優(yōu)化生物酶殺菌技術(shù)應(yīng)用于文物建筑保護的方法研究

摘 要：文章主要探討優(yōu)化生物酶殺菌技術(shù)，旨在提高穩(wěn)定性和增強殺菌效果的同時減少對文物建筑本體的損傷。在模擬環(huán)境下通過實驗，對其穩(wěn)定性和安全性進行全面評估，以保證其在文物建筑保護中的實際應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：文物建筑保護；生物酶殺菌技術(shù)；穩(wěn)定性；安全性評估

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2025.09.011

歷史文物建筑是中華文化的重要組成部分，對其保護修復(fù)工作也具有重大意義。文物建筑本體上滋生的微生物等不僅會對文物建筑本體造成一定程度損害，還會使文物建筑表面色彩、裝飾受到遮蓋污染。生物酶殺菌技術(shù)是利用生物酶催化作用破壞微生物細胞結(jié)構(gòu)，從而達到滅菌目的的一種新型殺菌方法。常用于文物建筑保護的生物酶主要包括溶菌酶、木聚糖內(nèi)切酶、半纖維素酶等。研究表明，在最適pH值5.5、溫度45 ℃條件下，20 μg/mL溶菌酶對大腸桿菌的殺菌率可達99.8%。同時，20 μg/mL木聚糖內(nèi)切酶在37 ℃、pH值5.0條件下對金黃色葡萄球菌的殺菌率為98.6%。此外，將10 μg/mL半纖維素酶與0.5%H2O2聯(lián)合使用，銅綠假單胞菌的殺菌率提高到99.9%以上。生物酶殺菌技術(shù)具有顯見的優(yōu)勢，也存在一定局限性。首先，生物酶對環(huán)境條件如pH值、溫度等因素較為敏感，容易失去活性。而且生物酶價格較高，大規(guī)模應(yīng)用成本相對偏高。為了進一步提高生物酶殺菌技術(shù)的穩(wěn)定性和普遍性，本文提出三點優(yōu)化策略：一是通過定向進化等方法篩選高效、穩(wěn)定的工程酶，提高殺菌效率；二是將生物酶與其他物理、化學(xué)殺菌技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用，發(fā)揮協(xié)同效應(yīng)；三是優(yōu)化生物酶制劑配方，提高其穩(wěn)定性與滲透性。

1 文物建筑保護現(xiàn)狀

統(tǒng)計分析近年來文物建筑保護領(lǐng)域的重要研究進展，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)保護技術(shù)如噴灑殺菌劑、熏蒸等雖然在一定程度上能夠抑制生物危害，但也存在著一些局限性和不足。石川等人探討了不同濃度的季銨鹽類陽離子表面活性劑對磚石材料表面微生物的殺滅效果，結(jié)果表明濃度20%的CTAB（十六烷基三甲基溴化銨）溶液能有效抑制藻類等微生物生長，且對磚石基材無明顯腐蝕。研究也發(fā)現(xiàn)，噴灑法施用CTAB溶液易被雨水沖刷，持久性差，每隔3個月就需重復(fù)處理，成本較高。熏蒸法利用氧化乙烯等化學(xué)熏蒸劑殺滅真菌、昆蟲，曾被廣泛應(yīng)用于館藏文物的定期消毒。也有相關(guān)數(shù)據(jù)證明，被熏蒸的有機質(zhì)文物材料會因化學(xué)反應(yīng)而發(fā)生不可逆的性能退化，如絲織品強度下降20%。同時，熏蒸過程需要密閉的空間，不適用于室外建筑或大型文物。

文物建筑在多種損壞因素的長期作用下，面臨諸多亟待解決的難題：①文物建筑表面長期暴露于大氣環(huán)境中，容易受到風(fēng)化、酸雨腐蝕、微生物侵蝕等外界環(huán)境因素的影響。大氣中的SO2、NOx等酸性氣體溶于雨水后會形成酸雨，對磚石材料產(chǎn)生腐蝕；而風(fēng)沙、塵埃等顆粒物的磨蝕也會加速文物表面的風(fēng)化速率。②文物建筑周邊的地下水位變化也可能引起地基下沉、不均勻沉降等問題，進而導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)開裂、變形。③一些文物建筑所在地區(qū)地震活躍，易發(fā)生不同程度的地震災(zāi)害，可能對建筑物造成難以修復(fù)的損傷。此外，生物因素對文物建筑的危害也不容忽視，常見的微生物包括細菌、真菌、藻類等，它們能分泌有機酸、二氧化碳等代謝產(chǎn)物，加速材料的風(fēng)化；菌絲體還可穿透孔隙，造成材料的機械損傷。蟻、蜂等昆蟲則會在木構(gòu)件中蛀孔，加速其腐朽。總的來說，文物建筑面臨的挑戰(zhàn)主要包括：①環(huán)境因素造成的材料風(fēng)化、結(jié)構(gòu)損傷；②生物因素引起的材料腐蝕、蟲蛀；③保護修繕措施不當引起適得其反的加速損壞。這些因素往往交織在一起，需要系統(tǒng)性地分析評估，制定科學(xué)合理的保護方案。

2 生物酶殺菌技術(shù)

2.1 生物酶殺菌技術(shù)概述

在文物建筑保護保養(yǎng)工作中，生物酶殺菌技術(shù)顯現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢和重要性。為了確保生物酶殺菌技術(shù)應(yīng)用的效果和適應(yīng)性，實驗采用全面細致的設(shè)計和嚴格的過程控制，構(gòu)建了一整套針對性的生物酶篩選和殺菌效果評估體系。將這些生物酶投入模擬的文物建筑環(huán)境中，設(shè)置多組平行實驗以評估其殺菌效果和對環(huán)境的適應(yīng)性。采用ANOVA單因素方差分析（α=0.05），確保實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計學(xué)意義。生物酶處理組與對照組比較，分別就殺菌效果及其保護效能進行了長達6個月的動態(tài)追蹤觀測，采樣頻率為每月一次，樣本總數(shù)超過200個，確保結(jié)果的可靠性。在評估殺菌技術(shù)便捷性方面，設(shè)計了一套創(chuàng)新的生物酶配制和施工方法。通過對殺菌環(huán)境的模擬和殺菌過程的優(yōu)化實驗，得出了最佳的生物酶濃度范圍和施工參數(shù)。實驗數(shù)據(jù)顯示，溫度15～25 ℃、濕度控制在50%～60%的環(huán)境中，生物酶溶液的pH值6.0～7.0。經(jīng)過優(yōu)化組配的生物酶在殺滅赤霉菌、黑曲霉等常見侵蝕文物建筑的微生物方面具有顯著的效果，其綜合殺菌效率為95%以上，且長期穩(wěn)定性測試表明該技術(shù)對文物建筑表面無明顯的腐蝕和損傷，為文物建筑保護提供了一種新的、有效的技術(shù)途徑。

2.2 生物酶的作用機制

生物酶的作用機制主要是通過催化反應(yīng)來抑制或殺滅文物建筑表面的有害微生物。根據(jù)酶的專一性特征，不同類型的酶對應(yīng)不同的底物分子，通過降解細胞壁、細胞膜或者破壞DNA、RNA等生物大分子來達到殺菌的目的。溶菌酶是一種能水解細菌細胞壁中肽聚糖交聯(lián)部分的水解酶，能有效殺滅革蘭氏陽性菌。溶菌酶LysK對金黃色葡萄球菌的最小抑菌濃度（MIC）為9.47 ug/mL，對耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）的MIC為4.73 ug/mL。殼聚糖酶能降解真菌細胞壁的主要成分殼聚糖，從而抑制霉菌生長。除了直接的殺菌作用外，一些生物酶還能通過影響微生物生長代謝來抑制其繁殖。乳酸脫氫酶（LDH）是微生物糖酵解過程的關(guān)鍵酶，抑制LDH活性可顯著降低細菌的ATP合成和生長速率。將LDH抑制劑草酸與lizs Lysostaphin協(xié)同使用，可使金黃色葡萄球菌的存活率從85%下降到10%以下。此外，生物酶的殺菌效果主要取決于酶的催化活性、底物特異性以及與微生物細胞的結(jié)合能力。通過蛋白質(zhì)工程、定向進化等手段可對生物酶的催化機制進行優(yōu)化，從而提升其在文物建筑微生物防治中的應(yīng)用效能。同時深入研究生物酶與微生物細胞間的相互作用機制，有助于明確不同酶制劑的作用原理，為開發(fā)新型高效酶殺菌劑提供數(shù)據(jù)支撐。

2.3 殺菌效果與影響因素

生物酶殺菌效果受多種因素影響，如酶濃度、溫度、pH值和金屬離子等。實驗數(shù)據(jù)表明，降解細菌細胞壁的溶菌酶在0.1～0.5 mg/mL濃度范圍內(nèi)對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的殺菌效果最佳，且在35～45 ℃、pH值6.5～8.0條件下酶活性較高。β-1，3-葡聚糖酶可水解真菌細胞壁β-1，3-葡聚糖，在1.5～2.0 U/mL濃度下對青霉菌（Penicillium）的抑菌率為85%以上。金屬離子對生物酶的催化活性也有顯著影響。研究發(fā)現(xiàn)，Ca2+可明顯提高溶菌酶對革蘭氏陽性菌的水解能力，而Mg2+、Mn2+等二價陽離子則有利于提高殼聚糖酶降解真菌細胞壁的能力。此外，溶菌酶與EDTA（乙二胺四乙酸）和SDS（十二烷基硫酸鈉）復(fù)配使用時，對綠膿桿菌的最低殺菌濃度（MBC）可由500 μg/mL降至62.5 μg/mL。結(jié)果表明，優(yōu)化酶制劑組分和使用條件可進一步提升生物酶的殺菌效率。生物酶易受環(huán)境因素影響，如溫度過高或pH值顯著偏離最適范圍都會導(dǎo)致酶活性下降甚至失活。且酶分子相對尺寸較大，滲透性有限，對內(nèi)生真菌和細菌的殺滅能力不如化學(xué)殺菌劑。

2.4 技術(shù)應(yīng)用的局限性

生物酶殺菌技術(shù)在文物建筑保護中的應(yīng)用雖然取得了一定進展，但仍存在一些局限性：一是生物酶對不同類型微生物的殺菌效率存在差異。蛋白酶K對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌等革蘭氏陰性菌的殺菌效果較好，最小抑菌濃度（MIC）為0.5～4 μg/mL，而對白念珠菌等真菌的殺菌活性相對較弱，MIC高達500 μg/mL以上。脂肪酶與α-淀粉酶也表現(xiàn)出類似的選擇性殺菌特點。這意味著單一酶制劑難以全面有效地抑制文物表面的多樣化微生物群落。二是酶的催化活性容易受到環(huán)境條件的影響，溫度、pH值、金屬離子等因素均會顯著改變酶的空間構(gòu)象與活性中心，進而影響其催化性能。

3 優(yōu)化方法研究

3.1 生物酶制劑配比優(yōu)化

建立生物酶制劑配比優(yōu)化模型，通過生物酶制劑配比優(yōu)化公式：，其中，Y代表殺菌效果，X1，X2…Xn代表不同酶制劑的濃度，α1，α2…αn為相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，我們能夠確定出最佳的酶制劑配比。在實驗過程中，先需確立各類酶制劑的活性范圍和穩(wěn)定性參數(shù)，測定其在不同pH值和溫度下的活性變化來選定最有潛力的酶制劑組合。接著利用正交設(shè)計法選取不同的酶制劑配比進行組合，如堿性蛋白酶與木瓜蛋白酶、胰蛋白酶與中性蛋白酶等，進行批量的制劑性能實驗，在保證生物安全性的前提下，找出最高效的殺菌組合。

在實際應(yīng)用過程中，考慮到建筑文物保護的特點，對制劑在不同建筑材料表面的適用性也進行了詳細的考察。實驗結(jié)果顯示，不同材質(zhì)對酶活性具有不同程度的影響。此外，考慮到實際作業(yè)環(huán)境，應(yīng)選擇適宜的作業(yè)溫度和作業(yè)時間，以保證酶制劑能夠在有效期限內(nèi)發(fā)揮最高效的殺菌能力。隨著實驗的深入，通過不同配比生物酶制劑的殺菌效果對比表，我們能直觀地發(fā)現(xiàn)各組合之間的差異。表中記錄了不同酶制劑配比前后的菌落計數(shù)變化、殺菌率以及實驗過程中的pH值、處理溫度和處理時間等數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)不僅體現(xiàn)了不同配比對殺菌效果的影響，也反映了酶制劑的穩(wěn)定性和操作的可控性。通過實驗分析，最終確定了幾種高效的酶制劑配比方案（表1）。不同特定配比的組合顯示出優(yōu)異的殺菌效果，例如堿性蛋白酶和木瓜蛋白酶的合適配比能顯著提高相對于單一酶制劑的殺菌能力（圖1）。

3.2 酶活性優(yōu)化后效果評估

除了制劑配比的優(yōu)化以外，也要分析酶活性提升前后的對比、不同條件下（如溫度、pH值）的殺菌率，以及材質(zhì)損傷的評估。在酶活性的優(yōu)化過程中發(fā)現(xiàn)，不同文物材質(zhì)對酶處理的敏感性不一，因此對可能造成的損傷需仔細評估，聯(lián)合優(yōu)化后純度更高的酶制劑降低了對文物可能造成的副作用。為進一步分析殺菌率與酶活性之間的相關(guān)性，運用多因素方差分（ANOVA）進行多重比較，證實酶活性提升對殺菌率的影響，同時結(jié)合線性回歸分析，了解了溫度與pH值對酶活性和殺菌效果的顯著交互作用。據(jù)實驗結(jié)果統(tǒng)計分析表和圖譜結(jié)合起來（表2、圖2），可以觀察到：磚石在堿性蛋白酶的作用下，優(yōu)化后活性增加了25%，達到22500 μ/mg，該條件下的殺菌率高達96%，對材質(zhì)的損傷率維持在低水平，總體上98%的磚石未見損傷，此外，對紙質(zhì)施行中性蛋白酶處理，也觀察到了酶活性從45000 μ/mg提升到55000 μ/mg的顯著增長，材質(zhì)的未損傷率達到了96%，具備顯著保護效果。

4 生物酶技術(shù)的可持續(xù)性

環(huán)境影響評估：使用的堿性蛋白酶、木瓜蛋白酶等均是在天然植物和微生物中提取，無毒無害，可自然降解。與傳統(tǒng)化學(xué)殺菌劑相比，生物酶基本不產(chǎn)生污染物排放，也不會在文物表面殘留有害物質(zhì)，是一種環(huán)境友好型的文物保護材料。此外，實驗優(yōu)化了酶制劑的配比，減少了輔料的使用量，進一步降低了對環(huán)境的影響。木瓜蛋白酶與堿性蛋白酶復(fù)配后，殺菌效果提升15%，而總用量僅為單一酶種的60%，體現(xiàn)環(huán)保和高效的優(yōu)勢。

能源消耗：生物酶殺菌過程的直接能耗極低。以日常噴霧殺菌為例，每1000 m2僅消耗電2.3 kW·h，約為化學(xué)熏蒸法的1/15。酶制劑常溫下即可發(fā)揮殺菌作用，無需加熱，且噴霧設(shè)備的耗電功率較小。從整個殺菌循環(huán)來看，每消耗1 t標準煤，可處理25000 m2的文物建筑表面，能源利用效率遠高于傳統(tǒng)方式。

循環(huán)利用：生物酶殺菌后的殘液尚有一定活性，經(jīng)過膜分離、糖原補充等工藝處理后可重復(fù)利用。以木瓜蛋白酶為例，回收利用2次后仍保持82%的初始活性，3次后為76%，顯著高于化學(xué)殺菌劑的一次性使用。在工程應(yīng)用中，平均1 m3酶液可循環(huán)利用2.5次，減少酶液用量38%。這不僅節(jié)約了酶制劑原料，也減輕了廢液的環(huán)境負荷。下一步，還可探索將失活的酶蛋白水解為氨基酸，用于生產(chǎn)有機肥料，實現(xiàn)生物資源的全過程循環(huán)利用。

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