李邦玉 马思毓 李菊香

摘要  以黑曲霉、桔青霉为例，利用物联网系统监测培养箱温度、湿度和氧浓度，研究氧浓度对黑曲霉、桔青霉生长的影响。结果发现，在温度（28±1）℃、湿度60%～80%条件下培养7 d，黑曲霉生长所需的氧浓度最低值为0.7%。高浓度氧气能满足其有氧代谢，从而使生长发育达到饱和状态；低浓度氧气不能满足其有氧代谢，从而导致生长发育不充分。当氧浓度低至0.7%时，黑曲霉停止代谢活动。氧浓度对桔青霉生长存在类似的影响。研究丝绸文物上的常见霉菌生长与氧浓度的规律以及氧浓度阈值，为丝绸文物保藏及其装置开发设计提供了理论依据。

关键词  氧浓度；丝绸；黑曲霉；桔青霉

中图分类号  S195.5+82  文献标识码  A  文章编号  0517-6611（2024）01-0183-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.01.040

开放科学（资源服务）标识码（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

基金项目  2021年苏州市科学技术局民生工程项目（SS202152）；2023年度苏州市职业大学研究性课程项目（SZDYKC-230404）。

作者简介  李邦玉（1968—），男，安徽宣城人，教授，博士，从事化学及材料科学研究。

收稿日期  2023-01-13

丝绸文物承载着巨大的历史、艺术和文物价值，但真丝蛋白质成分能够为微生物生长提供养料，因此容易滋生微生物，产生霉变使真丝表面坑洼、丧失光泽、颜色暗沉，因此霉菌防治是丝绸文物保护领域的痛点［1-4］。

黑曲霉（Aspergillus niger）是一种自然界常见的腐生真菌，在各种基质上普遍存在，是引起丝绸档案霉变的主要霉菌之一［5］。黑曲霉的生长分为3个阶段：①呈白色绒状；②变成黄色或者鲜黄色；③呈黑色厚絨状。黑曲霉生长繁殖快、发酵周期短，可分泌淀粉酶等多种酶，还能分解有机质，产生柠檬酸等多种有机酸，因此对文物有较大的破坏作用。

鉴于丝绸文物的脆弱和不可再生性，使用抗菌剂对文物进行防霉处理会对文物的机能造成潜在的影响，因此物理的防霉保存是最合适的方法，其中低氧浓度保存是防霉保藏的有效方式［6-8］。张志惠等［9］研究了低氧气调技术对纸质档案上霉菌的抑制效果，发现在氧浓度0.5％、相对湿度30％的条件下抑菌效果较为理想。目前尚未针对相关菌种确定氧浓度的具体阈值，没有跟踪霉菌生长过程中氧浓度的变化。因此，有必要针对丝绸文物上的常见霉菌，开展氧浓度对霉菌生长的影响研究，从而确定有效抑制丝绸上常见霉菌生长的氧浓度及其阈值，进而为丝绸文物保藏装置的开发设计提供理论依据。

笔者利用课题组开发的监测环境温度、湿度、氧浓度的物联网装置，进行氧浓度对黑曲霉、桔青霉生长的影响试验，结果发现低氧条件能够有效抑制丝绸上黑曲霉、桔青霉的生长，当氧浓度低于阈值（0.7%）时黑曲霉、桔青霉的生长处于停滞状态。

1  材料与方法

1.1  试验材料与设备

黑曲霉和桔青霉菌种（如图1所示，购自上海保藏生物技术中心）；马铃薯葡萄糖琼脂培养基（上海博微）；YXQ-LS-50SⅡ压力蒸汽灭菌器（上海博迅）；高纯氮气（苏州金宏气体有限公司）；标准丝织物（上海市纺织工业技术监督所）；MJPS-150霉菌培养箱（上海精宏）；GX-65B热空气消毒箱（天津泰斯特）；65 W紫外消毒灯（佛山益辰）；去离子水（自制）；涂布棒、离心管（10 mL）；无菌吸管（1、10 mL）；洗耳球；一次性无菌平皿；SW-CJ-1F超净工作台（苏州安泰）；YXQ-LS-50S Ⅱ高压灭菌锅（上海博迅）；GX-65B热空气消毒箱（天津泰斯特）；SN-LSC-3离心机（上海尚普）。

1.2  试验方法

1.2.1  温度、湿度、氧浓度传感器及物联网检测系统的搭建。

温度、湿度、氧浓度集成传感器（图2）主要由处理器、氧浓度传感器、温湿度传感器、WiFi通信模块、LCD显示器、存儲器等组成。氧含量等监测系统架构（图3）主要实现环境温度、湿度和氧浓度的采集，并实现本地显示、本地存储与网络远程发送功能。传感器装置所采集的氧浓度和温湿度数据，通过WiFi路由器传输到电脑端管理软件，并同步到SQL Server数据库，便于数据的存储和导出［10］。传感器与WiFi模块采用I2C总线的形式进行通信。传感器和无线充电接收器固定在密封容器的内璧上，无线充电接收器与传感器硬件之间使用USB数据线连接供电。氧浓度传感器的探测范围为0%～25%、分辨率为0.1%，环境温湿度的探测范围分别为-20～50 ℃和15%～90%，氧浓度和温湿度数据发送频率为10 s/次。

1.2.2  气密性检测。

向智能培养箱内充入氮气，使氧浓度降到一个稳定的数值，约7%。若48 h后氧浓度变化量在±0.1%，则说明试验装置气密性良好。

1.2.3  黑曲霉接种培养。

1.2.3.1

器材灭菌。培养基和无菌水121 ℃下高压蒸汽灭菌15～30 min；超净工作台和无菌室紫外灯照射30 min；用75%乙醇擦拭智能培养箱，再使用紫外灯照射灭菌30 min；移液管等玻璃器皿清洗包扎后，160 ℃干热灭菌1～2 h。将标准丝贴衬面料剪成直径（2.5±0.5）cm的圆片，用报纸包扎后60 ℃下干热灭菌30 min。

1.2.3.2

培养基的制备。向每个培养皿中倾倒冷却至45～50 ℃的PDA培养基20～25 mL，平放于桌面上，待凝固后即为平板。

1.2.3.3

黑曲霉孢子液的制备。向培养的平板黑曲霉菌种中加水，用接种环轻刮菌种表面，洗出孢子，离心，去上清，洗涤沉淀，再离心。以上步骤重复3次，加水稀释。

1.2.3.4

黑曲霉的接种培养。吸取（1.0±0.1）mL的黑曲霉菌悬液置于无菌平板中，用无菌涂布棒将菌悬液分散于培养基表面。将丝绸圆片放入平板中央，使其全部浸湿。

1.2.3.5

培养环境设置。将平板放置在智能培养箱中，采用充氮气的方法调节智能培养箱内初始氧浓度分别为1%、3%、5%、7%、9%、11%、13%、15%、17%、19%、21%，温度（28±1）℃、湿度60%～80%条件下培养7 d。培养期间，每天定期观察霉菌的生长状态和氧浓度的变化。

2  结果与分析

2.1  氧浓度对黑曲霉生长的影响

培养7 d后不同氧浓度下黑曲霉的生长状况如图4所示。初始氧浓度越高，黑曲霉生长的速度越快，呈现的颜色越深。初始氧浓度分别为1%、3%、5%、7%、9%、11%、13%、15%、17%、19%、21%的培养体系分别呈白色、淡黄色、黄色、黄色、表面部分褐色、褐色、黑褐色、黑褐色、黑褐色、黑褐色和黑褐色。当初始氧浓度≥11%时颜色已经没有明显变化，说明黑曲霉的生长已经达到饱和状态。当初始氧浓度小于9%时，黑曲霉的生长比较缓慢，且氧浓度越低，黑曲霉生长速率越小。

从图5可以看出，初始氧浓度高于9%的曲线约100 h后接近于水平线，即氧浓度不再随时间的增加而降低，体系中的氧浓度没有继续被消耗，说明黑曲霉菌没有进行有氧代谢。黑曲霉等真菌的代谢包括分解代谢和合成代谢，其中有氧分解代谢是基础，提供合成代谢的能量。代谢停止说明霉菌的数量、体积没有改变，黑曲霉菌培养皿里面的颜色几乎没有变化。当初始氧浓度小于7%时霉菌代谢迅速消耗掉氧气；当氧浓度接近0.7%时（1%体系需要40 h，3%体系需要60 h，5%体系需要90 h，7%体系需要100 h），体系氧浓度不再降低，说明黑曲霉不再消耗氧气进行代谢活动。从培养皿的颜色来看，此时黑曲霉还没有充分生长发育，已经处于休眠状态。

由图5可知，霉菌培养初始阶段的20～24 h所有体系的氧浓度都没有明显降低，此时霉菌孢子正处于发育前期，几乎不消耗氧气。24 h后所有体系的氧浓度都开始迅速降低，说明黑曲霉开始生长发育。

为了进一步确认黑曲霉生长发育所需的氧浓度最低值，设计了补充试验。按照相同的方法准备2个带有黑曲霉样品的培养皿，设置初始氧浓度分别为0.8%和0.7%，培养7 d。获得的样品如图6所示，培养皿内颜色浅白，说明黑曲霉几乎没有生长繁殖。对照图7黑曲霉生长与氧浓度的变化曲线发现，40 h后0.8%体系内的氧浓度降至0.7%，而初始氧浓度0.7%体系的黑曲霉样品培养7 d内氧浓度未发生明显变化，氧浓度始终保持0.7%。

综上可知，在温度（28±1）℃、湿度60%～80%条件下培养7 d，黑曲霉生长需要的氧浓度最低值为0.7%。高浓度氧气体系内的黑曲霉生长发育快速达到饱和状态后，有氧代谢趋于停止；低浓度氧气体系内的黑曲霉生长发育不充分，直至体系内氧浓度低于0.7%时黑曲霉也停止代谢活动。

2.2  氧浓度对桔青霉生长的影响

为了验证氧浓度对真菌生长影响的普遍性，初步考察了真菌中的桔青霉生长与氧浓度的关系。按相同的方法准备5个带有桔青霉样品的培养皿，设置初始氧浓度分别为0.7%、3.0%、7.0%、11.0%、15.0%，培养7 d，获得的样品如图8所示。不同时间桔青霉生长所需氧浓度的变化曲线如图9所示。

如图8所示，初始氧浓度越高，桔青霉生长的速度也越快，初始氧浓度分别为0.7%、3.0%、7.0%、11.0%和15.0%的培养体系分别呈现黄色、黄绿色、淡绿色、绿褐色、深绿褐色。初始氧浓度从11.0%起颜色变化不再明显，说明桔青霉的生长已经接近饱和状态。当初始氧浓度小于7.0%时，桔青霉生长比较缓慢，且氧浓度越低，桔青霉生长速率越小。

通过对比圖9桔青霉生长过程中氧浓度的变化趋势发

现，初始氧浓度高于11.0%的曲线约120 h后接近于水平线，即氧浓度随时间的变化而降低的幅度很小，体系中的氧气继续被消耗的量很小，说明桔青霉的有氧代谢非常缓慢。代谢缓慢

说明霉菌的数量变化很少，所以桔青霉培养皿里面的颜色变

化不明显。当初始氧浓度小于7.0%时，霉菌代谢迅速消耗掉氧气；当氧浓度接近0.7%时（3.0%体系需要120 h，7.0%体系需要168 h），体系内氧浓度不再降低，说明桔青霉不再消耗氧气进行代谢活动。从培养皿的颜色来看，此时桔青霉还没有充分生长发育，已经处于休眠状态。初始氧浓度越低，桔青霉生长发育越不充分，颜色越浅。

总之，在温度（28±1）℃、湿度60%～80%条件下培养

7 d，桔青霉生长所需的氧浓度最低值为0.7%。高浓度氧气体系内桔青霉生长发育快速达到饱和状态，有氧代谢趋于停止；低浓度氧气体系内桔青霉生长发育不充分，当体系内氧浓度低于0.7%时桔青霉也停止代谢活动。

3  结论

针对污染丝绸文物上常见的黑曲霉、桔青霉等真菌，利用物联网系统监测培养箱温度、湿度和氧浓度，初步研究氧浓度对黑曲霉、桔青霉生长的影响，得出以下结论。

（1）在温度（28±1）℃、湿度60%～80%的培养箱中培养7 d，黑曲霉生长需要的氧浓度最低值应为0.7%。高浓度氧气体系（即氧气过量时）下黑曲霉通过有氧新陈代谢使生长发育达到饱和状态，此时有氧代谢趋于停止，体系氧浓度降到一定数值后不再降低；低浓度氧气体系（即氧气不充足时）下黑曲霉通过有氧新陈代谢无法使生长发育达到充分状态，体系氧浓度降至0.7%时黑曲霉停止代谢活动。

（2）氧浓度对桔青霉生长存在类似上述影响。桔青霉生长需要的氧浓度最低值也为0.7%。过量氧气体系中，桔青霉通过有氧代谢促进生长发育达到饱和状态后停止有氧代谢；少量氧气体系中，桔青霉有氧代谢使体系氧浓度降至0.7%时停止有氧代谢活动，从而使生长发育不能达到饱和状态。

研究丝绸文物上常见霉菌的生长与氧浓度的变化规律，确定有效抑制丝绸上霉菌生长的氧浓度阈值，为丝绸文物保藏及其装置开发设计提供了理论依据。

参考文献

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