纳米材料在石质文物生物病害治理中的应用研究进展

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(TiO2)、氧化锌(ZnO)、银（Ag）、铜（Cu）、氧化镁（MgO）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

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（Biological Colonization）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%~30%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(TiO2)、氧化锌(ZnO)、银（Ag）、铜（Cu）、氧化镁（MgO）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。

纳米是一种尺度单位，符号为nm，1nm=10^-9m。纳米材料（Nano materials）是指在三维空间结构中至少一维尺寸不超过100nm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，CaO、ZnO、MgO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备。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（TiO₂）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TiO₂暴露在紫外光（λ<400nm）下时，会产生空穴（hvb⁺）和激发电子（ecb^-）。正电荷空穴与TiO₂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（O^2-），氧负离子（O^2-）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。

图1 TiO₂的光催化过程

（图片来源：Fonseca et al.，2010[10]）

（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，CuO-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。Cu-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（MgO-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MgO水溶液中产生了活性氧O^2-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。

表1 不同纳米材料的抗菌机理重要推论

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MgO和ZnO纳米材料相比，掺锌氧化镁（Mg_1-xZn_xO）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（Penicillium oxalicum），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TiO₂的抗菌活性[22]。

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。

表2 纳米材料在石质文物生物防治应用情况的检测技术

（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、蓝细菌、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TiO2的光催化氧化（PCO，the photocatalytic oxidation）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 a content）[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[30][31]。Fonseca等人对比了传统杀生剂（生物素T、Anios4.2）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TiO₂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]。

细菌也广泛参与了生物膜的形成过程，其中异养细菌在缺乏光自养生物的前提下，能以岩石基底和空气污染沉积物为营养源，成为石材表面的主要寄生者[34]，常见种类包括革兰氏阳性细菌，如芽孢杆菌及其相关属种微生物[35][36]。金属及其氧化物纳米材料对革兰氏阴性菌（G－）和革兰氏阳性菌（G＋）都具有较强的杀菌性能。一般采用琼脂扩散法（AgarWellDiffusionMethod），通过测定抑菌区的面积宏观评估纳米材料的抗菌活性[37]。此外，通过细胞沉降与回收实验，对比是否采用纳米材料处理石材表面的微生物计数（FMC，finalmicrobialcounts），测定抗菌活性。

在Ag-NPs的抗菌实验中，使用血球计数板法计算黑曲霉（真菌）孢子的浓度，并采用干重法测定真菌的生物量。通过分光光度法在600nm下测量光密度来监控微小链霉菌（细菌）的生长[38]。

（三）石质本体性能影响研究

1.纳米材料对石质文物孔隙度和表面粗糙度的影响

纳米材料的生物防治效果与石质文物本体固有特征有关，岩石种类不同，其孔隙率和表面粗糙度也不相同，这些因素影响着生物的生长及其与石质基底的相互作用过程。高孔隙率有助于截留水分和养分以促进微生物的生长，而表面粗糙度则有利于生物细胞粘附在石材基质上，因此使得纳米材料的防治效果受到一定限制。Graziani等人分别将TiO₂应用在低孔平滑、低孔粗糙、高孔平滑、高孔粗糙的黏土砖表面，其研究表明，TiO₂能有效抑制低孔（平均孔径≈0.94mm，孔隙率≈36.65%）砖石表面的微藻生长，即使在表面粗糙的情况下也奏效；而在高孔（平均孔径≈0.38mm，孔隙率≈19.13%）的情况下，TiO₂一定程度上能抑制平滑砖石表面微藻的粘附，但当粗糙度非常高（Ra≈8μm）时，TiO₂已不能阻止微藻的生长[39]。Graziani等人通过往TiO₂里掺Ag和掺Cu制备复合纳米材料以期提高TiO₂的光催化效率，但与前者研究相比，粗糙多孔的砖石表面的藻类覆盖率并没有显著差异，掺Ag和掺Cu的TiO₂材料并没有提高杀菌效果[40]。

2.纳米材料对石质文物润湿和渗透性能的影响

水，尤其是水渗透在石质文物的物理、化学和微生物风化过程中起着关键作用，潮湿环境有利于微生物和植物等生命体的生长繁衍[41]。因此，生物病害防治的需求之一就是防止水对石质文物的渗透，不少学者都对纳米材料处理后石材的润湿和渗透性能开展了相关研究，主要测试包括静态接触角、毛细吸水率、表面吸水率和水蒸气渗透率。以光催化抗菌机理为主导的TiO₂，通常情况下是疏水的，但在紫外光照射下，TiO₂具有超亲水性。该特性使其能减小水接触角并在处理后的石质表面形成均匀的保护性水膜[42]。不少学者担心光催化TiO₂的亲水性带来的高润湿性可能导致较大的吸水率，是多孔石材受损的潜在因素[43]。因此，将TiO₂-NPs与疏水材料相结合，开发兼具光催化和疏水性能的复合材料研究也成为近年来的热点[44]。

静态接触角是液体接触到固体表面且达到平衡状态时，气－液界线与液－固界线之间的夹角，可用来衡量纳米抗菌材料对石质文物表面的润湿程度，当θ<90°，表面是亲水性的；当θ>90°，则表面是疏水性的。文献中关于接触角测试的结果并不完全一致。在Licciulli等人的研究中，由于石灰石快速吸水，无论对照组还是使用TiO₂处理的实验组都未能在表面形成水滴，无法测量其静态接触角；Quagliarini等人使用多元醇在水中合成TiO₂悬浮液，在缺乏紫外光催化条件下，因为残留二甘醇的存在，处理后石灰石的接触角值明显降低，出现接近超亲水性的行为[45][46]。Zhang等人以硅烷/硅氧烷为分散剂制备ZnO和TiO₂纳米乳液，金属氧化物具有高浓度的极性基团作为硅烷和硅氧烷的结合位点，因此能产生更均匀结构化的界面形态；亲水区域被吸引到内部，而表面呈疏水性。在无紫外照射条件下为高度疏水性（θ≈150°）[47]。而Aldosari等人制备的以丙烯酸树脂Paraloid B-44为分散体的ZnO纳米涂层能显著提高接触角值[48]（图2）。Veltri等人测得在无紫外光条件下，经TiO₂处理的多孔石材水接触角值有所提高；但在紫外光照激活后，TiO₂-NPs变为亲水性，使得水接触角值明显降低[49]。总的来说，接触角的测量值与石质表面使用纳米材料的保护效果之间关联不大，因为它们一般是在液体与石材表面接触几秒后记录得到的数值，是非常短暂的疏水行为，且表面粗糙度和石材的不均一性也会对数值造成影响[50]。

图2 静态接触角测量实验中大理石样品表面的蒸馏水滴

（a-无涂层；b-涂有纯Paraloid B44；

c-涂有ZnO/聚合物纳米复合材料，

图片来源：Aldosari et al.，2019[59]）

毛细吸水率是通过毛细作用评估石材表面每单位吸收的水量。其测量指标包括吸水量（Q）、毛细指数（CI）、相对毛细指数（RCI）、吸收系数（AC）等。与接触角测量的动态因子不同，其评估的是长期吸水率。在无紫外光照条件下，Quagliarini等人发现由于石材基质的特性，初期的吸水速度有所差异，但从整体吸收过程来看差异不大，基于TiO₂处理的石材在吸水量和吸水率方面都没有明显改变石材润湿性[51]。Zhang等人使用ZnO和TiO₂硅烷/硅氧烷乳液处理后的毛细吸收率也显著降低[52]。而Russa等人通过紫外加速光老化实验，发现添加TiO₂-NPs的丙烯酸复合材料处理后石材吸水率略高于纯丙烯酸聚合物处理样品，认为这可能是TiO₂-NPs催化聚合物的降解所致[53]。Colangiuli等人通过添加不同含量TiO₂制备含氟聚合物复合材料，当二者质量和比例适当时，可获得良好的疏水性能[54]。Aldosari制备的ZnO/聚合物纳米材料在无光照和紫外条件下，都显示出良好的疏水性能，而人工热老化后，由于聚合物自身降解原因导致疏水性能有所下降[55]。毛细吸水率也受石材基质特性的影响，孔隙度越大的石材，吸水率越高，通常石灰石比大理石的吸水率高，且各种石灰石之间也存在非常明显的差异[56]。

通过采用特殊雾化装置进行喷水测量有无紫外光照射条件下石样的表面吸水率，以评估TiO₂光诱导亲水性可能造成的影响。结果表明，TiO₂的亲水性似乎在紫外照射的第一个小时内并未被激活，因此，紫外光的存在（甚至在较长一段时间内）不会明显改变其表面吸水率[57]。与液态水从表面渗透到石材内部的吸水过程相反，水蒸气渗透率是为了研究纳米材料保护膜对石材内部气态水蒸发到表面这一过程是否有影响。TiO₂-NPs的存在不影响复合材料的水蒸气的传递性能。纳米TiO₂复合疏水材料与纯疏水材料处理的石材测得的水蒸气渗透率相当[58]。

总体而言，许多研究结果表明，润湿性与TiO₂涂层的存在及其用量无关，而主要与基底表面本身的物理不规则特征（例如孔隙率和粗糙度）有关。此外，所使用的复合材料（如疏水材料和分散材料）也会影响石质文物的润湿性能。

（四）色度变化研究

颜色的变化是衡量纳米材料对石质文物美学影响的重要指标之一。根据文物保护的最小干预原则，使用的纳米材料应尽可能减少对石质文物本体颜色的改变。实际研究中通常使用分光光度计，通过比色法评估纳米材料使用前后的颜色变化，测量值采用国际通用CIELAB色差公式进行计算。

其中L表示颜色明度，当L=100时，显示白色；L=0时，显示黑色。a正值表示偏红，负值表示偏绿；b正值表示偏黄，负值表示偏蓝。Bellissima的测试表明Ag-NPs不会对石质样品的颜色造成显著变化，即使是最高浓度的AgNP@TEOS（110μg/样品），处理前后的色差值ΔE等于0.5，低于ΔE<2的人眼可见色差极限值[60]。Ditaranto等人将Cu-NPs/Estel复合材料应用在岩石样本上，在低Cu-NPs含量下，色度变化与使用纯Estel所测得的色差相似，且色差变化与石质本体的物理特征有关，越致密的岩石，色差变化越明显[61]。尽管实验室测试和现场实验均取得积极的效果，但除非用量非常少，否则Cu-NPs的深色效果可能会限制其在浅色石质文物上的应用。因此，该团队进一步选择了白色的ZnO-NPs进行研究，实验数据表明，添加ZnO-NPs似乎可以减少由于施用加固剂/憎水剂所引起的色差，这可能是因为ZnO的白色某种程度上可弥补其他保护材料所造成的变暗或“润湿”效果。使用ZnO-NPs进行现场实验研究，发现在6个月后其色度变化已经低于极限值[62]。Russa等人将掺金属的TiO₂复合材料应用在大理石上，如图3所示，美学变化取决于TiO₂的含量，除纯TiO₂外，色差随TiO₂含量的减少而变小。除Fe-TiO₂外，仅在M-TiO₂/粘合剂的比例为1/100时，其表面色差可忽略不计[63]。

图 3 比色法测试：使用不同比例（M-TiO2/粘合剂）的复合材料处理后大理石表面的美学变化

（图片来源：Russa etal.,2014[64]）

此外，色度变化还可用来衡量TiO₂-NPs对藻类的杀灭效果。根据色差公式，a的低值（绿色）和b的高值（黄色）可分别指示高浓度的叶绿素和类胡萝卜素，而亮度L的变化则可能是生物污垢使样品颜色变暗所致。在弱紫外条件下，TiO₂-NPs涂层无法抑制藻类和蓝细菌在石材表面定植，因此也无法抑制生物污垢的出现[65]。使用TiO₂-NPs和其他杀生剂开展现场研究，锐钛矿处理后，由于暗沉的有机物的消失，L参数值增加，且色度参数a显著增加，这是由于光合微生物的消除使得绿色色调值的降低（图4）[66]。Goffredo等人也研究了掺Ag、Cu的TiO₂防治微藻生长的效果，但其认为掺Ag纳米材料处理表面的颜色变化主要归因于纳米涂层本身的变暗效果，而非藻类覆盖所致[67]。

图4 使用TiO2-NPs及其他杀生剂处理两周后的光学影像图

（左：拱形围场墙壁；右：D.Carlos阳台墙壁，

图片来源：Fonseca etal., 2010[68]）

光泽度也是美学变化的衡量指标之一，用于描述表面对光的镜面反射能力，通过镜向光泽度计选择适合纳米涂层的最佳角度进行测量[69]。使用60˚和85˚标准测量角度计算TiO₂悬浮液在石灰石表面沉积前后的光泽度值，其变化可忽略不计，因此TiO₂纳米涂层不会改变石材表面的镜面反射[70]。

（五）现场实验研究

户外石质文物的现场考察主要分为两种渠道：一是使用无损或微损方式从石质文物表面采集少量微生物碎片，进行培养、分离、纯化、鉴定，以确定该地区的微生物群落和病害种类，鉴定方法有微生物培养技术（宏观）、显微观察（微观）以及聚合酶链式反应PCR测试（分子水平）等[71]。二是开展中长期的现场原位实验，将纳米材料以涂抹或喷洒的方式作用于石质文物表面，对生物病害的杀灭和防治效果进行定期监测。

表3 纳米材料生物病害防治效果户外现场实验研究

由于户外环境复杂，石质文物生物病害的种类及其分布与所处方向、水量、岩石本体材料等因素有关，近地面或潮湿区域的采样点受生物污染程度更高，纳米材料防治效果也有所区别。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再开展治理工作。此外，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。

上述五种金属及金属氧化物纳米材料（见表4），由于其自身性能和抗菌效果的不同，针对石质文物生物病害类型和应用场景也各不相同。TiO₂为典型的光催化材料，因此在户外文物保护中常用来杀灭藻类、地衣等光合生物，且纳米级别的超细TiO₂直径远远小于可见波长，因此可能呈透明性，不影响石质文物本体颜色。但光催化后TiO₂的超亲水性是否对石质文物表面造成影响，仍需更多的研究和讨论。ZnO-NPs对真菌和细菌的抑制效果较好，文献中常用来处理石质文物表面的真菌病害。MgO在石质文物生物病害治理的应用研究还比较少，且MgO的抗菌性能相对较弱，一般通过掺加其他金属增强其抗菌效果。另一方面，也有学者对ZnO、MgO析出的Zn²⁺、Mg²⁺离子是否会对石质文物本体造成影响，以及是否会成为微生物的营养元素存在担忧，因此仍需进一步深入研究。纳米银的抗菌性强，但是易氧化导致颜色变黑，且银的价格较为昂贵，在实际应用中需要综合考虑各方因素。同样的，纳米铜的颜色较深，也不适宜在浅色石质文物表面大量使用。

表4 纳米材料应用条件和效果对比

总的来说，金属及金属氧化物纳米材料为石质文物的生物病害治理提供了新的思路和策略。通过将其与有机杀菌剂、其他纳米粒子相结合，制成复合杀菌剂，能进一步提高和延长生物抑制的效果；通过与加固材料和防水材料相结合，改变石质文物本体的结构稳定性和憎水性，从源头减少生物膜的形成，并且提高纳米材料在石质本体上的附着力，延长抑菌效果。

在生物病害治理研究过程中，需要全面了解石质文物的岩石特性以及评估纳米材料处理前后其物理、化学、美学等方面的性能变化。今后，需要开展纳米材料对不同微生物群落的综合治理和广谱性研究；进一步加强纳米材料的现场实验研究，对暴露在户外环境的纳米材料的长效性、安全性进行跟踪和监测。最后，在选择纳米材料时，也需要考虑工业生产、产能利用和原料价格，以及对人类健康和生态环境的影响等相关因素。