氣流速對纖維素類材質(zhì)文物霉菌病害的影響

摘 要：霉斑是纖維素類材質(zhì)文物中常見的一類病害。文章通過模擬實驗研究纖維素類材質(zhì)文物（紙質(zhì)、棉質(zhì)、竹木質(zhì)）表面霉斑受空氣流速與其表面摩擦系數(shù)的影響程度，單因素方差分析結(jié)果表明，空氣流速對霉斑數(shù)量影響顯著，且呈現(xiàn)線性遞減關(guān)系；雙因素方差分析結(jié)果表明，表面摩擦系數(shù)與空氣流速有顯著交互作用，共同影響霉斑數(shù)量，空氣流速在0.25 m/s 以上時，對霉斑數(shù)量有顯著抑制效果，可作為文物存放位置的參考指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：空氣流速；文物；纖維素；霉斑；摩擦系數(shù)

中圖分類號： K854.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1673-8462（2023）03-0048-06

0 引言

書畫、棉質(zhì)服飾、竹木漆器等有機(jī)質(zhì)文物的材質(zhì)成分均以纖維素為主，被各文博單位大量收藏。纖維素類材質(zhì)容易產(chǎn)生霉變，是文物預(yù)防性保護(hù)的重要研究內(nèi)容。在日常文物保養(yǎng)工作中，我們也經(jīng)常發(fā)現(xiàn)相同材質(zhì)的文物在同一展廳或庫房環(huán)境中，由于擺放位置的不同，有的表面頻繁出現(xiàn)霉斑污染，有的則從未出現(xiàn)類似情況。在空氣流速相對緩慢的位置，如房間角落、密閉展柜、囊匣內(nèi)的文物就時常出現(xiàn)霉斑。因此，空氣流速對文物霉菌病害的影響也是值得文物保護(hù)工作者關(guān)注的一個問題。有研究指出，伴隨空氣流動，霉菌會沉降并黏附于文物表面，進(jìn)而生長并破壞文物結(jié)構(gòu)，是館藏文物霉菌污染的主要來源。［1］部分學(xué)者在古籍保護(hù)研究中發(fā)現(xiàn)，空氣中的微生物沾染到紙張上，隨著時間的變化，不能分解利用纖維素的微生物會逐漸消亡，而能分解纖維素的霉菌等微生物會繼續(xù)生長繁殖，由此必須通過控制存儲環(huán)境的溫濕度與空氣流通方式使霉菌孢子處于永久的休眠狀態(tài)而達(dá)到預(yù)防霉菌污染的目的。［2-3］國家“ 十四五”規(guī)劃已提出要求：“聚焦微生物污染等病害，深化文物材質(zhì)特性、病害形成機(jī)理及發(fā)展預(yù)測方法研究，為文物保護(hù)實踐提供理論指導(dǎo)和科學(xué)依據(jù)?！保?］因此，了解空氣流速與霉菌生長的關(guān)系與規(guī)律，屬于現(xiàn)階段對文物實施科學(xué)防霉措施的前提。

1 實驗方法

該實驗以霉菌污染最常見的纖維素類材質(zhì)文物為研究對象，選取與這類文物材質(zhì)物理性質(zhì)相似的試驗材料，在不同空氣流速下進(jìn)行霉菌生長模擬實驗，觀察計算試驗材料表面產(chǎn)生的霉斑數(shù)量，并通過方差分析法驗證實驗數(shù)據(jù)結(jié)果。

1.1 材料與儀器

1.1.1 試驗材料

據(jù)該實驗所在單位庫房內(nèi)的文物種類，書畫書籍類文物材質(zhì)選取宣紙、牛皮紙，民間服飾選取手工粗棉布，民間家具類文物選取花梨木板和櫸木板，民間勞動工具和樂器選取竹片等6 類材料進(jìn)行實驗，裁成100 mm×150 mm大小備用。PDA 馬鈴薯培養(yǎng)基（市售）；黑曲霉菌種（Co827，上海谷研）；霉菌孢子液（濃度102 cfu/ml，現(xiàn)配）；泡沫盒（上開口，220 mm×220 mm×160 mm，保持試驗材料環(huán)境恒溫恒濕）；尼龍網(wǎng)紗濾布（規(guī)格為40、60、100、150、200、280、300、400 目，覆蓋泡沫箱頂部調(diào)節(jié)氣流速度）。

1.1.2 實驗儀器

恒溫恒濕箱（ZXMP-A1150，上海智城），摩擦系數(shù)測定儀（MXD-02，濟(jì)南賽成），高精度風(fēng)速計量儀（AS-H3，江蘇艾沃斯），超凈工作臺（SW-CJ-1F，蘇州安泰空氣技術(shù)有限公司）；高壓蒸汽滅菌鍋（YXQ-LS-50S，上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠），生物顯微鏡（XSP-2C，上海興行實業(yè)有限公司）。

1.2 實驗方法

1.2.1 霉菌孢子懸浮液配置

將PDA 培養(yǎng)基與純水按照1∶50 的比例混合，放入高壓滅菌鍋內(nèi)121℃下滅菌15 min 后，在超凈工作臺內(nèi)分裝于試管斜置冷卻待用。取黑曲霉菌種使用接種環(huán)挑取一環(huán)接種至試管斜面培養(yǎng)基上封口，置于恒溫恒濕箱（25℃ ，75%RH）內(nèi)培養(yǎng)6 天。［5］試管內(nèi)菌落成熟后取一支，加入5 ml 純水，使用接種環(huán)將斜面菌落刮下，倒入內(nèi)有玻璃球的三角瓶內(nèi)振蕩，使用脫脂棉過濾后用純水沖洗稀釋。該實驗為避免試驗材料表面出現(xiàn)霉斑聚集的現(xiàn)象，因此需要得到足夠稀釋的霉菌孢子懸浮液，在顯微鏡下計數(shù)觀察孢子懸浮液濃度在102 cfu/ml。

1.2.2 霉菌生長實驗

將上述6 類試驗材料裁成面積100 mm×150 mm 大小。先用摩擦系數(shù)檢測儀測得各試驗材料靜摩擦系數(shù)，再將霉菌孢子懸浮液均勻噴灑于試驗材料表面，平放入事先準(zhǔn)備好的泡沫盒內(nèi)移置恒溫恒濕培養(yǎng)箱中（25℃ ，75%RH，培養(yǎng)箱內(nèi)部有穩(wěn)定恒溫恒濕循環(huán)氣流）。泡沫盒頂部封蓋不同規(guī)格的尼龍濾布用以調(diào)節(jié)培養(yǎng)箱內(nèi)送入的氣流速度。3 天后觀察各試驗材料表面，統(tǒng)計霉斑數(shù)量。若出現(xiàn)霉斑聚集的情況，以φ=1 mm 的圓面積計算為一處霉斑。不同風(fēng)速條件下各種試驗材料進(jìn)行重復(fù)實驗2 次，取數(shù)值最接近組中值的2 個數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果分析

2.1 空氣流速對霉斑數(shù)量的影響（單因素分析）

經(jīng)過霉菌培養(yǎng)后，各試驗材料在表面上出現(xiàn)的霉斑數(shù)量與其在泡沫盒微環(huán)境內(nèi)的空氣流速關(guān)系結(jié)果見表1（μ 為靜摩擦系數(shù)）。相同空氣流速和試驗材料條件為一組實驗，每組取兩次試驗數(shù)值，再計算平均值記于括號內(nèi)。

根據(jù)測試結(jié)果，將風(fēng)速與霉斑數(shù)繪制成坐標(biāo)軸關(guān)系圖（圖1～圖2）。

由表1 可以看出，在空氣流速lt;0.25 m/s時，在96 次實驗中，霉斑數(shù)量出現(xiàn)10 處以上的實驗有83 次，占總樣本數(shù)量的83.3%；當(dāng)空氣流速≥0.25 m/s 時，此現(xiàn)象降低到2 次，可見空氣流速在0.25m/s 以上時霉斑數(shù)量相對減少。圖3、圖4 是空氣流速在0.05 m/s 和0.25 m/s時部分試驗材料的霉斑數(shù)量情況。

由圖1、圖2 可以看出，兩組數(shù)值呈現(xiàn)近似于線性的遞減關(guān)系，霉斑數(shù)量隨空氣流速增大而逐漸減少。將兩組數(shù)值導(dǎo)入Excel 表格進(jìn)行單因素顯著性分析及線性擬合計算，結(jié)果如表2 所示。

由方差分析結(jié)果看出，空氣流速對每種試驗材料霉斑數(shù)量影響的顯著性指標(biāo)P 值均遠(yuǎn)小于0.001，說明有非常顯著的影響。各試驗材料霉斑數(shù)量與空氣流速的線性關(guān)系指標(biāo)R2 都在（0.99，1）范圍內(nèi)，證明兩者在圖1、圖2 中呈現(xiàn)近似線性的關(guān)系，同時反映出空氣流速可以明顯改變霉斑數(shù)量。

2.2 摩擦系數(shù)對霉斑數(shù)量的影響

高空氣流速之所以能夠降低試驗材料出現(xiàn)的霉斑數(shù)量，靠的是空氣推動霉菌孢子在試驗材料表面滾動或脫落，使其不能固定生長。在低空氣流速下，霉菌孢子在試驗材料表面受到的靜摩擦力大于空氣推動力時，可以穩(wěn)定附著于試驗材料表面，并分解當(dāng)中的纖維素進(jìn)行繁殖，從而形成霉斑。因此研究空氣流速對霉斑形成的影響時，應(yīng)同時考慮不同試驗材料的表面靜摩擦力系數(shù)。根據(jù)表1，在各空氣流速下，將摩擦系數(shù)與霉斑數(shù)繪制成關(guān)系曲線圖（圖5、圖6）。

圖5、圖6 中靜摩擦系數(shù)與霉斑數(shù)量的曲線比較雜亂，沒有明顯數(shù)量級關(guān)系，說明靜摩擦系數(shù)不能作為獨立因素影響霉斑數(shù)量，需要進(jìn)一步通過雙因素方差分析來證明是否與空氣流速有明顯交互作用，兩者共同對霉斑數(shù)量起到顯著影響。

2.3 空氣流速-摩擦系數(shù)雙因素分析

在研究空氣流速和靜摩擦系數(shù)的雙因素分析前，需要對作為影響指標(biāo)的霉斑數(shù)量進(jìn)行正態(tài)分布檢驗。［6］根據(jù)表1 中每組實驗的平均值，采用χ2 檢驗法，如式（1），導(dǎo)入Excel 表格，對各組霉斑平均數(shù)是否呈正態(tài)分布進(jìn)行假設(shè)性檢驗。

其中，i 為霉斑數(shù)量的出現(xiàn)范圍，代表一組觀察水平。Ai 為i 范圍內(nèi)的實際出現(xiàn)頻次，Ei 為i 范圍內(nèi)的理論出現(xiàn)頻次，n 代表實驗總次數(shù)，Pi 為i 范圍的理論出現(xiàn)概率。k 為霉斑數(shù)量劃分范圍的級數(shù)（k=7）。

由表3 計算結(jié)果顯示，理論差值總和χ2=9.783108817，在自由度k-1 范圍內(nèi)顯著性指標(biāo)P= 0.082（Pgt;0.05），所以認(rèn)為霉斑數(shù)量作為正態(tài)分布檢驗指標(biāo)，其實際數(shù)值與理論值差異不顯著，符合正態(tài)分布規(guī)律，可以進(jìn)行雙因素方差分析。

根據(jù)表1 記錄的每次實驗霉斑數(shù)，使用Excel 表格數(shù)據(jù)分析功能進(jìn)行重復(fù)雙因素方差分析，驗證空氣流速與靜摩擦系數(shù)是否有交互作用，結(jié)果見表4。

由表4 計算結(jié)果可知，空氣流速單因素顯著性指標(biāo)P=3.36×10-31（P＜0.01），是影響霉斑數(shù)量的顯著因素。雙因素交互作用顯著性指標(biāo)P=0.0022（0.001＜P＜0.05），說明兩種因素有較明顯的交互作用，因此在研究空氣流速對霉斑數(shù)量影響的同時，需要關(guān)聯(lián)考慮試驗材料表面靜摩擦力，兩項因素聯(lián)合對霉菌孢子的附著產(chǎn)生作用。

3 結(jié)論

博物館里存有許多珍貴的有機(jī)質(zhì)文物。由于庫房、展廳等保存環(huán)境因素的影響，某些文物都出現(xiàn)過不同程度霉菌污染的問題。霉菌污染對于不可再生的珍貴文物而言危害嚴(yán)重，因此我們需要依靠科學(xué)實驗數(shù)據(jù)制定高效防霉策略，以此來最大程度地保證文物的安全。文物在庫房和展廳等地方因擺放位置、空氣循環(huán)系統(tǒng)開啟程度等情況的影響，其周圍微環(huán)境內(nèi)的空氣流速也會有所不同?？諝饬魉倥c文物自身表面靜摩擦系數(shù)共同決定霉菌孢子在文物表面的附著量。纖維素類材質(zhì)文物的霉斑污染情況受空氣流速的影響非常顯著?？諝饬魉僭酱?，霉菌孢子的附著量越少，霉斑數(shù)量也越少。該實驗結(jié)果證明，霉菌在適宜生長的溫濕度等環(huán)境因素下，纖維素類材質(zhì)文物表面產(chǎn)生的霉斑數(shù)量與周圍空氣流速呈線性遞減的關(guān)系，空氣流速越大，霉斑數(shù)量就越少。當(dāng)空氣流速達(dá)到0.25 m/s 以上時，霉斑數(shù)量明顯降低。此外，文物表面靜摩擦系數(shù)也是影響纖維素類材質(zhì)文物出現(xiàn)霉斑數(shù)量的一項顯著因素，但必須與空氣流速聯(lián)合交互才能發(fā)揮影響作用，不能做單獨分析。

在日常文物保存或陳列過程中，空氣流速是必須要重視的一個因素。例如我們可以根據(jù)不同方位的空氣流速，對文物的擺放位置進(jìn)行合理規(guī)劃布置，尤其是纖維素類材質(zhì)文物。對于表面光滑、摩擦系數(shù)低的竹木漆器類文物，可以考慮在展廳出入口、空調(diào)出風(fēng)口等空氣流速較高的位置擺放。棉質(zhì)服飾若本體材質(zhì)牢固程度較好，也可考慮在空氣較干燥條件下擺放至通風(fēng)位置處。體積小、質(zhì)量輕的紙質(zhì)類文物，放置于密閉展柜并內(nèi)置干燥循環(huán)氣流會有較好的防霉效果。由于保存條件有限，大部分文物都保存于流動空氣中，因此充分研究并運(yùn)用空氣流速與霉菌生長的規(guī)律，對纖維素類材質(zhì)文物防霉預(yù)防性保護(hù)有重要參考價值。

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［責(zé)任編輯 黃祖賓 楊小平］