γ 射線在文獻檔案紙張殺蟲滅菌中的應用

梁 翊 湯召華 朱智超 彭雄厚 陳紅艷 陳躍軍

1（四川省金核輻照技術有限公司 眉山620860）

2（四川省科學技術研究成果檔案館 成都610000）

紙質文獻檔案作為人類珍貴的文化遺產，具有不可再生特性，對于知識的傳遞、文化的傳播、文明的傳承有著重要的意義［1］。然而，這些珍貴的文獻檔案在保藏和使用過程中會受到自然環(huán)境的影響。當存放環(huán)境的溫度、濕度等條件適宜時，各種霉菌及寄生蟲就會快速繁殖生長。霉菌分泌的各種酶會導致紙質文獻檔案中的纖維素變質分解，紙張強度下降，形成霉斑、色斑等影響文獻檔案的閱讀和復制利用，同時縮短使用壽命，喪失使用價值［2-3］。而一些寄生在文獻檔案中的害蟲也會在書籍中做窩蛀孔，造成紙質文獻檔案的污染受損，甚至粘連而無法使用。另外，文獻檔案作為文化傳播的載體，不可避免的沾染上各種病毒細菌。這些病毒細菌對圖書管理者、讀者（尤其是一些閱讀習慣不好、自身抵抗力弱的兒童讀者）產生了無形的風險［4］。因此，殺蟲滅菌在保藏工作中顯得尤為重要和緊迫［5］。

輻照殺蟲滅菌技術起源于20世紀40年代，已廣泛應用于食品、藥品、醫(yī)療器械等行業(yè)。利用γ射線輻照進行殺蟲滅菌效果良好，具有殺蟲滅菌徹底，工作效率高，不污染環(huán)境，對產品幾乎無破壞的優(yōu)點［6］。特別是新冠疫情以來，輻照技術得到更廣泛應用［7］。有研究表明，紙質文獻檔案經輻照殺蟲滅菌后，具有良好的防霉、防蟲功效，預期保存年限可提高3～5倍，是一種非?？煽壳矣型麑崿F產業(yè)化應用的紙質保藏技術［8］。國內20 世紀80年代開始采用輻照進行文獻檔案的殺蟲實驗，取得了良好的效果［9-10］。文獻檔案材質均為紙質，輻照是否會對其產生影響，還沒有全面的研究數據支撐［11］。確定適合文獻檔案輻照的劑量和工藝，輻照技術在紙質文獻檔案保藏方面將具有廣闊的應用前景［12］。

1 材料與方法

紙質文獻檔案的輻照殺蟲滅菌效果與γ射線吸收劑量成正相關，但同時與紙質文獻檔案質量及經濟效益成負相關。能夠毀壞紙質文獻檔案的細菌有曲霉菌、青霉菌、枯草芽孢桿菌（無致病性的安全微生物）等，對紙質文獻檔案有危害的害蟲有煙草甲、毛衣魚、書虱、花斑皮蠹等［13］。同一吸收劑量下，不同的生物的耐受程度不同，即殺蟲滅菌效果不同。本實驗選取兩種具有代表性的細菌和昆蟲作為實驗的指標樣本。

輻照技術對吸收劑量的控制很重要，劑量過高，可能會給紙張纖維素造成破壞；劑量太低，又達不到應有的殺蟲滅菌效果。為了掌握γ射線輻照對紙質文獻檔案物理性質的影響，對不同紙張、裝訂線以及不同顏色油墨進行γ射線輻照實驗，對輻照前后樣品的力學性能進行測試分析。

1.1 樣品

紙張：報紙、宣紙、竹紙、皮紙4 種材質紙張。裝訂物：滌綸線、錦綸線、棉線3 種材料的線。墨跡：紅色、藍色、黑色3種顏色的墨跡。微生物和昆蟲：曲霉菌、枯草芽孢桿菌2種細菌（江蘇綠科生物），煙草甲、毛衣魚2 種昆蟲（糧食儲備倉庫及地下室等地方尋找培養(yǎng)）。

1.2 設備

輻照裝置（四川省金核輻照技術有限公司）型號：BFT-Ⅳ型。設計裝源能力：1.85×1017Bq Co-60；建成后初裝源：3.7×1016Bq。生產能力：已裝源3.7×1016Bq，產品密度0.1 g/cm3，產品吸收劑量為25 kGy計算，產量為3.8 m3/h（吸收劑量不均勻系數不大于2）。輻照方式：微生物密封在滅菌實驗箱中、昆蟲裝入小燒杯后用紗布封閉，置于輻照箱與圖書相同位置。

霉菌恒溫培養(yǎng)箱，上海一恒科學儀器有限公司，型號MJ-250-1。恒溫恒濕烘箱，上海一恒科學儀器有限公司，型號DH10-9272。顯微鏡，遼南永新光學有限公司，型號為XSP-24。

耐折度測定儀，杭州紙邦自動化技術有限公司，型號ZB-NZ135A。電子萬能試驗機，深圳市瑞格爾儀器有限公司，型號RGM-6010。色差分析設備，深圳市三恩馳科技有限公司，型號NH310。

1.3 方法

樣品經預設劑量的γ射線輻照后，分別對輻照前后的紙張、裝訂物、墨跡和選取的微生物和昆蟲進行物理、化學以及生物性能測試；進一步經過人工老化模擬自然條件下老化25 a的物理和化學性能變化，測試其性能變化情況。樣品人工老化后僅對紙張、裝訂物、墨跡進行物理化學性能測試，不再對微生物進行檢測。實驗流程圖1所示。

1.3.1 樣品輻照

測定實驗場所輻射劑量（按輻照室滿箱時計算），設定劑量及梯度，確定需要的輻照圈數（控制輻照裝置主控時間），吸收劑量由重鉻酸鉀（銀）劑量計測得。將所有實驗樣品分做若干份（按劑量梯度），每個劑量梯度將所有實驗物裝一袋并進行編號標記并布放劑量計，分別放置在輻照箱同一位置，按預設劑量進行輻照，吸收劑量梯度依次設定為0 kGy（未輻照）、0.5 kGy、1 kGy、2 kGy、5 kGy、10 kGy。輻照完成后立馬取出，放置在干燥，恒溫25 ℃的實驗柜臺上，備測。

1.3.2 樣品人工老化

采用國家標準進行濕熱老化［14］。設定實驗恒溫80 ℃，相對濕度65%，連續(xù)處理72 h，使實驗樣品模擬在自然條件下老化25 a，測試其物理和化學性能變化。

1.4 樣品性能測試

實驗中所有樣品的生物檢測［15］、紙張力學性能（抗張強度［16］、耐折度［17］）、裝訂線強伸性能［18］、白度色度［19］均按照國家標準進行測試。（1）將每種生物樣品分作若干份（按劑量梯度）進行輻照，檢測輻照前后每個劑量梯度樣品生物存活數量。（2）樣品輻照前，對紙張樣品、裝訂物分別進行力學性能、強伸性能測試，獲取數據；對紙張樣品、墨跡進行色彩檢測，獲取數據。（3）樣品分作若干份（按劑量梯度）進行輻照，對輻照后每個劑量梯度的紙張樣品、裝訂物進行力學性能和強伸性能測試，獲取數據；對輻照后每個劑量梯度的紙張樣品、墨跡進行色彩檢測，獲取數據。（4）對輻照前后每個劑量梯度的紙張樣品、裝訂物分別進行人工老化處理。（5）人工老化后，對輻照前后的每個紙張樣品、裝訂物進行力學性能、強伸性能測試，獲取數據；對輻照前后每個紙張樣品、墨跡進行色彩檢測，獲取數據。

2 結果與分析

2.1 輻照滅菌效果

按照國際公認標準，用被處理樣品微生物的殺滅率為99.9%來評價其消毒效果。在本實驗中，設定當殺滅率達到99.9%時即可滿足輻照消毒效果，從而確定最低有效劑量。枯草芽孢桿菌耐輻照性較強，綜合考慮γ輻照對枯草芽孢桿菌營養(yǎng)體的損傷［20］（SOD活性及雙鏈斷裂）及輻射誘變［21］來討論其殺滅率。吸收劑量對曲霉菌和枯草芽孢桿菌殺滅率關系如表1所示（吸收劑量為布放劑量計實際測得，下同），當吸收劑量為2 kGy 時，兩種細菌殺滅率均達到99.9%以上，當劑量增加到10 kGy時，殺滅率可達到100%。

表1 輻照對曲霉菌和枯草芽孢桿菌的殺滅率Table 1 Bactericidal rate of Aspergillus and Bacillus subtilis irradiated by γ ray

2.2 輻照殺蟲效果

輻照生物效應表明，大劑量的輻照能夠直接殺滅生物體，而中等劑量的輻照能使昆蟲停止進食，不孕不育，所以只要能夠停止昆蟲生長繁育就達到殺蟲目的。在本實驗中，設定殺滅率達到70%及以上即可滿足輻照殺蟲效果，從而確定最低有效劑量。將煙草甲、毛衣魚裝入小燒杯后用紗布密封，與待處理的紙張一同進行預設劑量輻照處理。處理完后靜置1 h，用探視針測試昆蟲是否已經死亡。不同吸收劑量下煙草甲、毛衣魚死亡率表2所示。

表2 吸收劑量與煙草甲和毛衣魚死亡率關系Table 2 Relationship between absorbed dose and mortality of tobacco beetle and ctenolepisma villosa

由表2 可知，當吸收劑量為2 kGy 時，煙草甲、毛衣魚的即時殺滅率分別達70%和80%，當吸收劑量增加到10 kGy 時，可以立即完全殺滅煙草甲、毛衣魚。在相同吸收劑量下，毛衣魚的死亡率要高于煙草甲的死亡率。另外，實驗證明，接受了2 kGy及以上吸收劑量的煙草甲、毛衣魚輻射8 d 后能100%殺滅成蟲， 幼蟲死亡率也達80%，30 d后經該劑量處理的幼蟲全部死亡。

2.3 輻照對紙張性能的影響

按照實驗方案對其力學性能進行測試。另外，在一定溫度和濕度條件下，紙張的老化會加劇纖維素的不斷水解而導致紙張力學性能下降，紙張存放的時間越長，力學性能下降就越明顯，最終導致紙張破損。為了檢驗γ射線輻照后，是否會在日后保藏中加速紙張的降解，對上述輻照前后的樣品進行后續(xù)對比實驗。將輻照處理過的紙張和未進行輻照處理的樣品分成兩組。在80 ℃恒溫，濕度65%實驗條件下，連續(xù)處理72 h，模擬樣品在自然條件下老化。兩組樣品在標準測量條件下平衡24 h 后，對其抗張強度和耐折度進行測量。力學性能測試表明，輻照處理對紙張性能會產生一定影響，并且影響的程度與吸收劑量有關，如表3、4 和5 所示。輻照處理1 kGy 及以下時，γ 射線尚未對紙張構成明顯影響，4種紙質紙張輻照后抗張強度、耐折度和白度變化不大。但隨著輻射劑量的增加，4 種紙質紙張的力學性能有所下降，但下降的幅度并不大，不影響圖書的使用。接受2 kGy劑量輻照后，與對照組比較，樣品老化后抗張強度的保留率均可以達到原樣品的85%以上，紙張白度均可達到原樣品的80%以上；即使是接受最大吸收劑量（10 kGy）輻照后，老化后抗張強度的保留率仍可以達到原樣品的75%以上，紙張白度也能達到原樣品的70%以上。因此可以認為，2 kGy及以下的γ射線吸收劑量，不會對圖書文獻檔案等紙質材料造成破壞，也不會加快紙質檔案材料在保藏過程中的降解，這為γ射線輻照可應用于紙質圖書文獻檔案材料的殺蟲滅菌提供了很好的佐證。

耐折度是檢測紙張物理性能的重要項目，但其測量時誤差較大，且現代機制紙耐折度本身并不高，故而影響實際測量值，造成測量偏差，因此該值僅作為參考數據，主要還是將抗張強度作為衡量機械性能的參數。

表3 輻照對不同材質紙張人工老化前力學性能的影響Table 3 Irradiation effect on mechanical properties of papers of different materials before artificial aging

表4 輻照對不同材質紙張人工老化后力學性能的影響Table 4 Irradiation effect on mechanical properties of papers of different materials after artificial aging

表5 輻照對紙張白度的影響Table 5 Effect of irradiation on the whiteness of paper

2.4 輻照對裝訂線的影響

圖書文獻檔案很多是采用裝訂線裝訂成冊，如果輻照使裝訂線斷裂，將對圖書造成破壞，因此需考察γ射線輻照對裝訂線的影響。本實驗選取了常用于書籍裝訂的滌綸線、錦綸線、棉線三種裝訂線進行輻照實驗，測試了輻照前后及老化后的單線斷裂強力，測試結果見表6。

表6 輻照對裝訂線強伸性能的影響Table 6 Effect of irradiation treatment on the stretching performance of binding line

實驗結果顯示，經過2 kGy劑量輻照，三種線的單線斷裂強力變化不大，老化后單線斷裂強力保持在原樣品單線斷裂強力的90%以上；經過最高吸收劑量（10 kGy）輻照后，滌綸線的單線斷裂強力沒有發(fā)生明顯變化，而錦綸線和棉線則顯示出一定幅度的下降，但不影響使用，即便老化后單線斷裂強力仍保持在原樣品單線斷裂強力的80%以上，因此可以認為10 kGy 以下吸收劑量不會對圖書裝訂線的使用造成影響。

2.5 輻照對墨跡色度的影響

在紙質圖書文獻檔案材料保藏的過程中，不僅要減少紙張質地、色度以及裝訂物質量的變化，還要關注紙張上文字、圖案、印章等印跡不受影響，才能夠維護紙質圖書、檔案材料原來的狀態(tài)，體現出其本身的價值。

表7 輻照對墨跡色度的影響Table 7 Effect of irradiation on the chroma of ink

從表7 可以看出，不同墨跡色度經過γ 射線輻照后色澤度有輕微變化，進一步老化后變化不大。經過2 kGy劑量輻照，老化后色度保持在原色度的80%以上，基本和輻照處理之前一樣，不影響使用；經過最高吸收劑量（10 kGy）輻照后，輻照后墨跡色度有一定幅度的下降，但老化后墨跡色度仍保持在原色度的60%以上。因此，2 kGy及以下劑量的γ射線輻照處理后紙張上墨跡的變色或淡化變化不大，不影響閱讀，也不會對后期保藏造成影響。

3 結論

（1）采用γ 射線進行輻照殺蟲滅菌，對曲霉菌、枯草芽孢桿菌、煙草甲、毛衣魚的最低有效劑量為2 kGy，殺滅率可達到99.9%以上。（2）采用γ射線對紙質圖書文獻檔案進行輻照，紙張的質地、白度均未受到明顯影響，印刷墨跡和裝訂線的單線斷裂強力隨吸收劑量的加大而下降，但下降幅度不大。劑量2 kGy時，老化后樣品各項性能均至少保持在原樣品性能的80%，不會對后期的保藏產生不良影響。（3）綜合考慮殺蟲滅菌的有效性，紙質圖書文獻檔案的安全性，以及輻照服務的經濟性，用于紙質文獻檔案保藏的吸收劑量控制在2 kGy較為合適。