武發(fā)思,李 潔,李瑞熙,賀東鵬

[1. 國家古代壁畫與土遺址保護工程技術(shù)研究中心(敦煌研究院),甘肅酒泉 736200;2. 甘肅省敦煌文物保護研究中心(敦煌研究院),甘肅酒泉 736200; 3. 考陶爾德藝術(shù)學(xué)院,英國倫敦 WC1X 9EW]

0 引 言

不論是古籍、繪畫和絲織品等可移動文物,還是石窟寺、歷史遺址和古建筑等不可移動文物,都是各國重要的文化遺產(chǎn),對其長久保護已成為全球經(jīng)濟和社會發(fā)展的優(yōu)先事項[1]。作為不可再生、不可替代的資源,文物的退化導(dǎo)致其外觀改變、結(jié)構(gòu)破壞及價值降低。溫度、相對濕度、光照、CO2濃度和pH等是影響文物保存的關(guān)鍵環(huán)境因子,因細菌、真菌、藻類、地衣及昆蟲等造成的生物侵蝕也是導(dǎo)致文物退化的主要因素。

盡管溫濕度控制、表面清潔、絕氧保存等措施在很大程度上降低了生物因素對館藏類文物的損害風(fēng)險,但對于暴露在自然條件中的文物而言,治理微生物活動的長效廣譜類殺菌劑需求仍非常迫切,鑒于微生物無處不在,條件適宜時即能生長繁殖,因此當(dāng)前還難以徹底清除此類文物上的生物被膜。近年來,納米抗菌材料在石質(zhì)紀念碑、絲織品、壁畫和紙張等類型的文物保護中開始大量應(yīng)用[2-3]。本工作將從文物保護學(xué)、微生物學(xué)、材料科學(xué)等多學(xué)科視角綜合考慮,全面總結(jié)用于文物微生物防治的傳統(tǒng)方法和納米抗菌材料等最新研究進展,以期為文物微生物防控提供參考。

1 文物的微生物退化

生化過程是導(dǎo)致文物受損的主要因素之一,研究發(fā)現(xiàn)細菌、真菌等微生物通過其酶活性和代謝過程對建筑、書籍和繪畫等文物造成了嚴重破壞[4]。生物退化通常指生物體生長代謝對材料造成的任何不良改變,是生物與物理化學(xué)環(huán)境之間相互作用的結(jié)果[5],是文物保存中普遍存在的問題。

各類文物中,紙張、書籍以及木制品富含纖維素,油畫中存在有機顏料、樹脂和溶劑等,它們本身可被能產(chǎn)生如纖維素水解酶、脂酶、淀粉水解酶和蛋白水解酶類的微生物作為營養(yǎng)源利用,包括纖維桿菌屬(Cellulomonas)、梭菌屬(Clostridium)、鐮刀菌屬(Fusarium)[6]和曲霉屬(Aspergillus)[7]等。壁畫表面營養(yǎng)相對貧瘠,但仍能被大量粘球藻菌(Gloeocapsasp.)、紅色桿菌(Rubrobactersp.)和青霉菌(Penicilliumsp.)所侵蝕[8-9];微生物可導(dǎo)致其污染變色[10]、膠結(jié)材料降解以及顏料層起甲開裂[11-12]。世界上多處文化遺產(chǎn)均遭受過微生物損害,包括法國拉斯科史前洞穴[13]、西班牙阿爾塔米拉史前洞穴[14]、埃及圖坦卡蒙墓[15]、日本高松冢古墳[16]和中國天水麥積山石窟[17]、敦煌莫高窟[8,18]、嘉峪關(guān)魏晉墓壁畫[19-21]以及太原北齊徐顯秀墓壁畫[22-23]等。石質(zhì)文物表面的營養(yǎng)更加有限,但微生物可利用礦物質(zhì)和空氣沉積物,如NO2、SO2能為亞硝化單胞菌(Nitrosomonas)、硝化桿菌(Nitrobacter)和硫桿菌(Thiobacillus)提供營養(yǎng)[24];砂巖文物表面存在古菌、細菌、真菌和藻類群落,其生態(tài)功能主要與光能自養(yǎng)、化能異養(yǎng)和好氧氨氧化有關(guān)[25-27]。然而,高通量測序顯示石質(zhì)文物中還存在大量未鑒定微生物[28],它們可能也是文物生物退化的重要參與者,與此相關(guān)的生化過程尚不明確,有待進一步研究。

2 文物生物退化的防治方法

一般可通過直接或間接方法進行微生物防控,間接方法指改變或限制可影響微生物生長的環(huán)境因素,包括溫度、相對濕度、光照、pH等;環(huán)境控制技術(shù)因不直接作用于文物本體,是相對綠色可持續(xù)的,但主要適用于室內(nèi),在室外很難推廣。對于露天文物,環(huán)境控制幾乎無法實現(xiàn)。

目前主要采用機械、物理或生物化學(xué)等方法治理微生物,但無論選擇哪種方法,均很難避免文物在適宜環(huán)境中被微生物再次侵染的風(fēng)險。因此掌握不同方法的適用范圍、優(yōu)點及不足就尤為必要,以有效發(fā)揮其保護作用。

2.1 機械清除

常用刷子、手術(shù)刀和真空吸塵器等工具去除病害微生物[29-30],但存在清除不徹底和破壞脆弱文物的風(fēng)險。在壁畫表面菌絲體清除工作中,本課題組使用可與皮膚接觸型的柔軟纖維刷和非接觸式流量可控的真空泵進行試驗,隨后對除菌結(jié)果的評估證實該措施效果良好(圖1a,1b),但機械方法并不能完全清除所有的微生物[31]。

圖1 機械清除和殺菌劑在文物中的應(yīng)用

2.2 物理方法

歷史上早有利用太陽光高溫和紫外線進行書籍殺蟲滅菌的記載。在日本及法國的遺址內(nèi),利用紫外線對苔蘚和生物被膜輻照處理,取得了滅菌效果[32],但微生物易重新定殖,需結(jié)合機械清除方法增強效果[33]。激光清洗技術(shù)利用表面附著物吸收激光能量,發(fā)生熱力學(xué)作用而達到去污目的[34],其在館藏壁畫[35]、宣紙[36]和石質(zhì)文物清洗中應(yīng)用較多。熱處理(微波,熱輻照)在短期內(nèi)可有效治理地衣、苔蘚和部分綠藻[37],但對多數(shù)細菌和黑色真菌作用不大。

2.3 化學(xué)方法

微生物治理常見方法主要通過抑菌和殺菌兩種方式發(fā)揮作用,抑菌指改變微生物細胞的正常功能,抑制其生長和增殖;而殺菌則是通過影響微生物的代謝活動,導(dǎo)致其死亡。兩種方式適用于體外,受到生長環(huán)境、初始微生物量和測試時間等條件影響。殺菌劑依賴于濃度,通常需要達到最低殺滅劑量才能發(fā)揮其作用[38]。殺菌劑一般優(yōu)于抑菌劑,后者存在抗性微生物在基質(zhì)上重新定殖的風(fēng)險[39]。

常用殺菌劑包括季銨鹽類、酚類、醇類、酯類、天然提取物等(表1),當(dāng)前市售殺菌劑多為化學(xué)合成。部分殺菌劑以細胞膜和蛋白質(zhì)交聯(lián)或細胞質(zhì)膜為靶點破壞細胞;一些則以DNA為目標(biāo),同時干擾酶活性,在內(nèi)部抑制或殺死微生物;還有一些通過抑制孢子萌發(fā)、菌絲生長和子實體形成,影響呼吸代謝、核酸含量等機制發(fā)揮作用。多種殺菌劑在文物保護中廣泛應(yīng)用(表1,圖1c,1d),但多限于實驗室測試。如氯化汞對分離自莫高窟壁畫上的霉菌有較強的抑制作用,且對模擬試塊顏色影響較小[40]。本課題組通過比較常用殺菌劑對徐顯秀墓壁畫上白色側(cè)齒霉菌的防治效果,確定雙氯酚的作用時效最長[23]。而香茅醛對于文物展柜內(nèi)的空氣微生物具有顯著凈化效果[41]。異噻唑啉酮能有效抑制西漢陶俑表面[42]以及“南海一號”沉船表面[43]分離的真菌。然而,傳統(tǒng)殺菌劑存在有效作用時間較短、對操作人員健康及環(huán)境有一定危害等不足[44],法國拉斯科洞穴[45]和高松冢古墳[46]微生物的反復(fù)暴發(fā)就與殺菌劑的不當(dāng)使用有關(guān)。而對于花崗巖上殼狀地衣,殺菌劑結(jié)合激光清洗最為有效[29]。機械清除與殺菌劑相結(jié)合在麥積山石窟壁畫微生物治理試驗中卓有成效[47],但在大規(guī)模應(yīng)用任何殺菌劑之前,都有必要進行長期的研究和評估。

表1 用于文物微生物治理的主要殺菌劑

3 抗菌納米材料的應(yīng)用

隨著納米技術(shù)的發(fā)展,基于金屬納米抗菌劑的研發(fā)不斷增加[82]。納米材料在涂料、服裝、醫(yī)療設(shè)備和食品等領(lǐng)域中已有廣泛應(yīng)用,其提供了一種可控的金屬離子釋放機制,以殺滅特定的微生物細胞[83]。近年,納米材料作為新型抗菌涂層在文物保護領(lǐng)域備受關(guān)注。

3.1 抗菌納米材料的主要種類

人類對銀、銅等材料抗菌性能的利用古已有之。如埃及人會將水儲存在銅/銀制容器中飲用;銀幣被用來保存牛奶以及清除飲用水中的微生物;在公元前2000年,人類將氧化鋅煮沸后用于療傷。由于結(jié)晶固體中電子性質(zhì)的物理變化,此類材料的抗菌性會隨著粒徑減小至納米級而增加,可與細胞和細胞間成分(如蛋白質(zhì)、DNA、離子通道等)更好地相互作用。納米粒子與微生物間的相互作用模式如圖2所示。

納米粒子(NPs)與A)細菌、B)藻類、

二氧化鈦(TiO2)、銀(Ag)和氧化鋅(ZnO)是廣泛使用的金屬納米材料,常用于防治基質(zhì)材料上的微生物活動,其他納米材料還有二氧化硅(SiO2)、銅(Cu)、氧化鎂(MgO)等多種類型,普遍作用機制如圖3所示。無機納米材料的優(yōu)勢在于其可調(diào)控的理化性質(zhì),為不同尺寸、形狀和表面性質(zhì)的材料提供了更多選擇[85]。然而,納米材料來源和類型多樣,本工作僅選用已在文物保護中有較多應(yīng)用的幾類進行分析。

圖3 金屬納米粒子抗菌活性的多種機制[86]

3.1.1納米TiO2以納米TiO2為代表的具有光催化功能的材料抗菌性取決于光活性,其暴露于紫外線或太陽輻射下會釋放出活性氧(ROS),它們能夠與脂類、蛋白類、酶類及核酸等生物大分子通過一系列氧化鏈式反應(yīng)攻擊細胞膜來殺死微生物[87]。TiO2具有價格低廉,化學(xué)穩(wěn)定性好,對環(huán)境基本無害等特點,是文物抑菌涂層中常用的納米材料[88]。

研究證明TiO2可減少磚石上藻類[87]和瓷磚表面生物被膜的生長,在使用6個月甚至24個月后仍具有功能[62]。研究人員設(shè)計了一種TiO2涂層玻璃盒[89],用于保存紙質(zhì)文物免受微生物、紫外線和污染物破壞;但在蔭蔽環(huán)境下,TiO2只降低了真菌生長,對藍藻、綠藻和地衣影響不大[90]。TiO2只有在被光激活時才具有殺菌作用[91],沒有紫外光時其抗菌性很差或幾乎為零。為解決其應(yīng)用局限性,可摻雜銀、銅等光催化光譜更寬的金屬離子[87],以提高TiO2的電子遷移率,使其波長響應(yīng)擴展到可見光范圍。此外,TiO2的抗菌性還取決于所應(yīng)用基質(zhì)材料的性質(zhì),如建筑文物較大的孔隙率和粗糙度會顯著降低其功效[92]。TiO2引起材料的顏色變化也與孔隙率有關(guān),可能造成染色、變暗和虹彩效果[93-94]。為了避免基質(zhì)表面變色,應(yīng)降低TiO2的使用劑量,但低劑量的抗菌作用可能不佳[95]。

3.1.2納米銀 在古羅馬帝國時期就有使用銀質(zhì)器皿存放液體避免腐壞的記錄;第一次世界大戰(zhàn)中,英、德、法三國大量使用銀器來防止傷口感染。經(jīng)過納米技術(shù)處理的納米銀,因表面積增大,殺菌效果增強。納米銀通過活性氧的形成增加氧化應(yīng)激,干擾細胞質(zhì)膜中的營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)運,并破壞代謝過程;銀離子(Ag+)的釋放會增強其抑菌活性,阻礙DNA復(fù)制并抑制酶和肽的活性,最終導(dǎo)致微生物死亡[96]。

多項研究證實納米銀可有效降低砂巖[97]、砂漿[98]、墻體[99]以及紡織品[100]等不同材質(zhì)文物上的微生物。納米銀、百里香精油和低溫等離子體處理三種抗菌方法在古籍上的應(yīng)用表明,納米銀的抗細菌效率高達60%～100%,而其他方法在12%～100%之間,但三者對真菌的有效性均較低[77],可能因真菌能更有效地抗金屬脅迫。納米銀在文物保護中的使用還需謹慎,研究發(fā)現(xiàn)納米銀雖有效抑制了混凝土[101]、石灰華[87]等石材上的微生物,但所有樣品尤其是低孔隙度石材表面均發(fā)生了顏色變化。出于此考慮,研究者將納米銀與硅聚合物結(jié)合使用[102]或?qū)⑵浒裨谒z中[65],以此來減輕顏色變化。此外,由于Ag+釋放到環(huán)境中可被生物體吸收,而納米銀的易變性質(zhì)和小粒徑會對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生危害[103]。利用動物血清合成納米銀材料,并對其在鯉魚(Cyprinuscarpio)暴露所產(chǎn)生的毒性進行評估,觀察到納米銀在鰓、肝臟、腸道等部位積累[104],因魚類是人的食物來源之一,納米銀可能從魚轉(zhuǎn)移到人體,對人類健康產(chǎn)生威脅。因此在納米材料廣泛應(yīng)用前,有必要研究其毒理性,以確保操作人員和生態(tài)環(huán)境安全。

3.1.3納米ZnO 納米ZnO的光催化特性與TiO2相似,粒子表面能產(chǎn)生活性氧類,紫外光照射時會產(chǎn)生光生電子-空穴對,能將有機污染物降解為簡單無毒的無機物,屬于環(huán)境友好型光催化劑[105]。納米ZnO粒子在溶液中部分溶解可釋放Zn2+,其進入微生物細胞后能降低氨基酸代謝并擾亂酶系統(tǒng)[106]。

納米ZnO可有效殺死細菌,并抑制不同文物上真菌生長,如石材上的黑曲霉(Aspergillusniger)[107],紙張上的綠色木霉(Trichodermaviride)[108]、雜色曲霉(Aspergillusversicolor)和匍枝根霉(Rhizopussolani)[109],且在紫外處理后抗菌效率提高[108]。在長沙銅官窯遺跡館現(xiàn)場試驗中,納米ZnO結(jié)合紫外線處理取得了較好效果(圖4)。此外,ZnO還具有自清潔、紫外線防護[110]和結(jié)構(gòu)加固[111]等特性。不同劑量納米ZnO對古埃及壁畫生物膜中黑曲霉的效應(yīng)表明,低劑量(0.25%)會加速孢子的形成,更早地產(chǎn)生次級代謝產(chǎn)物,并改變生物膜外觀,較高劑量(0.5%)才可抑制真菌生長[112],因此在設(shè)計抗菌處理方案時必須考慮劑量和濃度差異。

(a)意大利教堂墻壁上的測試區(qū),C1和C2區(qū)使用ZnO結(jié)合商業(yè)加固劑處理[114];

3.1.4其他納米材料 在文物保護中用于抗菌的其他納米材料還有SiO2、Cu、CuO、MgO、氧化石墨烯和聚合物納米膠囊精油等,它們常與基于TiO2和ZnO的光催化材料、有機殺菌劑或納米銀等金屬粒子以及各種加固劑混合使用,但應(yīng)用有限[116]。

研究人員基于溶膠-凝膠途徑研發(fā)了SiO2納米復(fù)合材料,通過浸漬應(yīng)用于天然石灰石,提高了石材的力學(xué)特征,并降低了大腸桿菌(Escherichiacoli)和釀酒酵母(Saccharomycescerevisiae)的侵蝕,但也存在顏色改變等不足,因此還需謹慎使用[117]。另有研究將納米Cu、CuO和CuSO4懸浮在兩種商業(yè)加固劑(Primal AC33和硅高分子聚合物)中處理石材,有效減少了大腸桿菌和枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)[118]。MgO納米材料也具有一定的抗菌活性[119],其粒徑小、表面積較大,這導(dǎo)致超氧化物自由基的生成量及pH值升高,破壞細胞膜并誘導(dǎo)細胞裂解死亡;MgO還可用于紙張或畫布的脫酸[120]等文物修復(fù)過程。關(guān)于碳納米材料,已有使用氧化石墨烯來抑制地衣和苔蘚侵蝕觀賞巖石的專利[121]。納米封裝的抗微生物劑研究,未來也將會越來越多。

3.2 抗菌納米材料的應(yīng)用方法

選擇合適的抗菌納米材料是必不可少的第一步,考慮到納米材料和文物材料表面的特性,篩選恰當(dāng)?shù)氖┯梅绞接葹殛P(guān)鍵。目前常用的技術(shù)是刷涂[116]和噴涂[122],其適用于大多數(shù)基質(zhì)材料,并可確保形成均勻的納米涂層,其他技術(shù)包括浸漬[123]、滴涂[124]、涂抹[125]、霧化[100]、毛細管吸收[91]、玻璃試樣旋轉(zhuǎn)涂層[126]等。多數(shù)研究將納米材料分散在水或乙醇等極性溶劑中[127],這些溶劑會迅速蒸發(fā)。有研究提出加入有機或無機質(zhì)的建議,以穩(wěn)定涂層與環(huán)境條件,包括商業(yè)清漆[110]、加固劑[124]以及天然/合成聚合物,例如聚乙烯醇縮丁醛[128]、淀粉[108]、硅氧烷[91]、丙烯酸樹脂[107]、蠟[129]等,這些混合材料的作用不是根除生物膜,而是抑制或減少生物膜的形成和保持表面清潔以避免重新定殖。與水溶性殺菌劑相比,將納米粒子添加到憎水劑/加固劑中可增強納米粒子的附著特性,使其更有效地固定在涂層基質(zhì)中,從而延長抗菌涂層的使用壽命,同時降低了其滲漏到周圍環(huán)境的風(fēng)險[130]。

3.3 抗菌納米材料功效的評估方法

納米材料的大小和形態(tài)通常使用掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)進行圖像表征。能量色散X射線光譜(EDX)和X射線光電子能譜(XPS)等方法可用于納米涂層均勻性和滲透程度的研究[126]。當(dāng)納米材料沉積在文物上之后,需要采用多種真菌和細菌進行實驗室(模擬材料/環(huán)境)以及原位(文物本體)測試,以進一步確定抗菌產(chǎn)品的功效。不能明顯改變文物外觀是最基本的要求,通過比色法和分光光度法可表征納米材料應(yīng)用前后的表面顏色,采用CIE1976L*a*b*色彩系統(tǒng)計算色度變化ΔE*ab[3],ΔE*ab≤5被設(shè)定為可接受的變化量。理想情況下,抗菌涂層還應(yīng)具有持久功效,但受時間限制,只有個別項目能夠跟蹤研究處理后中長期的效果,因此將涂層樣品放入可控制溫濕度、模擬光照的氣候箱[109]中進行加速老化測試就十分必要,這樣即可評估抗菌涂層的耐久性和抗性。清除效果取決于多種因素,如基質(zhì)材料、目標(biāo)物種、環(huán)境條件、機械清除強度等[54],這些因素通常是產(chǎn)品應(yīng)用成敗的關(guān)鍵。選擇殺菌劑時,還需注意其化學(xué)惰性、穩(wěn)定性和無色性,以避免其與文物材料中的其他化合物(如膠結(jié)劑)發(fā)生相互作用,同時也應(yīng)考慮細胞毒性和生態(tài)毒性,對外部因素的抵抗力,以及可逆操作的潛力。文物微生物治理材料應(yīng)具備滅菌性能高效、成本較低及安全性良好等特征,目前亟需建立一套基于作用目標(biāo)、機制、商用性、副作用等方面的標(biāo)準評價體系[131],以期為不同殺菌劑的篩選提供參考。

4 挑戰(zhàn)與展望

文物微生物病害治理的成敗受到其自身材質(zhì)、病害菌組成、賦存環(huán)境以及殺菌劑適用性等多個因素的影響,防控工作當(dāng)前仍充滿挑戰(zhàn)。因此,文物材質(zhì)原位檢測、微生物退化程度評估、環(huán)境監(jiān)測以及殺菌劑/抗菌材料效率評估是實施科學(xué)保護的前提。在實際應(yīng)用前,針對不同類型文物的微生物防控,最佳解決方案應(yīng)遵循“因地制宜、因情施策”原則,應(yīng)用機械清除、物理殺滅和殺/抗菌劑等組合措施。環(huán)境監(jiān)測亦至關(guān)重要,其中對可利用水分的控制是治理微生物損害的關(guān)鍵,因此殺菌劑與防水劑、加固劑等混合使用將是未來研究的重要方向之一;另外,加載精油水凝膠的開發(fā)已成為破解修復(fù)現(xiàn)場應(yīng)用的創(chuàng)新思路,也符合綠色環(huán)保的理念。需要強調(diào)的是,病害微生物治理很難一勞永逸,必須跟蹤動態(tài)監(jiān)測殺/抗菌劑的長效性及文物賦存環(huán)境變化,以便能及時實施科學(xué)的保護干預(yù)對策。