基本信息
- 项目名称：
- 微生物诱导碳酸钙矿化及其在石质文物表面修复的应用研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本项目利用碳酸盐矿化菌的特性，提供其充分适宜的生存、繁殖和活化反应条件，加速其酶化作用，快速沉积制备出方解石，在被修复的石材表面生成紧密黏附于石材表面的碳酸钙矿化膜，制备出一种全新的、环境友好、清洁无污染的修复材料，最大限度本于原貌对石质文物的缺陷进行修复。通过微生物诱导碳酸盐沉积形成人工矿化层修复加固风化石质文物表层结构，这为石质文物的修复加固开辟了一条新途径。
- 详细介绍：
- 1.项目背景 石质文物是世界各民族历代先民创造的物质财富的精华，是具有历史、艺术、科学价值的珍贵遗产。目前我国有80%以上的石质文物没有得到很好的保护，大多数的石质遗迹都暴露在自然界的风化环境中。在现代工业发展进程中所产生的废水、废气、废渣加速了文物老化变质。10%左右的珍贵石质文物已经因没有被很好的保护已经被完全破坏，造成重大损失。现有的保护技术不够成熟，保护材料存在隐患，如保护材料自身的降解、风化，反而加剧了石质文物的毁坏速度。若不采取科学有效防护措施，许多珍贵石质文物记录将损耗殆尽。 2.项目简介 本项目利用碳酸盐矿化菌的特性，提供其充分适宜的生存、繁殖和活化反应条件，加速其酶化作用，快速沉积制备出方解石，在被修复的石材表面生成紧密黏附于石材表面的碳酸钙矿化膜，制备出一种全新的、环境友好、清洁无污染的修复材料，最大限度本于原貌的基础上对石质文物缺陷进行修复。通过微生物诱导碳酸盐沉积形成人工矿化层修复加固风化石质文物表层结构，这为石质文物的修复加固开辟了一条新途径。 3.投资前景 微生物修复技术具有难度小、成本低、对环境友好、易推广等特点。我国乃至世界目前到处风化的石质文物，采用微生物修复技术对石质文物进行修复保护，不需要苛刻的工作环境，也不需要专业的设备，节省了大量的劳动力，降低生产成本，同时减小了文物在修复过程中被人为损坏的概率和修复者在工作中造成意外伤害的概率。因此利用此技术，不仅可以很好地保护石质文物，也为收益者节约了更多的资金去搞发展。修复技术在应用过程对环境影响小，无污染，在提倡人与自然和谐发展的当下具有极其广泛的意义。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 1．目的 本项目利用碳酸盐矿化菌的特性，提供其充分适宜的生存、繁殖和活化反应条件，加速其酶化作用，快速沉积制备出方解石，在被修复的石材表面生成紧密黏附于石材表面的碳酸钙矿化膜，制备出一种全新的修复材料，最大限度本于石质文物原貌进行修复。 2．基本思路 菌种采集——菌种的筛选与培育——石材表面处理——石材表面矿化——表面矿化层成分及性能分析——石质文物表面修复
科学性、先进性及独特之处
- (1)矿化层具有致密有序的结构，半透明的外观，耐候性极佳，耐磨性好等优点，甚至具有可适当调控的性能和结构。 （2）微生物合成方法与环境友好，具有在生理环境下实现施工的优越性，这样保护过程就不需要太贵重的设备和苛刻的工作条件，也不需要过多地担心环境污染问题，从而为野外大型石质文物的施工带来了极大的方便，并且很可能大大降低防护工程的经济成本。这为碳酸盐质的文物修复加固开辟了一条新途径。
应用价值和现实意义
- 通过微生物的生理作用，促使碳酸钙矿化成膜，实现对石质文物的表面修复。所形成的矿化膜材料与石质相容性好，与基底结合牢固，耐老化，耐酸碱等耐受性强；一次成膜后避免反复操作处理带来的不便，并且高效持久；微生物矿化技术成本低操作容易，培养基来源广。利用微生物修复石质文物，其低碳环保高效持久的独特性质为以物理化学等方式修复文物的传统方法开辟了新的途径，并为多方向研究文物修复做出积极贡献。
学术论文摘要
- 摘 要:微生物修复技术在石质文物保护方面是一种新兴的保护技术，通过微生物诱导CaCO3在石质文物表面矿化沉积形成薄膜以达到保护目的。微生物诱导CaCO3矿化的关键在于微生物代谢过程中自然分泌出酶并不断发生特定酶化作用，产生某些重要的微量有机基质蛋白对矿化的控制作用是当前生物矿化机理及应用研究的一个重要方向。通过碳酸盐矿化菌种的筛选、培养，利用其酶化特性进行CaCO3矿化试验，并在石质材料表面进行覆膜基础研究。运用现代分析测试技术对矿化膜的耐酸、耐热、粘接力、透气性等各项指标进行检测。为利用微生物技术在石质材料保护研究开展预研工作。通过对微生物仿生矿化保护材料基础应用特性的研究，检测表明它具有较好的表面防护效果和表层加固性能，并且制作工艺简便。这一成果对于发展新型石质保护材料具有重要的参考作用，同时对拓宽生物矿化材料研究的范围提供了一定的依据。 关键词：巴斯德芽孢杆菌;石质材料;碳酸钙;诱导;表面保护
获奖情况
- 《微生物诱导CaCO3沉积及其在石质文物表面修复的应用研究》，已投稿到《文物保护与考古科学》，正在审核。 《碳酸盐矿化菌诱导CaCO3沉淀条件的优化》，已投稿到《绿色建筑》，正在审核。
鉴定结果
- 无
参考文献
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同类课题研究水平概述
- 石质文物古迹是国家的宝贵财富，是不能再生的无价的文化遗产和旅游资源。因此石质文物的保护成为国内外学者的研究关注的重要对象。石质文物保护最常用的方法就是在石质文物表面用各种保护材料进行保护处理来防止风化腐蚀。这些保护材料可以起到以下作用:加固、防水、防酸、防污、防微生物、防风化和防溶蚀等以降低石质文物的老化进程。石质文物保护材料的研究一直在不断地更新和发展。按保护材料的主要成分可分为无机类和有机类。 无机类石质文物保护材料在十九世纪曾被广泛运用，在今天偶尔也时有被应用。无机材料的保护机理是通过材料中的某些成分与二氧化碳反应或水合作用形成新物质而实现的。这类材料老化性能优良，寿命长，不存在老化问题，且无机材料与石质文物之间的兼容性好。在美国，曾用氢氧化钡加固康涅狄格州议会大厦。该法很早就用来加固石质文物，但效果并不理想。因为，反应速度快，会在表面形成硬壳，易碎成小块；为了减缓反应，加入尿素，又易使岩石变黑。 有机类石质文物保护材料主要是一些有机聚合物，它们具有耐水、耐腐蚀、耐冲击、加工性能优良、能以各种形态予以应用的特点，这类保护材料包括自天然的(如植物油)到人工合成的聚合体等许多种。这类材料可在石质文物表面形成一层密封的保护膜，防止水汽、酸和盐的破坏，但却克服不了有机聚合物的缺陷。如使用寿命不长，与文物表面的兼容性差。1968年，首次在意大利用丙烯酸聚合物加固Sienacathedral大门框中的雕刻。不过其修复材料丙烯酸聚合物脆性大，且玻璃态转化温度高，粘度大，渗透效果差。 刘强等对野外石质文物考察发现，一些风化钙质岩石上某些石刻文字保存完好，其表面有一层天然致密的亲水性半透明膜。在某些部位的膜层下，1000 多年前在岩石上雕刻的刀痕还隐约可见。对这种膜的样品进行分析( FTIR、PIM、EDS、 SEM等)发现，这是一种以草酸钙为主要成分的致密生物无机膜。G.orial等利用细菌诱导碳酸钙沉积形成人工矿化层修复加固石质文化遗产，对由酸性微生物诱导形成生物矿化层加速老化试验表明，生物矿化材料可以提高结构长期耐久性能。 不过目前生物修复加固方法理论及应用技术还很不完善，将这方面研究成果转化为实用技术直接应用于文物保护还有很多工作要做。方法有效性、耐候耐久性值得进一步研究，生物残留物检测及危害风险评估也值得研究探讨。
