氧濃度對絲綢上霉菌生長的影響

李邦玉 馬思毓 李菊香

摘要? 以黑曲霉、桔青霉為例，利用物聯網系統監測培養箱溫度、濕度和氧濃度，研究氧濃度對黑曲霉、桔青霉生長的影響。結果發現，在溫度（28±1）℃、濕度60%～80%條件下培養7 d，黑曲霉生長所需的氧濃度最低值為0.7%。高濃度氧氣能滿足其有氧代謝，從而使生長發育達到飽和狀態；低濃度氧氣不能滿足其有氧代謝，從而導致生長發育不充分。當氧濃度低至0.7%時，黑曲霉停止代謝活動。氧濃度對桔青霉生長存在類似的影響。研究絲綢文物上的常見霉菌生長與氧濃度的規律以及氧濃度閾值，為絲綢文物保藏及其裝置開發設計提供了理論依據。

關鍵詞? 氧濃度；絲綢；黑曲霉；桔青霉

中圖分類號? S195.5+82? 文獻標識碼? A? 文章編號? 0517-6611（2024）01-0183-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.01.040

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Effects of Oxygen Concentration on the Growth of Moulds on Silk

LI Bang-yu， MA Si-yu， LI Ju-xiang

（Institute of Applied Chemistry， Suzhou Vocational University， Suzhou， Jiangsu 215000）

Abstract? Taking Aspergillus niger and Penicillium citrinum as examples， the internet of things system was used to monitor the temperature， humidity and oxygen concentration of the incubator， and the influences of oxygen concentration on the growth of A. niger and P. citrinum were preliminarily studied.? Through the preliminary study， it was found that the minimum oxygen concentration required for? the growth of A. niger should be 0.7% when the temperature was （28±1）℃， the humidity was 60%-80%， and the culture lasted for 7 days. High concentration oxygen could satisfy its aerobic metabolism and make its growth and development reach saturation state， while low concentration oxygen could not satisfy its aerobic metabolism and cause insufficient growth and development. The metabolic activity of A. niger stopped when the oxygen concentration in the system was as low as 0.7%. The growth of P. citrinum was similar to the above rule in oxygen concentration. The study on the rule of the growth of common molds on silk cultural relics and the oxygen concentration and the oxygen concentration threshold? provided the theoretical basis for the preservation of silk cultural relics and the development and design of its devices.

Key words? Oxygen concentration;Silk;Aspergillus niger;Penicillium citrinum

基金項目? 2021年蘇州市科學技術局民生工程項目（SS202152）；2023年度蘇州市職業大學研究性課程項目（SZDYKC-230404）。

作者簡介? 李邦玉（1968—），男，安徽宣城人，教授，博士，從事化學及材料科學研究。

收稿日期? 2023-01-13

絲綢文物承載著巨大的歷史、藝術和文物價值，但真絲蛋白質成分能夠為微生物生長提供養料，因此容易滋生微生物，產生霉變使真絲表面坑洼、喪失光澤、顏色暗沉，因此霉菌防治是絲綢文物保護領域的痛點［1-4］。

黑曲霉（Aspergillus niger）是一種自然界常見的腐生真菌，在各種基質上普遍存在，是引起絲綢檔案霉變的主要霉菌之一［5］。黑曲霉的生長分為3個階段：①呈白色絨狀；②變成黃色或者鮮黃色；③呈黑色厚絨狀。黑曲霉生長繁殖快、發酵周期短，可分泌淀粉酶等多種酶，還能分解有機質，產生檸檬酸等多種有機酸，因此對文物有較大的破壞作用。

鑒于絲綢文物的脆弱和不可再生性，使用抗菌劑對文物進行防霉處理會對文物的機能造成潛在的影響，因此物理的防霉保存是最合適的方法，其中低氧濃度保存是防霉保藏的有效方式［6-8］。張志惠等［9］研究了低氧氣調技術對紙質檔案上霉菌的抑制效果，發現在氧濃度0.5％、相對濕度30％的條件下抑菌效果較為理想。目前尚未針對相關菌種確定氧濃度的具體閾值，沒有跟蹤霉菌生長過程中氧濃度的變化。因此，有必要針對絲綢文物上的常見霉菌，開展氧濃度對霉菌生長的影響研究，從而確定有效抑制絲綢上常見霉菌生長的氧濃度及其閾值，進而為絲綢文物保藏裝置的開發設計提供理論依據。

筆者利用課題組開發的監測環境溫度、濕度、氧濃度的物聯網裝置，進行氧濃度對黑曲霉、桔青霉生長的影響試驗，結果發現低氧條件能夠有效抑制絲綢上黑曲霉、桔青霉的生長，當氧濃度低于閾值（0.7%）時黑曲霉、桔青霉的生長處于停滯狀態。

1? 材料與方法

1.1? 試驗材料與設備

黑曲霉和桔青霉菌種（如圖1所示，購自上海保藏生物技術中心）；馬鈴薯葡萄糖瓊脂培養基（上海博微）；YXQ-LS-50SⅡ壓力蒸汽滅菌器（上海博迅）；高純氮氣（蘇州金宏氣體有限公司）；標準絲織物（上海市紡織工業技術監督所）；MJPS-150霉菌培養箱（上海精宏）；GX-65B熱空氣消毒箱（天津泰斯特）；65 W紫外消毒燈（佛山益辰）；去離子水（自制）；涂布棒、離心管（10 mL）；無菌吸管（1、10 mL）；洗耳球；一次性無菌平皿；SW-CJ-1F超凈工作臺（蘇州安泰）；YXQ-LS-50S Ⅱ高壓滅菌鍋（上海博迅）；GX-65B熱空氣消毒箱（天津泰斯特）；SN-LSC-3離心機（上海尚普）。

1.2? 試驗方法

1.2.1? 溫度、濕度、氧濃度傳感器及物聯網檢測系統的搭建。

溫度、濕度、氧濃度集成傳感器（圖2）主要由處理器、氧濃度傳感器、溫濕度傳感器、WiFi通信模塊、LCD顯示器、存儲器等組成。氧含量等監測系統架構（圖3）主要實現環境溫度、濕度和氧濃度的采集，并實現本地顯示、本地存儲與網絡遠程發送功能。傳感器裝置所采集的氧濃度和溫濕度數據，通過WiFi路由器傳輸到電腦端管理軟件，并同步到SQL Server數據庫，便于數據的存儲和導出［10］。傳感器與WiFi模塊采用I2C總線的形式進行通信。傳感器和無線充電接收器固定在密封容器的內璧上，無線充電接收器與傳感器硬件之間使用USB數據線連接供電。氧濃度傳感器的探測范圍為0%～25%、分辨率為0.1%，環境溫濕度的探測范圍分別為-20～50 ℃和15%～90%，氧濃度和溫濕度數據發送頻率為10 s/次。

1.2.2? 氣密性檢測。

向智能培養箱內充入氮氣，使氧濃度降到一個穩定的數值，約7%。若48 h后氧濃度變化量在±0.1%，則說明試驗裝置氣密性良好。

1.2.3? 黑曲霉接種培養。

1.2.3.1

器材滅菌。培養基和無菌水121 ℃下高壓蒸汽滅菌15～30 min；超凈工作臺和無菌室紫外燈照射30 min；用75%乙醇擦拭智能培養箱，再使用紫外燈照射滅菌30 min；移液管等玻璃器皿清洗包扎后，160 ℃干熱滅菌1～2 h。將標準絲貼襯面料剪成直徑（2.5±0.5）cm的圓片，用報紙包扎后60 ℃下干熱滅菌30 min。

1.2.3.2

培養基的制備。向每個培養皿中傾倒冷卻至45～50 ℃的PDA培養基20～25 mL，平放于桌面上，待凝固后即為平板。

1.2.3.3

黑曲霉孢子液的制備。向培養的平板黑曲霉菌種中加水，用接種環輕刮菌種表面，洗出孢子，離心，去上清，洗滌沉淀，再離心。以上步驟重復3次，加水稀釋。

1.2.3.4

黑曲霉的接種培養。吸取（1.0±0.1）mL的黑曲霉菌懸液置于無菌平板中，用無菌涂布棒將菌懸液分散于培養基表面。將絲綢圓片放入平板中央，使其全部浸濕。

1.2.3.5

培養環境設置。將平板放置在智能培養箱中，采用充氮氣的方法調節智能培養箱內初始氧濃度分別為1%、3%、5%、7%、9%、11%、13%、15%、17%、19%、21%，溫度（28±1）℃、濕度60%～80%條件下培養7 d。培養期間，每天定期觀察霉菌的生長狀態和氧濃度的變化。

2? 結果與分析

2.1? 氧濃度對黑曲霉生長的影響

培養7 d后不同氧濃度下黑曲霉的生長狀況如圖4所示。初始氧濃度越高，黑曲霉生長的速度越快，呈現的顏色越深。初始氧濃度分別為1%、3%、5%、7%、9%、11%、13%、15%、17%、19%、21%的培養體系分別呈白色、淡黃色、黃色、黃色、表面部分褐色、褐色、黑褐色、黑褐色、黑褐色、黑褐色和黑褐色。當初始氧濃度≥11%時顏色已經沒有明顯變化，說明黑曲霉的生長已經達到飽和狀態。當初始氧濃度小于9%時，黑曲霉的生長比較緩慢，且氧濃度越低，黑曲霉生長速率越小。

從圖5可以看出，初始氧濃度高于9%的曲線約100 h后接近于水平線，即氧濃度不再隨時間的增加而降低，體系中的氧濃度沒有繼續被消耗，說明黑曲霉菌沒有進行有氧代謝。黑曲霉等真菌的代謝包括分解代謝和合成代謝，其中有氧分解代謝是基礎，提供合成代謝的能量。代謝停止說明霉菌的數量、體積沒有改變，黑曲霉菌培養皿里面的顏色幾乎沒有變化。當初始氧濃度小于7%時霉菌代謝迅速消耗掉氧氣；當氧濃度接近0.7%時（1%體系需要40 h，3%體系需要60 h，5%體系需要90 h，7%體系需要100 h），體系氧濃度不再降低，說明黑曲霉不再消耗氧氣進行代謝活動。從培養皿的顏色來看，此時黑曲霉還沒有充分生長發育，已經處于休眠狀態。

由圖5可知，霉菌培養初始階段的20～24 h所有體系的氧濃度都沒有明顯降低，此時霉菌孢子正處于發育前期，幾乎不消耗氧氣。24 h后所有體系的氧濃度都開始迅速降低，說明黑曲霉開始生長發育。

為了進一步確認黑曲霉生長發育所需的氧濃度最低值，設計了補充試驗。按照相同的方法準備2個帶有黑曲霉樣品的培養皿，設置初始氧濃度分別為0.8%和0.7%，培養7 d。獲得的樣品如圖6所示，培養皿內顏色淺白，說明黑曲霉幾乎沒有生長繁殖。對照圖7黑曲霉生長與氧濃度的變化曲線發現，40 h后0.8%體系內的氧濃度降至0.7%，而初始氧濃度0.7%體系的黑曲霉樣品培養7 d內氧濃度未發生明顯變化，氧濃度始終保持0.7%。

綜上可知，在溫度（28±1）℃、濕度60%～80%條件下培養7 d，黑曲霉生長需要的氧濃度最低值為0.7%。高濃度氧氣體系內的黑曲霉生長發育快速達到飽和狀態后，有氧代謝趨于停止；低濃度氧氣體系內的黑曲霉生長發育不充分，直至體系內氧濃度低于0.7%時黑曲霉也停止代謝活動。

2.2? 氧濃度對桔青霉生長的影響

為了驗證氧濃度對真菌生長影響的普遍性，初步考察了真菌中的桔青霉生長與氧濃度的關系。按相同的方法準備5個帶有桔青霉樣品的培養皿，設置初始氧濃度分別為0.7%、3.0%、7.0%、11.0%、15.0%，培養7 d，獲得的樣品如圖8所示。不同時間桔青霉生長所需氧濃度的變化曲線如圖9所示。

如圖8所示，初始氧濃度越高，桔青霉生長的速度也越快，初始氧濃度分別為0.7%、3.0%、7.0%、11.0%和15.0%的培養體系分別呈現黃色、黃綠色、淡綠色、綠褐色、深綠褐色。初始氧濃度從11.0%起顏色變化不再明顯，說明桔青霉的生長已經接近飽和狀態。當初始氧濃度小于7.0%時，桔青霉生長比較緩慢，且氧濃度越低，桔青霉生長速率越小。

通過對比圖9桔青霉生長過程中氧濃度的變化趨勢發

現，初始氧濃度高于11.0%的曲線約120 h后接近于水平線，即氧濃度隨時間的變化而降低的幅度很小，體系中的氧氣繼續被消耗的量很小，說明桔青霉的有氧代謝非常緩慢。代謝緩慢

說明霉菌的數量變化很少，所以桔青霉培養皿里面的顏色變

化不明顯。當初始氧濃度小于7.0%時，霉菌代謝迅速消耗掉氧氣；當氧濃度接近0.7%時（3.0%體系需要120 h，7.0%體系需要168 h），體系內氧濃度不再降低，說明桔青霉不再消耗氧氣進行代謝活動。從培養皿的顏色來看，此時桔青霉還沒有充分生長發育，已經處于休眠狀態。初始氧濃度越低，桔青霉生長發育越不充分，顏色越淺。

總之，在溫度（28±1）℃、濕度60%～80%條件下培養

7 d，桔青霉生長所需的氧濃度最低值為0.7%。高濃度氧氣體系內桔青霉生長發育快速達到飽和狀態，有氧代謝趨于停止；低濃度氧氣體系內桔青霉生長發育不充分，當體系內氧濃度低于0.7%時桔青霉也停止代謝活動。

3? 結論

針對污染絲綢文物上常見的黑曲霉、桔青霉等真菌，利用物聯網系統監測培養箱溫度、濕度和氧濃度，初步研究氧濃度對黑曲霉、桔青霉生長的影響，得出以下結論。

（1）在溫度（28±1）℃、濕度60%～80%的培養箱中培養7 d，黑曲霉生長需要的氧濃度最低值應為0.7%。高濃度氧氣體系（即氧氣過量時）下黑曲霉通過有氧新陳代謝使生長發育達到飽和狀態，此時有氧代謝趨于停止，體系氧濃度降到一定數值后不再降低；低濃度氧氣體系（即氧氣不充足時）下黑曲霉通過有氧新陳代謝無法使生長發育達到充分狀態，體系氧濃度降至0.7%時黑曲霉停止代謝活動。

（2）氧濃度對桔青霉生長存在類似上述影響。桔青霉生長需要的氧濃度最低值也為0.7%。過量氧氣體系中，桔青霉通過有氧代謝促進生長發育達到飽和狀態后停止有氧代謝；少量氧氣體系中，桔青霉有氧代謝使體系氧濃度降至0.7%時停止有氧代謝活動，從而使生長發育不能達到飽和狀態。

研究絲綢文物上常見霉菌的生長與氧濃度的變化規律，確定有效抑制絲綢上霉菌生長的氧濃度閾值，為絲綢文物保藏及其裝置開發設計提供了理論依據。

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