А. Н. Геращенко, И. Ю. Кирцидели, В. А. Парфенов. Противодействие биологическим поражениям памятников с помощью лазерной обработки

А. Н. Геращенко, И. Ю. Кирцидели, В. А. Парфенов. Противодействие биологическим поражениям памятников с помощью лазерной обработки

В настоящее время биологические поражения являются одной из главных причин разрушения памятников. Биоповреждением принято называть изменение свойств материала памятника вследствие воздействия на него живых организмов. Это комплексная проблема, которая затрагивает самые различные материалы: камень (мрамор, известняк, песчаник), органические материалы (бумагу, кожу, ткань, древесину и т. д.), керамику, стекло и даже металл [1, 2]. В качестве биодеструкторов памятников выступают бактерии, плесневые грибы, микроскопические водоросли, лишайники, мхи, а иногда и высшие семенные растения.

Микромицеты (их еще иногда называют плесневыми грибами) – многочисленная и разнородная в систематическом отношении группа биологических организмов. Мицелий грибов состоит из длинных разветвленных нитей – гиф, которые разрастаются на поверхности материала и часто проникают в него.

Споры грибов часто очень стойки к экстремальным воздействиям. Благодаря своему малому весу споры легко распространяются воздушными потоками и, оседая на предметы, проникают в мелкие поры и трещины. Отличаясь большим разнообразием физиологических и биохимических свойств, они способны к жизнедеятельности в экстремальных условиях, непригодных для других организмов.

Появление микроорганизмов на поверхности объектов культурного наследия приводит к ухудшению их внешнего вида, что проявляется в изменении исходного цвета. Однако это только «верхушка айсберга», поскольку главная опасность биологических поражений связана с физическим и химическим воздействием микроорганизмов на материал памятника. Проникая в материал исторического объекта, они постепенно разрушают его структуру. Например, при биопоражении мрамора и известняка микромицеты, укоренившиеся в порах между кристаллами кальцита, вызывают отслаивание (с последующим «отшелушиванием») отдельных фрагментов поверхностного слоя. В результате микроорганизмы могут ускорять темпы деструкции камня во много раз.

Используя материал памятника как субстрат, микроорганизмы растут на нем, питаются, размножаются, выделяют продукты обмена веществ. В качестве питательных веществ они могут использовать вещества органической природы (в том числе, остатки старой плесени или слизистой бактериальной пленки), пыль (как музейную, так и привносимую извне), следы рук, реставрационные полимерные материалы и т. п. Более того, многие грибы и бактерии могут получать необходимые им углерод и энергию из органических веществ, содержащихся в минеральных материалах.

Для того чтобы использовать различные вещества в качестве источника своего питания, микроорганизмы выделяют специфические белки – ферменты, которые катализируют реакции в процессах расщепления сложных структурных макромолекул материала на отдельные фрагменты. Так, например, микроорганизмы, разрушающие материалы растительного происхождения (бу маг у, древесину, холст и др.), выделяют группу ферментов – целлюлазы, которые катализируют реакции расщепления целлюлозы (структурного полисахарида растительных материалов) до моно– и дисахаридов, т. е. до глюкозы и целлобиозы, соответственно. Клеи расщепляются при воздействии амилазы на крахмал, или протеаз – на белки. С помощью протеиназ микроорганизмы повреждают материалы животного происхождения (кожу, пергамент, шерсть, рог).

Кроме этого микроорганизмы выделяют также пигменты, углекислый газ, аммиак, сероводород, спирты и такие агрессивные для многих материалов продукты обмена веществ, как кислоты. Грибы и большинство бактерий выделяют органические кислоты: молочную, лимонную, уксусную, глюконовую, щавелевую, яблочную, фумаровую и др.

Из представленного здесь краткого обзора становится ясна острота проблемы биопоражений памятников. К сожалению, сегодня реставраторы часто сталкиваются с трудностями ее решения. Наиболее распространенный способ, который до сих пор доминирует во многих музеях, – это использование метода химической защиты. В настоящее время существует множество различных биоцидов, способных подавлять рост микроорганизмов. Однако в реставрационной практике и, особенно, при работе с музейными объектами число пригодных для использования препаратов в значительной мере ограничено спецификой сохранности культурных ценностей. Препарат не только должен быть эффективным в борьбе с биопоражениями, но он должен быть безопасен для самого материала (не влиять на его структуру и окраску), а также безопасен для работающих с ним людей.

Кроме того, он должен сохранять устойчивость к условиям музейного микроклимата, например к воздействию освещения в витринах, и влиянию факторов внешней среды (это касается экстерьерных памятников). На сегодняшний день нет идеального вещества, отвечающего всем предъявляемым требованиям. По этой причине, несмотря на появление ряда новых высокоэффективных биоцидных составов (в том числе, на основе органических фотокатализаторов) [3], разработка технологий противодействия биологическим поражениям памятников по-прежнему остается одной из важнейших научно-практических задач консервации и реставрации.

Одним из возможных путей решения проблемы, который, по мнению авторов, может стать если и не альтернативой, то хорошим дополнением к химическим средствам защиты, является уничтожение биодеструктуров при помощи оптических методов.

Одним из таких методов является лазерная очистка памятников, которая в последние годы находит все более широкое применение в реставрационной практике [4–7]. Лазерная очистка представляет собой процесс удаления частиц загрязняющего вещества с поверхности обрабатываемого объекта в результате поглощения им высокоинтенсивного излучения лазера. При правильном выборе типа лазера и настройке его выходных параметров этот процесс может быть селективным. Это означает, что при облучении светом лазера поверхности памятника будет происходить избирательное удаление загрязнений. При этом удается не только избежать повреждений материала самого памятника, но и сохранить в неприкосновенности авторскую (историческую) патину на его поверхности. Кроме того, по сравнению с механическими и химическими методами лазерная обработка обладает такими преимуществами, как высокая степень контроля за ходом очистки (включая возможность мгновенного прекращения этого процесса по решению реставратора) и отсутствие механического контакта «инструмента» с обрабатываемой поверхностью [4].

В настоящее время технология лазерной очистки памятников довольно хорошо отработана, о чем свидетельствуют, в частности, ее применение при реставрации таких всемирно известных памятников, как собор Парижской Богоматери и собор Св. Стефана в Вене, храм Парфенон в Афинах и храм Гроба Господня в Иерусалиме, знаменитая «падающая» Пизанская башня и Мавзолей Теодорика в Италии и многие другие [5]. Помимо очистки камня, известны примеры успешного использования лазеров в реставрации памятников из металлов, различных органических материалов, а также произведений живописи [4–6]. Однако, несмотря на все достоинства и впечатляющий «послужной список» применений лазеров в реставрации в целом, вопрос о возможности их применения для удаления биогенных загрязнений до сих пор остается открытым. В научной литературе этой теме посвящено весьма ограниченное число публикаций. При этом известные работы носят чисто эмпирический характер [8, 9], а сведения о системных научных исследованиях в данной области в научной литературе отсутствуют.

В течение последних нескольких лет авторы данной статьи проводят целенаправленные научно-исследовательские работы в данной области [10–14]. В настоящее время основное внимание нами уделяется изучению эффективности лазерного удаления микромицетов с поверхности камня и бумаги. Ранее были опубликованы результаты модельных экспериментов по лазерной обработке мраморных пластин [12]. В этих экспериментах использовался специализированный реставрационный лазер Smart Clean II (изготовитель – El. En. S.p.a., Италия) (ил. 1), широко применяемый в практике очистки каменных памятников [7]. Для очистки мраморных образцов были использованы следующие выходные рабочие параметры лазера: плотность энергии – 6,4… 19,0 Дж/см², частота повторения импульсов – 5 Гц, диаметр пучка – 2 мм. Доставка лазерного излучения к поверхности мрамора осуществлялась при помощи гибкого опто-волоконного кабеля, на конце которого закреплен ручной фокусатор (см. ил. 1).

Эксперименты продемонстрировали эффективное удаление микроорганизмов, была отмечена явная зависимость эффективности этого процесса от величины плотности энергии лазерного излучения. Несмотря на некоторые различия в особенностях воздействия на различные группы микроскопических грибов, был сделан вывод о том, что для полного удаления микромицетов при обработке мрамора излучением лазера Smart Clean II (или аналогичного по своим параметрам) нужно обеспечивать плотность энергии на уровне ? 19 Дж/см².

Результаты описанных в работе [7] модельных экспериментов с мраморными образцами хорошо согласуются с итогами выполненных нами практических работ по использованию технологии лазерной очистки в реставрации мраморных скульптур. Речь идет, в частности, о скульптуре «Зефир, качающийся на ветке» (скульптор – В. П. Бродзский, 1860 г., г. Рим, Италия) и бюсте «Примавера» (неизв. скульптор, нач. XVIII в., Италия) из собрания Государственного музея-заповедника «Царское село» [13, 14].

Перед началом реставрации оба этих памятника, выполненные из белого каррарского мрамора, имели значительные биологические поражения. В ходе микологического обследования скульптуры «Зефир» на ее поверхности были выявлены микроскопические грибы родов Alternaria, Cladosporium, Exophiala, Ulocladium, а при обследовании бюста «Примавера» (ил. 2) были идентифицированы микромицеты Alternaria alternata (Fr.) Keissl., Cladosporium herbarum (Pers.) Link, Exophiala jeanselmei (Langeron) McGinnis & A. A. Padhye, Rhodotorula sp. и отмечено наличие слоевищ накипных лишайников.

Ил. 1. Реставрационный лазер Smart Clean II (слева – облучение опытных образцов, справа – общий вид)

В ходе реставрации с помощью лазера были полностью удалены все имевшиеся на поверхности этих памятников очаги биопоражений, что проверялось в ходе повторной микологической экспертизы. На ил. 2 показано состояние бюста «Примаверы» до и после лазерной очистки.

По аналогии с модельными экспериментами на образцах мрамора были проведены эксперименты с образцами известняка и бумаги. В случае известняка лазерной обработке подвергались модельные образцы размером 2 ? 2 ? 2 см³, на которые искусственным образом наносились споры грибов. В экспериментах использовался тот же лазер Smart Clean II, однако в данном случае при тех же значениях частоты повторения импульсов (5 Гц) и диаметра пучка (2 мм) пришлось применять более высокую плотность энергии излучения (13–25 Дж/см²).

Ил. 2. Мраморный бюст «Примавера»: слева – общий вид до реставрации, справа вверху – состояние в процессе лазерной очистки (очищена левая половина), справа внизу – после лазерной обработки

В качестве биодеструкторов служили суспензии спор и мицелия изолятов микромицетов видов: Chaetomium globosum Kunze, Ulocladium consortiale (Thum.) E. G. Simmons, Aspergillus flavus Link. Изоляты данных микроскопических грибов были выделены с экспонатов Государственного Русского музея и хранились в коллекции микромицетов Ботанического института им. В. Л. Комарова РА Н. Представители данных родов относятся к наиболее распространенным видам микроскопических грибов-биодеструкторов. Культуры микромицетов выращивались на стандартных агаризированных питательных средах в течение 7–10 дней, затем с поверхности культуры делался смыв стерильной дистиллированной водой. Полученную суспензию спор наносили на поверхности образцов в количестве 0,2 мл на 4 см². Далее образцы делились на две группы и обрабатывались, соответственно, следующим образом:

1) высушивались при температуре 35°С в течение 5 часов, что не вызывало гибели спор, но препятствовало их прорастанию, и затем подвергались лазерной обработке;

2) помещались во влажную камеру при температуре 25°С на 3–4 суток для проращивания спор и образования поверхностного мицелия, после чего подвергались лазерной обработке.

Для проверки результатов обработки исследованных образцов при помощи лазера применялся метод смыва спор и мицелия с поверхности субстрата на питательные среды и их культивирование в термостате в течение 5–10 дней при температуре 25°С, после чего проводился подсчет числа выросших колоний.

В Табл. 1 представлены усредненные результаты, полученные в трех сериях экспериментов. Как видно из таблицы, под действием лазера происходило удаление микроорганизмов, при этом эффективность данного процесса напрямую связана с величиной плотности энергии лазерного излучения. Однако, 100 %-го удаления микромицетов удалось достигнуть не во всех случаях. Возможно, это связано с особенностями структуры известняка, более пористой, чем у мрамора.

Таблица 1. Зависимость эффективности удаления спор и участков мицелия с поверхности известняка от плотности энергии лазерного излучения

При работе с модельными образцами бумаги нами был использован волоконный иттербиевый лазер (модель «МиниМаркер М10», изготовитель – ООО «Лазерный центр», Россия). Он излучает на той же длине волны (1,06 мкм), что и модель Smart Clean, то есть также является инфракрасным лазером, однако имеет другие выходные параметры: средняя мощность до 10 Вт, длительность импульсов 10 нс, частота повторения импульсов 20–100 кГц.

Выбор лазера «МиниМаркер» в данном случае был связан с физико-механическими свойствами бумаги. Из научной литературы известно, что для уменьшения теплового воздействия при очистке бумаги необходимо применять лазеры с очень короткой (наносекундной) длительностью импульсов [15, 16].

Экспериментальные исследования проводились на модельных образцах целлюлозной картографической бумаги (плотность 150 г/м²) размерами 1,5 ? 1,5 см², на которые наносились суспензии спор в количестве 0,1 мл. В качестве биодеструкторов были выбраны микромицеты родов Cladosporium cladosporioides (Fresen.) G.A. de Vries, Penicillium aurantiocandidum Dierckx & Biourge, Trichoderma viride Pers. После лазерной обработки образцы бумаги суспензировали. Полученную взвесь переносили в чашки Петри на стандартные агаризированные питательные среды и культивировали в термостате в течение 5–10 дней при температуре 25°С, затем проводился подсчет выросших колоний.

Ил. 3. Процесс обработки образцов бумаги лазером «МиниМаркер»

При обработке образцов использовались следующие выходные параметры лазера: средняя мощность – 4–6 Вт, длительность импульсов 10 нс, частота повторения импульсов 20 кГц. Процесс облучения образцов показан на ил. 3.

В Табл. 2 приведены усредненные результаты трех серий экспериментов по удалению спор микромицетов, которые показывают высокую эффективность лазерной обработки и в данном случае.

Таблица 2. Зависимость эффективности удаления спор и участков мицелия с поверхности бумаги от плотности энергии излучения лазера

Таким образом, эксперименты, проведенные на модельных образцах из различных материалов, а также результаты наших практических работ по реставрации мраморных скульптур с использованием технологии лазерной очистки позволяют говорить о том, что лазерная обработка является перспективным методом борьбы с биологическими повреждениями памятников.

В ближайшей перспективе авторы предполагают продолжить исследования по лазерному удалению биопоражений с поверхности мрамора, известняка, бумаги, а также ряда других материалов. Кроме того, планируется расширение области исследований как с точки зрения разнообразия биопоражений (модельные эксперименты по удалению водорослей), так и с точки зрения используемых источников излучения. Как известно, одним из методов борьбы с биодеструкторами является их облучение в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне шкалы электромагнитных волн [17]. УФ составляющую оптического диапазона излучения называют биологически активной, так как она обладает наиболее выраженным влиянием на живой организм. В связи с этим мы планируем проведение комплексных исследований по использованию УФ-ламп и лазеров УФ-диапазона для удаления биопоражений с поверхности памятников.

Авторы статьи выражают благодарность М. Д. Геращенко за помощь в проведении экспериментов по лазерной обработке бумаги. Часть проведенных исследований выполнена при финансовой поддержке гранта Минобрнауки (Госконтракт № 14.74 0.11.0601 от 05.10.2010 г.).

Литература

1. Ребрикова Н. Л. Биология в реставрации. М., 1999.

2. Славошевская Л. В. Биоповреждения в музее // Сохранность культурного наследия: наука и практика. Вып. 3 (Будущее прошлого: расширение доступа и сохранность коллекций). СПб., 2000.

3. Власов Д. Ю., Франк-Каменецкая О. В., Маругин А. М. и др. Новые принципы защиты памятников из камня от биологических повреждений // Памятники. Вектор наблюдения: сб. статей по реставрации скульптуры и мониторингу состояния памятников в городской среде. СПб., 2008.

4. Cooper M. Laser cleaning in conservation: An introduction // Butterworth-Heinemann. Oxford, 1998.

5. Salimbeni R. Laser techniques in Conservation in Europe // SPIE Proceedings, Vol. 5857 (2005). P. 8–18.

6. Чулин А. В., Парфенов В. А. Использование лазерных технологий для реставрации металлических объектов истории и культуры // Оптический журнал. Т. 74. № 8 (2007). С. 56–…

7. Иванов О. И., Казанова А. В., Лазарев П. А., Парфенов В. А. Об использовании технологии лазерной очистки при реставрации скульптуры Летнего сада в Санкт-Петербурге // Сохранение, исследование, консервация, реставрация и экспертиза музейных памятников. Научные доклады VI Международной научно-практической конференции (Киев, 27–30 апреля 2008). Киев, 2008. Ч. 1. С. 180–185.

8. Leavengood P., Twilley J., Asmus J. Lichen removal from chinese spirit path figures of marble // Journal of Culture Heritage. 2000. Vol. 1. P. 71–74.

9. Marakis G., Pouli P., Zafiropulos V., Maravelaki-Kalaitzaki P. Comparative study on the application of a Q-switched Nd: YAG laser system to clean black encrustation on marble // J. Cult. Heritage. 2003. Vol. 4. P. 83–91.

10. Парфенов В. А., Кирцидели И. Ю. Использование лазерной технологии для удаления микогенных загрязнений с поверхности памятников // Современная микология в России. М., 2008. Т. 2 (Материалы 2-го Съезда микологов России). С. 376–377.

11. Геращенко А. Н., Кирцидели И. Ю., Парфенов В. А. Использование технологии лазерной очистки для борьбы с биологическими повреждениями в музеях // Иммунопатология. Аллергология. Инфектология. 2009. № 2. С. 42.

12. Геращенко А. Н., Кирцидели И. Ю., Парфенов В. А. Удаление микромицетов с поверхности памятников при помощи лазерной обработки // Научно-технические ведомости СПбГПУ. СПб., 2009. № 4 (88). С. 113–118.

13. Парфенов В. А., Применение лазерных технологий для реставрации памятников // Красная линия: Журнал современных строительных технологий. Вып. 38 (июль 2009). С. 48–51.

14. Парфенов В. А. Применение лазерных технологий в реставрации. Инновационный подход к сохранению культурного наследия // Петербургский строительный рынок. 2010. № 3–4 (125). С. 54–56.

15. Ochocinska K., Kaminska A., Sliwinski G. Experimental investigations of stained paper documents cleaned by Nd: YAG laser pulses // Journal of Culture Heritage. 2003. Vol. 4. P. 188–193.

16. Kaminska A., Sawczak M., Cieplinski M., Sliwinski G., Kosmowski B. Cororimetric study of the post-processing effect due to pulsed laser cleaning of paper // Optica Applicata. Vol. XXXIV. № 1. 2004. P. 121–132.

17. Жданова Н. Н., Василевская А. И. Экстремальная экология грибов в природе и эксперименте. Киев, 1982.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.