文物保护修复中的生物技术以及应用进展

罗冠群

（南平市建阳区博物馆，福建 南平 354200）

0 引言

随着科学技术的快速发展，文物保护技术手段不断积累、创新，文物保护理念也不断革新，使新型综合性学科的生物技术能够在文物保护修复工作中积极发挥相应的优势与特色。生物技术在修复中具有绿色环保、针对性强的特点，对文物不会造成损害，并且生物技术具有特异反应，应充分发挥生物技术的优势，促进文物持续发展。

1 生物技术在文物保护中的应用优缺点

1.1 优点

在生物界中，微生物通常包括病毒、细菌、真菌、原生动物和某些藻类，占有重要的位置。微生物种类繁多，其生物特性也特殊显著，包括代谢方式多样、代谢能力较高、繁殖迅速、易发生变异等多种特点。在不同的环境中都能够有效应用生物技术解决问题。微生物广泛存在于自然界中，形成了独特的微生物生态系统。微生物技术是一门创新性的新型综合性学科，微生物技术在文物保护修复中被广泛应用，同时也取得了显著的保护修复效果，采用微生物技术对文物进行清洗、修复、加工，可保持生态环境的温和性，使加固修复相容性较高，具有良好的有效性与耐候性。微生物技术在与以往传统方法相比，具有显著的优越性，它不会对环境、文物造成任何影响与污染，同时能够遵循文物保护的具体原则、标准。

1.2 缺点

生物技术是充分利用微生物的分解活动、代谢等多种作用，因此，微生物必须具备较强的生物活性。微生物对生存环境的要求较为苛刻，各方面环境条件的控制对微生物的存活率有着直接性的影响，比如一旦无法控制温湿度、氧气浓度等，都会导致微生物死亡，无法充分发挥其作用。在采用生物技术清除文物表面所存有的污垢时，或是通过生物技术修复加固文物时，都需要在微生物活动的基础上实现，该种方式需要在一定的时间内完成。除此以外，在微生物活动代谢过程中，文物表面可能会因部分代谢物的影响出现沉淀等现象。基于此，相关人员应用生物技术时，需要经过全方位的分析与考虑，更好地防止该类问题的发生。

2 文物的清洗保护

2.1 微生物清洗技术

在文物保护、修复中，微生物能够积极发挥重要作用与优势，例如，微生物技术可在文物修复清洗中充当清洗剂使用，也可称微生物代谢能力为微生物资源管理，在文物保护中，采用生物细胞的方式延长文物的“寿命”，该种新工艺、手段可明确为生物清洗技术。微生物具备的特点与优势较为广泛，能够对不同环境来源的污染物进行有效降解，提升文物清洗、加固以及修复效率等。生物清洗技术与以往传统清洗方法相比，具有高效、安全、低廉、环保等优势。根据相关研究，在去除石材表面硫酸盐污染物方面，与激光、化学清洗手段相比，微生物清洗技术的效果更加显著。

20世纪90年代初，微生物清洗技术被研究应用，后广泛应用于文物保护修复中，包括壁画类、石质文物，可有效清除矿物盐沉积物、黑色结壳，对有机物残留进行早期修复。微生物本体具有特定酶活性、高度选择性，与化学方法相比，其去除复杂污染物的效果更加显著。相关学者对该项技术进行深入研究后，采用微生物清洗技术和化学方式结合对文物进行协同清洗，比如这种协同清洗方式能够有效去除壁画上硝酸盐、磷灰石、石膏等多方面组成的沉积物，在选择溶液时以选择含有细菌代谢产物的溶液为主，且不会形成孢子，原位清洗后且不会出现任何残留。

2.2 微生物脱盐清洗技术

石质文物在各个因素影响下，表层多见盐壳、黑斑现象，且紧密结合文物基体，不易清洗，难以去除。环境污染也对石质文物造成了较大的影响，随着气候变暖趋势的加快，石质文物风化现象更加严重，硝酸盐、磷灰石、硫酸盐以及碳酸盐引发石材结壳，其中生成的硫酸钙沉积物通过混合空气中的污染烟尘颗粒形成黑色结壳。由于当前除盐技术效果受限，因此生物的清洗脱盐技术将会逐渐取代该技术。

一是硫酸盐类。在清洗石膏类黑垢结壳时，以往所采用的生物脱盐技术主要是使用厌氧硫酸盐还原菌。该种方式的原理是在厌氧环境中使用脱硫弧菌分解石膏，使其成为硫酸盐、钙，SO42-在还原反应中成为S，在细菌酶的作用下，S逐渐形成H2S，钙离子在细菌代谢过程中产生的CO2生成CaCO3，针对石质文物，新生成的碳酸钙能够充分发挥保护效果。脱硫弧菌在对石膏的分子结构造成严重破坏后，需要用水、软毛刷将其充分去除。但是上述操作需要前提条件，即需要在细菌培养基中浸泡样品才能够达到破坏石膏结构的效果。后期可对清洗进行评估，优化清洗程序，筛选最佳传送系统，将主要研究集中到以上内容中①。此项技术通过改进脱硫弧菌属特定菌株，确保即便处于脱水情况下也能够使用。耐氧菌株配合酶胶体是一种传递系统，相比以往传统的化学方法，在去除文物表面结壳方面，微生物脱盐清洗技术的效果更为优良，不仅不会形成不良次级产物，还能够很好地保留历史层。

二是硝酸盐类。硝酸盐沉积现象和绘画材料之间有着紧密的联系，绘画材料的自然老化、修复及残留都会造成硝酸沉积，会严重破坏壁画。在早期，硝酸盐还原菌被广泛应用于还原石材基质中的硝酸盐。

经过微生物清洗，对硝酸盐的清除效果进行评估，在分析微生物清洗对文物表面可能造成的影响后，能够发现经假单胞菌清洗后，显著降低约92%的硝酸盐含量。几年后，处理区域硝酸盐浓度可始终处于稳定状态，并且不会改变微生物群落、颜色。通过采用极端微生物，可对石材表面硝酸盐结壳进行安全、有效的清除，达到理想的效果。

但是，当前所采用微生物清洗脱盐技术在应用过程中，也始终存在诸多的问题与不足之处，例如在处理表层微生物时会有水、细菌等残留，从而导致其他微生物因此增加了生长繁殖风险②。基于此，在使用生物清洗技术处理后，需要做好不同时期的监测与评估工作，在对该技术进行大范围推广应用的过程中，需要明确活性微生物的生长、代谢特征。

2.3 生物酶清洗技术

针对生物污渍、有机残留物、黏合剂等各污染物中复杂的化学物质，生物水解酶可对其起到良好的降解作用，通过降解使有机高分子成为低分子、水、二氧化碳等无机物，利于清除。该项技术早期在文物保护中被广泛应用，可利用淀粉酶、过胰蛋白酶等有效去除纸质文物上动物胶、淀粉糊等。采用脂肪酶和混合酶可分别去除画作上老化的丙烯酸涂料和油漆上的蛋白质、动物胶等。传统化学试剂所具有的毒性问题成为社会各界所关注的重点内容之一，而生物酶主要是通过活的微生物细胞联合水解酶应用，有效去除文物表面的杂质。在前期处理过程中，可通过色谱技术对生物酶进行选择③。

目前多种商用酶具备较高的黏合剂去除能力，根据相关报道，水解酶对动物胶也能够起到去除作用。在文物清洗、修复过程中，可充分利用淀粉酶、脂肪酶、蛋白酶等，特别是对于纸质文物上留存的黏合剂、污垢等，该种方式能够更好地取代以往传统酸碱化学清洗试剂，并且各个酶来源于植物、动物细菌、真菌组织，可以很好地保护纸质文物。

在选择调节酶、异性酶的活性以及操作安全性中，可以清洗底物为基准。通常情况下，酶清洗对温度等方面具有一定的要求，必须在特定的温度和pH值的基础上进行，大部分商业酶最佳活性温度大多在37摄氏度以上。由于文物本体存在色素、盐等分子，对酶活性会造成抑制影响，从而阻碍酶技术的广泛运用。例如对海洋无脊椎动物的酯酶和新蛋白酶，需要在低于30摄氏度的温度下应用，对于冷活性酶，不需要对文物表面以及酶溶液进行加热就能保持很高的活性。经酶溶液清洗后，需要对其进行详细的检查，确保对残留物的清除效率与效果，同时对表层颜色的变化进行评估。去除石灰岩石表层生物膜的过程中广泛采用新型生物清洗方式，在室温下，葡萄糖氧化酶可出现酶促反应，产生具备氧化特性的过氧化氢，清洁石灰岩的效果十分显著。在去除老化干性油脂等材料的过程中，脂肪酶作为一种重要的手段，可以去除纸质文物画面中的丙烯酸树脂Paraloid B-72，该种方法具有显著的优势，完全能够取代以往的传统方式。

微生物代谢产物丰富、多样，代谢产物中有诱导酶、组成酶的特点，在生物清洗中，可使用施氏假单胞菌悬浮液棉条法，该菌株能够对动物胶成分起到良好的降解作用，主要是因为其能够产生胶原酶、酪蛋白。真菌作为微生物类型群，具有代谢物多样化的特点，比如在各个方面广泛应用真菌漆酶，可通过对变色栓菌的有效培养从而充分获取真菌漆酶，它能去除大理石雕塑上所存在的红色斑点。除此以外，可以在文物表面直接喷涂施氏假单胞菌液、纯化蛋白酶，并明确其最佳修复的相关条件及标准。与其他常规方式相比，在新型生物技术中，获得菌细胞和酶进行微生物清洗的成本较低。生物酶技术的优势和特点主要表现为环境安全性较高，在具体操作过程中相关人员健康风险低，对文物造成的不良影响小，能够充分代替以往机械方法和化学方法。但是，对酶活性造成影响的因素较为广泛，因此，需要不断探索各个文物的特性，提升酶的活性，并将其作为重点方向进行深入细致地探究。

2.4 活性微生物技术

目前清洁技术对壁画修复的效果还无法达到应有的标准与要求，例如溶解剂、酶、表面活性剂等④。随着活性微生物技术的不断优化、创新，微生物细胞整体利用思路已经逐渐成为未来发展的重要趋势。比如对比萨纪念碑墓地一幅Spinello Aretino壁画，其壁画上存在动物胶，采取生物清洗方法来去除，具体是充分利用施氏假单胞菌活细胞，取得了显著的清洗效果，去除壁画上的其他有机物时，也可利用该菌株活细胞进行清除，这种方式相比于其他化学方式和机械方式具有良好的适用性。

在其他案例中，比如西班牙巴伦西亚的桑托斯胡昂斯教堂墙面壁画，在采用该种施氏假单胞菌进行处理时，还同时利用红外灯充分保证细菌代谢的活性，由于活性微生物的酶活性、功能性较为广泛，与单纯酶技术相比，具有更高的性价比。但是经过长时间的微生物清洗处理后，文物会因此出现不同程度的破坏。基于此，在未来采用活性微生物进行清洗修复文物时，需要关注并重视清洗修复的安全性，在完成该项工作后，需要有针对性地去除清洗修复的活性细菌。避免因使用生物技术发生生物安全隐患等问题，目前传统的清洗方式仍然作为首选方式之一，对于活性微生物技术的选择，需通过有序不断的探究，探索后明确选择的方向。

3 生物矿化加固修复

有效利用生物学原理，促进文物加固修复的创新方式，比如在石材加固中，可通过生物钙化细菌，对石质文物钙基质的劣化现象进行有效的延缓、修复。生物矿化主要是金属的氧化、形成无机矿物的过程，生物矿化类型有生物控制矿化、生物诱导矿化两种。

通过分析、研究微生物诱导碳酸钙沉淀的过程后，发现菌株均能形成方解石沉淀。在液体和固体环境下，黄色粘球均能够使磷酸盐、硫酸盐等沉淀。在微生物诱导下的方解石沉淀能够充分促进大理石石碑、石灰岩的保存。不同金属可通过与微生物代谢后所生成的各种有机酸形成沉淀，目前相关研究学者对文物加固中采用微生物矿化技术进行实践和探究。在矿物分解、元素释放、迁移、沉淀和富集过程中，微生物都起了非常重要的作用，通过微生物活动使氧化物、草酸盐等发生矿物沉淀，可以充分提升文物的耐久性。在岩土质文物加固修复研究中，微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）技术已经成为该项工作的研究焦点与重点关注内容之一，该技术能够增加石材的整体强度，修复石材裂缝，同时减少石材的渗透性，在聚氨酯中包埋解脲菌八叠球菌能有效修复石材裂纹，微生物诱导碳酸盐沉淀能够减少材料吸水情况的发生。

经生物矿化分解加固后，能显著降低试样基质孔径。根据相关研究发现，与微孔石材相比，大孔径的生物矿化的成功率更高。基于此，在适度的温度条件下，一般温度需要分别达到10摄氏度、20摄氏度、28摄氏度、37摄氏度，球形赖氨酸芽孢杆菌能够有效加固石灰石。在对微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）技术调控的过程中，溶解的无机碳浓度、钙浓度以及pH值等都是矿化是否成功的重要因素。在使用微生物对文物进行加固、修复的过程中，生物群落所具备的多功能性、多样性等可作为重要基础依据，比如石质文物的微生物系统处于不同平衡的状态下，外源微生物、纯培养物从中分离后，在竞争劣势环境下，会对原有的微生物群落平衡造成抑制、改变等影响。基于此，需要全面性地分析和综合性评估微生物制剂的长效性，明确文物基础特点等各方面的影响、微生物接种量、基质中其他微生物的相互作用，同时，确定后期的维护保养程序等。

4 结束语

综上所述，生物技术在对文物进行清洗、加固等方面不断革新修复方式与工艺，提高文物的保护和修复效果，但是根据当前对技术理论研究，生物技术在具体的实践中还存在一定的差距，加上文物领域生物技术人员的严重欠缺，对此项技术的应用与推广也造成了限制与阻碍，需要研究人员不断地深入研究，才能进一步对该种方式进行改进、推广。

注释

①蔡雨龙.探讨文物修复影像记录在文物保护中的重要作用——以香港“内里乾坤：故宫文物修复展”为例[J].文物鉴定与鉴赏，2021（23）：135-137.

②孙丽娟，董晓凤，王岩，等.革命文物的保护修复技术研究：以延安革命纪念馆藏一级文物“毛泽东骑过的马”为例[J].西北大学学报：自然科学版，2022，52（2）：232-238.

③林祥清.现代科学技术在馆藏文物修复与保护中的应用探索[J].文物鉴定与鉴赏，2020（2）：71-73.

④田亦尧，李欣冉.生物技术伦理的法律规制逻辑转换：从生物安全立法展开[J].东北大学学报：社会科学版，2021，23（3）：80-87.