气流速对纤维素类材质文物霉菌病害的影响

摘 要：霉斑是纤维素类材质文物中常见的一类病害。文章通过模拟实验研究纤维素类材质文物（纸质、棉质、竹木质）表面霉斑受空气流速与其表面摩擦系数的影响程度，单因素方差分析结果表明，空气流速对霉斑数量影响显著，且呈现线性递减关系；双因素方差分析结果表明，表面摩擦系数与空气流速有显著交互作用，共同影响霉斑数量，空气流速在0.25 m/s 以上时，对霉斑数量有显著抑制效果，可作为文物存放位置的参考指标。

关键词：空气流速；文物；纤维素；霉斑；摩擦系数

中图分类号： K854.3 文献标识码： A 文章编号： 1673-8462（2023）03-0048-06

0 引言

书画、棉质服饰、竹木漆器等有机质文物的材质成分均以纤维素为主，被各文博单位大量收藏。纤维素类材质容易产生霉变，是文物预防性保护的重要研究内容。在日常文物保养工作中，我们也经常发现相同材质的文物在同一展厅或库房环境中，由于摆放位置的不同，有的表面频繁出现霉斑污染，有的则从未出现类似情况。在空气流速相对缓慢的位置，如房间角落、密闭展柜、囊匣内的文物就时常出现霉斑。因此，空气流速对文物霉菌病害的影响也是值得文物保护工作者关注的一个问题。有研究指出，伴随空气流动，霉菌会沉降并黏附于文物表面，进而生长并破坏文物结构，是馆藏文物霉菌污染的主要来源。［1］部分学者在古籍保护研究中发现，空气中的微生物沾染到纸张上，随着时间的变化，不能分解利用纤维素的微生物会逐渐消亡，而能分解纤维素的霉菌等微生物会继续生长繁殖，由此必须通过控制存储环境的温湿度与空气流通方式使霉菌孢子处于永久的休眠状态而达到预防霉菌污染的目的。［2-3］国家“ 十四五”规划已提出要求：“聚焦微生物污染等病害，深化文物材质特性、病害形成机理及发展预测方法研究，为文物保护实践提供理论指导和科学依据。”［4］因此，了解空气流速与霉菌生长的关系与规律，属于现阶段对文物实施科学防霉措施的前提。

1 实验方法

该实验以霉菌污染最常见的纤维素类材质文物为研究对象，选取与这类文物材质物理性质相似的试验材料，在不同空气流速下进行霉菌生长模拟实验，观察计算试验材料表面产生的霉斑数量，并通过方差分析法验证实验数据结果。

1.1 材料与仪器

1.1.1 试验材料

据该实验所在单位库房内的文物种类，书画书籍类文物材质选取宣纸、牛皮纸，民间服饰选取手工粗棉布，民间家具类文物选取花梨木板和榉木板，民间劳动工具和乐器选取竹片等6 类材料进行实验，裁成100 mm×150 mm大小备用。PDA 马铃薯培养基（市售）；黑曲霉菌种（Co827，上海谷研）；霉菌孢子液（浓度102 cfu/ml，现配）；泡沫盒（上开口，220 mm×220 mm×160 mm，保持试验材料环境恒温恒湿）；尼龙网纱滤布（规格为40、60、100、150、200、280、300、400 目，覆盖泡沫箱顶部调节气流速度）。

1.1.2 实验仪器

恒温恒湿箱（ZXMP-A1150，上海智城），摩擦系数测定仪（MXD-02，济南赛成），高精度风速计量仪（AS-H3，江苏艾沃斯），超净工作台（SW-CJ-1F，苏州安泰空气技术有限公司）；高压蒸汽灭菌锅（YXQ-LS-50S，上海博迅实业有限公司医疗设备厂），生物显微镜（XSP-2C，上海兴行实业有限公司）。

1.2 实验方法

1.2.1 霉菌孢子悬浮液配置

将PDA 培养基与纯水按照1∶50 的比例混合，放入高压灭菌锅内121℃下灭菌15 min 后，在超净工作台内分装于试管斜置冷却待用。取黑曲霉菌种使用接种环挑取一环接种至试管斜面培养基上封口，置于恒温恒湿箱（25℃ ，75%RH）内培养6 天。［5］试管内菌落成熟后取一支，加入5 ml 纯水，使用接种环将斜面菌落刮下，倒入内有玻璃球的三角瓶内振荡，使用脱脂棉过滤后用纯水冲洗稀释。该实验为避免试验材料表面出现霉斑聚集的现象，因此需要得到足够稀释的霉菌孢子悬浮液，在显微镜下计数观察孢子悬浮液浓度在102 cfu/ml。

1.2.2 霉菌生长实验

将上述6 类试验材料裁成面积100 mm×150 mm 大小。先用摩擦系数检测仪测得各试验材料静摩擦系数，再将霉菌孢子悬浮液均匀喷洒于试验材料表面，平放入事先准备好的泡沫盒内移置恒温恒湿培养箱中（25℃ ，75%RH，培养箱内部有稳定恒温恒湿循环气流）。泡沫盒顶部封盖不同规格的尼龙滤布用以调节培养箱内送入的气流速度。3 天后观察各试验材料表面，统计霉斑数量。若出现霉斑聚集的情况，以φ=1 mm 的圆面积计算为一处霉斑。不同风速条件下各种试验材料进行重复实验2 次，取数值最接近组中值的2 个数据。

2 结果分析

2.1 空气流速对霉斑数量的影响（单因素分析）

经过霉菌培养后，各试验材料在表面上出现的霉斑数量与其在泡沫盒微环境内的空气流速关系结果见表1（μ 为静摩擦系数）。相同空气流速和试验材料条件为一组实验，每组取两次试验数值，再计算平均值记于括号内。

根据测试结果，将风速与霉斑数绘制成坐标轴关系图（图1～图2）。

由表1 可以看出，在空气流速lt;0.25 m/s时，在96 次实验中，霉斑数量出现10 处以上的实验有83 次，占总样本数量的83.3%；当空气流速≥0.25 m/s 时，此现象降低到2 次，可见空气流速在0.25m/s 以上时霉斑数量相对减少。图3、图4 是空气流速在0.05 m/s 和0.25 m/s时部分试验材料的霉斑数量情况。

由图1、图2 可以看出，两组数值呈现近似于线性的递减关系，霉斑数量随空气流速增大而逐渐减少。将两组数值导入Excel 表格进行单因素显著性分析及线性拟合计算，结果如表2 所示。

由方差分析结果看出，空气流速对每种试验材料霉斑数量影响的显著性指标P 值均远小于0.001，说明有非常显著的影响。各试验材料霉斑数量与空气流速的线性关系指标R2 都在（0.99，1）范围内，证明两者在图1、图2 中呈现近似线性的关系，同时反映出空气流速可以明显改变霉斑数量。

2.2 摩擦系数对霉斑数量的影响

高空气流速之所以能够降低试验材料出现的霉斑数量，靠的是空气推动霉菌孢子在试验材料表面滚动或脱落，使其不能固定生长。在低空气流速下，霉菌孢子在试验材料表面受到的静摩擦力大于空气推动力时，可以稳定附着于试验材料表面，并分解当中的纤维素进行繁殖，从而形成霉斑。因此研究空气流速对霉斑形成的影响时，应同时考虑不同试验材料的表面静摩擦力系数。根据表1，在各空气流速下，将摩擦系数与霉斑数绘制成关系曲线图（图5、图6）。

图5、图6 中静摩擦系数与霉斑数量的曲线比较杂乱，没有明显数量级关系，说明静摩擦系数不能作为独立因素影响霉斑数量，需要进一步通过双因素方差分析来证明是否与空气流速有明显交互作用，两者共同对霉斑数量起到显著影响。

2.3 空气流速-摩擦系数双因素分析

在研究空气流速和静摩擦系数的双因素分析前，需要对作为影响指标的霉斑数量进行正态分布检验。［6］根据表1 中每组实验的平均值，采用χ2 检验法，如式（1），导入Excel 表格，对各组霉斑平均数是否呈正态分布进行假设性检验。

其中，i 为霉斑数量的出现范围，代表一组观察水平。Ai 为i 范围内的实际出现频次，Ei 为i 范围内的理论出现频次，n 代表实验总次数，Pi 为i 范围的理论出现概率。k 为霉斑数量划分范围的级数（k=7）。

由表3 计算结果显示，理论差值总和χ2=9.783108817，在自由度k-1 范围内显著性指标P= 0.082（Pgt;0.05），所以认为霉斑数量作为正态分布检验指标，其实际数值与理论值差异不显著，符合正态分布规律，可以进行双因素方差分析。

根据表1 记录的每次实验霉斑数，使用Excel 表格数据分析功能进行重复双因素方差分析，验证空气流速与静摩擦系数是否有交互作用，结果见表4。

由表4 计算结果可知，空气流速单因素显著性指标P=3.36×10-31（P＜0.01），是影响霉斑数量的显著因素。双因素交互作用显著性指标P=0.0022（0.001＜P＜0.05），说明两种因素有较明显的交互作用，因此在研究空气流速对霉斑数量影响的同时，需要关联考虑试验材料表面静摩擦力，两项因素联合对霉菌孢子的附着产生作用。

3 结论

博物馆里存有许多珍贵的有机质文物。由于库房、展厅等保存环境因素的影响，某些文物都出现过不同程度霉菌污染的问题。霉菌污染对于不可再生的珍贵文物而言危害严重，因此我们需要依靠科学实验数据制定高效防霉策略，以此来最大程度地保证文物的安全。文物在库房和展厅等地方因摆放位置、空气循环系统开启程度等情况的影响，其周围微环境内的空气流速也会有所不同。空气流速与文物自身表面静摩擦系数共同决定霉菌孢子在文物表面的附着量。纤维素类材质文物的霉斑污染情况受空气流速的影响非常显著。空气流速越大，霉菌孢子的附着量越少，霉斑数量也越少。该实验结果证明，霉菌在适宜生长的温湿度等环境因素下，纤维素类材质文物表面产生的霉斑数量与周围空气流速呈线性递减的关系，空气流速越大，霉斑数量就越少。当空气流速达到0.25 m/s 以上时，霉斑数量明显降低。此外，文物表面静摩擦系数也是影响纤维素类材质文物出现霉斑数量的一项显著因素，但必须与空气流速联合交互才能发挥影响作用，不能做单独分析。

在日常文物保存或陈列过程中，空气流速是必须要重视的一个因素。例如我们可以根据不同方位的空气流速，对文物的摆放位置进行合理规划布置，尤其是纤维素类材质文物。对于表面光滑、摩擦系数低的竹木漆器类文物，可以考虑在展厅出入口、空调出风口等空气流速较高的位置摆放。棉质服饰若本体材质牢固程度较好，也可考虑在空气较干燥条件下摆放至通风位置处。体积小、质量轻的纸质类文物，放置于密闭展柜并内置干燥循环气流会有较好的防霉效果。由于保存条件有限，大部分文物都保存于流动空气中，因此充分研究并运用空气流速与霉菌生长的规律，对纤维素类材质文物防霉预防性保护有重要参考价值。

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［责任编辑 黄祖宾 杨小平］