Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10316/24249
Title: Identification and control of fungal contamination in ancient heritage documents
Authors: Mesquita, Nuno 
Orientador: Portugal, António
Freitas, Helena
Keywords: Biodeterioração; Identificação Molecular
Issue Date: 5-Feb-2014
Citation: MESQUITA, Nuno Miguel da Costa Pinheiro Meneses - Identification and control of fungal contamination in ancient heritage documents. Coimbra : [s.n.], 2013. Tese de doutoramento. Disponível na WWW: http://hdl.handle.net/10316/24249
Abstract: Os arquivos, museus e bibliotecas são os principais responsáveis pelo armazenamento, protecção e conservação de diversos acervos históricos, um pouco por todo o mundo. Porém, apresentam muitas vezes condições adequadas ao crescimento de fungos e bactérias, que promovem a deterioração de documentos, explorando pequenos nichos favoráveis ao seu desenvolvimento. Neste trabalho multidisciplinar, pretendemos estudar as causas e metodologias de controlo para a prevenção da biodeterioração em documentos antigos. Os objectivos foram: i) identificar organismos responsáveis pela biodeterioração de documentos em papel e pergaminho, relacionando os diferentes taxa com os diferentes substratos; ii) avaliar os efeitos da radiação gama em diferentes parâmetros biológicos de isolados fúngicos; iii) avaliar o papel dos artrópodes enquanto vectores de dispersão de fungos neste ambiente, bem como os efeitos de sazonalidade na ocorrência de diferentes taxa. A primeira tarefa foi um caso de estudo no Arquivo da Universidade de Coimbra (AUC), que consistiu no isolamento e identificação de diferentes fungos presentes em documentos de pergaminho e papel. Foram isolados e identificados 14 géneros e 20 espécies. Os géneros mais frequentes foram: Cladosporium, Penicillium e Aspergillus; entre outros, menos frequentes: Alternaria, Botrytis, Chaetomium, Chromelosporium, Epicoccum, Phlebiopsys e Toxicocladosporium. Uma bula papal do séc. XVIII, proveniente de Freamunde (Paços de Ferreira, Portugal) foi analisada como termo de comparação. No total foram isoladas e identificadas 18 espécies, pertencentes a 10 géneros. O pergaminho apresentou uma alta diversidade de espécies, com predominância de Aspergillus versicolor e Penicillium brevicompactum. As espécies Chrysosporium carmichaelii e Fusicladium rhodense, também foram isoladas, embora com menor frequência. Foram encontradas espécies coincidentes em ambos os estudos: Cladosporium cladosporioides, Penicillium chrysogenum e A. versicolor, porém, algumas espécies encontradas na bula não tinham sido previamente obtidas. Alguns dos isolados foram encontrados apenas num tipo de suporte, por terem uma maior especificidade para com o substrato. Não foi possível estabelecer uma relação entre os diferentes grupos de fungos, e os diferentes suportes. Cladosporium cladosporioides é uma espécie ubíqua, e rádio resistente, que foi isolada a partir de documentos do AUC, mas também da bula papal. Uma estirpe de C. cladosporioides foi escolhida como organismo de teste para a aplicação de diferentes doses de radiação gama, e avaliação dos efeitos deste tratamento em diferentes parâmetros biológicos. Doses de radiação de 8.2 e 15.4 kGy causaram um decréscimo significativo em todos os parâmetros: viabilidade, crescimento, biomassa e contagem de UFCs. Além disso, a dose de 15.4 kGy esterilizou todas as amostras. Esta tarefa forneceu informação acerca da dose necessária para a desinfecção de C. cladosporioides (e consequentemente de outras espécies menos resistentes), bem como dos efeitos em diferentes parâmetros biológicos após irradiação. Porém, não foi possível obter esta informação durante as fases iniciais de desenvolvimento. Deste modo, decidimos desenvolver um novo método, utilizando citometria de fluxo, por permitir a avaliação dos efeitos da radiação durante as fases iniciais de desenvolvimento em células individuais. Foram analisados os efeitos da radiação gama (0 a 15 kGy) em esporos de Penicillium chrysogenum, Aspergillus nidulans e Aspergillus niger: ao nível do tamanho e complexidade (forward e side-scatter channels), integridade da membrana, viabilidade e actividade metabólica, sendo que estes parâmetros foram analisados com sucesso durante as fases iniciais de germinação dos esporos. Esporos irradiados cresceram menos, mais tarde, e foram menos activos metabolicamente. Os nossos resultados sustentam uma Dmin de 5 kGy para a desinfecção de documentos de pergaminho e papel, uma vez que inactivará todos os organismos, ou pelo menos reduzi-los drasticamente em número, confirmando assim a sua eficácia, especialmente porque doses até 15 kGy estão abaixo das Dmax determinadas para o papel e o pergaminho. Após um tratamento de desinfecção, a re-contaminação pode ocorrer por diferentes processos: contaminação cruzada promovida por utilizadores; deposição de propágulos presentes no ar; ou por acção de organismos vectores (ex: artrópodes). Um total de 148 isolados, 25 géneros e 59 espécies foram obtidos a partir de insectos capturados ao longo de um ano, em 80 armadilhas colocadas no AUC. Os géneros mais comuns foram Penicillium, Aspergillus e Cladosporium. Não foi encontrada uma relação entre os isolados e a ordem de artrópodes dos quais foram obtidos. No entanto, os fungos entomopatogénicos dos géneros Aspergillus, Beauveria, Cladosporium, Engyodontium, Lecanicillium, Penicillium e Paecilomyces surgiram relacionados com as ordens de artrópodes das quais foram isolados. Cerca de 36% das espécies encontradas previamente nos documentos do AUC foram também isoladas a partir dos artrópodes capturados neste estudo. Os principais exemplos são Cladosporium cladosporioides, Penicillium chrysogenum, Aspergillus versicolor, Alternaria alternata, Epicoccum nigrum, Penicillium canescens e Phlebiopsis gigantea. Estes resultados sugerem que, pelo menos neste local, espécies contaminantes são dispersas por artrópodes. Adicionalmente, esta tarefa também forneceu informação acerca dos efeitos da sazonalidade na prevalência de diferentes géneros nas diferentes estações. A informação produzida nesta tese contribui para o conhecimento dos processos de biodeterioração documentos de papel e pergaminho, bem como da aplicação de radiação gama no tratamento destes documentos, mas também do papel que os insectos podem ter no processo de contaminação. Acreditamos que ajudará outros investigadores no combate ao problema da biodeterioração do nosso património cultural.
Archives, libraries and museums worldwide protect and conserve different historical collections. These buildings frequently present suitable conditions for the growth of fungi and bacteria, which are able to deteriorate documents by exploring small niches made available in items from these collections. This multidisciplinary work addresses the causes and control methodologies for the prevention of biodeterioration by fungi in ancient documents. Our objectives were to: i) identify organisms responsible for biodeterioration in paper and parchment documents, and relate the different taxa with the substrate types; ii) assess the effects of gamma radiation in different biological parameters of fungal isolates; iii) evaluate the role of arthropods as vectors for fungal dispersion in library environments, and the effects of seasonality on the occurrence of different fungal taxa. The first task was a case study on the presence of biodeteriorating fungi in documents from the Archive of the University of Coimbra (AUC). Thirty documents, made of different materials (parchment, laid-paper and wood-pulp paper) were analysed. In total, 14 genera, and 20 species were isolated and identified. The most frequent genera were Cladosporium, Penicillium and Aspergillus. Less frequent genera, such as Alternaria, Botrytis, Chaetomium, Chromelosporium, Epicoccum, Phlebiopsys and Toxicocladosporium were also present. As external comparison, an 18th century papal bull stored in Freamunde (Paços de Ferreira, Portugal) was analyzed. In total, 18 species, belonging to 10 genera, were isolated and identified. The parchment presented a high diversity of species, with prevalence of Aspergillus versicolor and Penicillium brevicompactum. Other less common species, like Chrysosporium carmichaelii and Fusicladium rhodense, were also isolated. Coincident species were found in both studies, namely Cladosporium cladosporioides, Penicillium chrysogenum and A. versicolor; however there were species present in the Bull that had not previously been obtained. Some of the isolates were found only in one support type, since they are substrate specific, and thus unable to thrive in other supports. We were unable to establish a relation between the different taxonomical groups and the support types. Cladosporium cladosporioides is a ubiquitous and radio resistant fungal species, found in AUC documents as well as in the papal bull. A strain of C. cladosporioides was selected as test organism for the application of different gamma radiation doses, and the effects of this treatment were assessed using two different methodologies. Radiation doses of 8.2 and 15.4 kGy caused a significant decrease in all parameters: viability, growth, biomass and CFU count. Furthermore, 15.4 kGy sterilized all samples. This task provided us with information on the radiation dose required for the disinfection of C. cladosporioides (and consequently of other less resistant fungi), and on the effects on biological parameters after irradiation. However, little information regarding the early stages of fungal growth was obtained. In this way, we chose to develop a more straightforward method, using flow cytometry, that allows the assessment of the radiation effects during the early stages of growth of individual cells. The effects of gamma irradiation (0 to 15 kGy) on spores from Penicillium chrysogenum, Aspergillus nidulans and Aspergillus niger were assessed. The Forward and Side-Scatter channels were used to assess the size and complexity of particles; Propidium iodide was used to assess the membrane integrity and spore viability; and Dihydroethidium was used to measure metabolic activity. It was possible to analyse these parameters during early growth stages: irradiated spores generally grew less, later, and were less metabolically active. Our results support the Dmin of 5 kGy for the disinfection of paper and parchment documents as it will likely inactivate all organisms, or reduce them to very low counts. Because of that, it is an effective control procedure, since doses up 15 kGy are still considerably lower than the Dmax for both paper and parchment. After disinfection, re-contamination can occur through different processes, such as cross contamination done by users, settling of airborne propagules or the action of vector organisms (eg. arthropods). A total of 148 isolates, 25 genera and 59 species were retrieved from arthropods captured during one year, using 80 traps placed in the AUC. The most common genera were Penicillium, Aspergillus and Cladosporium. No relation was found between isolates and the order of arthropods they were retrieved from; nevertheless, an association was found between entomopathogenic fungi (from the genera Aspergillus, Beauveria, Cladosporium, Engyodontium, Lecanicillium, Penicillium and Paecilomyces) and the orders of arthropods they were isolated from. Nearly 36% of the species previously found colonizing documents were also isolated from the arthropods captured in this study. The main examples were Cladosporium cladosporioides, Penicillium chrysogenum, Aspergillus versicolor, Alternaria alternata, Epicoccum nigrum, Penicillium canescens and Phlebiopsis gigantea. This suggests that at least on this site, contaminating species can be dispersed by mechanisms that use arthropods as vectors. Additionally, this task also provided information on the seasonality effects on the prevalence of certain genera in the different seasons. The information provided on this thesis contributes to the understanding of the biodeterioration processes in paper and parchment supports, as well as possible treatment procedures, and the role of insects as vectors of fungal dispersion. I trust it will assist other researchers in fighting the tangible issue of the biodeterioration of cultural heritage items.
Description: Tese de doutoramento em Biologia, apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra
URI: http://hdl.handle.net/10316/24249
Rights: embargoedAccess
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