氣流速對纖維素類材質文物霉菌病害的影響

摘 要：霉斑是纖維素類材質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文物（紙質、棉質、竹木質）表面霉斑受空氣流速與其表面摩擦系數的影響程度，單因素方差分析結果表明，空氣流速對霉斑數量影響顯著，且呈現線性遞減關系；雙因素方差分析結果表明，表面摩擦系數與空氣流速有顯著交互作用，共同影響霉斑數量，空氣流速在0.25 m/s 以上時，對霉斑數量有顯著抑制效果，可作為文物存放位置的參考指標。

關鍵詞：空氣流速；文物；纖維素；霉斑；摩擦系數

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

0 引言

書畫、棉質服飾、竹木漆器等有機質文物的材質成分均以纖維素為主，被各文博單位大量收藏。纖維素類材質容易產生霉變，是文物預防性保護的重要研究內容。在日常文物保養工作中，我們也經常發現相同材質的文物在同一展廳或庫房環境中，由于擺放位置的不同，有的表面頻繁出現霉斑污染，有的則從未出現類似情況。在空氣流速相對緩慢的位置，如房間角落、密閉展柜、囊匣內的文物就時常出現霉斑。因此，空氣流速對文物霉菌病害的影響也是值得文物保護工作者關注的一個問題。有研究指出，伴隨空氣流動，霉菌會沉降并黏附于文物表面，進而生長并破壞文物結構，是館藏文物霉菌污染的主要來源。［1］部分學者在古籍保護研究中發現，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生長繁殖，由此必須通過控制存儲環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而達到預防霉菌污染的目的。［2-3］國家“ 十四五”規劃已提出要求：“聚焦微生物污染等病害，深化文物材質特性、病害形成機理及發展預測方法研究，為文物保護實踐提供理論指導和科學依據。”［4］因此，了解空氣流速與霉菌生長的關系與規律，屬于現階段對文物實施科學防霉措施的前提。

1 實驗方法

該實驗以霉菌污染最常見的纖維素類材質文物為研究對象，選取與這類文物材質物理性質相似的試驗材料，在不同空氣流速下進行霉菌生長模擬實驗，觀察計算試驗材料表面產生的霉斑數量，并通過方差分析法驗證實驗數據結果。

1.1 材料與儀器

1.1.1 試驗材料

據該實驗所在單位庫房內的文物種類，書畫書籍類文物材質選取宣紙、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 類材料進行實驗，裁成100 mm×150 mm大小備用。PDA 馬鈴薯培養基（市售）；黑曲霉菌種（Co827，上海谷研）；霉菌孢子液（濃度102 cfu/ml，現配）；泡沫盒（上開口，220 mm×220 mm×160 mm，保持試驗材料環境恒溫恒濕）；尼龍網紗濾布（規格為40、60、100、150、200、280、300、400 目，覆蓋泡沫箱頂部調節氣流速度）。

1.1.2 實驗儀器

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

1.2 實驗方法

1.2.1 霉菌孢子懸浮液配置

將PDA 培養基與純水按照1∶50 的比例混合，放入高壓滅菌鍋內121℃下滅菌15 min 后，在超凈工作臺內分裝于試管斜置冷卻待用。取黑曲霉菌種使用接種環挑取一環接種至試管斜面培養基上封口，置于恒溫恒濕箱（25℃ ，75%RH）內培養6 天。［5］試管內菌落成熟后取一支，加入5 ml 純水，使用接種環將斜面菌落刮下，倒入內有玻璃球的三角瓶內振蕩，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霉斑聚集的現象，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。先用摩擦系數檢測儀測得各試驗材料靜摩擦系數，再將霉菌孢子懸浮液均勻噴灑于試驗材料表面，平放入事先準備好的泡沫盒內移置恒溫恒濕培養箱中（25℃ ，75%RH，培養箱內部有穩定恒溫恒濕循環氣流）。泡沫盒頂部封蓋不同規格的尼龍濾布用以調節培養箱內送入的氣流速度。3 天后觀察各試驗材料表面，統計霉斑數量。若出現霉斑聚集的情況，以φ=1 mm 的圓面積計算為一處霉斑。不同風速條件下各種試驗材料進行重復實驗2 次，取數值最接近組中值的2 個數據。

2 結果分析

2.1 空氣流速對霉斑數量的影響（單因素分析）

經過霉菌培養后，各試驗材料在表面上出現的霉斑數量與其在泡沫盒微環境內的空氣流速關系結果見表1（μ 為靜摩擦系數）。相同空氣流速和試驗材料條件為一組實驗，每組取兩次試驗數值，再計算平均值記于括號內。

根據測試結果，將風速與霉斑數繪制成坐標軸關系圖（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，霉斑數量出現10 處以上的實驗有83 次，占總樣本數量的83.3%；當空氣流速≥0.25 m/s 時，此現象降低到2 次，可見空氣流速在0.25m/s 以上時霉斑數量相對減少。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量情況。

由圖1、圖2 可以看出，兩組數值呈現近似于線性的遞減關系，霉斑數量隨空氣流速增大而逐漸減少。將兩組數值導入Excel 表格進行單因素顯著性分析及線性擬合計算，結果如表2 所示。

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

2.2 摩擦系數對霉斑數量的影響

高空氣流速之所以能夠降低試驗材料出現的霉斑數量，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，可以穩定附著于試驗材料表面，并分解當中的纖維素進行繁殖，從而形成霉斑。因此研究空氣流速對霉斑形成的影響時，應同時考慮不同試驗材料的表面靜摩擦力系數。根據表1，在各空氣流速下，將摩擦系數與霉斑數繪制成關系曲線圖（圖5、圖6）。

圖5、圖6 中靜摩擦系數與霉斑數量的曲線比較雜亂，沒有明顯數量級關系，說明靜摩擦系數不能作為獨立因素影響霉斑數量，需要進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，兩者共同對霉斑數量起到顯著影響。

2.3 空氣流速-摩擦系數雙因素分析

在研究空氣流速和靜摩擦系數的雙因素分析前，需要對作為影響指標的霉斑數量進行正態分布檢驗。［6］根據表1 中每組實驗的平均值，采用χ2 檢驗法，如式（1），導入Excel 表格，對各組霉斑平均數是否呈正態分布進行假設性檢驗。

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

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

根據表1 記錄的每次實驗霉斑數，使用Excel 表格數據分析功能進行重復雙因素方差分析，驗證空氣流速與靜摩擦系數是否有交互作用，結果見表4。

由表4 計算結果可知，空氣流速單因素顯著性指標P=3.36×10-31（P＜0.01），是影響霉斑數量的顯著因素。雙因素交互作用顯著性指標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量影響的同時，需要關聯考慮試驗材料表面靜摩擦力，兩項因素聯合對霉菌孢子的附著產生作用。

3 結論

博物館里存有許多珍貴的有機質文物。由于庫房、展廳等保存環境因素的影響，某些文物都出現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重，因此我們需要依靠科學實驗數據制定高效防霉策略，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、空氣循環系統開啟程度等情況的影響，其周圍微環境內的空氣流速也會有所不同。空氣流速與文物自身表面靜摩擦系數共同決定霉菌孢子在文物表面的附著量。纖維素類材質文物的霉斑污染情況受空氣流速的影響非常顯著。空氣流速越大，霉菌孢子的附著量越少，霉斑數量也越少。該實驗結果證明，霉菌在適宜生長的溫濕度等環境因素下，纖維素類材質文物表面產生的霉斑數量與周圍空氣流速呈線性遞減的關系，空氣流速越大，霉斑數量就越少。當空氣流速達到0.25 m/s 以上時，霉斑數量明顯降低。此外，文物表面靜摩擦系數也是影響纖維素類材質文物出現霉斑數量的一項顯著因素，但必須與空氣流速聯合交互才能發揮影響作用，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。例如我們可以根據不同方位的空氣流速，對文物的擺放位置進行合理規劃布置，尤其是纖維素類材質文物。對于表面光滑、摩擦系數低的竹木漆器類文物，可以考慮在展廳出入口、空調出風口等空氣流速較高的位置擺放。棉質服飾若本體材質牢固程度較好，也可考慮在空氣較干燥條件下擺放至通風位置處。體積小、質量輕的紙質類文物，放置于密閉展柜并內置干燥循環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，因此充分研究并運用空氣流速與霉菌生長的規律，對纖維素類材質文物防霉預防性保護有重要參考價值。

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［責任編輯 黃祖賓 楊小平］