文物保護有機材料微生物腐蝕理化分析技術

趙丹丹 潘路

摘 要：常用的評價有機合成材料耐腐蝕性能的理化分析技術，在評價文物保護所用有機合成材料的耐微生物性能上并不是都適用的，需要針對材料的特性進行探索研究。文章綜述了國內外近幾十年文物保護領域用過的評價保護材料的耐微生物性能的分析技術，并總結和討論，期冀為文物保護工作者進行材料篩選時提供技術參考。

關鍵詞：文物保護材料;微生物腐蝕;分析技術

自人工合成高分子材料產生，文物保護工作者就將其應用于文物的加固、黏結和表面封護。一般認為，相對于天然有機材料，有機合成材料具有更好的耐候性、化學穩定性、耐光性、耐水性和耐微生物性能。對有機合成材料在文物保護領域的應用研究，目前主要集中在其理化性能的研究，對于材料可能遭受的生物侵害缺乏關注。20世紀50年代就有關于聚醋酸乙烯酯感染微生物的報道;20世紀60年代，蘇黎世克洛滕機場電力系統的絕緣材料因真菌腐蝕而發生短路。與此同時，用在文物保護領域的有機合成材料感染微生物的報道也開始見著于報。意大利北部盧尼的古羅馬遺址中所使用的環氧樹脂和丙烯酸-有機硅合成樹脂材料上發現了桿狀裂絲藻。斯洛伐克德文地區一尊建于1989年的雕像，暴露在室外環境多年后，從雕塑上分離出15種細菌和23種真菌，該雕塑用環氧樹脂1505制作。干燥的丙烯酸樹脂被認為是最能抵抗微生物腐蝕的材料之一，然2004年在米蘭大教堂的大理石上發現了大量黑色的真菌，這些大理石曾于1972年用丙烯酸樹脂保護過，經研究發現，這些真菌的滋生和保護材料的使用有直接關系。2003年冬，由于庫房漏水，卡曼地區一批早期用苯并三氮唑緩蝕后再用B72和蠟封護過的銅器被發現滋生大量微生物，經分析發現保護材料B72和蠟有明顯的被微生物腐蝕現象。一種常用于室外文物保護的Incralac丙烯酸清漆發現被酵母菌侵染。意大利的里米尼Malatestiano寺廟用丙烯酸樹脂保護，在老化的樹脂裂隙中發現了黑霉菌的生長。

文物保護有機合成材料感染微生物的現象引起了文物保護者的關注，針對這個現象的研究也隨之展開。20世紀50年代就有文物保護工作者運用現代分析技術評價了幾種用在遺址保護上的聚醋酸乙烯酯的耐微生物性能。20世紀80年代，蓋蒂保護研究所聯合布盧姆菲爾德學院進行了包含幾種天然樹脂、聚醋酸乙烯酯、丙烯酸樹脂、聚氨酯、有機硅、無機硅酸材料在內的16種文物保護材料的耐微生物性能測定。國際博物館協會保護委員會現代材料與當代藝術工作組2005—2008年更是成立“微生物腐蝕”研究專題，項目組將現代光譜學技術和傳統技術結合，評價多種文物保護有機合成材料的耐微生物性能。

文保工作者更關注有機保護材料和文物本體的結合，評價保護材料在預防文物遭受微生物腐蝕的有效性。

1 有機合成材料的微生物腐蝕理化分析技術

目前在材料染菌實驗中使用的檢測方法主要有兩大類：一類方法是針對材料表面微生物的檢測，包括用肉眼及光學顯微鏡、掃描電鏡、透射電鏡等觀察微生物的生長狀況;以及通過測量氧的消耗量、微生物代謝產物的量，或生物量的變化來間接檢測材料退化程度，實用技術包括生化需氧量、溶解有機碳、二氧化碳生成量、ATP含量等。另一類方法是針對微生物作用前后的材料物化性質變化，包括結構鑒定、形態及形貌分析、分子量及分布鑒定、流變性、熱分析技術、力學性能和電學性能測定等幾個大的方面。

國際上多個國家和地區根據實際情況均發布了有機合成材料耐微生物性能的測試標準，如國際ISO標準（ISO022196：2007）、美國的ASTM標準（ASTM G21-96）、日本的JIS標準（JIS Z 2801-2000）以及我國的SAC標準（GB/T 31402-2015）等。

可被應用于評價有機合成材料耐微生物性能的理化分析技術，因材料結構和形態不同，每種評估技術的優劣勢也不同，分析材料性能的方法也因材料使用環境不同而不同。

從20世紀70年代起，部分學者開始了較多的針對不同類別材料的耐微生物性能測試和評價技術的探索與研究，如Eubeler等①總結了2009年（發稿時間）之前文獻中已發表的應用于有機合成材料的耐微生物性能研究的理化分析技術。這些分析技術和生物分析技術相互結合，互為補充，為評價材料的耐微生物性能提供可靠參考。

另外，滿足某些物理形態的有機合成材料的拉伸強度（ISO 527-3）、撕裂強度測試是最簡單也是最常用的檢測材料力學性能的方法，且已有相應檢測標準。與光學顯微鏡相結合的生長分級法，依據ASTM測試標準，將待測材料作為唯一碳源，并將微生物對材料的降解分為5個級別，來評價微生物在樹脂材料上的生長速率。電化學阻抗法是目前認為較為有效、靈敏地反映材料初期化學結構細微變化的技術。

2 文物保護有機合成材料的微生物腐蝕理化分析技術

文物保護所用有機合成材料，除了滿足文物保護要求的耐候性好、可逆性較好等原則外，還要具有一定的滲透能力、保護性（如成膜性、疏水性等），與文物有良好的相容性。②針對不同的環境下微生物腐蝕的文物保護材料樣品，測試方法并不是通用的。因此，用于評價文物保護所用有機合成材料的耐微生物性能的分析技術也需要進行針對性的探索研究，尤其是保護材料與文物本體結合的情況下。

在基于相關領域研究方法探索的基礎上，文物保護工作者也進行了大量的針對文物保護有機合成材料耐微生物性能理化評價技術探究。本文將所查閱文獻中所用的理化分析方法列表，詳見表1。

基于ASTM標準的檢測方法常用于實驗室內評價文物保護有機合成材料的耐微生物性能，生長分級法被用于評價文物保護材料的老化速率，視覺觀察（裸眼和光學顯微鏡）的分析方法能直觀體現材料表面微生物生長的形貌，很適用也最為常用。重量法早期被用于實驗室內評估文物保護所用有機合成材料的耐微生物性能研究，但由于保護所用樹脂材料的微生物腐蝕通常僅僅是一種表面腐蝕，一定時間內腐蝕量又較小，這種方法并不是很靈敏適用。評價材料耐微生物性能的物理測試方法中，掃描電鏡（SEM）分析是最為常用、最為適用的方法，這種方法待樹脂充分干燥后進行噴金處理，既可用于觀察材料表面的微生物生長形貌，又可觀察微生物對材料表面的破壞（如腐蝕裂隙等）。本文筆者在研究文物保護材料TBH的耐微生物腐蝕性能時，能用掃描電鏡快捷、清晰地觀察到微生物對保護材料的腐蝕破壞（圖1、圖2）。