利用生物与技术传感器监测空气中细颗粒物，用于文化遗产遗址的预防性保护

《Science of The Total Environment》：Monitoring airborne fine particles with biological and technological sensors for preventive conservation of cultural heritage sites

　　

摘要

城市环境中的颗粒物污染如果不考虑并实施相应的预防措施，可能导致文化遗产（CH）机构室内空气质量恶化。这是首批提出使用技术和生物传感器监测文化遗产站点室内外环境的研究之一。我们使用低成本传感器在三个墨西哥博物馆和一个考古区实时研究了颗粒物（PM）浓度，其中 PM_2.5 的中位浓度超过了 24 小时空气质量指南水平。利用生物传感器（Tillandsia recurvata）捕获颗粒的能力，我们部署了生物监测网络，在三个月内监测文化遗产站点的室内外环境并表征磁性部分。使用磁性和 SEM-EDS 技术检测到了微米和亚微米级、具有球形和不规则形态的磁铁矿，并与 Cr、Mn、Ni、Cu 和 Ba 共关联。空气中磁性颗粒（AMP）的平均（标准差）含量从市中心博物馆减少到考古区，并从室外站点（AMP = 0.12 (0.05) mg）减少到博物馆室内站点（AMP = 0.06 (0.03) mg）。在树木中，Ficus benjamina 和 Fraxinus 属被确认为通过将颗粒物截留在叶片上来减少大气颗粒物；因此，提出了一种基于自然的解决方案，用于在这些文化遗产机构中进行预防性保护。

引言

城市中的大气排放包括空气中颗粒物（PM）及其磁性部分（空气中磁性颗粒，AMP），其来源多种多样，包括但不限于交通、工业、建设和家庭活动。其中，交通衍生排放对空气质量影响显著（Han and Naeher, 2006）。根据 Karagulian 等人（2015）的研究，全球范围内，25% 的城市环境 PM_2.5（空气动力学直径 ≤ 2.5 μm 的 PM）来自交通，而在美洲其他地区，PM₁₀ 和 PM_2.5 的贡献率分别为 38% 和 30%。众所周知，由于这些颗粒物的纳米到微米级尺寸及其吸附痕量元素的能力，它们对环境、生物和文化遗产机构有害。AMP 是 PM 的少数磁性部分，根据室温测量，发现伦敦、慕尼黑、上海、罗马、伯明翰和兰开斯特 PM₁₀ 中的磁铁矿含量按质量变化为 0.2–3.9%；然而，如果低温和高场测量被用来检测小于 20 nm 的最细磁性纳米颗粒，这种磁铁矿含量被低估了，因此更高（≈7.5% 按质量）（见 Muxworthy 等人，2022 年及其中参考文献）。

室内 PM 浓度通常反映室外浓度。由于 PM 对立面、藏品、访客和人员的影响，这一事实是当前文化遗产（CH）机构面临的一个问题。关于文化资产，颗粒沉积可能导致面积覆盖并对脏污物体产生视觉效果，即“视觉公害”；频繁或强烈的清洁可能会对下层表面产生负面影响；沉积的颗粒可能会与表面发生化学反应，造成损坏层并产生不可逆的退化（Grau-Bové and Strli?, 2013）。在最近关于博物馆、历史建筑和纪念碑的研究中，以下工作值得提及。Comite 等人（2020）研究了从蒙扎大教堂（意大利米兰）立面收集的黑色地衣，重点关注重金属以识别导致表面随时间恶化的主要空气污染来源，即最近形成于约 250 年前的地衣和约 650 年前开始形成的地衣。Uring 等人（2020）研究了三个代表不同环境（城市、海洋、半农村）的法国地点：Cluny 博物馆（巴黎）、Villa Kérylos（默尔贝洛）和枫丹白露城堡，这使得能够评估室内环境条件以逐点识别关键潜在改变因素。

对不同大气颗粒载体的磁性测量有几个明确的优势：对亚铁磁性氧化铁浓度的灵敏度非常高、非破坏性特征、能够调查短期和长期沉积，以及可以在没有基础设施或电力的偏远地方应用（Petrovsky 等人，2020）。使用移植体和低成本传感器监测的磁性生物监测（MB）提供了一种可持续且经济实惠的替代方案，用于评估室外以及通过穿过建筑屏障进入公共建筑和住宅等内部的空气颗粒污染（Chaparro 等人，2024）。最近，Winkler 等人（2022）报告了第一种用于评估车辆交通对罗马法尔内塞别墅影响的多学科 MB 方法，该别墅是意大利文艺复兴的杰作，拥有 Raffaello Sanzio 等著名艺术家绘制的凉廊壁画。结论性评论强调，植物叶片和地衣移植体积累了与 Cu、Ba 和 Sb 等相关的交通相关磁铁矿样颗粒。暴露地衣的磁化率随距离道路的距离呈指数下降：壁画大厅距离道路 30 米以上，并由中间生长的树木保护，免受交通相关磁性颗粒的显著输入。

在目前的工作中，假设来自交通排放的 AMP 在克雷塔罗（墨西哥）的城市空气中明显存在，不仅扩散到室外，还进入室内建筑，特别是在博物馆和考古遗址，那里的 CH 资产应免受任何损坏或美学改变。在这方面，城市树木提供了一种基于自然的缓解解决方案，通过截留大气颗粒物。还假设这些颗粒是细的，可以被技术传感器感知并被生物传感器捕获以进行表征。因此，本研究使用了 Tillandsia recurvata 移植体、城市树叶和低成本 PM 传感器，a) 评估三个墨西哥博物馆、一个考古遗址及其周围环境中的细空气颗粒，包括实时评估和三个月后的累积情况；b) 从磁性、元素和形态上表征生物监测器组织上累积的颗粒，包括通过磁性测量量化 AMP；c) 研究城市树木及其作为对抗污染物的绿色屏障的生态系统作用。

章节摘要

研究区域与文化遗产机构

研究区域位于高海拔高原，海拔约 1900 米。该市有 150 万居民（INEGI, 2020），主要集中在三个主要市镇：克雷塔罗、科雷吉多拉和埃尔马克斯。根据柯本 - 盖革气候分类（García, 2020），研究区域经历半干旱气候（BSh）。平均每日温度范围为 15 至 28 °C（INEGI, 2020）。

研究在三个博物馆进行，即克雷塔罗城市博物馆（Museo de la Ciudad de

原位生物监测与实时监测

移植前，测量并确定了五十八个选定的 T. recurvata 个体的初始 κ_is 值，并考虑了 PWM 的抗磁性支架，即 κ_is = ?1.9 × 10^?6 SI。植物的初始值（κ_is-0）在 2.4 和 8.3 × 10^?6 SI 之间变化（表 S2 和 S3，补充材料），平均（标准差，s.d.）值为 κ_is-0 = 5.1 (1.4) × 10^?6 SI。为每个个体确定了 κ_is-0 值，并作为其移植时的参考值。这

颗粒物与空气中磁性颗粒

克雷塔罗城市博物馆和区域博物馆位于市中心，预期那里的交通影响比考古区及其遗址博物馆“埃尔塞里托”更大。虽然没有交通量数据，但 3 个月期间的 PM_2.5 测量表明，MC 和 MR 站点的最高影响（中位日均 PM_2.5 = 27 μg m^?3），其次是 PP 站点（21 μg m^?3）。值得提及的是，这种中位日均值超过了 24 小时空气质量

结论

2026 年 11 月至 2 月间，在克雷塔罗的三个墨西哥文化遗产机构观察到 PM_2.5 浓度中位值很高，超过 24 小时 AQG 水平 15 μg m^?3 的 1.5 至 2 倍。这是一个相关利益者需要关注的重要问题，以防止室内空气质量恶化和文化资产损坏。长期监测对于文化遗产保护也很重要，因为长期累积污染是一个关键问题。因此，这是可能和

CRediT 作者贡献声明

Marcos A.E. Chaparro: 写作 – 回顾与编辑，写作 – 原稿，监督，调查，资金获取，概念化。 Harald N. B?hnel: 写作 – 回顾与编辑，调查。 Alejandro Rodríguez Trejo: 写作 – 回顾与编辑，软件，调查。 Martina A. Chaparro: 写作 – 回顾与编辑，调查。 Héctor E. Ibarra-Ortega: 软件，调查。 Valentina Cambre: 软件，形式分析。 Mauro A.E. Chaparro: 写作 – 回顾与编辑，

资助

这项工作得到了 UNAM 通过 PREI-DGAPA-2025（Marcos Chaparro）的支持。

竞争利益声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，可能会影响本文中报告的工作。

致谢

作者感谢 UNCPBA、UNMdP 和 CONICET 的支持。这项工作得到了 UNAM 通过 PREI-DGAPA-2025（Marcos Chaparro）的支持。作者感谢 J. Escalante 和 M. Vega（UNAM 地球科学研究所）对热磁和显微镜研究的支持；M. Aguilar 和学生（UNAM、克雷塔罗自治大学和萨卡特卡斯自治大学）对野外移植工作的支持；以及 Máximo Chaparro 和 L. L?hr 对实验室工作的帮助。作者

Marcos A.E. Chaparro|Harald N. B?hnel|Alejandro Rodríguez Trejo|Martina A. Chaparro|Héctor E. Ibarra-Ortega|Valentina Cambre|Mauro A.E. Chaparro

布宜诺斯艾利斯省中部物理与工程研究中心 (CIFICEN)，UNCPBA-CICPBA-CONICET, Pinto 399, 7000, 坦迪尔, 阿根廷