南方潮湿地区古建壁画微生物腐蚀机理与防治新技术研究

Ancient murals are a valuable cultural heritage of mankind, which have high historical, artistic and scientific values. However, microorganisms appear to be an important factor affecting their preservation and display and are difficult to eradicate. At the present, the research of microbial disease on murals is still in its infancy in China. Bacteriostatic agent is still the main method for microbial control, which not only has little or no effect on the apparent disease, but also brings more serious microbial resistance. Therefore, it is an urgent problem to be solved in mural protection to systematically study the causes, deterioration mechanism and prevention methods of microbial diseases by means of new biotechnology and interdisciplinary approach. This project takes the murals of Taiping Heavenly Kingdom in Jinhua as the research object, and uses metagenomics approaches to analyze the causes of microbial diseases. The composition of “black spots”on mural surface will be identified by means of SEM, FTIR, EPR and NMR, and the mechanism of copper on its synthesis and metabolism will be explored at the transcriptome level. In addition, we will synthesize and screen new antimicrobial materials that are safe, broad-spectrum, efficient and resistant to drug resistance, such as Ag NPs, GO-PEG-Ag and POM-ILs, and also establish a method for evaluating the bacteriostatic efficacy and risk of new materials, which will provide important theoretical and technical support for mural protection and enable our precious cultural heritage to be inherited, developed and preserved for a long time.

古代壁画是人类宝贵的文化遗产，具有极高的历史价值、艺术价值和科学价值。然而，微生物是影响其安全保存与展示的一个重要因素且难以根除。目前，壁画微生物病害研究在我国处于起步阶段，病害防治仍以化学抑菌剂为主，不但效果甚微，反而带来更为严重的微生物耐药性问题。因此，如何借助于新的生物技术和多学科交叉手段对微生物病害的成因、腐蚀机理及防治新方法进行系统化的研究，是目前壁画保护亟需解决的问题。本项目以金华太平天国侍王府壁画为研究对象，运用宏基因组学技术分析微生物病害成因。借助SEM、FTIR、EPR、NMR等化学检测手段鉴定壁画表面黑渍成分，并从转录组水平探究铜对其合成和代谢的作用机制。合成并筛选安全、广谱高效、不易产生耐药性的新型抑菌材料Ag NPs、GO-PEG-Ag和POM-ILs，建立新材料抑菌效价及风险评估方法，为壁画保护提供理论和技术支撑，使得我们宝贵的文化遗产得以传承、发展及长久保存。

如何借助于新的生物技术和多学科交叉手段对微生物病害的成因、腐蚀机理及防治新方法进行系统化的研究，是目前壁画保护亟需解决的问题。本项目以金华太平天国侍王府壁画为研究对象，取得如下研究成果：（1）壁画表面“黑斑”主要为真菌产生的黑色素。紫外-可见分光光度分析（UV-Vis）、元素分析、电子顺磁共振（EPR）、傅里叶变换红外（FTIR）光谱、核磁共振波谱（NMR）分析、热裂解-气相色谱质谱联用 (Py-GC-MS)等分析手段证实壁画中真菌黑色素主要为1,8-二羟基萘（1,8-dihydroxynaphthalene, DHN）型黑色素；（2）真菌具有较高的酯酶和脂肪酶活性，可通过降解壁画表面的甲基丙烯酸丁酯等保护材料提供生长所需的营养物质；（3）设计并制备季铵盐离子液体，对壁画具有较好的渗透性及抗酸腐蚀性。抗菌实验结果显示，离子液体可有效抑制壁画表面的细菌（G+和G-菌）和真菌；（4）基于季鏻盐离子液体优异的抗细菌和真菌活性，制备抗菌可控载药（离子液体）水凝胶（聚乙烯醇-壳聚糖-离子液体，PVA-CS-IL）。CS含量较高可导致水凝胶孔隙度和溶胀率增加，IL释放量减少。当CS含量为5%时，抗菌活性增强，其主要原因为CS和IL的协同抗菌作用；（5）基于聚多巴胺的光热转化性能和季鏻盐离子液体的抗菌性能，制备聚乙烯醇-聚多巴胺@聚乙烯亚胺-离子液体（PVA-PDA@PEI-IL）复合水凝胶。支链聚阳离子PEI可与细菌细胞膜上的负电荷相互作用，导致细菌细胞膜裂解和死亡。水凝胶可释放IL并杀死粘附和未粘附的细菌。PDA具有良好的光热转化效率，可在短时间内提高水凝胶的温度（1.6 W/cm2，10分钟内增加64.6°C），但局部产热对于增强抗菌作用不明显。壁画模拟样品的抗菌实验结果显示，水凝胶可有效抑制细菌的生长，且与文物本体兼容性较好，有潜力应用于壁画保护。