文物保護修復中的生物技術以及應用進展

羅冠群

（南平市建陽區博物館，福建 南平 354200）

0 引言

隨著科學技術的快速發展，文物保護技術手段不斷積累、創新，文物保護理念也不斷革新，使新型綜合性學科的生物技術能夠在文物保護修復工作中積極發揮相應的優勢與特色。生物技術在修復中具有綠色環保、針對性強的特點，對文物不會造成損害，并且生物技術具有特異反應，應充分發揮生物技術的優勢，促進文物持續發展。

1 生物技術在文物保護中的應用優缺點

1.1 優點

在生物界中，微生物通常包括病毒、細菌、真菌、原生動物和某些藻類，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、易發生變異等多種特點。在不同的環境中都能夠有效應用生物技術解決問題。微生物廣泛存在于自然界中，形成了獨特的微生物生態系統。微生物技術是一門創新性的新型綜合性學科，微生物技術在文物保護修復中被廣泛應用，同時也取得了顯著的保護修復效果，采用微生物技術對文物進行清洗、修復、加工，可保持生態環境的溫和性，使加固修復相容性較高，具有良好的有效性與耐候性。微生物技術在與以往傳統方法相比，具有顯著的優越性，它不會對環境、文物造成任何影響與污染，同時能夠遵循文物保護的具體原則、標準。

1.2 缺點

生物技術是充分利用微生物的分解活動、代謝等多種作用，因此，微生物必須具備較強的生物活性。微生物對生存環境的要求較為苛刻，各方面環境條件的控制對微生物的存活率有著直接性的影響，比如一旦無法控制溫濕度、氧氣濃度等，都會導致微生物死亡，無法充分發揮其作用。在采用生物技術清除文物表面所存有的污垢時，或是通過生物技術修復加固文物時，都需要在微生物活動的基礎上實現，該種方式需要在一定的時間內完成。除此以外，在微生物活動代謝過程中，文物表面可能會因部分代謝物的影響出現沉淀等現象?；诖?，相關人員應用生物技術時，需要經過全方位的分析與考慮，更好地防止該類問題的發生。

2 文物的清洗保護

2.1 微生物清洗技術

在文物保護、修復中，微生物能夠積極發揮重要作用與優勢，例如，微生物技術可在文物修復清洗中充當清洗劑使用，也可稱微生物代謝能力為微生物資源管理，在文物保護中，采用生物細胞的方式延長文物的“壽命”，該種新工藝、手段可明確為生物清洗技術。微生物具備的特點與優勢較為廣泛，能夠對不同環境來源的污染物進行有效降解，提升文物清洗、加固以及修復效率等。生物清洗技術與以往傳統清洗方法相比，具有高效、安全、低廉、環保等優勢。根據相關研究，在去除石材表面硫酸鹽污染物方面，與激光、化學清洗手段相比，微生物清洗技術的效果更加顯著。

20世紀90年代初，微生物清洗技術被研究應用，后廣泛應用于文物保護修復中，包括壁畫類、石質文物，可有效清除礦物鹽沉積物、黑色結殼，對有機物殘留進行早期修復。微生物本體具有特定酶活性、高度選擇性，與化學方法相比，其去除復雜污染物的效果更加顯著。相關學者對該項技術進行深入研究后，采用微生物清洗技術和化學方式結合對文物進行協同清洗，比如這種協同清洗方式能夠有效去除壁畫上硝酸鹽、磷灰石、石膏等多方面組成的沉積物，在選擇溶液時以選擇含有細菌代謝產物的溶液為主，且不會形成孢子，原位清洗后且不會出現任何殘留。

2.2 微生物脫鹽清洗技術

石質文物在各個因素影響下，表層多見鹽殼、黑斑現象，且緊密結合文物基體，不易清洗，難以去除。環境污染也對石質文物造成了較大的影響，隨著氣候變暖趨勢的加快，石質文物風化現象更加嚴重，硝酸鹽、磷灰石、硫酸鹽以及碳酸鹽引發石材結殼，其中生成的硫酸鈣沉積物通過混合空氣中的污染煙塵顆粒形成黑色結殼。由于當前除鹽技術效果受限，因此生物的清洗脫鹽技術將會逐漸取代該技術。

一是硫酸鹽類。在清洗石膏類黑垢結殼時，以往所采用的生物脫鹽技術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-在還原反應中成為S，在細菌酶的作用下，S逐漸形成H2S，鈣離子在細菌代謝過程中產生的CO2生成CaCO3，針對石質文物，新生成的碳酸鈣能夠充分發揮保護效果。脫硫弧菌在對石膏的分子結構造成嚴重破壞后，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，即需要在細菌培養基中浸泡樣品才能夠達到破壞石膏結構的效果。后期可對清洗進行評估，優化清洗程序，篩選最佳傳送系統，將主要研究集中到以上內容中①。此項技術通過改進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，相比以往傳統的化學方法，在去除文物表面結殼方面，微生物脫鹽清洗技術的效果更為優良，不僅不會形成不良次級產物，還能夠很好地保留歷史層。

二是硝酸鹽類。硝酸鹽沉積現象和繪畫材料之間有著緊密的聯系，繪畫材料的自然老化、修復及殘留都會造成硝酸沉積，會嚴重破壞壁畫。在早期，硝酸鹽還原菌被廣泛應用于還原石材基質中的硝酸鹽。

經過微生物清洗，對硝酸鹽的清除效果進行評估，在分析微生物清洗對文物表面可能造成的影響后，能夠發現經假單胞菌清洗后，顯著降低約92%的硝酸鹽含量。幾年后，處理區域硝酸鹽濃度可始終處于穩定狀態，并且不會改變微生物群落、顏色。通過采用極端微生物，可對石材表面硝酸鹽結殼進行安全、有效的清除，達到理想的效果。

但是，當前所采用微生物清洗脫鹽技術在應用過程中，也始終存在諸多的問題與不足之處，例如在處理表層微生物時會有水、細菌等殘留，從而導致其他微生物因此增加了生長繁殖風險②。基于此，在使用生物清洗技術處理后，需要做好不同時期的監測與評估工作，在對該技術進行大范圍推廣應用的過程中，需要明確活性微生物的生長、代謝特征。

2.3 生物酶清洗技術

針對生物污漬、有機殘留物、黏合劑等各污染物中復雜的化學物質，生物水解酶可對其起到良好的降解作用，通過降解使有機高分子成為低分子、水、二氧化碳等無機物，利于清除。該項技術早期在文物保護中被廣泛應用，可利用淀粉酶、過胰蛋白酶等有效去除紙質文物上動物膠、淀粉糊等。采用脂肪酶和混合酶可分別去除畫作上老化的丙烯酸涂料和油漆上的蛋白質、動物膠等。傳統化學試劑所具有的毒性問題成為社會各界所關注的重點內容之一，而生物酶主要是通過活的微生物細胞聯合水解酶應用，有效去除文物表面的雜質。在前期處理過程中，可通過色譜技術對生物酶進行選擇③。

目前多種商用酶具備較高的黏合劑去除能力，根據相關報道，水解酶對動物膠也能夠起到去除作用。在文物清洗、修復過程中，可充分利用淀粉酶、脂肪酶、蛋白酶等，特別是對于紙質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酸堿化學清洗試劑，并且各個酶來源于植物、動物細菌、真菌組織，可以很好地保護紙質文物。

在選擇調節酶、異性酶的活性以及操作安全性中，可以清洗底物為基準。通常情況下，酶清洗對溫度等方面具有一定的要求，必須在特定的溫度和pH值的基礎上進行，大部分商業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，對酶活性會造成抑制影響，從而阻礙酶技術的廣泛運用。例如對海洋無脊椎動物的酯酶和新蛋白酶，需要在低于30攝氏度的溫度下應用，對于冷活性酶，不需要對文物表面以及酶溶液進行加熱就能保持很高的活性。經酶溶液清洗后，需要對其進行詳細的檢查，確保對殘留物的清除效率與效果，同時對表層顏色的變化進行評估。去除石灰巖石表層生物膜的過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酶促反應，產生具備氧化特性的過氧化氫，清潔石灰巖的效果十分顯著。在去除老化干性油脂等材料的過程中，脂肪酶作為一種重要的手段，可以去除紙質文物畫面中的丙烯酸樹脂Paraloid B-72，該種方法具有顯著的優勢，完全能夠取代以往的傳統方式。

微生物代謝產物豐富、多樣，代謝產物中有誘導酶、組成酶的特點，在生物清洗中，可使用施氏假單胞菌懸浮液棉條法，該菌株能夠對動物膠成分起到良好的降解作用，主要是因為其能夠產生膠原酶、酪蛋白。真菌作為微生物類型群，具有代謝物多樣化的特點，比如在各個方面廣泛應用真菌漆酶，可通過對變色栓菌的有效培養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。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，并明確其最佳修復的相關條件及標準。與其他常規方式相比，在新型生物技術中，獲得菌細胞和酶進行微生物清洗的成本較低。生物酶技術的優勢和特點主要表現為環境安全性較高，在具體操作過程中相關人員健康風險低，對文物造成的不良影響小，能夠充分代替以往機械方法和化學方法。但是，對酶活性造成影響的因素較為廣泛，因此，需要不斷探索各個文物的特性，提升酶的活性，并將其作為重點方向進行深入細致地探究。

2.4 活性微生物技術

目前清潔技術對壁畫修復的效果還無法達到應有的標準與要求，例如溶解劑、酶、表面活性劑等④。隨著活性微生物技術的不斷優化、創新，微生物細胞整體利用思路已經逐漸成為未來發展的重要趨勢。比如對比薩紀念碑墓地一幅Spinello Aretino壁畫，其壁畫上存在動物膠，采取生物清洗方法來去除，具體是充分利用施氏假單胞菌活細胞，取得了顯著的清洗效果，去除壁畫上的其他有機物時，也可利用該菌株活細胞進行清除，這種方式相比于其他化學方式和機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，在采用該種施氏假單胞菌進行處理時，還同時利用紅外燈充分保證細菌代謝的活性，由于活性微生物的酶活性、功能性較為廣泛，與單純酶技術相比，具有更高的性價比。但是經過長時間的微生物清洗處理后，文物會因此出現不同程度的破壞?；诖耍谖磥聿捎没钚晕⑸镞M行清洗修復文物時，需要關注并重視清洗修復的安全性，在完成該項工作后，需要有針對性地去除清洗修復的活性細菌。避免因使用生物技術發生生物安全隱患等問題，目前傳統的清洗方式仍然作為首選方式之一，對于活性微生物技術的選擇，需通過有序不斷的探究，探索后明確選擇的方向。

3 生物礦化加固修復

有效利用生物學原理，促進文物加固修復的創新方式，比如在石材加固中，可通過生物鈣化細菌，對石質文物鈣基質的劣化現象進行有效的延緩、修復。生物礦化主要是金屬的氧化、形成無機礦物的過程，生物礦化類型有生物控制礦化、生物誘導礦化兩種。

通過分析、研究微生物誘導碳酸鈣沉淀的過程后，發現菌株均能形成方解石沉淀。在液體和固體環境下，黃色粘球均能夠使磷酸鹽、硫酸鹽等沉淀。在微生物誘導下的方解石沉淀能夠充分促進大理石石碑、石灰巖的保存。不同金屬可通過與微生物代謝后所生成的各種有機酸形成沉淀，目前相關研究學者對文物加固中采用微生物礦化技術進行實踐和探究。在礦物分解、元素釋放、遷移、沉淀和富集過程中，微生物都起了非常重要的作用，通過微生物活動使氧化物、草酸鹽等發生礦物沉淀，可以充分提升文物的耐久性。在巖土質文物加固修復研究中，微生物誘導碳酸鈣沉淀（MICP）技術已經成為該項工作的研究焦點與重點關注內容之一，該技術能夠增加石材的整體強度，修復石材裂縫，同時減少石材的滲透性，在聚氨酯中包埋解脲菌八疊球菌能有效修復石材裂紋，微生物誘導碳酸鹽沉淀能夠減少材料吸水情況的發生。

經生物礦化分解加固后，能顯著降低試樣基質孔徑。根據相關研究發現，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。在對微生物誘導碳酸鈣沉淀（MICP）技術調控的過程中，溶解的無機碳濃度、鈣濃度以及pH值等都是礦化是否成功的重要因素。在使用微生物對文物進行加固、修復的過程中，生物群落所具備的多功能性、多樣性等可作為重要基礎依據，比如石質文物的微生物系統處于不同平衡的狀態下，外源微生物、純培養物從中分離后，在競爭劣勢環境下，會對原有的微生物群落平衡造成抑制、改變等影響?；诖?，需要全面性地分析和綜合性評估微生物制劑的長效性，明確文物基礎特點等各方面的影響、微生物接種量、基質中其他微生物的相互作用，同時，確定后期的維護保養程序等。

4 結束語

綜上所述，生物技術在對文物進行清洗、加固等方面不斷革新修復方式與工藝，提高文物的保護和修復效果，但是根據當前對技術理論研究，生物技術在具體的實踐中還存在一定的差距，加上文物領域生物技術人員的嚴重欠缺，對此項技術的應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，才能進一步對該種方式進行改進、推廣。

注釋

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

②孫麗娟，董曉鳳，王巖，等.革命文物的保護修復技術研究：以延安革命紀念館藏一級文物“毛澤東騎過的馬”為例[J].西北大學學報：自然科學版，2022，52（2）：232-238.

③林祥清.現代科學技術在館藏文物修復與保護中的應用探索[J].文物鑒定與鑒賞，2020（2）：71-73.

④田亦堯，李欣冉.生物技術倫理的法律規制邏輯轉換：從生物安全立法展開[J].東北大學學報：社會科學版，2021，23（3）：80-87.