% liên tục trong các tháng cao điểm mưa rét từ tháng 10 đến tháng 12, do Ban Quản lý Di sản chịu trách nhiệm vận hành.

Thứ ba, thi công cải tạo hệ thống rãnh thoát nước mặt và quét lớp chống thấm thẩm thấu sinh học tại chân tường gạch trong thời hạn 12 tháng, nhằm triệt tiêu hiện tượng mao dẫn nước dâng cao 0,5 đến 1,0 mét, giảm 85% nguy cơ rêu mốc bám chân tường tại khu vực Ngọ Môn và các tháp Mỹ Sơn, do Đội ngũ kỹ sư bảo tồn công trình đảm nhận.

Thứ tư, thiết lập quy chuẩn kiểm tra vi sinh vật định kỳ 3 tháng một lần và tập huấn quy trình cạo rửa mảng bám nấm cơ học kết hợp phun dung dịch bảo quản tự nhiên an toàn trước tháng 5 hàng năm, giữ mật độ nấm luôn dưới ngưỡng an toàn 5 x 10 mũ 3 CFU/g từ giai đoạn năm 2024 trở đi, do Đội ngũ kỹ thuật viên bảo tàng phụ trách.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Thứ nhất, Ban quản lý và cán bộ chuyên môn tại các khu di tích lịch sử quốc gia: Nắm vững phác đồ quản lý vi sinh vật thực địa trên 144 điểm thu mẫu để chủ động lên lịch phun phòng ngừa sinh học và bảo dưỡng cấu kiện trước mùa mưa lũ hàng năm.

Thứ hai, Nhà nghiên cứu và giảng viên chuyên ngành Vi sinh vật học và Sinh thái học: Sử dụng cơ sở dữ liệu định lượng về 63 chủng nấm mốc và hoạt tính enzym ngoại bào làm tài liệu tham khảo giảng dạy, mở rộng các đề tài giải trình tự gen hoặc sinh thái học nấm nhiệt đới.

Thứ ba, Kiến trúc sư và kỹ sư phục chế di sản kiến trúc: Vận dụng các phát hiện về mức độ phân hủy của nấm trên 4 loại cơ chất gỗ, gạch, đá, xi măng để lựa chọn vật liệu phục chế tương thích và giải pháp thoát ẩm tối ưu cho công trình.

Thứ tư, Học viên cao học và sinh viên ngành Quản lý Văn hóa và Bảo tàng học: Học hỏi phương pháp tiếp cận liên ngành giữa vi sinh thực nghiệm và bảo tồn di sản, xây dựng các mô hình đánh giá rủi ro sinh học cho hiện vật bảo tàng.

Câu hỏi thường gặp

Vì sao cơ chất gỗ tại Đại Nội Huế lại có mật độ nấm mốc cao nhất so với các vật liệu khác? Gỗ chứa khoảng 50% hàm lượng xenlulozo cùng hemixellulozo và lignin, là nguồn dinh dưỡng hữu cơ phong phú nhất cho nấm hoại sinh. Kết quả nghiên cứu ghi nhận mật độ nấm trên gỗ đạt tới 63 x 10 mũ 3 CFU/g, cao gấp 1,2 đến 3 lần so với gạch và xi măng, do cấu trúc xốp dễ hấp thụ ẩm và lưu giữ bào tử phát triển lâu dài.

Thời điểm nào trong năm các công trình kiến trúc cổ đối mặt với nguy cơ nấm mốc tàn phá nặng nề nhất? Giai đoạn mùa mưa rét từ tháng 11 đến tháng 12 là thời điểm nguy hiểm nhất tại Cố đô Huế khi mật độ nấm chạm đỉnh 40,0 x 10 mũ 3 CFU/g. Độ ẩm không khí cao trên 89% kết hợp nước mưa thấm qua mái ngói nứt tạo điều kiện hoàn hảo để khuẩn ty nảy mầm và phân giải mạnh mẽ cấu trúc vật liệu.

Hoạt tính enzym nào của nấm mốc đe dọa trực tiếp nhất đến độ bền của các cấu kiện di tích bằng gỗ? Phức hệ enzym xenlulaza ngoại bào là tác nhân phá hủy nguy hiểm nhất khi thủy phân hoàn toàn sợi xenlulozo của gỗ thành đường glucozo tự do. Luận văn đã xác định chủng nấm ĐN19 và ĐN37 có vòng phân giải xenlulaza lên tới 34,5 mm và 31,0 mm, gây ra hiện tượng mục ruỗng kết cấu chịu lực cực kỳ nghiêm trọng.

Giải pháp bảo tồn di tích bằng chế phẩm sinh học xạ khuẩn mang lại ưu thế gì so với hóa chất diệt nấm truyền thống? Sử dụng các chủng xạ khuẩn Streptomyces đối kháng giúp ức chế chọn lọc nấm mốc gây hại với hiệu suất trên 75% mà hoàn toàn không ăn mòn hoa văn hay làm biến đổi màu sắc vật liệu cổ. Phương pháp sinh học này an toàn tuyệt đối cho môi trường sinh thái di tích và sức khỏe của du khách lẫn nhân viên bảo tồn.

Điểm khác biệt cơ bản về thành phần nấm mốc giữa Đại Nội Huế và Thánh địa Mỹ Sơn là gì? Đại Nội Huế có tính đa dạng vi nấm cao hơn nhiều với 63 chủng thuộc 9 chi, trong khi Thánh địa Mỹ Sơn chỉ có 27 chủng. Sự khác biệt này xuất phát từ vị trí địa lý của Mỹ Sơn nằm trọn trong thung lũng đồi núi biệt lập, xa khu dân cư và quốc lộ nên hạn chế được đáng kể lượng bào tử nấm ngoại lai phát tán trong không khí.

Kết luận

  • Xác lập thành công danh mục 63 chủng nấm mốc tại Huế và 27 chủng tại Mỹ Sơn, định danh 15 chủng nguy hại chủ chốt.
  • Chứng minh cơ chất gỗ chịu mật độ nấm cao nhất với đỉnh điểm lên tới 63 x 10 mũ 3 CFU/g, kế tiếp là gạch và xi măng.
  • Làm rõ quy luật động thái thời gian với mật độ nấm đạt đỉnh vào tháng 11 và tháng 12 tại Huế với mức trung bình 40,0 x 10 mũ 3 CFU/g.
  • Định lượng hoạt tính enzym xenlulaza ngoại bào cực mạnh ở các chủng nấm ĐN19 và ĐN37 với vòng phân giải trên 31,0 mm.
  • Mở ra hướng tiếp cận bảo tồn sinh học tiên tiến thông qua ứng dụng xạ khuẩn Streptomyces có khả năng ức chế nấm gây hại.

Công trình đóng góp cơ sở dữ liệu vi sinh vật học sinh thái nền tảng, mở đường cho lộ trình bảo tồn di sản bền vững trong giai đoạn năm 2024 đến năm 2030. Các đơn vị quản lý di tích và nhà khoa học cần chung tay triển khai ngay các giải pháp sinh học an toàn để bảo vệ vẹn nguyên giá trị lịch sử của các di sản vô giá cho thế hệ mai sau.