木质文化遗产的多功能保护策略：聚丙烯酸树脂/硅烷偶联剂/银纳米颗粒复合涂层的抗菌机制与环境安全性研究

这篇研究创新性地评估了两种木质文物防护策略：聚丙烯酸树脂（含银纳米颗粒AgNPs）和硅烷偶联剂3-MPTMS增强的AgNPs涂层。通过抗菌、抗生物膜和抗代谢活性测试，证实AgNPs复合体系对芽孢杆菌（Bacillus spp.）和青霉菌（Penicillium chrysogenum）具有显著抑制效果，同时亚抑制浓度可调控一氧化氮（NO）应激通路。生态毒性试验（Allium cepa模型）验证了材料的环境安全性，为木质文化遗产的绿色防护提供了双重功能（抗菌+物理屏障）解决方案。

　　

木质文化遗产的多功能防护策略

1 引言

木质文物面临微生物（真菌/细菌）的严重威胁，白腐菌（如Trametes versicolor）通过木质素降解酶破坏结构，而芽孢杆菌（Bacillus cereus/megaterium）在厌氧环境中加速腐蚀。传统聚丙烯酸树脂虽能加固木材，但抗菌性能不足。本研究创新性地将银纳米颗粒（AgNPs）与树脂/硅烷偶联剂（3-MPTMS）结合，通过硫醇基团（-SH）共价键增强AgNPs锚定，形成兼具抗菌和物理屏障的双重防护体系。

2 材料与方法

AgNPs通过三种方法合成：室温经典法（AgNPc）、Turkevich还原法（AgNPt）和溶剂热法（AgNPsol），粒径10-20 nm（TEM验证）。木材样品经3-MPTMS硅烷化后浸渍AgNPs（100 ppm），或涂覆含AgNPs（10-1,000 ppm）的聚丙烯酸树脂（Adicril ARD-795）。抗菌测试采用抑菌圈（MIC测定）和结晶紫染色法（生物膜抑制率PICA%），代谢活性通过淀粉酶/酯酶分泌及NO释放（Griess法）评估，生态毒性采用洋葱根尖生物量测定。

3 结果

3.1 抗菌效能

含AgNPsol的树脂对B. megaterium抑制最强（MIC=1.56%），而AgNPc对B. cereus更有效（MIC=1.56%）。真菌中P. chrysogenum NS11C对AgNPc敏感（MIC=2.34%），但NS4-2B表现出耐药性（MIC=25%）。3-MPTMS+Ag100处理使细菌存活率降低至30.66%（vs 未处理100%），且生物膜形成抑制率达75.24%。

3.2 代谢调控

亚抑制浓度（MIC/4）的AgNPc使真菌NO分泌升高至1.87 μM（p<0.0001），与酯酶活性抑制（r=-0.80）和生物膜抑制（r=-0.53）显著相关。细菌则呈现相反趋势：B. cereus在MPTMS处理下NO升高但酶活性受抑，暗示菌种特异性应激响应。

3.3 表面特性

SEM显示3-MPTMS在木材表面形成均匀涂层，EDX证实硅（Si）和银（Ag）元素成功负载。树脂-AgNPs复合物封闭木材管孔，但水接触角测试表明其疏水性改良有限（吸水率仍达160%）。

3.4 环境安全

Allium cepa试验中，所有处理组生物量增长无统计学差异（p>0.05），且Ag⁺释放量低于检测限，证实短期生态安全性。

4 讨论

AgNPs通过破坏微生物膜结构（释放Ag⁺）和诱导氧化应激（NO通路）发挥抗菌作用，而3-MPTMS通过硅氧烷键（Si-O-C）增强木材界面结合力。值得注意的是，真菌对NO的响应呈现两极化：P. chrysogenum NS4-2B借NO提升生物膜形成（r=0.87），而NS11C则被抑制（r=-0.30），这可能与菌株降解策略差异相关（前者依赖酸性水解，后者侧重酶解）。

5 结论

该研究为木质文物提供了可工程化的防护方案：AgNPs-树脂体系适合细菌主导的环境，而MPTMS-AgNPs对真菌-细菌混合污染更具普适性。未来需通过多组学技术解析AgNPs对微生物群落的长效影响，并开发可控释放涂层以延长保护周期。