溫濕度對博物館展陳文物的影響研究

伍 峰

（珠海博物館，廣東 珠海 515900）

引言

博物館作為文物單位，文物的不可再生和珍貴價值決定了博物館必須要做好文物的保護工作，并在此基礎上發揮文物展覽、科研等價值，并不斷激活文物，不斷豐富人們精神生活。截止至2021 年底，珠海博物館館藏文物總數為16 000 余件（套），但是，紙質文物、木質文物、陶瓷文物、絲織文物、金屬文物由于受環境因素的影響，保護不當，容易出現不同程度的損壞，造成不可逆的損失，其中溫濕度是影響展陳文物環境因素中的重要環節。珠海博物館新館2020 年10 月啟用中央空調系統、恒溫系統和除濕設備調控展廳和展柜的溫濕度，實時監測、控制展陳文物所處環境的溫濕度變化情況，消除環境中的不利因素，使溫濕度維持在適宜區間，提高展陳文物安全系數，效果明顯。

1 材料與方法

1.1 設備型號與編號

館內配置基礎設備如表1 所示。

表1 設備型號與編號

1.2 溫濕度調控與計算方法

1）空調設備：冷水機組是中央空調的制冷源，由制冷機、冷卻水循環系統、冷凍水循環系統、風機盤管系統和冷卻塔組成。編號為1#、2#、3#，根據環境監測溫濕度數值，適時啟用。柴油發電機（編號5#）為備用應急供電設備，在突發停電時開啟柴油發電機供電。

2）溫濕度計：編號為9#，全天候監測，每日定時記錄相關數據。

3）恒溫設備：編號為10#，潮濕季節24 h 開啟，干燥季節關停。

4）除濕機編號6#、7#、8#，根據環境濕度，適時啟用。

5）水活度采用公式（1）計算：

式中，RH 為空氣相對濕度。

6）展廳和展柜室內相對濕度計算方法：

展廳和展柜室內相對濕度每天24 h 監測，每4 h記錄1 次數據，取加權平均值，計算如公式（2）所示：

7）展廳和展柜室內溫度計算方法：

展廳和展柜室內溫度每天24 h 監測，每小時記錄1 次數據，取加權平均值，計算如下頁公式（3）所示：

1.3 溫濕度標準

展陳文物溫濕度標準參照中華人民共和國行業標準《博物館建筑設計規范JGJ 66—2015》標準執行[1]，詳見表2。

表2 文物保存溫濕度標準閥值

2 結果與討論

2.1 溫濕度對紙質文物的影響

紙質文物作為一種重要的文物類型，主要成分是纖維素、半纖維素、木質素及一些有機物，纖維素分子結構以氫鍵構成平行的微品束，氫鍵數量多，微品束結合牢固，在具體保管過程中受環境影響較大[2-3]。沿海地區，每年4 月至5 月份，氣候特征是多雨、南風、天氣潮濕，室外相對濕度普遍較高，最高時相對濕度接近98%，造成紙質文物受潮而損壞。為確保書畫展廳展陳文物不被損壞，運營中通過中央空調系統、展柜恒溫系統和除濕機來控制該類展陳文物的溫濕度。中央空調1#、3#主機開啟，冷氣輸出設定閾值9 ℃，風機設定風速閾值3 500 m3/h，展柜恒溫設定閾值26 ℃，6#、7#除濕機24 h 開啟。由圖1 可知，監測紙質文物展廳和展柜室內相對濕度51.9%±2.1%，展廳和展柜室內溫度24 ℃±2.1 ℃。紙質文物保存完好無損，未出現受潮現象或生物腐蝕現象。

圖1 溫濕度對紙質文物的影響

分析認為：一方面，紙質文物的生物腐蝕主要是Ostridium，Bacteroides，Peptococcu，Fusobacterium，Lepto trichia，Ymomonas，Aeromonas，RhodospirilliUm，Veillonella，Leptotrichia，Clostridium sp .，Acidovorax sp .，Kluyvera sp.等[4]菌群。微生物以有機物為碳源，不斷進行新陳代謝，破壞了纖維素的結構。另一方面，生物群書虱和毛衣魚在潮濕環境中容易對紙質文物中的纖維素、半纖維素形成破壞，出現紙質文物的發黃、變脆、斑點、蛀蝕等現象。沿海潮濕環境中的大氣普遍含鹽較高，且沿海降水普遍呈酸性，為可溶鹽類與酸式鹽之間相互轉化創造了條件，形成了自然的緩沖體系，為微生物繁殖提供了適宜的環境[5]。2020 年，珠海城市降水pH 值范圍在4.20～6.11 之間，酸雨發生率為67.7%。根據相關研究：水活度達到0.85～1.00，碳源充足，pH 值合適的情況下，微生物從遲緩期進入對數期，細胞飽滿，酶系活躍，代謝能力最為旺盛，生長發育與繁殖速度加快。但是，干燥環境下，因水分不足，微生物的生長與繁殖也受到抑制。溫濕度控制在閾值內，阻斷微生物營養的來源，微生物因營養物質缺乏，轉為內源呼吸，細胞代謝活力下降，部分微生物因蛋白水解酶活力的增強導致菌體死亡，細菌進人衰亡期。而且，環境中溫濕度條件的改變會對紙質文物的伸張度造成影響。溫濕度過高或過低時，紙張就會因吸水或者脫水發生而形變。溫度升高，紙張含有水分被蒸發，引起紙張收縮或干裂。溫度過低時，環境潮濕，紙張膨脹。

2.2 溫濕度對木質文物的影響

木質文物含有豐富的木質素、纖維素，半纖維素等高分子聚合有機物，結構多孔，吸水膨脹，失水收縮[6]。同時，受溫濕度影響，環境中酸，堿，鹽、微生物等對木質文物產生化學腐蝕和生物腐蝕，特別是蛀蟲直接破壞木質文物內部結構，造成機械強度下降[7]。潮濕天氣，木質文物容易發生腐蝕，3月至4 月份，室外相對濕度83.7%±12%，溫度21 ℃±6 ℃，為微生物繁殖提供了有利條件，展廳溫濕度控制不當，微生物大量繁殖，必然造成木質文物的微生物腐蝕加劇。因此，中央空調1# 主機開啟，冷氣輸出設定閾值8 ℃，風機設定風速閾值7 500 m3/h。由下頁圖2 可知，監測木質文物展廳相對濕度51.5%±4.5%，溫度23.8 ℃±1.8 ℃，木質文物保持干燥，未出現裂隙，起翹，孔洞、霉變、腐爛現象。

圖2 溫濕度對木質文物的影響

分析認為：木質文物腐蝕在結構上通常是發脆、多孔，呈現黃色、褐色、黑色等現象，是霉菌、木腐菌等微生物腐蝕造成的。由于霉菌屬于好氧型微生物，生長繁殖與溫度、濕度、氧氣系系相關。一方面，霉菌的繁殖跟溫度有重要關系，多數霉菌在25 ℃～30 ℃時，細胞生長旺盛，繁殖能力極強。當溫度低于0 ℃或高于30 ℃，細胞失去活性，霉菌進入衰亡期，繁殖能力減弱。展廳溫度控制在23.8 ℃±1.8 ℃，霉菌的細胞活性受到抑制，新陳代謝功能減弱。另一方面，環境因素中的相對濕度對霉菌的繁殖也較大的影響。水活性度達到0.5 以上，氧氣充足，霉菌生長繁殖呈對數型增長。水活度接近1.0 時，霉菌生長繁殖速度最快。同時，木腐菌、白腐菌等微生物及其產生的漆酶能夠以水為媒介，把木質素、纖維素、半纖維素等高分子有機物降解為二氧化碳和水，為微生物的新陳代謝提供了豐富的碳源，促進了微生物的繁殖。水活度低于0.5時，蛋白質失去活性，細胞膜傳遞能量物質變弱，細胞質因缺泛足夠的碳源，發育緩慢，抑制了霉菌繁殖。另外，展廳溫濕度的有效控制，白蟻、天牛、吉叮蟲、小盆蟲、扁蠢、象鼻蟲等呈“冬眠狀態”，其新陳代謝和產卵能力也能受到抑制，蟲、卵細胞功能停止作用，避免了蟲蝕等現象的發生。

2.3 溫濕度對陶瓷文物的影響

由圖3 可知，中央空調2#主機開啟，冷氣輸出設定閾值10 ℃，風機設定風速閾值4 500 m3/h，展柜恒溫設定閾值26 ℃。監測陶瓷文物展廳和展柜室內的相對濕度為50.9%±4.5%，展廳和展柜室內溫度24.4 ℃±1.1 ℃，陶瓷文物未發生霉變和損壞，效果較好。

圖3 溫濕度對陶瓷文物的影響

分析認為：陶瓷器本身的抗溫性和抗腐蝕性均較強，溫度對陶瓷器保存影響較小，濕度對陶瓷器保存影響較大，這是由陶瓷器胎質結構多孔、吸水性較強等特性決定的。但是，在運營過程中，為防停電導致空調系統無法正常運行，展廳溫濕度調節失敗的現象發生，必要時啟用柴油發電機給空調系統供電，確保空調系統運轉正常和陶瓷器保存環境處于穩定狀態。展廳相對濕度過高或者過低時，陶瓷器胎體存在吸收或逸出水分的現象，導致胎體膨脹或體積縮小，造成陶瓷器文物崩毀或出現玻璃紋。而且，陶瓷器來自考古發掘，胎內含有無機鹽等，外界環境的變化，胎內水分也發生變化，吸收的無機鹽處于溶解和結晶的循環狀態。長時間溫濕度不穩定，陶瓷器出現剝蝕或崩裂[8]。珠海空氣污染物中含有化硫物和氮氧化物[7]，在強氧化劑的作用下容易發生氧化還原反應，與陶瓷器表面的水分結合，形成硫酸、亞硫酸、硝酸、亞硝酸，在陶瓷器表面產生酸化現象[9]，導致陶瓷器表面的玻璃質模糊或發暗，出現釉彩剝落、退色等現象[10]。同時，溫度在25 ℃左右，空氣相對濕度大于80%，閉封環境中，陶瓷容易發生霉變。期間因供電系統線路故障，中央空調暫停7 d，部分陶瓷表面發生霉變，主要是霉菌依靠產生形形色色的無性或有性孢子進行繁殖，菌落與陶瓷器表面緊密連接，呈現蛛網狀、絨毛狀、棉絮狀等，影響陶瓷器的外觀效果[11]。

2.4 溫濕度對絲織文物的影響

絲織品主要包括絲、綢、績、緞、絹等，由蠶絲編織而成，含有多種氨基酸，其中絲素蛋白質以甘氨酸、丙氨酸、絲氨酸和酪氨酸為主，結構多孔，透氣性好，吸水回潮率高。絲膠蛋白質含有豐富的絲氨基酸、蘇氨基酸、天冬氨基酸等氨基酸，水溶性較強，對絲素起到保護和黏合作用[12]。由圖4 可知，中央空調開啟1#、2#主機，冷氣輸出設定閾值10 ℃，風機設定風速閾值6 500 m3/h，展柜恒溫設定為26 ℃，8#除濕機24 h開啟。監測絲織文物展廳和展柜室內相對濕度51.7%±4.3%，展廳和展柜室內溫度22.4 ℃±3.3 ℃，絲織文物未腐蝕和老化。

圖4 溫濕度對絲綢文物的影響

分析認為：絲織品的老化和損壞是溫度、濕度、光、熱、氧化物、有害氣體等因素綜合作用的結果[13]。溫度與濕度又是相互關聯，相互影響，密不可分。溫度過高時，加劇絲織文物老化，造成絲織品的干朽或脆裂。濕度過高，微生物以氨基酸等有機物為碳源而大量繁殖，絲織文物直接被生物腐蝕。同時，環境中的酸、堿、鹽等無機物對絲織品進行化學侵蝕，絲膠脫離，蛋白質發生變性，絲織文物的結構遭到破壞，導致絲織文物朽化變質，表面出現變形、變脆、裂痕、孔洞、坑穴，甚至溝槽，光滑度下降，粗糙度增加，機械強度下降[14]。而且，濕空氣碰到溫度低于其露點溫度的物體，玻璃的表面就會出現結露現象。另外，蟲類生物的生長繁殖適宜溫度范圍在20 ℃～30 ℃，繁殖的高峰在25 ℃～30 ℃[15]。珠海博物館處于海邊，空氣潮濕，而絲織文物對溫濕度相當敏感。根據中華人民共和國行業標準《博物館建筑設計規范JGJ 66—2015》[1]絲織文物的相對濕度建議范圍為：50%～60%。運營中，珠海博物館通過中央空調系統、恒溫系統來調節溫濕度，實現了展廳和展柜室內溫濕度的合理性，保證了展陳絲織文物處于適宜的保存環境，確保了展陳絲織文物無任何損害。

2.5 溫濕度對金屬文物的影響

金屬文物的化學腐蝕和生物腐蝕由金屬文物屬性、微生物種類和文物所處環境共同決定，表現為點腐蝕、縫隙、孔洞等現象[16-17]。一是微生物以鐵等微量金屬元素作為營養元素，細胞發育良好，酶的活性增強，酶促反應加快，生物量顯著增加。二是鐵等離子的氧化還原反應為微生物新陳代謝提供了能量保證[18]，微生物的代謝功能增強。如圖5 所示，高溫潮濕季節，中央1#、2#主機開啟，冷氣輸出設定閾值6 ℃，風機設定風速閾值8 500 m3/h，展廳溫度均設定閾值23 ℃，展柜溫度設定閾值26 ℃，監測展廳和展柜室內相對濕度52.2%±3.5%，展廳和展柜室內溫度24.8 ℃±1.4 ℃，展陳金屬文物未出現化學腐蝕和生物腐蝕現象。

圖5 溫濕度對金屬文物的影響

分析認為：金屬文物腐蝕主要是硫氧化細菌、硫酸鹽還原菌、鐵氧化細菌、鐵還原細菌、硝化細菌、反硝化細菌及產酸菌和產黏液菌等微生物。生物膜含多種無機物、有機物和多種生物活性物質，與金屬表面物質存在相互協同作用，既能相互影響，相互促進，又能相互制約，相互控制。微生物繁殖中產生大量蛋白質、多肽、羧酸、核酸和氨基酸及少量硫代硫酸鹽等代謝產物，形成陰離子絡合物與金屬螯合物[19]。在自然環境下，溫度升高，金屬的化學腐蝕速度加快，金屬文物的腐蝕速度也加快，而且潮濕的環境中，金屬氧化物作為腐蝕中間產物存在于金屬文物表面，液相中的酸、堿、鹽充當了電介質，為電子轉移提供了條件，進一步加速了金屬文物的生物腐蝕[20-21]。鐵元素是細胞中鐵氧化酶重要組成部分，具有很強的氧化性。好氧型微生物通過將Fe2+氧化為Fe3+或將S4+氧化為S6+來獲取能量，且產生酸性物質，導致環境中的pH 值發生變化和金屬鐵的溶解[22]。在厭氧環境中，微生物利用有機物作為電子供體，將金屬氧化物中的高價金屬離子作為電子受體從而將金屬進行異化還原。硫酸鹽還原菌（厭氧型）對金屬腐蝕與鐵氧化細菌密切相關，鐵氧化細菌（好氧型）通過消耗氧氣或阻礙物質的傳遞，導致氧濃度下降，使硫酸鹽還原菌得到適宜的生長環境，在細胞膜胞外聚合物和細胞壁羧基、硫基、氨基等活性官能團的作用下，與金屬離子發生絡合或螯合作用[23]。同時，假單胞菌與弧菌相互協同，促進了生物膜的形成，在金屬表面形成鈍化膜以及胞外聚合物，抑制點蝕的發生。但是，生物膜的腐蝕具有兩面性，在富營養化環境中，假單胞菌與弧菌又破壞鈍化膜，表面形成氧濃差電池，直接或間接的方式從金屬材料中獲得電子，加快腐蝕速度，促進了點蝕[24]。

3 結語

環境因素是影響展陳文物重要因素。珠海博物館根據地理環境、海洋環境、氣候條件，調節空調系統、恒溫系統和除濕設備運營環境參數，使博物館展廳、展柜環境溫濕度變化符合《博物館建筑設計規范JGJ 66—2015》設定的標準，達到保護展陳文物免遭腐蝕或損害的目的，效果理想。