生物技術(shù)在文物保護(hù)修復(fù)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

武發(fā)思，張 永，蘇 敏，賀東鵬，李 潔，馮虎元

[1． 細(xì)胞活動(dòng)與逆境適應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(蘭州大學(xué))，甘肅蘭州 730000； 2． 國(guó)家古代壁畫(huà)與土遺址保護(hù)工程技術(shù)研究中心(敦煌研究院)，甘肅酒泉 736200； 3． 甘肅省敦煌文物保護(hù)研究中心(敦煌研究院)，甘肅酒泉 736200)]

0 引 言

文物類(lèi)型多樣、數(shù)量巨大、分布廣泛，具有極其重要的歷史、藝術(shù)、科學(xué)及社會(huì)文化價(jià)值。然而，因長(zhǎng)期受到其賦存環(huán)境中光、熱、水、氧、風(fēng)、污染物、微生物等因子及日益加劇的人類(lèi)活動(dòng)影響，多數(shù)文物已劣化甚至瀕臨消失。以古代壁畫(huà)和石質(zhì)文物為例，如何科學(xué)有效地治理其酥堿粉化、鹽霜結(jié)殼、風(fēng)化脫落、煙熏污染等病害(圖1)，從而減緩其劣化速度，一直是文物保護(hù)領(lǐng)域的科技難題[1-2]。使用化學(xué)材料對(duì)病害文物進(jìn)行清洗或加固防護(hù)是自20世紀(jì)以來(lái)最常見(jiàn)的保護(hù)手段[3-5]，在一定程度上挽救了大量瀕危文物，使文物延年益壽，但受限于保護(hù)材料自身老化、與文物材料兼容性差以及容易引發(fā)新的病害等問(wèn)題，新型保護(hù)修復(fù)材料的研發(fā)一直是文物保護(hù)領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題。在此背景下，利用基于微生物的代謝產(chǎn)物或者誘導(dǎo)合成產(chǎn)物等生物技術(shù)對(duì)文物進(jìn)行保護(hù)修復(fù)已成為新的發(fā)展方向，其具有兼容性高、綠色環(huán)保、易推廣等諸多優(yōu)勢(shì)[6]。截至目前，運(yùn)用生物學(xué)原理開(kāi)發(fā)形成的生物技術(shù)，在文物保護(hù)中的應(yīng)用主要包括生物清洗和生物加固。本工作系統(tǒng)總結(jié)了生物技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的最新研究及其在文物保護(hù)中的應(yīng)用進(jìn)展，旨在推動(dòng)我國(guó)文物科技保護(hù)的發(fā)展。

(a)云岡石窟雕像風(fēng)化；(b)大足石刻雕像風(fēng)化；(c)北石窟寺風(fēng)化；(d)莫高窟壁畫(huà)煙熏病害圖1 石窟寺及古代壁畫(huà)典型病害圖Fig.1 Representative weathering diseases of grottoes

1 生物退化與生物防護(hù)

多數(shù)情況下，微生物可對(duì)文物構(gòu)成嚴(yán)重的侵蝕威脅，是造成文物破壞的主要因素[7-9]，其幾乎可以作用于任何材質(zhì)的文物，使其污損、退化甚至降解[10]。這一生物學(xué)過(guò)程所產(chǎn)生的后果是不可逆的，也可能是毀滅性的。氣候因素，包括溫度、濕度、雨水、光照、空氣污染物等均可為生物的生長(zhǎng)創(chuàng)造有利條件，造成文物美學(xué)損傷(如形成色斑和結(jié)殼)，以及生物代謝活動(dòng)引起文物材質(zhì)發(fā)生物理及化學(xué)變化。Liu等[11]對(duì)微生物參與的碳、氮、硫等元素生物地化循環(huán)過(guò)程及其導(dǎo)致石質(zhì)文物的生物退化機(jī)制進(jìn)行了深入述評(píng)(圖2)。有研究提出在諸多環(huán)境因素中，水分是影響文物鹽害及微生物侵蝕最為關(guān)鍵的因子[12]；水分能夠激活可溶性鹽在石材內(nèi)活動(dòng)，進(jìn)而加劇石質(zhì)文物風(fēng)化。

圖2 人類(lèi)活動(dòng)與生物地化循環(huán)對(duì)石質(zhì)文物生物退化的影響[11]Fig.2 Effects of human activities and biogeochemical cycles on biodeterioration of stone relics

然而石材表面生物膜也可能具有防護(hù)作用，防止污染物對(duì)文物基體進(jìn)一步侵蝕，例如微生物形成的草酸鈣保護(hù)層，對(duì)外界環(huán)境變化和多種生物起到了一定隔離作用[13]。一些附生地衣對(duì)文物基質(zhì)的侵染性較低，去除后會(huì)造成黑色真菌或藍(lán)藻等更具侵染性的生物在裸面快速定殖，導(dǎo)致更嚴(yán)重的生物退化[14]。Casanova等[15]對(duì)土耳其中部建于公元7世紀(jì)的烏祖姆魯教堂軟凝灰?guī)r的研究指出，去除石材表面地衣后，多種因素會(huì)加速裸巖石材的破壞和風(fēng)化，建議保留。Hu等[16]對(duì)吳哥窟巴戎寺的研究中發(fā)現(xiàn)曲霉屬真菌(Aspergillusallahabadii)在先前由自養(yǎng)和異養(yǎng)微生物定殖的區(qū)域形成了致密的生物膜，導(dǎo)致石質(zhì)表層變黑，但這些真菌可以清除人工模擬形成的生物被膜。而一些分離自壁畫(huà)的真菌可形成碳酸鈣和草酸鈣，具有防護(hù)文物的應(yīng)用潛力[17]。

2 文物的清洗保護(hù)

2．1 傳統(tǒng)清洗方法

清洗是文物保護(hù)修復(fù)程序中尤為關(guān)鍵的一步，通常是利用機(jī)械、物理(激光、蒸汽等)或化學(xué)方法(清洗劑、水等)清除文物表層污染物。對(duì)石質(zhì)文物的清洗一方面可減緩污染物對(duì)石材的腐蝕，打開(kāi)石材被堵塞的氣孔，恢復(fù)石材水汽交換通道，另一方面可除去導(dǎo)致石材病害的鹽分[18]。但清洗過(guò)程不得對(duì)文物本體造成損害，應(yīng)嚴(yán)格遵循“不改變?cè)瓲钤瓌t”[19]。

根據(jù)布蘭迪的修復(fù)理論，修復(fù)是一項(xiàng)包括對(duì)美學(xué)和歷史在內(nèi)的評(píng)判過(guò)程，并尊重文物的藝術(shù)價(jià)值。從這個(gè)角度考慮，清洗時(shí)要避免因自然老化而形成的如“銅綠層”等有價(jià)值信息的丟失。因此，是否清洗要建立在科學(xué)評(píng)判的基礎(chǔ)上，毫無(wú)保留地清洗可能導(dǎo)致文物歷史信息的丟失或加速侵蝕破壞。

各類(lèi)清洗方法都有其優(yōu)勢(shì)和不足。使用紙巾、海綿或真空泵等機(jī)械方法最為常見(jiàn)，但手動(dòng)清除過(guò)程耗時(shí)費(fèi)力，效果持續(xù)時(shí)間短并可能造成文物本體損傷。20世紀(jì)90年代中期，激光清洗作為新型清洗技術(shù)受到青睞，但該技術(shù)對(duì)操作人員要求高，稍有不慎會(huì)導(dǎo)致文物表面受損[20]?；瘜W(xué)清洗中通常使用水或其他有機(jī)溶劑，而螯合劑、表面活性劑或鹽多用于調(diào)節(jié)pH；化學(xué)試劑對(duì)工作人員有潛在的毒性危害并污染環(huán)境。近期有研究將過(guò)氧化脲(carbamide peroxide)和過(guò)碳酸鈉(sodium percarbonate)與凝膠結(jié)合用于梵蒂岡花園大理石表層清洗，能有效減少色斑[21]。

2．2 生物清洗技術(shù)

微生物也可在文物保護(hù)中發(fā)揮正面作用，如將其用作文物修復(fù)清洗劑[22-24]。微生物代謝能力的應(yīng)用稱(chēng)為微生物資源管理[25]，利用微生物細(xì)胞進(jìn)行文物保護(hù)的新工藝可被定義為生物清洗[26]。微生物具有可降解不同來(lái)源環(huán)境污染物的特性，為其在文物清洗、加固修復(fù)中的應(yīng)用提供了契機(jī)[27]。與傳統(tǒng)修復(fù)方法相比，利用生物清洗更加低廉環(huán)保和安全高效[28]。研究發(fā)現(xiàn)，生物清洗技術(shù)在去除石材表面硫酸鹽方面比激光及化學(xué)清洗更有效[29]。

生物清洗研究始于20世紀(jì)90年代初，該技術(shù)當(dāng)前已被應(yīng)用于石質(zhì)和壁畫(huà)類(lèi)文物的保護(hù)修復(fù)，如黑色結(jié)殼、礦物鹽沉積物和早期修復(fù)有機(jī)物殘留物的清除。由于微生物具有高度選擇性和特定酶活性，其在去除復(fù)雜污染物方面比化學(xué)方法更為專(zhuān)一有效。Mazzoni等[30]研究了利用生物結(jié)合化學(xué)方法清洗文物的協(xié)同效應(yīng)，建立了一種運(yùn)用生物學(xué)方法來(lái)清除壁畫(huà)上由石膏、碳酸鈣、磷灰石、硝酸鹽和劣化蛋白質(zhì)組成的粘附沉積物，所選含有細(xì)菌代謝產(chǎn)物的溶液不會(huì)形成孢子，原位清洗后無(wú)殘留。

我國(guó)文物保護(hù)工作者利用微生物技術(shù)在絲織品和紙質(zhì)文物清洗加固中進(jìn)行了有益探索。如荊州文物保護(hù)中心研發(fā)了古代絲織品保護(hù)生物技術(shù)[31]，成功用于長(zhǎng)沙馬王堆漢墓出土的絲錦袍和荊州謝家橋楚國(guó)一號(hào)墓出土的荒帷等出土絲織品的揭展、清洗和加固修復(fù)(圖3)；為解決古書(shū)畫(huà)揭展問(wèn)題，首都博物館于2015年成功研制出生物酶揭展古書(shū)畫(huà)技術(shù)[32]，利用芽胞桿菌發(fā)酵制作含淀粉酶的胞外液作為生物揭展劑，取得了較好效果(圖3)。

(a)(b)：長(zhǎng)沙馬王堆絲綿袍修復(fù)前、后對(duì)比，荊州文物保護(hù)中心魏彥飛供圖；(c)(d)：生物酶用于古書(shū)畫(huà)揭展，首都博物館閆麗供圖圖3 生物技術(shù)在絲織品和紙質(zhì)文物保護(hù)修復(fù)中的應(yīng)用Fig.3 Application of biotechnology to the restoration of silk and paper cultural relics

2．2．1生物清洗脫鹽 石質(zhì)文物表層多見(jiàn)黑斑和鹽殼，其與文物基體緊密結(jié)合，極難清洗。工業(yè)革命以來(lái)，氣候變暖和日益嚴(yán)重的環(huán)境污染導(dǎo)致石質(zhì)文物鹽風(fēng)化加劇。造成石材結(jié)殼的組分包括硫酸鹽、硝酸鹽、碳酸鹽及磷灰石等，黑色結(jié)殼也可能由硫酸鈣(石膏)沉積物和空氣污染煙塵顆粒混合形成。由于現(xiàn)有除鹽技術(shù)收效甚微，基于生物的清洗脫鹽技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

2) 硝酸鹽類(lèi)。硝酸鹽沉積與繪畫(huà)材料的自然老化及修復(fù)試劑殘留有關(guān)，對(duì)壁畫(huà)的破壞作用極大。硝酸鹽還原菌(NRB)在早期被用于還原石材基質(zhì)中的硝酸鹽。May等[34]首次確定了一株施氏假單胞菌(Pseudomonasstutzeri)對(duì)硝酸鹽的還原活性。利用施氏假單胞菌對(duì)露天紀(jì)念碑和壁畫(huà)上的鹽害進(jìn)行了生物清洗試驗(yàn)，并形成了一種基于瓊脂載體的創(chuàng)新輸送系統(tǒng)[35]。該技術(shù)已成功應(yīng)用于西班牙瓦倫西亞桑托斯·胡安斯教堂內(nèi)一幅18世紀(jì)的壁畫(huà)及12世紀(jì)馬特拉大教堂凝灰?guī)r表面硝酸鹽的清洗(圖4)。

圖4 施氏假單胞菌嵌入瓊脂對(duì)巴倫西亞Santos Juanes教堂壁畫(huà)鹽風(fēng)化的生物清洗[35]Fig.4 Biocleaning with Pseudomonas stutzeri entrapped in agar for salt efflorescence present on the wall painting of the Santos Juanes church of Valencia

通過(guò)評(píng)估生物清洗對(duì)硝酸鹽的清除效果及對(duì)文物表面的可能影響，發(fā)現(xiàn)施氏假單胞菌清洗后硝酸鹽含量降低了92%[35]；6年后，處理區(qū)域硝酸鹽濃度保持穩(wěn)定，微生物群落及顏色沒(méi)有明顯改變[36]。利用極端微生物，特別是嗜鹽單胞菌(Halomonascapaniensis)能安全有效清洗石材表面硝酸鹽結(jié)殼[37]。D．desulfuricans也被作為一種潛在的硝基纖維素降解劑去除近現(xiàn)代噴漆涂鴉[38]。

然而，生物清洗脫鹽的技術(shù)應(yīng)用當(dāng)前仍存在一些問(wèn)題和擔(dān)憂(yōu)，如表層生物處理會(huì)遺留細(xì)菌、水或瓊脂，增加了其他微生物生長(zhǎng)繁殖的風(fēng)險(xiǎn)，比如真菌。因此，針對(duì)于生物處理后的短期、中期和長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)及評(píng)估尤為必要，確定沒(méi)有活性微生物的生長(zhǎng)是該技術(shù)能夠大范圍推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。

2．2．2生物酶清洗 生物水解酶能降解生物污漬、黏合劑和有機(jī)殘留物等污染物中復(fù)雜的化學(xué)鏈，從而將有機(jī)高分子降解為低分子或二氧化碳、水等無(wú)機(jī)物以便于清除[39-41]。自20世紀(jì)70年代，該技術(shù)已開(kāi)始用于文物保護(hù)，如通過(guò)胰蛋白酶、淀粉酶或蛋白酶去除紙質(zhì)文物上淀粉糊、動(dòng)物膠或蛋白質(zhì)黏合劑[42]。使用脂肪酶去除畫(huà)作上老化的丙烯酸涂料[43]。利用混合酶溶液去除油漆上的動(dòng)物膠和蛋白質(zhì)及油性黏合劑[44]。

自20世紀(jì)90年代，化學(xué)試劑的毒性問(wèn)題受到關(guān)注，從而推動(dòng)了其他清洗技術(shù)的發(fā)展[26]。有些生物酶是基于活的微生物細(xì)胞和水解酶聯(lián)合使用，以去除文物表層的雜質(zhì)[45-46]。處理前先使用色譜技術(shù)確定清除層特性，再選定生物酶[46]。當(dāng)前幾種商用酶具有去除黏合劑的能力[47]，也有水解酶作用于動(dòng)物膠的報(bào)道[48-49]。蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶和酯酶常用于文物清洗修復(fù)，尤其是去除壁畫(huà)和紙質(zhì)文物上的污垢、黏合劑等有機(jī)殘留[41，45，50]。這一方法已成為傳統(tǒng)酸堿化學(xué)清洗試劑的有效替代品[29]。這些酶主要來(lái)自動(dòng)物、植物、細(xì)菌或真菌組織[45，51]。

可根據(jù)清洗底物選擇特異性酶、調(diào)節(jié)酶活性和操作安全性。酶清洗通常需在特定的pH和溫度條件下進(jìn)行，由于多數(shù)商業(yè)酶的最佳活性溫度≥37 ℃，而文物本體上常存在影響酶活性的抑制劑，如鹽、金屬離子、色素或其他分子，因此限制了酶技術(shù)的應(yīng)用[52]。近年來(lái)分離自海洋無(wú)脊椎動(dòng)物的新蛋白酶和酯酶，可在<30 ℃的溫度下使用，這些冷活性酶無(wú)需加熱酶溶液或文物表面即可水解膠、酪蛋白黏合劑等老化的蛋白質(zhì)[53]。酶清洗后，須檢查其清除效率及殘留物，評(píng)估表層顏色的變化情況[54]。新型生物清洗方法已用于石灰?guī)r表層生物膜的去除，葡萄糖氧化酶能在室溫下發(fā)生酶促反應(yīng)，原位產(chǎn)生具有氧化特性的過(guò)氧化氫(H2O2)，對(duì)于石灰?guī)r的清潔效果顯著[55]。脂肪酶是去除老化干性油等材料的有效方法，已被用于去除紙質(zhì)文物畫(huà)面的丙烯酸樹(shù)脂Paraloid B-72[43，56]，與使用飽和碳酸銨溶液、EDTA緩沖液的傳統(tǒng)方法相比，該方法優(yōu)勢(shì)明顯。

細(xì)菌代謝產(chǎn)物多樣化，具有產(chǎn)生組成酶和誘導(dǎo)酶的特性[57]，通過(guò)施氏假單胞菌懸浮液(DSMZ 5190)濕棉條法可進(jìn)行生物清洗[45，58]，該菌株可產(chǎn)生酪蛋白水解和膠原酶活性，能降解動(dòng)物膠成分[59]。真菌同為代謝物多樣化的微生物類(lèi)群，其中真菌漆酶在多方面被廣泛應(yīng)用[60]，如從變色栓菌(Trametesversicolor)培養(yǎng)物中獲得的真菌漆酶能去除伊薩姆大理石滑梯雕塑上的紅色斑點(diǎn)[61]。

另外，通過(guò)直接將施氏假單胞菌液噴涂于壁畫(huà)等文物表面，然后純化蛋白酶，并確定了最佳修復(fù)條件[62]。使用活的細(xì)菌細(xì)胞和酶(P．stutzeri∶蛋白酶∶膠原酶=1∶3∶10)進(jìn)行生物清洗的新型生物技術(shù)成本遠(yuǎn)低于其他常規(guī)方法。

生物酶技術(shù)對(duì)文物干預(yù)小，操作人員面臨的健康風(fēng)險(xiǎn)低，環(huán)境安全性高[55]，是機(jī)械及化學(xué)方法的有效補(bǔ)充或替代。由于影響酶活性的因素較多，在不同特性文物表面如何提高酶活性仍是該技術(shù)今后需要探索的方向。

2．2．3活性微生物技術(shù) 現(xiàn)代清潔技術(shù)，如酶、表面活性劑和溶解劑修復(fù)壁畫(huà)的效果常不盡如人意[38]。微生物細(xì)胞整體利用的思路已成為發(fā)展新趨勢(shì)。利用施氏假單胞菌活細(xì)胞對(duì)比薩紀(jì)念碑墓地一幅Spinello Aretino壁畫(huà)中動(dòng)物膠的生物清洗取得了良好效果[63]，該菌株也被用于去除壁畫(huà)中的其他有機(jī)物[59，64-66]。與化學(xué)或機(jī)械方法相比，活細(xì)胞法的適用性更強(qiáng)[67](圖5)。

(a)傳統(tǒng)瓊脂生物膠盤(pán)的生物清洗；(b)斯氏假單胞菌激活的高級(jí)瓊脂紗布生物凝膠圖5 生物清洗在梵蒂岡博物館的La Navicella壁畫(huà)的應(yīng)用[67]Fig.5 Application of biocleaing to La Navicella wall painting， Vatican Museums

其他案例包括使用包埋在碳凝膠載體中的假單胞菌(Pseudomonaspseudoalcaligenes)處理意大利馬特拉大教堂的外墻，然后用PET薄膜覆蓋；利用施氏假單胞菌處理西班牙巴倫西亞的桑托斯胡昂斯教堂墻面壁畫(huà)，并使用紅外燈確保正常的細(xì)菌代謝活性[35-36]。因活性微生物具有多功能性和廣泛的酶活性，其比單純酶技術(shù)的性?xún)r(jià)比更高[45，67]。但對(duì)文物進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的細(xì)菌處理可能產(chǎn)生未知的破壞作用，因此，活性微生物未來(lái)用于清洗修復(fù)的準(zhǔn)確性至關(guān)重要，清洗結(jié)束后應(yīng)針對(duì)性去除用于清洗修復(fù)的活性細(xì)菌。由于微生物技術(shù)應(yīng)用的專(zhuān)業(yè)性及其未知傳染性和可能的生物安全隱患，當(dāng)前傳統(tǒng)清洗方法仍是首選。

3 文物的加固保護(hù)

3．1 傳統(tǒng)加固材料與技術(shù)

使用化學(xué)材料是露天石材防護(hù)常用的方法，包括無(wú)機(jī)材料和有機(jī)聚合物，其中有機(jī)類(lèi)應(yīng)用廣泛[68-69]。固體石蠟是一類(lèi)最早使用的石材表面防護(hù)劑[3]，無(wú)機(jī)防護(hù)劑在十九世紀(jì)前也有使用[38]。然而常用的加固修復(fù)材料存在與石材兼容性差，失效后引起文物表面變色、形成硬殼及造成表層剝落等問(wèn)題，因此亟須開(kāi)發(fā)新型兼容環(huán)保的防護(hù)材料。

3．2 生物礦化加固修復(fù)

生物學(xué)原理的利用為文物加固修復(fù)提供了新途徑，如生物鈣化細(xì)菌(BCB)可以加固石材，延緩石質(zhì)文物鈣基質(zhì)的劣化[70]。生物礦化是因金屬的氧化或還原形成礦物的過(guò)程，已知生物礦化機(jī)制有生物誘導(dǎo)礦化和生物控制礦化[71]。針對(duì)微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀(MICP)的生物地球化學(xué)過(guò)程已有大量研究。已證明Bacilluspasteurii[72]、Bacillussubtilis[70，73-74]、Myxococcusxanthus[75]、Acinetobacter[76]、Pseudomonas、Pantoea和Cupriavidus菌株[77]均能形成方解石沉淀。黃色粘球菌(Myxococcusxanthus)在液體和固體環(huán)境中[78]均可誘導(dǎo)碳酸鹽、磷酸鹽和硫酸鹽沉淀[75]。

細(xì)菌誘導(dǎo)的方解石沉淀有利于石灰?guī)r和大理石石碑的保存[79]。真菌代謝產(chǎn)生的醋酸、檸檬酸、葡萄糖酸、反丁烯二酸、乙醛酸和草酸等有機(jī)酸也可與不同金屬形成沉淀[80]。

利用微生物礦化加固文物的探索和實(shí)踐已有很多。微生物活動(dòng)形成的草酸鹽、碳酸鹽和氧化物等礦物沉淀能提高文物耐久性[14]。MICP技術(shù)當(dāng)前已成為巖土質(zhì)文物加固修復(fù)研究關(guān)注的焦點(diǎn)，用于石材裂縫修復(fù)、促進(jìn)石材強(qiáng)度并降低其滲透性[75，81]。采用全新方法將解脲菌八疊球菌(Sporosarcinapasteurii)細(xì)胞包埋在聚氨酯(PU)中，可增強(qiáng)石材裂紋修復(fù)[82]。De Belie[83]和De Muynck[84]使用賴(lài)氨酸桿菌(Lysinibacillussphaericus)生物礦化作用修復(fù)了混凝土裂縫。Achal[85]也報(bào)道了芽孢桿菌CT-5在方解石裂縫修復(fù)中的應(yīng)用。Tiano[70]利用微球菌(Micrococcussp．)和枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)對(duì)萊切石灰?guī)r的加固效果明顯。Perito等[86]利用枯草芽孢桿菌(B．subtilis)細(xì)胞壁組分(BCF)誘導(dǎo)方解石沉淀，在實(shí)驗(yàn)室條件下和原位對(duì)石材均具有加固能力。劉強(qiáng)等[87]以硫酸軟骨素作為有機(jī)模板，草酸鈣亞穩(wěn)過(guò)飽和溶液作為無(wú)機(jī)前驅(qū)物，于室溫條件下在石材表面仿生合成了一水草酸鈣材料，并測(cè)試了其憎水性、耐污性和耐酸性。孫延忠等[88]選擇枯草桿菌-Ⅱ在含鈣培養(yǎng)基上進(jìn)行誘導(dǎo)礦化，發(fā)現(xiàn)在細(xì)菌周?chē)缮砂咨妓徕}，并包裹細(xì)菌菌體使其鈣化。然而，國(guó)內(nèi)當(dāng)前還處于對(duì)生物礦化機(jī)理和制備技術(shù)的探索研究階段，在文物保護(hù)修復(fù)中尚沒(méi)有應(yīng)用案例。

Jroundi等[79]近年開(kāi)發(fā)了一種新穎、環(huán)保、細(xì)菌自接種加固鹽風(fēng)化石質(zhì)文物的方法，通過(guò)將鹽害石材中分離到的細(xì)菌制成培養(yǎng)液重新接種于風(fēng)化區(qū)域，形成了有機(jī)(胞外聚合物EPS)-無(wú)機(jī)(CaCO3)雜化納米復(fù)合材料，能顯著增強(qiáng)風(fēng)化區(qū)域的力學(xué)性能(圖6)。鑒于在多數(shù)巖土質(zhì)文物上都能分離到具有類(lèi)似功能的本土微生物，該新方法在文物加固及表面防風(fēng)化中的推廣應(yīng)用前景可期。

(a)無(wú)生物處理顯示微米級(jí)的方解石晶體(Cc)；(b)(c)：細(xì)菌接種處理顯示細(xì)菌化方解石黏合(BCc)、豐富的EPS和礦化的細(xì)菌細(xì)胞(白色箭頭)圖6 掃描電鏡圖顯示生物處理鈣質(zhì)巖的形態(tài)變化[79]Fig.6 SEM images showing the morphological change of bio-treated calcarenite stone

對(duì)于處在不同平衡狀態(tài)的石質(zhì)文物-微生物系統(tǒng)而言，施加的外源細(xì)菌或從其中分離的純培養(yǎng)物可能會(huì)處于競(jìng)爭(zhēng)劣勢(shì)，抑或改變?cè)械奈⑸锶郝淦胶狻Ｒ虼?，微生物生物礦化長(zhǎng)效性還須綜合評(píng)估，包括對(duì)文物基質(zhì)特性、可溶鹽、微生物類(lèi)型的影響，以及微生物接種量及其與基質(zhì)中其他微生物的相互作用，以及后期的維護(hù)保養(yǎng)程序等尚需進(jìn)一步明確。

4 展 望

大多數(shù)文化遺產(chǎn)和歷史建筑長(zhǎng)期暴露在空氣污染、氣候多變和歷經(jīng)多次化學(xué)保護(hù)修復(fù)處理的環(huán)境之中，這在一定程度上促進(jìn)了微生物的定殖和生長(zhǎng)代謝，加速了生物退化，因此，已有多數(shù)研究是針對(duì)微生物活動(dòng)對(duì)文物材料負(fù)面的影響評(píng)估。然而考慮到微生物是地化循環(huán)的主要驅(qū)動(dòng)因子，利用其代謝降解途徑又為文物的保護(hù)修復(fù)提供了新的可能[96]。利用生物體及代謝產(chǎn)物清洗文物表面污染物的技術(shù)是當(dāng)前研究熱點(diǎn)，然而要從實(shí)驗(yàn)室走向文物本體，依然還存在一些技術(shù)難題等待解決。如在微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀過(guò)程中，溫度、pH值和Ca2+濃度對(duì)細(xì)菌生長(zhǎng)和碳酸酐酶活性均有很大影響[97]，如何在文物表面實(shí)現(xiàn)最佳的應(yīng)用條件并避免對(duì)文物本體及其賦存環(huán)境造成傷害，開(kāi)發(fā)常/低溫及中性條件下生物技術(shù)是今后探索的方向。污垢的生物清洗及風(fēng)化石質(zhì)文物的生物加固修復(fù)來(lái)源于生物酶和生物礦化機(jī)制的啟發(fā)，因此，生物技術(shù)有益于生態(tài)環(huán)境的動(dòng)態(tài)平衡。而目前對(duì)于文物的清洗或加固修復(fù)，基于化學(xué)和機(jī)械處理的傳統(tǒng)方法仍是首選，因微生物的潛在破壞性未知，后期評(píng)價(jià)體系還不成熟。因此確保生物技術(shù)的安全性是其廣泛應(yīng)用的重要前提。

隨著全球氣候變化加劇、極端天氣頻發(fā)、環(huán)境污染日益加重以及文化旅游業(yè)高速發(fā)展，文物面臨的病害問(wèn)題日益突出，對(duì)于保護(hù)修復(fù)的需求也將更加緊迫。文化遺產(chǎn)的保護(hù)需要全球協(xié)力，就保護(hù)修復(fù)材料而言，材料學(xué)家們需要更加關(guān)注包括納米Ag、TiO2、ZnO、Ca(OH)2等在內(nèi)的新型納米材料的制備及其應(yīng)用技術(shù)[98-99]。微生物清洗與加固技術(shù)為保護(hù)修復(fù)方法和工藝的革新提供了新契機(jī)，但目前該技術(shù)的理論研究與應(yīng)用實(shí)踐之間還存在較大差距，文物領(lǐng)域生物技術(shù)專(zhuān)業(yè)人員的匱乏限制了該技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)和推廣。微生物清洗和加固文物過(guò)程中使用的生物體、酶、可能形成的其他次生產(chǎn)物等殘留物及其危害風(fēng)險(xiǎn)也需要深入評(píng)估，進(jìn)而促進(jìn)生物技術(shù)更加高效、安全、可持續(xù)地應(yīng)用于文物保護(hù)。盡管生物清洗和生物加固技術(shù)仍需不斷創(chuàng)新和發(fā)展，但運(yùn)用生物技術(shù)開(kāi)展文物保護(hù)修復(fù)必將成為未來(lái)新趨勢(shì)。