Untersuchen Sie die Rolle von Pilzgemeinschaften, die mit einem historischen Manuskript aus dem 17. Jahrhundert in Zusammenhang stehen, beim biologischen Abbau

Nov 13, 2023

npj Materials Degradation Band 6, Artikelnummer: 88 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Hierin wurden die sich verschlechternden Aspekte eines historischen Manuskripts (Papiere und Bucheinband aus Leder) aus dem 17. Jahrhundert im Hinblick auf die Rolle der damit verbundenen Pilzgemeinschaften bewertet. Die Verschlechterungszeichen wurden mittels visueller Beurteilung, SEM, ATR-FTIR, XRD, Farbveränderungen und pH-Werten im Vergleich zur Kontrolle untersucht. Die Daten zeigten, dass die stärksten Verschlechterungsaspekte durch Staub, Schmutz, Erosion, Flecken, Löcher, Schwäche, fehlende Teile, Abnahme der Papierkristallinität, Verschiebung der Wellenzahlen des Zellulosebandes sowie Veränderung von Farbe und pH-Wert verursacht wurden. Die abhängig kultivierbare Technik zeigte, dass dreizehn Pilzstämme mit historischen Manuskripten in Verbindung gebracht und mithilfe traditioneller und molekularer Methoden identifiziert wurden: Aspergillus niger (drei Isolate), A. fumigatus (zwei Isolate), A. quadrilineatus (drei Isolate) und Penicillium citrinum (zwei). Isolate) und P. chrysogenium (drei Isolate). Diese Pilzstämme zeigten eine hohe Wirksamkeit bei der Sekretion verschiedener hydrolytischer Enzyme, darunter Cellulase, Amylase, Gelatinase und Pektinase, die eine entscheidende Rolle beim biologischen Verfall spielen.

Historische Manuskripte, Bücher und kulturelles Erbe gelten als großer nationaler Reichtum aller Länder weltweit. Diese Materialien in Archiven, Museen und Bibliotheken unterliegen verschiedenen Zersetzungsaspekten, die durch mikrobielle Angriffe oder chemische und physikalische Zersetzung verursacht werden1. Umweltbedingungen, Lagerung, chemische Zusammensetzung und physikalische Eigenschaften von Manuskripten gelten als die Hauptfaktoren, die die Quantität und Qualität der mikrobiellen Besiedlung bestimmen können2,3. Der mikrobielle Befall, insbesondere durch Pilze, kann für die Schädigung organischer Bestandteile von Papieren und Ledereinbänden der historischen Handschrift verantwortlich sein4.

Pilze spielen aufgrund ihrer enormen enzymatischen Aktivität und ihrer Fähigkeit, bei niedrigen Nährstoffwerten zu wachsen, eine wichtige Rolle beim biologischen Verfall von Kulturgütern wie historischem Papier und Bucheinbänden aus Leder5,6,7. Aus historischen Papiermanuskripten wurden verschiedene Arten von Pilzen isoliert, darunter Chaetomium spp., Penicillium spp., Aspergillus spp., Eurotium spp., Paecilomyces spp., Stachybotrys spp., Myrothecium spp. und Trichoderma spp.8,9. Pilze können Kollagenasen (Proteasen) produzieren, Enzyme, die durch ihre hydrolytische Aktivität eine wichtige Rolle beim Abbau von Kollagen spielen10. Außerdem kann es verschiedene Arten von Cellulase-Enzymen produzieren, die die Hauptbestandteile von Papier zersetzen8. Neben diesen Enzymen spielen die Enzyme Amylase, Xylanase und Gelatinase eine entscheidende Rolle beim biologischen Abbau von Papierbestandteilen9. Die Produktion extrazellulärer Enzyme sowie die durch Pilzwachstum verursachten Hyphen können mechanischen Druck auf das Papier ausüben und zu einer Schwächung führen11. Es sollte erwähnt werden, dass Säuren, die entweder von Pilzen produziert oder aus Luftschadstoffen gewonnen werden, eine wichtige Rolle im Zersetzungsprozess des historischen Manuskripts spielen12,13.

Im letzten Fall konzentrierten sich die Forscher auf den durch chemische, physikalische und mechanische Methoden verursachten Abbau archäologischer Manuskripte und vernachlässigten den durch Mikroorganismen, insbesondere Pilze, verursachten Abbau. Daher sollte beachtet werden, dass die Untersuchung von Pilzen und ihrer Wirksamkeit bei der Produktion zersetzender Enzyme für Restauratoren sehr wichtige Faktoren sind, um die Bedingungen für die Aufbewahrung von Papiermanuskripten und Lederbucheinbänden in Bibliotheken und Archiven zu kennen. Dies ist auch ein wichtiger Schritt vor der Konservierungsbehandlung, um einem Restaurator die Möglichkeit zu geben, die geeigneten Materialien und Behandlungsmethoden zu bestimmen, die verwendet werden sollen14,15.

Diese Studie zielt darauf ab, die Aspekte des Verfalls eines historischen Manuskripts aus dem Jahr 1663 n. Chr. abzuschätzen, das in der Al-Azhar-Bibliothek in Kairo, Ägypten, hinterlegt ist, und zwar unter Berücksichtigung der Rolle der aus dem historischen Manuskript (Bucheinband aus Papier und Leder) isolierten Pilzgemeinschaft beim biologischen Verfall Entwicklung. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden verschiedene Analysewerkzeuge verwendet, darunter visuelle Beobachtung, Rasterelektronenmikroskopie (SEM), abgeschwächtes Totalreflexions-Fourier-Transformations-Infrarot (ATR-FTIR), Röntgenbeugung (XRD), Farbänderungen und pH-Werte, um das zu untersuchen Verschlechterungsaspekte im Vergleich zu einer Kontrolle (Whatman-Papier Nr. 1 für Papier und pflanzlich gegerbtes Ziegenleder für Leder). Außerdem gelang die Isolierung und Identifizierung verschiedener Pilzstämme, die mit beschädigten historischen Papier- und Lederbucheinbänden in Zusammenhang stehen, mithilfe traditioneller und molekularer Methoden. Die Rolle dieser Pilzstämme bei der Produktion verschiedener extrazellulärer hydrolytischer Enzyme, einschließlich Cellulase, Amylase, Pektinase und Gelatinase, wurde untersucht.

Die erhaltenen Ergebnisse zeigten, dass es einige Aspekte der Verschlechterung auf der Oberfläche des Ledereinbandes und der Papierblätter des untersuchten Manuskripts gab. Diese Aspekte können auf einzelne oder kombinierte Faktoren zurückzuführen sein. Feuchtigkeit, Temperatur und Sonnenlicht spielen oft eine entscheidende Rolle bei der Zersetzung von Leder und Papier und verändern deren Eigenschaften. Auch Luftschadstoffe (wie Schwefeldioxid, Stickoxide etc. und deren Umwandlung in Säuren) sowie Staub spielen eine große Rolle beim Abbauprozess der Bestandteile des untersuchten Manuskripts. Es kann hinzugefügt werden, dass der Verfall durch Mikroorganismen, insbesondere Pilze, in den verschiedenen Bestandteilen des Manuskripts neben anderen Faktoren auch auf physikalischen und chemischen Faktoren beruht. Diese Faktoren allein oder in Kombination beeinflussten alle Merkmale, die in dieser Studie durchgeführt wurden. Aufgrund der verschiedenen oben genannten Verschlechterungsfaktoren erfolgt der Verschlechterungsmechanismus durch Oxidation, Hydrolyse oder durch eine Kombination davon. Darüber hinaus werden die Verschlechterungsaspekte durch visuelle Beobachtungen, SEM, ATR-FTIR, XRD, Farbindex und pH-Wert untersucht, wie unten gezeigt.

Der Ledereinband des historischen Manuskripts litt unter verschiedenen Verschlechterungsaspekten, wie in Abb. 1 dargestellt. Die häufigsten Aspekte sind Härte und Verlust der Flexibilität, Erosion des Gerbmaterials, Verlust verschiedener Teile, das Vorhandensein von Staub und Flecken stammen aus verschiedenen Quellen, z. B. Verschmutzung oder Kontamination mit Pilzen. Darüber hinaus kann das Vorhandensein einiger Etiketten, die auf Haftklebeband haften, als einer der Hauptfaktoren für die Beschädigung des Ledereinbands angesehen werden. Außerdem wurden Farbheterogenität (einige Teile sind dunkel und andere weniger dunkel) und Schrumpfung festgestellt.

Einige Verschlechterungsaspekte, die in den Papieren und im Ledereinband eines untersuchten historischen Manuskripts aus dem 17. Jahrhundert festgestellt wurden, das in der Al-Azhar-Bibliothek in Kairo, Ägypten, hinterlegt ist.

Daraus lässt sich schließen, dass die meisten der oben genannten Verschlechterungsaspekte auf die unkontrollierten Umgebungsbedingungen zurückzuführen sind. Im Einklang mit den erzielten Ergebnissen zeigte Larsen, dass der größte Verfall des pflanzlich gegerbten Leders auf eine unkontrollierte Umgebung zurückzuführen ist16. Er berichtete auch, dass die Mechanismen der Verschlechterung pflanzlich gegerbter Leder auf hydrolytische und/oder oxidative Schäden zurückzuführen seien. Der hydrolytische Schaden ist auf die saure Luftverschmutzung mit SO2 und NO2 zurückzuführen, während der oxidative Schaden auf verschiedene Faktoren wie Hitze, Licht und oxidative Schadstoffe zurückzuführen ist16. Carsote et al. bewiesen, dass die Schwankung zwischen relativer Luftfeuchtigkeit (RH) und Temperaturen zum Schrumpfen pflanzlich gegerbter Lederfasern führt17.

Leder ist ein organisches Material, das viele Nährstoffe enthält, die das Wachstum von Mikroorganismen fördern. Darüber hinaus sind die chemische und strukturelle Beschaffenheit des Substrats sowie die Umgebungsbedingungen wichtige Parameter, die die Quantität und Qualität der mikrobiellen Besiedlung beeinflussen und die ästhetischen und funktionellen Eigenschaften beeinträchtigen. In der aktuellen Studie sind die Konservierungsbedingungen, insbesondere relative Luftfeuchtigkeit (60 %) und Temperatur (27 °C), geeignet, das Wachstum von Pilzen, Actinomyceten und Bakterien zu fördern, die, wie bereits berichtet, als Hauptquellen für die biologische Schädigung von Leder gelten18. Der Angriff von Leder durch verschiedene mikrobielle Arten wird durch verschiedene Faktoren wie relative Luftfeuchtigkeit, Temperatur, auf den Materialien vorhandene Nährstoffe, Licht, Feuchtigkeitsgehalt, pH-Wert, osmotischer Druck, Oberflächeneigenschaften und die Konzentrationen von O2 und CO2 in der Umgebung gesteuert19.

Andererseits weisen die Papiere des untersuchten historischen Manuskripts verschiedene Aspekte des Verfalls auf. Zu diesen Aspekten gehört das Vorhandensein von Löchern unterschiedlicher Größe in verschiedenen Bereichen der Papierbögen, was möglicherweise auf Insekten zurückzuführen ist. Es wurden auch schwache Stellen der Papierblätter, insbesondere in den Ecken, einige Flecken, Risse, Verformungen der Oberfläche, Vergilbung der Papiere und Sprödigkeit beobachtet (Abb. 1). Die Verfärbung von Papier kann auf die Bildung von Chromophoren durch den Abbau eines oder mehrerer Papierbestandteile zurückgeführt werden20. Bei der Oxidation oder Photooxidation von Papieren aus reiner Zellulose wie Baumwollfasern werden aus den Hydroxylgruppen der wasserfreien Glucoseeinheiten Carbonyl- und Carboxylgruppen gebildet. Die Bildung von Aldehyd- und Ketongruppen an den Kohlenstoffatomen C-2 und C-3 in den wasserfreien Glucoseeinheiten ist für die Gelbfärbung der Cellulose während der Alterung verantwortlich20. Die Vergilbung ist oft eines der ersten Anzeichen für die Alterung und den Verfall der Papiere. Abhängig von der Beschaffenheit des Papiers und den Lagerbedingungen kann sich die gelbe Farbe schließlich in Braun verwandeln und das Papier daher im späteren Alterungsstadium spröde werden21.

Durch die intensive Nutzung der Bibliotheks- und Archivdokumente kommt es zu einer Abnutzung (in Form von physischer oder mechanischer Abnutzung), die zur Beschädigung des Papiers und zur Unbrauchbarkeit des Papiers führt. Papiere mit niedrigem Polymerisationsgrad (DP) haben eine geringe Faltbeständigkeit und geringe Zugfestigkeit und werden daher spröde und schwer zu handhaben, wie bereits berichtet22. Daher könnte angenommen werden, dass ein Zusammenhang zwischen DP und dem Auftreten physikalischer Veränderungen im Zusammenhang mit den mechanischen Eigenschaften über eine bestimmte Anzahl von Herausforderungen besteht (z. B. Risse, lose Blätter, fehlende Teile und Falten, die zu Brüchen führen).

Interessanterweise kann die Farbveränderung von Papieren, wie bereits berichtet, auch auf eine Kontamination durch Mikroorganismen zurückgeführt werden. In unserer aktuellen Studie waren Pilze und Bakterien, die aus archäologischen Dokumenten aus dem 17. Jahrhundert isoliert wurden, für die Entstehung rotbrauner Stockflecken verantwortlich23. Die schlechten Belüftungsbedingungen, die relative Luftfeuchtigkeit und die Temperatur begünstigen das Wachstum farbiger Schimmelpilzstämme wie Epicoccum sp. und Monoascus sp. sowie Actinobakterien, die violette Flecken produzieren5,24.

Die Oberflächenmorphologie sowie die Besiedlung von Ledereinbänden und historischen Papieren durch Mikrobenstämme wurde mittels REM-Analyse untersucht. Wie in Abb. 2A gezeigt, war die Oberflächenmorphologie des pflanzlich gegerbten Leders (Kontrolle) glatt und die Gruppierung grober und feiner Follikel war ebenfalls leicht zu erkennen. Im Gegensatz dazu war die Gruppierung der groben Follikel der historischen pflanzlich gegerbten Lederprobe verzerrt und nicht leicht zu erkennen (Abb. 2B). Darüber hinaus war die Oberfläche der historischen Lederprobe grob und inhomogen. Es war klar, dass die Oberfläche der historischen Probe im Vergleich zur Kontrolle eine Verschlechterung aufwies. Diese Verschlechterungssymptome können auf die Einwirkung von Mikroben, die Umweltbedingungen oder den Umgang von Besuchern oder Arbeitern mit dem Manuskript zurückgeführt werden, was in einigen Bereichen zur Zerstörung der Oberfläche führt25. In der aktuellen Studie wurde auch das Eindringen, die Ansammlung und das Anhaften von Staub an den Lederfasern beobachtet, was zum Verschwinden des Narbenmusters in einem großen Bereich der Oberfläche führte. Ebsen et al. erwähnt, dass die Verschlechterung historischer Lederoberflächen auf die Auswirkungen von Bodeninhalten während der Ablagerung in der Grabumgebung, der Handhabung während der Lebensdauer und nach der Ausgrabung zurückzuführen sein könnte; Schmutz; Falten usw.26. Sie sagten auch, dass der Grad der Oberflächenverschlechterung die Identifizierung von Tierarten aufgrund des Verlusts der Merkmale des Kornoberflächenmusters verhindern kann.

A ist eine Lederprobe (Kontrolle), B ist das historische Leder, C ist Whatman Nr. 1 (Kontrolle) und D ist das historische Papier. Die Pfeile beziehen sich auf mikrobielles Wachstum.

Andererseits zeigte Abb. 2C, dass es sich bei den Whatman-Fasern um verdrehte, gewundene, bandartige Strukturen mit einer etwas gefurchten Oberfläche handelt, die sich zufällig überlappen und als stark und breit erscheinen. Diese Merkmale gelten, wie bereits erwähnt27, hauptsächlich für Baumwollfasern. Durch den Vergleich der Fasern historischer Papiere mit der Kontrolle kann geschlossen werden, dass es sich um identische Fasern mit Baumwollfasern handelt (Abb. 2D). Wie bereits berichtet, wurde auch das Vorhandensein von mikrobiellem Wachstum beobachtet, das zwischen den Baumwollfasern in Form kurzer Stäbchen (Bakterien) oder kugelförmiger Form (Pilzwachstum) verteilt ist28. Darüber hinaus gingen in einigen Bereichen einige Merkmale der Faserstruktur der Baumwollfasern in den historischen Papieren verloren. Dies liegt möglicherweise an der unsachgemäßen Handhabung der Papierseiten beim Lesen. Es wurde auch festgestellt, dass die Breite jeder Faser geringer war als die Breite der Kontrollfaserprobe. Auch die Schwäche der Fasern fiel auf. Auch die Oberfläche des Papiers zeigt, dass das Manuskript starke Schäden aufweist, die möglicherweise auf eine schlechte Lagerung zurückzuführen sind.

Die ATR-FTIR-Analyse wurde zu einem wichtigen Instrument im Naturschutzbereich. Es enthielt weitere Einzelheiten zur chemischen Stabilität von Papierbestandteilen. Die Veränderungen in der chemischen Struktur des historischen Papiers im Vergleich zu den Baumwollfasern (Whatman-Papier) können mithilfe der Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR) identifiziert werden. FTIR wurde verwendet, um die funktionellen Gruppen des untersuchten Materials zu identifizieren, was durch die Intensität der Spitzenabsorption29 angezeigt wird.

Wie gezeigt, ist das Kollagen in Kontroll- und historischen Lederproben bei der Wellenzahl 3294 und 2921 cm−1 für die Kontrollprobe und der Bande bei 3276 cm−1 und der Bande bei 2921 cm−1 für das historische pflanzlich gegerbte Leder charakterisiert ( Abb. 3A). Die genannten Banden beziehen sich auf Amid A und Amid B, die mit der Streckung von Peptid-NH-Gruppen verbunden sind, die an der Wasserstoffbrückenbindung zwischen Ketten beteiligt sind. Die Absorptionsintensität an den genannten Banden war ungefähr gleich. Die Amid-I-Bande erschien bei 1633 cm−1 für die pflanzlich gegerbte Lederprobe (Kontrolle) und bei 1631 cm−1 für die historische Lederprobe. Die Absorptionsintensität für die Kontroll- und historischen Proben war ungefähr gleich (0,089). Das Amid I in der oben erwähnten Bande wird hauptsächlich durch die Streckschwingungen der Peptidcarbonylgruppe (C=O) verursacht, die schwach mit der CN-Streckung und der NH-Biegung gekoppelt sind30. Es reagiert empfindlich auf die lokale Ordnung und seine genaue Position wird durch die Konformation des Rückgrats und das Wasserstoffbrückenbindungsmuster innerhalb des Proteinmoleküls bestimmt. Die Amid-II-Bande bei 1546 und 1543 cm−1 für die Kontrollprobe bzw. die historische Probe aus pflanzlich gegerbtem Leder war mit der NH-Biegung und der CN-Streckschwingung verbunden. Die Intensität der letzten beiden Banden war ungefähr gleich. Die Amid-III-Banden bei 1237 und 1238 cm−1 für die Kontrollprobe und die historischen Proben waren mit der NH-Biegung in der Ebene und der CH2-Schwingungsvibration des Glycin-Rückgrats und der Prolin-Seitenkette verbunden. Die Intensität der Amid-III-Banden war ungefähr gleich. Die Ergebnisse zeigten, dass sich die Kollagenbänder von historischem pflanzlich gegerbtem Leder im Vergleich zu pflanzlich gegerbtem Leder (Kontrolle) zu einem niedrigeren Wert verschoben. Dies kann auf die Oxidation des Hydrolyseprozesses zurückzuführen sein, die auf eine Kombination von Verschlechterungsfaktoren in den Umgebungsbedingungen (physikalische, chemische und biologische Faktoren) zurückzuführen ist, wie oben erwähnt.

A ist das ART-FTIR von historischem und Kontrollleder, B ist das ART-FTIR von historischem Papier und Whatman-Papier (Kontrolle).

Andererseits wurde der signifikante Unterschied zwischen dem Whatman-Papier (Kontrollprobe) und der historischen Probe gezeigt (Abb. 3B). Das Zellulosepapier erschien im Wellenzahlbereich von 3000–3700 cm−1. Die unterschiedlichen Bereiche der Zellulosestruktur, die zu OH-Schwingungen gehören, erschienen bei der Wellenzahl bei 3332,39 und 3290,69 cm−1 für das Whatman-Papier (Kontrolle) und bei 3332,78 und 3291,21 cm−1 für die historische Papierprobe. Es wurde ein Anstieg der Wellenzahlen und der Absorptionsintensität der historischen Probe festgestellt. Die Wellenzahl im Bereich von 2700 bis 3000 cm−1 gehört zu den CH-Streckschwingungen. Die ausgeprägte CH-Bande erschien bei 2899,88 cm−1 für die Kontrollprobe und bei 2898,20 cm−1 für die historische Probe, deren Absorptionsintensität im Vergleich zur Kontrollprobe zunahm. Die Bande etwa bei 1700 cm−1 für die historische Probe weist auf die C=O-Streckschwingung der Carbonylgruppe hin, was möglicherweise auf den Oxidationsprozess der historischen Probe zurückzuführen ist. Die Banden bei 1644,62 und 1643,63 cm−1 für die Kontrollprobe und die historischen Proben bezogen sich auch auf die HOH-Verformungsschwingung und auch auf die OH-Biegeschwingung des adsorbierten Wassers in der Ebene, die in der Kontrollprobe im Vergleich zur historischen Probe breit war stärker war als die Kontrolle, deutete auf den Verlust von mehr Wasser hin. Die Banden bei den Wellenzahlen zwischen 1248 und 1580 cm−1 bezogen sich auf COH- und CH2-Biegeschwingungen. Die Absorptionsbanden bei diesen Wellenzahlen der historischen Probe nahmen im Vergleich zur Kontrolle zu. Die Ergebnisse zeigten auch, dass sich die Banden bei Wellenzahlen zwischen 900 und 1160 cm−1 auf verschiedene CO-Streckschwingungen, COC und CCO-Biegeschwingungen beziehen. Die Wellenzahlen und Absorptionsintensitäten dieser Banden stiegen in der historischen Probe im Vergleich zur Kontrollprobe.

Es gibt funktionelle Gruppen, die mit der Cellulosestruktur zusammenhängen. Die Bande bei 1427 cm−1 bezog sich auf HCH- und OCH-Biegeschwingungen in der Ebene. Die Bande bei 1360 und 1369 cm−1 für die Kontroll- und historischen Proben bezog sich auf die CH-Deformationsschwingung. Die Bande bei 897 und 896 cm−1 für Kontrollproben und historische Proben gehört zu den Deformationsmodi COC, CCO und CCH sowie zur Streckschwingung. Die Bande etwa bei 662 cm−1 bezog sich auf das C-OH des ebenen Biegemodus. Die Absorptionsintensitätsbanden bei den oben genannten Wellenzahlen waren größer als bei der Kontrolle. Man kann sagen, dass der Anstieg der Bandenintensitäten der historischen Probe auf Oxidations- und Hydrolyseprozesse der Cellulose hinweist. Die Oxidations- oder Hydrolyseprozesse können auf die Wirkung der oben genannten physikalischen und chemischen Faktoren auf das untersuchte Manuskript zurückzuführen sein. Diese Ergebnisse wurden von Munajad et al. bestätigt, die bewiesen, dass die Hitzealterung zum Verlust des adsorbierten Wassers der Zellulosefasern durch den Oxidationsprozess führen kann und dass die Verschlechterung mit der Zeit zunimmt31. Außerdem weist die Bande bei Wellenzahlen im Bereich von 1400 und 1800 cm−1 auf die Hydrolyse und Oxidation der Papierzellulose hin32.

Es ist bekannt, dass native Cellulose teilweise kristallin ist. Die Zellulosemoleküle sind in Fibrillen innerhalb der Faserzellwand angeordnet, die sowohl amorphe als auch kristalline Bereiche aufweisen33. Die in Abb. 4 dargestellten Daten zeigten, dass die Kristallinität der Whatman-Papierprobe 81,68 % betrug, während die Kristallinität der historischen Papierprobe 47,54 % betrug. Im Allgemeinen ist der Kristallinitätsgrad von Whatman hoch, da es über 95 % Cellulose enthält33. Die erhaltenen Daten zeigten eine signifikante Abnahme der Kristallinität des historischen Papiers im Vergleich zur Kontrolle. Dieser Rückgang kann auf die Wirkung verschiedener Verschlechterungsfaktoren zurückgeführt werden, wie z. B. der kontinuierliche Temperaturanstieg und die Abnahme des Feuchtigkeitsgehalts, was zur Zerstörung und Schädigung der amorphen Zellulosebereiche führt. Außerdem trägt die Anwesenheit von Mikroorganismen dazu bei, dass die Papiere zusammenbacken und Fossilien entstehen34,35. Die erhaltenen Ergebnisse stimmten mit der Aussage überein, dass die Kristallisation von Zellulose in trockener Umgebung abnahm oder wenn Wasser aus dem Zellulosematerial entfernt wurde36. Sandy et al. berichteten, dass die Kristallinität von Cellulose aufgrund zunehmender Feuchtigkeit und saurer Hydrolyse zunehmen kann33.

Röntgenbeugungsanalyse zur Ermittlung des Kristallinitätsgrades eines historischen Papiers im Vergleich zu einer Kontrolle (Whatman Nr. 1).

Die Farbveränderung des historischen Manuskripts (Ledereinband und Papiere) wurde anhand der chromatischen Skala CIELAB beurteilt (Abb. 5A, B). Wie gezeigt, betrug die Helligkeit (L*) von pflanzlich gegerbtem Leder (Kontrolle) 79,15, beim historischen Ledereinband jedoch 38,56 (Abb. 5A). Der Rückgang der Beleuchtung in der historischen Stichprobe betrug 51 %. Der a*-Wert sowohl für das Kontrollleder als auch für das historische Leder war rötlicher. Der a*-Wert der historischen Probe stieg im Vergleich zur Kontrollprobe um prozentuale 71 %. Die Ergebnisse zeigten auch, dass der b*-Wert eher gelb war. Der b*-Wert der historischen Probe stieg um 58 % gegenüber der pflanzlich gegerbten Lederprobe. Es gibt auch starke Veränderungen im Gesamtfarbunterschied der historischen Probe (48,28) im Vergleich zur Kontrolle. Die Hitze- und Alterungszeit gilt als Hauptgrund für die Änderung der Farbwerte (L-, a- und b-Werte) und des gesamten Farbunterschieds (ΔE)37,38. Der Anstieg von ΔE >3 wird, wie bereits berichtet, als sehr starke Farbänderung angesehen39. In der aktuellen Studie betrug der ΔE des Ledereinbands 48, was darauf hindeutet, dass die Zweitstudie des historischen Manuskripts unter einer starken Veränderung des gesamten Farbunterschieds litt.

A sind die Farbänderungswerte von historischem Leder im Vergleich zur Kontrolle, B sind die Farbänderungswerte von historischem Papier im Vergleich zu Whatman Nr. 1 (Kontrolle).

Die in Abb. 5B dargestellten Daten zeigten, dass die Helligkeit (L*-Wert) der Kontrollprobe (Whatman-Papier) 94,68 betrug und bei der historischen Papierprobe auf 68,9 sank. Die Reduzierung des L*-Wertes der historischen Probe betrug 27 %. Der a*-Wert der historischen Probe stieg stärker an als der der Kontrollprobe und war rötlicher. Der Anstieg der historischen Stichprobe betrug 92 im Vergleich zur Kontrollstichprobe. Der b*-Wert der Kontrollprobe betrug 3,9 und für die historische Probe 32,2. Dies deutete darauf hin, dass die historische Probe gelber war und einen um 88 % höheren Prozentsatz aufwies als die Kontrollprobe. Die Ergebnisse zeigten, dass sich der Gesamtfarbunterschied in der historischen Probe stark veränderte (39,91). Matsuo et al. bewiesen, dass die Farbveränderungen während der natürlichen Alterung hauptsächlich auf eine leichte thermische Oxidation zurückzuführen sind40. Darüber hinaus veränderte der Wärmealterungsprozess die Farbwerte und den Gesamtfarbwert der Papierartefakte, wie bereits berichtet41. Der Alterungsprozess führt zu einer Dunkelheit einer Farbe, die mit zunehmender Alterungszeit zunimmt42.

Den erhaltenen Ergebnissen zufolge betrug der für das historische Papier beobachtete Gesamtfarbunterschied (ΔE) 39,91 und dieser Wert war im Vergleich zum Kontrollpapier von Whatman zu hoch. Die Farbveränderungen könnten auf die Produktion von Pigmenten und organischen Säuren durch Pilze zurückzuführen sein. Darüber hinaus entstehen durch den mikrobiellen Befall auch mehrfarbige Flecken und weiße Beläge6. Interessanterweise haben Mohie et al. berichteten, dass die höchste Farbveränderung (ΔE) für Papier verzeichnet wurde, das mit dem Pilzstamm Aspergillus niger15 inokuliert war.

Für die Beurteilung des Erhaltungszustandes historischer Papier- und Ledereinbände war die Messung des pH-Wertes von großer Bedeutung. Es zeigt die chemische Stabilität der historischen Manuskriptbestandteile gegenüber natürlicher Alterung sowie Umwelteinflüssen an25.

Die in Abb. 6 grafisch dargestellten Ergebnisse zeigten, dass der pH-Wert der Kontrolle (Whatman-Papier) 7,5 betrug, während dieser Wert für das historische Papier auf einen sauren Wert (5,5) gesenkt wurde, was bestätigte, dass das historische Manuskript unter mehreren Verschlechterungsaspekten leidet. Der Abfall des pH-Wertes von Papier kann auf einen oder mehrere der folgenden Faktoren zurückzuführen sein43:

Konservierungsbedingungen: Die unkontrollierten Konservierungsbedingungen können den pH-Wert verändern. In der aktuellen Studie wurde das historische Manuskript unter unkontrollierten Bedingungen aufbewahrt.

Die Ausfällung von Luftschadstoffen wie SO2 und NO2 aufgrund hoher Temperaturen und hoher relativer Luftfeuchtigkeit führt zur Bildung von Säuren, die letztlich zum Abbau der Zelluloseketten führen. Die saure Hydrolysereaktion führt zum Aufspalten von Zelluloseketten in kurze Ketten und zur Bildung von Glucose. Diese Reaktion setzt sich fort und führt zur Zersetzung und Verschlechterung des Papiers.

Durch die natürliche Alterung von Zellulose können Säuren wie Ameisensäure, Milchsäure und Oxalsäure entstehen.

Der Säuregehalt von Papier kann durch die Zersetzung von Papierbestandteilen erhöht werden, insbesondere wenn es unter nicht übermäßig warmen oder feuchten Bedingungen gelagert wird.

Die pH-Werte der Papiere und des Ledereinbandes eines historischen Manuskripts im Vergleich zur Kontrolle.

Dagegen lag der pH-Wert der pflanzlich gegerbten Lederprobe bei 4,1 und bei der historischen Ledereinbandprobe bei 3,2. Es zeigte sich, dass der pH-Wert des historischen Leders stark absinkt. Die Verringerung des pH-Wertes von historischem Leder kann auf Schadstoffe in der Umgebung, auf den Herstellungsprozess des Leders durch Zugabe überschüssiger Säuren während des Gerbungsprozesses oder auf Enzyme oder Säuren zurückzuführen sein, die von Mikroorganismen produziert werden, die das Manuskript infiziert haben.

Die mit den verfallenen historischen Manuskripten (Ledereinband und Papiere) verbundenen Pilzgemeinschaften wurden isoliert. Dreizehn Pilzisolate mit der Bezeichnung AZ.1 – AZ.13 wurden aus verdorbenen gesammelten Proben isoliert und der traditionellen Identifizierung auf der Grundlage einer kulturellen und mikroskopischen Untersuchung unterzogen. Die Daten zeigten, dass die erhaltenen Isolate zur Abteilung Ascomycota gehörten. Sechs Pilzisolate (AZ.1 – AZ.6) wurden aus Ledereinbänden isoliert, während die übrigen Isolate (AZ.7 – AZ.13) aus beschädigten Papieren gewonnen wurden (Tabelle 1, Abb. 7). Die traditionelle Identifizierung zeigt, dass die Pilzisolate AZ-1, AZ.4 und AZ.11 als Aspergillus niger identifiziert wurden, während die Isolate AZ.2, AZ.3 und AZ.6 als A. quadrilineatus identifiziert wurden. Die Pilzisolate AZ.5 und AZ.7 wurden als A. fumigatus identifiziert. Die Penicillium spp. für die Isolate AZ.8 und AZ.9 aus beschädigten Papieren von P. citrinum isoliert, wohingegen die Isolate AZ.10, AZ.12 und AZ.13 als P. chrysogenium identifiziert wurden.

A ist A. niger, B ist A. fumigatus; C ist A. quadrilineatus; D ist P. citrinum und E ist P. chrysogenium. 1 ist eine Pilzkolonie; 2 ist eine umgekehrte Kolonie; 3 und 4 sind lichtstarke Mikroskope (X = 800).

Den erhaltenen Daten zufolge waren Aspergillus spp. die häufigsten Pilzarten, die mit dem historischen Manuskript in Verbindung gebracht wurden. mit Anteilen von 61,5 % der insgesamt erhaltenen Stämme, gefolgt von Penicillium spp. mit Anteilen von 38,5 %. Unter den Aspergillus-Arten waren A. niger und A. quadrilineatus zu gleichen Teilen (37,5 %) vertreten, gefolgt von A. fumigatus mit 25 %. Interessanterweise war P. chrysogenium die häufigste Penicillium-Art. aus dem historischen Manuskript mit Anteilen von 60 % (von der Gesamtzahl der Penicillium-Arten) isoliert, gefolgt von P. citrinum mit Anteilen von 40 %. Die traditionelle Pilzidentifizierung ergab, dass es sich bei allen mit der Lederbindung verbundenen Pilzstämmen um Aspergillus spp. handelte. wohingegen die häufigsten Pilzstämme, die aus beschädigten historischen Dokumenten gewonnen wurden, zu Penicillium spp. gehörten. (Tabelle 1). Im Einklang mit der aktuellen Studie wurden 20 Pilzisolate aus alten Manuskripten aus dem 19. Jahrhundert gewonnen. Diese Pilzisolate wurden einer morphologischen und kulturellen Identifizierung unterzogen, die ergab, dass die häufigsten Pilzisolate zu Aspergillus spp. gehörten. mit Anteilen von 45 %, gefolgt von Penicillium spp. mit Anteilen von 35 %, Eurotium sp. mit einem Prozentsatz von 5 % und Mycelia sterilia (bildet keine Unterscheidungsstruktur zur Identifizierung der Gattungsebene) mit einem Prozentsatz von 15 %44. Andererseits wurden die aus einem historischen Manuskript aus dem 17. Jahrhundert isolierten Pilzstämme mithilfe traditioneller Methoden identifiziert, beispielsweise A. niger und A. flavus, die mit historischen Papieren in Verbindung gebracht wurden, und A. niger, A. terreus und A. Flavus im Zusammenhang mit Bucheinbänden aus Leder45. Aus dem Ledereinband eines historischen Manuskripts aus dem 18. Jahrhundert wurden sechs Pilzisolate gewonnen und mit traditionellen Methoden identifiziert, darunter A. tamarii, A. fumigates, Cladosporium cladosporioides, Fusarium poae, Eurotium chevalieri und Wallemia sebi46. Die Pilzgemeinschaft, die mit 79 beschädigten Manuskripten aus der Bibliothek von Astan Quds, Iran, in Verbindung gebracht wurde, gehörte zu Aspergillus spp. und Penicillium spp. basierend auf morphologischen und kulturellen Merkmalen47.

Die molekulare Identifizierung basierend auf der Amplifikation und Sequenzierung von ITS-Genen wurde zur Bestätigung traditioneller Identifizierungen verwendet. Daher wählen wir aus jeder Gattung ein Isolat aus, um es mithilfe der molekularen Technik zu identifizieren. Die als AZ.4, AZ.5, AZ.6, AZ.8 und AZ.10 bezeichneten Pilzisolate bestätigten ihre Identifizierung mittels ITS-Sequenzanalyse. Die ITS-Sequenzanalyse zeigte, dass die ausgewählten Pilzisolate ähnlich waren wie A. niger (nächste Zugangsnummer: LC195003), A. fumigatus (nächste Zugangsnummer: NR121481), A. quadrilineatus (nächste Zugangsnummer: NR131289), P. citrinum ( nächste Zugangsnummer: NR121224) und P. chrysogenium (nächste Zugangsnummer: NR077145) mit Ähnlichkeitsprozentsätzen von 99,09, 99,34, 99,09, 98,77 bzw. 99,27 %. Daher wurden die fünf ausgewählten Pilzstämme als A. niger AZ.4, A. fumigatus AZ.5, A. quadrilineatus AZ.6, P. citrinum AZ.8 und P. chrysogenium AZ.10 identifiziert (Abb. 8). . Die erhaltenen Sequenzen wurden in der GenBank unter den Zugangsnummern ON527887, ON527888, ON527889, ON527890 und ON527891 für AZ.4, AZ.5, AZ.6, AZ.8 und AZ.10 hinterlegt.

Für die Analyse wurde MEGA 6 verwendet, das den Neighbor-Joining-Ansatz mit einem Bootstrap-Wert (1000 Replikate) nutzte.

Die Isolierung und Identifizierung der verschiedenen Pilzgemeinschaften in Bibliotheken, Museen und Archiven dient nicht nur der Untersuchung ihrer Rolle beim biologischen Verfall, sondern auch ihrer schwerwiegenden Auswirkungen auf die Gesundheit von Arbeitern und Besuchern. Ferrándiz-Pulido et al. berichteten, dass mehrere Pilze, die historische Dokumente besiedeln, als Quelle menschlicher Krankheiten wie Allergien, Hautinfektionen, Atemwegserkrankungen und Phäohyphomykose angesehen werden können48. Mehrere Pilzstämme der Gattungen Cladosporium, Rhizopus, Aspergillus, Penicillium und Scopulariopsis kommen in hoher Konzentration in verschiedenen Bibliotheken und Museen vor und zählen zu den Hauptquellen allergischer Atemwegsinfektionen23,49. Verschiedene Aspergillus-Stämme wie A. niger, A. flavus, A. terreus, A. ustus, A. alliaceus, A. udagawae, A. quadrilineatus und A. lentulus verursachen eine Vielzahl von Krankheiten wie Otomykose und Hautentzündungen , Endokarditis und Aspergillose50.

Pilze gelten als die wichtigsten Zersetzungsstoffe für historische Manuskripte, da sie die Fasern des Papiers besiedeln und hydrolytische Enzyme wie Cellulase, Amylase, Xylanase und Pektinase produzieren oder indem sie Säuren oder Pigmente produzieren, die bei der Zersetzung eine Rolle spielen51,52. In der Papierindustrie werden neben den organischen Bestandteilen (hauptsächlich Zellulose) auch andere Zusatzstoffe wie Proteine, Polysaccharide, Gelatine, Stärkemehl und verschiedene synthetische Verbindungen verwendet, um die Ausbreitung der Tinte zu verringern und die Verbindung zwischen den Fasern zu erhöhen53. Pilze können organische Materialien sowie andere Zusatzstoffe zersetzen, indem sie extrazelluläre hydrolytische Enzyme absondern, wodurch letztendlich die Struktur dieser Materialien geschwächt und verändert wird54. In der aktuellen Studie wurde die Aktivität kultivierbarer Pilzstämme zur Sekretion verschiedener hydrolytischer Enzyme, einschließlich Cellulase, Amylase, Pektinase und Gelatinase, untersucht. Die Datenanalyse ergab, dass die dreizehn Pilzstämme die Fähigkeit haben, Cellulase, Amylase und Gelatinase in unterschiedlichem Ausmaß freizusetzen, wohingegen der Pilzstamm A. niger AZ.6 (isoliert aus Ledereinbänden) und andere aus historischen Arbeiten isolierte Pilzstämme über die Fähigkeit verfügen, Cellulase, Amylase und Gelatinase in unterschiedlichem Ausmaß freizusetzen Fähigkeit, das Enzym Pektinase abzusondern (Abb. 9). Die Datenanalyse ergab, dass die höchste Cellulaseaktivität für den Pilzstamm AZ.13 mit einer Hemmzone von 33,3 ± 1,2 mm verzeichnet wurde, gefolgt von den Pilzstämmen AZ.10, AZ.11 und AZ.12 mit Hemmzonen von 19,0 ± 3,6 und 18,0 ± 3,4 bzw. 21,3 ± 4,6 mm (Abb. 9A). Interessanterweise war die Cellulaseaktivität zwischen den Pilzstämmen AZ.1–AZ.8 nicht signifikant (p < 0,001), wobei die Hemmzonen zwischen 7,3 ± 1,5 mm und 9,7 ± 1,6 mm lagen. In unseren jüngsten Studien wurden P. chrysogenium und A. niger aus einem historischen Manuskript aus dem 17. und 18. Jahrhundert isoliert und als die höchsten Cellulaseproduzenten ausgewählt23,55. Von 31 Pilzstämmen, die aus einem historischen Manuskript aus Medina von Fes isoliert wurden, zeigten nur neun Pilzstämme Cellulaseaktivität51. Nach der Besiedlung von Papier durch Pilze dringen die Hyphen in die Papierfasern ein und verursachen neben der Ansammlung von Pilzstoffwechselprodukten in den Fasern auch physikalische Veränderungen9.

A ist das Cellulase-Enzym, B ist das Amylase-Enzym, C ist das Gelatinase-Enzym und D ist das Pektinase-Enzym.

Die Varianzanalyse ergab, dass die höchste Amylaseaktivität für die Pilzstämme AZ.12 und AZ.13 mit freien Zonen von 22,3 ± 1,5 bzw. 21,7 ± 2,5 mm verzeichnet wurde, gefolgt von den Pilzstämmen AZ.7 und AZ.9 mit freien Zonen von 10,0 ± 4,4 bzw. 13,3 ± 1,2 mm (Abb. 9B). Darüber hinaus haben alle Pilzstämme die Aktivität, Gelatinaseenzyme abzusondern, wobei die höchsten klaren Zonen bei 20,0 ± 1,0 und 19,0 ± 1,7 mm bei den Pilzstämmen AZ.8 bzw. AZ.9 liegen (Abb. 9C). Leider weisen die Pilzstämme AZ-1 bis AZ.5 keine Pektinaseaktivität auf, wohingegen die Pilzisolate AZ.10 und AZ.11 mit klaren Zonen von 25,0 ± 1,7 bzw. 25,0 ± 2,6 die höchsten Pektinaseproduzenten waren (Abb . 9D).

Diese hydrolytischen Enzyme bauen Makromoleküle in kleine Einheiten ab, beispielsweise Cellulase- und Amylase-Enzyme, die Cellulose und Stärke in Glucosemonomere abbauen. Pektinase und Gelatinase haben die Fähigkeit, verschiedene Proteine ​​wie Fibroin, Kollagen und Keratin abzubauen, die jeweils in die Seiden-, Woll- und Pergamentindustrie gelangen56. Die erhaltenen Ergebnisse deuten auf die Aktivität von Pilzstämmen hin, die mit einem historischen Manuskript (Ledereinband und Papier) in Verbindung stehen, bei der Produktion einer breiten Palette von Enzymen, was wichtig ist, um die Rolle dieser Stämme beim biologischen Abbau des untersuchten Manuskripts zu verstehen. Unter angemessenen klimatischen Bedingungen, insbesondere relativer Luftfeuchtigkeit und Temperatur, befällt die Pilzart die Oberflächen archäologischer Manuskripte und wächst und die Vermehrung mit hoher Geschwindigkeit ermöglicht es ihren Bestandteilen, in Zellulosefasern einzudringen und diese in die zusammengebackene Form umzuwandeln5,28. In der aktuellen Studie förderten die Klimabedingungen (60 % relative Luftfeuchtigkeit und die Temperatur nicht über 27 °C) das Wachstum und die Anpassung von Pilzen und es war ein geeigneter Lebensraum für die Sekretion verschiedener aktiver Metaboliten wie Enzyme und Säuren, wie bereits berichtet51. Neben der Wirksamkeit isolierter Pilzstämme bei der Produktion einer Vielzahl von Enzymen zeichnet sie sich, wie bereits berichtet, durch ihre Fähigkeit zur Sekretion saurer Metaboliten aus. Diese sauren Sekrete sind für die saure Hydrolyse historischer Papiere verantwortlich. In Konservierungsstätten wie Museen und Bibliotheken kommt es aufgrund des Eindringens von Pilzhyphen zu erheblichen Verlusten durch enzymatischen Abbau, Säurekorrosion und mechanischen Abbau57. Papiere und ihre Bestandteile gelten als geeignete Kohlenstoffquellen für das Wachstum verschiedener Pilze mit der Möglichkeit einer Pigmentsekretion, insbesondere bei unkontrollierten Umgebungsbedingungen (relative Luftfeuchtigkeit und Temperatur). Diese Pigmente können die Pilzsporen bedecken oder sie auf der Papieroberfläche freisetzen, was zu Verfärbungen führt58. Borrego et al. berichteten, dass die Pilzstämme A. terreus, A. niger, A. versicolor, A. ustus, Cladosporium sp., P. commune, P. chrysogenum und P. citrinum den pH-Wert durch Sekretion wirksam auf bis zu 4 senken können saurer Metaboliten13.

Der durch verschiedene Pilzstämme verursachte biologische Abbau kann vier Stufen durchlaufen: Kontamination, Keimung, Entwicklung und Abbau der Materialien59. Die Kontamination kann aus der Luft, durch Kontakt mit kontaminierten Materialien, durch Übertragung durch Vektoren wie Arthropoden oder durch Hyphenfragmente entstehen, die keimen und eine Kolonie bilden können60. Unter geeigneten Wachstumsbedingungen können die Hyphen keimen und sich zu reifen Stämmen entwickeln, die Metaboliten produzieren, die den biologischen Abbau fördern. Als Folge dieser Verschlechterungen geht die mechanische Festigkeit des Papiers verloren oder wird geschwächt. Außerdem können ästhetische Veränderungen durch die Sekretion von Pigmenten verursacht werden, was zu Materialverlusten, Lesbarkeitsschwierigkeiten und Informationsverlusten führt. Diese Studie empfiehlt die Notwendigkeit, das untersuchte Manuskript von seinem derzeit in schlechtem Zustand befindlichen Ort an einen anderen kontrollierten Ort aus konservatorischer Sicht (Kontrolle von Temperatur, relativer Luftfeuchtigkeit, Licht, Luftverschmutzung, Mikroorganismen usw.) zu verlegen. Kontrollieren Sie in regelmäßigen Abständen Reserveräume und Manuskripte. Schulen Sie das Personal darin, Reserveräume und Manuskripte regelmäßig auf Schimmel, Staub, Insekten und Nagetiere zu untersuchen. Die Studie empfiehlt außerdem die Notwendigkeit, verschiedene Behandlungsprozesse für das Manuskript durchzuführen, wie z. B. Entsäuerung, Desinfektion, Konsolidierung usw., bevor das Manuskript in seine kontrollierte Umgebung überführt wird.

Das historische Manuskript mit dem Namen „Kashf al-Ramz 'an Khabaya al-Kanz“ aus dem Jahr 1074 n. Chr., 1663 n. Chr. und in der Al-Azhar-Bibliothek in Kairo, Ägypten, aufbewahrt, wurde zur Isolierung von Pilzstämmen ausgewählt. Dieses historische Manuskript wurde in arabischer Sprache mit Kohletinte verfasst und enthält zwei Bände, jeder hat eine Größe (cm3) von 32 × 20 x 8 (Länge x Breite x Höhe) und besteht aus 570 Papierblättern mit einem braunen Ledereinband vergoldete geometrische Verzierung in der Mitte und an den Ecken. Der zweite Band wurde für die aktuelle Studie ausgewählt, da dort starke Verschlechterungsaspekte vorhanden waren. Die Aufbewahrungsbedingungen waren wie folgt: Temperatur 27 °C; relative Luftfeuchtigkeit, 60 %; und das Manuskript wurde auf Eisenregalen oder Eisenschränken aufbewahrt, die fest verschlossen waren und keine Klimaanlage hatten. Daher ist die Belüftung im Denkmalschutzgebiet schlecht. Die Verschlechterungsaspekte wurden bei den Ledereinbänden und den Papierbögen beobachtet. Man kann sagen, dass das für die aktuelle Studie ausgewählte Manuskript aufgrund der oben genannten Konservierungsbedingungen anfällig für Pilzbefall war. Darüber hinaus wurde dieses Manuskript, bevor es an seinen heutigen Aufbewahrungsort gelangte, in der historischen Al-Azhar-Bibliothek in der Al-Azhar-Moschee aufbewahrt. Der Inhalt dieser Bibliothek war rauen Umwelteinflüssen ausgesetzt, die das Auftreten vieler Schädigungsaspekte, insbesondere Pilzbefall, verstärkten. Zu diesen Faktoren gehörten die schlechte Hygiene der Wände der Al-Azhar-Bibliothek in der Nähe der Al-Azhar-Moschee, der hohe Grundwasserspiegel, die schlechte Belüftung aufgrund der Lagerung in unkontrollierten geschlossenen Räumen, die schlechte Handhabung durch die Forscher und die hohen Temperaturen Luftfeuchtigkeit und Luftverschmutzung im Al-Azhar-Gebiet. Alle vorangegangenen Faktoren wirkten sich negativ auf die Qualität des Manuskripts aus, bevor es in die aktuelle Bibliothek überführt wurde.

Whatman-Papier Nr. 1 (24 cm Durchmesser), hergestellt von Whatman Company in England, wurde als Vergleich zum Vergleich mit historischem Papier verwendet. Das Hauptziel besteht darin, zu beurteilen, ob der Vergleich Muster in Bezug auf verschiedene Merkmale zwischen den Kontrollproben und den archäologischen Proben veranschaulicht. Ein zylindrischer Radius ca. (12 cm) wurde nach Abdel-Nasser et al.43 hergestellt.

Pflanzlich gegerbte (Mimosa) Ziegenlederproben wurden nach Abdel-Maksoud12 hergestellt. Die pflanzlich gegerbten Lederproben dienten als Kontrolle und wurden mit dem Ledereinband des historischen Manuskripts verglichen, um die Unterschiede zwischen den Eigenschaften der beiden unter unterschiedlichen Bedingungen erhaltenen Proben aufzuzeigen.

Die visuelle Beurteilung mit bloßem Auge und unter Verwendung einer Digitalkamera (Samsung-Kamera 38 MP, f/2,2-Objektivschlitz) ist ein wichtiger Schritt zur Beschreibung der Verschlechterungsaspekte des untersuchten historischen Manuskripts (Papier- und Ledereinband)25,61,62.

Die Untersuchung der Oberflächenmorphologie historischer Papier- und Ledereinbände erfolgte mittels REM (Quanta 3D 200i, hergestellt von FEI, beschleunigte Spannung von 20,00 kV und einem Vergrößerungsbereich von 250 bis 2000X)63. Die SEM-Analyse wurde im Grand Egyptian Museum – Conservation Center (GEM.CC), Kairo, Ägypten, durchgeführt.

Die FT-IR-Analyse wurde durchgeführt, um die chemische Veränderung im historischen Leder und Papier im Vergleich zu Kontrollproben zu untersuchen64. Die Leder- und Papierproben wurden mithilfe von abgeschwächten Totalreflexions-Fourier-Transformations-Infrarotspektren (ATR-FTIR) auf einer Bruker Vertex 70 Platinum ATR-Skala mit Kristalldiamanten im Bereich von 4000–400 cm−1 und Auflösung 4 bei der Archäologischen Forschung und Konservierung analysiert Zentrum – Oberster Rat für Altertümer – Ministerium für Tourismus und Altertümer, Ägypten.

Die Cellulosekristallinität von historischem Papier im Vergleich zur Kontrolle (Whatman Nr. 1) wurde mittels XRD-Analyse gemessen (Panalytical X, Pert pro-PW 3040/60 – Scanachse: Gonio – Anodenmaterial: Cu – Generatoreinstellungen: 40 mA, 45 kV - Goniometerradius: 240 mm) im Grand Egyptian Museum – Conservation Center (GEM.CC), Ägypten. Der Kristallinitätsindex wurde nach folgender Gleichung65 berechnet:

Dabei ist ICrys der Kristallisationsindex, I002 die Intensität bei einem 2θ-Wert von 22,6° und Iam die Intensität bei einem 2θ-Wert von 19°.

Die Farbveränderungs- und Gesamtfarbdifferenzwerte historischer Leder- und Papierproben wurden mit dem CIELAB-System (tragbares Spektrophotometer von Hunter Lab-Reston Virginia USA) analysiert. Das CIE-System verfügt über einen Kanal zur Erkennung des Helligkeitswerts (L*) und zwei Kanäle, einen zur Messung des Farbwechsels von Rot nach Grün (a*) und einen zweiten zur Messung des Farbwechsels von Gelb nach Blau (b*). Der Gesamtfarbunterschied (DE) wurde gemäß der folgenden Gleichung66,67 gemessen:

Die pH-Werte des historischen Leders im Vergleich zu Kontrollproben wurden nach Wouters et al.68 mit geringfügiger Modifikation bestimmt. Die Lederproben wurden ca. 6 Stunden lang in entionisiertem Wasser eingeweicht. um den Ionen den Übergang in die Lösung zu ermöglichen und anschließend die pH-Werte mit den wasserfesten pH-Testern AD11 und AD12 zu messen. Die Kalibrierung der Tester lag zwischen 2 und 7, bei 21–22 °C. Darüber hinaus wurden die pH-Werte von historischem Papier im Vergleich zur Kontrolle (Whatman Nr. 1) mithilfe einer Adwa AD 1030 pH/mV- und Temperaturskala mit einer flachen Elektrode ausgewertet. Die pH-Messungen wurden durchgeführt, indem die flache Elektrode auf der Oberfläche von Papierproben platziert wurde69.

Die verschiedenen Pilzarten, die das historische Manuskript bewohnen, wurden isoliert, indem entweder sterilisierte Wattestäbchen verwendet wurden, die fest auf den beschädigten Teil gedrückt wurden, oder indem beschädigte Fragmente gesammelt wurden. Entweder gesammelte Abstriche oder Fragmente wurden in das Czapeck Yeast Extract Broth (CYB)-Medium (enthaltend g L−1: Saccharose, 30; NaNO3, 2; KH2PO4, 1; KCl, 0,5; MgSO4.7H2O, 0,5; FeSO4.7H2O, 0,002; Hefeextrakt, 5; destilliertes H2O, 1 L), ergänzt mit 500 mg L–1 Chloramphenicol (zur Unterdrückung des Bakterienwachstums) und unter Schüttelbedingungen (150 U/min) bei 27 ± 2 °C für 48 Stunden70 inkubiert. Der Zweck dieses Schritts besteht darin, das Pilzwachstum zu fördern, das das historische Papier bevölkert, bevor es in festen Medien wächst. Am Ende der Inkubationszeit wurden etwa 100 µL des zuvor inokulierten Anreicherungsbrühemediums mit einem sterilisierten Glasspatel auf einer Czapeck-Hefeextrakt-Agarplatte (CYA) ausgestrichen und bei 27 ± 2 °C inkubiert. Die beimpften Platten wurden täglich überprüft, um das Pilzwachstum zu beobachten, das zur weiteren Reinigung erneut in eine neue Platte überimpft wurde. Anschließend wurden die gesammelten gereinigten Pilzarten in ein CYA-Schräggefäß geimpft und zur weiteren Untersuchung im Kühlschrank aufbewahrt.

Die gesammelten Pilzarten wurden einer primären Identifizierung auf der Grundlage der kulturellen und mikroskopischen Untersuchung gemäß Standardschlüsseln für Aspergillus spp.71,72 und Penicillium spp.73,74 unterzogen. Die molekulare Identifizierung basierend auf der Amplifikation und Sequenzierung des ITS-Gens wurde durchgeführt, um die primäre Identifizierung zu bestätigen. Die genomische DNA des Pilzes wurde basierend auf dem Gene Jet Plant Genomic DNA Purification Kit (Thermo)-Protokoll extrahiert. Die ITS-Genregion wurde mittels PCR (Polymerasekettenreaktion) mit extrahierter DNA als Matrize und ITS-Primern [ITS1 (5ʹ-TCCGTAGGTGAACCTGCGG-3ʹ) und ITS3 (5ʹ-TCCTCCGCTTATTGATATGC-3ʹ)] amplifiziert.75 Die PCR-Mischung (50 μl) enthielt Maxima Hot Start PCR Master Mix (Thermo), 0,5 μM jedes Primers und 1 μl extrahierte genomische DNA. Das PCR-Protokoll wurde unter Verwendung eines DNA Engine Thermal Cycler von Sigma Scientific Services Company (Kairo, Ägypten) unter den folgenden Bedingungen durchgeführt: 94 °C für 3 Minuten, gefolgt von 30 Zyklen von 94 °C für eine halbe Minute, 55 °C für eine Minute Eine halbe Minute lang und 1 Minute lang bei 72 °C, gefolgt von einer abschließenden Verlängerung, die 10 Minuten lang bei 72 °C durchgeführt wurde. Die kommerzielle Sequenzierung wurde mit dem DNA-Sequenziergerät ABI 3730 × 1 der GATC Company (Deutschland) durchgeführt. Die erhaltene ITS-Sequenz wurde mit den in der GenBank-Datenbank hinterlegten Sequenzen mithilfe des NCBI BLAST-Programms verglichen und der phylogenetische Baum wurde durch Bootstrap-Analyse (1000 Wiederholungen) erstellt.

Die Wirksamkeit der erhaltenen Pilzstämme bei der Produktion verschiedener extrazellulärer Enzyme, einschließlich Amylase, Pektinase, Cellulase und Gelatinase, wurde bewertet. Jeder gereinigte Pilzstamm wurde in Mineralsalz-Agar-Medien (MSA) (enthaltend g L–1: KCl, 5; NaNO3, 6; MgSO4.7H2O, 0,5; KH2PO4, 1,5; ZnSO4, 0,01; FeSO4, 0,01; Agar, 15) inokuliert , Dis. H2O, 1 L), ergänzt mit einem spezifischen Substrat. Die Ergebnisse wurden als Durchmesser einer klaren Zone (mm) aufgezeichnet, der durch Subtrahieren des Durchmessers des Pilzwachstums vom Durchmesser aller klaren Zonen berechnet wird. Die Aktivität der Enzyme Amylase, Pektinase, Cellulase und Gelatinase wurde durch Inokulation des Pilzstamms auf das MSA-Medium, ergänzt mit 1 % löslicher Stärke, Pektin, Carboxymethylcellulose bzw. Gelatine, und Inkubation für 96 Stunden bei 25 ± 2 °C geschätzt.

Die Ergebnisse wurden aufgezeichnet, nachdem die beimpften Platten mit Jodlösung geflutet wurden, um die Aktivität von Amylase, Pektinase und Cellulase76,77 zu untersuchen, während das saure Quecksilberchlorid zur Untersuchung der Gelatinaseaktivität78 verwendet wurde. Das Experiment wurde dreifach durchgeführt.

Alle erhaltenen Daten werden als Mittelwerte von drei unabhängigen Replikaten dargestellt. Darüber hinaus wurden die gesammelten Daten mithilfe der ANOVA-Analyse mit dem Statistikpaket SPSS v17 analysiert. Der mittlere Differenzvergleich zwischen den Behandlungen wurde mit dem Tukey-HSD-Test bei P < 0,05 analysiert.

Die in diesem Artikel dargestellten Daten stehen den Autoren auf Anfrage zur Verfügung.

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Die Autoren danken der Abteilung für Botanik und Mikrobiologie, Fakultät für Naturwissenschaften, Al-Azhar-Universität, Kairo, Ägypten; Abteilung für Manuskriptkonservierung, Al-Azhar Al-Sharif-Bibliothek, Kairo, Ägypten; Abteilung für Denkmalpflege, Fakultät für Archäologie, Universität Kairo, Gizeh, Ägypten, für die großartige Zusammenarbeit und Unterstützung bei der Verwirklichung und Veröffentlichung dieser Forschungsarbeit.

Open-Access-Finanzierung durch die Science, Technology & Innovation Funding Authority (STDF) in Zusammenarbeit mit der Egyptian Knowledge Bank (EKB).

Abteilung für Botanik und Mikrobiologie, Fakultät für Naturwissenschaften, Al-Azhar-Universität, Nasr City, Kairo, 11884, Ägypten

Amr Fouda, Ahmed Mohamed Aly Khalil und Saad El-Din Hassan

Abteilung für Manuskriptkonservierung, Al-Azhar Al-Sharif-Bibliothek, Kairo, Ägypten

Mahmoud Abdel-Nasser

Abteilung für Naturschutz, Fakultät für Archäologie, Universität Kairo, PO 12613, Gizeh, Ägypten

Gomaa Abdel-Maksoud

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Korrespondenz mit Amr Fouda oder Gomaa Abdel-Maksoud.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen

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Nachdrucke und Genehmigungen

Fouda, A., Abdel-Nasser, M., Khalil, AMA et al. Untersuchen Sie die Rolle von Pilzgemeinschaften, die mit einem historischen Manuskript aus dem 17. Jahrhundert in Zusammenhang stehen, beim biologischen Abbau. npj Mater Degrad 6, 88 (2022). https://doi.org/10.1038/s41529-022-00296-4

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Eingegangen: 26. Mai 2022

Angenommen: 12. Oktober 2022

Veröffentlicht: 08. November 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41529-022-00296-4

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