刘家真

(武汉大学信息管理学院,湖北武汉 430072)

0 引 言

受控冷冻灭虫法(controlled freezing disinsection)是指对冷冻过程进行严格控制的灭虫方法,在我国常简称为冷冻灭虫法。昆虫在致死低温区,其体液会结成冰晶,虫体原生质将遭受机械损伤、脱水和生理结构被破坏,从而导致死亡。只要温度足够低,持续冷冻的时间足够长,危害藏品的任何昆虫都无法在冷冻的环境中存活。但作为藏品灭虫的工具,该冷冻法必须保障在藏品安全的前提下,做到彻底灭虫且高效与经济,由此必须对冷冻过程中某些特定的量与过程加以管控。受控冷冻灭虫法对以下几项指标必须严格控制。

1) 冷冻温度。冷冻温度应覆盖目标害虫的冰点温度。可冻死害虫,但不会损坏藏品。

2) 冷冻时间。在冷冻温度下,使死亡率达100%的时间。

3) 迅速降温。为避免昆虫在缓慢降温过程中获得抗寒的能力,冷冻灭虫需要迅速降温。

昆虫可通过增加虫体组织中甘油和糖的浓度来降低其冰点,使原来设置的冷冻温度无法使其体液结冰。昆虫还可通过向其体液注入一种特殊的核蛋白来控制体内结冰,即使冷冻数月,在物品解冻后,其中的害虫仍然能够复苏[1]。要获得这类抗寒能力,昆虫需要有足够时间进行代谢变化和生境准备。综合虫害管理工作组(Integrated Pest Management Working Group,IPM-WG)指出,冷冻设备若能够在4 h内将被冷冻的物品降到害虫的冰点,就不可能给害虫产生“防冻剂”的时间[2]。

正是由于受控冷冻灭虫法是依据昆虫的致死温度、持续冷冻时间和昆虫如何在寒冷中生存的知识设计的,其百分之百致死昆虫的能力毋容置疑。由此,受控冷冻灭虫法成为化学熏蒸法的替代方法之一。

受控冷冻灭虫法在全球收藏单位已经成功应用多年,至今仍然是杀灭藏品害虫的有用工具,但在灭虫过程中发现,若不遵守科学的程序,就有可能对藏品造成伤害[3-4]。国内暂无在受控冷冻灭虫工作中藏品有受到伤害的报道,但在实际操作中,对可以冷冻的对象、冷冻温度与操作方式等尚未有清晰的指南。为了降低我国藏品在冷冻灭虫过程中风险,本文基于国际上的相关经验与教训,系统地阐述了可能导致冷冻灭虫中的风险问题,以及降低风险的管控方法。

1 藏品损坏风险

在受控冷冻灭虫过程中,被冷冻的物品会经受来自以下3个方面的风险:极端低温,降温速率带来的热冲击力,温湿度变化等。了解这些风险的成因,利于规避风险与采取恰当的对策预防藏品在冷冻过程的损坏。

1.1 藏品损坏的风险成因

冷冻过程中可能造成物品形体损伤的因素是多方面的,这些损伤通过目视检查、显微镜和摄影等方法可被观察到。

在受控低温冷冻中,常见的损坏主要是水害以及物品的形体损坏。水害主要发生在温度改变带来的相对湿度变化,使受冷冻物品表面出现凝露而造成水痕,这个问题通过聚乙烯袋的密封等措施很容易控制。

物品在低温中形体损坏的风险与其构成材料的特性相关,主要影响因素包括材料的热膨胀系数、刚度、导热性和强度等,对于无法避免形体损坏的物品应排除在受控低温冷冻灭虫法之外。

1.1.1极端低温 一般说来,只要严格遵守冷冻操作规程,以下材料采用受控冷冻灭虫或检疫是安全的:纸张与墨水书写或印刷的文献,不含玻璃、金属纽扣等饰品的干燥织物(包括丝织品与毛织品等),干燥的生物标本,羽毛,皮革,有机纤维编织物(如藤条、竹条制作的篮筐等),木雕,非彩绘和漆木制品等。

在受控冷冻灭虫过程中,被处理的藏品要经受极端低温(-20 ℃以下),这会对某些类型的材料、物品结构或构造会带来一定程度的损坏。

1) 低温脆化。通常情况下,低温会使材料的韧性降低,材料脆性会有一定程度的加强。任何材料只要脆性增加,其断裂的可能性会增大,特别是遭遇震动等外力,有可能发生不可逆转的损坏,如藏品上出现裂纹,有的产生脆性断裂等。

大多数弹性体的硬化发生在-20 ℃以下,而产生脆性断裂时的临界温度从-20 ℃直到-50 ℃,在此温度范围内变脆的材料包括橡胶、树脂清漆、亚麻油膜(油漆)、合成聚合物、丙烯酸涂料和软乙烯基[5]173-216,如油画与油漆中的亚麻油膜在-30 ℃时会完全脆化[5]223-48。许多涂层能够耐受的温度也是有限的,如丙烯酸涂料,在室温和-30 ℃之间的快速冷却就可能会脆化[5]223-48。

材料在低温下的脆化除与材料的特性相关外,还受材料老化程度的影响,老化后的材料在低温下更容易发脆或造成损坏。材料的脆化还与冷冻速度相关,冷冻速度越快越容易脆化,但快速冷冻是受控低温冷冻的必须条件。

一些附着在服饰或其他藏品上的装饰(如珠子、纽扣、别子等),多是由无机材料制成,如金属、玻璃、陶瓷或石头等,当随同物品一块冷冻处理时,它们就有可能开裂或表面出现凝露而污损物品。

2) 复合材料膨胀系数失配。与单一材料制成的物品相比,复合材料在极端低温下受损的可能性更大。当两种材料的热膨胀系数不同时,具有紧密接触的不同材料制成的物品就可能由于膨胀系数失配而产生应力,当一种材料受到另一种材料限制时,有可能发生开裂、分裂或翘曲,例如鼓等,又如有涂层或粘合剂的物品在低温中还可能出现剥离现象。涂有油漆、清漆、胶水、树胶等涂层的物品,如镶嵌的木制品,细木工家具,漆器或其他有机基材以及一些粘贴物等都有可能出现这一问题。

涂有粘合剂的物品在低温下风险更大,一则是由于粘合剂在低温下易变脆而使粘结失效;二则是由于粘合剂内不同成分可能会由于收缩或膨胀速率不同,导致粘结作用失效而使粘结处分层。

并非单一材料构成的物品在冷冻环境中都是安全的,由各向异性的多层材料构成的物体也面临该问题,尽管它们都是同一材料,但每一层材料的膨胀系数均与方向相关,且在不同方向上的扩展程度不同。这类物品每层的膨胀系数均可能出现失配,由此在冷冻环境中可能出现开裂。动物标本的牙齿、爪子、蹄子、角、动物壳、骨骼以及哺乳动物、鸟类和恐龙的喙等都是由各向异性的多层材料天然生成,在冷冻灭虫过程中均具有较大的损坏风险。由于冻结速度不会对热膨胀系数失配产生影响,因此无法通过控制冻结速率来减轻这类损害。

有研究指出,在受控冷冻过程中,容易出现分层的物品有:粘合剂连接和修复处,涂漆或镀金的物品,龟壳、海洋贝壳、蜗牛壳等动物壳,动物角,鲸须,树皮,树脂和其他附着物[6]。

1.1.2降温速率 快速降温可提高杀虫效率与降低灭虫的时间。但温度的迅速变化(从室温急降至-20 ℃以下)使物品在较短的时间内产生大量的热交换,热交换给物品带来热冲击力有可能导致物品材料损伤或失效。

温度剧变带来材料的尺寸变化,也可能使某些物品无法承受相对湿度的波动,特别是某些无机物、镶嵌物、复合材质的物品、紧绷的物品、材料脆弱或不稳定的物品等。这些物品对相对湿度和尺寸变化特别敏感,在温度剧变的冲击下可能会出现结构解体。

导热性差、热膨胀系数高、弹性刚度大的厚物品(如石头、玻璃和陶瓷等)在温度急剧变化时最容易产生裂纹,特别是原来就含有裂纹的材料,在低温冲击下更容易呈脆性断裂。

1.1.3温湿度变化 温度改变带来的湿度变化使受控冷冻灭虫过程中的湿度难以恒定,那些对湿度变化特别敏感的材料就有可能受到伤害,如物品出现裂纹或破裂等。

动物标本的牙齿、骨头、象牙和鲸须含有无机物和有机物成分,它们在温度和湿度变化过程中表现不同[7]。例如,骨骼的各向异性构造使其在温度发生变化时在不同方向的反应不同,这类物品在冷冻过程中受损的风险很大。又如动物壳(龟壳、水产物壳、蜗牛壳等)的天然层状结构在冷冻过程中,由于温度的变化而产生的层状结构间的应力,会使动物壳层间开裂或剥落等损坏。

动物牙齿是各向异性的层状结构,具有吸湿性,湿度对它的影响比温度更大,在低温冷冻过程中有可能因为湿度的变化而带来损伤[8]。在冷冻过程中,可能出现裂缝的物品有:骨头、牙齿、象牙、有隐患的玻璃、漆木或有涂层的木器、植物材料、蜡和无机材料(如金属、陶瓷和石头等)[6]。

有细微裂纹的物品在受控冷冻过程中,原有的裂纹可能扩展或形成新的裂纹。

以上风险是有可能缓冲的,如将其用无酸薄纸或水洗棉包裹后并放入聚乙烯袋内密封后再置入冷冻设备中。

1.2 受控低温冷冻的高风险对象

美国保护学会(American Institute for Conservation)第30届年会上,有学者综述了冷冻对藏品可能带来的损坏风险,并认为以下4类材质在冷冻灭虫过程中风险较大,不宜采用冷冻处理[9]。

1) 复合材料构成的物品。复合材料是由两种或两种以上化学性质、物理性质不同的材料按照一定组分构成的人造材料,例如玻璃和陶瓷等。复合材料构成的藏品可能有内置的张力,一种材料可能会限制另一种材料的运动,这类材质构成的物品是不宜进行冷冻灭虫处理的。

2) 有裂纹的物品。裂纹的存在暗示着物品内存在潜在的结构弱点,在极端低温或温度快速变化中,裂纹可能扩展。

3) 层状结构与分层结构的物品。层状结构物品在冷冻中受到的伤害主要是分裂,包括骨骼,牙齿,贝壳,动物的角等。分层结构物品在冷冻中涂层可能分离,例如漆木或采用了粘合剂的物品。

4) 油状或蜡状物品。在低温下,有时油状或蜡状物品会出现起霜或结晶现象。

根据已发表的文献,将在冷冻过程中出现的损坏案例以及冷冻不宜对象列举如下。

朱铭美术馆限制使用受控冷冻的对象为:作品表面有厚重或脆弱彩绘层的作品,使用黏着剂胶合木材为创作素材的木雕作品,过于干燥的木材或潮湿浸水的木材以及对温度敏感的作品,都不能以冷冻方式进行除虫[10]。

台湾故宫博物院研究指出:彩绘书画作品若采用冷冻,组成颜料的动物胶有可能会脆掉[11]。

IPM-WG依据其成员的集体经验,建议不得采用冷冻法处理的材料包括:布面油画和丙烯画,未完全干燥的植物标本,彩绘纺织品和油漆木材,以及音视频材料。

澳大利亚艺术实验室指出[12]:在冷冻金属、骨头、象牙与高度烧制的陶瓷或被水湿的物品时,须加入缓冲材料,如干净的棉毛巾等吸湿材料。尽管这将有助于减缓这类物品的损坏,但这类物品的损坏还是可能发生的。绘画、玻璃、蜡和某些塑料和橡胶制品在冷冻中是绝对会损坏的。因此建议以下物品不得冷冻处理:纸质工艺品,绘画,骨和象牙,陶瓷,磁带、磁盘,达盖尔型的玻璃干版相片和湿版相片,基于胶片的材料,金属(包括带有金属纽扣或螺纹的纺织品),羊皮纸和牛皮纸,被水湿的木制物品等。

丹麦研究人员在对丹麦国家博物馆和被本国认可的其他博物馆的冷冻灭虫调研时发现,以下物品在冷冻灭虫中发生了损坏[13]:粘接木框的胶失效;木制桶分崩离析;未上漆的木材变得干燥;木材上的油漆出现裂纹;有油漆和清漆的物品出现涂层剥离,油漆和清漆在冷冻后变得不透明;金属零件上的涂漆剥落;墨水瓶破裂;镜子破裂;书籍和纸张的霉迹变成粉末;动物毛从皮毛上的脱落数增加。

冷冻后可能脆化和开裂的物品[14]:玻璃、陶器、象牙、骨头、牙齿、涂漆物品和人造木板、蜡、皮革、陶瓷、有接头的木质物品、表面有细小裂纹的物品或材料劣化的物品,例如裂开或翘曲的镶嵌面板、被拉紧的弦乐器等。

因冷冻而变脆的物品:贝壳、树脂和玻璃、油画等可能会轻微的开裂[15]。

木材即使密封在袋中,在冷冻过程中也可能变干。复合物可能会开裂,皮革表面结构可能会发生变化[16]。

若馆藏的材质易脆或是易碎,可能不宜选择冷冻杀虫[17]。

未完全干燥的植物标本[18]。

严重脆化、易碎的文物,彩绘、油画、胶片、木版画、镶嵌木制品、漆木制品、牙制品和鼓、帆布画等[6]。

木板画,彩绘或镶嵌物,漆木器和象牙或牙齿等[19]。

浸水材料,帆布或木头上的绘画,镶嵌物,饰面或涂漆的物品,象牙和牙齿,紧绷的物品(如鼓)以及含有无机材料的复合材料[20]。

受控冷冻灭虫过程中可能受损的物品均应避免使用该法灭虫或检疫,可采用常压低氧气调法处理。

2 影响昆虫死亡率的主要因素

在受控冷冻灭虫过程中,影响昆虫死亡率因素主要有3个:昆虫已感受的最终温度,冷却速度,冷冻持续时间。只有昆虫感受到的温度为其冰点,昆虫才有可能死亡。在其冰点范围内持续冷冻足够长的时间,才可能杀死昆虫。冷却速度决定了昆虫是否可能通过延长其“冬眠期”而逃过劫难,侥幸地在致死温度下存活更长的时间。研究该问题的目的,是为了找出最恰当的冷冻温度,既可有效灭虫,又不会由于温度设置过低而增加物品损坏的风险。

2.1 昆虫的致死温度与冷冻时间

与高温灭虫不同的是,冷冻灭虫的温度难以统一,因为不同种类的昆虫,其冷冻致死的温度不同。

昆虫冰点(freezing point)是立即冻死昆虫所需的温度。不同的昆虫以及同种昆虫的不同发育阶段和生理状态都会影响到它们对温度的特定反应,因此其冰点也不会相同。表1为某些仓储害虫特定生命阶段的冰点温度[20]。

表1 某些仓储害虫的冰点Table 1 Freezing points of certain storage pests

由上可见,昆虫种类不同,其冰点相差很大,同种但发育阶段不同的昆虫冰点也有差异。例如,药材甲的蛹在-4 ℃就可能冻死,而其成虫在-15.2 ℃才有可能致死。

在昆虫冰点温度以下,温度越低,杀灭昆虫所需的时间就会越少。表2为冷冻致死不同发育阶段的烟草甲所须的时间[21]。

表2 冷冻致死烟草甲的不同温度与时间Table 2 Different temperatures and time of killing the tobacco beetle by freezing

为确保不同发育阶段的昆虫全部致死,英国伦敦博物馆在“博物馆害虫电子教程”中对冷冻灭虫的温度与时间建议如下[22]。

1) -40 ℃须48 h;

2) -30 ℃须72 h;

3) 高于以上温度,至少须7 d。

由上可见,为了彻底杀灭害虫,物品必须冷却到目标害虫的冰点温度以下,温度越低,昆虫致死时间越短。实践证明,受控冷冻灭虫是有效的,灭虫失败的原因主要是温度尚未低到足以杀死目标害虫的温度,或是没有保持足够长的持续冷冻时间[23]。因此,利用冷冻灭虫必须首先确定目标害虫的种类以及其不同发育阶段的冰点温度与死亡率的关系。

2.2 冷却速度

冷却速度直接关系到灭虫效率。缓慢的冷却速度提高了昆虫的耐寒性,需要更长的暴露时间才能达到相同的死亡率[24]。冷冻灭虫过程中的冷却速度受多方面影响,一是设备本身,二是昆虫所在的环境。

若冷冻设备制冷效果好,有较好的空气流动速度,其制冷率就高。已有的研究对冷冻设备的制冷要求是,要能在24 h内降低被冷冻物品的温度,并使其达到指定温度[18]。

在冷冻设备内,当冷气的前端穿过物品时,物品中心的温度是逐步下降的。被冷冻的昆虫多是藏匿在物品内部,只有当冷空气穿过昆虫周围的物品,才可能使虫体感受到温度的变化。影响昆虫感受到冷却速度的因素包括:被虫害物品的厚度、体积及其材料的导热性能;物品周围冷热空气交换的速度等。

薄物品的温度梯度通常比厚物品小,热导率高的物品要比保温性能好的物品能更快地让藏匿其中的害虫感受到致死低温。例如,冷空气穿透木头要比穿透纸张需要更长的时间,冷空气穿透大的物品或卷紧的物品可能需要更长的时间。

被冷冻物品周围若留有较多的空间,便于冷热空气交流,就可提高制冷率。若物品周围被隔热性材料堵塞,冷热空气难以交换,再好的冷冻柜也难以提高物品被冷冻的速率。

若物品冷冻速度缓慢,藏匿其中的害虫就有足够的时间产生耐寒性,由此使冷冻灭虫可能失败,或是需要更长的时间才可能杀灭害虫。

由上可见,受控冷冻灭虫的效果不仅与冷冻温度与时间有关,还涉及到冷冻物品排放等的科学性。

3 冷冻灭虫的温度与冻结时间

冷冻灭虫有两个关键点,一是足够低的温度与足够长的冻结时间,二是使昆虫尽可能快地接触到致死温度。

冻死害虫的温度必须低于昆虫能够保护自己的温度,即其体液的冰点温度。否则,被冷冻的昆虫在环境转暖后就会复苏,使冷冻灭虫前功尽弃。冻结的时间至少应为其冰点状况下致死的最短时间,否则昆虫会出现假死。使昆虫尽可能快地接触到致死温度是为了避免昆虫在致死温度到来前具有了耐寒性,需要更长时间或置于更低的温度才可能杀死这类驯化后的昆虫。

前一个条件涉及到对目标昆虫的虫种及影响其生命活动的相关数据的准确了解,在收藏单位发现虫害后要马上知晓这些数据是不现实的。为了立即控制虫害,只有选择尽可能低的温度或更长的冻结时间,以防无法杀死抗寒性较强的害虫。因此,IMP-WG与许多专家建议受控冷冻灭虫的温度为-29 ℃[25,2]。更低的冷冻温度与更长的冻结时间会更加有效地杀灭藏品内的未知害虫,但这也增加了藏品损坏的风险。

丹麦学者对79家丹麦国家博物馆和本国认可的博物馆使用受控冷冻灭虫的温度、时间以及损坏情况进行了调研,发现冷冻温度和时间有从-18～-20 ℃的24 h到-31～-45 ℃的3 d以上不等,两家博物馆甚至在-50℃到-80℃的温度下冻结了48与72 h,在这79家博物馆中,有15家发现了由于冷冻而造成的物品损坏,见表3[13]。

表3 受控冷冻灭虫与藏品安全Table 3 Controlled freezing disinsection and collection safety

由上可见,科学地选择受控冷冻灭虫的低温与冻结时间是保障藏品安全与有效灭虫的关键之一。

3.1 冻结温度的选择

由表3可见,冷冻的温度越低,藏品损坏的风险越大。在不确定目标昆虫的虫种时,如何选择适当的冷冻温度,使其既可能处在目标害虫的致死温度范围内,又最大限度地避免藏品损坏,是受控冷冻灭虫首先必须考虑的问题。

某些昆虫在略高于0 ℃时,只要低温持续相当长的时间也会死亡,例如烟草甲幼虫(表2),但危害藏品的大多数害虫必须冷却到0 ℃以下,才有可能在相当短的时间内完全杀死。需要注意的是,许多昆虫可通过排出体内的排泄物和水分来迅速实现短期冷适应。昆虫通常以这种方式保护自己免受低至-15 ℃的低温伤害,因而更有效的杀虫温度应低于-15 ℃[1]。

1890～1930年期间,国外曾经使用-10～-15 ℃作为冷冻致死的低温,但不少昆虫在该温区只是冷昏迷,需要再次重复冷冻[26]。此阶段未能杀死的昆虫已适应先前的冷冻环境,再次冷冻必须更低的温度,或者必须延长冻结的时间。实际上,如果使用更低的温度,通常是不需要进行第二次冷冻的。

有研究指出,对于仓储害虫,其冰点温度在-4.0 ℃和-22.0 ℃之间,因物种、发育阶段和生理状态而异[27]。更多的研究指出,大多数仓储害虫在-25～-15 ℃会被冻死[29]。为了藏品免受伤害,冷冻灭虫的温度不得低于必须的温度,即昆虫的冰点温度。由表3可见,不必要的过低温度会使藏品受损风险增大。丹麦的研究还发现,当温度冷却至-38 ℃时,某些物品会发生损坏。

许多研究指出,不必将冷冻温度设置为低于-40 ℃以提高冷冻灭虫的效果。低于-40 ℃没有额外优势,而且增加了某些藏品损坏的风险。例如,大多数具有弹性的聚合物的硬化发生在-20 ℃以下,而脆性点多在-50 ℃[7]。在-20 ℃内冷冻涂有油漆和清漆的物品,出现龟裂的风险可忽略不计。若将其冷冻温度设为-20 ℃以下和-40 ℃之间,出现裂纹是可能的[28]。幸运的是,当温度降至-30 ℃时,纺织品、毛皮、羽毛、皮革、纸张和木材等都不会受低温冷冻而损坏[29]。

有研究对32种博物馆害虫的低温死亡率进行了研究,并将已知温度下的持续冷冻的时间,或满足固定时间所需的致死温度绘制成图1,以便一旦选定了致死温度便可参考该图确定灭虫时间[29]。

图1 32种博物馆害虫的低温死亡率统计图Fig.1 Low-temperature mortality statistics of 32 museum pests

由图1可见,只要有足够长的时间,大多数危害藏品的昆虫在-20 ℃都可能被冻死,这使一些在低温下脆弱物品的冷冻灭虫成为了可能。美国印第安人史密森国家博物馆(The Smithsonian National Museum of the American Indian,NMAI)的大部分收藏品被认为不宜冷冻的,如处在张力下的皮革、具有裂缝的材料、彩绘木制品等,他们将这些具有风险的藏品密封在聚乙烯袋内并填充一些吸湿性材料,在-20 ℃下至少冷冻了5 d,并没有发生损坏[30]。

加拿大保存协会推荐,受控冷冻杀虫的温度为-20 ℃,持续一周[1]。但有研究指出,许多接受调查的博物馆报告,使用-20 ℃作为冷冻灭虫温度可能不足以根除某些害虫(如皮蠹等)[27]。在实际工作中,一些抗寒性很强的昆虫,如某些蠹木虫(如粉蠹虫与天牛等),可能需要更低的温度才能致死,否则需要进行再次冷冻灭虫。有研究建议,受控冷冻灭虫的温度可选择在-20 ℃到-30 ℃之间持续一周。藏品中大多数常见的害虫在-20 ℃都可能杀灭,而-30 ℃适于杀灭耐受性更强的害虫或检疫,一些生物标本也可以采用-30 ℃灭虫[18]。

IPM-WG建议,冷冻灭虫温度应在零下-29 ℃,而灭虫时间应由昆虫种类确定[2]。

3.2 冻结时间的考虑

尽管图1是基于对三十多种博物馆害虫的致死温度与冷冻时间的统计图,在确定了冷冻温度后,可参考该图选择持续冷冻的时间。但这些致死温度与时间是针对自由暴露在冷冻环境中,同时其冷冻前也并未经历过凉爽或低温环境的昆虫。

在馆藏环境中,冷冻灭虫的冻结时间是受很多因素影响的,如昆虫种类及其特性,被冷冻物品的材质与空气流通状况,以及被处理的藏品在冷冻前所处的环境温度等。因此,灭虫时间应比图1昆虫裸露在冷冻室的时间更长。

冷冻灭虫时间是指害虫感受到致死温度的时间,而不仅是冷冻柜显示到达该温度的时间。物品越薄,核心温度的变化就越快。物品厚度减半,将使冷却时间减少四分之一,若物品厚度加倍将使冷却时间增加四分之一[1]。如大型木制物品,冷冻温度要穿透木材可能至少需要4个小时[2]。对于象粉蠹虫、天牛这样的木材害虫,深藏在木材内部,使其感受到温度变化就得相当长时间,对于这类材质的冷冻灭虫要比一般藏品的灭虫须更长的时间。同样,对于包装过大、被冷冻物品周围空气流通不畅的,都需要更长的冷冻时间。

为了避免昆虫在冷冻灭虫期间的假死或冷昏迷,需要适当延长冷冻的时间,特别是要考虑被害藏品在冷冻前所在环境温度的状况。若被冷冻灭虫物品已经在22 ℃或以上的环境内放置了一个月,冷冻灭虫的降温也十分迅速,在-29 ℃以下一周的时间内是有可能杀灭的。倘若被冷冻灭虫物品曾在凉爽的环境内保存,一些昆虫会适应寒冷环境并且不会屈服于冷冻。这时还得考虑对这类物品进行冷冻前的预处理,否则使其在其冰点温度下致死需要更长的冷冻时间。

总之,对于冷冻灭虫的时间,为了确保害虫全部被歼灭,在足够低的温度下进行更长时间的处理是安全的,不建议减少冻结的时间[2]。否则,等物品回到温暖环境,昆虫复苏后,要将其再度冷冻杀灭需要更低温度或更长的灭虫时间。因此,尽管理论上-29 ℃一周可能杀灭仓储害虫,但更多的收藏单位将物品放在冰箱里1～2周以上,有的甚至更长时间。

4 冷冻灭虫的过程控制

冷冻灭虫过程关系着灭虫效果与被处理藏品的形体安全,整个过程必须严格与科学地把控。

4.1 冷冻灭虫的基本过程

冷冻灭虫的基本过程包括灭虫前的准备、灭虫中的温度与时间控制以及灭虫后的管理工作。

4.1.1冷冻灭虫前的准备 冷冻灭虫前的准备工作包括以下4个环节。

1) 将易碎物品或精细的物品置于无酸瓦楞纸盒内,并勿挤压它们。如果太脆弱而难以处理,可使用导热性好的有孔托盘或金属支撑物保护。有孔托盘不仅利于加快空气循环以提高制冷率,还可避免冷冻过程中藏品受到伤害。

2) 对于必须卷放或折叠的物品,小心地卷制与折叠并使其厚度降到最低,以提高冷却速度和避免冷却温度的不均匀。

3) 将被处理的物品单独放在塑料袋中,尽量排空袋内空气,然后将袋子紧紧密封,以降低冷冻过程中因相对湿度变化和水分迁移给物品带来的损坏。

4) 在进入冷冻柜前,将密封好的物品置于室温中保存。冷冻过程中,物品周围的温度是会波动的,如冷冻与缓慢解冻过程,制冷设备的机械故障也会造成冷冻过程中的温度波动。物品周围空气温度的波动直接影响其湿度变化,空气湿度改变会直接影响到处于该环境中的物品的含水量升降,由此可能会改变有机材质物品(如纸制品、织物、皮革或木头等)的尺寸,有的会因此导致裂纹。处在该环境中的无机物(如石头、金属等)也会因其环境湿度变化而出现水珠凝结。冷冻前将物品置于一个空气含量极少的环境中,可预防以上问题的发生,这就是为什么冷冻前物品必须置于聚乙烯袋密封,并尽可能多地排除袋内的空气的原因。聚乙烯袋具有优良的耐低温性能及良好的化学稳定性,并具有阻隔水汽功能,将物品置于其中可创建一个封闭的系统。

对于含水量变化敏感或易损坏的物品,可用吸湿性材料(如无酸薄纸、棉毛等)包裹再置于聚乙烯袋内排除空气密封。一些被认为冷冻处理有风险的物品,经过这样处理大多没有发生损坏[1]。同时,袋子本身还可预防冷却的物品在恢复到室温时发生的冷凝,将任何冷凝物阻挡在袋外。尽管水汽也会缓慢渗透到聚乙烯袋,但其发生的时间远远大于袋子被冷冻的时间[7]。

为了使被冷冻物品处在一个密封的环境,聚乙烯袋的封口十分重要。有研究推荐热封是首选的,也可采用防水胶带密封,因为在冷冻过程中它们不会失效,可确保袋内的空气与其周围环境的隔离。胶粘带、自封袋或绳线捆扎在冷冻过程中容易失败,由此造成密封的失效[29]。

4.1.2冷冻灭虫过程中的控制 当冷冻柜的温度已经达到设定的灭虫温度后,才可將被聚乙烯袋密封后的物品放入冷冻柜,在此期间尽量不要打开冰柜以减少柜内温度波动与震动。

到达预定的灭虫时间后,关掉冷冻柜回温,不要打开冰柜,让灭虫物品在冰柜内缓慢地解冻至少24 h以上。

在该过程中,有以下关键点必须注意。

1) 必须在冷冻柜达到指定冷冻温度后才可放入物品,而不是先放入物品再降温。其目的是让昆虫感受降温是短促的,减少昆虫对低温的适应性,以保证杀虫效率。

2) 物品的排放。物品在冷冻柜内的排放直接影响到制冷速度与物品冷却的均匀性,在排放过程中需要注意以下问题。

(1) 为尽快让物品冷至冷冻温度,被处理的物品不可排放太紧密,以确保空气在物品周围充分流动。

(2) 物品不可堆叠得太厚,使被冷冻物品暴露出最大的比表面积,以便物品可以被快速降温。物品堆砌太厚,不仅延缓降温速度,而且还会使物品冷冻不均匀。海外收藏部门建议,放置的书籍厚度勿超过25 cm,以防其中心部位无法达到指定的低温而使杀虫无效。

(3) 物品不要直接与冰柜四壁接触,要使用传热性好的搁架(如金属架)作为冷冻柜的支架,以防热桥出现。不要使用隔热性能好的材料做搁架,这会降低物品冷却速度。

3) 冷冻温度的检测。冷冻温度应是物品被冷却的温度,冷冻时间也应从物品被冷却到设置温度时才开始计算。这是由于物品的实际温度与冰柜显示的温度可能会有差距,有研究指出,对于大多数物品,在冰柜内整个物品温度达到平衡的时间需要一天[1]。因此,直接检测被冷冻物品中心位置的温度是最科学的。加拿大保护中心建议[1],若可能应采用在导线上带有探针的温度计检测被冷冻物品(如书籍或纺织品)的中心温度。

4) 冰箱故障预警。冰箱出现任何故障都可能会影响到被冷冻物品的安全,采用传感器对冷冻机的故障进行报警尤为重要。

4.1.3冷冻结束后的处理 关闭冷冻机电源至少24 h后才有可能使冷冻柜内物品恢复到室温,只有被冷冻的物品恢复到室温后才可以将其从冷冻柜中轻轻取出,并尽量少地直接触碰,以免损坏。

1) 取出物品。从冰柜取出物品后最好再在常温下缓冲2～4 h后再除去包装,以免物品上出现凝结水。在取出被冷冻物品之前,有收藏机构建议须先开启工作室内的除湿机,待室内湿度达到50%时再打开袋子并取出物品,以降低物品结露的风险。

2) 隔离观察灭虫效果。冷冻灭虫后的物品不能立即返回到藏展环境中,以免灭虫不彻底给其他藏品带来虫害,因此必须先隔离一段时间(至少3周以上时间),待确实证明没有害虫存活后方可归还到原来的环境中。

将物品仍然置于袋中并在隔离室进行疫情观察。一般说来,未死幼虫或成虫有可能在温暖环境中几天后苏醒,而尚未杀死的虫蛹、虫卵需要3周或更长的时间才能观察到灭虫效果。因此,隔离室内的物品至少应该每周观察一次,检查有无新的虫害迹象与活虫出现。

经过至少3周以上的观察,确实没有虫的再次侵扰迹象才可以重新回到藏展处。

3) 清理污物与初步检查。在适当的地方(如通风柜、隔离室、室外)清理被虫侵染的物品,包括死虫与其蛀屑等。在此过程中,若发现活虫,必须重新进行冷冻灭虫。启动再次冷冻灭虫需要降低冷冻温度与延长冷冻时间,因为这类虫子已经具备了抵抗寒冷的能力。

4.2 冷冻灭虫的其他关键问题

冷冻灭虫除须对以上基本问题进行控制外,以下几方面问题也相当重要。

4.2.1冷冻设备的选择 冷冻灭虫是否成功除了正确地选择冷冻温度与确定冷冻时间外,冰柜内的温度是否能够快速降低也极其重要,冷冻柜内温度降低的速度也与冷冻设备的选择相关。冷冻杀虫需要选择专用的冷冻杀虫设备,而一些普通冷冻设备难以快速地将温度降至该类昆虫的冰点,难以达到杀虫效果[31]。

一般说来,凡是最低温度无法达到并保持在-20 ℃或更低温度的冷冻设备是不可取的。有研究建议,理想的杀虫冷冻设备应可在-30 ℃和-40 ℃之间工作。送风式急速冷冻机是优选的,因为其强制空气循环可提高冷却速度[1-2]。最好使用深度冷冻装置而不是家用的普通冰箱,更不宜采用自动除霜冰箱。自动除霜冰箱在冷冻灭虫过程中无法保持冷冻柜的温度恒定。在除霜期间,冰箱内的温度会上升到预设的冷冻温度以上[32]。

IPM-MG依据已有的冷冻设备的特点,提出了冷冻设备的建议,见表4[2]。

表4 几类冷冻设备的特点Table 4 Features of several types of refrigeration equipment

4.2.2降低物品损坏的风险 冷冻灭虫过程中,相对湿度的变化以及低温下的物品暂时硬化是可能造成被冷冻物品损坏的主要因素。但冷冻后物品开裂的风险不仅来自低温,更多是由于操作不当。物品经受低温出现的硬化(或脆化)多是可逆的,即在回温后物品可恢复其柔韧性,但物品在充分升温之前就可能会受到结构损坏。这种风险包括来自有故障冰箱的电机的振动力、物品尚冷时移动过猛,甚至物品本身的重量(如有粘合剂的物品)[6]。为降低物品在冷冻灭虫过程中产生裂纹的风险,在物品回温前千万不要使其经受振动,将物品从冰箱取出宜小心持拿,轻取轻放,不到其恢复到室温前尽量避免触碰,因为这时密封袋内的物品比较脆。

此外,冷冻过程中无法避免裂纹产生的物品是不宜进行冷冻灭虫的。

被采用的冰箱应该是干净的,没有任何其他物品,如食品等。这些东西在断电后会对藏品产生污损。

4.2.3某些受害藏品的预处理 如果在冷冻灭虫之前,昆虫是藏匿在阴凉处,它会逐渐适应寒冷气温而增加耐寒性,使其在冷冻灭虫中需要更长的时间才能致死。例如,烟草甲在15 ℃环境中生活一个月就可以获得耐寒性,这比生活在27 ℃环境中同龄幼虫在低温下更难杀死。表5列举了这两类烟草甲幼虫在致死性低温(-20～5 ℃)下达到100%死亡率的最短时间。

表5 两类烟草甲四龄幼虫低温致死的时间比较[21]Table 5 Comparison of the low-temperature death time of the fourth instar larvae of the two types of tobacco beetle

由上可见,驯化后的幼虫致死时间是同温度下快速降温致死时间的2～5倍。由表5还可见,致死温度越低,两者致死时间差距越小;致死温度越高,致死时间的差距就越大。

因此,对于冷冻前处于凉爽环境(如15 ℃以下)中的有虫物品,若要采用冷冻灭虫需要进行预处理。很多研究建议将其置于室温下数周以完全去除昆虫抵御寒冷暴露的能力。加拿大保存协会建议[1],将其置于室温下一个月以诱导昆虫从其虫体内去除保护性物质,以利于冷冻灭虫。笔者认为,对于驯化后的昆虫不宜再采用冷冻灭虫处理,可采用常压下的低氧气调杀灭,因为这么长的等待时间会给藏品带来更大的危害。

5 结 论

受控冷冻灭虫法是具有风险的,表6列出了受控冷冻灭虫法的风险因子。

表6 受控冷冻灭虫法的风险因子分析Table 6 Risk factor analysis of controlled freezing disinsection

受控冷冻灭虫法是依据昆虫的致死温度、持续冷冻时间以及昆虫如何在寒冷中生存的知识设计的,只要温度足够低、冷冻时间足够长以及使被处理物品快速降温,彻底灭虫是可行的。其中一个需要特别注意的问题就是冷冻前已经具有抗寒能力的昆虫处理,建议对这类昆虫不要再进行冷冻杀灭,常压低氧灭虫可以彻底地将其消灭。

受控冷冻灭虫过程中物品的损坏与被处理物品的材料特性相关,对不适于冷冻灭虫的物品应严格排除在冷冻灭虫之外,可选用常压低氧灭虫更为安全。为了避免极端低温对藏品带来的损坏,应科学地选择冷冻温度。若灭虫前已经对藏品害虫进行了鉴定,则可以依目标害虫的冰点温度作为冷冻温度。若拟灭虫藏品的害虫虫种未知,-29 ℃是可供考虑的冷冻温度。冷冻时间对藏品形体影响不大,1～2周以上的时间都是极为妥当的选择。为降低冷冻灭虫过程对藏品的可能损害,须严格管控冷冻过程,包括冷冻设备的选择,冷冻前的密封处理,冷冻过程中科学地排放物品与对被冷冻物品的温度监控等,冷冻解除后物品拿出冷冻柜及打开包装等一系列过程的严格管控。

鉴于以上风险分析,受控冷冻灭虫并不是所有类型藏品都可以选用的灭虫方法,对于可以通过受控冷冻灭虫的物品,灭虫过程中的风险控制极为重要,管控不当会使灭虫无效,或是本来可以避免的损坏发生。