館藏文物表面常見微生物種類及生物劣化機理

覃丹 陳美均 唐歡

（館藏文物有害生物控制研究國家文物局重點科研基地、重慶中國三峽博物館，重慶 400015）

0 引言

文物是人類文明發(fā)展歷史進程中政治、經濟、科技、文化藝術等發(fā)展狀況的重要記載，具有極高的價值和歷史文化意義。但隨著歲月流逝，文物本身材料的組成、結構、性能等受到一系列物理、化學、生物劣化，使文物遭受不同程度的損壞①。微生物病害是造成文物生物劣化損害的主要因素之一，有關微生物對各類文物的損害受到了廣泛關注②，對于微生物病害的長效防控也是文物保護領域長久以來面臨的重大難題。

近年來，大量文物微生物防治工作得以有效開展，但多數(shù)文物的有害微生物防治研究工作更集中關注自然環(huán)境中受損的不可移動文物，館藏文物的有害微生物防治工作容易被忽視，當前該領域的研究工作開展的深度和有效性均十分有限，造成了大量被收藏起來的館藏文物出現(xiàn)“二次損毀”。因此，深入解析不同類型館藏文物中有害微生物的種群特征，闡明其對不同文物的損傷機理，對我國館藏文物有害微生物的針對性和高效性防治具有重大的科學意義。據(jù)此，本文系統(tǒng)地綜述了館藏文物中常見的有害微生物種類，分析了有害微生物對不同館藏類型文物的損害機制，以期能夠揭示不同類型館藏文物的有害微生物研究現(xiàn)狀，為我國館藏文物的有害微生物防治提供理論基礎。

1 館藏文物表面常見微生物種類

1.1 真菌

真菌是館藏文物有害微生物中最主要的優(yōu)勢群落，由于其強大的生物降解能力而成為不同微生物類群分析中的研究焦點。真菌分布極為廣泛，種類繁多，約有4萬種，由菌絲與孢子組成，菌絲的作用是吸收營養(yǎng)，孢子的作用是繁殖下一代。真菌生命力頑強，真菌孢子具備耐受惡劣環(huán)境、發(fā)育和繁殖速度快等特點③。通常，真菌生長需要滿足兩個條件：一是充足的營養(yǎng)成分，二是適宜的溫度和濕度。其中，真菌對于生長環(huán)境的濕度最為敏感，當濕度在85%-100%范圍內，真菌代謝繁殖旺盛；濕度為38%-40%范圍內，真菌孢子將處于休眠狀態(tài)但仍可成活。因此生長環(huán)境中的水分決定了真菌的生命力頑強程度，在水分極度缺乏的條件下，大部分真菌的生長都會受到顯著的抑制④。菌絲在生長過程中，可以穿透文物本體材質造成文物的物理損傷，代謝產生酸類物質和色素類物質，造成文物的化學損傷和霉斑污染，嚴重破壞文物的美學價值。

由此可見，真菌是一類大量存在于多種館藏文物中的有害微生物類群。本課題組長期從事館藏文物表面真菌的分離、鑒定與保藏，發(fā)現(xiàn)不同種類的館藏文物表面存在的真菌類群主要隸屬于子囊菌門（Ascomycota）和擔子菌門（Basidiomycota）。其中以青霉屬（Penicillium sp.）、曲霉屬（Aspergillus sp.）、木霉屬（Trichoderma sp.）、鐮刀菌屬（Fusarium sp.）、毛殼菌屬（Chaetomium sp.）和枝孢屬（Acremonium sp.）為主要代表。本文對目前已經報道過的館藏文物表面分離獲得的真菌類群進行了整理和匯總，如表1所示。

表1 常見館藏文物表面真菌種類

1.2 細菌

除了真菌外，細菌也是造成館藏文物損毀的另一大類的微生物。細菌是一類單細胞生物體，在自然界中廣泛分布，生長繁殖速度快，能夠耐受多種極端環(huán)境（包括極端溫度和氧氣含量等）且具有多種代謝方式。細菌主要通過分泌有機質酸對文物產生腐蝕作用，破壞文物表面形貌；另外部分細菌產生的無機酸也能對文物造成影響⑤。館藏的文物中常見的細菌主要屬于變形菌門（Proteobacteria）、放線菌門（Actinomycetes）、厚壁菌門（Firmicutes）和酸桿菌門（Acidobacteria）。

例如，都靈皇家博物館收藏的達芬奇畫上的細菌鑒定分析表明莫拉氏菌屬（Moraxella sp.）、不動桿菌屬（Acinetobacter sp.）、雷爾氏菌屬（Ralstonia sp.）、伯克霍爾德菌屬（Burkholderia sp.）和銅綠假單胞菌屬（Cupriavidus sp.）是主要種屬⑥。楚州博物館藏《牧牛圖》軸的表面細菌分離鑒定結果分析顯示微球菌屬（Micrococcus sp.）、芽孢桿菌屬（Bacillus sp.）、葡萄球菌屬（Staphylococcus sp.）和假單胞菌屬（Pseudomonas sp.）等是主要的細菌類群⑦。本文對目前已經報道過的館藏文物表面分離獲得的細菌類群進行了整理和匯總，如表2所示。

表2 常見館藏文物表面細菌種類

2 微生物對不同館藏類型文物的損傷機制

微生物是影響?zhàn)^藏文物的重要因素，而不同類型的文物由于其本身組成的化學性質及物理狀態(tài)的差異，從而造成了不同類型的微生物損害。因此，解析不同種類的微生物對不同類型的文物的損害機制是對文物針對性修復和預防保護的前提和基礎。

2.1 紙質文物和紡織品文物

我國紙質文物數(shù)量龐大，在各類館藏文物中占比極重。與其他文物相比，紙質文物由于自身機理和環(huán)境影響等因素，兼具珍貴性、脆弱性和敏感性等特點。由于紙張的這些特性，紙質文物的真菌病害尤其嚴重。被真菌污染過的地方，真菌會代謝分泌有機酸，導致紙質文物出現(xiàn)酸老化和嚴重脆化⑧。同時，真菌會分泌色素，導致文物表面出現(xiàn)各種顏色的霉斑，嚴重影響紙質文物的美觀。

紡織品文物包括植物纖維類和動物纖維類，植物纖維的主要成分為氨基酸、木質素，動物纖維主要成分是蛋白質。這些重要成分都是細菌和霉菌的良好的營養(yǎng)來源，因此易受到細菌、霉菌的污染，使紡織品的性能和結構受到嚴重影響⑨。此外，相關研究表明霉菌能夠在3個月內毀壞紙質纖維的10%-60%，由于紙的纖維素被破壞，而引起紙的機械強度降低⑩。其中芽孢桿菌屬（Bacillus sp.）、微球菌屬（Micrococcus sp.）、假單胞菌屬（Pseudomonas sp.）和葡萄球菌屬（Staphylococcus sp.）等細菌，以及根霉屬（Rhizopus sp.）、耙齒菌屬（Irpex sp.）、裂褶菌屬（Schizophyllum sp.）、蠟質菌屬（Ceriporia sp.）和腐霉菌屬（Microdochium sp.）等真菌是造成館藏紙質和紡織品文物損毀的主要微生物類群。

2.2 木質文物

通常木材由管胞細胞組成，該細胞的細胞壁由許多細小的纖維絲組成，而在外層的初生壁中微纖維絲無規(guī)則地排列著，內層組成次生壁，它的主要化學成分為纖維素、木脂素、半纖維素、浸提物等。由于水解作用，木材中的一些可溶性組分如單寧會溶解于水而流失，構成木材基本的成分多糖鏈或多肽，由于微生物的作用，多糖鏈會被逐步分解成水和二氧化碳，并造成木質文物的腐爛。木質文物被腐蝕、降解后，化學成分與顯微結構發(fā)生顯著性的變化，許多較細的纖維組織消失了，木質的強度大大喪失[11]。

以微生物對木質文物中纖維素的分解為例，細菌中的好氣性噬纖維菌（Sporocytophaga sp.）、厭氣性的梭菌（Clostridium sp.）、纖維單胞菌屬（Cellulomonas sp.）、纖維弧菌屬（Cellvibrio sp.），真菌中的木霉屬（Trichoderma sp.）、曲霉屬（Aspergillus sp.）、青霉屬（Penicillium sp.）、蠟傘屬（Hygrophorus sp.）、奇果菌屬（Grifola sp.），放線菌中的鏈霉菌（Streptomyces sp.）等，均能分泌纖維素酶進而分解纖維素，使木材中的全纖維素和木質素遭受到破壞并造成木質文物的損毀。

2.3 皮革蛋白類文物

蛋白類文物是對絲、毛、皮革和犀角等富含蛋白質成分的一類文物的統(tǒng)稱，該類文物極易被微生物污染而引起文物材料的生物劣化。

例如，絲和毛中的蛋白質纖維會在微生物分泌的蛋白酶作用下，發(fā)生水解，產生氨基酸等物質。氨基酸經過微生物的進一步分解，脫氨、脫酸以后，生產飽和或不飽和脂肪酸、酮酸、羧酸、醇、硫醇類物質以及胺、二氧化碳、氨氣、硫化氫、吲哚及甲基吲哚等，從而造成文物表面光澤度和強度顯著降低。霉菌對皮革的侵蝕作用除了上述過程以外，還可以產生脂肪酶作用于皮革中的油脂而發(fā)生水解，生成脂肪酸和甘油，而甘油不穩(wěn)定，極易被其他微生物水解。皮革類文物中的油脂被水解破壞后，其強度、延伸率、耐水性能均顯著下降，并且在空氣中氧的作用下產生酸敗的刺激性氣味[12]。目前，在皮革蛋白類文物表面發(fā)現(xiàn)的霉菌種類主要有煙管菌（Bjerkandera adusta）、紅色籃狀菌（Talaromyces ruber）和鮮紅青霉（Penicillium chermesinum）等。

2.4 金屬、石質和陶瓷類文物

許多研究表明微生物的繁殖活動也是造成金屬、石質和陶瓷器類文物發(fā)生劣化的原因之一。對于館藏的金屬文物而言，金屬文物表面粗糙，多褶皺，易吸附一些灰塵和水蒸氣，為微生物的生長提供了營養(yǎng)物質，微生物的繁殖，一方面產生大量的有機酸類代謝物對金屬造成腐蝕，另一方面一些特殊的硫酸鹽還原細菌和厭氧菌能夠將金屬表面的硫酸鹽類物質進行還原而生長，引起金屬腐蝕[13]。對于館藏的石質和陶瓷類文物，微生物通過生命體的附著、覆蓋、剝離和穿插等機械活動，從而對石質品和陶瓷的物理特性（色彩、密度）產生顯著的影響[14]。

此外，微生物在石質文物表面的代謝還能夠對磷酸鹽、硅酸鹽、碳酸鹽、硫化物和氧化物等礦物產生溶解作用，使一些重要元素（鋁、硅、鐵、錳、鎂、鉀、鈣、銻、鈉）從礦物中溶出并為自身吸收利用。研究表明，微生物對石質文物的生化劣化作用可分為6種不同類型：包括酶解作用、堿解作用、酸解作用、胞外聚合物作用、生物膜作用以及氧化還原作用[15]。其中去磺弧菌（Desulfovibrio desulfuricans）、氧化鐵桿菌（Ferrobacillus ferrooxidant）、氧化鐵硫桿菌（Thiobacillusthio oxidant）、纖毛菌（Leptotrichia trevisan）和硝化小球菌（Micrococcus nitreri）、銅綠假單胞菌、金黃葡萄球菌（Staphylococcus aureus）和青銅小單胞菌（Micromonospora chalcea）等是導致金屬、石質和陶瓷器類文物腐蝕的主要微生物。

3 總結與展望

館藏文物微生物研究的主要目的是為了鑒定和判斷它們的生物劣化能力和損害機理，并通過采取措施減少其對館藏文物造成的破壞。本綜述介紹并舉例論證了館藏文物表面常見微生物種類及生物劣化機理，但這些研究還不足闡明我國不同類型文物表面的微生物群落特征，且微生物對文物的生物劣化機理僅停留在生理生化層面，常見的微生物類群的生物劣化能力沒有得到充分的論證。目前，許多生命科學研究技術，如分子生物學、高通量測序、代謝組學、蛋白質組學等技術已經在該領域得到一定的應用。充分利用這些技術，不僅可以充分解析危害文物的微生物種群特征，還可以借助各種組學分析深入研究微生物對不同材質文物的腐蝕降解機理，從而為下一步的防治技術和文物保護提供堅實的理論基礎。

因此，在今后的研究中如何從微生物對館藏文物危害狀況的實際現(xiàn)狀出發(fā)，采用最新的分析檢測技術、機理解析以及防治手段，阻止或減緩文物因各種微生物病害所導致的病害，有效延長文物的“壽命”，是當前研究館藏文物微生物病害防治和保護的關鍵科學問題，具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

注釋

①②何靜，凌雪，薄穎悅.文物保護中微生物技術的應用述略[J].西部考古，2014（00）：221-229.

③④邢來君，李明春，喻其林.普通真菌學（第3版）[M].北京：高等教育出版社，2022.

⑤Abdulla H，May E，Bahgat M，Dewedar A.Characterisation of actinomycetes isolated from ancient stone and their potential for deterioration[J].Polish Journal of Microbiology，2008（3）：213-220.

⑥Pinar G，Sclocchi MC，Pinzari F，et al.The Microbiome of Leonardo da Vinci′s Drawings: A Bio-Archive of Their History[J].Frontiers in Microbiology，2020（11）：593401.

⑦張諾，徐森.館藏清代《牧牛圖》軸的微生物病害研究[J].文物保護與考古科學，2020（1）：77-83.

⑧⑨⑩鄭曉霞，張諾，胡南.紙質文物上的“寄居者”[J].南京工業(yè)大學學報（自然科學版），2018（1）：101-105.

[11]劉亮.出土飽水木質文物的微生物腐蝕及防腐措施[J].中國文物科學研究，2014（4）：83-85.

[12]武望婷.博物館微生物檢測與防治[M].北京：北京燕山出版社，2016：11-12.

[13]張孝絨，郝新本.微生物對金屬文物的腐蝕作用[J].文博，1998（2）：91-92，53.

[14][15]張國勇，張欣，王歡.淺析石質文物微生物病害的清洗[J].邢臺學院學報，2013（1）：20-24.