Часть третья

БИОЛОГИЧЕСКИЕ ПОВРЕЖДЕНИЯ ЖИВОПИСИ И МЕТОДЫ ИХ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ

Проблема биоповреждений различных материалов затрагивает и об­ласть изобразительного искусства, причем причиняемый здесь ущерб не поддается экономическому учету, так как нередко имеет следствием значи­тельные повреждения, а иногда и утрату произведений высокой художе­ственной ценности.

Систематическое изучение проблемы биоповреждений музейных объ­ектов ведется по трем основным направлениям — это изучение вредящих организмов, разработка мер борьбы с ними и профилактика заражения. К настоящему времени в этой области накоплен значительный материал. В частности, работами советских биологов, занятых в области хранения и реставрации художественных ценностей, доказана большая роль разно­образных видов сапротрофных мицелиальных грибов (микромицетов) в повреждении произведений настенной и станковой живописи различных техник. Другими группами микроорганизмов, разрушающих произведения живописи, в первую очередь настенной, являются бактерии и водоросли. Существенный вред произведениям станковой живописи причиняют насе­комые.

I. Бактерии

Общая характеристика бактерий. Бактерии — наиболее обширная и широко распространенная в природе группа микроскопических орга­низмов, относящаяся к прокариотам. Характерной особенностью прокари­отов является отсутствие оформленного ядра. Это в основном однокле­точные микроорганизмы, но встречаются также нитевидные мицелиальные и колониальные формы.

Бактерии — вездесущие обитатели влажных мест. Особенно много их в почве, где всегда имеются необходимые для их жизнедеятельности пита­тельные вещества и влага и где они могут длительное время сохранять жизнеспособность. Имеются бактерии и в воздухе, где из-за недостатка питательных веществ и влаги, а также действия ультрафиолетовых лучей они практически не размножаются, а попадают в него с пылью, атмосфер­ными осадками, а также переносятся насекомыми.

Бактерии занимают ведущее место среди микроорганизмов по числен­ности и разнообразию осуществляемых химических превращений. Одни виды превращают сложнейшие органические вещества в простые мине­ральные соединения, другие могут получать энергию путем окисления различных неорганических соединений или элементов, многие группы бакте­рий способны расти при отсутствии воздуха (в анаэробных условиях), а некоторые — фиксировать молекулярный азот.

Морфология клеток бактерий. В микробиологической практике для изучения клеток бактерий обычно используют световой микроскоп, предел

разрешения которого приближается к 0,2 мкм. Однако многие бактерии, размеры которых лежат в пределах разрешающей способности микроско­па, мало отличаются по плотности от окружающей среды. Чтобы сделать объект более контрастным, прибегают к окрашиванию клеток либо приме­няют фазово-контрастное устройство. Окрашивание препарата дает хоро­шие результаты, но в большинстве случаев приводит к гибели бактерий или может изменить внешний вид клеток и нарушить их структуру. Фазово-контрастное устройство не изменяет разрешающей способности микроско­па, но, повышая контрастность рассматриваемых объектов, позволяет наблюдать бактерии в живом состоянии.

Значительный эффект для изучения бактерий дает использование электронных микроскопов, современные конструкции которых позволяют видеть структуру объектов размером всего лишь в несколько десятков ангстрем.

Линейные размеры бактерий в среднем лежат в пределах 0,5—3,0 мкм, хотя крупные бактерии (например, отдельные виды родов 8рт11ит, ГЫ-05р1гП1ит, Вед§1а1оа) иногда достигают в длину 40—60 мкм, а длина клетки спирохеты может доходить до 500 мкм. Самые мелкие из известных бактериальных клеток — организмы, принадлежащие к группе микоплазм (диаметр клеток 0,12—0,15 мкм), сопоставимы по своим размерам с наибо­лее крупными вирусами.

Малые размеры бактерий определяют некоторые особенности их обмена веществ. У бактерий очень велико отношение поверхности к объему, что создает благоприятные условия для активного обмена между клеткой и окружающей средой. Скорость их роста намного выше, чем у большин­ства эукариотных микроорганизмов (грибов и водорослей), что создает бактериям решающее биологическое преимущество во многих ситуациях, когда они конкурируют за питательные вещества с микроскопическими эукариотами. Малые размеры бактериальных клеток имеют также экологи­ческое значение: бактерии легко переносятся с потоками воздуха, проника­ют в трещины, щели, поры, а разнообразие физиологических свойств обеспечивает им возможность существования практически в любых место­обитаниях. Бактерии относятся к космополитам — одни и те же виды можно найти повсеместно.

Большинство бактерий — одноклеточные организмы, размножение которых осуществляется путем их роста и деления (обычно пополам, но иногда на неравные части) или почкования. Многие виды бактерий облада­ют жгутиками, что позволяет им активно передвигаться в разных средах. За немногими исключениями, клетки бактерий находятся внутри жесткой или полужесткой клеточной стенки, обеспечивающей постоянство формы. Клетки подавляющего большинства бактерий имеют форму сферы, ци­линдра или спирали. Они бывают одиночными, образуют пары или цепочки. Бактерии сферической формы, называемые кокками, после деления могут не расходиться. При этом в зависимости от направления плоскости деления и от числа делений возникают различные формы (рис. 91 а—е). Бактерии, имеющие форму цилиндра (палочковидные), значительно различаются по величине отношения длины клетки к ее диаметру (рис. 91 ж). У коротких палочек длина лишь ненамного превышает диаметр клетки, из-за чего иногда довольно трудно отличить их от кокков. Клетки спиральной фор­мы— спириллы — различаются числом витков (рис. 91 з). Изогнутые палочки называют вибрионами (рис. 91 и).

Среди бактерий есть организмы, отличающиеся от описанных выше основных форм. Бактерии рода М1сгосус1и8, представляющие собой изо­гнутые палочки, перед делением образуют кольца с внешним диаметром 1,5—10,0 мкм, замкнутые или разомкнутые в зависимости от стадии роста

(рис. 91 к). Такие клетки называют тороидами. У бактерий, в основном размножающихся почкованием (рис. 91 л), описано образование клеточ­ных выростов (простек). Из природных субстратов выделены бактерии, напоминающие по виду шестиугольную звезду (рис. 91 м), а также клетки, имеющие форму многогранников. Описаны бактерии с квадратной формой клеток (рис. 91 н). Для некоторых групп характерно слабое (пропионовые бактерии, микобактерии) или хорошо выраженное (актиномицеты) ветвление.

Бактериям свойственна морфологическая изменчивость. Например, клетки бактерий рода Аг{НгоЬас1ег в зависимости от условий на протяже­нии роста могут претерпевать заметные изменения; они могут иметь форму кокков и палочек (прямых, изогнутых, искривленных, клиновидных и була­вовидных) ; часть палочек может быть расположена под углом друг к другу, образуя У-образные фигуры, часто встречаются и более сложные сочетания.

Многие бактерии способны образовывать покоящиеся формы (эндос­поры, артроспоры, цисты), помогающие им в течение длительного времени переживать неблагоприятные изменения окружающей среды и переходить в активные вегетативные формы при попадании в подходящие для этого условия. Эндоспоры, образуемые бактериями родов ВасШиз, С1о5т.пс1шт, Зрогозагста и некоторых других, являются наиболее устойчивыми к высо­кой температуре, ультрафиолетовому излучению, ионизирующей радиации, воздействию различных токсических веществ и другим неблагоприятным факторам. В сухом состоянии споры некоторых бацилл погибают лишь после их прогревания при 165 °С в течение 2 часов. Длительное время бактериальные эндоспоры могут находиться в сухом состоянии, сохраняя способность к прорастанию: жизнеспособные споры были выделены из трупов мамонтов, египетских мумий, возраст которых исчисляется тысяче­летиями.

Классификация бактерий. Сравнительно слабо выраженная морфоло­гия бактерий, а также большая вариабельность морфологических призна­ков в пределах одной культуры бактерий не позволяет установить вид бактерии на основании наиболее легко определяемых морфологических признаков. Для идентификации бактерий используют совокупность при­знаков — морфологических (форма клеток, размеры, наличие или отсут­ствие жгутиков, капсулы, способность к спорообразованию, особенности внутриклеточных структур, окрашивание по Граму и др.), культуральных (характер роста на искусственных питательных средах разного состава), физиолого-биохимических (способы получения энергии, потребности в пи­тательных веществах, образование некоторых биологически активных веществ, например антибиотиков, токсинов, ферментов, отношение к фак­торам внешней среды, нуклеотидный состав и последовательность нуклео-тидов в молекуле ДНК, последовательность аминокислот в функциональ­но сходных ферментных белках).

Главным пособием для идентификации бактерий является определи­тель Берги, в котором объединены и систематизированы мнения ведущих специалистов по отдельным группам бактерий *.

Физиология бактерий. Физиология бактерий изучает процессы роста, размножения и питания бактерий и способы получения энергии для осуще­ствления этих процессов. Рост бактериальной клетки ограничен опреде­ленной величиной, достигнув которой, она приступает к размножению. Скорость размножения бактерий чрезвычайно велика (в благоприятных условиях клетка делится каждые 20—30 минут).

278 * Вег^еу'в Магша! о( Х)е\ехт\па\.\\е Вас1епо1о§;у. 81Н ей., 1974.

91. Формы бактерий: а — кокк, б— диплококк, в — микрококк (тетрада), г — сардина, д — стафилококк, е — стрептококк, ж — палочко­видные бактерии, з — спириллы, и — вибри­оны, к — тороиды, л — бактерии, образую­щие выросты (простеки), м — бактериальная клетка в форме правильной шестиугольной звезды, н — бактерии квадратной формы.

Основу жизнедеятельности бактерий, как и всех живых су­ществ, составляет обмен веществ (метаболизм) — совокупность хи­мических превращений веществ в клетке, который можно рассмат­ривать как два основных процесса. Процесс, обеспечивающий синтез сложных органических веществ микробной клетки из более простых соединений, поступающих извне, называют конструктивным мета­болизмом, или анаболизмом. Для осуществления реакций биосинте­за клеткам необходим постоянный приток энергии, которую они полу­чают в результате распада посту­пающих в клетку питательных ве­ществ — процесса, называемого энергетическим метаболизмом, или катаболизмом.

Конструктивный метаболизм. Для того чтобы расти, организм должен получать из окружающей среды вещества, которые необхо­димы ему для синтеза структурных компонентов клетки и для получе­ния энергии. Физиология бакте­рий разнообразна; столь же разнообразны их специфические потребности в питательных веществах, которые определяются в основном элементным составом клеток бактерий. Основные химические элементы, входящие в состав клеток бактерий,— это углерод, кислород, водород, азот, сера, фосфор, калий, кальций, магний, железо, необходимые в относительно высоких концентрациях. Многие микроорганизмы нуждаются в очень ма­лых количествах (микроэлементах) марганца, кобальта, меди, молибдена, цинка.

Источником водорода и кислорода в процессе метаболизма служит вода, составляющая около 80—90% общей массы клеток. По потребностям в углероде микроорганизмы условно делятся на две группы: автотрофы, использующие для биосинтеза веществ клетки неорганический источник углерода — углекислоту (СОг), и гетеротрофы, нуждающиеся в готовых органических углеродсодержащих соединениях. Потребности бактерий в азоте и сере удовлетворяются за счет органических (например, амино­кислоты) и неорганических веществ, содержащих эти элементы (например, аммонийные соли). Однако многие бактерии способны использовать азот, а также серу в окисленном состоянии — в форме неорганических солей (нитратов и сульфатов). Некоторые бактерии способны усваивать молеку­лярный азот воздуха — самый обильный источник азота в природе.

Кроме основных питательных веществ многим гетеротрофным микро­организмам необходимы так называемые дополнительные факторы роста — витамины, аминокислоты и ряд других органических соединений, которые не синтезируются в их клетках и необходимы им в очень малых дозах. Как уже указывалось, бактерии крайне разнообразны в отношении использования различных органических соединений в качестве источников углерода. При этом некоторые бактерии крайне многоядны, тогда как

другие отличаются высокой специализацией. Так, некоторые бактерии рода Рзеиёотопаб способны использовать в качестве источника углерода и энергии более девяноста различных органических соединений. Примером высокоспециализированных по своей пищевой потребности организмов являются клетчатковые бактерии, способные утилизировать только целлю­лозу.

Поступление питательных веществ в клетку. Для того чтобы питатель­ ные вещества могли подвергнуться соответствующим превращениям в клетке (метаболизму), они прежде всего должны в нее проникнуть через клеточную стенку и мембрану. Клеточная стенка бактерий проницаема для солей и других многочисленных низкомолекулярных соединений. В отличие от нее клеточная мембрана полупроницаема и регулирует избирательное поступление в клетку и выход из нее растворенных веществ, т У бактерий функционируют различные системы транспорта раство-

-*: ренных веществ через мембрану. Системы активного транспорта, протека­ющего при участии специфических белков-переносчиков, обнаруживают • высокую эффективность и обеспечивают концентрацию вещества в клетке, в несколько сотен и даже тысяч раз большую по сравнению с внешней средой. Механизмы активного транспорта преобладают у бактерий, что дает им возможность заселять среды с низкой концентрацией субстрата.

Большая часть макромолекул, включая белки, полисахариды, нуклеи­новые кислоты, не может проходить через мембрану. Использование их в качестве питательных веществ возможно лишь после'предварительной деградации с помощью экзоферментов (белки, синтезируемые внутри клетки и выделяемые в среду). Каждый ферментный белок характеризу­ется определенной субстратной специфичностью (то есть взаимодействует только с определенным субстратом) и специфичностью действия (то есть катализирует лишь одно из многих различных превращений, которым может подвергаться данный субстрат). Большинство внеклеточных фер­ментов ускоряют реакцию расщепления макромолекулярных субстратов до растворимых продуктов, которые поступают в клетку с помощью специфи­ческих транспортных механизмов и служат источниками углерода и энер­гии.

Энергетический метаболизм. Для переноса питательных веществ через мембрану и синтеза из них основных компонентов клетки, размножения и движения микроорганизмам необходима энергия. Способы получения энергии у бактерий различны, в противоположность высшим организмам, получающим энергию в результате дыхания, при котором происходит полное окисление до углекислоты и воды только органических веществ — белков, жиров, углеводов с обязательным участием молекулярного кисло­рода. Таким же способом получают энергию некоторые гетеротрофные микроорганизмы, развивающиеся при обилии кислорода в среде. Окисле­ние микроорганизмами органических веществ в присутствии кислорода воздуха может быть неполным, то есть с образованием промежуточных недоокисленных продуктов.

Однако некоторым видам бактерий для окисления необязателен кислород воздуха. Они могут окислять органические вещества с помощью связанного кислорода — соединений, богатых этим элементом, например нитратов (процесс денитрификации) или сульфатов (процесс десульфата-ции). И, наконец, бактерии могут добывать энергию без участия кислоро­да, путем брожения, то есть могут существовать и без доступа воздуха.

Существуют бактерии, получающие энергию при окислении не только

органических (хемогетеротрофы), но и минеральных веществ — хемоав-

тотрофы, а также использующие световую энергию — фотоавтотрофы.

280 Несмотря на такое разнообразие в способах получения энергии у бактерий,

все они сводятся в основном к окислению различных веществ. В процессе биологического окисления протекают сопряженные окислительно-восста­новительные реакции, в ходе которых электроны переходят с одного энергетического уровня на другой и которые являются источником энергии для подавляющего большинства бактерий. Особенностью биологического окисления является трансформация химической энергии, выделяющейся при разрыве связей веществ, в энергию макроэргических (с высоким запа­сом энергии) связей аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ).

Протекание реакций, снабжающих клетки энергией, связано с дея­тельностью окислительно-восстановительных ферментов.

Энергетические процессы неразрывно связаны с конструктивным обменом. В бактериальной клетке находится около 40 млн. молекул органи­ческих соединений и громадное количество молекул воды и неорганических веществ. В клетках идет непрерывное преобразование различных соедине­ний посредством многочисленных реакций распада и синтеза белков, нуклеиновых кислот, липидов, углеводов, регулируемых ферментами. Об­мен веществ осуществляется в результате постоянного взаимодействия организма и среды. Субстраты естественной среды обитания полностью не соответствуют потребностям организма, поэтому в ходе конструктивного обмена происходит перестройка одних классов органических соединений в другие, что сопровождается затратой энергии.

Влияние факторов внешней среды на развитие бактерий. Жизнедея­тельность бактерий тесно связана с окружающей средой. Даже если среда пригодна по составу питательных веществ, она может поддерживать раз­витие бактерий только при благоприятных дополнительных факторах — физических, химических и биологических. По отношению к каждому из них можно выделить три параметра, определяющих не только интенсивность роста бактерий, но и возможность их развития и существования: минимум, при котором жизнедеятельность едва проявляется; максимум, выше кото­рого она практически прекращается; оптимум, при котором жизнедеятель­ность бактерий проявляется с наибольшей интенсивностью.

Физические факторы. Рост бактерий возможен лишь при наличии в среде достаточного количества воды, которая должна находиться в до­ступной для организма форме. По сравнению с плесневыми грибами бактерии более чувствительны к пониженному содержанию воды: для их роста требуется более 20 % воды в субстрате. В микробиологии часто доступность воды выражают количественно в виде значений относительной влажности (ОВ) воздуха или активности воды (а_ш) в окружающей среде или субстрате, которые связаны между собой следующим соотношением: а_а, = ОВ/100. Величины а_ш, лимитирующие рост, для большинства бакте­рий составляют 0,86—0,96. Отношение бактерий к высушиванию различно. Особенно хорошо переносят высушивание спорообразующие бактерии.

К температуре различные микроорганизмы относятся по-разному. Большинство бактерий — мезофилы: их температурный оптимум лежит в пределах от +20 до +45 °С. Велико разнообразие бактерий термофилов, лучше всего растущих при температуре выше +45 °С. Наиболее термо­ фильными являются бактерии, окисляющие восстановленные соединения серы; они способны к росту при температуре +90 °С. Верхний температур­ ный предел роста некоторых видов рода ВасШиз составляет +82—85 °С; при такой температуре бактерии обладают протеолитическои активностью (способностью расщеплять белки). Предельная температура для прокари­ от-фотосинтетиков (цианобактерий и фотосинтезирующих бактерий) не­ сколько ниже + 70—73 °С, что, однако, выше верхних пределов, описанных для грибов и водорослей. Бактерии, для которых область температур роста лежит в пределах от 0 °С или ниже, а оптимальная температура составляет 281

+ 15°С или меньше, называют психрофилами (бактерии родов У1Ьпо, Рзеиёотопаз, С1оз1:пс1шт, Аг1ЬгоЬас1ег и др.).

Температуры ниже минимальных не убивают микроорганизмы, а только приостанавливают их развитие. Даже после 10-часового пребыва­ния при температуре —252 °С бактерии и споры сохраняют жизнеспо­собность.

Нормальная жизнедеятельность бактерий протекает лишь при опти­мальных концентрациях растворенных веществ в среде. Большинство бактерий, обладая жесткой клеточной стенкой, способны противостоять значительному осмотическому давлению питательной среды. Бактерии сильно различаются по их осмотическим потребностям, но большинство способны расти на средах с содержанием солей от 0,1 до 10 %. Микроорга­низмы, которые растут в средах с высокой концентрацией солей, особенно хлористого натрия, называют галофилами. Одни бактерии (умеренные галофилы) могут переносить высокие концентрации солей в питательной среде, но могут также развиваться и в средах, не содержащих ЫаС1. Дру­гие (экстремальные галофилы) нуждаются для роста в ЫаС1, и даже насыщенные растворы солей не препятствуют их росту. Экстремальными галофильными микроорганизмами являются «красные галофилы», гало-бактерии и галококки, способные к росту в насыщенном растворе N801 (около 32 % или 5,2 М).

Воздействие лучистой энергии на бактерии различно. Солнечный свет необходим фотоавтотрофным бактериям, на другие бактерии он может оказывать губительное влияние. Ультрафиолетовые лучи с длиной волны 250—260 нм (наиболее активная часть солнечного спектра) вызывают либо гибель, либо мутации бактерий в зависимости от вида микроорга­низмов, дозы и продолжительности облучения. Для уничтожения спор энергии требуется в четыре-пять раз больше, чем для гибели вегетативных клеток. Рентгеновские лучи и радиоактивные излучения в малых дозах стимулируют рост клеток, в больших — вызывают их гибель. Очень устой­чивы к ионизирующим излучениям некоторые микрококки и споры бацилл.

Ультразвуковые колебания ускоряют многие химические реакции, вызывают распад высокомолекулярных соединений, коагуляцию белков, инактивацию ферментов. Под их действием происходит разрыв оболочки клетки, а иногда и разрушение ее составных частей. Для микроорганизмов губительны ультразвуковые колебания только определенной мощности, ниже которой даже длительное воздействие не вызывает летального исхода.

Химические факторы. Важное значение для роста имеет концентрация водородных ионов (рН) среды. Большинство бактерий лучше растет, когда концентрация ионов Н⁺ и ОН⁺ примерно одинакова, что соответствует значению рН около 7. Однако многие бактерии (например, аммонифициру­ющие, уробактерии, разлагающие мочевину) предпочитают более ще­лочную среду. Наиболее характерный пример алкалофильных микроорга­низмов, которые могут расти только в среде с высокими значениями рН, близкими к 11,— бактерии рода ВасШиб. Из ферментируемых листьев индигоносных растений, которые служат источниками получения при­родной краски индиго, был выделен бациллярный организм, растущий наилучшим образом при рН 10—10,5 и не обнаруживающий роста при величинах рН ниже 7—8. На другом полюсе находятся кислотолюбивые (ацидофильные) бактерии, нуждающиеся для роста в чрезвычайно низких величинах рН (3 или менее). Наиболее изученные представители экстре­мальных ацидофилов — бактерии ТЫоЬасШиз 1Ыоох1с1апз и ТНюЬасШий Геггоох1с1апз. Первые растут при рН от 0,9 до 4,5 с оптимумом около 2,5, 282 окисляя серу и сульфидные руды с образованием серной кислоты. Вторые,

близкородственные первым, кроме того, окисляют ионы двухвалентного железа в ионы трехвалентного. Значения рН, в пределах которых возможен рост этого организма, зависят от используемого субстрата. Оптимум для окисления элементарной серы лежит около рН 3, халькопирит окисляется при рН 2, пирит — при рН 2, борнит — при рН 3; в присутствии ионов Ре²⁺ оптимальный рост бактерии наблюдается при рН 2,5; рН оказывает боль­шое влияние на активность ферментов клетки и ее проницаемость.

Молекулярный кислород является одним из важнейших факторов внешней среды, определяющим направление биохимических реакций, осу­ществляемых бактериями в энергетическом обмене. Бактерии, нуждающи­еся в молекулярном кислороде, называют облигатными аэробами. Бакте­рии, для которых молекулярный кислород токсичен, называют строгими анаэробами. Среди бактерий есть также факультативные анаэробы, спо­собные расти и в присутствии, и в отсутствие молекулярного кислорода.

Некоторые вещества, как неорганические (например, соли ртути, хлор, перекись водорода), так и органические (например, формальдегид), ока­зывают губительное действие на микроорганизмы, механизм которого определяется химической природой этих веществ. Однако в малых дозах некоторые ядовитые вещества часто стимулируют развитие микроорга­низмов.

Биологические факторы. Микроорганизмы могут подвергаться дей­ствию разнообразных биологических факторов. Это в основном продукты жизнедеятельности животных, растений и микроорганизмов, которые мо­гут оказывать как благоприятное (стимуляторы роста, например, витами­ны), так и губительное (ингибиторы роста, например, фитонциды) воздей­ствие на клетки.

Губительное воздействие на бактерии могут оказывать бактериофаги (вирусы бактерий), а также бактерии-паразиты (бделловибрионы, ми-коплазмы), растворяющие (лизирующие) их клетки. Антагонистические взаимоотношения между организмами, часто связанные с выделением в окружающую среду специфических веществ — антибиотиков, также действуют губительно на многие микроорганизмы.

Повреждения бактериями произведений живописи. Исключительное значение бактерий в природе, их большое физиологическое разнообразие, высокая скорость метаболических процессов и широкое распространение заставляют со всей серьезностью оценить их долю участия в процессах биологического повреждения произведений искусства. Сведения о бактери­ях, участвующих в разрушении материалов живописи, весьма ограни­ченны. Однако на основании имеющихся данных можно с уверенностью сказать, что бактерии в определенных условиях могут вызывать деструк­цию практически всех материалов живописи.

Произведения живописи, столь разнообразные по своим материалам, в определенных условиях могут стать благоприятной средой для бактерий.

Произведения станковой живописи. Подвержены бактериальному разрушению в тех случаях, когда они находятся в благоприятных для развития бактерий условиях: в сырых местах, вблизи неплотно закрытых окон или около промерзших стен, в помещениях, где не созданы оптималь­ные условия хранения в результате нарушений влажностного режима.

Бактерии из группы актиномицетов, и прежде всего стрептомицеты (виды рода 51гер1отусез), являясь типичными представителями хемогете-ротрофов, могут использовать в качестве источников углерода и энергии широкий диапазон веществ, входящих в состав произведений, включаю­щий кроме простых органических соединений ряд биополимеров, которые гидролизуются внеклеточными ферментами. Стрептомицеты, менее требова­тельные к условиям влажности, способны повреждать в той или иной; 283

степени практически все компоненты станковой живописи: холст, доски, грунт, защитный и красочный слои. В результате интенсивного развития актиномицетов изменяется внешний вид картины — ее лицевая сторона покрывается тонким белым налетом. Среди всех компонентов живописи наиболее доступный для актиномицетов субстрат — клей, содержащийся в грунте, что объясняет обильный рост бактерий по кракелюру красочного слоя. Относительно малую активность проявляют актиномицеты в разло­жении клетчатки холста, что связано с присутствием в среде легко до­ступных органических веществ в виде клеев.

Растительные масла, применяемые для приготовления красок и ла­ков,— также хорошие питательные субстраты для актиномицетов. Изве­стно, что в результате гидролиза масел образуются глицерин и высшие одноосновные карбоновые кислоты. Глицерин используется бактериями чрезвычайно быстро, и после исчерпания его запасов начинается медлен­ное разложение карбоновых кислот до полного окисления с образованием углекислоты и воды. Следует отметить, что бактериальное разрушение масел в красках и лаках зависит от степени полимеризации масла. При высыхании и старении масла в результате его сополимеризации с кислоро­дом образуется трехмерный полимер линоксин — вещество, более устойчи­вое к действию микроорганизмов. Но способность линоксина набухать в вод­ной среде не исключает возможности использования его актиномицетами.

В условиях высокой влажности наряду с актиномицетами повреждать различные компоненты живописи могут и другие группы бактерий. Напри­мер, содержащие целлюлозу материалы (бумага, дерево, холст) могут использовать отдельные виды родов АсЬготоЬас1ег, Рзеиёотопаз, Ва-сШиз. Наиболее активными аэробными бактериями, расщепляющими целлюлозу, являются определенные виды родов СухорЬа^а и 5рогосу1орпа-§а. При росте на субстрате, содержащем целлюлозу, они полностью разрушают ее волокнистую структуру, образуя в местах поражения окра­шенные слизистые пятна. При анализе красок и масляных пленок выявле­ны хемогетеротрофные бактерии родов ВасШиз, Р1ауоЬас{епигл, ЛИсго-соссиз, Загапа.

Большинство пигментов красочного слоя оказывают положительное влияние на его биостойкость. Вместе с тем в таких медных пигментах, как азурит и малахит, обнаружены бактерии рода Аг1НгоЬас1ег. По-разному реагируют бактерии и на тяжелые металлы, входящие в состав пигмента: очень высокие концентрации таких элементов часто вредны для бактерий, а в низких концентрациях они могут стимулировать их рост; определенные группы бактерий способны использовать эти элементы в нетоксичных концентрациях в качестве источников энергии. Одни бактерии окисляют восстановленные формы тяжелых металлов и соединений мышьяка или сурьмы, в то время как другие восстанавливают их окисленные формы. При восстановлении окисленных соединений металлов ряд микробов осуще­ствляет процесс, который является своеобразной формой дыхания. При окислении восстановленных соединений металлов некоторые бактерии (например, окисляющие серу) могут извлекать полезную энергию. Хемо-литотрофные бактерии ТНюЬасШиз ГеггоохМапз способны окислять мине­ралы, многие из которых входят в состав пигментов: арсенопирит (РеЗг-РеАзг), борнит (Си5ре5₄), халькозин (Си25), халькопирит (СиРеЗг), ковеллин (Си5), энаргит (ЗСы₂5- АзгЗэ), галенит (РЬ5), миллерит (N15), аурипигмент (Аз5₂), пирит, марказит (Ре5₂), сфалерит (2п5), сурьмяный блеск (5Ь5₃). Все эти минералы атакуются бактериями в нерастворимой форме. Указанный вид является крайне ацидофильным, поскольку способен расти при рН от 2 до 4 и окислять Ре²⁺, когда закисное железо химически устойчиво.

Хемогетеротрофные бактерии рода ВасШиз оказывают воздействие на минералы: бирнессит и пиролюзит (МпО₂), гётит (Ре₂О₃ • 2Н₂О), гематит (РегОз), тодорокит (Мп₂МпйО12-2Н₂О) , где Мп²⁺ может быть замещен на Мд, Са, Ыа, К, В, 2п и А§;. Кроме того, соединения, образующиеся в резуль­тате использования бактериями органических компонентов живописи, могут изменять окраску пигментов. Так, сероводород, выделяемый при гидролизе белка, вызывает потемнение пигментов, содержащих свинец (свинцовые белила, сурик, желтый хром).

Таким образом, повреждения бактериями пигментов могут быть связаны как с использованием последних в качестве источников энергии, так и химическим воздействием продуктов метаболизма. В благоприятных для роста бактерий условиях активное участие в разрушении материалов живописи принимают хемогетеротрофные бактерии. Роль хемолитотроф-ных бактерий в повреждении художественных ценностей, возможно, ограничивается только произведениями настенной живописи.

Живопись на пергаменте. Краски, которые использовали средневеко­вые миниатюристы, состоящие из пигмента минерального или органиче­ского происхождения и связующего — камеди плодовых деревьев или яич­ного белка, могут в определенных условиях стать источником питательных веществ для разных физиологических групп бактерий. Вместе с тем по­вреждения живописи на пергамен'те, чаще всего проявляющиеся в виде осыпей или шелушения красочного слоя, несомненно, связаны с изменения­ми основы произведения — пергамента.

Повреждения пергамента происходят в процессе естественного старе­ния, которое значительно ускоряется при нарушении оптимальных условий хранения и в результате воздействия микроорганизмов.

Пергамент, изготовлявшийся из дермы шкур домашних животных, состоит из переплетения определенным образом ориентированных белковых молекул, главный компонент которых — фибриллярный белок — коллаген. Пергамент обладает щелочностью, что вызвано его золением — обра­боткой известью при обезволашивании шкуры.

В деградации белковых компонентов пергамента участвуют прежде всего аммонифицирующие бактерии, осуществляющие гидролиз белка и других органических азотсодержащих соединений. Выделяемые аммо-нификаторами протеолитические ферменты гидролизуют белок до амино­кислот, которые далее разрушаются с образованием аммиака, сероводоро­да и разнообразных соединений в зависимости от природы аминокислот и окружающих условий среды. Коллаген неденатурированный (то есть не измененный по своим свойствам и структуре) устойчив к действию боль­шинства протеолитических ферментов, за исключением ферментов группы коллагеназы. Коллагеназы действуют на очень специфическую структуру белка, вызывая гидролиз определенных связей в молекуле коллагена. Из всех известных в настоящее время ферментов этой группы аэробные бакте­рии УНэпо а1§ппо1уИсик, выделенные с поврежденных шкур животных, образуют самую активную и высокоспецифичную коллагеназу. Под дей­ствием ряда физико-химических факторов в процессе производства и хра­нения пергамента происходит частичный гидролиз коллагена. Денатуриро­ванный коллаген становится доступным для расщепления практически всеми протеолитическими ферментами.

В поврежденных пергаментах обнаружены бактерии родов ВасШиз, Рзеийотопаз, Зтгер^отусез, ЫосагсМа, Мкгососсиз, Багета. Среди бакте­рий глубокое и энергичное разрушение пергамента осуществляется пред­ставителями рода ВасШиз, преимущественно выделяемыми с пергаментов. Эти бактерии образуют споры и таким образом являются наиболее приспо­собленными к перенесению недостатка влаги и других экстремальных

факторов. Но самое важное свойство бактерий рода ВасШиз, характеризу­ющее их как одних из наиболее опасных разрушителей пергамента, состоит в том, что они продуцируют значительное количество высокоактивных протеолитических ферментов и некоторые виды обладают коллагеназной активностью. Ферментативный гидролиз коллагена бактериями в условиях, благоприятных для их развития,— причина глубокого разрушения (вплоть до растворения) пергамента.

Произведения настенной живописи. Наиболее часто подвергаются бактериальным повреждениям, что объясняется прежде всего условиями, в которых они находятся. В большинстве случаев настенная живопись расположена в зданиях с нерегулируемым температурно-влажностным режимом, что способствует широкому распространению бактерий и вызы­вает при определенных условиях глубокое разрушение живописи, проявля­ющееся в осыпании красок, в изменении первоначального цвета росписей. В некоторых случаях повреждения бактериями проявляются в виде каль­цинированных гранулярных отложений по всему красочному слою, иногда в виде беловатого порошковидного налета.

В повреждении настенной живописи принимают участие многие группы бактерий, широко распространенных в природе, среди которых преобладают хемогетеротрофные бактерии родов ВасШиз, Рзеиёотопаз, 51гер1отусе5, Аг1ЬгоЬас1ег, Багета, Мкгососсиз. Наряду с ними за разру­шение живописи ответственны также бактерии с фото- и хемолитотрофным типами питания, прежде всего цианобактерии и бактерии, осуществляю­щие окисление восстановленных неорганических соединений азота и серы. Бактериальное разрушение настенной живописи гетеротрофами связано в основном с их использованием в качестве субстратов органических соеди­нений, входящих в состав материалов настенной живописи. Литотрофные бактерии являются наиболее активными при разрушении строительных материалов неорганической природы — основы настенной живописи.

Деградация камня и пористых строительных материалов в опреде­ленных условиях связана с развитием бактерий. Разрушение каменных строений обычно сопровождается появлением налетов солей, главным образом нитратов и сульфатов, как результат кислотного растворения минералов камня. Ведущая роль в этом процессе принадлежит высокоспе­циализированной по своей физиологии группе хемолитотрофных микро­организмов — нитрифицирующим бактериям и бактериям, окисляющим серу.

В результате деятельности литотрофных бактерий происходит отшелу­шивание поверхности песчаника или известняка, имеющее характерный вид: сначала возникает вспучивание поверхности, определяемое при про­стукивании, затем происходит растрескивание и вслед за этим пластинка толщиной от нескольких миллиметров до сантиметра, представляющая собой по внешнему виду здоровый камень, отпадает и под ней открывается порошковидная зона потерявшего свою структуру камня; далее следует зона камня, находящегося в процессе изменения и, наконец, здоровый камень.

Основной особенностью такого типа разрушения является наличие сульфата кальция (в виде гипса) и большого количества бактерий, окисля­ющих серу. В порошковидной зоне наблюдается максимальное число бактерий — свыше 100 000 клеток на 1 г камня, то есть много больше, чем в других типах повреждений, но бактерии присутствуют и на большей глубине (иногда до 10 см) от поверхности камня. Если наличие соединений серы на поверхности камня обычно связывают с атмосферными загрязне­ниями (сернистый газ, сероводород), то образование серной кислоты внутри камня обусловлено деятельностью бактерий. Бактерии, окисляю-

щие серу, используют в качестве источника энергии сероводород Нг^, элементарную серу или ее частично восстановленные окислы, превращая их в сульфат:

52— | о О С /~\2—. с О I и /"Ъ I I ПГЛ С /"\2

Восстанавливают серу содержащиеся в почве анаэробные бактерии ОезиИсшЬпо с1е5и1Гипсапз. Восстановленные соединения серы вместе с влагой от сырых почв поднимаются на определенную высоту и таким обра­зом в стенах разрушающихся памятников осуществляется круговорот серы. Высоко вверху здания восстановленная сера может быть образована путем бактериального разложения органических серосодержащих соедине­ний, которые присутствуют в саже, пыли и птичьем помете.

^^{ГО5отопа5}

Значительные повреждения, сходные по виду с описанными выше, возникают в камне в результате обильного роста нитрифицирующих бакте­рий, сопровождаемого накоплением нитритов и нитратов. Нитрифицирую­щие бактерии, использующие в качестве источника энергии восстановлен­ные неорганические соединения азота, обладают очень высокой специ­фичностью в отношении субстратов. Входящие в эту группу бактерии либо окисляют аммоний до нитрита (например, ЫНгозотопаз), либо нитрит до нитрата (например, №1гоЬас1ег), но ни одна бактерия не может окислять оба эти восстановленные соединения азота одновременно:

Процесс этот был воспроизведен экспериментально и таким образом доказано, что разрушение камня связано с деятельностью нитрифицирую­щих бактерий. Восстановленные соединения азота, являющиеся субстрата­ми для нитрификаторов, могут образовываться при разложении гете­ротрофными бактериями органических веществ, а также в результате роста азотфиксирующих бактерий.

На поверхности влажных стен часто наблюдается разрастание фото-автотрофных микроорганизмов (цианобактерий и водорослей), пищевые потребности которых минимальны. При наличии достаточного для фото­синтеза количества света им необходимы только углекислый газ и кисло­род, при этом преимущество получают цианобактерий, способные фиксиро­вать азот. Рост цианобактерий и водорослей является причиной окра­шенных пятен (зеленого, коричневого, сине-зеленого цветов), которые не только портят внешний вид штукатурки и настенной живописи, но и вызы­вают локальные отслоения и шелушения побелки и красочного слоя.

Хемогетеротрофные бактерии родов ВасШыз, Аг1пгоЬас1ег, Рзеийогтю-паз также нередко обнаруживают в поврежденном камне. Используя примеси органических соединений в камне, отмершие клетки цианобакте­рий и водорослей или летучие органические вещества атмосферы, гете­ротрофные бактерии образуют органические кислоты, разлагающие труд­норастворимые фосфаты кальция, силикаты, алюмосиликаты.

Выделение различных групп бактерий, повреждающих камень, осуще­ствляют методом накопительных культур. С этой целью используют элективные среды и условия роста, соответствующие специфическим по­требностям тех физиологических групп микроорганизмов, которые исследу­ют. В последние годы достаточно широкое применение при изучении

биоповреждений различных материалов находят биохимические методы. Изучение активности основных метаболических процессов, осуществляе­мых микроорганизмами, повреждающими различные материалы, вносит большой вклад в понимание механизмов биодеградации этих материалов. Интерес представляет исследование микробиологического повреждения камня методом определения в нем АТФ — универсального переносчика химической энергии в клетке. Этот метод, гарантирующий высокую чув­ствительность и специфичность, позволяет быстро оценить общее количе­ство микроорганизмов в исследуемом материале. Однако по сравнению с микробиологическим методом его недостаток состоит в том, что он не позволяет установить группы микроорганизмов, участвующих в разруше­нии камня.

В настоящее время нет сомнения в том, что камень является областью биологической активности. Следует отметить также, что разрушение камня никогда не является следствием одной причины: даже, когда преобладает процесс физического или химического разрушения камня, микроорганизмы могут усиливать такие воздействия.

Основные проблемы изучения бактериальных повреждений и меры борьбы с бактериями. Изучение бактерий и их роли в повреждении музей­ных ценностей связано с рядом трудностей. Бактерии вследствие их малого размера не поддаются визуальному наблюдению непосредственно на по­врежденных материалах, наглядны лишь результаты их разрушительной деятельности. Не всегда бывает успешным выделение бактерий: встреча­ются виды, которые не удается культивировать на питательных средах, их можно наблюдать лишь при микроскопическом анализе. Одна из самых сложных проблем — идентификация бактерий. Не всегда возможно коли­чественно оценить степень зараженности бактериями поврежденных про­изведений искусства, поскольку для этого необходимо взятие проб, со­держащих исследуемые компоненты живописи. Сложно бывает отличить бактерии, действительно обладающие разрушающими свойствами, от без­вредных, сопутствующих им. Серьезной оценки требует практически не исследованный вопрос о влиянии химической деятельности бактерий на деградацию пигментов. Мало изучены также условия, регулирующие рост и разрушительную деятельность бактерий на живопись в условиях музей­ного хранения.

Современное состояние проблемы бактериального повреждения про­изведений искусства убедительно свидетельствует о необходимости даль­нейшего интенсивного накопления сведений, которые помогут воссоздать более или менее полную картину механизмов деградации бактериями материалов живописи. Мало исследованными остаются и многие аспекты проблемы защиты от повреждений бактериями художественных ценностей.

В методах борьбы с бактериальными повреждениями живописи перво­степенное значение имеет создание условий, препятствующих развитию бактерий. В тех случаях, когда установлено, что бактериальное заражение представляет реальную опасность для произведений искусства, необходи­мым становится применение антибактериальных препаратов.

Среди методов борьбы с микроорганизмами, принимающими участие в разрушении материалов живописи, можно выделить два основных подхо­да: создание условий, препятствующих росту микроорганизмов, и примене­ние антибактериальных физических и химических агентов.

Для создания условий, тормозящих рост бактерий, необходимо пре­ жде всего обеспечить оптимальный влажностныи режим хранения произве­ дений. В музейных помещениях относительная влажность в пределах 55—65 % при условии ее стабильности предотвращает рост бактерий, 288 а следовательно, и повреждение ими материалов живописи. Следует, одна-

ко, учитывать, что минимальное количество доступной воды в субстрате, при котором начинаются рост и размножение бактерий, зависит от ряда факторов, в том числе от вида микроорганизма и химической природы компонентов, составляющих произведение живописи. Например, при нали­чии бактериальных повреждений настенной живописи и ее основы — камня — в результате высокой влажности стен и пола памятника создание условий, при которых бактерии не могут размножаться и не могут происхо­дить биохимические процессы, приводящие к разрушению живописи, возможно лишь тогда, когда приостановлена миграция грунтовой воды во внутренние слои камня. Поэтому для создания нормального влажностного режима в памятниках архитектуры часто становится необходимым прове­дение радикальных мероприятий, требующих сложных инженерно-строи­тельных работ (дренажа, сооружения водостоков и др.). Если подобные мероприятия не могут быть быстро осуществлены, для предотвращения дальнейшего разрушения бактериями живописи наряду с нормализацией климата внутри здания применяются другие методы, подавляющие рост микроорганизмов.

При разработке мер, направленных на прекращение бактериального разрушения произведения искусства, необходимо учитывать прежде всего физиологические и биохимические особенности бактерий, непосредственно участвующих в разрушении, распространение и степень поражения. В со­ответствии с этим, а также с условиями последующего хранения составля­ют рекомендации, которые важно учитывать в процессе реставрации памятника. Например, если установлено, что разрушение вызвано нитри­фицирующими бактериями, то одна из мер для прекращения их активно­сти — полное исключение из реставрационных материалов аммиака и не­органических аммонийных соединений, основных субстратов нитрифика­ции. Однако создание условий, останавливающих рост бактерий, особенно когда их потребности минимальны, как например при разрастании циано-бактерий на внутренних стенах памятников, не всегда возможно. В этих случаях, а также когда имеет место активный процесс бактериального разрушения живописи, становится необходимым применение эффективных антибактериальных агентов.

Полное освобождение какого-нибудь материала от живых микроорга­низмов или от их покоящихся форм (спор) называют стерилизацией. Для некоторых целей бывает достаточно частичной стерилизации — пастериза­ции, при которой уничтожаются вегетативные формы бактерий.

В целях борьбы с бактериями, вызывающими деструкцию материалов, используют антисептики — химические вещества в растворенном и газо­образном состоянии, обладающие противомикробным действием, которые в зависимости от условий применения (концентрации, длительности воз­действия, чувствительности микроба к препарату и проч.) могут в одних случаях вызывать гибель бактерий (бактерицидное действие), а в дру­гих—задерживать их рост (бактериостатическое действие). Действие антисептиков на микроорганизмы обусловлено в основном тем, что, всту­пая во взаимодействие с белками, ферментными и другими системами микробной клетки, они в конечном итоге вызывают ее гибель. Критерием гибели микроорганизмов служит необратимая утрата способности к раз­множению.

Наряду с химическими веществами в тех же целях применяют физиче­ские средства, например ультрафиолет и радиоактивное излучение (приме­нение термической обработки для материалов живописи недопустимо). Облучение ультрафиолетом находит применение для борьбы с фототроф-ными микроорганизмами (цианобактерии, зеленые водоросли), поврежда­ющими внутренние стены памятников архитектуры. Однако использование

19 Заказ 193

этого метода возможно лишь на стенах без живописи, так как эффективные дозы ультрафиолетового излучения оказывают влияние на состояние кра­сочного слоя. Радиоактивное излучение (дозой 0,5 Мрад) применялось для обработки картин, пострадавших от наводнения во Флоренции. Как пока­зали исследования, при этом не происходит существенных изменений красочного слоя. Следует отметить, что радиационный метод (гамма-излучение) в музейной практике использовался только для борьбы с мице-лиальными грибами. Для ликвидации бактериального заражения, осо­бенно вызванного устойчивыми к радиации спорообразующими бактерия­ми, необходимы гораздо более высокие дозы гамма-излучения, использова­ние которых возможно лишь в том случае, если не происходит изменения произведений живописи.

Для многих антимикробных агентов известен механизм повреждаю­щего или летального действия. Например, поверхностно-активные веще­ства действуют на пограничные слои клеток и нарушают полупроницае­мость клеточной мембраны, этанол в концентрации 70 % вызывает коагу­ляцию белков, некоторые тяжелые металлы уже в небольшой концентрации действуют как сильные яды, повреждающие ферменты. Подавление роста бактерий может происходить в результате блокирования специфическими ингибиторами той или иной стадии в процессе обмена веществ (например, цианид действует как дыхательный яд). Летальное действие радиационно­го излучения связано с повреждениями генетического материала клеток (разрывы в ДНК). Однако у микроорганизмов выработались различные механизмы защиты от повреждающего и летального действий антимикроб­ных агентов. Среди бактерий есть организмы, не только устойчивые к действию того или иного антисептика, но даже способные использовать его в качестве источника углерода или энергии, что необходимо учитывать при разработке методов борьбы с бактериями.

Методы, которые могут быть рекомендованы для борьбы с бактериаль­ными повреждениями, должны отвечать ряду требований, среди которых главные — эффективность и безвредность для художественных произведе­ний. В настоящее время практическое применение в музейной и реставра­ционной практике получили препараты поверхностно-активных веществ, относящихся к группе четвертичных аммониевых соединений (ЧАС), кото­рые обладают высокими бактериостатическими свойствами и обеспечивают сохранение физико-механических и физико-химических свойств материа­лов живописи. Однако широкое использование препаратов ЧАС в качестве антисептиков не исключает возможной адаптации бактерий к этим соедине­ниям, как это имело место с другими препаратами (например, с пентахлор-фенолятом натрия). Предупреждение бактериальных повреждений — сложная комплексная проблема, которая должна быть непосредственно связана с различными аспектами хранения, консервации и реставрации художественных ценностей. Учитывая высокую адаптационную способ­ность микроорганизмов к различным экстремальным условиям, можно ожидать, что эта проблема будет всегда актуальной. В связи с этим необхо­димы постоянные поиски новых эффективных средств борьбы с бактерия­ми, повреждающими произведения искусства.