劉家真

(武漢大學(xué)信息管理學(xué)院,湖北武漢 430072)

0 引 言

受控冷凍滅蟲法(controlled freezing disinsection)是指對冷凍過程進行嚴格控制的滅蟲方法,在我國常簡稱為冷凍滅蟲法。昆蟲在致死低溫區(qū),其體液會結(jié)成冰晶,蟲體原生質(zhì)將遭受機械損傷、脫水和生理結(jié)構(gòu)被破壞,從而導(dǎo)致死亡。只要溫度足夠低,持續(xù)冷凍的時間足夠長,危害藏品的任何昆蟲都無法在冷凍的環(huán)境中存活。但作為藏品滅蟲的工具,該冷凍法必須保障在藏品安全的前提下,做到徹底滅蟲且高效與經(jīng)濟,由此必須對冷凍過程中某些特定的量與過程加以管控。受控冷凍滅蟲法對以下幾項指標必須嚴格控制。

1) 冷凍溫度。冷凍溫度應(yīng)覆蓋目標害蟲的冰點溫度。可凍死害蟲,但不會損壞藏品。

2) 冷凍時間。在冷凍溫度下,使死亡率達100%的時間。

3) 迅速降溫。為避免昆蟲在緩慢降溫過程中獲得抗寒的能力,冷凍滅蟲需要迅速降溫。

昆蟲可通過增加蟲體組織中甘油和糖的濃度來降低其冰點,使原來設(shè)置的冷凍溫度無法使其體液結(jié)冰。昆蟲還可通過向其體液注入一種特殊的核蛋白來控制體內(nèi)結(jié)冰,即使冷凍數(shù)月,在物品解凍后,其中的害蟲仍然能夠復(fù)蘇[1]。要獲得這類抗寒能力,昆蟲需要有足夠時間進行代謝變化和生境準備。綜合蟲害管理工作組(Integrated Pest Management Working Group,IPM-WG)指出,冷凍設(shè)備若能夠在4 h內(nèi)將被冷凍的物品降到害蟲的冰點,就不可能給害蟲產(chǎn)生“防凍劑”的時間[2]。

正是由于受控冷凍滅蟲法是依據(jù)昆蟲的致死溫度、持續(xù)冷凍時間和昆蟲如何在寒冷中生存的知識設(shè)計的,其百分之百致死昆蟲的能力毋容置疑。由此,受控冷凍滅蟲法成為化學(xué)熏蒸法的替代方法之一。

受控冷凍滅蟲法在全球收藏單位已經(jīng)成功應(yīng)用多年,至今仍然是殺滅藏品害蟲的有用工具,但在滅蟲過程中發(fā)現(xiàn),若不遵守科學(xué)的程序,就有可能對藏品造成傷害[3-4]。國內(nèi)暫無在受控冷凍滅蟲工作中藏品有受到傷害的報道,但在實際操作中,對可以冷凍的對象、冷凍溫度與操作方式等尚未有清晰的指南。為了降低我國藏品在冷凍滅蟲過程中風(fēng)險,本文基于國際上的相關(guān)經(jīng)驗與教訓(xùn),系統(tǒng)地闡述了可能導(dǎo)致冷凍滅蟲中的風(fēng)險問題,以及降低風(fēng)險的管控方法。

1 藏品損壞風(fēng)險

在受控冷凍滅蟲過程中,被冷凍的物品會經(jīng)受來自以下3個方面的風(fēng)險:極端低溫,降溫速率帶來的熱沖擊力,溫濕度變化等。了解這些風(fēng)險的成因,利于規(guī)避風(fēng)險與采取恰當?shù)膶Σ哳A(yù)防藏品在冷凍過程的損壞。

1.1 藏品損壞的風(fēng)險成因

冷凍過程中可能造成物品形體損傷的因素是多方面的,這些損傷通過目視檢查、顯微鏡和攝影等方法可被觀察到。

在受控低溫冷凍中,常見的損壞主要是水害以及物品的形體損壞。水害主要發(fā)生在溫度改變帶來的相對濕度變化,使受冷凍物品表面出現(xiàn)凝露而造成水痕,這個問題通過聚乙烯袋的密封等措施很容易控制。

物品在低溫中形體損壞的風(fēng)險與其構(gòu)成材料的特性相關(guān),主要影響因素包括材料的熱膨脹系數(shù)、剛度、導(dǎo)熱性和強度等,對于無法避免形體損壞的物品應(yīng)排除在受控低溫冷凍滅蟲法之外。

1.1.1極端低溫 一般說來,只要嚴格遵守冷凍操作規(guī)程,以下材料采用受控冷凍滅蟲或檢疫是安全的:紙張與墨水書寫或印刷的文獻,不含玻璃、金屬紐扣等飾品的干燥織物(包括絲織品與毛織品等),干燥的生物標本,羽毛,皮革,有機纖維編織物(如藤條、竹條制作的籃筐等),木雕,非彩繪和漆木制品等。

在受控冷凍滅蟲過程中,被處理的藏品要經(jīng)受極端低溫(-20 ℃以下),這會對某些類型的材料、物品結(jié)構(gòu)或構(gòu)造會帶來一定程度的損壞。

1) 低溫脆化。通常情況下,低溫會使材料的韌性降低,材料脆性會有一定程度的加強。任何材料只要脆性增加,其斷裂的可能性會增大,特別是遭遇震動等外力,有可能發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的損壞,如藏品上出現(xiàn)裂紋,有的產(chǎn)生脆性斷裂等。

大多數(shù)彈性體的硬化發(fā)生在-20 ℃以下,而產(chǎn)生脆性斷裂時的臨界溫度從-20 ℃直到-50 ℃,在此溫度范圍內(nèi)變脆的材料包括橡膠、樹脂清漆、亞麻油膜(油漆)、合成聚合物、丙烯酸涂料和軟乙烯基[5]173-216,如油畫與油漆中的亞麻油膜在-30 ℃時會完全脆化[5]223-48。許多涂層能夠耐受的溫度也是有限的,如丙烯酸涂料,在室溫和-30 ℃之間的快速冷卻就可能會脆化[5]223-48。

材料在低溫下的脆化除與材料的特性相關(guān)外,還受材料老化程度的影響,老化后的材料在低溫下更容易發(fā)脆或造成損壞。材料的脆化還與冷凍速度相關(guān),冷凍速度越快越容易脆化,但快速冷凍是受控低溫冷凍的必須條件。

一些附著在服飾或其他藏品上的裝飾(如珠子、紐扣、別子等),多是由無機材料制成,如金屬、玻璃、陶瓷或石頭等,當隨同物品一塊冷凍處理時,它們就有可能開裂或表面出現(xiàn)凝露而污損物品。

2) 復(fù)合材料膨脹系數(shù)失配。與單一材料制成的物品相比,復(fù)合材料在極端低溫下受損的可能性更大。當兩種材料的熱膨脹系數(shù)不同時,具有緊密接觸的不同材料制成的物品就可能由于膨脹系數(shù)失配而產(chǎn)生應(yīng)力,當一種材料受到另一種材料限制時,有可能發(fā)生開裂、分裂或翹曲,例如鼓等,又如有涂層或粘合劑的物品在低溫中還可能出現(xiàn)剝離現(xiàn)象。涂有油漆、清漆、膠水、樹膠等涂層的物品,如鑲嵌的木制品,細木工家具,漆器或其他有機基材以及一些粘貼物等都有可能出現(xiàn)這一問題。

涂有粘合劑的物品在低溫下風(fēng)險更大,一則是由于粘合劑在低溫下易變脆而使粘結(jié)失效;二則是由于粘合劑內(nèi)不同成分可能會由于收縮或膨脹速率不同,導(dǎo)致粘結(jié)作用失效而使粘結(jié)處分層。

并非單一材料構(gòu)成的物品在冷凍環(huán)境中都是安全的,由各向異性的多層材料構(gòu)成的物體也面臨該問題,盡管它們都是同一材料,但每一層材料的膨脹系數(shù)均與方向相關(guān),且在不同方向上的擴展程度不同。這類物品每層的膨脹系數(shù)均可能出現(xiàn)失配,由此在冷凍環(huán)境中可能出現(xiàn)開裂。動物標本的牙齒、爪子、蹄子、角、動物殼、骨骼以及哺乳動物、鳥類和恐龍的喙等都是由各向異性的多層材料天然生成,在冷凍滅蟲過程中均具有較大的損壞風(fēng)險。由于凍結(jié)速度不會對熱膨脹系數(shù)失配產(chǎn)生影響,因此無法通過控制凍結(jié)速率來減輕這類損害。

有研究指出,在受控冷凍過程中,容易出現(xiàn)分層的物品有:粘合劑連接和修復(fù)處,涂漆或鍍金的物品,龜殼、海洋貝殼、蝸牛殼等動物殼,動物角,鯨須,樹皮,樹脂和其他附著物[6]。

1.1.2降溫速率 快速降溫可提高殺蟲效率與降低滅蟲的時間。但溫度的迅速變化(從室溫急降至-20 ℃以下)使物品在較短的時間內(nèi)產(chǎn)生大量的熱交換,熱交換給物品帶來熱沖擊力有可能導(dǎo)致物品材料損傷或失效。

溫度劇變帶來材料的尺寸變化,也可能使某些物品無法承受相對濕度的波動,特別是某些無機物、鑲嵌物、復(fù)合材質(zhì)的物品、緊繃的物品、材料脆弱或不穩(wěn)定的物品等。這些物品對相對濕度和尺寸變化特別敏感,在溫度劇變的沖擊下可能會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)解體。

導(dǎo)熱性差、熱膨脹系數(shù)高、彈性剛度大的厚物品(如石頭、玻璃和陶瓷等)在溫度急劇變化時最容易產(chǎn)生裂紋,特別是原來就含有裂紋的材料,在低溫沖擊下更容易呈脆性斷裂。

1.1.3溫濕度變化 溫度改變帶來的濕度變化使受控冷凍滅蟲過程中的濕度難以恒定,那些對濕度變化特別敏感的材料就有可能受到傷害,如物品出現(xiàn)裂紋或破裂等。

動物標本的牙齒、骨頭、象牙和鯨須含有無機物和有機物成分,它們在溫度和濕度變化過程中表現(xiàn)不同[7]。例如,骨骼的各向異性構(gòu)造使其在溫度發(fā)生變化時在不同方向的反應(yīng)不同,這類物品在冷凍過程中受損的風(fēng)險很大。又如動物殼(龜殼、水產(chǎn)物殼、蝸牛殼等)的天然層狀結(jié)構(gòu)在冷凍過程中,由于溫度的變化而產(chǎn)生的層狀結(jié)構(gòu)間的應(yīng)力,會使動物殼層間開裂或剝落等損壞。

動物牙齒是各向異性的層狀結(jié)構(gòu),具有吸濕性,濕度對它的影響比溫度更大,在低溫冷凍過程中有可能因為濕度的變化而帶來損傷[8]。在冷凍過程中,可能出現(xiàn)裂縫的物品有:骨頭、牙齒、象牙、有隱患的玻璃、漆木或有涂層的木器、植物材料、蠟和無機材料(如金屬、陶瓷和石頭等)[6]。

有細微裂紋的物品在受控冷凍過程中,原有的裂紋可能擴展或形成新的裂紋。

以上風(fēng)險是有可能緩沖的,如將其用無酸薄紙或水洗棉包裹后并放入聚乙烯袋內(nèi)密封后再置入冷凍設(shè)備中。

1.2 受控低溫冷凍的高風(fēng)險對象

美國保護學(xué)會(American Institute for Conservation)第30屆年會上,有學(xué)者綜述了冷凍對藏品可能帶來的損壞風(fēng)險,并認為以下4類材質(zhì)在冷凍滅蟲過程中風(fēng)險較大,不宜采用冷凍處理[9]。

1) 復(fù)合材料構(gòu)成的物品。復(fù)合材料是由兩種或兩種以上化學(xué)性質(zhì)、物理性質(zhì)不同的材料按照一定組分構(gòu)成的人造材料,例如玻璃和陶瓷等。復(fù)合材料構(gòu)成的藏品可能有內(nèi)置的張力,一種材料可能會限制另一種材料的運動,這類材質(zhì)構(gòu)成的物品是不宜進行冷凍滅蟲處理的。

2) 有裂紋的物品。裂紋的存在暗示著物品內(nèi)存在潛在的結(jié)構(gòu)弱點,在極端低溫或溫度快速變化中,裂紋可能擴展。

3) 層狀結(jié)構(gòu)與分層結(jié)構(gòu)的物品。層狀結(jié)構(gòu)物品在冷凍中受到的傷害主要是分裂,包括骨骼,牙齒,貝殼,動物的角等。分層結(jié)構(gòu)物品在冷凍中涂層可能分離,例如漆木或采用了粘合劑的物品。

4) 油狀或蠟狀物品。在低溫下,有時油狀或蠟狀物品會出現(xiàn)起霜或結(jié)晶現(xiàn)象。

根據(jù)已發(fā)表的文獻,將在冷凍過程中出現(xiàn)的損壞案例以及冷凍不宜對象列舉如下。

朱銘美術(shù)館限制使用受控冷凍的對象為:作品表面有厚重或脆弱彩繪層的作品,使用黏著劑膠合木材為創(chuàng)作素材的木雕作品,過于干燥的木材或潮濕浸水的木材以及對溫度敏感的作品,都不能以冷凍方式進行除蟲[10]。

臺灣故宮博物院研究指出:彩繪書畫作品若采用冷凍,組成顏料的動物膠有可能會脆掉[11]。

IPM-WG依據(jù)其成員的集體經(jīng)驗,建議不得采用冷凍法處理的材料包括:布面油畫和丙烯畫,未完全干燥的植物標本,彩繪紡織品和油漆木材,以及音視頻材料。

澳大利亞藝術(shù)實驗室指出[12]:在冷凍金屬、骨頭、象牙與高度燒制的陶瓷或被水濕的物品時,須加入緩沖材料,如干凈的棉毛巾等吸濕材料。盡管這將有助于減緩這類物品的損壞,但這類物品的損壞還是可能發(fā)生的。繪畫、玻璃、蠟和某些塑料和橡膠制品在冷凍中是絕對會損壞的。因此建議以下物品不得冷凍處理:紙質(zhì)工藝品,繪畫,骨和象牙,陶瓷,磁帶、磁盤,達蓋爾型的玻璃干版相片和濕版相片,基于膠片的材料,金屬(包括帶有金屬紐扣或螺紋的紡織品),羊皮紙和牛皮紙,被水濕的木制物品等。

丹麥研究人員在對丹麥國家博物館和被本國認可的其他博物館的冷凍滅蟲調(diào)研時發(fā)現(xiàn),以下物品在冷凍滅蟲中發(fā)生了損壞[13]:粘接木框的膠失效;木制桶分崩離析;未上漆的木材變得干燥;木材上的油漆出現(xiàn)裂紋;有油漆和清漆的物品出現(xiàn)涂層剝離,油漆和清漆在冷凍后變得不透明;金屬零件上的涂漆剝落;墨水瓶破裂;鏡子破裂;書籍和紙張的霉跡變成粉末;動物毛從皮毛上的脫落數(shù)增加。

冷凍后可能脆化和開裂的物品[14]:玻璃、陶器、象牙、骨頭、牙齒、涂漆物品和人造木板、蠟、皮革、陶瓷、有接頭的木質(zhì)物品、表面有細小裂紋的物品或材料劣化的物品,例如裂開或翹曲的鑲嵌面板、被拉緊的弦樂器等。

因冷凍而變脆的物品:貝殼、樹脂和玻璃、油畫等可能會輕微的開裂[15]。

木材即使密封在袋中,在冷凍過程中也可能變干。復(fù)合物可能會開裂,皮革表面結(jié)構(gòu)可能會發(fā)生變化[16]。

若館藏的材質(zhì)易脆或是易碎,可能不宜選擇冷凍殺蟲[17]。

未完全干燥的植物標本[18]。

嚴重脆化、易碎的文物,彩繪、油畫、膠片、木版畫、鑲嵌木制品、漆木制品、牙制品和鼓、帆布畫等[6]。

木板畫,彩繪或鑲嵌物,漆木器和象牙或牙齒等[19]。

浸水材料,帆布或木頭上的繪畫,鑲嵌物,飾面或涂漆的物品,象牙和牙齒,緊繃的物品(如鼓)以及含有無機材料的復(fù)合材料[20]。

受控冷凍滅蟲過程中可能受損的物品均應(yīng)避免使用該法滅蟲或檢疫,可采用常壓低氧氣調(diào)法處理。

2 影響昆蟲死亡率的主要因素

在受控冷凍滅蟲過程中,影響昆蟲死亡率因素主要有3個:昆蟲已感受的最終溫度,冷卻速度,冷凍持續(xù)時間。只有昆蟲感受到的溫度為其冰點,昆蟲才有可能死亡。在其冰點范圍內(nèi)持續(xù)冷凍足夠長的時間,才可能殺死昆蟲。冷卻速度決定了昆蟲是否可能通過延長其“冬眠期”而逃過劫難,僥幸地在致死溫度下存活更長的時間。研究該問題的目的,是為了找出最恰當?shù)睦鋬鰷囟?既可有效滅蟲,又不會由于溫度設(shè)置過低而增加物品損壞的風(fēng)險。

2.1 昆蟲的致死溫度與冷凍時間

與高溫滅蟲不同的是,冷凍滅蟲的溫度難以統(tǒng)一,因為不同種類的昆蟲,其冷凍致死的溫度不同。

昆蟲冰點(freezing point)是立即凍死昆蟲所需的溫度。不同的昆蟲以及同種昆蟲的不同發(fā)育階段和生理狀態(tài)都會影響到它們對溫度的特定反應(yīng),因此其冰點也不會相同。表1為某些倉儲害蟲特定生命階段的冰點溫度[20]。

表1 某些倉儲害蟲的冰點Table 1 Freezing points of certain storage pests

由上可見,昆蟲種類不同,其冰點相差很大,同種但發(fā)育階段不同的昆蟲冰點也有差異。例如,藥材甲的蛹在-4 ℃就可能凍死,而其成蟲在-15.2 ℃才有可能致死。

在昆蟲冰點溫度以下,溫度越低,殺滅昆蟲所需的時間就會越少。表2為冷凍致死不同發(fā)育階段的煙草甲所須的時間[21]。

表2 冷凍致死煙草甲的不同溫度與時間Table 2 Different temperatures and time of killing the tobacco beetle by freezing

為確保不同發(fā)育階段的昆蟲全部致死,英國倫敦博物館在“博物館害蟲電子教程”中對冷凍滅蟲的溫度與時間建議如下[22]。

1) -40 ℃須48 h;

2) -30 ℃須72 h;

3) 高于以上溫度,至少須7 d。

由上可見,為了徹底殺滅害蟲,物品必須冷卻到目標害蟲的冰點溫度以下,溫度越低,昆蟲致死時間越短。實踐證明,受控冷凍滅蟲是有效的,滅蟲失敗的原因主要是溫度尚未低到足以殺死目標害蟲的溫度,或是沒有保持足夠長的持續(xù)冷凍時間[23]。因此,利用冷凍滅蟲必須首先確定目標害蟲的種類以及其不同發(fā)育階段的冰點溫度與死亡率的關(guān)系。

2.2 冷卻速度

冷卻速度直接關(guān)系到滅蟲效率。緩慢的冷卻速度提高了昆蟲的耐寒性,需要更長的暴露時間才能達到相同的死亡率[24]。冷凍滅蟲過程中的冷卻速度受多方面影響,一是設(shè)備本身,二是昆蟲所在的環(huán)境。

若冷凍設(shè)備制冷效果好,有較好的空氣流動速度,其制冷率就高。已有的研究對冷凍設(shè)備的制冷要求是,要能在24 h內(nèi)降低被冷凍物品的溫度,并使其達到指定溫度[18]。

在冷凍設(shè)備內(nèi),當冷氣的前端穿過物品時,物品中心的溫度是逐步下降的。被冷凍的昆蟲多是藏匿在物品內(nèi)部,只有當冷空氣穿過昆蟲周圍的物品,才可能使蟲體感受到溫度的變化。影響昆蟲感受到冷卻速度的因素包括:被蟲害物品的厚度、體積及其材料的導(dǎo)熱性能;物品周圍冷熱空氣交換的速度等。

薄物品的溫度梯度通常比厚物品小,熱導(dǎo)率高的物品要比保溫性能好的物品能更快地讓藏匿其中的害蟲感受到致死低溫。例如,冷空氣穿透木頭要比穿透紙張需要更長的時間,冷空氣穿透大的物品或卷緊的物品可能需要更長的時間。

被冷凍物品周圍若留有較多的空間,便于冷熱空氣交流,就可提高制冷率。若物品周圍被隔熱性材料堵塞,冷熱空氣難以交換,再好的冷凍柜也難以提高物品被冷凍的速率。

若物品冷凍速度緩慢,藏匿其中的害蟲就有足夠的時間產(chǎn)生耐寒性,由此使冷凍滅蟲可能失敗,或是需要更長的時間才可能殺滅害蟲。

由上可見,受控冷凍滅蟲的效果不僅與冷凍溫度與時間有關(guān),還涉及到冷凍物品排放等的科學(xué)性。

3 冷凍滅蟲的溫度與凍結(jié)時間

冷凍滅蟲有兩個關(guān)鍵點,一是足夠低的溫度與足夠長的凍結(jié)時間,二是使昆蟲盡可能快地接觸到致死溫度。

凍死害蟲的溫度必須低于昆蟲能夠保護自己的溫度,即其體液的冰點溫度。否則,被冷凍的昆蟲在環(huán)境轉(zhuǎn)暖后就會復(fù)蘇,使冷凍滅蟲前功盡棄。凍結(jié)的時間至少應(yīng)為其冰點狀況下致死的最短時間,否則昆蟲會出現(xiàn)假死。使昆蟲盡可能快地接觸到致死溫度是為了避免昆蟲在致死溫度到來前具有了耐寒性,需要更長時間或置于更低的溫度才可能殺死這類馴化后的昆蟲。

前一個條件涉及到對目標昆蟲的蟲種及影響其生命活動的相關(guān)數(shù)據(jù)的準確了解,在收藏單位發(fā)現(xiàn)蟲害后要馬上知曉這些數(shù)據(jù)是不現(xiàn)實的。為了立即控制蟲害,只有選擇盡可能低的溫度或更長的凍結(jié)時間,以防無法殺死抗寒性較強的害蟲。因此,IMP-WG與許多專家建議受控冷凍滅蟲的溫度為-29 ℃[25,2]。更低的冷凍溫度與更長的凍結(jié)時間會更加有效地殺滅藏品內(nèi)的未知害蟲,但這也增加了藏品損壞的風(fēng)險。

丹麥學(xué)者對79家丹麥國家博物館和本國認可的博物館使用受控冷凍滅蟲的溫度、時間以及損壞情況進行了調(diào)研,發(fā)現(xiàn)冷凍溫度和時間有從-18～-20 ℃的24 h到-31～-45 ℃的3 d以上不等,兩家博物館甚至在-50℃到-80℃的溫度下凍結(jié)了48與72 h,在這79家博物館中,有15家發(fā)現(xiàn)了由于冷凍而造成的物品損壞,見表3[13]。

表3 受控冷凍滅蟲與藏品安全Table 3 Controlled freezing disinsection and collection safety

由上可見,科學(xué)地選擇受控冷凍滅蟲的低溫與凍結(jié)時間是保障藏品安全與有效滅蟲的關(guān)鍵之一。

3.1 凍結(jié)溫度的選擇

由表3可見,冷凍的溫度越低,藏品損壞的風(fēng)險越大。在不確定目標昆蟲的蟲種時,如何選擇適當?shù)睦鋬鰷囟?使其既可能處在目標害蟲的致死溫度范圍內(nèi),又最大限度地避免藏品損壞,是受控冷凍滅蟲首先必須考慮的問題。

某些昆蟲在略高于0 ℃時,只要低溫持續(xù)相當長的時間也會死亡,例如煙草甲幼蟲(表2),但危害藏品的大多數(shù)害蟲必須冷卻到0 ℃以下,才有可能在相當短的時間內(nèi)完全殺死。需要注意的是,許多昆蟲可通過排出體內(nèi)的排泄物和水分來迅速實現(xiàn)短期冷適應(yīng)。昆蟲通常以這種方式保護自己免受低至-15 ℃的低溫傷害,因而更有效的殺蟲溫度應(yīng)低于-15 ℃[1]。

1890～1930年期間,國外曾經(jīng)使用-10～-15 ℃作為冷凍致死的低溫,但不少昆蟲在該溫區(qū)只是冷昏迷,需要再次重復(fù)冷凍[26]。此階段未能殺死的昆蟲已適應(yīng)先前的冷凍環(huán)境,再次冷凍必須更低的溫度,或者必須延長凍結(jié)的時間。實際上,如果使用更低的溫度,通常是不需要進行第二次冷凍的。

有研究指出,對于倉儲害蟲,其冰點溫度在-4.0 ℃和-22.0 ℃之間,因物種、發(fā)育階段和生理狀態(tài)而異[27]。更多的研究指出,大多數(shù)倉儲害蟲在-25～-15 ℃會被凍死[29]。為了藏品免受傷害,冷凍滅蟲的溫度不得低于必須的溫度,即昆蟲的冰點溫度。由表3可見,不必要的過低溫度會使藏品受損風(fēng)險增大。丹麥的研究還發(fā)現(xiàn),當溫度冷卻至-38 ℃時,某些物品會發(fā)生損壞。

許多研究指出,不必將冷凍溫度設(shè)置為低于-40 ℃以提高冷凍滅蟲的效果。低于-40 ℃沒有額外優(yōu)勢,而且增加了某些藏品損壞的風(fēng)險。例如,大多數(shù)具有彈性的聚合物的硬化發(fā)生在-20 ℃以下,而脆性點多在-50 ℃[7]。在-20 ℃內(nèi)冷凍涂有油漆和清漆的物品,出現(xiàn)龜裂的風(fēng)險可忽略不計。若將其冷凍溫度設(shè)為-20 ℃以下和-40 ℃之間,出現(xiàn)裂紋是可能的[28]。幸運的是,當溫度降至-30 ℃時,紡織品、毛皮、羽毛、皮革、紙張和木材等都不會受低溫冷凍而損壞[29]。

有研究對32種博物館害蟲的低溫死亡率進行了研究,并將已知溫度下的持續(xù)冷凍的時間,或滿足固定時間所需的致死溫度繪制成圖1,以便一旦選定了致死溫度便可參考該圖確定滅蟲時間[29]。

圖1 32種博物館害蟲的低溫死亡率統(tǒng)計圖Fig.1 Low-temperature mortality statistics of 32 museum pests

由圖1可見,只要有足夠長的時間,大多數(shù)危害藏品的昆蟲在-20 ℃都可能被凍死,這使一些在低溫下脆弱物品的冷凍滅蟲成為了可能。美國印第安人史密森國家博物館(The Smithsonian National Museum of the American Indian,NMAI)的大部分收藏品被認為不宜冷凍的,如處在張力下的皮革、具有裂縫的材料、彩繪木制品等,他們將這些具有風(fēng)險的藏品密封在聚乙烯袋內(nèi)并填充一些吸濕性材料,在-20 ℃下至少冷凍了5 d,并沒有發(fā)生損壞[30]。

加拿大保存協(xié)會推薦,受控冷凍殺蟲的溫度為-20 ℃,持續(xù)一周[1]。但有研究指出,許多接受調(diào)查的博物館報告,使用-20 ℃作為冷凍滅蟲溫度可能不足以根除某些害蟲(如皮蠹等)[27]。在實際工作中,一些抗寒性很強的昆蟲,如某些蠹木蟲(如粉蠹蟲與天牛等),可能需要更低的溫度才能致死,否則需要進行再次冷凍滅蟲。有研究建議,受控冷凍滅蟲的溫度可選擇在-20 ℃到-30 ℃之間持續(xù)一周。藏品中大多數(shù)常見的害蟲在-20 ℃都可能殺滅,而-30 ℃適于殺滅耐受性更強的害蟲或檢疫,一些生物標本也可以采用-30 ℃滅蟲[18]。

IPM-WG建議,冷凍滅蟲溫度應(yīng)在零下-29 ℃,而滅蟲時間應(yīng)由昆蟲種類確定[2]。

3.2 凍結(jié)時間的考慮

盡管圖1是基于對三十多種博物館害蟲的致死溫度與冷凍時間的統(tǒng)計圖,在確定了冷凍溫度后,可參考該圖選擇持續(xù)冷凍的時間。但這些致死溫度與時間是針對自由暴露在冷凍環(huán)境中,同時其冷凍前也并未經(jīng)歷過涼爽或低溫環(huán)境的昆蟲。

在館藏環(huán)境中,冷凍滅蟲的凍結(jié)時間是受很多因素影響的,如昆蟲種類及其特性,被冷凍物品的材質(zhì)與空氣流通狀況,以及被處理的藏品在冷凍前所處的環(huán)境溫度等。因此,滅蟲時間應(yīng)比圖1昆蟲裸露在冷凍室的時間更長。

冷凍滅蟲時間是指害蟲感受到致死溫度的時間,而不僅是冷凍柜顯示到達該溫度的時間。物品越薄,核心溫度的變化就越快。物品厚度減半,將使冷卻時間減少四分之一,若物品厚度加倍將使冷卻時間增加四分之一[1]。如大型木制物品,冷凍溫度要穿透木材可能至少需要4個小時[2]。對于象粉蠹蟲、天牛這樣的木材害蟲,深藏在木材內(nèi)部,使其感受到溫度變化就得相當長時間,對于這類材質(zhì)的冷凍滅蟲要比一般藏品的滅蟲須更長的時間。同樣,對于包裝過大、被冷凍物品周圍空氣流通不暢的,都需要更長的冷凍時間。

為了避免昆蟲在冷凍滅蟲期間的假死或冷昏迷,需要適當延長冷凍的時間,特別是要考慮被害藏品在冷凍前所在環(huán)境溫度的狀況。若被冷凍滅蟲物品已經(jīng)在22 ℃或以上的環(huán)境內(nèi)放置了一個月,冷凍滅蟲的降溫也十分迅速,在-29 ℃以下一周的時間內(nèi)是有可能殺滅的。倘若被冷凍滅蟲物品曾在涼爽的環(huán)境內(nèi)保存,一些昆蟲會適應(yīng)寒冷環(huán)境并且不會屈服于冷凍。這時還得考慮對這類物品進行冷凍前的預(yù)處理,否則使其在其冰點溫度下致死需要更長的冷凍時間。

總之,對于冷凍滅蟲的時間,為了確保害蟲全部被殲滅,在足夠低的溫度下進行更長時間的處理是安全的,不建議減少凍結(jié)的時間[2]。否則,等物品回到溫暖環(huán)境,昆蟲復(fù)蘇后,要將其再度冷凍殺滅需要更低溫度或更長的滅蟲時間。因此,盡管理論上-29 ℃一周可能殺滅倉儲害蟲,但更多的收藏單位將物品放在冰箱里1～2周以上,有的甚至更長時間。

4 冷凍滅蟲的過程控制

冷凍滅蟲過程關(guān)系著滅蟲效果與被處理藏品的形體安全,整個過程必須嚴格與科學(xué)地把控。

4.1 冷凍滅蟲的基本過程

冷凍滅蟲的基本過程包括滅蟲前的準備、滅蟲中的溫度與時間控制以及滅蟲后的管理工作。

4.1.1冷凍滅蟲前的準備 冷凍滅蟲前的準備工作包括以下4個環(huán)節(jié)。

1) 將易碎物品或精細的物品置于無酸瓦楞紙盒內(nèi),并勿擠壓它們。如果太脆弱而難以處理,可使用導(dǎo)熱性好的有孔托盤或金屬支撐物保護。有孔托盤不僅利于加快空氣循環(huán)以提高制冷率,還可避免冷凍過程中藏品受到傷害。

2) 對于必須卷放或折疊的物品,小心地卷制與折疊并使其厚度降到最低,以提高冷卻速度和避免冷卻溫度的不均勻。

3) 將被處理的物品單獨放在塑料袋中,盡量排空袋內(nèi)空氣,然后將袋子緊緊密封,以降低冷凍過程中因相對濕度變化和水分遷移給物品帶來的損壞。

4) 在進入冷凍柜前,將密封好的物品置于室溫中保存。冷凍過程中,物品周圍的溫度是會波動的,如冷凍與緩慢解凍過程,制冷設(shè)備的機械故障也會造成冷凍過程中的溫度波動。物品周圍空氣溫度的波動直接影響其濕度變化,空氣濕度改變會直接影響到處于該環(huán)境中的物品的含水量升降,由此可能會改變有機材質(zhì)物品(如紙制品、織物、皮革或木頭等)的尺寸,有的會因此導(dǎo)致裂紋。處在該環(huán)境中的無機物(如石頭、金屬等)也會因其環(huán)境濕度變化而出現(xiàn)水珠凝結(jié)。冷凍前將物品置于一個空氣含量極少的環(huán)境中,可預(yù)防以上問題的發(fā)生,這就是為什么冷凍前物品必須置于聚乙烯袋密封,并盡可能多地排除袋內(nèi)的空氣的原因。聚乙烯袋具有優(yōu)良的耐低溫性能及良好的化學(xué)穩(wěn)定性,并具有阻隔水汽功能,將物品置于其中可創(chuàng)建一個封閉的系統(tǒng)。

對于含水量變化敏感或易損壞的物品,可用吸濕性材料(如無酸薄紙、棉毛等)包裹再置于聚乙烯袋內(nèi)排除空氣密封。一些被認為冷凍處理有風(fēng)險的物品,經(jīng)過這樣處理大多沒有發(fā)生損壞[1]。同時,袋子本身還可預(yù)防冷卻的物品在恢復(fù)到室溫時發(fā)生的冷凝,將任何冷凝物阻擋在袋外。盡管水汽也會緩慢滲透到聚乙烯袋,但其發(fā)生的時間遠遠大于袋子被冷凍的時間[7]。

為了使被冷凍物品處在一個密封的環(huán)境,聚乙烯袋的封口十分重要。有研究推薦熱封是首選的,也可采用防水膠帶密封,因為在冷凍過程中它們不會失效,可確保袋內(nèi)的空氣與其周圍環(huán)境的隔離。膠粘帶、自封袋或繩線捆扎在冷凍過程中容易失敗,由此造成密封的失效[29]。

4.1.2冷凍滅蟲過程中的控制 當冷凍柜的溫度已經(jīng)達到設(shè)定的滅蟲溫度后,才可將被聚乙烯袋密封后的物品放入冷凍柜,在此期間盡量不要打開冰柜以減少柜內(nèi)溫度波動與震動。

到達預(yù)定的滅蟲時間后,關(guān)掉冷凍柜回溫,不要打開冰柜,讓滅蟲物品在冰柜內(nèi)緩慢地解凍至少24 h以上。

在該過程中,有以下關(guān)鍵點必須注意。

1) 必須在冷凍柜達到指定冷凍溫度后才可放入物品,而不是先放入物品再降溫。其目的是讓昆蟲感受降溫是短促的,減少昆蟲對低溫的適應(yīng)性,以保證殺蟲效率。

2) 物品的排放。物品在冷凍柜內(nèi)的排放直接影響到制冷速度與物品冷卻的均勻性,在排放過程中需要注意以下問題。

(1) 為盡快讓物品冷至冷凍溫度,被處理的物品不可排放太緊密,以確?？諝庠谖锲分車浞至鲃印?/p>

(2) 物品不可堆疊得太厚,使被冷凍物品暴露出最大的比表面積,以便物品可以被快速降溫。物品堆砌太厚,不僅延緩降溫速度,而且還會使物品冷凍不均勻。海外收藏部門建議,放置的書籍厚度勿超過25 cm,以防其中心部位無法達到指定的低溫而使殺蟲無效。

(3) 物品不要直接與冰柜四壁接觸,要使用傳熱性好的擱架(如金屬架)作為冷凍柜的支架,以防熱橋出現(xiàn)。不要使用隔熱性能好的材料做擱架,這會降低物品冷卻速度。

3) 冷凍溫度的檢測。冷凍溫度應(yīng)是物品被冷卻的溫度,冷凍時間也應(yīng)從物品被冷卻到設(shè)置溫度時才開始計算。這是由于物品的實際溫度與冰柜顯示的溫度可能會有差距,有研究指出,對于大多數(shù)物品,在冰柜內(nèi)整個物品溫度達到平衡的時間需要一天[1]。因此,直接檢測被冷凍物品中心位置的溫度是最科學(xué)的。加拿大保護中心建議[1],若可能應(yīng)采用在導(dǎo)線上帶有探針的溫度計檢測被冷凍物品(如書籍或紡織品)的中心溫度。

4) 冰箱故障預(yù)警。冰箱出現(xiàn)任何故障都可能會影響到被冷凍物品的安全,采用傳感器對冷凍機的故障進行報警尤為重要。

4.1.3冷凍結(jié)束后的處理 關(guān)閉冷凍機電源至少24 h后才有可能使冷凍柜內(nèi)物品恢復(fù)到室溫,只有被冷凍的物品恢復(fù)到室溫后才可以將其從冷凍柜中輕輕取出,并盡量少地直接觸碰,以免損壞。

1) 取出物品。從冰柜取出物品后最好再在常溫下緩沖2～4 h后再除去包裝,以免物品上出現(xiàn)凝結(jié)水。在取出被冷凍物品之前,有收藏機構(gòu)建議須先開啟工作室內(nèi)的除濕機,待室內(nèi)濕度達到50%時再打開袋子并取出物品,以降低物品結(jié)露的風(fēng)險。

2) 隔離觀察滅蟲效果。冷凍滅蟲后的物品不能立即返回到藏展環(huán)境中,以免滅蟲不徹底給其他藏品帶來蟲害,因此必須先隔離一段時間(至少3周以上時間),待確實證明沒有害蟲存活后方可歸還到原來的環(huán)境中。

將物品仍然置于袋中并在隔離室進行疫情觀察。一般說來,未死幼蟲或成蟲有可能在溫暖環(huán)境中幾天后蘇醒,而尚未殺死的蟲蛹、蟲卵需要3周或更長的時間才能觀察到滅蟲效果。因此,隔離室內(nèi)的物品至少應(yīng)該每周觀察一次,檢查有無新的蟲害跡象與活蟲出現(xiàn)。

經(jīng)過至少3周以上的觀察,確實沒有蟲的再次侵擾跡象才可以重新回到藏展處。

3) 清理污物與初步檢查。在適當?shù)牡胤?如通風(fēng)柜、隔離室、室外)清理被蟲侵染的物品,包括死蟲與其蛀屑等。在此過程中,若發(fā)現(xiàn)活蟲,必須重新進行冷凍滅蟲。啟動再次冷凍滅蟲需要降低冷凍溫度與延長冷凍時間,因為這類蟲子已經(jīng)具備了抵抗寒冷的能力。

4.2 冷凍滅蟲的其他關(guān)鍵問題

冷凍滅蟲除須對以上基本問題進行控制外,以下幾方面問題也相當重要。

4.2.1冷凍設(shè)備的選擇 冷凍滅蟲是否成功除了正確地選擇冷凍溫度與確定冷凍時間外,冰柜內(nèi)的溫度是否能夠快速降低也極其重要,冷凍柜內(nèi)溫度降低的速度也與冷凍設(shè)備的選擇相關(guān)。冷凍殺蟲需要選擇專用的冷凍殺蟲設(shè)備,而一些普通冷凍設(shè)備難以快速地將溫度降至該類昆蟲的冰點,難以達到殺蟲效果[31]。

一般說來,凡是最低溫度無法達到并保持在-20 ℃或更低溫度的冷凍設(shè)備是不可取的。有研究建議,理想的殺蟲冷凍設(shè)備應(yīng)可在-30 ℃和-40 ℃之間工作。送風(fēng)式急速冷凍機是優(yōu)選的,因為其強制空氣循環(huán)可提高冷卻速度[1-2]。最好使用深度冷凍裝置而不是家用的普通冰箱,更不宜采用自動除霜冰箱。自動除霜冰箱在冷凍滅蟲過程中無法保持冷凍柜的溫度恒定。在除霜期間,冰箱內(nèi)的溫度會上升到預(yù)設(shè)的冷凍溫度以上[32]。

IPM-MG依據(jù)已有的冷凍設(shè)備的特點,提出了冷凍設(shè)備的建議,見表4[2]。

表4 幾類冷凍設(shè)備的特點Table 4 Features of several types of refrigeration equipment

4.2.2降低物品損壞的風(fēng)險 冷凍滅蟲過程中,相對濕度的變化以及低溫下的物品暫時硬化是可能造成被冷凍物品損壞的主要因素。但冷凍后物品開裂的風(fēng)險不僅來自低溫,更多是由于操作不當。物品經(jīng)受低溫出現(xiàn)的硬化(或脆化)多是可逆的,即在回溫后物品可恢復(fù)其柔韌性,但物品在充分升溫之前就可能會受到結(jié)構(gòu)損壞。這種風(fēng)險包括來自有故障冰箱的電機的振動力、物品尚冷時移動過猛,甚至物品本身的重量(如有粘合劑的物品)[6]。為降低物品在冷凍滅蟲過程中產(chǎn)生裂紋的風(fēng)險,在物品回溫前千萬不要使其經(jīng)受振動,將物品從冰箱取出宜小心持拿,輕取輕放,不到其恢復(fù)到室溫前盡量避免觸碰,因為這時密封袋內(nèi)的物品比較脆。

此外,冷凍過程中無法避免裂紋產(chǎn)生的物品是不宜進行冷凍滅蟲的。

被采用的冰箱應(yīng)該是干凈的,沒有任何其他物品,如食品等。這些東西在斷電后會對藏品產(chǎn)生污損。

4.2.3某些受害藏品的預(yù)處理 如果在冷凍滅蟲之前,昆蟲是藏匿在陰涼處,它會逐漸適應(yīng)寒冷氣溫而增加耐寒性,使其在冷凍滅蟲中需要更長的時間才能致死。例如,煙草甲在15 ℃環(huán)境中生活一個月就可以獲得耐寒性,這比生活在27 ℃環(huán)境中同齡幼蟲在低溫下更難殺死。表5列舉了這兩類煙草甲幼蟲在致死性低溫(-20～5 ℃)下達到100%死亡率的最短時間。

表5 兩類煙草甲四齡幼蟲低溫致死的時間比較[21]Table 5 Comparison of the low-temperature death time of the fourth instar larvae of the two types of tobacco beetle

由上可見,馴化后的幼蟲致死時間是同溫度下快速降溫致死時間的2～5倍。由表5還可見,致死溫度越低,兩者致死時間差距越小;致死溫度越高,致死時間的差距就越大。

因此,對于冷凍前處于涼爽環(huán)境(如15 ℃以下)中的有蟲物品,若要采用冷凍滅蟲需要進行預(yù)處理。很多研究建議將其置于室溫下數(shù)周以完全去除昆蟲抵御寒冷暴露的能力。加拿大保存協(xié)會建議[1],將其置于室溫下一個月以誘導(dǎo)昆蟲從其蟲體內(nèi)去除保護性物質(zhì),以利于冷凍滅蟲。筆者認為,對于馴化后的昆蟲不宜再采用冷凍滅蟲處理,可采用常壓下的低氧氣調(diào)殺滅,因為這么長的等待時間會給藏品帶來更大的危害。

5 結(jié) 論

受控冷凍滅蟲法是具有風(fēng)險的,表6列出了受控冷凍滅蟲法的風(fēng)險因子。

表6 受控冷凍滅蟲法的風(fēng)險因子分析Table 6 Risk factor analysis of controlled freezing disinsection

受控冷凍滅蟲法是依據(jù)昆蟲的致死溫度、持續(xù)冷凍時間以及昆蟲如何在寒冷中生存的知識設(shè)計的,只要溫度足夠低、冷凍時間足夠長以及使被處理物品快速降溫,徹底滅蟲是可行的。其中一個需要特別注意的問題就是冷凍前已經(jīng)具有抗寒能力的昆蟲處理,建議對這類昆蟲不要再進行冷凍殺滅,常壓低氧滅蟲可以徹底地將其消滅。

受控冷凍滅蟲過程中物品的損壞與被處理物品的材料特性相關(guān),對不適于冷凍滅蟲的物品應(yīng)嚴格排除在冷凍滅蟲之外,可選用常壓低氧滅蟲更為安全。為了避免極端低溫對藏品帶來的損壞,應(yīng)科學(xué)地選擇冷凍溫度。若滅蟲前已經(jīng)對藏品害蟲進行了鑒定,則可以依目標害蟲的冰點溫度作為冷凍溫度。若擬滅蟲藏品的害蟲蟲種未知,-29 ℃是可供考慮的冷凍溫度。冷凍時間對藏品形體影響不大,1～2周以上的時間都是極為妥當?shù)倪x擇。為降低冷凍滅蟲過程對藏品的可能損害,須嚴格管控冷凍過程,包括冷凍設(shè)備的選擇,冷凍前的密封處理,冷凍過程中科學(xué)地排放物品與對被冷凍物品的溫度監(jiān)控等,冷凍解除后物品拿出冷凍柜及打開包裝等一系列過程的嚴格管控。

鑒于以上風(fēng)險分析,受控冷凍滅蟲并不是所有類型藏品都可以選用的滅蟲方法,對于可以通過受控冷凍滅蟲的物品,滅蟲過程中的風(fēng)險控制極為重要,管控不當會使滅蟲無效,或是本來可以避免的損壞發(fā)生。