納米材料在石質文物生物病害治理中的應用研究進展

黃曉霞 賈明浩 張美芳

摘要：生物病害在石質文物劣化中起著不可忽視的作用，以二氧化鈦（T102）、氧化鋅（Zn0）、銀（Ag）、銅（cu）、氧化鎂（Mg0）等為代表的活性金屬或金屬氧化物納米材料已在石質文物生物病害治理中得到應用。對納米材料的類型和抑菌機理進行了比較分析，通過梳理檢測技術、生物病害治理效果、石質本體性能影響、色度變化和現(xiàn)場實驗等五方面的內容，探究納米材料在石質文物生物病害防治中的研究進展。由此得出，不同納米材料的性能和抗菌效果各不相同，針對的生物病害類型和應用場景也有所差異，需要綜合考慮各方因素選擇合適的抗菌試劑。通常情況下，對微生物病害事先采取物理或化學的清除和清洗的方式，并將殺菌劑與憎水劑、加固劑混合制備復合材料對石質文物進行處理，能達到協(xié)同效果。

關鍵詞：生物病害;納米材料;石質文物;真菌，抗菌

引言

國際古跡遺址理事會石質科學委員會（ICOMOS-ISCS） 2001年編制的《石質文物劣化模式圖解術語表》指出，石質文物的生物侵蝕（ BiologicalColonization）主要指植物和微生物（如細菌、藍藻、藻類、真菌、地衣）等在石材上定居的現(xiàn)象，以及其他一些生物體帶來的影響，比如動物在石材表面和內部筑巢[1]。盡管生物侵蝕過程緩慢，但累積效果卻不容小覷，有文獻指出，約20%-3 0%的石頭表層腐蝕是生物作用的結果[2]。一方面，微生物和低等植物代謝過程中分泌的有機酸與礦物中的鈣、鎂等主要離子螯合形成鹽類物質，導致局部點蝕、表面剝落，甚至凍融退化，最終形成含腐殖質的松散土壤。另一方面，植物的根辟作用、動物和微生物的生長鉆孔會對石質文物造成物理風化和破壞，且表面形成的生物膜（ Biofilm）會引起巖石的孔徑分布和內部水循環(huán)變化，導致巖石變色，影響石質原貌，破壞石質文物的文化和美學特征。

傳統(tǒng)上，戶外石質文物生物病害治理使用的殺菌劑為有機合成材料，包括季銨鹽類、酚類、酰胺類、醇類、酯類、硼類、咪唑類、噻吩類等，上述材料有一定的即時殺菌效果，但存在化學穩(wěn)定性差、易產(chǎn)生耐藥性、安全性差、分解產(chǎn)物二次污染等問題，且在長期裸露的戶外環(huán)境條件下，抑菌長效性得不到保證，生物極易再次在石質表面定居。近年來，以二氧化鈦（Ti02）.氧化鋅（ZnO）、銀（Ag）、銅（Cu）、氧化鎂（Mg0）等為代表的活性金屬或金屬氧化物納米材料，已成為文物保護領域的新型抑菌材料，得到進一步研究和使用。一方面，納米材料對多種微生物具有顯著的生物活性，即使在低濃度下也具有良好的抗菌性，而納米尖端的表面原子數(shù)量遠多于傳統(tǒng)粒子，由于缺少鄰近的配位原子而具有很高的能量，可增強納米氧化物與真菌的親和力，提高抗菌效率。另一方面，其形成的自保護涂層具有疏水加固的特性，能較好地阻隔水分的滲透，破壞生物生長的環(huán)境條件，加強石質文物的機械性能，因此滿足了文物保護的應用要求。

一、納米材料的類型及抗菌機理

納米是一種尺度單位，符號為nm，Inm=10-9m。納米材料 （ Nanomaterials）是指在三維空間結構中至少一維尺寸不超過lOOnm的材料，處于微觀原子簇和宏觀物體的過渡區(qū)域，是一種介觀系統(tǒng)。早在1990年代中期，日本學者Sawai等人在電導率實驗中發(fā)現(xiàn)，Ca0. Zn0. Mg0等10種金屬氧化物和碳化物具有良好的抗菌性能[3]。而納米尺寸的金屬和金屬氧化物抗菌材料，具備了納米粒子的體積效應、量子尺寸效應、表面和界面效應等特點，使得抗菌性能更加高效持久，它們在石質文物、紙張、木質文物、紡織品等方面有著不同程度的應用。當前納米材料抗菌性能的研究較多，但其抗菌機理尚存在不少爭議之處。總體來說，主要假設觀點有三種：光催化活性氧抗菌機制、金屬離子溶出抗菌機制和接觸吸附抗菌機制。石質文物保護使用的納米抗菌材料一般采取濕化學法、溶膠凝膠法、電化學法等手段進行制備。此外，綠色合成也是近年來新興的納米材料制備方法，具備安全高效的特點。

（一）納米二氧化鈦（ TiO2-NPs）

二氧化鈦（Ti02）是最常見的鈦氧化物，在自然界中存在三種晶體結構：金紅石型、板鈦礦型和銳鈦礦型.其中金紅石型和銳鈦礦型為四方晶系，具有較高的催化活性，尤以銳鈦礦型為佳[4][5]。光催化性是二氧化鈦的主要性質，當Ti02暴露在紫外光（入<400 nm）下時，會產(chǎn)生空穴（hvb+）和激發(fā)電子（ecb）。正電荷空穴與Ti02表面的羥基或接觸到的水分子相互作用產(chǎn)生羥基自由基（.OH）[6]。羥基自由基（.OH）的強氧化性使其能分解多種有機化合物。電離出的電子則可與氧氣分子結合生成氧負離子（02-），氧負離子（02-）再與H+生成活性基團（.OOH），最終將有機物分解[7】。另一種機理則認為生成的H2O2是分解有機物的強氧化劑。光催化氧化還原反應可降解多種污染物和殺滅生物衰變因子，從而更容易清除石材和建筑表面的污染物和生物污垢[8][9]，因此使其成為建筑行業(yè)迄今為止最重要和最常用的納米材料之一。

（二）納米氧化鋅（Zno NPs）

一般氧化鋅有三種晶體結構：六角纖鋅礦結構、立方閃鋅礦結構和巖鹽礦結構，其中纖鋅礦結構穩(wěn)定性最高，最為常見[11]。關于納米氧化鋅抗菌機理的主要推測有幾種： （1）光催化條件下在ZnO—NPs表面上形成活性氧（ROS）殺菌; （2）抗菌效果與ZnO—NPs表面缺陷的研磨性有關; （3）Zn2+金屬離子溶出接觸殺菌。最近一項研究表明，細胞壁截留的納米ZnO和Zn2+的濃度具有氧化應激的聯(lián)合效應。盡管其作用機理有待深入研究，但因為良好的生物相容性、化學穩(wěn)定性、生物活性和白色[12][13]，基本不影響材料的顏色，因此ZnO—NPs已在藝術品領域得到應用[14]。

（三）納米銀（Ag NPs）

納米銀的抗菌機理主要包括接觸殺菌機理與活性氧殺菌機理。Ag—NPs在使用過程中會釋放帶正電的Ag+，通過吸引接觸帶負電的微生物，破壞細胞壁的完整性，并影響細胞內部代謝酶和核酸的正常功能，導致細胞死亡。此外，Ag—NPs在光催化條件下能產(chǎn)生強氧化性的活性氧（ROS），使細胞中抗氧化/氧化作用失衡，產(chǎn)生氧化應激反應，導致生物細胞死亡[15][16]。銀離子對多種細菌、真菌具有顯著的殺滅效果，且銀系抗菌劑還具備熱和化學穩(wěn)定性、環(huán)境安全性以及對人體細胞的低毒性等優(yōu)點。

（四）納米銅（Cu NPs）

銅系納米抗菌材料具有與銀系相近的抗菌性能，但其成本更低。其中，CLJO—NPs具備較高的抗氧化和紫外輻射穩(wěn)定性，在光照和黑暗條件下均有效，因此常作為其他殺生劑的有效替代品。CuO—NPs的穩(wěn)定性和低溶解度使其能較容易固定在聚合物、水凝膠和硅膠等不同基質中，控制Cu2+離子的緩慢釋放。CLJ—NPs的抗菌機理主要包括金屬離子的釋放以及納米顆粒特有的作用。另外，Cu—NPs可以影響生物的光合作用，促進活性氧的形成引起氧化應激[17]。

（五）納米氧化鎂（M90 NPs）

1990年代中期，日本學者Sawai研究發(fā)現(xiàn)MgO對革蘭氏陽/陰性菌、真菌具有較強的殺菌作用，其原因為Mg0水溶液中產(chǎn)生了活性氧02-離子[18]。目前關于氧化鎂的抗菌機理的推論包括活性氧氧化損傷學說、吸附作用引發(fā)的機械損傷學說和非自由基介導的細胞膜損傷學說[19]。MgO-NPs在無光照條件亦可有效殺菌，且存在物理吸附作用強，不變色等特點[20]，能滿足文物保護的要求。

納米材料的抗菌能力與其顆粒表面性質密切相關，粒徑越小，抗菌效果越好;但與此同時，粒徑越小，納米材料越容易團聚，會影響抗菌效果的發(fā)揮。通過選擇合適的分散劑和分散方式可以防止納米材料的團聚效應。高濃度納米材料的抗菌活性比低濃度的要好，且通過摻金屬或金屬氧化物形成的納米復合材料，比使用單一納米材料更能發(fā)揮協(xié)同效應。有研究證明，與Mg0和Zn0納米材料相比，摻鋅氧化鎂（Mg1-xZnxO）納米粒子具備更高的光催化活性和抗真菌活性，能有效抑制黑曲霉（Aspergillus niger），草酸青霉（Penicilumoxalicum），擬盾殼霉屬（Paraconiothyrium sp.）和白斑擬盤多毛孢（ Pestalotiopsisalbo-maculans）的生長[21]。通過摻Ag等少量金屬，可使微生物蛋白質變性，增強Ti02的抗菌活性[22]。

二、納米材料在石質文物生物病害治理中的應用

使用諸如二氧化鈦等納米材料處理石質文物生物病害時，應當滿足以下條件：（1）不改變石質文物原狀;（2）相容性。即處理后石質表面發(fā)生的化學和物理變化不能對石質文物本體產(chǎn)生不良后果，且納米材料應與其他修復材料如加固劑等相兼容;（3）高效性。納米材料生物殺滅的預期效果應該是顯著的;（4）長期性。納米涂層的特征及性能具有時間穩(wěn)定性，能在一定時間范圍內維持其效果[23]。一般采用的處理方式主要為刷涂或噴涂，也有學者使用浸沒的方式處理石材，以加強納米材料在石材表面的附著性[24]。

（一）檢測技術

表2為納米材料在石質文物生物病害防治應用中常見的檢測技術手段。（1）形貌分析。SEM-EDS和TEM是觀察納米材料尺寸大小和形態(tài)分布的常用方法之一，此外，高分辨率的FESEM和HRSEM也被用來描述納米材料的形態(tài)學和化學分析。（2）成分分析。XPS和ICP-MS是靈敏度較高的元素分析手段。（3）晶格結構分析。XRD和Raman也是分析納米材料樣品純度和結晶度的常用手段。（4）微生物生長情況分析。使用光學顯微鏡、TEM等顯微技術觀察微觀環(huán)境下霉菌在石質文物表面的生長情況，立體顯微鏡、ESEM-BSE還可以觀測使用納米材料后石材表面和橫截面上的抗菌活性。

（二）生物病害治理效果評估

1.納米材料對石質文物表面生物膜的抑制研究

生物膜是貼附在石材表面單層或多層的微生物菌落，通常由包埋在大量細胞外粘液中的少量不同種類的微生物組成[25]。一般認為，光自養(yǎng)微生物是戶外石材表面的第一批定居者，綠藻、藍細菌、硅藻等藻類生物膜為地衣、苔蘚和植物的生長提供了營養(yǎng)物質;同時，潮濕的環(huán)境、裸露條件和污染物的存在，加劇了巖石表面生物病害的形成。一方面，這些微生物通過分泌有機酸和螯合劑，干濕循環(huán)中的機械應力改變及無機鹽沉淀等不同機制造成石質本體的風化腐蝕;另一方面，細胞外多糖（EPS）、有機葉綠素a和b（綠色）或類胡蘿卜素（橙色）等染色劑的存在使得石材表面形成多色的生物質膜，對石質文物的顏色產(chǎn)生影響[26]。大量研究證明Ti02的光催化氧化（PCO，the photocatalyticoxidation）過程能夠降解藻類生物[27]。與殺菌過程類似，藻類的光催化氧化首先從破壞細胞膜和細胞壁開始，然后繼續(xù)破壞細胞器膜，該階段耗時較長，宏觀上表現(xiàn)為藻類的顏色變化延遲。但是，一旦壁膜結構的保護作用失效時，藻類生物的色素成分（如葉綠素a）會快速分解，喪失光合能力，細胞失去完整支撐結構而凋亡[28]。因此，納米材料對于藻類等光合微生物的殺滅效果可以通過熒光法測定葉綠素a含量（Chlorophyll acontent）[29]進行定量評估。在藻類污染人工加速老化模擬實驗中，采用數(shù)字圖像處理軟件Imagej能對監(jiān)測周期內藻類生長面積覆蓋率變化進行統(tǒng)計分析，以評估納米材料對藻類生物治理的效果;Graziani依據(jù)Avrami模型和4PL模型對實驗數(shù)據(jù)進行建模，發(fā)現(xiàn)其具有預測磚石樣本上藻類生物生長過程的潛力[30l[31]。Fonseca等人對比了傳統(tǒng)殺生劑（生物素T、Anios 4.2）和純銳鈦礦、摻鐵銳鈦礦對綠色微藻和藍細菌的效果，通過測定接種后和繁殖一段時間后的葉綠素a含量，證實了Ti02對有機物具有明顯的光催化降解能力[32]。

2.納米材料對石質文物真菌和細菌病害的抑制研究

真菌被認為是戶外文物生物侵蝕的最重要因素。真菌菌落能在石材表面形成白色、灰色或黑色的膜層和色斑，其菌絲可穿透石材基底，造成物理破壞。通過考馬斯亮藍法（Bradford法）測定真菌生物膜的總蛋白量，可以評估其相對生物量;通過提取和表征胞外聚合物（EPS）的蛋白質和多糖物質，監(jiān)測納米材料對真菌生長代謝過程的影響。實驗發(fā)現(xiàn)，0.5%的ZnO-NPs有效降低了生物膜的生長量，引起生物膜的形態(tài)變化。胞外基質的多糖和蛋白質比例發(fā)生了改變，同時ZnO-NPs刺激了真菌孢子和有色物質的過早產(chǎn)生，對真菌的新陳代謝過程造成了干擾[33]。