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不论是现在抑或未来,凝聚在珍贵纸质文物之中的人类文明,仿若流淌于历史、现实与未来之间的大江大河,浩浩汤汤。


 

一纸上“狐斑”

春秋轮回几度,世事沧桑无数。岁月流逝的痕迹不仅会悄悄爬上我们的脸,还会在纸质文物上留下印记。有年头的书籍、邮票、旧纸币和字画等表面会出现斑点和印迹,看起来像一只狐狸用泥泞的爪子踩踏的脚印。这种与时间和真菌生长有关的纸张变质过程被形象地称为“狐斑(foxing)”。

有严重狐斑的教科书扉页,1832年,来源:wikipedia

在这幅最常见的达·芬奇唯一公认的自画像中,我们可以和洞察一切事物的深邃双眼对视,蓬松飘逸的长发连结着胡须,遮挡了大半深思而肃穆的脸,寥寥数笔一个具有无限生命力的伟大巨匠便跃然纸上。

《Leonardo's Self Portrait - Portrait of a Man in Red ChalkDie Akustik》,1512年,来源:wikipedia


这幅创作于1512年的色粉画,收藏于意大利都灵皇家图书馆中。2012年,经专家判定已经破损至无法修复的地步。消息一出,令无数艺术爱好者叹息扼腕。这巨大的遗憾皆缘于这幅宝贵的画作在1929年展览前的装裱过程中,不慎被暴漏在阳光下。这次意外导致画作表面开始出现许多明显的“狐斑”。

电子显微镜下的狐斑样态,来源:Amid the possible causes of a very famous foxing: Molecular and microscopic insight into Leonardo da Vinci's self-portrait

 

为了挽救遗憾,科学家们开始出场。2015年,意大利与奥地利科学家们结合扫描电子显微镜 (SEM) 成像和分子技术,从图纸上提取了DNA,然后放大了真菌内部转录间隔区,克隆出提取的片段,并将结果与微生物群落库进行比对,发现真菌群落是由子囊菌门的真菌主导的。

《发现(Discover Magazine)》杂志中报道了他们观察的结果:“扫描电子显微镜发现了一个真菌形式的动物园,包裹着丝线的光滑球体和聚集在一个神秘颗粒上的尖状细胞,以及带有十字形疤痕的扁平圆盘。”

扫描电子显微镜下的狐斑真菌,来源:Amid the possible causes of a very famous foxing: Molecular and microscopic insight into Leonardo da Vinci's self-portrait

 

肉眼看上去,这种真菌是恼人的棕褐色。当空气中的铁微粒接触画作时,会破坏原材质组织结构,使得真菌组织可以有空隙渗入纸张深层,并停止新陈代谢以生存,并生成草酸,进一步破坏纸张。

尽管在确定适当的修复计划方面还有一段路要走,但明确狐斑的形成机制的和真菌种类,对未来如何科学地保存和修复画作打下了良好的基础。

 

二弱小无助又可怜的纸质文物

纸质文物,无论是历代传世的佳作还是刚刚出土的珍贵文物,随着时间的流淌,其有机组成成分——纤维素、半纤维素和木质素皆可作为微生物生存必需的碳源。

微生物获得这些养分后,生长代谢和繁殖,会改变纸张的结构组成。

有些菌属通过新陈代谢产生的纤维素酶、蛋白酶等,可直接对纸质文物的组成成分进行降解。

有些菌属通过新陈代谢产生有机酸,黏附在纸质文物上,可以在较短时间内,大大降低纸张的强度。

真菌在生长过程中还会分泌不同颜色的色素,在纸上呈现出黑色、褐色、黄色、灰色、紫色和绿色等多种颜色的霉斑。它们还会随着时间的推移而增加,导致纸质文物的进一步老化降解,造成无法挽救的损失。

受霉斑侵蚀老化的纸质文物,来源:Bleaching in Paper Production versus Conservation

 

据统计,我国有纸质文物保护单位3500家,保藏了400多万件纸质文物。由于纸质文物本身理化性质较弱,人们的保护意识淡薄、技术手段落后等原因,每年纸质文物损毁平均为1.33%。

能够保存到今天的古籍中,宋、元之前的刻本极为罕见;宋、元的纸质文物也并不多见;稍近一些的明朝时期纸质文物也是少之又少,多是孤本或是残本;清朝时期的相对的多一些,能够占到全部的 80%,但是其保护状况也不容乐观。

传统物理祛除狐斑的方法有低温冷冻法、缺氧法、微波辐射法、r射线辐照法。但它们的技术性都比较强、耗资大,在具体实施中有一定的难度。化学方法有甲醛熏蒸法和化学试剂涂抹法,但易产生化学物质残留、易污染等不足之处。

在确保纸质文物无损的前提下,科学家们通过对霉斑成份分析、纸表色斑分离纯化、鉴定微生物菌属等一系列行为,找出引起微生物侵染的关键因素,为后续预防“狐斑”出现的保护工作提供依据。

例如通过测定不同类型菌株rDNA的基因序列,来鉴定菌种的分子生物学技术已于1996年帮助德国分子生物学家Sabine Rölleke等人,从公元13世纪Herberstein城堡的壁画样品中,检测出许多未被传统技术发现过的壁画微生物种群。这一发现大大提升了欧洲文物保护能力。 


Herberstein城堡的凯瑟琳礼拜堂壁画,来源:researchgate

 

三细菌生物酶“保时洁”

考虑到霉斑的形成是由霉菌滋生,并在纸张上形成代谢产物这一生物过程,那么是否也可以模拟生物反应过程进行物质循环从而达到去除霉斑的效果呢?

生物反应每一步都受到精细的调节,而肩负调节的使者就是一种具有特殊活性的物质———生物酶。

酶是具有催化功能的生物大分子,它存在于所有活的动植物体内,是维持生物体正常功能、进行物质代谢、能量交换以及组织修复等生命活动的一种必需物质 。酶具有很多特点:

1、高效性:酶的催化效率比无机催化剂高,是普通催化剂的107—1013倍;

2、高度专一性:一种酶只能催化一种或一类基质,比如蛋白酶只能催化蛋白质水解成氨基酸或者多肽,而淀粉酶只能催化水解淀粉;

3、多样性:酶的种类很多,大约有5000多种;

4、温和性:酶所催化的化学反应一般是在较温和的pH和温度条件下进行,超出这个范围,其活力降低甚至完全消失。根据酶的这些特点,若能选择适当的酶制剂,将其应用于字画、书法作品等纸质文物的霉斑清洗环节中,一来其独特的专一性可保证在去霉斑过程中不会破坏纸张、颜料的结构;二来在适宜条件下,其反应的高效性也可以避免长时间接触溶液而对纸质文物产生不良影响。

此外,酶是天然产物,毒性低,生物降解性好,可以避免其残留在纤维中对纸质文物造成二次污染。它的生物友好性不仅保证了工作者健康安全,也避免了环境污染。

 

四去除百年“狐斑”

我国科研人员综合以上修复方法,从清代书法作品上复苏优势霉菌菌株并进行培养,鉴定其种属,同时用此优势菌模拟古代纸质文物上形成的霉斑,然后根据菌斑成份特异性构建高效专一的生物酶复配清洗剂以来去除除霉斑。

左图:微生物采集,右图:微生物接种,来源:馆藏纸质文物上微生物的分离、鉴定及酶学性质研究

 

工作人员初步选出四种针对性较强的生物酶作为霉斑清洗剂主要成份,与表面活性剂形成复配体系。然后将霉斑纸样夹在两块玻片之间进行固定,分别置于装有不同生物酶复配清洗剂的容器中,用生物酶复配清洗剂将霉斑污染纸质文物替代样浸润30min。再用虹吸清洗装置清除残留清洗剂,待其自然干燥,存放于室温、相对湿度为35%的环境下至少16h后再进行物理化学性能检测。

工作人员们用此方法观测不同的生物酶复配清洗剂在不同生物酶浓度、浸润时间、清洗温度下对纸张 pH值、抗张强度、白度以及光泽度的影响。为纸质文物霉斑清洗提供科学依据。

虹吸清洗装置图,来源:生物学方法去除纸质文物霉斑的研究

经过反复对比实验,工作人员们发现木瓜蛋白酶与非离子表面活性剂AEO₉形成的复配清洗剂,对纸样上的霉斑进行去除后效果较明显。
下图为三种清洗效果较好的生物酶复配清洗剂清洗前后对比∶ABC分别为霉斑纸样清洗前的图片;abc分别为用P+AEC、P+APG、A+AEO₉生物酶复配清洗剂清洗后的图片。

来源:生物学方法去除纸质文物霉斑的研究

 

岁月的痕迹,历史的沉淀,闪烁千年万载。细菌让文物不仅存在记忆里,还长远绽放在岁月里,见证人类文明的变迁,经久不衰、历久弥新。

 

参考资料

1. 生物学方法去除纸质文物霉斑的研究2. Amid the possible causes of a very famous foxing: Molecular and microscopic insight into Leonardo da Vinci's self-portrait Article in EnvironmentalMicrobiology Reports·June 20153. Bleaching in Paper Production versus Conservation Article in Restaurator December 20094. 维基百科

 

本文经授权转载自微信公众号“as科学艺术研究中心”。

 

 

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