Пигментация бумаги грибами
Богатой палитрой красок живая природа обязана пигментам. В почве, воздухе, морях, океанах, на растениях, разнообразных естественных и искусственных материалах широко распространены пигментированные виды микроорганизмов, которые по яркости и разнообразию окраски не уступают растениям и животным. Уже с глубокой древности люди наблюдали проявление жизнедеятельности окрашенных микроорганизмов — кроваво-красный налет на хлебе или рисовых об¬латках, что вызывало ужас и мистический страх.
Поэтому люди рань¬ше обратили внимание на способность микроорганизмов образовывать пигментированные формы, чем узнали о существовании микро¬мира. На страницах не только старых, но и достаточно новых изданий иногда встречаются пятна желтого, красного, коричневого, черного цвета. Причины появления таких пятен долгое время оставались неизвестными, несмотря на то что такое повреждение бумаги давно отмечалось в различных библиотеках мира. На сегодняшний день известно, что появление этих пятен чаще всего связано с деятельностью плесневых грибов (микромицетов).
Подсчитано, что на Земле обнаружено свыше 100 тысяч видов грибов, из которых примерно половина — микромицеты. Из 288 видов грибов, способных развиваться на бумаге, более 90 видов относятся к пигментообразующим. Эти грибы образуют около 70 пигментных соединений красных, коричневых и желтых оттенков, которые из мицелия грибов могут выделяться в окружающую среду. Споры микроскопических грибов обычно имеют зеленый, серый, черный цвет. Слово «пигмент» происходит от латинского pigmentum — краска. В биологии к пигментам относят окрашенные органические вещества разнообразного химического строения, синтезируемые микроорганизмами, растениями и животными. Пигменты грибов, в том числе и обитающих в книгохранилищах, можно разделить на несколько химических групп, основные из которых — каротиноиды, хиноны, меланины. Возможность образования пигментов микроорганизмами имеет для человека как положительные, так и отрицательные стороны. Структура, свойства и области применения пигментов микроор¬ганизмов очень разнообразны. Одни из них являются антибиотиками, как, например, желтокоричневый цитринин, синтезируемый Asper¬gillus terreus, Pénicillium citrinum, Pénicillium implicatum, или желтоокрашенный глиотоксин, выделяемый микромицетами Trichoderma viride, Aspergillus fumigatus. Наряду с антибиотической активностью некоторые пигменты обладают и фитотоксическими свойствами. Так, мартицин — один из хинонов гриба Fusarium mardi — вызывает увядание растения. Другие пигменты могут выступать в качестве биологически актив¬ных соединений, обладающих антимутагенными, антиканцерогенными свойствами и иммуномоделирующей активностью.
Среди таких соединений особое место принадлежит провитамину А β -каротину, являющемуся незаменимым лечебным препаратом. Микроорганизмами, наиболее часто используемыми для получе¬ния пигментов, являются микроскопические грибы рода Monascus, ко¬торые издавна применяли в странах Востока для получения красного пищевого красителя. В качестве источников пигментов также используются микроскопические грибы Pénicillium rubrum, Pénicillium pinopillium, Aspergillus orizae, Blakeslea trispora. Большое место среди грибных пигментов занимают чернокоричневые пигменты меланины, которые можно обнаружить у грибов Aureobasidiumpullulons, Cladosporium resinae, Aspergillus niduians, Trichoderma viride. Меланин с большой эффективностью сорбирует ионы различных металлов.
Так, выделенный из гриба Cladosporium cladosporioides меланин сорбировал ионы цинка, ртути, хрома, свинца. Ис¬пользование меланинов в качестве биосорбентов может стать альтернативным или дополнительным методом для удаления металлов из загрязненных стоков и отработанных вод. С другой стороны, пигменты, выделяемые грибами, представляют серьезную проблему при хранении различных материалов, в том числе предметов письменности и прикладного искусства. Не только бумага, но и пергамен, кожа, текстиль, дерево, мрамор и многие другие изделия страдают из-за изменения окраски, вызываемого жизнедеятельностью микромицетов. Существуют несколько причин окрашивания бумаги микроскопическими грибами. Однако основными являются две. Первая причи¬на — разноцветные споры грибов, которые придают окраску колониям, растущим на бумаге, и частично рассеиваются по ее поверхности, вторая причина — образующийся в мицелии пигмент, который может выделяться и проникать в волокно бумаги, а пигментные пятна распространяться за пределы колонии. Пигментные пятна на бумаге — это «автографы» микроорганизмов, которые сообщают нам: «мы здесь были». Известно несколько факторов, влияющих на способность микромицетов образовывать пигменты и выделять их в окружающую среду. Температура имеет существенное значение как для роста, так и для пигментообразования грибов. Развитие некоторых грибов при неоптимальной для роста температуре (30—32 °С вместо 26 °С) может при¬вести к синтезу хиноновых пигментов. Следует также обратить внимание на то, что при температуре, соответствующей нормативному режиму хранения документов (20 °С), относительная влажность выше 90 % благоприятствует активной пигментации бумаги. Появление на доку¬ментах пигментных пятен связано с медленным развитием мицелия, выделяющего пигмент в тех случаях, когда на отдельных участках имеет место локальное повышение влажности.
Видимый свет также может влиять на пигментообразование микроорганизмов. В мицелии и спорах некоторых грибов пигменты об¬разуются под действием света. У многих образующих каротин грибов свет стимулирует дополнительный синтез этих пигментов. Усиление пигментации мицелия и конидий наблюдается у Fusarium moniliforme, Phoma sp., Pénicillium sclerotiorum, Helminothosporium victoriae, Péni¬cillium funiculosum. Это может служить объяснением тому, что при яр¬ком освещении материалы подвергаются большей опасности появления нежелательных пигментных пятен, чем в условиях затемненности. Причиной активного роста микромицетов на бумаге документов могут служить загрязнения, в больших количествах присутствующие на поверхности документов. Некоторые металлы, обнаруженные в пыли книгохранилищ, также способствуют пигментообразованию грибов.
Анализируя существующие сведения, отметим, что данные по влиянию одних и тех же металлов на пигментообразование грибов противоречивы, что, вероятно, связано со специфической активностью металлов и их концентрацией в среде. По наблюдениям разных авторов среди микроэлементов существенную роль в увеличении пигментообразования оказывали ионы Zn+2, Fe+2, Mg+2. Для образования грибами хинонов, каротиноидов необходимо, например, более высокое содержание этих элементов в среде, чем для накопления биомассы. По другим данным соли магния, натрия, калия, марганца, бария не способствуют пигментообразованию, а цинк, медь железо, кобальт, молибден усиливают окраску. Например, молибден стимулирует пигментацию бумаги грибами Aspergillus terreus, Myxotrichum deflexum и Sporotrichum bombycinum. Пигментация Pénicillium purpurogenum усиливается при наличии в среде ионов кальция и молибдена в концентрации 0,001—0,1 %. Увеличение пигментообразования A. terreus наблюдалось при введении в среду железа, марганца, кальция и молибдена в диапазоне концентраций 0,001—0,1 %. При развитии Pénicillium funiculosum процесс пигментообразования усиливается в присутствии ионов НР04 Мо04 ', Mg , Fe . В благоприятных условиях (рН=5—6, Т=20 °С) и в присутствии незначительных количеств ионов металлов, содержащихся в пыли, пигментация P. funiculosum может увеличиваться в 5 раз по сравнению с пигментацией бумаги, на которой отсутствуют какие-либо загрязнения. Кроме того, пигментообразующая способность грибов может стимулироваться компонентами бумаги. Клей, мел, каолин, квасцы вносят в бумагу комплекс элементов, которые могут существенно влиять на физиологические функции грибов. Грибы Eidamella deflexa и A. terreus усиливали окрашивание бумаг в присутствии мела (рН>7). Бумага, н 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. Поскольку выделение пигментов является защитной функцией микроорганизмов, известны случаи интенсивного пигментообразования в присутствии биоцидов. У микроорганизмов, оставшихся живы¬ми после действия биоцида, могут развиваться адаптивные механизмы, которые делают возможным их рост в присутствии этих препаратов. Поэтому дальнейшая деструкция материала, на котором растут микроорганизмы, может продолжаться, даже когда он защищен биоцидом. Например, отмечено увеличение образования пигмента гифами и спорами у грибов Pénicillium corylophilum, Trichothecium roseum, Mucor christianiensis во время их переноса на питательные среды с возрастающими дозами фунгицидов фенилмеркурацетата, пентахлорфенолята натрия, п-хлор-м-крезола и его натриевой соли. Другой пример — у штаммов Pyrenophora avenae адаптация к фенилмеркурацетату вызывала интенсификацию продукции розового пигмента (1, 4, 5, 8-тетрагидроксиантрахинона), причем продукция пигмента была про¬порциональна степени устойчивости к биоциду. Кроме того, при воз¬действии фунгицида ТМТД (тетраметилтиурамдисульфида) на культу¬ры Pénicillium cyclopium наблюдали изменение окраски колоний и по¬явление способности образовывать темный пигмент у штаммов, не обладавших ранее этой способностью, а для Е. deflexa стимулятором пигментации служил биоцид салициланилид. Часто цвет пигментных пятен зависит не только от вида гриба, но и от кислотности бумаги. Особенно это свойственно хиноновым пигментам, которые меняют окраску от бледно-желтой через оранжевую, красную, коричневую до почти черной в зависимости от pH, являясь, таким образом, индикаторами среды.
Так, например, нафтохинон ау- рофузарин при кислых значениях pH окрашен в желто-оранжевый цвет, а при щелочных — в фиолетовый. Негативное действие микроорганизмов, прежде всего грибов, со¬стоит не только в обрастании бумаги и изделий из нее, но и в выделении микромицетами агрессивных метаболитов, в том числе и пигментов. Как видно из всего вышесказанного, существует большой ряд факторов, способных инициировать пигментообразование у грибов. Развиваясь на бумаге, грибы часто оставляют пигментные пятна, которые внешне портят книги, а иногда так затемняют текст, что его нельзя прочесть. Удаление окрашенных пятен при проведении реставрационных работ связано с большими трудностями. После аварий и стихийных бедствий резко возрастает возможность поражения документов микроорганизмами. Оценка состояния книг и хранилищ после тушения пожара водой в Библиотеке РАН показала, что пораженными микробиотой оказались помещения общим объемом более 44 ООО м3, в которых находились 8,1 млн. книг и газетных подшивок. Только в ходе визуального просмотра книг было выявлено более 10 тыс. документов с налетами плесени. Оценка степени повреждения документов в нескольких собраниях Библиотеки РАН (библиотеки Петра I, собрания иностранных рукописей, книг Архангельского собрания, собрания греческих рукописей) показала, что у 10,8—45,6 % книжных блоков этих собраний имеются пигментные пятна биологического происхождения. Из более чем 49 тыс. рукописей и исторических документов фондов Института рукописей 25 % имеют биологические повреждения. Развитие пигментообразующих грибов вызывает образование на рукописях пигментных пятен различных цветов: Trichoderma lignorum вызывает желтую пигментацию бумаги, a Gymnoascus setosus — красную. Анализ состояния документов из фондов РНБ, которые находились в неблагоприятных условиях хранения и имели биоповреждения, по¬казал, что 0,06 % из них имеют биопигментацию.
Таким образом, из 2 млн. книг и журналов, нуждающихся в обязательной дезинфекционной обработке, более 1 тыс. документов пигментированы. Возможно, это и не такая уж огромная цифра, но об этом все же стоит задуматься. В воздухе книгохранилищ РНБ из общего количества микроорганизмов в среднем от 5 до 28 % — пигментообразующие микромицеты. Среди изолированных с поверхности документов — половина является пигментообразующими. Также установлено, что пыль содержит большое количество микроорганизмов, причем от 40 до 90 % составляют пигментообразующие. Биоповреждение материалов зависит от условий их эксплуатации п состава. Наибольшему разрушению подвергаются материалы, в со¬став которых входят питательные для грибов вещества: древесина, бумага, белковые клеи, кожа, ткани из естественных растительных во¬локон. Однако в процессе эволюции микроскопические грибы приспособились к новым субстратам — синтетическим полимерным мате¬риалам.
Выделяемые плесневыми грибами метаболиты, воздействуя на полимерные материалы, приводят к изменению их физико-химических свойств. Большинство плесневых грибов вызывают пигментацию светлоокрашенных поверхностей. Специалистами многих стран мира давно ведутся исследования по повышению долговечности бумаги. К числу основных направлений в этих исследованиях следует отнести упрочнение полимерами, поиск эффективных биоцидов для профилактики и борьбы с биоповреждениями. Особенно важной задачей является одновременное упрочнение разрушающейся бумаги книг и придание ей биостойкости. Биостойкость и долговечность бумаги могут быть достигнуты на¬несением на нее полимеров.
В настоящее время в практике обеспечения сохранности документов широко используются новые полимерные материалы, и нанесение их на бумагу приводит к появлению композитов, обладающих другими свойствами. Попадая в неблагоприятные условия хранения, вследствие роста микроорганизмов такие композиционные материалы могут приобретать пигментацию. Для придания биостойкости бумаге наряду с полимерными покрытиями применяют и различные биоциды. Развитие микромицетов на композитах бумага+полимер может привести к более активному выделению пигментов микроорганизма¬ми и вследствие этого большей пигментации композитов. В таблице представлены результаты, полученные после культивирования микромицетов при комнатной температуре и относительной влажности бо¬лее 90 % в течение 3 мес. Способы соединения бумаги и полимеров следующие: для полипараксилилена (ППК) — газофазная полимеризация, для полиэтилена — импрегнирование, для лавсана — инкапсулирование.