Διερεύνηση των επιδράσεων του περιβάλλοντος Μουσείων και Βιβλιοθηκών σε έργα από περγαμηνή

Abstract

This PhD thesis aims to identify the critical environmental parameters that induce physicochemical changes and alterations in the microstructure of parchment, indicating the risk of irreversible deterioration. The final objective of this research is to determine the appropriate environmental conditions that should prevail in museums and libraries, as well as the criteria based on which decisions will be taken for the management and protection of cultural assets made of parchment.In the framework of this PhD research, the environmental factors affecting the physicochemical properties and microstructure of parchment were investigated. The study employed both artificial ageing (in vitro) and natural ageing of parchment samples in real museum environments (in vivo). The methodology of such an approach was carried out for the first time on an international scale.Accelerated (artificial) ageing was carried out by exposing the parchment samples to selected humidity conditions and air pollutants (NO2 and SO2) for specific intervals. The artificial ageing experiment's main principle was the exposure of the parchment samples to relatively mild conditions, to identify the environmental factors that might lead to parchment degradation.Natural ageing of parchment samples in real museum/library environments was carried out for one, two, and eight years. The museums/libraries chosen to place the parchment samples for natural ageing were the Criminology Museum of the National & Kapodistrian University of Athens, the Historical Museum of Crete, and the Neophytos Doukas Library in Zagori, Ioannina, three museum spaces located respectively in urban, coastal and mountainous environments. The lack of a system of control and management of the indoor environment was a common characteristic of all three museums. In the framework of this research, meteorological data (temperature and relative humidity) were recorded daily for 24 months both inside the Museums (in and out of the showcases) and outside the buildings. In addition, periodic measurements (once every three months) of the NO2 and SO2 air pollutants were taken inside and outside the Museums.The diagnostic methods used to record the physicochemical characteristics and microstructure of the naturally and artificially aged parchment samples, as well as the reference samples, were spectroscopic techniques (ATR-FTIR, RAMAN) which provide information on the microstructure and chemical stability of the parchment, the measurement of the Shrinkage Temperature (Ts) which gives us information on the thermomechanical properties of the parchment, and the measurement of pH as a measure reflecting the effect of atmospheric pollution on the material in question. In addition, immunochemical techniques (ELISA) that have been successfully used in protein analysis in recent years, have been applied on a pilot level. The primary focus of the experimental design in this PhD thesis is the statistical analysis of the environmental and analytical data using specific algorithms. This approach aims to extract the maximum amount of information, as advocated by the field of Chemometrics, which is increasingly being applied in the study, conservation, and management of museum and archival collections.The elaboration and interpretation of the results led to the following main conclusions: - Shrinkage Temperature measurement, which is considered to be the most appropriate method to indicate the onset of physicochemical changes during the ageing process of parchment, showed that even under mild ageing conditions changes in the microstructure of parchment are observed due to the effect of acidic pollutants (NO2 and SO2) combined with high humidity levels. These changes reflect the degradation of the collagen stereostructure which seems to be related to the changes occurring in the aromatic ring of phenylalanine. - The 1540cm-1 peak of FTIR spectra, associated with amide II, is the most reliable in depicting changes occurring during the chemical degradation process of collagen in parchment when exposed to a combination of acidic pollutants and high moisture levels. These changes occur in collagen’s secondary and tertiary structure due to oxidative degradation of its peptide bonds.- Any changes observed during the chemical deterioration of parchment are related to the grain side (G) and not to the flesh side (F). The flesh side retains significant amounts of CaCO3 since parchment production, which helps neutralize the effects of acidic gaseous pollutants such as NO2 and SO2.- Each museum ecosystem affects the physicochemical and structural integrity of parchment differently, depending on the duration of exposure.- The showcases offered protection to the parchment samples in all three museums. - The parchment samples demonstrate a homeostatic mechanism for adaptation to the ageing factors affecting them. Many indicators of ageing observed in the first and second years of parchment’s natural ageing seem to return to the levels seen in the reference samples by the eighth year, provided that environmental factors influencing ageing remain at low levels. This observation merits further investigation.The thesis is organised into six chapters.: An introductory section where, through a literature review, reference is made to the problems that have arisen (mainly) from climate change and directly affect the material sustainability and resilience of museums and libraries. In the same chapter, the structure and composition of parchment, the causes of its deterioration, and its manufacturing technology are presented. Subsequently, the main research projects investigating parchment deterioration and the ageing protocols followed internationally are mentioned. Finally, the purpose of the research and the research design followed are mentioned. The following chapters present the materials and methods used in the thesis. This is followed by the results chapter, discussion, and conclusion, with suggestions for further research. The thesis concludes by presenting all the analytical results per method in five appendices.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή στοχεύει στον προσδιορισμό των κρίσιμων περιβαλλοντικών παραμέτρων που πυροδοτούν φυσικοχημικές αλλαγές και μεταβολές της μικροδομής της περγαμηνής, μετά τις οποίες ελλοχεύει ο κίνδυνος μη αναστρέψιμης φθοράς της. Τελικός στόχος της συγκεκριμένης έρευνας είναι ο προσδιορισμός των κατάλληλων περιβαλλοντικών συνθηκών που πρέπει να επικρατούν σε μουσεία και Βιβλιοθήκες, καθώς και των κριτηρίων βάσει των οποίων θα λαμβάνονται αποφάσεις για τη διαχείριση και προστασία των πολιτιστικών τεκμηρίων από περγαμηνή.Στο πλαίσιο της παρούσας διδακτορικής έρευνας διερευνήθηκαν οι περιβαλλοντικοί παράγοντες που επιδρούν στις φυσικοχημικές ιδιότητες και τη μικροδομή της περγαμηνής, όχι μόνο μέσω της τεχνητής γήρανσης (in vitro) αλλά και μέσω φυσικής γήρανσης δοκιμίων περγαμηνής σε πραγματικά μουσειακά περιβάλλοντα (in vivo), πράγμα που έγινε για πρώτη φορά διεθνώς.Η επιταχυνόμενη (τεχνητή) γήρανση, πραγματοποιήθηκε με έκθεση δοκιμίων περγαμηνής σε επιλεγμένες συνθήκες υγρασίας και παρουσίας αέριων ρύπων (NO2 και SO2) για συγκεκριμένους χρόνους. Βασική αρχή του πειράματος τεχνητής γήρανσης ήταν οι συνθήκες έκθεσης των δοκιμίων να είναι σχετικά ήπιες, ώστε να μπορούν να διερευνηθούν εκείνες οι περιβαλλοντικές παράμετροι που πιθανόν «πυροδοτούν» τους μηχανισμούς γήρανσης της περγαμηνής.Παράλληλα, υλοποιήθηκε φυσική γήρανση δοκιμίων περγαμηνής σε πραγματικά περιβάλλοντα μουσείων/βιβλιοθηκών για ένα, δύο και οκτώ χρόνια. Τα μουσεία/βιβλιοθήκες που επελέγησαν για να τοποθετηθούν τα δοκίμια της περγαμηνής για φυσική γήρανση, ήταν το Εγκληματολογικό Μουσείο του ΕΚΠΑ, το Ιστορικό Μουσείο Κρήτης και η Βιβλιοθήκη Νεοφύτου Δούκα στο Ζαγόρι Ιωαννίνων, δηλαδή τρεις μουσειακοί χώροι που βρίσκονται αντίστοιχα σε αστικό, σε παράκτιο και σε ορεινό περιβάλλον. Κοινό χαρακτηριστικό και των τριών μουσείων ήταν η έλλειψη συστήματος ελέγχου και διαχείρισης του εσωτερικού τους περιβάλλοντος. Στο πλαίσιο της έρευνας καταγράφηκαν επί 24 μήνες σε καθημερινή βάση τα μετεωρολογικά δεδομένα (Θερμοκρασία και Σχετική Υγρασία), τόσο εντός των Μουσείων (εντός κι εκτός προθηκών) όσο και εκτός των κτηρίων. Επιπρόσθετα, ελήφθησαν περιοδικές μετρήσεις (μία ανά τρίμηνο) των αερίων ρύπων NO2 και SO2, εντός κι εκτός των Μουσείων. Οι διαγνωστικές μέθοδοι καταγραφής των φυσικοχημικών χαρακτηριστικών και της μικροδομής των φυσικά και τεχνητά γηρασθέντων δοκιμίων περγαμηνής, αλλά και των δοκιμίων αναφοράς, που χρησιμοποιήθηκαν ήταν οι φασματοσκοπικές τεχνικές (ATR-FTIR, RAMAN) οι οποίες παρέχουν πληροφορίες για τη μικροδομή και τη χημική σταθερότητα της περγαμηνής, η μέτρηση της Θερμοκρασίας Συρρίκνωσης (Ts) η οποία μας δίνει πληροφορίες για τις θερμομηχανικές ιδιότητες της περγαμηνής και η μέτρηση του pH ως ένα μέτρο που αντικατοπτρίζει την επίδραση της ατμοσφαιρικής ρύπανσης στο εν λόγω υλικό. Επιπλέον, σε πιλοτικό επίπεδο εφαρμόστηκαν και ανοσοχημικές τεχνικές (ELISA) οι οποίες έχουν χρησιμοποιηθεί επιτυχώς στην ανάλυση πρωτεϊνών τα τελευταία χρόνια. Ο βασικός άξονας που διατρέχει τον πειραματικό σχεδιασμό της παρούσας διδακτορικής διατριβής, είναι η στατιστική επεξεργασία όλων των παραπάνω αναφερθέντων περιβαλλοντικών και αναλυτικών δεδομένων, βάσει συγκεκριμένων αλγορίθμων με στόχο την εξαγωγή της μέγιστης πληροφορίας, όπως υπόσχεται το πεδίο της Χημειομετρίας που αρχίζει πλέον να βρίσκει εφαρμογές στις επιστήμες Συντήρησης και Διαχείρισης Μουσειακών και Αρχειακών Συλλογών.Η επεξεργασία και ερμηνεία των αποτελεσμάτων οδήγησε στα παρακάτω κύρια συμπεράσματα: •Τα δεδομένα της Θερμοκρασίας Συρρίκνωσης Ts, η οποία θεωρείται ότι είναι η καταλληλότερη μέθοδος για να αποδώσει την έναρξη φυσικοχημικών μεταβολών κατά τη διαδικασία γήρανσης της περγαμηνής, έδειξαν ότι ακόμα και σε ήπιες συνθήκες γήρανσης παρατηρούνται αλλαγές στη φυσικοχημεία και οργάνωση της μικροδομής της περγαμηνής λόγω της επίδρασης όξινων ρυπαντών (NO2 και SO2) σε συνδυασμό με την αυξημένη παρουσία υγρασίας. Οι αλλαγές αυτές αφορούν στην αποδόμηση της στερεοδιάταξης του κολλαγόνου η οποία φαίνεται να συνδέεται με τις μεταβολές που συντελούνται στον αρωματικό δακτύλιο της φαινυλαλανίνης.•Η κορυφή 1540 των φασμάτων FTIR, που συνδέεται με την αμιδική ΙΙ, είναι η πλέον αξιόπιστη στην αποτύπωση μεταβολών που συντελούνται κατά την διαδικασία χημικής φθοράς του κολλαγόνου στην περγαμηνή, σε συνθήκες έκθεσης σε όξινους ρυπαντές παρουσία υγρασίας. Οι μεταβολές αυτές συντελούνται στην δευτεροταγή και τριτοταγή δομή του κολλαγόνου λόγω της οξειδωτικής αποδόμησης των πεπτιδικών δεσμών αυτού.•Οι όποιες μεταβολές παρατηρούνται κατά τη διαδικασία χημικής φθοράς της περγαμηνής, αφορούν στην εχέτριχη επιφάνεια (G) αυτής και όχι στην εχέσαρκη (F), η οποία ως έχουσα κατακρατήσει (σχετικά) μεγάλες ποσότητες CaCO3, από το στάδιο της κατεργασίας της, εξουδετερώνει την δράση των όξινων αέριων ρύπων (NO2 και SO2).•Κάθε μουσειακό οικοσύστημα επιδρά με διαφορετικό τρόπο, συναρτήσει του χρόνου γήρανσης, στη φυσικοχημική και δομική υπόσταση της περγαμηνής.•Γενικά, οι προθήκες παρείχαν ένα βαθμό προστασίας στα δοκίμια περγαμηνής και στα τρία μουσεία. •Διαφαίνεται η ύπαρξη ενός «ομοιοστατικού μηχανισμού προσαρμογής» των δοκιμίων περγαμηνής στους παράγοντες γήρανσης που επιδρούν σε αυτά. Συγκεκριμένα, πολλοί δείκτες γήρανσης που παρατηρήθηκαν κατά τον πρώτο ή/και δεύτερο χρόνο φυσικής γήρανσης της περγαμηνής, φαίνεται να επανέρχονται στα επίπεδα των δοκιμίων αναφοράς κατά τον όγδοο χρόνο, εφ’ όσον οι περιβαλλοντικοί παράγοντες γήρανσης παραμένουν σε χαμηλά επίπεδα. Η συγκεκριμένη παρατήρηση χρήζει περαιτέρω έρευνας.Η διατριβή αναπτύσσεται σε έξι κεφάλαια: Ένα εισαγωγικό όπου μέσω βιβλιογραφικής επισκόπησης γίνεται αναφορά στα προβλήματα που έχουν ανακύψει (κυρίως) από την κλιματική αλλαγή και επηρεάζουν άμεσα την υλική βιωσιμότητα και ανθεκτικότητα μουσείων και βιβλιοθηκών. Στο ίδιο κεφάλαιο, παρουσιάζεται η δομή και η σύσταση της περγαμηνής, τα αίτια φθοράς της, και η τεχνολογία κατασκευής της. Ακολούθως, μνημονεύονται τα κυριότερα ερευνητικά προγράμματα που διερεύνησαν τη φθορά της περγαμηνής και τα πρωτόκολλα γήρανσης που ακολουθήθηκαν σε διεθνές επίπεδο. Τέλος γίνεται αναφορά στο σκοπό της έρευνας και στον ερευνητικό σχεδιασμό που ακολουθήθηκε. Στα επόμενα κεφάλαια παρουσιάζονται τα υλικά και οι μέθοδοι που χρησιμοποιήθηκαν στο πλαίσιο της διατριβής. Ακολουθούν, το κεφάλαιο των αποτελεσμάτων, της συζήτησης, κι αυτό των συμπερασμάτων με τις προτάσεις για περαιτέρω έρευνα. Η διατριβή ολοκληρώνεται με την παράθεση όλων των αναλυτικών αποτελεσμάτων ανά μέθοδο, σε πέντε παραρτήματα.