仿爱夜蛾排泄物对敦煌莫高窟壁画损害过程的模拟研究

马赞峰 韦卫 武发思 汪万福

内容摘要：为确定敦煌莫高窟壁画病害昆虫仿爱夜蛾成虫排泄物的成分，研究其对壁画造成危害的机理，我们利用气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）对仿爱夜蛾成虫排泄物进行了分析。分析结果显示，仿爱夜蛾成虫排泄物的成分主要为醇类、酮类及有机酸类，仿爱夜蛾雄虫排泄物的成分比雌虫更为复杂。这些排泄物在壁画表面堆积并形成颜色较暗的扩散圈。主要结论为：仿爱夜蛾成虫排泄物在壁画表面附着及入渗扩散，污染壁画画面;成虫排泄物中有机成分也是造成壁画颜料及其胶结材料腐蚀退化的重要因素;成虫排泄物的累积与干燥收缩可诱发并加重壁画起甲病害。

关键词：仿爱夜蛾;排泄物;壁画;腐蚀机理

中图分类号：K854.3  文献标识码：A  文章编号：1000-4106（2021）04-0125-08

Abstract：This study aims to determine the composition of the matter excreted by Apopestes spectrum moths in the Dunhuang Mogao Grottoes， and to study the chemical mechanism by which this matter does damage to the murals in the caves. Researchers used GC-MS methodology to analyze the excreta of adult Apopestes spectrum， and then applied the resulting chemical compounds to simulated murals to observe the effect the matter had on the various pigments used to paint the murals. The results show that the chemicals contained in this type of moths excreta are primarily alcohols， ketones， and organic acids. Further， it can be observed that the matter excreted by male Apopestes spectrum are more complex in composition than that produced by females of the species， and that when such matter accumulates on the surfaces of murals， dark diffusion circles will be formed. The authors have come to the following conclusions through this research： the excreta of adult Apopestes spectrum easily adheres to the surfaces of cave murals and can quickly permeate and contaminate paintings; the organic elements in the excreted matter are the primary vehicles that cause erosion and degeneration in the mural pigments and cementing in the excreta itself; and that the accumulation and dry shrinkage in the excreta can induce and aggravate flaking on the murals.

Keywords：Apopestes spectrum; excreta; mural; erosion mechanism

仿爱夜蛾（Apopestes spectrum）属鳞翅目夜蛾科，国内分布于陕西、甘肃、宁夏、新疆、四川，国外分布于阿富汗、伊朗[1]，其寄主植物为苦豆子。

据1996—2000年对危害敦煌莫高窟的仿爱夜蛾调查结果表明：在莫高窟現存有壁画、彩塑的492个洞窟中，有仿爱夜蛾成虫分布或受其排泄物危害的洞窟为75个，占总洞窟的15.2%[2]。由于仿爱夜蛾成虫有从8月到次年5月在洞窟中越冬的习性，仿爱夜蛾成虫与其他病害昆虫在壁画表面停留时，其排泄物不仅污染壁画画面（图1），影响艺术效果，而且排泄物中的水分、有机物等与壁画颜料、地仗成分产生化学作用，造成壁画颜料层龟裂、起甲甚至脱落等现象（图2），加重了壁画病害的发生，给壁画保护修复工作造成很大困难。虽然对仿爱夜蛾的生活习性与防治已有了较为详尽的研究[3]，同时，也深入探讨了仿爱夜蛾成虫对模拟壁画的选择趋性以及成虫爬行活动时其爪部接触冲击和拍翅行为造成壁画损坏的机制[4-6]，但该虫排泄物中所含有机成分及其对壁画颜料层可能的腐蚀作用尚不明确。为探明仿爱夜蛾成虫排泄物对壁画的危害机理，项目组对该虫排泄物的化学成分进行了初步分析，并以排泄物中不同成分进行壁画颜料损害的模拟试验研究。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 供试昆虫

仿爱夜蛾蛹由敦煌研究院在敦煌市采集提供， 蛹在中国科学院动物研究所农业虫鼠害综合治理国家重点试验室内的25℃人工气候箱（光周期为L12∶12D，相对湿度为85%）中培育，羽化为成虫后以10%的蜂蜜水饲养。

1.1.2 莫高窟模拟壁画试块的制作

敦煌壁画的地仗层一般由粗泥层、细泥层和白粉层构成，壁画制作时，颜料以矿物颜料为主，以牛皮胶调和颜料进行壁画制作[7]。

模拟壁画地仗试块按沙子∶澄板土= 1∶4 （W/W）的比例适当加入麻丝，用蒸馏水和泥，充分搅拌均匀后制成模拟地仗试块。待试块干燥后，用生石灰水在表面涂刷两遍，晾干。然后，将矿物颜料铅丹、朱砂、铁黄、雌黄、石青和矾白拌和适量1 %（W/W）骨胶溶液，在制好的地仗试块上每种颜料涂刷3块，分别涂刷两遍，6种颜料共制成18块模拟壁画试块。仿爱夜蛾成虫排泄物化学成分人工模拟损害试验所用模拟壁画试块由敦煌研究院提供，铅丹地仗厚度为12mm，平面规格为98mm×98mm。

1.1.3 标准品化合物信息

仿爱夜蛾成虫排泄物化学成分人工模拟损害试验用标准品化合物各样品名称及其纯度、来源见统计表（表1）。

1.2 方法

1.2.1 仿爱夜蛾排泄物化学物质的提取与分析

采取溶剂浸提法提取仿爱夜蛾排泄物中化合物，所用溶剂为10%乙醇的正己烷溶剂。将羽化三天仿爱夜蛾成虫的腹部末端置于直径1cm的玻璃试管内，挤压仿爱夜蛾成虫的腹部，待排泄物流出后，用1mL的10%乙醇的正己烷浸提30分钟，浸提液脱水过滤后用氮气浓缩至120μL，用瓶塞密封后置入冰箱中低温（-4℃）保存备用。

用Agilent 6890N-5937N GC-MS 进行仿爱夜蛾排泄物粗提液成分的分析，色谱柱为DB-WAX毛细管柱（60m×0.25mm×0.25μm，J & W Scientific Inc.，Folsom，CA），进样量2μL，无分流进样。升温程序为起始温度50℃，保持1min，以5℃/min的速率程序升温至250℃。电离方式EI，电离能量为70eV，离子源发生器温度为250℃，质量扫描范围为30—450amu。活性成分的鉴定根据联机的Nist08数据库检索并结合质谱图中分子离子峰和碎片离子峰来定性，再通过人工标准化合物的保留时间和质谱图进行比对。

1.2.2 仿爱夜蛾排泄物所含化学成分的人工模拟配制

各标准品化合物溶液用5%的二甲基亚砜蒸馏水作溶剂配制而成，根据试验要求将各人工样品配制成浓度为100μg/mL的母液，根据仿爱夜蛾雄、雌成虫排泄物的化学成分组成和相应比例设置了2个对照和5个处理。对照分别为5%的二甲基亚砜蒸馏水和蒸馏水。

处理1：仿爱夜蛾雄成虫排泄物的化学成分组成和比例的模拟混合物。

处理2：仿爱夜蛾雌成虫排泄物的化学成分组成和比例的模拟混合物。

处理3：仿爱夜蛾成虫排泄物的醇类化合物模拟混合物。

处理4：仿爱夜蛾成虫排泄物的酮类化合物模拟混合物。

处理5：仿爱夜蛾成虫排泄物的酸类化合物模拟混合物。

各处理的成分和比例见统计表（表2）。

1.2.3 模拟壁画的损害试验

选择颜料层为朱砂、铅丹、石青、矾白、雌黄和铁黄的6种模拟壁画试块进行仿爱夜蛾排泄物模拟处理液的损害过程模拟试验。每种颜料壁画试块进行5个处理、2个对照，设三组重复，每组重复每次用微量注射器在颜料层上滴注3μL处理液。每组重复每日滴注1次，共滴注10次，化合物总滴注量为10毫克。

处理后的壁画模拟试块置于模仿敦煌莫高窟洞窟温湿度变化条件的人工气候箱中，温度变化范围为4℃—28℃，湿度变化范围为30%—90%，放置时间为一年，试验最后观察记录化学成分模拟处理液在模拟壁画试块颜料层上的浸润、扩散和沉积并拍照记录。

2 结 果

2.1 仿爱夜蛾排泄物中化学物质的质谱分析

仿爱夜蛾雄、雌成虫排泄物的质谱分析总离子流程如下（图3）。

仿爱夜蛾雄、雌成虫排泄物粗提液中的化学成分经鉴定，在排泄物中共鉴定出12种有机化学成分（表3），其中醇类6种、酮类3种、酸类3种。雄成虫较雌成虫排泄物中所含的化学成分更多。雄成虫排泄物中所含的化学成分以醇类所占含量最多（含多种醇，相对含量约为62.0%），酸类次之（主要为醋酸及油酸，相对含量约为34.6%），酮类最少（为己二酮，相对含量仅约3.6%）;雌成虫排泄物中所含的化学成分以醇类所占含量最多（较单一，为己醇，相对含量约为54.7%），酮类次之（较单一，为己酮，相对含量约为31.0%），酸类最少（单一，为油酸，相对含量约为14.3%）。

2.2 仿爱夜蛾排泄物成分对模拟壁画试块的损害试验

在朱砂、铅丹、石青、矾白、雌黄和铁黄等6种矿物颜料模拟壁画试块上进行仿爱夜蛾排泄物化学物质的人工模拟损害试验时，朱砂、鉛丹和石青的颜料层对各种处理液的吸收缓慢，液体在颜料层表面聚成球状，而矾白、雌黄和铁黄为颜料层的试块对各种处理液的吸收良好。

仿爱夜蛾排泄物中化学物质的人工模拟处理液在壁画试块上都形成了明显可见的扩散和沉积（图4中A—F试块的编号1—5），而醇类人工模拟处理液在模拟壁画试块表面上形成了明显可见的白斑（图4 A—F试块的编号3），而对照处理5%的二甲基亚砜蒸馏水和蒸馏水除雌黄和石青试块外，其他试块上无明显可见的扩散和沉积（图4 A—F试块的编号6—7）。

为详细研究仿爱夜蛾排泄物中不同成分对壁画的影响，现将其对不同颜料模拟壁画试块颜料表面的影响说明列表（表4）。

3 讨 论

3.1 仿爱夜蛾排泄物对壁画颜料的影响

颜料是壁画的物质载体，颜料所形成的图案是研究古代壁画的主要对象，也是壁画的精华所在。从某种意义上讲，保护壁画就是对其颜料进行保护。莫高窟壁画所使用的颜料多为矿物颜料，矿物颜料一般性质稳定，不容易发生化学反应。

从此次试验所选的几种矿物颜料来看，仿爱夜蛾排泄物对各种颜料均有不同程度的影响，主要表现为污染壁画画面，在壁画表面形成明显的扩散圈及沉积物。模拟仿爱夜蛾成虫排泄物全组分在铁黄、朱砂、雌黄颜料表面留下比较大的扩散圈，表明其在这几种颜料表面渗透性比较好。全组分在铅丹、石青颜料表面留下比较小的扩散圈，表明其在这几种颜料表面渗透性较差。

从仿爱夜蛾成虫排泄物的成分来看，主要有醇类、酮类及酸类，雌虫排泄物成分较少（仅5种），在颜料表面留下的痕迹也较少，这一结果表明排泄物成分越复杂，对颜料表面影响越大。排泄物的各组分对颜料表面影响程度不同。醇类组分容易在颜料表面形成白色堆积物;酮类组分因扩散性好而对颜料表面影响不明显;酸类组分则在颜料表面形成颜色较暗的扩散圈或导致颜料色泽变暗;二甲基亚砜蒸馏水和蒸馏水则对壁画表面影响均不太明显。

仿爱夜蛾排泄物组分中的十六醇常温下为白色固体，随其他组分渗透或挥发后在壁画表面凝结形成白色堆积物。醇类中的丙三醇易吸收潮气，也会吸收空气中的硫化氢和二氧化硫，从而形成无机酸性溶液，而这些酸性溶液则有可能和多种矿物颜料发生化学反应，彻底改变颜料的成分和色相。在模拟试验中，试验室的空气质量比较好，应该排除污染气体的影响，因此对壁画颜料成分及颜色改变较小。但实际空气中的污染气体与排泄物成分相结合对壁画造成的影响不应忽视。

仿爱夜蛾排泄物酸类组分中的油酸为无色油状液体，置于空气中颜色易变深，随其他组分渗透或挥发后会在壁画表面形成较暗的沉积圈，对颜色影响最大。仿爱夜蛾排泄物酮类组分作为良好的溶剂，主要起溶解作用，可促进渗透现象的发生。此外，2，5-己二酮在空气中会逐渐变为黄色，使壁画颜色发生改变。

3.2 仿爱夜蛾排泄物对颜料层中胶的影响

洞窟中仿爱夜蛾排泄物对壁画表面的影响经常表现为排泄物粘连颜料层产生起甲现象。通过偏光显微镜对这些排泄物剖面进行观察，发现排泄物及颜料表层有一层透明胶状物层，以前分析认为由于昆虫粪便的作用，在壁画表面形成一层致密的胶状物，排泄物在干燥失水的过程中，致使壁画局部的张力增大，导致下层颜料层开裂，接着受胶状物收缩力的影响，排泄物连同底下的颜料层带起，呈现起甲现象，最后导致壁画颜料层脱落 [2]74-81[8]。现在来看，这些分析结果大致不谬。但由此而产生另一个问题，这些胶结物从哪儿来？

对敦煌莫高窟、新疆克孜尔、西藏等地壁画胶结物的分析表明，这些地方壁画颜料在使用时所用的胶结物均为动物胶[9-11]。动物胶在一定温度下可溶于水。仿爱夜蛾成虫排泄物中含有一定量的水分，其组分主要有酮类、醇类、酸类等。这些组分中没有胶结物，不会导致粪便表面胶结层的形成。但在这些组分中含有水及多种有机溶剂，而动物胶则可以溶解于这些混合液体中。

因仿爱夜蛾成虫排泄物中不含有胶结物质，由此可见，成虫排泄物导致壁画起甲的主要原因可能为排泄物中含有的水分、乙醇等混合液可以溶解壁画颜料中的动物胶，动物胶在冷水中吸水膨胀，体积会扩大。由于溶解作用，颜料层中的动物胶会重新排列、重新凝固，在这一过程中伴随着水分蒸发，胶结物向边缘的扩散集聚以及其体积的膨胀，不仅在排泄物表层形成透明胶结物层，还会导致壁画颜料层起甲。当然，仿爱夜蛾成虫排泄物引起壁画起甲，还必须满足一个条件，那就是壁画颜料层中要含有足够多的胶，如果壁画在制作时用胶较少，则引起起甲的可能性会降低。本次试验中，没有观察到模拟壁画试块起甲，主要可能与胶浓度较小[1 %（W/W）骨胶溶液，两遍]有关。当然，导致壁画起甲的原因是多方面的，起甲过程伴随着壁画温度场和应力场的产生及其分布规律变化，起甲与壁画受热膨胀关系密切[12]。因此，仿爱夜蛾成虫排泄物引起壁画起甲的原因还须进一步研究。

3.3 仿爱夜蛾排泄物对微生物的影响

仿爱夜蛾在壁画表面的排泄物，很有可能成为壁画病害微生物的营养源。仿爱夜蛾排泄物中的酸性溶液可以促进颜料中动物胶的溶解。动物胶是微生物的良好营养介质，排泄物中的甘油、油酸等也是微生物的营养介质，在温湿度条件合适时，必然会促进微生物的生长。敦煌莫高窟洞窟内外的空气中含有丰富的真菌和细菌粒子[13-15]，它们在富营养昆虫排泄物表面的沉降，给壁画的菌害发生增加了新的可能。今后可开展仿爱夜蛾排泄物霉变与洞窟中空气微生物关联性的相关风险分析评估研究，以利于莫高窟壁画的长久保存。

4 结 论

仿爱夜蛾排泄物的成分主要有醇类、酮类及有机酸三大类，仿爱夜蛾雄虫排泄物比雌虫排泄物成分更为复杂。仿爱夜蛾成虫排泄物在壁画表面附着及入渗扩散，污染壁画画面;成虫排泄物中有机成分也是造成壁画颜料及其胶结材料腐蚀退化的重要因素;成虫排泄物的累积与干燥收缩可诱发并加重壁画起甲病害。

致谢：国家自然科学基金项目（31560160，31500430，31070344）、国家科技支撑计划课题（2013BAC07B02）、甘肅省科技计划项目（1604WKCA003）、甘肃省文物局课题（GWJ2014003）共同资助。

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