汪澤生,邵 陽,羅 敏,徐殿斗,馬玲玲

(1. 中國科學院高能物理研究所北京市射線成像技術與裝備工程技術研究中心,北京 100049; 2. 上海大學環(huán)境與化學工程學院,上海 200444)

0 引 言

上千年來,人類的大部分歷史文化以各種形式記錄在紙張上,紙張也是最通用的信息儲存介質(zhì),因此對它們的保護至關重要。紙張的主要成分是纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和添加劑(填料、膠料、顏料)。隨著時間的推移,紙張會經(jīng)歷自然老化,而其成分也決定了它容易受到微生物的損害[1],因此在紙張的保護過程中,良好的保存環(huán)境和有效的消毒非常重要。

為了避免生物因素的威脅,人們常用的消毒方法分為化學和物理方法?；瘜W方法有乙醇、甲醛、百里酚試劑和溴甲烷、環(huán)氧乙烷熏蒸等,化學法品類多,應用方便,但會在處理過的物品上留下對人類健康有危害的殘留物[2],也會對紙張有一定影響,如乙醇等會使紙張失去光澤,甲醛會使紙張失去彈性[3]。

而電離輻射、紫外線作為物理方法,具有高效的殺菌性以及無殘留物等優(yōu)點。輻射消毒已被成功應用于醫(yī)療用品及部分文物[4-7],也逐漸被成功用于受微生物損害的書籍和檔案的處理[8-10]。但輻射會對紙張基質(zhì)產(chǎn)生一定影響,如造成機械性能、顏色和纖維素聚合度的變化[11]。所有文物保護方法都有時效性[3,12],如果后續(xù)保護不當,易受二次侵害,并且紙張的多次輻照容易使紙張變脆[12-13]。

本文通過分析國內(nèi)外紙制品的消毒研究現(xiàn)狀,探究電離輻射對受微生物損害的紙張消毒的優(yōu)勢與缺點,總結(jié)消毒過程與紙張質(zhì)基材損害的規(guī)律,以期為我國受損害的紙質(zhì)文物輻照消毒提供參考借鑒。

1 保存中的威脅

紙張在保存過程中面臨的主要問題來源于自然老化和微生物的損害:自然老化可以定義為隨時間推移緩慢發(fā)生的不可逆的變化,紙張性能下降,不再適合作為信息的載體[14];微生物威脅主要來自真菌及其孢子,真菌的生長發(fā)育會造成紙張的機械損傷、酸腐蝕、酶降解以及對人體的健康產(chǎn)生危害[15-17]。認知這些問題能夠幫助人們更好地去保護紙張這一重要的歷史信息媒介。

1.1 紙的老化

影響紙張自然老化的因素有內(nèi)源性的pH值、金屬離子、木質(zhì)素、降解產(chǎn)物以及外源性的光、溫度、濕度、氧化、污染等[18]。其中,由酸催化的水解是使紙張降解的主要原因,金屬離子、降解產(chǎn)物、污染等的存在都會加速這一過程,而木質(zhì)素的存在則容易引起紙張的變色[19]。對溫度和濕度的控制有利于減緩紙張的降解,目前推薦圖書館、檔案館和博物館中存放紙張的區(qū)域應將溫度保持在盡可能低的水平(20 ℃以下),且相對濕度(RH)介于20%～65%[14]。

自然老化會導致紙張性能的全面降低,引起聚合度——關于降解的最重要的化學指標的下降。聚合度的降低直接影響機械性能,紙張的耐折性首當其沖,然后是撕裂度,抗張強度對于聚合度降低的響應較弱,據(jù)報道即使是嚴重老化的紙張仍能保持很大比例的抗張強度[20]。紙張的光學性能也會受到老化的影響,主要表現(xiàn)在于CIEL*a*b*色度中L*(亮度)值的降低以及b*值的升高(變黃)[21]。

此外,紙張的人工加速老化是研究紙張長期變化的一種重要手段,通過在適當?shù)臏囟群蜐穸纫约碍h(huán)境中加速紙張的老化,有助于闡明和理解紙張的降解機理,評估紙張降解的動力學途徑[22]。當前推薦的是在恒溫恒濕箱中進行80 ℃、65%RH條件下的濕老化[23],又由于紙張的不均勻性以及材質(zhì)差異,目前仍沒有自然老化和人工老化關系間定量的結(jié)論,但加速老化實驗仍具有很強的參考意義,也在研究中被廣泛使用。

1.2 真菌威脅

1.2.1種屬和危害 館藏文物中的真菌種類眾多,其存在嚴重威脅紙張的保存。Zyska[24]從圖書館材料中分離出84個真菌屬,共234種;Mesquita[25]統(tǒng)計出科英布拉大學檔案館的書籍和檔案上存在真菌14屬20種,其中最常見的種是枝狀枝孢(Cladosporiumcladosporioides)、產(chǎn)黃青霉(Penicilliumchrysogenum)、雜色曲霉(Aspergillusversicolor)、肉桂鉻霉(Chromelosporiumcarneum),最常見的屬是枝孢屬(Cladosporiumspp.)、曲霉屬(Aspergillusspp.)和青霉屬(Penicilliumspp.)。閆麗等[26]從中國文化遺產(chǎn)研究院提供的書畫文物霉斑處共分離出22株真菌,且均屬于曲霉屬和青霉屬,以煙曲霉(Aspergillusfumigatus)、棒曲霉(Aspergillusclavatus)和黑曲霉(Aspergillusniger)居多。任珊珊[27]總結(jié)了國內(nèi)公開發(fā)表的有關圖書館、檔案館和博物館內(nèi)微生物種類的研究,并按我國七大地理分區(qū)進行分類,分析相關論文后發(fā)現(xiàn)各分區(qū)內(nèi)部微生物種類有相似也有不同,從全國范圍來看,檢出種類最多的真菌是曲霉屬和青霉屬,同時各地區(qū)均有區(qū)別于其他地區(qū)特有的微生物。

從生物學角度來看,圖書館中的有機材料為各種微生物提供了合適的定殖場所,它們通過正常代謝活動釋放出各種有機物質(zhì)——螯合物、有機酸、無機酸和色素,加速紙張的降解;其生長和收縮、溶脹現(xiàn)象所施加的機械壓力會對支撐材料造成不同類型的損傷:機械損傷(磨損和洞穿)和化學損傷(溶解和新的反應產(chǎn)物產(chǎn)生)。一些紙質(zhì)文物遭受微生物損害的情況如圖1所示。

圖1 受微生物損害的文物Fig.1 Microbially damaged cultural relics

1.2.2消毒方法 為抵御真菌對紙張的損害,人們已使用來自多個學科領域的方法用于阻止真菌的生長,比如使用試劑等化學方法,隔絕水和氧氣、極端溫度、電離輻射和紫外線等物理方法[31]。通常,使用化學試劑殺菌效率高,但處理后的化學殘留物不可避免,且最終會從材料中釋放出來,危及工作人員和使用者,此外經(jīng)過化學試劑處理之后,真菌可能產(chǎn)生藥物抗性[32];物理方法無殘留,但消毒效果有限。

化學試劑通過其活性成分作用于微生物細胞特定位置,以達到消毒功能。合適的消毒試劑應當是一種廣譜試劑,具有良好的化學穩(wěn)定性、低成本、對人體無毒性以及對處理過的材料無不良影響。下面介紹幾種國內(nèi)外常用于紙張保護的化學試劑(表1)。

大范圍消毒處理最常用的是環(huán)氧乙烷(ETO)熏蒸。自1933年以來,環(huán)氧乙烷被廣泛用于歷史文物的消毒,它擁有消毒劑所需的高反應性和擴散性,具有很高的消毒效率,但環(huán)氧乙烷已被證明具有致癌性,且會附著在處理后的物品上,導致許多國家禁止使用[37-38];而對于紙張上出現(xiàn)的小型菌斑,工作人員則常使用體積分數(shù)70%的乙醇處理,再對區(qū)域進行隔離[48]。

物理消毒方法無殘留,對人體健康的威脅更小,雖然殺菌效果不如化學方法,但是在消毒后為藏品提供適宜的儲藏環(huán)境,依舊能使其得到良好的保護。表2列舉了幾種物理消毒的方法。

表2 物理消毒方法的比較Table 2 Comparison of physical sterilization methods

2 輻射消毒及影響

2.1 電離輻射

電離輻射包括能量高于50 eV的電磁波(如X射線和γ射線)、高能荷電粒子(如被加速的電子、質(zhì)子、氦核)和裂變中子。目前大多數(shù)研究集中在γ射線和電子束對于紙張的保護,兩者各有優(yōu)勢:γ射線比電子束具有更高的穿透性;電子束則能做到更高的劑量率,且源強度可調(diào)節(jié),同時電子束不涉及放射性物質(zhì)的處置,需要的防護要求也比較低[57]。量化電離輻射對物質(zhì)的影響程度,通常使用吸收劑量——每單位質(zhì)量輻照材料吸收的能量,國際單位為gray(Gy),1Gy=1 J/kg。輻射消毒成本低、安全可控,已被廣泛應用于從醫(yī)療用品到食品、香料和藥用植物、文物等領域[58]。

2.2 輻射消毒

輻射消毒的原理在于電離輻射通過電離效應對細胞DNA造成直接且不可逆的損傷。輻射的直接效應表現(xiàn)為在細胞中產(chǎn)生活性氧(ROS),通過雙鏈斷裂使DNA變性(細胞中最嚴重的DNA損傷形式);它還誘導突變,破壞蛋白質(zhì)(通過施加氧化損傷使酶失活)并最終殺死細胞。此外,細胞內(nèi)外的水分子輻解這一間接效應導致活性氧、自由基、過氧化物和離子的形成,它們與生物分子如單鏈和雙鏈DNA反應,致使其變性[25]。

電離輻射對紙張進行消毒的研究始于20世紀60年代,Belyakova[59]利用γ射線對受真菌損害紙張進行消殺,此后學者們進行了更廣泛的研究。Horáková等[60]通過在各種紙張上接種黃曲霉、黑曲霉、綠色木霉(Trichodermaviride)和單格孢(Ulocladiumbotrytis),隨后進行3～26 kGy的γ輻照,結(jié)果顯示6 kGy劑量足以消滅這些真菌,8 kGy劑量可以實現(xiàn)整體的無菌性。1980年,約翰·霍普金斯大學的檔案保管員曾對已完全被微生侵蝕的具有較高研究價值的295盒紙質(zhì)文件進行了4.5 kGy劑量的γ輻照,結(jié)果顯示在輻照后的二十多年中,文件沒有出現(xiàn)任何問題,可以繼續(xù)正常使用清潔[8]。Magaudda[61]對產(chǎn)黃青霉進行的0～10 kGy輻照實驗表明,8 kGy即可對其消滅(圖2)。Da Silva等[62]對從被化學試劑處理過的書籍中提取出的雜色曲霉進行了γ輻照,發(fā)現(xiàn)其在15 kGy劑量下仍有抗性,而在20 kGy時被消滅;同時他們還從中分離出頂孢屬(Acremoniumspp.)、曲霉屬、枝孢屬、鐮刀菌屬(Fusariumspp.)、青霉屬和毛孢子菌屬(Trichosporonspp.),均在16 kGy劑量內(nèi)被消滅。筆者所在課題組也做過微生物的輻照實驗,使用能量10 MeV、吸收劑量5 kGy的電子束輻照嚴重抑制了氣單胞菌屬(Aeromonasspp.)的生長(圖3)。

圖2 Magaudda進行的產(chǎn)黃青霉輻照實驗[61]Fig.2 Irradiation experiments of Penicillium chrysogenum conducted by Magaudda

圖3 輻照前(左)后(右)氣單胞菌屬生長情況 (筆者課題組進行的實驗)Fig.3 Growth of Aeromonas spp. before (left) and after (right) irradiation in the experiments conducted by the authors’ group

電子束輻照對紙制文物上使用的油墨、色彩等影響也有一定的研究。Rizzo等[63]曾成功使用γ射線對一幅來自17世紀秘魯?shù)牡安十嬤M行了輻照消毒處理,結(jié)果表明6 kGy劑量成功對受真菌侵害的畫作進行了消毒,且25 kGy的輻照劑量未使畫作顏色發(fā)生顯著變化。Rocchetti等[64]研究了γ輻射對十種常見的印刷油墨的影響,表明即使在高劑量的輻照以及加速老化的情況下,油墨的顏色也保持著較高的穩(wěn)定度。

另外一些研究表明某些真菌能夠合成具有多種生物學功能的黑色素,從而賦予它們在極端環(huán)境、重金屬毒性以及太陽輻射和紫外輻射條件下的生存優(yōu)勢[65]。Saleh等[66]測試了交替鏈格孢(Alternariaalternate)、黃曲霉(Aspergillusflavus)、黑曲霉、煙曲霉、寄生曲霉(Aspergillusparasiticus)、枝狀枝孢、曲彎孢霉(Curvulariageniculata)、新月彎孢霉(Curvularialunata)、茄病鐮刀菌(Fusariumsolani)以及一些青霉屬的抗γ輻射能力,并發(fā)現(xiàn)其中一些能夠合成黑色素的真菌表現(xiàn)出更高的輻射抗性,交替鏈格孢的輻射抗性在11.5～13.9 kGy,曲彎孢霉和新月彎孢霉的輻射抗性在17～20 kGy,而其他菌種的輻射抗性均在6 kGy內(nèi)。Dadachova等[67]的研究表明,黑色素能保護真菌抵御輻射在于其獨有的化學成分、自由基淬滅過程以及獨特的球形空間排列。

綜上,電離輻射能夠作為紙張保護過程中消滅真菌的有力技術,也有被成功用于紙張保護的案例,且多數(shù)真菌在低劑量(10 kGy內(nèi))下被消滅,而一些能夠合成黑色素的真菌具有更高的輻射抗性,但仍在20 kGy劑量內(nèi)被消滅。

3 輻照對紙基質(zhì)的影響

電離輻射雖然被證明是有效的消毒方法,但在消毒的同時會在纖維素分子間產(chǎn)生自由基,形成新的分子結(jié)構(gòu)以及使纖維素鏈斷裂[68],這個過程可能對紙張的性能產(chǎn)生一定影響,研究人員主要關注輻照過程中紙張的聚合度、機械強度以及顏色的變化。

3.1 機械性能

紙張是一種多相復雜且非均質(zhì)的高分子材料,紙張的機械性能可直觀展示其產(chǎn)品質(zhì)量,良好的機械性能也是日常使用的保障。紙張的強度取決于紙張中纖維本身的強度和纖維的結(jié)合強度,通常對不同類型的紙張其測量指標不一,主要有紙張的抗張強度、耐折度和撕裂度等。

Adamo等[69]的研究表明,10 kGy劑量的γ輻射不會對沃特曼紙(一種高級繪畫紙張)的機械性能產(chǎn)生影響。D’Almeida等[70]對漂白硫酸鹽桉樹漿制備的紙張進行了輻照實驗,測試了其抗張強度和撕裂性,結(jié)果表明在最高15 kGy吸收劑量下,紙張的抗張強度降低不到7%,撕裂度的變化則更小。Butterfield[13]測試了四種由碎布漿和機械漿制作的紙張的機械性能,包括耐折度和撕裂性,發(fā)現(xiàn)在10 kGy劑量的γ輻照下,各種紙張的機械強度均出現(xiàn)下降,其中撕裂度平均降低10%左右,耐折度則降低20%左右。梁翊等[52]研究了0～10 kGy劑量下γ輻照對報紙、宣紙、竹紙和皮紙的抗張強度和撕裂性的影響,研究表明1 kGy及以下的輻照對四種紙張的機械性能影響非常小,隨著輻照劑量的增加其性能有所下降,但下降幅度不大,不影響紙張的使用,并指出2 kGy及以下的劑量不會對紙質(zhì)品造成破壞。Hwang等[21]使用最高100 kGy的電子束輻照沃特曼紙后,發(fā)現(xiàn)其耐折性在最大劑量下降低53%。由此可見低劑量的輻照對紙張機械性能的影響在可接受范圍內(nèi),并且不同種類的紙張在被輻照后的受影響程度不同,此外不建議對紙張進行高劑量的輻照以及多次輻照。

3.2 聚合度

輻照會引起纖維素的降解,導致聚合度的降低,降低程度取決于輻照條件、吸收劑量以及紙張自身的性質(zhì)[20]。Adamo等[69]對沃特曼紙進行的γ輻照實驗表明,輻射會導致纖維素聚合度降低,兩者間存在明確的因果關系。Drabkova等[71]對沃特曼紙以及兩種手工紙進行2～19 kGy的γ輻照實驗后發(fā)現(xiàn),即使在最低劑量2 kGy情況下,輻照也會顯著降低所有被測試紙張的聚合度——在4.7 kGy的劑量下,沃特曼紙的聚合度降低近50%,手工紙的聚合度降低約25%。但聚合度的顯著降低并不會直接反映在紙張的機械性能上,據(jù)研究,沃特曼紙的聚合度降低58%甚至降低76%均未造成機械性能的明顯改變[20]。對此Drabkova等[71]解釋道:聚合度的測量通常用黏度法推算而來,而紙張的機械性能在較高降解程度下不僅受到聚合度的影響,還受到纖維結(jié)構(gòu)的影響,因此機械性能的變化不如特性黏度值(聚合度)那樣敏感,而零距斷裂長度可以在不影響纖維結(jié)構(gòu)下測量纖維性能,但即使是零距斷裂長度,仍只有在高劑量輻照下或人工老化后的變化才是明顯的。

輻照會明顯降低紙張纖維的聚合度,但聚合度的嚴重降低并未顯著影響機械性能,低劑量下電離輻射對紙張機械性能的影響仍是可以接受的。同時輻照對聚合度的研究大多限于對沃特曼這種純纖維素紙,對其他種類的紙張的研究較少。

3.3 紙張的顏色

紙張顏色變化被認為是由于老化或輻照過程中形成的發(fā)色團引起的[72],Ahn等[73]證明了使紙張發(fā)黃的“罪魁禍首”是羰基的形成。Bouchard等[74]使用不同劑量的電子束輻照各種紙張后發(fā)現(xiàn),形成羰基的濃度與輻照劑量成正比。羰基的測定通常使用由Jürgen R?hrling等[75]開發(fā)的熒光標記測定纖維素中羰基的方法。顏色的變化程度常用CIEL*a*b*色彩系統(tǒng)進行分析,也可以使用帶積分球的分光光度計等光學測量法獲得紙張樣品的反射光譜,從而進行顏色的表征。

總體看來輻照對于紙張的顏色影響較小,雖然輻照的確會導致樣品色差的增大,但在20 kGy內(nèi)的消毒劑量下,顏色的變化仍在可接受范圍內(nèi)。

3.4 加速老化

Butterfield[13]使用10 kGy劑量的γ輻射研究其對三種手工紙的長期影響,證實輻照和加速老化具有協(xié)同效應,輻照加速老化紙張的機械性能的總體下降高于單獨輻照或加速老化處理的樣品的總和。Adamo等[69]對沃特曼紙的研究也得到了相似的結(jié)論,研究顯示老化會導致聚合度急劇下降,與輻照一起,會產(chǎn)生協(xié)同效應,同時紙張出現(xiàn)了變黃趨勢,并且主要是在加速老化后出現(xiàn)的。Coppola等[77]對純纖維素紙進行了0～10 kGy的γ輻照以及在80 ℃、65%RH條件下進行的24 h和144 h老化實驗,結(jié)果表明兩者在對聚合度的影響方面,由輻照引起的變化顯著大于加速老化,即紙張聚合度的降低主要來自于輻照的影響;而對于顏色的影響,總體上表現(xiàn)為色差隨輻照劑量的增加而增加,但加速老化帶來的影響顯著大于輻照。

總之,加速老化后紙張的各項性能會繼續(xù)劣化,其中影響最嚴重的是顏色。為了更好地保存,輻照后應當通過控制環(huán)境條件,減少自然老化所帶來的后續(xù)影響。

3.5 其他影響

Bouchard等[74]使用不同能量的電子束(4.5 MeV和10 MeV)對三種不同材質(zhì)的紙張進行電子束輻照,研究表明在相同吸收劑量20 kGy的情況下,使用高能電子束(10 MeV)輻照帶來的纖維斷鏈率要低于4.5 MeV電子束的情況,他們將這一現(xiàn)象解釋為一束高能電子在撞擊紙張時會形成X射線和二次電子,不同的束能產(chǎn)生不同比例的兩者混合,因此形成的自由基的數(shù)量和由此產(chǎn)生的纖維素鏈斷裂的數(shù)量是不同的,并因此建議進行輻照時盡量使用高的能束。此外,Adamo等[78]的輻照實驗表明,輻照不會引起紙張pH的變化,因此不會加速紙張的酸水解過程。

4 結(jié)語與展望

現(xiàn)有研究結(jié)果顯示,輻照消毒的收益是大于風險的,電離輻射在紙張的保護方面具有其他方法無法媲美的優(yōu)勢,但高劑量輻照造成的纖維素聚合度降低以及可能引起的顏色變化,使得該技術的廣泛應用尚存爭議。目前電離輻射消毒的方法在紙張保存領域僅多用于因自然災害(如洪水等)造成的受真菌損害藏品的快速消毒,輻射消毒后應將物品放入低溫低濕度環(huán)境或置于惰性氣體氛圍中保護,同時按時使用真空吸塵器減少真菌孢子的威脅,減少真菌的再次污染。

目前關于輻射消毒技術對紙張的影響研究,多集中在純纖維素紙或一些手工紙上,并且現(xiàn)有的研究仍不夠全面和深入,而輻照對由不同種類植物纖維構(gòu)成的紙的影響研究尚未見報道;此外,不同能量電子束、不同劑量率的輻照對紙的影響研究較少,對材質(zhì)接近中國文物的紙張的輻照影響也尚待研究。要想將輻照消毒技術成功應用到文物古籍的保護,只有綜合考慮以上各類情況,研究獲取輻照對紙張影響的全面數(shù)據(jù),才能在保護過程中分析并設計出應用于不同種類紙張的合理有效的輻照方式,從而實現(xiàn)紙質(zhì)文物的輻射消毒。