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馆藏动物标本杀虫剂残留物元素检测分析

  • 丁宁

    机 构：

    广东省博物馆,广东广州 510623

    ×

广东省博物馆,广东广州 510623；

Detection and analysis of residues in museum specimens

  • DING Ning

    Affiliation：

    Guangdong Museum, Guangzhou 510623 , China

    ×

Guangdong Museum, Guangzhou 510623 , China；

作者简介:

丁宁(1983—),女,研究方向为自然标本征集、保管与展示,茶文化,E-mail:gddning@163.com

中图分类号:K854.3

文献标识码:A

文章编号:1005-1538(2021)02-0074-10

DOI:10.16334/j.cnki.cn31-1652/k.20190801527

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目录contents

    摘要

    动物标本的有害物主要产生于标本制作过程、保养方式和所处环境。为了解有害物残留情况,对广东省博物馆的动物标本抽样进行了能量色散X射线荧光光谱分析法(ED-XRF)和电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES)实验分析。研究发现,馆藏动物标本羽毛和毛均有不同含量的硫(S)、钙(Ca)、砷(As)、氯(Cl)、钾(K)、铝(Al)、铁(Fe)、硅(Si)、锌(Zn)等元素;哺乳动物和大型猛禽标本的铁、锌等微量元素质量比高于其他实验物种;自然状态下,砷元素长期附着标本的表面和内部,毒性可影响接触者,不利于环保。建议剥制动物标本过程中避免使用砷化物。

    Abstract

    The common harmful residues found in animal specimens are mainly due to taxidermy, conservation and the environment. In order to clarify the situation, Guangdong Museum (GDM) used energy dispersive X-ray fluorescence (ED-XRF) and inductively coupled plasma-optical emission spectrometry (ICP-OES) for analysis and then found that 1) both feather and hair of specimens in GDM contain sulfur (S), calcium (Ca), arsenic (As), chlorine (Cl), potassium (K), aluminum (Al), iron (Fe), silicon (Si) and zinc (Zn), etc. using ED-XRF to detect elemental compositions; and 2) mammalian and large raptor specimens have higher amounts of trace elements such as iron and zinc. Under normal conditions, arsenic, which is toxic, adheres to the surface and inside of specimens for a long time, affecting both keepers and the environment. Thus, it is recommended that arsenic compounds be prohibited in taxidermy.

    关键词

    动物标本 ； 残留物 ； 元素组成 ； 砷

  • 0 引言

  • 动物标本剥制是采用一定工艺和材料处理死去动物,保存其皮表、羽毛或鳞片等覆盖物的过程,力争再现动物的原貌、行为与神韵。从事标本制作工作的人员称为剥制师。制成的标本主要供高校、研究所用于教学和研究,供博物馆、自然保护区等科普文化场所用于展示。标本中有害残留物主要产生于其制作过程、保养方式和所处环境。具体说来,传统动物标本剥制过程中通常采用砒霜膏等药物处理动物皮张,标本保养多化学方法处理,标本保存或展示环境中消防、安防等材料产生的挥发物将直接或间接残留于标本中。

  • 1 残留物来源

  • 1.1 动物标本剥制

  • 动物标本剥制技术的发展约有400年历史[1]。19世纪末至20世纪初分别从欧洲、日本传入中国,最初由传教士传授,而后随科学仪器的引进和相关药品的改进,此技术在中国逐步发展、成熟[2],形成各具特色的“南唐北刘”两派。“南唐”代表人物为唐春营,1865年他曾作为法国学者赫德的助手,在认真学习的基础上,逐渐自成一家,即唐氏标本世家。他惯用填充法,此方法易于掌握,制成的标本轻巧,适用于鸟类、小型哺乳动物、小型爬行动物的标本制作,也适合中国南方气候。“北刘”代表人物为刘树芳,北平农事试验场(现北京动物园)等是他动物标本制作的主要场所[3],“假体填充法”为其特长,这两派奠定了中国动物标本制作的基础[4]。中国动物标本制作技术可分为传统剥制和现代剥制技术。传统动物标本剥制技术以鸟类剥制标本为例,一般包括以下工序:测量、剥制、剔肉、脱脂、脱水、防腐、装架、填充或假体、缝合、整形、安装义眼、固定、梳理羽毛或皮毛等[5]。制作标本的过程需要使用化学药物进行防腐,而其中大量涉及有害物(表1)。如使用砒霜膏等药物处理动物皮张,使之具有一定的防腐性。砒霜膏中的砷元素有致癌作用,理应谨慎采用。

  • 1998年一些机构开始检测动物标本的有害残留物,但进展缓慢。加拿大、日本等学者曾有研究表明动物剥制标本有浓度较高的有害残留物,86%检测出元素砷[6-7]。国际博物馆协会收藏专委会(ICOM-CC)2004年年会文章曾阐述了鸟类标本有害残留物砷化物的检测方法[8]。2006年有研究者呼吁应每两至三年集中检测动物标本的有害残留物,并对其实时监测;采取保护措施,切实保护接触标本工作人员的身心健康。芬兰Granqvist于2015年发文[9]倡议在动物标本制作中禁止使用含砷的防腐剂。中国博物馆中收藏的动物标本物种与国外收藏的不同,有一定的地区特异性。国内,张波2015年曾评述了动物标本残留物和检测技术方法[10],但其中并无实验数据。2019年6月11日,中国知网的文献库数据检索“有害残留物检测”,搜索文章的主要对象涉及食品、水、土壤、岩矿等,无动物标本的“有害残留物检测”,更缺乏对动物标本接触者健康和环境影响的数据,一定程度上限制了中国标本制作的工艺发展。

  • 表1 国内博物馆动物标本剥制和保存处理方法[11-12]

  • Table1 Taxidermy and animal specimens keeping ways in domestic museums

  • 1.2 动物标本保养方法

  • 经过实地调研、查阅资料以及向一些兄弟博物馆、标本制作公司咨询得知,国内大型自然博物馆的动物标本多保存于恒温恒湿环境中,结合采用物理、化学、生物等方法定期维护动物标本[13]。物理方法具有方法简便,无残留,无污染等优点,多采用低温冷冻方法、充氮气等方法,但须具备一定的硬件条件,如上海自然博物馆和浙江省自然博物馆利用低温冷库处理或维护大型动物剥制标本;深圳博物馆采用真空充氮[14]。化学方法(表1)优点效果好、广谱性,各单位普遍采用杀虫剂进行处理。杀虫剂种类繁杂,副作用小、渗透力强,并以能杀死卵、幼虫、蛹、成虫等害虫的各个发育阶段的杀虫剂为优选,如大连自然博物馆处理标本用调配后的2%溴氰菊酯原液;天津自然博物馆用“都灭”悬浮剂[15]处理;北京自然博物馆使用溴甲烷熏蒸;重庆自然博物馆采用硫酰氟熏蒸等;广东省博物馆(以下简称“粤博”)的标本采用定期药物熏蒸,已使用环氧乙烷、磷化铝熏蒸处理。这两种药品是常见的广谱性熏蒸杀虫剂。卢衡[16]曾就环氧乙烷与文物中的蛋白质成分影响做了研究。胡灿等[17]采用XRF对磷化铝熏蒸剂进行了其水解前后残留检测。以上均无以动物标本为实验对象进行磷化铝残留量的检测内容。

  • 1.3 存放环境

  • 《博物馆建筑设计规范(JGJ 66—2015)》中规定了收藏动植物标本的库房温度标准在20℃,相对湿度在50%~60%之间[18]。展览中,动物标本的展示方式有橱窗式独立展柜,也有开放式景观展示。受温湿度、照明度、周围微生物、展柜等客观环境因素影响,展示环境的硬件装修和配套设施使用的工程材料及其挥发物也会对动物标本造成伤害。高浓度的挥发性物质会附着到标本上,成为有害残留物来源之一。不良影响短期内不易察觉。待发现时,标本的不良状态已持续一段时间,甚至无法挽救,故需提早做好标本的预防性保护。

  • 截至2019年5月,粤博动物剥制标本约1 076件(套)来源为馆原有收藏、调拨、征集以及社会捐赠等。征集的标本为2004年起采购于国内若干家标本公司,标本由标本公司自行采集制作或购买半成品标本进行再加工处理。为了解中国动物标本有害物残留物的情况,实验以粤博动物剥制标本为研究对象,并尝试对磷化铝熏蒸后的标本残留情况进行更进一步分析。

  • 2 实验步骤及方案

  • 粤博库房为恒温恒湿环境,其温度控制在20~25℃之间、相对湿度控制在60%~65%。2018年5月24日,SGS广州实验室对动物标本收藏的主要地点——动物库房进行了环境测试,数据为温度22.4℃,湿度52.3%,大气压101.1kPa,三氧化二砷(As2O3)<0.528ug/m3[19];磷化氢(PH3)<0.18mg/m3[20],中央空调控制循环系统下的库房环境对动物标本残留元素的影响,不作考虑。

  • 2.1 采集样品

  • 2019年抽取粤博21件馆藏动物剥制标本作为分析对象。鸟类标本曾因虫害而进行多次药物熏蒸,因而对其侧重取样,选取鸟类标本15件。取样部位为工作人员经常接触的部位,如标本的胸、腹、背部以及鸟类的尾部。将选取的羽毛、兽毛进行标记、记录和测试。

  • 2.2 主要仪器设备和测试方法

  • 测试仪器为粤博文物保护科技中心的EDAX Orbis X射线荧光光谱仪,测试条件为40kV,1 000 μA,时间常数6.4 μs,1mm射线管,谱采集时间100s,除样品的铝元素测试需要真空条件外,其他检测条件相同,均为大气环境。采用能量色散X射线荧光光谱分析法(Energy Dispersive X-ray Fluorescence,ED-XRF)即可定性或定量获得待测物质的元素组成。

  • 将XRF分析筛选出砷或铝元素质量比相对较高的标本,送交广东检验检疫技术中心进行电感耦合等离子体发射光谱仪(Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometer,ICP-OES)检测,仪器为美国安捷伦(Agilent)公司型号5100,检测方法参见[21-22]。

  • 3 结果和分析

  • 3.1 有害残留物检测

  • 羽毛、兽毛成分为角蛋白、钙、钾、铁、锌等金属元素和一些呈色元素[23]。对样品进行ED-XRF检测,发现其中不同程度存在硫(S)、钙(Ca)、砷(As)、氯(Cl)、钾(K)、铝(Al)、铁(Fe)、硅(Si)、锌(Zn)等元素(表2和图1),含硫元素的质量比最大值在A431标本96.59%,均值为74.58%;含钙元素的质量比最大值在A137标本34.57%,均值为10.32%。含砷元素的标本占抽样标本总数的95.23%,均值为6.69%。4号样品砷元素质量比为最大值39.33%。

  • 表2 部分实验标本的ED-XRF元素质量比

  • Table2 Elemental mass ratio by ED-XRF analysis of the animal specimens(%)

  • 以红嘴蓝鹊(Urocissaery throrhyncha,No.4,No.5)标本为例,来源单位相同,存在硫、钙、砷、钾、铁等元素。标本号No.4羽毛中硫元素质量比为:胸部46.17%,尾部92.68%,背部84.58%,腹部68.96%,尾部值最高;羽毛中砷元素质量比为:胸部39.33%,背部6.78%,腹部19.14%。胸部羽毛的砷元素含量为最高(图1~2)。标本号No.4和No.5的腹部、尾部元素比值硫元素最高。

  • 图1 红嘴蓝鹊腹部、尾部羽毛ED-XRF元素质量比

  • Fig.1 ED-XRF detection of elemental mass ratio of feather samples taken from different parts of Red-billed Blue Magpie

  • 图2 ED-XRF检测4号(胸部)图像及能谱图

  • Fig.2 ED-XRF analysis of the samples taken from No.4chest

  • 3.2 来源不同的同种动物标本残留物比较

  • 对来源不同的同种标本进行取样检测残留物,标本尺寸相近,以绿翅鸭(Anas crecca)和狼(Canis lupus Linnaeus)为例。标本来源为固有馆藏、征集或自行制作。经ED-XRF检测结果为硫、砷、钙、铁为主要元素,硫元素质量比最高。以砷元素为例,5件标本尾部取样结果砷元素质量比由高到低为No.1>No.6>A301>A357>A513(图3a);腹部羽毛取样结果,砷元素质量比由高到低为A301>No.6>A513(A357、No.1缺失,图3b);背部羽毛取样结果,砷元素质量比由高到低为No.1>A301>A357>A513(No.6缺失,图3c);胸部羽毛取样结果,砷元素质量比由高到低分为No.1>A357>No.6(A301、A513缺失,图3d);标本取样砷元素质量比平均值由高到低为No.1>A301>No.6>A357>A513;由于取样点不同,导致一些数值缺失。ED-XRF检测绿翅鸭不同部位能谱图见图4。No.1标本入藏时间较长,其砷元素质量比高,推测是由于早期制作的标本,普遍采用含砷元素成分高的防腐剂处理标本。

  • 图3 绿翅鸭不同部位ED-XRF元素质量比图

  • Fig.3 ED-XRF detection graphs of elemental mass ratio of feather samples taken from different parts of Eurasian Teal

  • 图4 ED-XRF检测绿翅鸭不同部位的能谱图及图像

  • Fig.4 ED-XRF analysis(energy spectra and imges) of the samples taken from different parts of Eurasian Teal

  • 对不同批次征集的3只狼标本(M13,M76,No.8)颈部、腹部取样。经检测(图5),以砷元素为例,腹部、颈部砷元素质量比由高到低为No.8>M13>M76;砷元素质量比平均值由高到低为No.8>M13>M76。ED-XRF检测狼能谱图见图6~7。No.8标本入藏时间为三者中最久,其砷元素质量比越高,推测是由于早期制作的标本,采用含砷元素成分较高的防腐剂处理标本。狼毛砷元素质量比腹部值高于颈部值,M76标本检测存在氯元素。数据显示,M8,M13,M76,A57检测存在氯元素,这4件标本来源为同一家公司,推测该公司在标本制作或养护方法中使用了含氯元素的物质。

  • 图5 狼(M13,M76,No.8)颈、腹部取样ED-XRF砷元素质量比

  • Fig.5 Detection of elemental mass ratio of samples taken from neck and abdomen of 3wolves

  • 图6 ED-XRF检测狼M13、M76、No.8(颈部)能谱图

  • Fig.6 ED-XRF analysis(energy spectra) of the samples taken from neck of wolves M13, M76and No.8

  • 3.3 熏蒸处理的标本残留物比较

  • ED-XRF检测铝元素存在的标本草原雕(Aquila nipalensis,A431,2010年安徽购买),大鵟(Buteo hemilasius,A56,2005年福建购买)占检测标本总数的950%,均为两次磷化铝杀虫处理的标本,两次处理时间分别为2013年和2018年7月。铝元素质量比(图7)分别为29.30%,1.83%,29.37%,33.29%。A301、A357样品的标本2013年经磷化铝熏蒸处理一次,A513样品的标本2016年经环氧乙烷熏蒸处理一次,但以上这3件标本并无检测到铝元素。ED-XRF检测A431、A56能谱图见图8~9。数据显示A431、A56是这2件标本制作防腐过程的药物不含砷元素或者含量较低,有待定量进一步检测结果;二是这两件检测到硅元素存在,推测硅来自空气中的灰尘颗粒或标本经过含硅元素的制剂处理过。

  • 图7 ED-XRF元素质量比

  • Fig.7 ED-XRF detection of elemental mass ratio of animal specimens

  • 图8 ED-XRF检测A431(背部)能谱图及图像

  • Fig.8 ED-XRF analysis(energy spectrum and image) of the samples taken from A431(back)

  • 图9 ED-XRF检测A56(背部)能谱图及图像

  • Fig.9 ED-XRF analysis(energy spectrum and image) of the samples taken from A56(back)

  • 3.4 ICP-OES检测

  • 砷在自然界主要与硫形成矿物形式,以无机砷的毒性最大。本实验侧重有害残留物元素分析,但无法确定砷的存在形式,推测三氧化二砷(As2O3)或硫化砷(As2S3)等其他形式;又因为ED-XRF采样少,不对动物标本造成损害,微量采样优势显然,故先用XRF分析软件采用元素的质量比,仅作为定性分析进行初选。进行ICP-OES定量分析,可以更精确测定样品中存在元素浓度。首先ICP仪器的使用有一定成本和条件,其次ICP-OES往往需要对取样的重量有一定要求,这个要求可能会影响标本的美观和利用度,鉴于这种分析具有较高的灵敏度,故只对少数样品做定量分析,对初选结果中筛选出砷、铝质量比较高的样品标本进行检测。ED-XRF检测分析采用方法采用环境空气分析标准,采用的设备和分析软件模式对分析结果影响很大,ED-XRF与ICP-OES两种分析采用的原理和方法不同。前者是相关可测元素相对质量百分比,受方法和测试模式的限制,大量的有机元素并未计入,会造成与ICP-OES方法结果的有一定的偏差。如No.1样品在ED-XRF检测中砷元素质量比最高达39%,ICP-OES检测再次验证砷元素浓度均值最高,为16 952mg/kg。

  • ICP-OES检测对象为ED-XRF检测结果砷或铝元素质量比高的(A56、A57、No.1、A394)标本、A56、A57来源相同且未熏蒸过No.9标本、未经过熏蒸A521进行对比。ICP-OES检测结果中均发现砷、铝元素(表3,与ED-XRF取样部位相同)。No.9、A521未进行ED-XRF检测。A56在XRF检测结果中没有检测到砷元素,对同部位取样,经ICP-OES检测到砷浓度平均值为5 448mg/kg;No.1铝元素浓度为1 204mg/kg。No.9砷浓度值均超过了3 500mg/kg。

  • 表3 ICP-OES检测动物标本重金属浓度

  • Table3 Detection of elemental concentrations of As and Al of animal specimens(mg/kg)

  • 粤博磷化铝熏蒸方法采用有效成分含量不少于56%的药品片剂,每片重3.2±0.1g,比重1.183,每平方米使用量4片,密闭熏蒸。处理后,空间密闭一周后自然通风。通过磷化氢检测管测定空间残留气体浓度,确认处理空间气体浓度为安全值后,将标本回库。熏蒸处理次数A56、A57为两次,A394为一次,No1、No9、A521为零次。实验发现,ED-XRF检测出铝元素的标本均经过两次熏蒸处理。ED-XRF检测A57无铝元素,对同部位取样,经ICP-OES检测到铝浓度平均值为1 116mg/kg;标本铝元素浓度数值达3 600mg/kg以上,ED-XRF才可检出。ICP-OES检测A56样品铝浓度3 630mg/kg,铝元素浓度A56、A57高于同等收藏条件下的标本A394、A521。

  • 4 结论

  • 通过对粤博21件动物标本为研究对象进行ED-XRF检测,对6件动物标本进行ICP-OES检测,取样于库管人员常接触的部位,得出以下结论。

  • 1)经ED-XRF检测动物剥制标本表羽毛、毛,初步判断含有硫(S)、钙(Ca)、砷(As)、氯(Cl)、钾(K)、铝(Al)、铁(Fe)、硅(Si)、锌(Zn)等元素,含砷元素的标本占检测标本总数95.23%,含铝元素的标本占检测标本总数9.5%。绝大多数动物标本不同程度含有砷元素。

  • 2)动物标本羽毛、毛的砷元素质量比平均值由高到低的顺序为建馆馆藏、20世纪90年代制作的标本、2017年征集、2004、2005年征集。标本制成的时间早于征集时间。初步推测传统剥制标成的动物标本,入馆藏越久,含砷质量比越高。这与早期国内动物剥制标本技术水平相关,绝大多数采用砒霜膏等含砷物质进行防腐处理,砒霜膏成分配比中砷元素较高。2006年后,中国动物剥制标本技术进入新阶段、新水平,砒霜膏使用逐渐减少。而2017年征集的A56、A57含砷元素较高,经调查发现这批标本为传统方法制作后再加工处理,因此仍属于剥制早期的标本,No.9标本情况亦如此。此外,同等条件下,羽毛细腻柔软度越高,含有的砷浓度可能会更高。

  • 3)狼毛砷元素质量比腹部高于颈部,可推出两种可能,一是药物剂量相同使用下,腹部吸附大于颈部,或者同等单位面积的皮毛,腹部使用的药物量高于颈部,渗透更多一些。此外,哺乳动物、猛禽标本在铁、锌等微量元素的质量比较高。小型鸟类标本实验未检测到锌元素。

  • 4)绿翅鸭No.1已知制作完成时间近30年。日常库房保管中,砷元素含量仍比较高,证明砷元素可长期附着标本表面、内部。砷化物很大程度以氧化物、硫化物存在,物质存在形式仍需进一步测试。库房空气的砷元素浓度较少(如SGS检测结果),证明在恒温恒湿、新风循环管控下,库房空气质量可达标准,但标本表面上的含有砷微粒物可能会转移到其接触人员的手上,因此需要接触标本的工作人员做好皮肤防护。为了环保和健康,建议在剥制标本时禁止砷化物的使用,或寻找更安全的防腐剂或方法处理动物标本为上。

  • 5)经过磷化铝熏蒸处理,动物标本自然通风5年,铝元素残留较少,如A53,A394;熏蒸处理后,自然通风半年仍有铝元素残留如A431、A56、A5;No.1标本未经过馆内磷化铝熏蒸,但在2017年入馆前,标本公司曾作处理;以上推测如果标本的铝元素浓度大于1 000mg/kg,证明该标本至少一年内经过至少一次的含磷化铝熏蒸剂的处理,或者保存条件中有磷化铝、含铝的熏蒸药物的存在。

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  • 基本信息

    中图分类号: K854.3
    文献标识码: A
    DOI: 10.16334/j.cnki.cn31-1652/k.20190801527
    文章编号: 1005-1538(2021)02-0074-10

    基金信息

    广东省博物馆学术委员会资助(201701)；

    引用信息

    稿件历史

    收稿日期: 2019-08-23

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