納米材料在石質(zhì)文物生物病害治理中的應(yīng)用研究進(jìn)展

黃曉霞 賈明浩 張美芳

摘要：生物病害在石質(zhì)文物劣化中起著不可忽視的作用，以二氧化鈦（T102）、氧化鋅（Zn0）、銀（Ag）、銅（cu）、氧化鎂（Mg0）等為代表的活性金屬或金屬氧化物納米材料已在石質(zhì)文物生物病害治理中得到應(yīng)用。對(duì)納米材料的類型和抑菌機(jī)理進(jìn)行了比較分析，通過(guò)梳理檢測(cè)技術(shù)、生物病害治理效果、石質(zhì)本體性能影響、色度變化和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)等五方面的內(nèi)容，探究納米材料在石質(zhì)文物生物病害防治中的研究進(jìn)展。由此得出，不同納米材料的性能和抗菌效果各不相同，針對(duì)的生物病害類型和應(yīng)用場(chǎng)景也有所差異，需要綜合考慮各方因素選擇合適的抗菌試劑。通常情況下，對(duì)微生物病害事先采取物理或化學(xué)的清除和清洗的方式，并將殺菌劑與憎水劑、加固劑混合制備復(fù)合材料對(duì)石質(zhì)文物進(jìn)行處理，能達(dá)到協(xié)同效果。

關(guān)鍵詞：生物病害;納米材料;石質(zhì)文物;真菌，抗菌

引言

國(guó)際古跡遺址理事會(huì)石質(zhì)科學(xué)委員會(huì)（ICOMOS-ISCS） 2001年編制的《石質(zhì)文物劣化模式圖解術(shù)語(yǔ)表》指出，石質(zhì)文物的生物侵蝕（ BiologicalColonization）主要指植物和微生物（如細(xì)菌、藍(lán)藻、藻類、真菌、地衣）等在石材上定居的現(xiàn)象，以及其他一些生物體帶來(lái)的影響，比如動(dòng)物在石材表面和內(nèi)部筑巢[1]。盡管生物侵蝕過(guò)程緩慢，但累積效果卻不容小覷，有文獻(xiàn)指出，約20%-3 0%的石頭表層腐蝕是生物作用的結(jié)果[2]。一方面，微生物和低等植物代謝過(guò)程中分泌的有機(jī)酸與礦物中的鈣、鎂等主要離子螯合形成鹽類物質(zhì)，導(dǎo)致局部點(diǎn)蝕、表面剝落，甚至凍融退化，最終形成含腐殖質(zhì)的松散土壤。另一方面，植物的根辟作用、動(dòng)物和微生物的生長(zhǎng)鉆孔會(huì)對(duì)石質(zhì)文物造成物理風(fēng)化和破壞，且表面形成的生物膜（ Biofilm）會(huì)引起巖石的孔徑分布和內(nèi)部水循環(huán)變化，導(dǎo)致巖石變色，影響石質(zhì)原貌，破壞石質(zhì)文物的文化和美學(xué)特征。

傳統(tǒng)上，戶外石質(zhì)文物生物病害治理使用的殺菌劑為有機(jī)合成材料，包括季銨鹽類、酚類、酰胺類、醇類、酯類、硼類、咪唑類、噻吩類等，上述材料有一定的即時(shí)殺菌效果，但存在化學(xué)穩(wěn)定性差、易產(chǎn)生耐藥性、安全性差、分解產(chǎn)物二次污染等問(wèn)題，且在長(zhǎng)期裸露的戶外環(huán)境條件下，抑菌長(zhǎng)效性得不到保證，生物極易再次在石質(zhì)表面定居。近年來(lái)，以二氧化鈦（Ti02）.氧化鋅（ZnO）、銀（Ag）、銅（Cu）、氧化鎂（Mg0）等為代表的活性金屬或金屬氧化物納米材料，已成為文物保護(hù)領(lǐng)域的新型抑菌材料，得到進(jìn)一步研究和使用。一方面，納米材料對(duì)多種微生物具有顯著的生物活性，即使在低濃度下也具有良好的抗菌性，而納米尖端的表面原子數(shù)量遠(yuǎn)多于傳統(tǒng)粒子，由于缺少鄰近的配位原子而具有很高的能量，可增強(qiáng)納米氧化物與真菌的親和力，提高抗菌效率。另一方面，其形成的自保護(hù)涂層具有疏水加固的特性，能較好地阻隔水分的滲透，破壞生物生長(zhǎng)的環(huán)境條件，加強(qiáng)石質(zhì)文物的機(jī)械性能，因此滿足了文物保護(hù)的應(yīng)用要求。

一、納米材料的類型及抗菌機(jī)理

納米是一種尺度單位，符號(hào)為nm，Inm=10-9m。納米材料 （ Nanomaterials）是指在三維空間結(jié)構(gòu)中至少一維尺寸不超過(guò)lOOnm的材料，處于微觀原子簇和宏觀物體的過(guò)渡區(qū)域，是一種介觀系統(tǒng)。早在1990年代中期，日本學(xué)者Sawai等人在電導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，Ca0. Zn0. Mg0等10種金屬氧化物和碳化物具有良好的抗菌性能[3]。而納米尺寸的金屬和金屬氧化物抗菌材料，具備了納米粒子的體積效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、表面和界面效應(yīng)等特點(diǎn)，使得抗菌性能更加高效持久，它們?cè)谑|(zhì)文物、紙張、木質(zhì)文物、紡織品等方面有著不同程度的應(yīng)用。當(dāng)前納米材料抗菌性能的研究較多，但其抗菌機(jī)理尚存在不少爭(zhēng)議之處?？傮w來(lái)說(shuō)，主要假設(shè)觀點(diǎn)有三種：光催化活性氧抗菌機(jī)制、金屬離子溶出抗菌機(jī)制和接觸吸附抗菌機(jī)制。石質(zhì)文物保護(hù)使用的納米抗菌材料一般采取濕化學(xué)法、溶膠凝膠法、電化學(xué)法等手段進(jìn)行制備。此外，綠色合成也是近年來(lái)新興的納米材料制備方法，具備安全高效的特點(diǎn)。

（一）納米二氧化鈦（ TiO2-NPs）

二氧化鈦（Ti02）是最常見的鈦氧化物，在自然界中存在三種晶體結(jié)構(gòu)：金紅石型、板鈦礦型和銳鈦礦型.其中金紅石型和銳鈦礦型為四方晶系，具有較高的催化活性，尤以銳鈦礦型為佳[4][5]。光催化性是二氧化鈦的主要性質(zhì)，當(dāng)Ti02暴露在紫外光（入<400 nm）下時(shí)，會(huì)產(chǎn)生空穴（hvb+）和激發(fā)電子（ecb）。正電荷空穴與Ti02表面的羥基或接觸到的水分子相互作用產(chǎn)生羥基自由基（.OH）[6]。羥基自由基（.OH）的強(qiáng)氧化性使其能分解多種有機(jī)化合物。電離出的電子則可與氧氣分子結(jié)合生成氧負(fù)離子（02-），氧負(fù)離子（02-）再與H+生成活性基團(tuán)（.OOH），最終將有機(jī)物分解[7】。另一種機(jī)理則認(rèn)為生成的H2O2是分解有機(jī)物的強(qiáng)氧化劑。光催化氧化還原反應(yīng)可降解多種污染物和殺滅生物衰變因子，從而更容易清除石材和建筑表面的污染物和生物污垢[8][9]，因此使其成為建筑行業(yè)迄今為止最重要和最常用的納米材料之一。

（二）納米氧化鋅（Zno NPs）

一般氧化鋅有三種晶體結(jié)構(gòu)：六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)、立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)和巖鹽礦結(jié)構(gòu)，其中纖鋅礦結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最高，最為常見[11]。關(guān)于納米氧化鋅抗菌機(jī)理的主要推測(cè)有幾種： （1）光催化條件下在ZnO—NPs表面上形成活性氧（ROS）殺菌; （2）抗菌效果與ZnO—NPs表面缺陷的研磨性有關(guān); （3）Zn2+金屬離子溶出接觸殺菌。最近一項(xiàng)研究表明，細(xì)胞壁截留的納米ZnO和Zn2+的濃度具有氧化應(yīng)激的聯(lián)合效應(yīng)。盡管其作用機(jī)理有待深入研究，但因?yàn)榱己玫纳锵嗳菪浴⒒瘜W(xué)穩(wěn)定性、生物活性和白色[12][13]，基本不影響材料的顏色，因此ZnO—NPs已在藝術(shù)品領(lǐng)域得到應(yīng)用[14]。

（三）納米銀（Ag NPs）

納米銀的抗菌機(jī)理主要包括接觸殺菌機(jī)理與活性氧殺菌機(jī)理。Ag—NPs在使用過(guò)程中會(huì)釋放帶正電的Ag+，通過(guò)吸引接觸帶負(fù)電的微生物，破壞細(xì)胞壁的完整性，并影響細(xì)胞內(nèi)部代謝酶和核酸的正常功能，導(dǎo)致細(xì)胞死亡。此外，Ag—NPs在光催化條件下能產(chǎn)生強(qiáng)氧化性的活性氧（ROS），使細(xì)胞中抗氧化/氧化作用失衡，產(chǎn)生氧化應(yīng)激反應(yīng)，導(dǎo)致生物細(xì)胞死亡[15][16]。銀離子對(duì)多種細(xì)菌、真菌具有顯著的殺滅效果，且銀系抗菌劑還具備熱和化學(xué)穩(wěn)定性、環(huán)境安全性以及對(duì)人體細(xì)胞的低毒性等優(yōu)點(diǎn)。

（四）納米銅（Cu NPs）

銅系納米抗菌材料具有與銀系相近的抗菌性能，但其成本更低。其中，CLJO—NPs具備較高的抗氧化和紫外輻射穩(wěn)定性，在光照和黑暗條件下均有效，因此常作為其他殺生劑的有效替代品。CuO—NPs的穩(wěn)定性和低溶解度使其能較容易固定在聚合物、水凝膠和硅膠等不同基質(zhì)中，控制Cu2+離子的緩慢釋放。CLJ—NPs的抗菌機(jī)理主要包括金屬離子的釋放以及納米顆粒特有的作用。另外，Cu—NPs可以影響生物的光合作用，促進(jìn)活性氧的形成引起氧化應(yīng)激[17]。

（五）納米氧化鎂（M90 NPs）

1990年代中期，日本學(xué)者Sawai研究發(fā)現(xiàn)MgO對(duì)革蘭氏陽(yáng)/陰性菌、真菌具有較強(qiáng)的殺菌作用，其原因?yàn)镸g0水溶液中產(chǎn)生了活性氧02-離子[18]。目前關(guān)于氧化鎂的抗菌機(jī)理的推論包括活性氧氧化損傷學(xué)說(shuō)、吸附作用引發(fā)的機(jī)械損傷學(xué)說(shuō)和非自由基介導(dǎo)的細(xì)胞膜損傷學(xué)說(shuō)[19]。MgO-NPs在無(wú)光照條件亦可有效殺菌，且存在物理吸附作用強(qiáng)，不變色等特點(diǎn)[20]，能滿足文物保護(hù)的要求。

納米材料的抗菌能力與其顆粒表面性質(zhì)密切相關(guān)，粒徑越小，抗菌效果越好;但與此同時(shí)，粒徑越小，納米材料越容易團(tuán)聚，會(huì)影響抗菌效果的發(fā)揮。通過(guò)選擇合適的分散劑和分散方式可以防止納米材料的團(tuán)聚效應(yīng)。高濃度納米材料的抗菌活性比低濃度的要好，且通過(guò)摻金屬或金屬氧化物形成的納米復(fù)合材料，比使用單一納米材料更能發(fā)揮協(xié)同效應(yīng)。有研究證明，與Mg0和Zn0納米材料相比，摻鋅氧化鎂（Mg1-xZnxO）納米粒子具備更高的光催化活性和抗真菌活性，能有效抑制黑曲霉（Aspergillus niger），草酸青霉（Penicilumoxalicum），擬盾殼霉屬（Paraconiothyrium sp.）和白斑擬盤多毛孢（ Pestalotiopsisalbo-maculans）的生長(zhǎng)[21]。通過(guò)摻Ag等少量金屬，可使微生物蛋白質(zhì)變性，增強(qiáng)Ti02的抗菌活性[22]。

二、納米材料在石質(zhì)文物生物病害治理中的應(yīng)用

使用諸如二氧化鈦等納米材料處理石質(zhì)文物生物病害時(shí)，應(yīng)當(dāng)滿足以下條件：（1）不改變石質(zhì)文物原狀;（2）相容性。即處理后石質(zhì)表面發(fā)生的化學(xué)和物理變化不能對(duì)石質(zhì)文物本體產(chǎn)生不良后果，且納米材料應(yīng)與其他修復(fù)材料如加固劑等相兼容;（3）高效性。納米材料生物殺滅的預(yù)期效果應(yīng)該是顯著的;（4）長(zhǎng)期性。納米涂層的特征及性能具有時(shí)間穩(wěn)定性，能在一定時(shí)間范圍內(nèi)維持其效果[23]。一般采用的處理方式主要為刷涂或噴涂，也有學(xué)者使用浸沒(méi)的方式處理石材，以加強(qiáng)納米材料在石材表面的附著性[24]。

（一）檢測(cè)技術(shù)

表2為納米材料在石質(zhì)文物生物病害防治應(yīng)用中常見的檢測(cè)技術(shù)手段。（1）形貌分析。SEM-EDS和TEM是觀察納米材料尺寸大小和形態(tài)分布的常用方法之一，此外，高分辨率的FESEM和HRSEM也被用來(lái)描述納米材料的形態(tài)學(xué)和化學(xué)分析。（2）成分分析。XPS和ICP-MS是靈敏度較高的元素分析手段。（3）晶格結(jié)構(gòu)分析。XRD和Raman也是分析納米材料樣品純度和結(jié)晶度的常用手段。（4）微生物生長(zhǎng)情況分析。使用光學(xué)顯微鏡、TEM等顯微技術(shù)觀察微觀環(huán)境下霉菌在石質(zhì)文物表面的生長(zhǎng)情況，立體顯微鏡、ESEM-BSE還可以觀測(cè)使用納米材料后石材表面和橫截面上的抗菌活性。

（二）生物病害治理效果評(píng)估

1.納米材料對(duì)石質(zhì)文物表面生物膜的抑制研究

生物膜是貼附在石材表面單層或多層的微生物菌落，通常由包埋在大量細(xì)胞外粘液中的少量不同種類的微生物組成[25]。一般認(rèn)為，光自養(yǎng)微生物是戶外石材表面的第一批定居者，綠藻、藍(lán)細(xì)菌、硅藻等藻類生物膜為地衣、苔蘚和植物的生長(zhǎng)提供了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì);同時(shí)，潮濕的環(huán)境、裸露條件和污染物的存在，加劇了巖石表面生物病害的形成。一方面，這些微生物通過(guò)分泌有機(jī)酸和螯合劑，干濕循環(huán)中的機(jī)械應(yīng)力改變及無(wú)機(jī)鹽沉淀等不同機(jī)制造成石質(zhì)本體的風(fēng)化腐蝕;另一方面，細(xì)胞外多糖（EPS）、有機(jī)葉綠素a和b（綠色）或類胡蘿卜素（橙色）等染色劑的存在使得石材表面形成多色的生物質(zhì)膜，對(duì)石質(zhì)文物的顏色產(chǎn)生影響[26]。大量研究證明Ti02的光催化氧化（PCO，the photocatalyticoxidation）過(guò)程能夠降解藻類生物[27]。與殺菌過(guò)程類似，藻類的光催化氧化首先從破壞細(xì)胞膜和細(xì)胞壁開始，然后繼續(xù)破壞細(xì)胞器膜，該階段耗時(shí)較長(zhǎng)，宏觀上表現(xiàn)為藻類的顏色變化延遲。但是，一旦壁膜結(jié)構(gòu)的保護(hù)作用失效時(shí)，藻類生物的色素成分（如葉綠素a）會(huì)快速分解，喪失光合能力，細(xì)胞失去完整支撐結(jié)構(gòu)而凋亡[28]。因此，納米材料對(duì)于藻類等光合微生物的殺滅效果可以通過(guò)熒光法測(cè)定葉綠素a含量（Chlorophyll acontent）[29]進(jìn)行定量評(píng)估。在藻類污染人工加速老化模擬實(shí)驗(yàn)中，采用數(shù)字圖像處理軟件Imagej能對(duì)監(jiān)測(cè)周期內(nèi)藻類生長(zhǎng)面積覆蓋率變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以評(píng)估納米材料對(duì)藻類生物治理的效果;Graziani依據(jù)Avrami模型和4PL模型對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，發(fā)現(xiàn)其具有預(yù)測(cè)磚石樣本上藻類生物生長(zhǎng)過(guò)程的潛力[30l[31]。Fonseca等人對(duì)比了傳統(tǒng)殺生劑（生物素T、Anios 4.2）和純銳鈦礦、摻鐵銳鈦礦對(duì)綠色微藻和藍(lán)細(xì)菌的效果，通過(guò)測(cè)定接種后和繁殖一段時(shí)間后的葉綠素a含量，證實(shí)了Ti02對(duì)有機(jī)物具有明顯的光催化降解能力[32]。

2.納米材料對(duì)石質(zhì)文物真菌和細(xì)菌病害的抑制研究

真菌被認(rèn)為是戶外文物生物侵蝕的最重要因素。真菌菌落能在石材表面形成白色、灰色或黑色的膜層和色斑，其菌絲可穿透石材基底，造成物理破壞。通過(guò)考馬斯亮藍(lán)法（Bradford法）測(cè)定真菌生物膜的總蛋白量，可以評(píng)估其相對(duì)生物量;通過(guò)提取和表征胞外聚合物（EPS）的蛋白質(zhì)和多糖物質(zhì)，監(jiān)測(cè)納米材料對(duì)真菌生長(zhǎng)代謝過(guò)程的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，0.5%的ZnO-NPs有效降低了生物膜的生長(zhǎng)量，引起生物膜的形態(tài)變化。胞外基質(zhì)的多糖和蛋白質(zhì)比例發(fā)生了改變，同時(shí)ZnO-NPs刺激了真菌孢子和有色物質(zhì)的過(guò)早產(chǎn)生，對(duì)真菌的新陳代謝過(guò)程造成了干擾[33]。