纳米材料在石质文物生物病害治理中的应用研究进展

黄晓霞 贾明浩 张美芳

摘要：生物病害在石质文物劣化中起着不可忽视的作用，以二氧化钛（T102）、氧化锌（Zn0）、银（Ag）、铜（cu）、氧化镁（Mg0）等为代表的活性金属或金属氧化物纳米材料已在石质文物生物病害治理中得到应用。对纳米材料的类型和抑菌机理进行了比较分析，通过梳理检测技术、生物病害治理效果、石质本体性能影响、色度变化和现场实验等五方面的内容，探究纳米材料在石质文物生物病害防治中的研究进展。由此得出，不同纳米材料的性能和抗菌效果各不相同，针对的生物病害类型和应用场景也有所差异，需要综合考虑各方因素选择合适的抗菌试剂。通常情况下，对微生物病害事先采取物理或化学的清除和清洗的方式，并将杀菌剂与憎水剂、加固剂混合制备复合材料对石质文物进行处理，能达到协同效果。

关键词：生物病害;纳米材料;石质文物;真菌，抗菌

引言

国际古迹遗址理事会石质科学委员会（ICOMOS-ISCS） 2001年编制的《石质文物劣化模式图解术语表》指出，石质文物的生物侵蚀（ BiologicalColonization）主要指植物和微生物（如细菌、蓝藻、藻类、真菌、地衣）等在石材上定居的现象，以及其他一些生物体带来的影响，比如动物在石材表面和内部筑巢[1]。尽管生物侵蚀过程缓慢，但累积效果却不容小觑，有文献指出，约20%-3 0%的石头表层腐蚀是生物作用的结果[2]。一方面，微生物和低等植物代谢过程中分泌的有机酸与矿物中的钙、镁等主要离子螯合形成盐类物质，导致局部点蚀、表面剥落，甚至冻融退化，最终形成含腐殖质的松散土壤。另一方面，植物的根辟作用、动物和微生物的生长钻孔会对石质文物造成物理风化和破坏，且表面形成的生物膜（ Biofilm）会引起岩石的孔径分布和内部水循环变化，导致岩石变色，影响石质原貌，破坏石质文物的文化和美学特征。

传统上，户外石质文物生物病害治理使用的杀菌剂为有机合成材料，包括季铵盐类、酚类、酰胺类、醇类、酯类、硼类、咪唑类、噻吩类等，上述材料有一定的即时杀菌效果，但存在化学稳定性差、易产生耐药性、安全性差、分解产物二次污染等问题，且在长期裸露的户外环境条件下，抑菌长效性得不到保证，生物极易再次在石质表面定居。近年来，以二氧化钛（Ti02）.氧化锌（ZnO）、银（Ag）、铜（Cu）、氧化镁（Mg0）等为代表的活性金属或金属氧化物纳米材料，已成为文物保护领域的新型抑菌材料，得到进一步研究和使用。一方面，纳米材料对多种微生物具有显著的生物活性，即使在低浓度下也具有良好的抗菌性，而纳米尖端的表面原子数量远多于传统粒子，由于缺少邻近的配位原子而具有很高的能量，可增强纳米氧化物与真菌的亲和力，提高抗菌效率。另一方面，其形成的自保护涂层具有疏水加固的特性，能较好地阻隔水分的渗透，破坏生物生长的环境条件，加强石质文物的机械性能，因此满足了文物保护的应用要求。

一、纳米材料的类型及抗菌机理

纳米是一种尺度单位，符号为nm，Inm=10-9m。纳米材料 （ Nanomaterials）是指在三维空间结构中至少一维尺寸不超过lOOnm的材料，处于微观原子簇和宏观物体的过渡区域，是一种介观系统。早在1990年代中期，日本学者Sawai等人在电导率实验中发现，Ca0. Zn0. Mg0等10种金属氧化物和碳化物具有良好的抗菌性能[3]。而纳米尺寸的金属和金属氧化物抗菌材料，具备了纳米粒子的体积效应、量子尺寸效应、表面和界面效应等特点，使得抗菌性能更加高效持久，它们在石质文物、纸张、木质文物、纺织品等方面有着不同程度的应用。当前纳米材料抗菌性能的研究较多，但其抗菌机理尚存在不少争议之处。总体来说，主要假设观点有三种：光催化活性氧抗菌机制、金属离子溶出抗菌机制和接触吸附抗菌机制。石质文物保护使用的纳米抗菌材料一般采取湿化学法、溶胶凝胶法、电化学法等手段进行制備。此外，绿色合成也是近年来新兴的纳米材料制备方法，具备安全高效的特点。

（一）纳米二氧化钛（ TiO2-NPs）

二氧化钛（Ti02）是最常见的钛氧化物，在自然界中存在三种晶体结构：金红石型、板钛矿型和锐钛矿型.其中金红石型和锐钛矿型为四方晶系，具有较高的催化活性，尤以锐钛矿型为佳[4][5]。光催化性是二氧化钛的主要性质，当Ti02暴露在紫外光（入<400 nm）下时，会产生空穴（hvb+）和激发电子（ecb）。正电荷空穴与Ti02表面的羟基或接触到的水分子相互作用产生羟基自由基（.OH）[6]。羟基自由基（.OH）的强氧化性使其能分解多种有机化合物。电离出的电子则可与氧气分子结合生成氧负离子（02-），氧负离子（02-）再与H+生成活性基团（.OOH），最终将有机物分解[7】。另一种机理则认为生成的H2O2是分解有机物的强氧化剂。光催化氧化还原反应可降解多种污染物和杀灭生物衰变因子，从而更容易清除石材和建筑表面的污染物和生物污垢[8][9]，因此使其成为建筑行业迄今为止最重要和最常用的纳米材料之一。

（二）纳米氧化锌（Zno NPs）

一般氧化锌有三种晶体结构：六角纤锌矿结构、立方闪锌矿结构和岩盐矿结构，其中纤锌矿结构稳定性最高，最为常见[11]。关于纳米氧化锌抗菌机理的主要推测有几种： （1）光催化条件下在ZnO—NPs表面上形成活性氧（ROS）杀菌; （2）抗菌效果与ZnO—NPs表面缺陷的研磨性有关; （3）Zn2+金属离子溶出接触杀菌。最近一项研究表明，细胞壁截留的纳米ZnO和Zn2+的浓度具有氧化应激的联合效应。尽管其作用机理有待深入研究，但因为良好的生物相容性、化学稳定性、生物活性和白色[12][13]，基本不影响材料的颜色，因此ZnO—NPs已在艺术品领域得到应用[14]。

（三）纳米银（Ag NPs）

纳米银的抗菌机理主要包括接触杀菌机理与活性氧杀菌机理。Ag—NPs在使用过程中会释放带正电的Ag+，通过吸引接触带负电的微生物，破坏细胞壁的完整性，并影响细胞内部代谢酶和核酸的正常功能，导致细胞死亡。此外，Ag—NPs在光催化条件下能产生强氧化性的活性氧（ROS），使细胞中抗氧化/氧化作用失衡，产生氧化应激反应，导致生物细胞死亡[15][16]。银离子对多种细菌、真菌具有显著的杀灭效果，且银系抗菌剂还具备热和化学稳定性、环境安全性以及对人体细胞的低毒性等优点。

（四）纳米铜（Cu NPs）

铜系纳米抗菌材料具有与银系相近的抗菌性能，但其成本更低。其中，CLJO—NPs具备较高的抗氧化和紫外辐射稳定性，在光照和黑暗条件下均有效，因此常作为其他杀生剂的有效替代品。CuO—NPs的稳定性和低溶解度使其能较容易固定在聚合物、水凝胶和硅胶等不同基质中，控制Cu2+离子的缓慢释放。CLJ—NPs的抗菌机理主要包括金属离子的释放以及纳米颗粒特有的作用。另外，Cu—NPs可以影响生物的光合作用，促进活性氧的形成引起氧化应激[17]。

（五）纳米氧化镁（M90 NPs）

1990年代中期，日本学者Sawai研究发现MgO对革兰氏阳/阴性菌、真菌具有较强的杀菌作用，其原因为Mg0水溶液中产生了活性氧02-离子[18]。目前关于氧化镁的抗菌机理的推论包括活性氧氧化损伤学说、吸附作用引发的机械损伤学说和非自由基介导的细胞膜损伤学说[19]。MgO-NPs在无光照条件亦可有效杀菌，且存在物理吸附作用强，不变色等特点[20]，能满足文物保护的要求。

纳米材料的抗菌能力与其颗粒表面性质密切相关，粒径越小，抗菌效果越好;但与此同时，粒径越小，纳米材料越容易团聚，会影响抗菌效果的发挥。通过选择合适的分散剂和分散方式可以防止纳米材料的团聚效应。高浓度纳米材料的抗菌活性比低浓度的要好，且通过掺金属或金属氧化物形成的纳米复合材料，比使用单一纳米材料更能发挥协同效应。有研究证明，与Mg0和Zn0纳米材料相比，掺锌氧化镁（Mg1-xZnxO）纳米粒子具备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），拟盾壳霉属（Paraconiothyrium sp.）和白斑拟盘多毛孢（ Pestalotiopsisalbo-maculans）的生长[21]。通过掺Ag等少量金属，可使微生物蛋白质变性，增强Ti02的抗菌活性[22]。

二、纳米材料在石质文物生物病害治理中的应用

使用诸如二氧化钛等纳米材料处理石质文物生物病害时，应当满足以下条件：（1）不改变石质文物原状;（2）相容性。即处理后石质表面发生的化学和物理变化不能对石质文物本体产生不良后果，且纳米材料应与其他修复材料如加固剂等相兼容;（3）高效性。纳米材料生物杀灭的预期效果应该是显著的;（4）长期性。纳米涂层的特征及性能具有时间稳定性，能在一定时间范围内维持其效果[23]。一般采用的处理方式主要为刷涂或喷涂，也有学者使用浸没的方式处理石材，以加强纳米材料在石材表面的附着性[24]。

（一）检测技术

表2为纳米材料在石质文物生物病害防治应用中常见的检测技术手段。（1）形貌分析。SEM-EDS和TEM是观察纳米材料尺寸大小和形态分布的常用方法之一，此外，高分辨率的FESEM和HRSEM也被用来描述纳米材料的形态学和化学分析。（2）成分分析。XPS和ICP-MS是灵敏度较高的元素分析手段。（3）晶格结构分析。XRD和Raman也是分析纳米材料样品纯度和结晶度的常用手段。（4）微生物生长情况分析。使用光学显微镜、TEM等显微技术观察微观环境下霉菌在石质文物表面的生长情况，立体显微镜、ESEM-BSE还可以观测使用纳米材料后石材表面和横截面上的抗菌活性。

（二）生物病害治理效果评估

1.纳米材料对石质文物表面生物膜的抑制研究

生物膜是贴附在石材表面单层或多层的微生物菌落，通常由包埋在大量细胞外粘液中的少量不同种类的微生物组成[25]。一般认为，光自养微生物是户外石材表面的第一批定居者，绿藻、藍细菌、硅藻等藻类生物膜为地衣、苔藓和植物的生长提供了营养物质;同时，潮湿的环境、裸露条件和污染物的存在，加剧了岩石表面生物病害的形成。一方面，这些微生物通过分泌有机酸和螯合剂，干湿循环中的机械应力改变及无机盐沉淀等不同机制造成石质本体的风化腐蚀;另一方面，细胞外多糖（EPS）、有机叶绿素a和b（绿色）或类胡萝卜素（橙色）等染色剂的存在使得石材表面形成多色的生物质膜，对石质文物的颜色产生影响[26]。大量研究证明Ti02的光催化氧化（PCO，the photocatalyticoxidation）过程能够降解藻类生物[27]。与杀菌过程类似，藻类的光催化氧化首先从破坏细胞膜和细胞壁开始，然后继续破坏细胞器膜，该阶段耗时较长，宏观上表现为藻类的颜色变化延迟。但是，一旦壁膜结构的保护作用失效时，藻类生物的色素成分（如叶绿素a）会快速分解，丧失光合能力，细胞失去完整支撑结构而凋亡[28]。因此，纳米材料对于藻类等光合微生物的杀灭效果可以通过荧光法测定叶绿素a含量（Chlorophyll acontent）[29]进行定量评估。在藻类污染人工加速老化模拟实验中，采用数字图像处理软件Imagej能对监测周期内藻类生长面积覆盖率变化进行统计分析，以评估纳米材料对藻类生物治理的效果;Graziani依据Avrami模型和4PL模型对实验数据进行建模，发现其具有预测砖石样本上藻类生物生长过程的潜力[30l[31]。Fonseca等人对比了传统杀生剂（生物素T、Anios 4.2）和纯锐钛矿、掺铁锐钛矿对绿色微藻和蓝细菌的效果，通过测定接种后和繁殖一段时间后的叶绿素a含量，证实了Ti02对有机物具有明显的光催化降解能力[32]。

2.纳米材料对石质文物真菌和细菌病害的抑制研究

真菌被认为是户外文物生物侵蚀的最重要因素。真菌菌落能在石材表面形成白色、灰色或黑色的膜层和色斑，其菌丝可穿透石材基底，造成物理破坏。通过考马斯亮蓝法（Bradford法）测定真菌生物膜的总蛋白量，可以评估其相对生物量;通过提取和表征胞外聚合物（EPS）的蛋白质和多糖物质，监测纳米材料对真菌生长代谢过程的影响。实验发现，0.5%的ZnO-NPs有效降低了生物膜的生长量，引起生物膜的形态变化。胞外基质的多糖和蛋白质比例发生了改变，同时ZnO-NPs刺激了真菌孢子和有色物质的过早产生，对真菌的新陈代谢过程造成了干扰[33]。