γ 射线在文献档案纸张杀虫灭菌中的应用

梁 翊 汤召华 朱智超 彭雄厚 陈红艳 陈跃军

1（四川省金核辐照技术有限公司 眉山620860）

2（四川省科学技术研究成果档案馆 成都610000）

纸质文献档案作为人类珍贵的文化遗产，具有不可再生特性，对于知识的传递、文化的传播、文明的传承有着重要的意义［1］。然而，这些珍贵的文献档案在保藏和使用过程中会受到自然环境的影响。当存放环境的温度、湿度等条件适宜时，各种霉菌及寄生虫就会快速繁殖生长。霉菌分泌的各种酶会导致纸质文献档案中的纤维素变质分解，纸张强度下降，形成霉斑、色斑等影响文献档案的阅读和复制利用，同时缩短使用寿命，丧失使用价值［2-3］。而一些寄生在文献档案中的害虫也会在书籍中做窝蛀孔，造成纸质文献档案的污染受损，甚至粘连而无法使用。另外，文献档案作为文化传播的载体，不可避免的沾染上各种病毒细菌。这些病毒细菌对图书管理者、读者（尤其是一些阅读习惯不好、自身抵抗力弱的儿童读者）产生了无形的风险［4］。因此，杀虫灭菌在保藏工作中显得尤为重要和紧迫［5］。

辐照杀虫灭菌技术起源于20世纪40年代，已广泛应用于食品、药品、医疗器械等行业。利用γ射线辐照进行杀虫灭菌效果良好，具有杀虫灭菌彻底，工作效率高，不污染环境，对产品几乎无破坏的优点［6］。特别是新冠疫情以来，辐照技术得到更广泛应用［7］。有研究表明，纸质文献档案经辐照杀虫灭菌后，具有良好的防霉、防虫功效，预期保存年限可提高3～5倍，是一种非常可靠且有望实现产业化应用的纸质保藏技术［8］。国内20 世纪80年代开始采用辐照进行文献档案的杀虫实验，取得了良好的效果［9-10］。文献档案材质均为纸质，辐照是否会对其产生影响，还没有全面的研究数据支撑［11］。确定适合文献档案辐照的剂量和工艺，辐照技术在纸质文献档案保藏方面将具有广阔的应用前景［12］。

1 材料与方法

纸质文献档案的辐照杀虫灭菌效果与γ射线吸收剂量成正相关，但同时与纸质文献档案质量及经济效益成负相关。能够毁坏纸质文献档案的细菌有曲霉菌、青霉菌、枯草芽孢杆菌（无致病性的安全微生物）等，对纸质文献档案有危害的害虫有烟草甲、毛衣鱼、书虱、花斑皮蠹等［13］。同一吸收剂量下，不同的生物的耐受程度不同，即杀虫灭菌效果不同。本实验选取两种具有代表性的细菌和昆虫作为实验的指标样本。

辐照技术对吸收剂量的控制很重要，剂量过高，可能会给纸张纤维素造成破坏；剂量太低，又达不到应有的杀虫灭菌效果。为了掌握γ射线辐照对纸质文献档案物理性质的影响，对不同纸张、装订线以及不同颜色油墨进行γ射线辐照实验，对辐照前后样品的力学性能进行测试分析。

1.1 样品

纸张：报纸、宣纸、竹纸、皮纸4 种材质纸张。装订物：涤纶线、锦纶线、棉线3 种材料的线。墨迹：红色、蓝色、黑色3种颜色的墨迹。微生物和昆虫：曲霉菌、枯草芽孢杆菌2种细菌（江苏绿科生物），烟草甲、毛衣鱼2 种昆虫（粮食储备仓库及地下室等地方寻找培养）。

1.2 设备

辐照装置（四川省金核辐照技术有限公司）型号：BFT-Ⅳ型。设计装源能力：1.85×1017Bq Co-60；建成后初装源：3.7×1016Bq。生产能力：已装源3.7×1016Bq，产品密度0.1 g/cm3，产品吸收剂量为25 kGy计算，产量为3.8 m3/h（吸收剂量不均匀系数不大于2）。辐照方式：微生物密封在灭菌实验箱中、昆虫装入小烧杯后用纱布封闭，置于辐照箱与图书相同位置。

霉菌恒温培养箱，上海一恒科学仪器有限公司，型号MJ-250-1。恒温恒湿烘箱，上海一恒科学仪器有限公司，型号DH10-9272。显微镜，辽南永新光学有限公司，型号为XSP-24。

耐折度测定仪，杭州纸邦自动化技术有限公司，型号ZB-NZ135A。电子万能试验机，深圳市瑞格尔仪器有限公司，型号RGM-6010。色差分析设备，深圳市三恩驰科技有限公司，型号NH310。

1.3 方法

样品经预设剂量的γ射线辐照后，分别对辐照前后的纸张、装订物、墨迹和选取的微生物和昆虫进行物理、化学以及生物性能测试；进一步经过人工老化模拟自然条件下老化25 a的物理和化学性能变化，测试其性能变化情况。样品人工老化后仅对纸张、装订物、墨迹进行物理化学性能测试，不再对微生物进行检测。实验流程图1所示。

1.3.1 样品辐照

测定实验场所辐射剂量（按辐照室满箱时计算），设定剂量及梯度，确定需要的辐照圈数（控制辐照装置主控时间），吸收剂量由重铬酸钾（银）剂量计测得。将所有实验样品分做若干份（按剂量梯度），每个剂量梯度将所有实验物装一袋并进行编号标记并布放剂量计，分别放置在辐照箱同一位置，按预设剂量进行辐照，吸收剂量梯度依次设定为0 kGy（未辐照）、0.5 kGy、1 kGy、2 kGy、5 kGy、10 kGy。辐照完成后立马取出，放置在干燥，恒温25 ℃的实验柜台上，备测。

1.3.2 样品人工老化

采用国家标准进行湿热老化［14］。设定实验恒温80 ℃，相对湿度65%，连续处理72 h，使实验样品模拟在自然条件下老化25 a，测试其物理和化学性能变化。

1.4 样品性能测试

实验中所有样品的生物检测［15］、纸张力学性能（抗张强度［16］、耐折度［17］）、装订线强伸性能［18］、白度色度［19］均按照国家标准进行测试。（1）将每种生物样品分作若干份（按剂量梯度）进行辐照，检测辐照前后每个剂量梯度样品生物存活数量。（2）样品辐照前，对纸张样品、装订物分别进行力学性能、强伸性能测试，获取数据；对纸张样品、墨迹进行色彩检测，获取数据。（3）样品分作若干份（按剂量梯度）进行辐照，对辐照后每个剂量梯度的纸张样品、装订物进行力学性能和强伸性能测试，获取数据；对辐照后每个剂量梯度的纸张样品、墨迹进行色彩检测，获取数据。（4）对辐照前后每个剂量梯度的纸张样品、装订物分别进行人工老化处理。（5）人工老化后，对辐照前后的每个纸张样品、装订物进行力学性能、强伸性能测试，获取数据；对辐照前后每个纸张样品、墨迹进行色彩检测，获取数据。

2 结果与分析

2.1 辐照灭菌效果

按照国际公认标准，用被处理样品微生物的杀灭率为99.9%来评价其消毒效果。在本实验中，设定当杀灭率达到99.9%时即可满足辐照消毒效果，从而确定最低有效剂量。枯草芽孢杆菌耐辐照性较强，综合考虑γ辐照对枯草芽孢杆菌营养体的损伤［20］（SOD活性及双链断裂）及辐射诱变［21］来讨论其杀灭率。吸收剂量对曲霉菌和枯草芽孢杆菌杀灭率关系如表1所示（吸收剂量为布放剂量计实际测得，下同），当吸收剂量为2 kGy 时，两种细菌杀灭率均达到99.9%以上，当剂量增加到10 kGy时，杀灭率可达到100%。

表1 辐照对曲霉菌和枯草芽孢杆菌的杀灭率Table 1 Bactericidal rate of Aspergillus and Bacillus subtilis irradiated by γ ray

2.2 辐照杀虫效果

辐照生物效应表明，大剂量的辐照能够直接杀灭生物体，而中等剂量的辐照能使昆虫停止进食，不孕不育，所以只要能够停止昆虫生长繁育就达到杀虫目的。在本实验中，设定杀灭率达到70%及以上即可满足辐照杀虫效果，从而确定最低有效剂量。将烟草甲、毛衣鱼装入小烧杯后用纱布密封，与待处理的纸张一同进行预设剂量辐照处理。处理完后静置1 h，用探视针测试昆虫是否已经死亡。不同吸收剂量下烟草甲、毛衣鱼死亡率表2所示。

表2 吸收剂量与烟草甲和毛衣鱼死亡率关系Table 2 Relationship between absorbed dose and mortality of tobacco beetle and ctenolepisma villosa

由表2 可知，当吸收剂量为2 kGy 时，烟草甲、毛衣鱼的即时杀灭率分别达70%和80%，当吸收剂量增加到10 kGy 时，可以立即完全杀灭烟草甲、毛衣鱼。在相同吸收剂量下，毛衣鱼的死亡率要高于烟草甲的死亡率。另外，实验证明，接受了2 kGy及以上吸收剂量的烟草甲、毛衣鱼辐射8 d 后能100%杀灭成虫， 幼虫死亡率也达80%，30 d后经该剂量处理的幼虫全部死亡。

2.3 辐照对纸张性能的影响

按照实验方案对其力学性能进行测试。另外，在一定温度和湿度条件下，纸张的老化会加剧纤维素的不断水解而导致纸张力学性能下降，纸张存放的时间越长，力学性能下降就越明显，最终导致纸张破损。为了检验γ射线辐照后，是否会在日后保藏中加速纸张的降解，对上述辐照前后的样品进行后续对比实验。将辐照处理过的纸张和未进行辐照处理的样品分成两组。在80 ℃恒温，湿度65%实验条件下，连续处理72 h，模拟样品在自然条件下老化。两组样品在标准测量条件下平衡24 h 后，对其抗张强度和耐折度进行测量。力学性能测试表明，辐照处理对纸张性能会产生一定影响，并且影响的程度与吸收剂量有关，如表3、4 和5 所示。辐照处理1 kGy 及以下时，γ 射线尚未对纸张构成明显影响，4种纸质纸张辐照后抗张强度、耐折度和白度变化不大。但随着辐射剂量的增加，4 种纸质纸张的力学性能有所下降，但下降的幅度并不大，不影响图书的使用。接受2 kGy剂量辐照后，与对照组比较，样品老化后抗张强度的保留率均可以达到原样品的85%以上，纸张白度均可达到原样品的80%以上；即使是接受最大吸收剂量（10 kGy）辐照后，老化后抗张强度的保留率仍可以达到原样品的75%以上，纸张白度也能达到原样品的70%以上。因此可以认为，2 kGy及以下的γ射线吸收剂量，不会对图书文献档案等纸质材料造成破坏，也不会加快纸质档案材料在保藏过程中的降解，这为γ射线辐照可应用于纸质图书文献档案材料的杀虫灭菌提供了很好的佐证。

耐折度是检测纸张物理性能的重要项目，但其测量时误差较大，且现代机制纸耐折度本身并不高，故而影响实际测量值，造成测量偏差，因此该值仅作为参考数据，主要还是将抗张强度作为衡量机械性能的参数。

表3 辐照对不同材质纸张人工老化前力学性能的影响Table 3 Irradiation effect on mechanical properties of papers of different materials before artificial aging

表4 辐照对不同材质纸张人工老化后力学性能的影响Table 4 Irradiation effect on mechanical properties of papers of different materials after artificial aging

表5 辐照对纸张白度的影响Table 5 Effect of irradiation on the whiteness of paper

2.4 辐照对装订线的影响

图书文献档案很多是采用装订线装订成册，如果辐照使装订线断裂，将对图书造成破坏，因此需考察γ射线辐照对装订线的影响。本实验选取了常用于书籍装订的涤纶线、锦纶线、棉线三种装订线进行辐照实验，测试了辐照前后及老化后的单线断裂强力，测试结果见表6。

表6 辐照对装订线强伸性能的影响Table 6 Effect of irradiation treatment on the stretching performance of binding line

实验结果显示，经过2 kGy剂量辐照，三种线的单线断裂强力变化不大，老化后单线断裂强力保持在原样品单线断裂强力的90%以上；经过最高吸收剂量（10 kGy）辐照后，涤纶线的单线断裂强力没有发生明显变化，而锦纶线和棉线则显示出一定幅度的下降，但不影响使用，即便老化后单线断裂强力仍保持在原样品单线断裂强力的80%以上，因此可以认为10 kGy 以下吸收剂量不会对图书装订线的使用造成影响。

2.5 辐照对墨迹色度的影响

在纸质图书文献档案材料保藏的过程中，不仅要减少纸张质地、色度以及装订物质量的变化，还要关注纸张上文字、图案、印章等印迹不受影响，才能够维护纸质图书、档案材料原来的状态，体现出其本身的价值。

表7 辐照对墨迹色度的影响Table 7 Effect of irradiation on the chroma of ink

从表7 可以看出，不同墨迹色度经过γ 射线辐照后色泽度有轻微变化，进一步老化后变化不大。经过2 kGy剂量辐照，老化后色度保持在原色度的80%以上，基本和辐照处理之前一样，不影响使用；经过最高吸收剂量（10 kGy）辐照后，辐照后墨迹色度有一定幅度的下降，但老化后墨迹色度仍保持在原色度的60%以上。因此，2 kGy及以下剂量的γ射线辐照处理后纸张上墨迹的变色或淡化变化不大，不影响阅读，也不会对后期保藏造成影响。

3 结论

（1）采用γ 射线进行辐照杀虫灭菌，对曲霉菌、枯草芽孢杆菌、烟草甲、毛衣鱼的最低有效剂量为2 kGy，杀灭率可达到99.9%以上。（2）采用γ射线对纸质图书文献档案进行辐照，纸张的质地、白度均未受到明显影响，印刷墨迹和装订线的单线断裂强力随吸收剂量的加大而下降，但下降幅度不大。剂量2 kGy时，老化后样品各项性能均至少保持在原样品性能的80%，不会对后期的保藏产生不良影响。（3）综合考虑杀虫灭菌的有效性，纸质图书文献档案的安全性，以及辐照服务的经济性，用于纸质文献档案保藏的吸收剂量控制在2 kGy较为合适。