文物保護(hù)修復(fù)中的生物技術(shù)以及應(yīng)用進(jìn)展

羅冠群

（南平市建陽(yáng)區(qū)博物館，福建 南平 354200）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，文物保護(hù)技術(shù)手段不斷積累、創(chuàng)新，文物保護(hù)理念也不斷革新，使新型綜合性學(xué)科的生物技術(shù)能夠在文物保護(hù)修復(fù)工作中積極發(fā)揮相應(yīng)的優(yōu)勢(shì)與特色。生物技術(shù)在修復(fù)中具有綠色環(huán)保、針對(duì)性強(qiáng)的特點(diǎn)，對(duì)文物不會(huì)造成損害，并且生物技術(shù)具有特異反應(yīng)，應(yīng)充分發(fā)揮生物技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)文物持續(xù)發(fā)展。

1 生物技術(shù)在文物保護(hù)中的應(yīng)用優(yōu)缺點(diǎn)

1.1 優(yōu)點(diǎn)

在生物界中，微生物通常包括病毒、細(xì)菌、真菌、原生動(dòng)物和某些藻類，占有重要的位置。微生物種類繁多，其生物特性也特殊顯著，包括代謝方式多樣、代謝能力較高、繁殖迅速、易發(fā)生變異等多種特點(diǎn)。在不同的環(huán)境中都能夠有效應(yīng)用生物技術(shù)解決問(wèn)題。微生物廣泛存在于自然界中，形成了獨(dú)特的微生物生態(tài)系統(tǒng)。微生物技術(shù)是一門(mén)創(chuàng)新性的新型綜合性學(xué)科，微生物技術(shù)在文物保護(hù)修復(fù)中被廣泛應(yīng)用，同時(shí)也取得了顯著的保護(hù)修復(fù)效果，采用微生物技術(shù)對(duì)文物進(jìn)行清洗、修復(fù)、加工，可保持生態(tài)環(huán)境的溫和性，使加固修復(fù)相容性較高，具有良好的有效性與耐候性。微生物技術(shù)在與以往傳統(tǒng)方法相比，具有顯著的優(yōu)越性，它不會(huì)對(duì)環(huán)境、文物造成任何影響與污染，同時(shí)能夠遵循文物保護(hù)的具體原則、標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 缺點(diǎn)

生物技術(shù)是充分利用微生物的分解活動(dòng)、代謝等多種作用，因此，微生物必須具備較強(qiáng)的生物活性。微生物對(duì)生存環(huán)境的要求較為苛刻，各方面環(huán)境條件的控制對(duì)微生物的存活率有著直接性的影響，比如一旦無(wú)法控制溫濕度、氧氣濃度等，都會(huì)導(dǎo)致微生物死亡，無(wú)法充分發(fā)揮其作用。在采用生物技術(shù)清除文物表面所存有的污垢時(shí)，或是通過(guò)生物技術(shù)修復(fù)加固文物時(shí)，都需要在微生物活動(dòng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)，該種方式需要在一定的時(shí)間內(nèi)完成。除此以外，在微生物活動(dòng)代謝過(guò)程中，文物表面可能會(huì)因部分代謝物的影響出現(xiàn)沉淀等現(xiàn)象。基于此，相關(guān)人員應(yīng)用生物技術(shù)時(shí)，需要經(jīng)過(guò)全方位的分析與考慮，更好地防止該類問(wèn)題的發(fā)生。

2 文物的清洗保護(hù)

2.1 微生物清洗技術(shù)

在文物保護(hù)、修復(fù)中，微生物能夠積極發(fā)揮重要作用與優(yōu)勢(shì)，例如，微生物技術(shù)可在文物修復(fù)清洗中充當(dāng)清洗劑使用，也可稱微生物代謝能力為微生物資源管理，在文物保護(hù)中，采用生物細(xì)胞的方式延長(zhǎng)文物的“壽命”，該種新工藝、手段可明確為生物清洗技術(shù)。微生物具備的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)較為廣泛，能夠?qū)Σ煌h(huán)境來(lái)源的污染物進(jìn)行有效降解，提升文物清洗、加固以及修復(fù)效率等。生物清洗技術(shù)與以往傳統(tǒng)清洗方法相比，具有高效、安全、低廉、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)。根據(jù)相關(guān)研究，在去除石材表面硫酸鹽污染物方面，與激光、化學(xué)清洗手段相比，微生物清洗技術(shù)的效果更加顯著。

20世紀(jì)90年代初，微生物清洗技術(shù)被研究應(yīng)用，后廣泛應(yīng)用于文物保護(hù)修復(fù)中，包括壁畫(huà)類、石質(zhì)文物，可有效清除礦物鹽沉積物、黑色結(jié)殼，對(duì)有機(jī)物殘留進(jìn)行早期修復(fù)。微生物本體具有特定酶活性、高度選擇性，與化學(xué)方法相比，其去除復(fù)雜污染物的效果更加顯著。相關(guān)學(xué)者對(duì)該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行深入研究后，采用微生物清洗技術(shù)和化學(xué)方式結(jié)合對(duì)文物進(jìn)行協(xié)同清洗，比如這種協(xié)同清洗方式能夠有效去除壁畫(huà)上硝酸鹽、磷灰石、石膏等多方面組成的沉積物，在選擇溶液時(shí)以選擇含有細(xì)菌代謝產(chǎn)物的溶液為主，且不會(huì)形成孢子，原位清洗后且不會(huì)出現(xiàn)任何殘留。

2.2 微生物脫鹽清洗技術(shù)

石質(zhì)文物在各個(gè)因素影響下，表層多見(jiàn)鹽殼、黑斑現(xiàn)象，且緊密結(jié)合文物基體，不易清洗，難以去除。環(huán)境污染也對(duì)石質(zhì)文物造成了較大的影響，隨著氣候變暖趨勢(shì)的加快，石質(zhì)文物風(fēng)化現(xiàn)象更加嚴(yán)重，硝酸鹽、磷灰石、硫酸鹽以及碳酸鹽引發(fā)石材結(jié)殼，其中生成的硫酸鈣沉積物通過(guò)混合空氣中的污染煙塵顆粒形成黑色結(jié)殼。由于當(dāng)前除鹽技術(shù)效果受限，因此生物的清洗脫鹽技術(shù)將會(huì)逐漸取代該技術(shù)。

一是硫酸鹽類。在清洗石膏類黑垢結(jié)殼時(shí)，以往所采用的生物脫鹽技術(shù)主要是使用厭氧硫酸鹽還原菌。該種方式的原理是在厭氧環(huán)境中使用脫硫弧菌分解石膏，使其成為硫酸鹽、鈣，SO42-在還原反應(yīng)中成為S，在細(xì)菌酶的作用下，S逐漸形成H2S，鈣離子在細(xì)菌代謝過(guò)程中產(chǎn)生的CO2生成CaCO3，針對(duì)石質(zhì)文物，新生成的碳酸鈣能夠充分發(fā)揮保護(hù)效果。脫硫弧菌在對(duì)石膏的分子結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重破壞后，需要用水、軟毛刷將其充分去除。但是上述操作需要前提條件，即需要在細(xì)菌培養(yǎng)基中浸泡樣品才能夠達(dá)到破壞石膏結(jié)構(gòu)的效果。后期可對(duì)清洗進(jìn)行評(píng)估，優(yōu)化清洗程序，篩選最佳傳送系統(tǒng)，將主要研究集中到以上內(nèi)容中①。此項(xiàng)技術(shù)通過(guò)改進(jìn)脫硫弧菌屬特定菌株，確保即便處于脫水情況下也能夠使用。耐氧菌株配合酶膠體是一種傳遞系統(tǒng)，相比以往傳統(tǒng)的化學(xué)方法，在去除文物表面結(jié)殼方面，微生物脫鹽清洗技術(shù)的效果更為優(yōu)良，不僅不會(huì)形成不良次級(jí)產(chǎn)物，還能夠很好地保留歷史層。

二是硝酸鹽類。硝酸鹽沉積現(xiàn)象和繪畫(huà)材料之間有著緊密的聯(lián)系，繪畫(huà)材料的自然老化、修復(fù)及殘留都會(huì)造成硝酸沉積，會(huì)嚴(yán)重破壞壁畫(huà)。在早期，硝酸鹽還原菌被廣泛應(yīng)用于還原石材基質(zhì)中的硝酸鹽。

經(jīng)過(guò)微生物清洗，對(duì)硝酸鹽的清除效果進(jìn)行評(píng)估，在分析微生物清洗對(duì)文物表面可能造成的影響后，能夠發(fā)現(xiàn)經(jīng)假單胞菌清洗后，顯著降低約92%的硝酸鹽含量。幾年后，處理區(qū)域硝酸鹽濃度可始終處于穩(wěn)定狀態(tài)，并且不會(huì)改變微生物群落、顏色。通過(guò)采用極端微生物，可對(duì)石材表面硝酸鹽結(jié)殼進(jìn)行安全、有效的清除，達(dá)到理想的效果。

但是，當(dāng)前所采用微生物清洗脫鹽技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中，也始終存在諸多的問(wèn)題與不足之處，例如在處理表層微生物時(shí)會(huì)有水、細(xì)菌等殘留，從而導(dǎo)致其他微生物因此增加了生長(zhǎng)繁殖風(fēng)險(xiǎn)②。基于此，在使用生物清洗技術(shù)處理后，需要做好不同時(shí)期的監(jiān)測(cè)與評(píng)估工作，在對(duì)該技術(shù)進(jìn)行大范圍推廣應(yīng)用的過(guò)程中，需要明確活性微生物的生長(zhǎng)、代謝特征。

2.3 生物酶清洗技術(shù)

針對(duì)生物污漬、有機(jī)殘留物、黏合劑等各污染物中復(fù)雜的化學(xué)物質(zhì)，生物水解酶可對(duì)其起到良好的降解作用，通過(guò)降解使有機(jī)高分子成為低分子、水、二氧化碳等無(wú)機(jī)物，利于清除。該項(xiàng)技術(shù)早期在文物保護(hù)中被廣泛應(yīng)用，可利用淀粉酶、過(guò)胰蛋白酶等有效去除紙質(zhì)文物上動(dòng)物膠、淀粉糊等。采用脂肪酶和混合酶可分別去除畫(huà)作上老化的丙烯酸涂料和油漆上的蛋白質(zhì)、動(dòng)物膠等。傳統(tǒng)化學(xué)試劑所具有的毒性問(wèn)題成為社會(huì)各界所關(guān)注的重點(diǎn)內(nèi)容之一，而生物酶主要是通過(guò)活的微生物細(xì)胞聯(lián)合水解酶應(yīng)用，有效去除文物表面的雜質(zhì)。在前期處理過(guò)程中，可通過(guò)色譜技術(shù)對(duì)生物酶進(jìn)行選擇③。

目前多種商用酶具備較高的黏合劑去除能力，根據(jù)相關(guān)報(bào)道，水解酶對(duì)動(dòng)物膠也能夠起到去除作用。在文物清洗、修復(fù)過(guò)程中，可充分利用淀粉酶、脂肪酶、蛋白酶等，特別是對(duì)于紙質(zhì)文物上留存的黏合劑、污垢等，該種方式能夠更好地取代以往傳統(tǒng)酸堿化學(xué)清洗試劑，并且各個(gè)酶來(lái)源于植物、動(dòng)物細(xì)菌、真菌組織，可以很好地保護(hù)紙質(zhì)文物。

在選擇調(diào)節(jié)酶、異性酶的活性以及操作安全性中，可以清洗底物為基準(zhǔn)。通常情況下，酶清洗對(duì)溫度等方面具有一定的要求，必須在特定的溫度和pH值的基礎(chǔ)上進(jìn)行，大部分商業(yè)酶最佳活性溫度大多在37攝氏度以上。由于文物本體存在色素、鹽等分子，對(duì)酶活性會(huì)造成抑制影響，從而阻礙酶技術(shù)的廣泛運(yùn)用。例如對(duì)海洋無(wú)脊椎動(dòng)物的酯酶和新蛋白酶，需要在低于30攝氏度的溫度下應(yīng)用，對(duì)于冷活性酶，不需要對(duì)文物表面以及酶溶液進(jìn)行加熱就能保持很高的活性。經(jīng)酶溶液清洗后，需要對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的檢查，確保對(duì)殘留物的清除效率與效果，同時(shí)對(duì)表層顏色的變化進(jìn)行評(píng)估。去除石灰?guī)r石表層生物膜的過(guò)程中廣泛采用新型生物清洗方式，在室溫下，葡萄糖氧化酶可出現(xiàn)酶促反應(yīng)，產(chǎn)生具備氧化特性的過(guò)氧化氫，清潔石灰?guī)r的效果十分顯著。在去除老化干性油脂等材料的過(guò)程中，脂肪酶作為一種重要的手段，可以去除紙質(zhì)文物畫(huà)面中的丙烯酸樹(shù)脂Paraloid B-72，該種方法具有顯著的優(yōu)勢(shì)，完全能夠取代以往的傳統(tǒng)方式。

微生物代謝產(chǎn)物豐富、多樣，代謝產(chǎn)物中有誘導(dǎo)酶、組成酶的特點(diǎn)，在生物清洗中，可使用施氏假單胞菌懸浮液棉條法，該菌株能夠?qū)?dòng)物膠成分起到良好的降解作用，主要是因?yàn)槠淠軌虍a(chǎn)生膠原酶、酪蛋白。真菌作為微生物類型群，具有代謝物多樣化的特點(diǎn)，比如在各個(gè)方面廣泛應(yīng)用真菌漆酶，可通過(guò)對(duì)變色栓菌的有效培養(yǎng)從而充分獲取真菌漆酶，它能去除大理石雕塑上所存在的紅色斑點(diǎn)。除此以外，可以在文物表面直接噴涂施氏假單胞菌液、純化蛋白酶，并明確其最佳修復(fù)的相關(guān)條件及標(biāo)準(zhǔn)。與其他常規(guī)方式相比，在新型生物技術(shù)中，獲得菌細(xì)胞和酶進(jìn)行微生物清洗的成本較低。生物酶技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)主要表現(xiàn)為環(huán)境安全性較高，在具體操作過(guò)程中相關(guān)人員健康風(fēng)險(xiǎn)低，對(duì)文物造成的不良影響小，能夠充分代替以往機(jī)械方法和化學(xué)方法。但是，對(duì)酶活性造成影響的因素較為廣泛，因此，需要不斷探索各個(gè)文物的特性，提升酶的活性，并將其作為重點(diǎn)方向進(jìn)行深入細(xì)致地探究。

2.4 活性微生物技術(shù)

目前清潔技術(shù)對(duì)壁畫(huà)修復(fù)的效果還無(wú)法達(dá)到應(yīng)有的標(biāo)準(zhǔn)與要求，例如溶解劑、酶、表面活性劑等④。隨著活性微生物技術(shù)的不斷優(yōu)化、創(chuàng)新，微生物細(xì)胞整體利用思路已經(jīng)逐漸成為未來(lái)發(fā)展的重要趨勢(shì)。比如對(duì)比薩紀(jì)念碑墓地一幅Spinello Aretino壁畫(huà)，其壁畫(huà)上存在動(dòng)物膠，采取生物清洗方法來(lái)去除，具體是充分利用施氏假單胞菌活細(xì)胞，取得了顯著的清洗效果，去除壁畫(huà)上的其他有機(jī)物時(shí)，也可利用該菌株活細(xì)胞進(jìn)行清除，這種方式相比于其他化學(xué)方式和機(jī)械方式具有良好的適用性。

在其他案例中，比如西班牙巴倫西亞的桑托斯胡昂斯教堂墻面壁畫(huà)，在采用該種施氏假單胞菌進(jìn)行處理時(shí)，還同時(shí)利用紅外燈充分保證細(xì)菌代謝的活性，由于活性微生物的酶活性、功能性較為廣泛，與單純酶技術(shù)相比，具有更高的性價(jià)比。但是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的微生物清洗處理后，文物會(huì)因此出現(xiàn)不同程度的破壞?；诖耍谖磥?lái)采用活性微生物進(jìn)行清洗修復(fù)文物時(shí)，需要關(guān)注并重視清洗修復(fù)的安全性，在完成該項(xiàng)工作后，需要有針對(duì)性地去除清洗修復(fù)的活性細(xì)菌。避免因使用生物技術(shù)發(fā)生生物安全隱患等問(wèn)題，目前傳統(tǒng)的清洗方式仍然作為首選方式之一，對(duì)于活性微生物技術(shù)的選擇，需通過(guò)有序不斷的探究，探索后明確選擇的方向。

3 生物礦化加固修復(fù)

有效利用生物學(xué)原理，促進(jìn)文物加固修復(fù)的創(chuàng)新方式，比如在石材加固中，可通過(guò)生物鈣化細(xì)菌，對(duì)石質(zhì)文物鈣基質(zhì)的劣化現(xiàn)象進(jìn)行有效的延緩、修復(fù)。生物礦化主要是金屬的氧化、形成無(wú)機(jī)礦物的過(guò)程，生物礦化類型有生物控制礦化、生物誘導(dǎo)礦化兩種。

通過(guò)分析、研究微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀的過(guò)程后，發(fā)現(xiàn)菌株均能形成方解石沉淀。在液體和固體環(huán)境下，黃色粘球均能夠使磷酸鹽、硫酸鹽等沉淀。在微生物誘導(dǎo)下的方解石沉淀能夠充分促進(jìn)大理石石碑、石灰?guī)r的保存。不同金屬可通過(guò)與微生物代謝后所生成的各種有機(jī)酸形成沉淀，目前相關(guān)研究學(xué)者對(duì)文物加固中采用微生物礦化技術(shù)進(jìn)行實(shí)踐和探究。在礦物分解、元素釋放、遷移、沉淀和富集過(guò)程中，微生物都起了非常重要的作用，通過(guò)微生物活動(dòng)使氧化物、草酸鹽等發(fā)生礦物沉淀，可以充分提升文物的耐久性。在巖土質(zhì)文物加固修復(fù)研究中，微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（MICP）技術(shù)已經(jīng)成為該項(xiàng)工作的研究焦點(diǎn)與重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)容之一，該技術(shù)能夠增加石材的整體強(qiáng)度，修復(fù)石材裂縫，同時(shí)減少石材的滲透性，在聚氨酯中包埋解脲菌八疊球菌能有效修復(fù)石材裂紋，微生物誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀能夠減少材料吸水情況的發(fā)生。

經(jīng)生物礦化分解加固后，能顯著降低試樣基質(zhì)孔徑。根據(jù)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，與微孔石材相比，大孔徑的生物礦化的成功率更高?；诖?，在適度的溫度條件下，一般溫度需要分別達(dá)到10攝氏度、20攝氏度、28攝氏度、37攝氏度，球形賴氨酸芽孢桿菌能夠有效加固石灰石。在對(duì)微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（MICP）技術(shù)調(diào)控的過(guò)程中，溶解的無(wú)機(jī)碳濃度、鈣濃度以及pH值等都是礦化是否成功的重要因素。在使用微生物對(duì)文物進(jìn)行加固、修復(fù)的過(guò)程中，生物群落所具備的多功能性、多樣性等可作為重要基礎(chǔ)依據(jù)，比如石質(zhì)文物的微生物系統(tǒng)處于不同平衡的狀態(tài)下，外源微生物、純培養(yǎng)物從中分離后，在競(jìng)爭(zhēng)劣勢(shì)環(huán)境下，會(huì)對(duì)原有的微生物群落平衡造成抑制、改變等影響。基于此，需要全面性地分析和綜合性評(píng)估微生物制劑的長(zhǎng)效性，明確文物基礎(chǔ)特點(diǎn)等各方面的影響、微生物接種量、基質(zhì)中其他微生物的相互作用，同時(shí)，確定后期的維護(hù)保養(yǎng)程序等。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，生物技術(shù)在對(duì)文物進(jìn)行清洗、加固等方面不斷革新修復(fù)方式與工藝，提高文物的保護(hù)和修復(fù)效果，但是根據(jù)當(dāng)前對(duì)技術(shù)理論研究，生物技術(shù)在具體的實(shí)踐中還存在一定的差距，加上文物領(lǐng)域生物技術(shù)人員的嚴(yán)重欠缺，對(duì)此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用與推廣也造成了限制與阻礙，需要研究人員不斷地深入研究，才能進(jìn)一步對(duì)該種方式進(jìn)行改進(jìn)、推廣。

注釋

①蔡雨龍.探討文物修復(fù)影像記錄在文物保護(hù)中的重要作用——以香港“內(nèi)里乾坤：故宮文物修復(fù)展”為例[J].文物鑒定與鑒賞，2021（23）：135-137.

②孫麗娟，董曉鳳，王巖，等.革命文物的保護(hù)修復(fù)技術(shù)研究：以延安革命紀(jì)念館藏一級(jí)文物“毛澤東騎過(guò)的馬”為例[J].西北大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2022，52（2）：232-238.

③林祥清.現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)在館藏文物修復(fù)與保護(hù)中的應(yīng)用探索[J].文物鑒定與鑒賞，2020（2）：71-73.

④田亦堯，李欣冉.生物技術(shù)倫理的法律規(guī)制邏輯轉(zhuǎn)換：從生物安全立法展開(kāi)[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)：社會(huì)科學(xué)版，2021，23（3）：80-87.