Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Обзор литературы 9
1.1. Проблема пигментации документов в процессе биоповреждения 9
1.2. Экологическое состояние хранилищ 11
1.2.1. Температурно-влажностный режим 12
1.2.2. Методы определения количества микроорганизмов в воздухе и на поверхностях 13
1.2.3. Пыль в воздухе хранилищ 16
1.2.4. Микробиота хранилищ 17
1.2.5. Нормы содержания микроорганизмов в воздухе
1.3. Характеристика повреждения библиотечных материалов микроорганизмами 21
1.4. Пигменты микроорганизмов
1.4.1. Каротиноиды 27
1.4.2. Хиноны 29
1.4.3. Меланины 31
1.5. Условия, влияющие на синтез пигментов 35
1.5.1. Температурно - световой режим 35
1.5.2. Условия культивирования 36
1.5.3. Металлы 38
1.5.4. Биоциды и другие вещества 38
Глава 2. Материалы и методы исследований 42
2.1. Материалы исследований 42
2.2. Методы исследований 45
Глава 3. Микробиологичское обследование хранилищ РНБ 62
3.1. Определение доли пигментообразующих микромицетов в
микробиоте воздуха книгохранилищ 62
3.2.0пределение доли пигментообразутощих микромицетов на оверхности документов 72
3.3. Виды микромицетов, выделенных из книгохранилищ
3.4. Влияние количества спор микромицетов на пигментообразование при их росте на бумаге 76
Глава 4. Исследование пыли книгохранилищ и ее влияния на процесс пигментообразования микромицетов 79
4.1. Количество пыли на документах 80
4.2. Влияние элементов, входящих в состав пыли, на пигментообразование микромицетов 81
4.3. Влияние количества пыли на пигментообразование микромицета Penicillium purpurogenum 83
Глава 5. Определение влияния неблагоприятных условий хранения на пигментацию микромицетами бумаги и ее композитов 87
5.1. Влияние температуры на пигментообразование микромицетов при их росте на бумаге с различной степенью увлажнения 87
5.2. Исследование пигментации P.purpurogenum комплекса, получаемого при инкапсулировании, и композитов бумаги с полимерными покрытиями в неблагоприятных условиях хранения 96
Глава 6. Влияние биоцидов на пигментообразование микромицетов при их росте на бумае и ее композитах 104
6.1. Влияние биоцидов на пигментообразование микромицетов 104
6.2. Исследование биозащитных свойств бумаги при совместном нанесении биоцидов и ППКП 1 6.2.1. Нанесение биоцидов из жидкой фазы 109
6.2.2. Нанесение биоцидов из газовой фазы 114
Глава 7. Рекомендуемые методы удаления пигментных пятен с полимерных композитов на основе бумаги 120
7.1. Определение рН бумаги пигментированных документов 120
7.2. Удаление пигментных пятен с полимерных композитов на основе бумаги 123
Выводы 133
Список литературы
- Нормы содержания микроорганизмов в воздухе
- Методы исследований
- Виды микромицетов, выделенных из книгохранилищ
- Исследование пигментации P.purpurogenum комплекса, получаемого при инкапсулировании, и композитов бумаги с полимерными покрытиями в неблагоприятных условиях хранения
Нормы содержания микроорганизмов в воздухе
Температура и влажность - основные факторы, влияющие на сохранность библиотечных и архивных фондов. Хранение документов при повышенной температуре приводит к ускорению процессов их старения, в результате чего бумага становится очень ломкой [43]. Низкие плюсовые (+4С) и небольшие минусовые температуры благоприятны для сохранности документов. При - (4 - 5) С в целлюлозных материалах не происходит каких-либо физико-химических изменений, не развиваются микроорганизмы [48].
Низкая влажность отрицательно действует на документы: бумага теряет эластичность, буреет, становится ломкой. Развитие грибов происходит при содержании в бумаге 8 - 10 % воды и более, так как при этом появляется капиллярная (свободная) вода, которая может использоваться микроорганизмами. Это соответствует относительной влажности воздуха помещения выше 65 % [5,28].
Высокая влажность приводит к тому, что бумага поглощает большое количество влаги из воздуха, при этом волокна целлюлозы набухают, структура листа разрыхляется, следствием чего является потеря им прочности. Увлажнение бумаги происходит неравномерно, в основном по обрезам, поэтому деформация листов начинается с краев. Хранение документов при высокой влажности создает опасность поражения их микроорганизмами, которая усиливается при резких колебаниях температуры и влажности. Бумага, кожа, клей, входящие в состав документов, по своей природе гигроскопичны, и их состояние в значительной степени зависит от относительной влажности воздуха [5, 43].
Активная деятельность грибов наблюдается при относительной влажности воздуха 70 % и выше, а для бактерий необходима влажность воздуха 96 - 98 % [49]. Поэтому поражение книг бактериями не характерно із для хранилищ и может наблюдаться только в случае длительного намокания документов [31, 43]. Микромицеты, типичные для архиво- и книгохранилищ, -как правило, аэробные организмы, для развития которых необходим кислород. В связи с этим они не могут развиваться на материалах, полностью насыщенных водой [43].
Количество микроорганизмов в воздухе библиотек зависит от сезона (зимой оно обычно минимально, летом и особенно осенью достигает максимума), влажности воздуха, вентиляции, назначения помещений и присутствия людей [17, 40]. Статистический анализ позволил выяснить корреляцию между данными измерений. Например, количество микромицетов в воздухе хранилищ связано с влажностью воздуха следующим регрессионным уравнением: у = -1326,9 + 28,1х, где у — количество микроорганизмов в воздухе; х — относительная влажность воздуха [40].
Значение относительной влажности воздуха выше 65 % при температуре более 10С приводит к биологическому повреждению, которое с повышением температуры усиливается. Толчком для начала роста грибов могут стать различные причины: отключение отопления в зимний период, протечка, неравномерность температуры воздуха по высоте, характерная для подвальных помещений. Особенно опасны резкие перепады температуры и влажности воздуха. Так как во многих помещениях отсутствуют необходимые условия хранения, нередки протечки, а иногда и крупные аварии, эта проблема постоянно остается чрезвычайно актуальной [3, 5,32,50].
Методы определения количества микроорганизмов в воздухе и на поверхностях Для определения наличия микроорганизмов в воздухе хранилищ, в пыли и на поверхностях документов используют различные методы. Микробиологический анализ воздушной среды осуществляется путем отбора проб воздуха на питательные среды двумя методами: седиментационным и аспирационным [13, 51, 52]. Седиментационный метод является наиболее простым и доступным, и применяется многими исследователями [14, 16, 46, 53 - 56]. Он основан на пассивном осаждении микроорганизмов в течение определенного времени на поверхность твердой питательной среды, находящейся в чашках Петри или пластиковых стрипах. Количество колоний на чашках подсчитывают после инкубации в термостате в течение нескольких суток. Однако этот метод имеет и ряд недостатков [51, 52]. Оседание микроорганизмов на чашку сильно зависит от воздушных потоков, поскольку происходит не только непосредственно из столба воздуха, находящегося над чашкой, но и заносится из других слоев потоками воздуха. Кроме того, крупные споры, такие как у представителей рода Alternaria, быстрее оседают на поверхность среды, чем более мелкие споры Aspergillus или Penicillium. Споры с размером не более 4,3 - 5,3 мкм могут накапливаться в воздухе и образовывать аэрозольный фон либо могут сорбироваться на частицах пыли и образовывать довольно большие агрегаты, которые быстро оседают [52, 57, 58]. Более точными считается аспирационный метод с использованием специальных устройств для взятия проб воздуха и последующим принудительным осаждением микроорганизмов из взятого объема воздуха на агаризованные среды или на фильтры с дальнейшим переносом на питательные среды [13, 51, 54]. На практике используют прибор Кротова [11], 6-фазный пробоотборник Андерсена [51, 52, 59, 60, 61, 62], портативный пробоотборник MAS-100 [63], пробоотборник SAS [52, 54].
Методы исследований
В литературе почти нет данных о влиянии температуры на интенсивность пигментообразования, а цитируемые ниже сведения - противоречивы. Многие микроорганизмы, в основном бактерии, реагируют на снижение температуры усиленным синтезом пигментов: каротиноидов, продигиозина, феназина. Интенсивность образования пигментов у Rhodotorula и Pseitdomonas увеличивается при 5 С в значительной степени. Возможно, что эти пигменты позволяют клеткам компенсировать потерю окислительной активности благодаря наличию в них ненасыщенных связей и свободных радикалов [146]. Колебания температуры вызывают, как правило, лишь количественные изменения в содержании каротиноидов. С понижением температуры синтез пигментов обычно ослабевает. Дрожжи Rodotorula ghitinis имеют розовую или красную окраску при культивировании при 25 С и желтую - при 5 С. Желтый цвет клеток объясняется высоким содержанием J3- и у-каротинов (92 -96% от общей суммы каротиноидов), а при 25 С содержание этих пигментов снижается до 43 - 47 % [126].
Влияниие температуры на вторичный метаболизм и на сверхсинтез промежуточных продуктов обмена может отличаться от влияния температуры на рост. Так, в культуре Aspergillus nidulans, лимитированной глюкозой, скорость образования меланина увеличивалась почти в 2 раза при изменении температуры культивирования с 23 до 37 С, скорость же роста оставалась при этом постоянной [147].
Культивирование грибов при неоптимальной для роста температуре (30 -32 С вместо 26 С) может привести к синтезу нафтохинонов [132].
Видимый свет также может влиять на пигментообразование микроорганизмов. Под действием света в мицелии и спорах некоторых грибов образуются пигменты [122]. Усиление пигментации мицелия и конидий наблюдается у Fusarium moniliforme, Phoma sp., Penicillium sclerotiorum, О/Г Helminothosporium victoriae. Это может служить объяснением тому, что при ярком освещении материалы подвергаются большей опасности появления нежелательных пигментных пятен, чем в условиях затемненности [28].
Из числа так называемых общих факторов среды, а именно света, температуры, аэрации, наибольшее внимание в отношении действия на биосинтез каротиноидов уделяют свету. Свет стимулирует дополнительный синтез каротиноидов у многих грибов и бактерий, которые в темноте обычно образуют умеренное их количество [125,126].
Условия культивирования У многих грибов и бактерий количественный и качественный состав каротиноидов изменяется при изменении условий культивирования. На количество и состав образующихся каротиноидов сильно влияют природа источников углерода и азота, отношение углерод/азот, доступность минеральных солей, витаминов и ростовых факторов, степень аэрации, рН среды и температура.
Повышенный синтез каротиноидов Т.С. Бобкова [126] отмечала на средах, лимитированных азотом. Она полагает, что исчерпание азота в момент интенсивного размножения клеток изменяет направление обмена, переключая его с синтеза белков на образование безазотистых соединений, какими и являются каротиноиды.
Для синтеза вторичных метаболитов нужны другие условия культивирования микроорганизмов, чем для образования первичных метаболитов [148, 149]. Чаще всего это лимитирование по источникам углерода, азота или фосфора в среде [150].
Успешный синтез каротиноидов наблюдают в условиях значительного преобладания углерода над азотом [126].
В работах [151, 152] отмечается, что одним из необходимых условий для образования нафтохинонов является наличие в среде аммонийного азота, а его замена на нитратный азот приводит к ингибированию биосинтеза нафтохинонов. Показано также [153], что качественный состав нафтохинонов может определяться начальным соотношением в среде культивирования источника углерода и азота. Так, при росте на мальтозе гриб Fusarium solani синтезировал дигидрофузарубины и яваницин, если тартрат аммония вносили в количестве 4,6 г/л. Увеличение концентрации источника азота до 6,9 г/л приводило к биосинтезу бострикоидина, молекула которого содержит атом азота. Грибы Fusarium decemcellulare могут образовывать до 10 окрашенных продуктов, имеющих нафтохиноновую природу [134]. Показано [154], что основным условием образования ими нафтохинонов является торможение или полное прекращение роста грибов при наличии избытка источника углерода и энергии. Оказалось, что при этом фактором, регулирующим качественный состав нафтохинонов, является рН среды культивирования [134]. Так, было показано, что при торможении роста грибов высокой концентрацией в среде ионов водорода (рН 4.0 и ниже) при избытке источника углерода наблюдался синтез нафтазаринов (фузарубина, яваницина, бострикоидина), а торможение роста при првышении рН до 8 приводило к образованию только аурофузарина [154].
Среди других факторов, приводящих к биосинтезу нафтохинонов, необходимо отметить следующие [132]: наличие ингибиторов, способных тем или иным способом тормозить рост грибов (5-фтор урацил, этидий бромид, азид натрия, нистатин), наличие микробных антагонистов (Bacillus subtilis) или их продуктов.
Пигментообразующая способность грибов может стимулироваться компонентами бумаги [3, 155, 156]. Клей, мел, каолин, квасцы вносят в бумагу комплекс элементов, которые могут существенно влиять на физиологические функции грибов. При росте Aspergillus terreus и Myxotrichum deflexurn на бумаге из льняных, хлопковых или сульфитных волокон, содержащей мел (рН больше 7), отмечали интенсивное пигментообразование. Бумага в качестве проклейки содержащая высокосмоляной клей и глинозем имела менее интенсивную пигментацию, тогда как наименьшее окрашивание наблюдали у бумаги состоящей только из волокна или содержащей каолин [3].
Анализируя существующие сведения, следует отметить, что данные по влиянию одних и тех же металлов на пигментообразование грибов противоречивы.
Среди микроэлементов существенную роль в увеличении пигментообразования оказывали ионы Zn+2 , Fe+2, Mg+2 [157, 152]. Для образования грибами хинонов, алкалоидов, каротиноидов необходимо, например, более высокое содержание этих элементов в среде, чем для накопления биомассы [149, 158].
По данным работы [3] соли магния, натрия, калия, марганца, бария не способствуют пигментообразованию., а цинк, медь железо, кобальт, молибден усиливают окраску. Например молибден стимулирует пигментацию бумаги грибами A. terreus, М. deflexum и Sporotrichum bombycinum.
Пигментация Penicillium purpurogenum усиливается в присутствии в среде ионов кальция и молибдена в концентрации 0,001 - ОД %. Стимуляция пигментообразования A.terreus наблюдалась при введении в среду железа, марганца, кальция и молибдена в диапазоне концентраций 0,001 - 0,1 % [159].
Низкие концентрации кадмия и таллия (ниже фунгицждных) вызывают изменение черного цвета спор A. niger на желто-коричневый. При экспозиции в течение 2 недель гриб Aspergillus awamori при действии на него кадмия интенсивно окрашивал питательную среду в темно-фиолетовый цвет [160].
Виды микромицетов, выделенных из книгохранилищ
В работе исследовали воздух хранилищ нового здания РНБ (Московский, 165) в которых находятся документы фонда групповой обработки (ФГО), отдела национальных литератур (ОНЛ), иностранного журнального фонда (ИЖФ) и русского книжного фонда (РКФ).
Характеристика хранилищ приведена в табл. 4. В хранилищах отсутствуют системы контроля и поддержания нормальных параметров микроклимата. Состояние фонда оценивали по внешнему виду документов и условиям хранения в книгохранилищах, из которых документы перевезены в новое здание.
В помещениях с нерегулируемым климатом сохраняется опасность биоповреждения документов в процессе хранения, поскольку возможны периодическое изменение относительной влажности воздуха и температуры, следствием которых может быть конденсация влаги [31]. Поэтому в таких помещениях необходим постоянный контроль температурно-влажностного и микробиологического режима хранения.
Характеристика обследуемых хранилищ Фонд Этаж Наличие вентиляции Наличие окон Присутствиелюдей в течение дня Состояние фонда в хранилище ФГО 1 нет нет постоянно Удовлетворительное ОНЛ 4 нет нет редко Удовлетворительное ИЖФ 7 нет нет редко Удовлетворительное РКФ 9 нет есть постоянно Удовлетворительное В течение 20 месяцев седиментационным методом ежемесячно определяли общее количество микроорганизмов в воздухе помещений. Чашки Петри расставляли по принципу конверта: в углах помещения и в центре. Если на одной чашке Петри вьфастало менее 10 колоний, то микробиологическое состояние воздуха считали удовлетворительным. Одновременно с отбором проб воздуха измеряли относительную влажность и температуру воздуха.
При анализе микробиологического состояния хранилищ выделяли четыре группы микромицетов: ііжментообразующие,, быстрорастущие, темно-окрашенные, и светлоокрашенные. К пигментообразующим относили микромицеты, имеющие окрашенный инверсум или выделяющие пигмент в среду. Ішстрорастущими микромицетами считали такие, диаметр колонии которых на 6 - 8 сут культивирования составлял 3,5 см и более. К группе темноокрашенных микромицетов относили грибы, принадлежащие к семейству Dematiaceae, а к группе светлоокрашенных - не образующие споры и имеющие неокрашенные колонии микромицеты. Результаты представлены на рис. 14а, б - 21а, б. Исследования воздушной среды книгохранилищ РНБ показали, что количество микроорганизмов зависит от сезона. В 2000 г. наибольшее количество микромицетов в воздухе приходилось на период с мая по август с первым максимумом в мае - в ОНЛ и ИЖФ, в июне - в РКФ, в июле - в ФГО. Повышение концентрации микроорганизмов (второй максимум) наблюдалось в июле - в ОНЛ и ИЖФ и в октябре в хранилищах ФГО и РКФ. Концентрация микроорганизмов в воздухе помещений снижалась после увеличения относительной влажности на 10 - 20 % в течение одного месяца, что обычно приводит к увеличению содержания хмикроорганизмов на поверхности документов. На графиках (рис. 14а - 17а) отчетливо видно, что с июля относительная влажность установилась на уровне 50 - 60 % на нижних этажах (ФГО и ОНЛ) и 40 - 50 % на верхних этажах (ИЖФ и РКФ), а в августе -сентябре количество колониеобразующих единиц на всех этажах снизилось с 10-20 до 0-2.
В 2001 г. количество микроорганизмов в воздухе ФГО и ОНЛ на протяжении всего периода колебалось незначительно и не превышало 2-5 КОЕ (рис. 146, 156). В мае отмечено значительное увеличение микроорганизмов (до 25 КОЕ) в ИЖФ (рис. 166). В РКФ наибольшее содержание микроорганизмов в воздухе зарегистрировано в июле (рис. 176).
С одной стороны, увеличение влажности воздуха приводит к осаждению спор микроорганизмов на поверхность документов и, таким образом, к снижению количества спор в воздухе. С другой стороны, увеличение влажности воздуха приводит к повышению влажности документов, что может стать толчком для начала роста и спорообразования грибов. А это в свою очередь может привести к увеличению количества микроорганизмов в воздухе. Однако четкой зависимости между влажностью воздуха и содержанием микроорганизмов в воздухе обследованных хранилищ не отмечено.
Удовлетворительное микробиологическое состояние в 2000 г. отмечено для двух фондов - ОНЛ и РКФ, а в 2001 г. - ФГО, ОШІ и РКФ, где среднее количество микроорганизмов не превышает 10 КОЕ на чашку.
В среднем, количество микромицетов от общего числа микроорганизмов, содержащихся в воздухе книгохранилищ, в месяц составляло 75,9 - 89,7 %, что гораздо выше, чем обычно приводится в литературе. На долю пигментообразующих микромицетов приходится в среднем от 5,2 до 28,2 % в зависимости от фонда и месяца года (табл. 5). Если учесть, что темноокрашенные микромицеты также имеют пигмент (меланин), то в сумме количество пигментообразующих грибов увеличивается до 15,8-31,7 %.
Исследование пигментации P.purpurogenum комплекса, получаемого при инкапсулировании, и композитов бумаги с полимерными покрытиями в неблагоприятных условиях хранения
В пыли, собранной в хранилищах Российской национальной библиотеки, обнаружено 18 металлов (табл. 11). Наибольшее количество приходится на долю алюминия, кальция, железа, магния, натрия, цинка. Высокое содержание отмечено также для олова, марганца, титана.
Известно, что присутствие в определенных количествах таких металлов как кальций, молибден, железо, магний, цинк могут стимулировать процесс пигментообразования у некоторых микромицетов [3, 152, 159].
Присутствие в пыли значительного количества органической составляющей, в том числе азота и фосфора, а также микроорганизмов, общая масса которых достигает 1,3 мкг/г пыли, показывает, что пыль может служить полноценным субстратом для развития микроорганизмов.
Поскольку пигментообразование микромицетов связано с присутствием металлов, то для исследования влияния компонентов среды (пыли) на пигментообразование выбрали следующие микроэлементы: Са, Fe, Zn, Mn, Mg, Си и макроэлементы: С, N, Р. В качестве тест-объектов использовали микромицеты P. purpurogenum и P. funiculosum, являющихся одними из основных разрушителей бумаги.
Для определения влияния различных элементов на образование пигмента использовали дробный факторный эксперимент (ДФЭ). При планировании с целью упрощения обработки наблюдений использовали линейную математическую модель. В качестве факторов (X) рассматривались концентрации веществ, содержащих выбранные элементы (приложение 1). Выходным параметром (Y) выбрана интенсивность пигментообразования единицы биомассы, определяемая по оптической плотности культуральной жидкости.
Статистическая обработка данных и полученные уравнения регрессии (приложение 1) показали, что при развитии P. purpurogenum процесс пигментообразования усиливается в присутствии ионов Ж)з , Са , Mg , Мп2+, а при развитии P. funiculosum - НРО42", Mg2+, Fe2+, Mn2+.
Микромицеты, попадая на поверхность документов, при определенном уровне относительной влажности начинают разрушать их целлюлозную основу. Для благоприятного развития плесневых грибов необходимы углерод и азот, а также минеральные вещества (биогенные элементы: фосфор, магний, кальций, сера, железо и другие). Однако потребность в этих элементах настолько мала, что достаточно даже имеющегося их количества в частицах пыли [195]. Известно [74, 76], что пыль содержит питательные для микроорганизмов вещества, в том числе источники микроэлементов. Многие авторы [3, 31, 195] считают, что микропримесей элементов, присутствующих в воздухе и пыли, достаточно для биохимической деятельности микроскопических грибов.
Для определения влияния пыли на процесс пигментообразования и на скорость разрушения бумаги исследовали рост Р .purpurogenum на фильтровальной бумаге с разным количеством пыли и посевного материала.
Исходя из количества пыли, которое может находиться на 1 см2 поверхности документа, для исследования выбрали следующие концентрации пыли: 1, 5 и 50 мкг/ см .
Количество выделенного углекислого газа микромицетом Р. purpurogenum определяли газохроматографическим методом. Степень пигментации образцов оценивали по площади их окрашивания в процентах. Из результатов, представленных на рис. 24а - 24в, видно, что чем больше концентрация пыли при одном и том же количестве посевного материала, тем раньше начинается процесс пигментообразования у P. purpurogenum. При одном и том же количестве посевного материала (15 тыс. спор/см ) при 1 мкг пыли/см2 пигментация образцов отмечена на 36 сутки, при 5 мкг /см2 - на 15 сут, а при 50 мкг пыли/см - уже на 8 сут. ГО
Присутствие пыли также сокращает лаг-фазу (увеличивает скорость образования ССЬ). Присутствие даже небольшого количества пыли 1-5 мкг/см2 приводит к увеличению скорости в 1,5 - 2 раза, а при повышении содержания пыли до 50 мкг/см2 - в 2,5 - 2,75 раза по отношению к скорости выделения СОг при росте микромицета на бумаге без пыли (рис. 25а,б). о 15 20 25 30 35 40 Время, сут а) Концентрация спор: 15 тыс/см О и 5 10 15 20 25 30 35 40 б) Концентрация спор: 60 тыс/см2 ремя сут Рис. 25. Влияние количества пыли на образование углекислого газа в процессе роста P.purpurogenum на бумаге — 0 мкг— 1 мкг 5 мкг — — 50 мкг В результате проведенных исследований показано, что запыленность документов может достигать 53,5 мкг/см . Количество пыли, оседающее на поверхностях документов в течение 12 месяцев на «открытых» участках документа составляет в среднем 12,2 мкг/см2, а на «закрытых» участках - в 3 раза меньше. В пыли книгохранилищ обнаружено 18 металлов, из которых наибольшее количество приходится на долю алюминия, кальция, железа, магния, натрия, цинка, а также присутствие в пыли значительного количества азота и фосфора. Установлено, что ионы N03 , НР04 ", Са , Mg , Fe могут усиливать процесс пигментообразования микромицетов. На примере P. purpurogenum показано, что чем выше концентрация пыли при одном и том же количестве спор, тем раньше начинается процесс пигментообразования.
