浅析石质文物微生物病害的清洗

石质文物微生物病害，根据国家文物局发布的《石质文物病害分类与图示》，系指“微生物菌群在石质文物表面及其裂隙中繁衍生长，导致石质文物表面变色及表层风化的现象”[1]。与之相对应，在意大利业界发布的“Normal”中，这种现象被描述成“生物锈斑”[2]。

从根本上说，大多数文物病害都是以某一因素为主的多因素综合作用的结果，但为方便研究和保护工作，习惯上将病害原因分为物理风化、化学风化及生物风化 (病害) 。从《石质文物病害分类与图示》来看，生物病害又可划分为动物、植物、微生物病害[1]，它们均可参与石质文物的腐蚀风化过程，其中以微生物的活动最为频繁和影响最大，也最具研究价值。据初步估计，有20%~30%的石材表层腐蚀是生物作用的结果，其中就以微生物为主[3]。总体上看，微生物病害具有分布广，种类多，数量大，代谢旺，繁殖快和适应能力强等特点，大量石质文物尤其是室外文物因此都存在微生物病害而被不同程度腐蚀的现象 (图1) 。虽然这种破坏作用缓慢，但累积效应相当惊人，需要引起足够重视。

图1 被微生物侵蚀的明十三陵石构件

一般情况下，影响石质文物，导致其加速劣化的微生物主要有四类：细菌、真菌、地衣及光合类微生物。

1. 细菌

腐蚀石质文物的细菌以异养细菌为主[3]，石质文物上的有机污染物、有机防护材料等都能成为它的碳源。

2. 真菌

是另一类最活跃的腐蚀石质文物的微生物，分布甚为广泛，在石质文物上观察到的真菌常常为单菌丝或菌丝网形式的类似于酵母菌或者黑色菌的真菌，导致石质文物表面的颜色变黑，含钙石材表面石膏壳的变暗等现象，许多石材表面出现的色斑也与真菌的生长繁殖有关，如石材表面出现的桔红色色斑就是一些真菌染色的结果。另外，用于石质文物的粘结、加固和防护材料，如石材表面防护剂、防水剂、粘接剂、粘接砂浆等，其有机物为真菌的繁殖提供了碳源，很容易被真菌利用并使石材受到侵蚀。

3. 地衣

地衣分泌的地衣酸，是地衣呈现各种颜色的物质基础，很多石材上的地衣呈灰褐色，并且，空气中的相对湿度加大，地衣颜色转深，反之亦然。

4. 光合类微生物，亦称光合细菌

石质文物表面的光合类微生物主要是藻类和蓝细菌。在许多表面湿润并有光照的石材表面均可发现藻类和蓝细菌，其分布种类呈现一定的区域特点，如以色列石质文物上大多数是呈黑色的蓝细菌，德国北部大多是绿色的藻类，在中国，不同地区情况差别很大。来自现场和实验室的研究表明，经过一定周期光合类微生物的作用，石质文物腐蚀层会自发剥离[3]。

目前，精确的微生物种属鉴别是一个难点，须根据细胞特征、群体形态等进行实验室鉴定，如条件允许，也可做碳源利用的BIOLOG-GN分析和16Sr RNA序列分析，可综合确定微生物的属和种。对于石质文物保护来说，显微观察是目前最可行的鉴别方法，可通过现场及分离培养等方式进行。

1. 物理作用

微生物通过生命体的附着、覆盖及穿插、剥离等机械活动，使石质品的物理特性如色彩和密度发生改变。以第五批全国重点文物保护单位宁波东钱湖石刻群表面的微生物病害为例，这些微生物以片状、点状或斑状覆盖在石刻上，颜色上有白色、黑色、灰色和绿色等，从而影响石刻表面的正常颜色[4]，而微生物的菌丝穿插和钻孔作用引起石质文物的机械破坏，使石刻出现疏松、裂纹、脱落、粉化，碑文字迹以及雕刻线条的模糊淡化等风化现象，进而发生岩石微环境的水分冻融交替、盐份结晶导致的内部压力等，加速了石质文物的劣化。

2. 化学作用

微生物通过自身分泌及死后遗体析出的酸及CO₂等物质，和组成岩石的矿物之间发生化学反应并对其进行溶解，对石质文物造成腐蚀。微生物的活动可以导致硅酸盐、磷酸盐、碳酸盐、氧化物和硫化物等矿物被破坏，并使一些重要元素如Si、Al、Fe、Mg、Mn、Ca、K、Na、Ti等从矿物中溶出，为自身吸收利用，即通常所说的“螯合”作用。

微生物对石质文物的化学作用可分为几种不同类型，即酸的作用、胞外聚合物的作用、生物膜的作用、酶解、碱解以及氧化还原作用。

在石质文物保护修复技术中，清洗技术是重要一环，是保护修复工作的第一道工序，其目的是为了清除污物对石材的侵蚀和损害，打开石材被污物封闭的气孔，恢复石材微孔和水蒸气通道，并除去通过毛细管渗入石材内部的病变材料。在这个过程中，对石材有害的污染物需要被清除。根据布兰迪的修复理论，修复是一个包括美学和历史在内的评判过程，修复的评判必须尊重历史、尊重艺术品的艺术性。从这个角度来说，清洗时要规避一些有价值的东西的，如名贵的铜绿、作为初始加工的灰浆等[5]。微生物病害的存在对石质文物的安全构成严重威胁，是必须清除的。

石质文物微生物病害的清洗方法可分为物理清洗、化学清洗和机械清洗法三种，依次递进，各有其适用范围。无论是哪一种清洗方法，在清洗效果和清洗剂的选择上，大致有以下几个因素需要考虑：

1.避免产生残留在石质内部的副产物如可溶盐等，以免为以后的处理带来不利影响。

2.全部清洗过程的可控性，在一定情况下可终止清洗。

3.清洗完成后出现干净平滑的表面，而不是造成开裂和孔洞。

4.对环境和人体健康影响的最小化。

清洗过程不伴随化学反应的发生，通常使用去离子水作清洗剂，主要针对的是附着性相对较弱的微生物，以及附着层较厚的地衣类等微生物，一般适用于表面致密的石质文物。

物理清洗法可分软毛刷干刷或湿刷两种办法。前者是使用软毛刷在表面轻刷，经过刷洗，一部分微生物从石质文物表面脱落，但是在洼陷的部位会留下残余。后者是采用蘸去离子水的软刷在表面刷洗，完成后再用水进行冲洗。在去离子水的作用下，一部分微生物会比较容易脱离石质文物表面。从宁波东钱湖石刻的试验可知，采用湿刷方法，可有效去除表面疏松的微生物[4]。湿刷作业中，根据石材表面劣化程度，也可将软毛刷替换为棉签。

在湿刷中，也可事先将微生物病害部位充分润湿，方法是，以海泡石、硅粉、日本纸 (和纸) 、宣纸、脱脂棉等为媒介，浸去离子水贴敷于微生物病害部位，经过一定时间揭取，然后再用软毛刷清洗，并用去离子水冲洗。其原理就是通过水分润湿，降低微生物和石材表面的结合程度，并通过水分蒸发，吸附石材表面的微生物。对日本纸、宣纸的使用，是出于其具有的厚薄均匀、柔韧性好和亲水性的优点。国家文物局主办的2010年馆藏石质文物保护修复培训班学员在对圆明园西洋楼石构件 (XQQ-020) 进行保护修复时，对表面的微生物病害，采用的是脱脂棉浸湿去离子水贴敷的方法，揭取后可以发现少量呈绿色的微生物被带下，用棉签蘸去离子水擦拭后，一部分微生物病害被清除。

也可以考虑用雾化水清洗。对石质文物喷洒经过雾化处理的去离子水，使其以直径120μm的极小颗粒均匀浸润石材表面，极大增加水与石质文物的接触面，从而进入石材微孔，辅以软毛刷刷洗，达到良好的清洗效果。但是雾化水清洗应该在严格控制下使用，每15~20 min检查一次，单次整个处理时间不能超过10 h，最大限度避免石材的吸液现象。如果石材孔隙率超过10%，或者石材是低粘着性的，或者石材含有可溶盐或黏土，都会造成破坏现象[6]。

对微生物病害的清洗，湿刷法应用更多一些，和干刷法相比，更容易把握清洗过程，尤其对于表面相对疏松的石材。但湿刷法也有不足之处，对于室外的和不可移动石质文物来说，需要考虑气候条件，如冬季气温低，水分不易挥发，易发生冻融作用，同时水在石材中的残留，会为生物的生长创造条件。

主要使用反应性试剂进行清洗。相对于非反应性清洗剂，这类试剂针对性更强，但副作用也更大，因此，需要相当高水平的既懂得所使用的清洗剂又精通岩相性质的操作人员。

正由于其副作用，所以清洗过程须特别小心，需要多方参照，以求对试剂的清洗效果有全面认识。除了本体上的试验块之外，有条件者，最好能制备以下石材样品：

空白样品：即无污迹不清洗的同种石样，以作为清洗效果、清洗影响因素和残留比较的参比物。

空白清洗样品：即无污迹但同样清洗的同种石样，以比较清洗行为本身对石材外观和表面形态的影响。

反应性试剂可分为化学清洗剂和杀菌剂两种类型。前者仅要求将微生物从石质文物表面清除掉，后者则强调将微生物杀灭。在实践中，后者往往较受关注。

1. 化学清洗剂

由于强酸强碱被严格限制，通常情况下，可使用以下几种化学清洗剂：

(1) 稀释的双氧水溶液。

(2) 2-5%的氨水。

以上两种清洗剂可以氧化活细胞。弱碱性的氨水同时中和微生物分泌的酸性物质，生成可溶性铵盐，可以用水冲洗掉。

(3) 含有EDTA二钠盐的膏状物 (如AC322、AB57) 也可清除石质上的生物。

(4) 次氯酸钠溶液。即通常所说的漂白剂，通过氧化作用发生效果。

(5) 柠檬酸。为弱酸性有机清洗剂，2010年石质文物保护修复培训班的实践证明，至少对大理石质文物表面微生物病害的清除有相当作用。具体操作上，调配5%柠檬酸溶液，再添加一定量的弱阳性离子交换树脂，使成糊状，直接贴敷于微生物病害部位，2 h后，大部分微生物病害即可清洗掉。

(6) 100g/L的EDTA+160 g/L碳酸铵溶液+20 g/L碳酸氢钠溶液，这种组合也可以有效清洗大理石质文物表面微生物病害，这也是源于2010年石质文物保护修复培训班的实践经验。在对圆明园西洋楼石构件所做清洗试验块的结果表明，这种清洗剂组合对微生物病害有一定的去除作用 (见图2、图3) 。

图2 XQQ-020

用组合清洗剂清洗前

图3 XQQ-020

用组合清洗剂清洗后

上面两张照片对比显示，用上述清洗剂组合贴敷4 h后，原来不易清洗的大理石断面凹槽和孔洞中的微生物污垢有一部分被清洗掉。

2. 杀菌剂

杀菌剂是作为防治和杀灭各类病原微生物的药剂的总称，其作用机理，可大致分为两类：

(1) 干扰病菌的呼吸过程，抑制能量的产生。

(2) 干扰菌体生命物质如蛋白质、核酸、甾醇等的生物合成。

用于工、农业生产的杀菌剂种类繁多，如无机杀菌剂、有机硫杀菌剂等，但大多不能用于文物保护与修复。目前，石质文物保护与修复中常用的杀菌剂是季铵盐类杀菌剂，即循环水系统中所用的杀菌剂。这很大程度上借鉴了意大利的石质文物保护经验，该国自上个世纪70年代起开始在石质文物和有机物上普遍使用这种杀菌剂[2]。

季铵盐即四级铵盐，为铵根离子中的4个氢原子都被烃基取代而生成的化合物，与无机盐性质很相似，易溶于水，毒性较低。

这类杀菌剂可分两个配方，即Preventol R80和New Desogen，它们都是广谱化学化合物，对于许多类型的微生物 (霉菌、酵母、Gram+和Gram-、藻类、地衣等) 都有灭活作用，其机理是盐分子的阳性电荷，可以附着于细胞膜上，改变正常的渗透交换控制。

这两种配方在成分和活性成分的百分比上都不一样，数据如下：

Preventol R80：烷基二甲基苄基氯化铵 (重量比78%-82%) +丙醇二酸 (重量比9%~11%) 。

New Desogen：烷基二甲基苄基氯化铵 (重量比10%) [2]。

两种杀菌剂在石质文物表面微生物病害处理上的时间以不超过24小时为宜，具体方法使用如下：

Preventol R80：以2.5%的比例稀释于去离子水或乙醇，制备R80溶液，用脱脂棉浸湿，贴敷于石质文物表面微生物病害部位。或者直接用软毛刷涂刷在石质文物表面，但这时的溶剂最好用去离子水，以免溶剂快速蒸发。龙门石窟521、522号双窟保护中，对微生物病害的处理使用了涂刷的方法。2010年石质文物保护修复培训班实践中对XQQ-020表面的微生物病害，采用的是脱脂棉浸R80溶液贴敷的方法，经过24 h，揭取，用去离子水刷洗，大部分单纯用去离子水难以刷洗的微生物病害被清除，效果很明显 (见图4、图5) 。

图4 XQQ-020

微生物病害清洗前

图5 XQQ-020

微生物病害清洗后

New Desogen：以3%的比例在去离子水中稀释，亦采用上述办法，或喷涂、或贴敷于石质文物微生物病害处。罗马修复中心Mora夫妇研制的“AB57”，其配方即含Desogen，在实践中有时也直接用“AB57”来清洗微生物病害。

使用杀菌剂应该注意以下事项：

(1) 杀生剂容易被水冲走，所以操作应在干燥条件下进行。

(2) 为了使材料更有效，需要先清除石质表面的污垢和较厚的微生物，因为较厚的生物层和结壳会阻挡杀菌剂的扩散。

3. 需要注意的问题

无论化学清洗剂还是杀菌剂，可以采取多做试验块的方法，比较优劣，确定种类和浓度高低。对于清洗方法，在确定喷涂还是贴敷之前，亦是如此。

对于清洗剂在石质文物表面的残留要马上清洗，否则溶解的沉积物会重新沉积，形成白色的霜状的外观，而且沉积的硅质很难再去除。

在清洗技术中，清洗剂的配方是比较重要的一个方面，虽然可以依据理论进行，但在实际工作中根据经验选择配方是比较常见的。而一种标准配方实际上很难解决情况各异的微生物病害，因为文物的成分、保存环境以及病害各不相同，对文物的清洗需要根据实际情况选择配方，并随时调整比例。

特别应该注意的是砂岩质文物，砂岩材质特殊，矿物颜色决定的岩石颜色和多孔性，使之无法达到大理石质的清洗效果。不论物理清洗法还是化学清洗法，贴敷应该慎用，最好避免，因为即使是较短时间的贴敷，也极易在微孔中多污垢的砂岩表面形成晕渍，极难处理。在清洗材料的使用过程中，最好伴随使用酒精，缩短清洗剂在砂岩表面的停留时间。

机械清除法所适用的对象是物理、化学清洗法无法施效而又不得不去除的微生物残余病害。相对来说，机械操作对石质本体的伤害性更大，尤其对于操作经验不足的保护修复人员来说。因为那些看上去用清洗剂不能洗去的微生物污垢，大多藏在石材微孔中，用机械工具把它们去除，必然会对石质文物表面造成一定损伤。

比较常用的机械清除工具有振动刻石机、超声波清洗仪等，这些工具，按说明书小心操作即可。

激光清洗是近年来发展起来的具有广阔应用前景的清洗方法，对于大理石和石灰石等浅色石质文物可以获得很好的清洗效果。激光清洗由于光束能量在浅色材料表面上的反射，它会增强对污垢的清除效率。激光清洗存在的问题是一些文物的色泽会因强烈光照而改变，设备费用较昂贵等问题，因此激光清洗方法目前还只限于雕像和个别要求较高的石质文物。随着小型激光装置的发展和成本的降低，激光清洗方法应有一定的发展空间[7]。

效果评估就是质量验收标准，是质量评判体系，判定微生物病害清洗效果一般采用直观的肉眼观察来体现，最明显的指标是对石质品外观的观察，最终要求清洗区域色泽均一、线条明晰、无残留污垢。

随着科技发展，为确保文物清洗质量，国际上已有定量分析用于清洗效果评估，对石质文物清洗效果评价检测项目、检测方法和要求规定了一系列量化标准 (见表1[7]) 。

表1 国际上常用石质文物清洗效果评价检测项目、检测方法和主要要求

我国目前尚无更精确的行标来指导和规范石质文物清洗效果评估，随着文物保护事业的进一步发展，应该借鉴国际上定量分析评估的手段规范石质文物清洗效果。

清洗并不是一劳永逸的。清洗只是去除表面部分的微生物，但并不能完全清除深入石材微孔的微生物根系、孢子等，同时，为了防止石质文物表面再次滋生微生物，需要在清洗后加强对石质文物微生物病害的预防性保护。

加强定期保护是最便捷有效和可行的防控措施，包括定期除尘、清洗等，同时，还可施加防止石质品表面生长微生物的材料，如Sanomix和Sanofix等材料，在一定程度上断绝微生物生长的环境基础。

改善石质文物保存环境是另外一项重要措施。有时，对于石刻来讲，出于向公众开放的需要，不宜喷涂杀菌剂，更应该从改善环境入手，防控微生物病害。对于室内和馆藏文物，可以参照《博物馆藏品保存环境试行规范》，设定石质文物的保存环境，其主要环境指标有：温度20°左右，相对湿度50%左右，温度日较差2~5°范围以内，相对湿度日波动值小于5%，照度标准应≤300 lx。另外，空气污染物如二氧化硫、一氧化碳等浓度也应控制在一定范围之内。

对于室外石质文物来说，应该根据微生物病害特点，查找主要问题来源，然后设法改善，阻止微生物生长。在所有的微生物赖以展开生命活动的要素中，水分是微生物最基本的生存和营养要素，水是微生物细胞的重要组成成分，如细菌含水量平均为80%，酵母菌含水量为75%，霉菌的菌体中含水量达到85~90%。微生物机体内的一系列生理生化反应都离不开水，营养物质的吸收与代谢产物的分泌都是通过水来完成的。这就是说，通过改善石质文物表面的吸水性，断绝微生物的水源，可以收到很好的效果。这方面可以参考乾陵石刻的做法：首先对石刻表面进行清洗，机械清除石刻表面生长的地衣，然后用WD-10乙醇溶液处理石刻表面使形成憎水封护层，这样就可以有效地阻止地衣进一步生长，达到保护石刻的目的，也避免了环境污染[8]。2010年馆藏石质文物保护修复培训班的学员使用浓度为5%的低聚硅烷对文物进行封护处理，实验证明憎水效果良好，也可有效避免微生物的侵蚀。

无论是哪一种措施，对于石质文物来讲，微生物病害的问题不在于绝对杀灭，而是通过何种手段将其保持和控制在一个较低的水平。