石质文物保护中的微生物问题.ppt

1、石质文物保护中的微生物问题 南开大学微生物系 潘皎 2013 - 5 - 13,1. 微生物学基础 2. 微生物对石质文物造成的影响 3. 石质文物微生物检测技术 4. 石质文物的微生物病害防治,主要内容,生 物,有生命的个体。最重要和基本的特征在于进行新陈代谢及遗传。 自然界是由生物和非生物的物质和能量组成的。有生命特征的有机体叫做生物，无生命的包括物质和能量叫做非生物。,生命的呈现,A,B,C,A：细胞 B：DNA的复制、转录与翻译 C：蛋白质,微生物 -,定义 一切肉眼看不见或看不清楚的微小生物的总称。（体长0.1mm） 不具分类意义 种类（1）原核：细菌、放线菌、支原体、立克次氏体、衣

2、原体、蓝细菌（蓝藻）、螺旋体等。（2）真核：真菌（酵母菌、霉菌、大型真菌）、原生动物、显微藻类等。（3）非细胞类：病毒、类病毒、阮病毒等。,石质文物生物病害的主要制造者,哪里没有微生物？,万米海底热泉（缺氧、光、超1000大气压、100以上）,封冻10万年的冰川内部3km深处,沙漠（干旱、营养匮乏、温度变化幅度大、紫外辐射）,红海盐滩（高盐度）,金矿毒液(极酸，pH=0),受5000Gy辐射后的现场（人的辐射致死量为10Gy）,微生物的适应性令人生畏,Pyrodictium abyssi,Herminiimonas glaciei,Deinococcus peraridilitoris,Hal

3、oquadratum walsbyi,Halobacterium NRC-1,Ferroplasma acidophilum,细 菌,细胞细而短、结构简单、细胞壁坚韧，以二等分裂方式繁殖和水生性较强的原核微生物。 大小：直径 50nm - 50m 形态：球状、杆状、螺旋状。,细菌 - 球菌,双球菌,四联球菌,八叠球菌,葡萄球菌,链球菌,除单球菌外还有：,梭状杆菌,棒杆菌,分枝杆菌,形状多样，最为常见,细菌 - 杆菌,弧菌,螺菌,螺旋体,细菌 螺旋菌,放线菌、蓝藻（蓝细菌）也属于细菌,链霉菌,瘦鞘丝藻,真菌：酵母菌,特点： （1）个体一般以单细胞状态存在； （2）多数出芽繁殖，也有裂殖； （3）

4、能发酵糖类产能； （4）细胞壁常含甘露糖； （5）喜在含糖量较高、酸度较大的水生环境生长。,直径一般是细菌的10倍。,一些丝状真菌的统称，菌丝体发达而又不产生大型子实体。 自然界中，各种复杂有机物，尤其是纤维素、木质素和半纤维素的分解者。,真菌：霉菌,地 衣,真菌和光合生物之间稳定而又互利的联合体，真菌是主要成员。传统定义把地衣看作是真菌与藻类共生的特殊低等植物。,1. 微生物学基础 2. 微生物对石质文物造成的影响 3. 石质文物微生物检测技术 4. 石质文物的微生物病害防治,主要内容,微生物对石质文物造成的影响,复杂性、多向性,1. 负面影响（主要） 例：生物劣化（腐蚀、降解、变色 等）。

5、 2. 正面影响（次要） 例：某些细菌引发的生物矿化，可能起到 保护作用。,大多微生物类群微生物（如自养型细菌、异养型细菌、蓝藻、真菌、地衣）都可能会在矿物材料表面或内部定居生长，而这些矿物材料的种类包括天然石材、人工混凝土、陶瓷以及玻璃等。就石质文物而言，这就会导致造成一定的危害，即生物劣化。 微生物的对石材的侵蚀或徐或急，程度不一。其中，相对强烈的生物劣化多为生物产酸（有机酸）造成；相对和缓的生物劣化则多由亲水性物质（如杂多糖和/或蛋白质）所造成，原因是这些物质会引发水和盐在矿物上的积累。相较而言，微生物胞外酶在劣化过程中并没有发挥显要的作用。,微生物对石质文物造成的影响 生物劣化,微生物

6、对石质文物造成的影响,微生物对石质文物造成的损害 微生物对人造复合物（如混凝土）和天然石材均会造成影响，二者道理相通。尽管矿物材料含有（砂岩除外。由于腐殖质沉积，砂岩中可能含有多至1%的有机物）非常少的可供生物代谢的有机质，许多微生物依然能在其表面或内部生长并对其造成生物劣化。其机制可被归纳为以下几类：,微生物对石质文物造成的影响,微生物对石质文物造成的损害 1. 酸蚀 微生物对矿物材料所造成的最严重的损害往往由此而成。例如，化能无机自养型的硫杆菌属（Thiobacilli）微生物会将硫转化为硫酸，如果这类微生物出现在矿物材料上，就很可能引发生物腐蚀。同理，硝化细菌（亚硝化菌和硝化菌）会将基质

7、中的氨转化为亚硝酸和硝酸。并且，几乎所有微生物都会分泌有机酸（在异常条件下，微生物可能分泌柠檬酸和丙酮酸）。而这些酸类物质就会引发生物腐蚀。,微生物对石质文物造成的影响,微生物对石质文物造成的损害 生物硫酸的作用,微生物对石质文物造成的影响,微生物对石质文物造成的损害 生物硫酸的作用,微生物对石质文物造成的影响,微生物对石质文物造成的损害 2. 盐胁迫 石质文物表面的微生物会释放出代谢产物，再通过化学反应转化成盐。一定湿度条件下，水分蒸发进而导致盐分析出，而这部分盐就会沉积在材料表面或内部。例如，壁画就会被微生物以此途径缓慢地造成损害。,微生物对石质文物造成的影响,微生物对石质文物造成的损害

8、盐胁迫,斯里兰卡 Dambulla洞穴,灰白色铜绿 盐性粉化,微生物对石质文物造成的影响,微生物对石质文物造成的损害 3. 微生物导致的石质文物变色,生物色素 氧化还原反应,微生物对石质文物造成的影响,4. 菌斑覆盖,菌体直接生长在石质文物表面，并形成可见菌斑。 细菌和真菌均可造成此类病害。,微生物对石质文物造成的影响,5. 生物绿锈,主要由光合微生物类群（例如蓝藻）造成 。 蓝藻类细菌的粘质鞘在漫长的干燥阶段对它们起着保护作用，因为它们能够长期吸收和保存水分。 在非极端的环境中，蓝藻通常和绿藻混合生长。 根据不同的生理状态，藻类产生不同颜色的生物绿锈，以绿色为主。 生物绿锈主要由微生物构成，

9、同时也会粘附灰尘、肥土等。,微生物对石质文物造成的影响,微生物对石质文物造成的损害 生物绿锈,1. 微生物学基础 2. 微生物对石质文物造成的影响 3. 石质文物微生物检测技术 4. 石质文物的微生物病害防治,主要内容,检测目的,确定微生物病害 确定最主要的致病微生物 鉴定致病微生物及群落中其他主要菌群种属 为规范的微生物防治工作奠定基础,采 样 1,灭菌器材的准备 高温灭菌：干热灭菌法（火焰灼烧、烘箱），湿热灭菌（消毒）法（常压巴氏消毒、煮沸消毒、间歇灭菌，加压常规加压灭菌、连续加压灭菌）,采 样 2,根据检测的目的、技术选取方法和器材： 镜检：接种针，碳导电胶 培养：灭菌离心管、消毒棉签、

10、接种针、培养基、封口膜 提取DNA：灭菌离心管、保温桶（含冰块/袋）、接种针,样品处理,镜检：制片、观察 培养：放置在培养箱培养、观察 提取DNA：放置在-20C冰箱,石质文物微生物检测技术,镜检,普通光学显微镜 细菌：染色（普通、革兰氏、芽孢） 真菌 扫描电子显微镜（SEM） 固定、干燥、喷金、20KV,光学显微镜观察示例,600,600,电子显微镜观察示例,石质文物微生物检测技术,1. 传统培养法 分离和纯培养、生理生化反应 2. 分子检测技术 DNA指纹印迹分析,分子技术 Vs. 传统技术,分子生物学技术是有效的检测手段；若要深入研究病理、加以防治，仍需传统技术。 传统技术宜为分子生物学

11、技术的补充。 在文物微生物检测中，应优先使用免培养分子生物学技术，在其检测结果的基础上，有针对性地采用传统技术分离培养有研究价值的特定微生物。,石质文物微生物检测案例 - 云冈石窟,背景：云冈石窟是我国最大的石窟之一，与敦煌莫高窟、洛阳龙门石窟和麦积山石窟并称为中国四大石窟艺术宝库。 位于山西省大同市以西16公里处的武周山南麓，依山而凿，东西绵延约一公里，气势恢弘，内容丰富。现存主要洞窟45个，大小窟龛252个，造像5万1千余尊，代表了公元5至6世纪时中国杰出的佛教石窟艺术。其中的昙曜五窟，布局设计严谨统一，是中国佛教艺术第一个巅峰时期的经典杰作。 检测目的：通过对云冈石窟石质文物表面及云冈石

12、窟周边岩石样品中微生物的研究，建立可用于快速检测石质文物中微生物的方法。 材料：云冈石窟38窟及其周边土壤 方法：样品采集 总DNA的提取 PCR-DGGE分析,核心技术 1：聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reaction)，简称PCR，是一种分子生物学技术，用于放大特定的DNA片段。可看作生物体外的特殊DNA复制。,核心技术 2：DGGE(denaturing gradient gel electrophoresis)，即变性梯度凝胶电泳，就是将特定的双链DNA片段在含有从低到高的线性变性剂梯度的聚丙烯酰胺凝胶中电泳，随着电泳的进行，DNA片段向高浓度变性剂方向迁移，当它

13、到达其变性要求的最低浓度变性剂处，双链DNA形成部分解链状态，这就导致其迁移速率变慢，进而聚集成可见条带。不同生物的DNA具有序列特异性，因此我们可以借助DGGE技术分析样品中的生物群落结构。,云冈石窟38号窟样品中含有假单胞菌属、微杆菌属及其他未培养微生物。根据系统发育树聚类分析，可以得出检测出的微生物主要分为四大类群: -变形菌纲(Gamma-proteobacteria) ，鞘脂杆菌门(Sphingobacteria) ，-变形菌纲(Alpha-proteobacter)和放线菌纲( Actinobacteria) 。,检测结果,38号窟样品DGGE切胶条带的系统发育树,检测结果显示，云

14、冈石窟38号窟样品中的假单胞菌属细菌( Pseudomonas) 占到种群的16. 19%，可以被认为是样品中的优势种群。 在微生物与岩石土壤作用的相关研究中，发现该属细菌有较强的解磷作用，即将植物等难以利用的含磷成分转变为可以利用的磷盐形式，特别是以溶解不溶性磷酸盐类为特征的无机解磷作用。此外，该属的部分种类在氮元素循环中也扮演着重要角色。调查研究发现，云冈石窟的周边环境中含有高浓度的含磷、硫、氨的大气污染物质，该属的细菌可将这些物质降解并进而一步产生酸性物质。 云冈石窟的石质文物主要是由砂岩构成，砂岩的胶结物中含有大量的CaCO3，这些酸性物质会对云冈石窟的石质文物及周边岩石造成腐蚀。,案

15、例总结,云冈石窟历史悠久，规模宏大，风格独特。但随着岁月的冲刷，这座举世闻名的艺术宝库却遭受到了一定的破坏，除去物理、化学因素的影响外，微生物侵蚀也是造成文物损坏的一个重要因素。 不经微生物分离培养，直接从土壤中抽提总DNA，分析其中16S rRNA的序列多态性，以此反映微生物的种群构成，是近年来逐步发展起来的新方法。该方法对于研究石质文物表面或内部的微生物群落组成具有重要意义。 随着研究的深入，人们会发现微生物对石质文物的破坏能力远远超出我们之前的设想范畴，抑制微生物的侵蚀将成为今后石质文物保护工作的核心内容之一。,1. 微生物学基础 2. 微生物对石质文物造成的影响 3. 石质文物微生物检测技术 4. 石质文物的微生物病害防治,主要内容,病 害 防 治,“防”重于“治”,防护原则 1,监控为主，定期检查，对刚刚萌芽的病变进行及时的采样分析。 在对壁画施加了其他保护措施如控制温湿度，涂抹防护材料等后的一段时间，应加强监测，直到微生物建立起新的平衡。,防护原则 2,分析造成病害的原因： 微生物与微生物 微生物与植物 微生物与动物 微生物与环境（微、宏观） 亡羊补牢、对症下药,检（监）测,病害治理,物理方法 化学方法 生物方法,物理方法,机械清除：擦、抹、冲洗、过滤等 热力：干热、湿热 辐射：电离辐射、紫外线、超声波、微波,化学方法,生物方法,利用动物、植物