Custos Mucoris: Bewertung verschiedener Beleuchtungsquellen für die Qualität von Schimmelaufnahmen in Kulturgütern

Projekt DBU 35604 Entwicklung und modellhafte Anwendung einer Systemplattform zur automatischen Detektion von durch anthropogene Umwelteinflüsse verursachter Schimmelbildung an Kulturgütern mittels künstlicher Intelligenz

 

Hier: Schimmelpilznachweis mit unterschiedlichen Lichtquellen

 

Aufgrund von Hinweisen in der Literatur wurden für die Aufnahmen unterschiedliche Lichtquellen ausgewählt, um den Schimmel möglicherweise durch Lichteffekte, wie Fluoreszenzen besser sichtbar zu machen. So berichtete /Wooley 18/ über Fluoreszenzen bei unsichtbarem Schimmel in Wohnungen unter Verwendung von Schwarzlicht bei seitlicher Anstrahlung. Im DBU Abschlußbericht zum Schimmelbefall an Orgeln wird über Fluoreszenzen bei Schimmel berichtet. Weitere Untersuchungen wurden aber nicht gemacht /Henning 18/. In /Degand 20/ wird über fluoreszierende Schimmelpilze berichtet. Daher wurden als Lichtquellen sichtbares Licht (VIS), Infrarot (IR bei 950 nm) und in den ultravioletten Bereichen UV (bei 365 nm) und UV-C Strahlung (bei 282 nm) ausgewählt.

 

Die Aufnahmen von  Schimmelpilzen an unseren Kulturgütern geben ein unterschiedliches Bild in Bezug auf die Wirksamkeit und Aussagekraft der verschiedenen Beleuchtungsquellen:

Das folgende Bild zeigt Schimmel auf der Rückseite eines Holzaltars. Die Sichtbarkeit des Schimmelpilzes ist bei VIS-Beleuchtung eher besser als bei Beleuchtung mit UV.

Bildqualität bei Beleuchtung des Schimmels mit VIS und UV

Das nächste Bild zeigt einen Vergleich zwischen UV-C und IR ohne erkennbare Bevorzugung einer der beiden Lichtquellen:


Bildqualität bei Beleuchtung des Schimmels mit UV- und IR

Das nächste Bild zeigt einen Vergleich der Beleuchtung mit VIS, dann UV, dann UV-C und dann IR.

Vergleich der Bildqualität von Schimmel bei Beleuchtung mit VIS, UV, UV-C, IR

Während UV-C und IR keine Verbesserung der Erkennbarkeit der Schimmelstrukturen liefern, scheint es Situationen zu geben, wo die Strahlkraft mit UV-Beleuchtung etwas besser als im VIS-Bereich ist. 

Das folgende Bild zeigt eine Situation, wo UV definitiv bessere Bildqualität liefert als VIS:

Vergleich der Bildqualität von Schimmel mit definitiv besserem Ergebnis bei UV-Beleuchtung

Das folgende Bild zeigt eine Situation, wo UV definitiv bessere Bildqualität liefert als VIS:


Das nachfolgende Bild zeigt ein ähnliches Ergebnis bei Beleuchtung mit VIS, dann UV, dann UV-C und dann IR:


Qualität von Fotos von Schimmel mit unterschiedlicher Beleuchtung mit definitiv besserem Ergebnis bei UV

Auch hier zeigt sich, daß UV-C und IR keine Vorteile bringt. Allerdings bringt in dieser Situation die UV-Beleuchtung mehr Sichtbarkeit als die VIS-Beleuchtung. Es scheint also Situationen zu geben, wo UV-Strahlung eine bessere Sichtbarkeit von Phänomenen ergibt, die sehr nach Schimmelpilzen aussehen. Bei anderen Situationen ist das aber  nicht so. 

 

Um mehr darüber zu erfahren, unter welchen Bedingungen Schimmel fluoresziert, wurde eine Literaturrecherche durchgeführt.

Schimmelpilzanalytik

In der mikrobiologischen Analytik können grundsätzlich 2 Prinzipien unterschieden werden, die sehr gut in dem Buch von Judith Meider dargestellt werden /Meider 16/:

Mikroskopische Analysen und die Anzüchtung von Mikroorganismen auf Nährmedien.

Die mikroskopischen Analysen haben den Vorteil schnell zu einem Ergebnis zu kommen, können aber nicht alle Schimmelpilze namentlich benennen. Die Anzüchtung von Mikroorganismen auf Nährmedien hat den Vorteil, dass die einzelnen gewachsenen Arten taxonomisch (namentlich) bestimmt werden können. Nachteilig ist die längere Laborzeit für die Anzüchtung.

Proben können mit 3 Analysemethoden untersucht werden:

·         Bestimmung der Gesamtzellzahl (GZ)

·         Bestimmung der biochemischen Aktivität oder Stoffwechselaktivität (BA)

·         Anzüchtung Kolonie bildender Einheiten (KBE)

Für die Bestimmung der Gesamtzellzahl (GZ) ist die Anfärbung der Mikroorganismen mit einem speziellen Farbstoff erforderlich. Dieser Farbstoff setzt sich an die DNA einer Zelle und markiert diese. Sie werden durch Fluoreszenz im Mikroskop sichtbar. Hierdurch können Schimmelpilzsporen, Myzel und Bakterien getrennt gezählt werden.

Für die Bestimmung der biochemischen Aktivität (BA) oder Stoffwechselaktivität wird die Einfärbung mit Fluoresceindiacetat (FDA) durchgeführt. Diese Methode gibt Auskunft darüber, ob lebende Zellen in der Probe vorhanden sind, also der Schimmel aktiv ist. Diese Untersuchung wird wiederum im Fluoreszenzmikroskop durchgeführt. Absorptions- und Emissionsspektrum von FDA sind in folgendem Bild gezeigt:

 

Abbildung 1 Quelle: https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/F1303#/F1303

Für die Anzüchtung koloniebildender Einheiten (KBE) werden die Mikroorganismen auf einem Nährmedium (Agar) angezüchtet. Schimmelpilze haben unterschiedliche Anforderungen an das Agar. Die keimfähigen Schimmelpilze, Sporen, Myzel Stücke keimen aus und bilden ein Myzel, welches wächst und für das menschliche Auge sichtbar wird. Das gewachsene Myzel wird als Kolonie bezeichnet. Sie werden nach einer Woche Wachstum ausgezählt und differenziert, um die Art des Schimmels zu bestimmen. KBE liefert der Analytik die besten Möglichkeiten, Schimmelpilze taxonomisch zu differenzieren. Auf dem Agar wachstumsunwillige Schimmelpilze werden aber nicht erkannt. Nachteilig ist, dass Ergebnisse erst eine Woche später vorliegen.

 

GZ, BA und KBE erfordern eine Verarbeitung des Schimmels in wässrigen Lösungen und auf Nährböden.

Biolumineszenz-Schnelltest

Ein wichtiges Hilfsmittel für einen Schnelltest ist der Lumitester, der in /Meier-Wolff 11/ beschrieben wird. Dieser Test macht sich die Biolumineszenz von Luciferin-Luziferase (Leuchtkäfer) zunutze. Mit Hilfe dieses Substrat-Enzym-Systems lässt sich das AMP und ATP aus Bakterien und Schimmelpilzen und anderen Mikroorgansimen bestimmen. Luciferin wird durch das Enzym Luziferase unter ATP-Verbrauch zu AMP, Oxyluciferin und Kohlendioxid abgebaut. Das bereits vorhandene AMP wird durch das ebenfalls beigemischte Pyruvat vorab zu ATP umgewandelt. Die Stärke der Biolumineszenz ist dann ein Maß für die Gesamtzahl der lebenden und abgestorbenen Schimmelpilze. Dieser Test, der ursprünglich für das Gesundheitswesen und die Lebensmittelindustrie entwickelt wurde, fand ca. 2011 Eingang in den Bereich Kulturgut (Meier-Wolff 11). Der Referenzwert, ab dem eine Oberfläche als sauber/nicht sauber zu bezeichnen ist, liegt hier natürlich höher und beruht auf Untersuchungen und Einschätzungen von Meier-Wolff 11. In /Hammer 14/ werden anhand von Lumitester-Wertenweitere Klassifikationen der Befallsstärke und -beurteilung beschrieben. Diesen sind eine große Anzahl an Untersuchungen und Parallelmessungen mit anderen Methoden vorausgegangen. Mit diesem Verfahren kann der aktuelle Befall der Objekte und Räume und die Wirksamkeit von Maßnahmen zum Schutz der Kulturgüter nachgewiesen werden. Ausführliche Beispiele sind hier ebenfalls dokumentiert. Eine Bedienungsanleitung des Lumitesters adaptiert für den Bereich Kulturgut findet sich in /Hammer 15/. Wichtig bei diesem Verfahren ist, daß in wenigen Minuten ein Ergebnis vor Ort gewonnen wird. Mit einem trockenen Teststäbchen (Swab) wird über eine definierte Fläche von 10 cm² gestrichen. Alles darauf vorhandene ATP (in lebenden Keimen) und AMP (in ruhenden und toten Keimen) wird mittels des Leuchtkäfer-Enzyms in flüssiger Lösung in Licht umgewandelt, welches innerhalb von 10 s am Lumitester in RLU (= relative light Units) ablesbar und quantifizierbar wird.

Die weitere Literaturrecherche ergab sehr viele Literaturquellen, die mehr oder weniger eine Vorbehandlung des Schimmels in Lösungen oder ähnlichem erforderte. Dies waren ca. 90% der auffindbaren Literaturstellen. Sie werden hier nicht genannt, können jedoch auf Wunsch gerne zugeschickt werden.

Weitere Literaturrecherche

Die Reduktion der Literaturrecherche auf für dieses Projekt relevante Quellen wurde dann durch folgende Randbedingungen durchgeführt:

·         Am Ort des Sensors ist kein Mikroskop verfügbar sein.

·         Da die Messungen on-line und in Echtzeit erfolgen sollen, ist ein Mixen und Mischen mit anderen Substanzen voraussichtlich nicht möglich, es sei denn dies kann vollautomatisch zu äußerst geringen Kosten passieren und ist darüber hinaus auch noch wiederholbar ohne externen Austausch von Stoffen.

·         Die Lichtquelle zur Erzeugung von Fluoreszenz muß klein, billig und batteriebetrieben sein.

 

Ein sehr guter, ausführlicher und sehr gut beschriebener Überblick über die Fluoreszenz von Kulturgütern findet sich in /Measday 17/ mit dem Titel:

“A summary of ultra-violet fluorescent materials relevant to Conservation”.

Hier findet man alle Informationen und Referenzen z.B. von Kulturgütern aus Porzellan, Glas, Stein, Elfenbein, Knochen, Metall, Holz, Textil, Kleber, Beschichtungen und vieles mehr. Unter anderem wird hier auch Schimmel kurz erwähnt mit einer weiteren Literaturstelle /Florian 97/ zu „Heritage Eaters – Insects and Fungis in heritage collections“. Hier werden zwar Fluoreszenzen auf Papier des 19. Jahrhunderts beschrieben, aber leider kein Nachweis, dass dies auf Schimmelpilze zurückzuführen ist. Auch andere Medien fluoreszieren und daher könnte es möglich sein, daß Vertauschungen der Aussagen vorkommen. /Gram00/ berichtet über Fluoreszenzen von unsichtbarem Schimmel auf Papier. In /Becca 12/ wird Botrytis auf Weintrauben mit UV-Fluoreszenz erkannt. /Floyd 16/ schildert Fluoreszenzemissionen unter UV-LED-Bestrahlung von angeschimmeltem Mais für eine Sortieranlage. Im DBU Abschlußbericht /Köhler 18/ wird über Fluoreszenzen von Kristallen in Marmor berichtet. Andreas Rapp /Rapp 19/ berichtet auf der Grazer Pilztagung über optische Bauforensik zur Aufklärung von Bauschäden. Hier wird unter anderem die Fluoreszenzanalyse auch zur Erkennung von Schimmelschäden an Bauwerken eingesetzt.

Zusammenfassung der Recherche

Die Literaturrecherche ergibt ein uneinheitliches Bild. Während Fluoreszenzen bei UV-Beleuchtung in der Nahrungsmittelindustrie ein durchaus gängiges Verfahren sind, entsteht hier bei den in Kirchen und Museen vorhandenen Kulturgütern eher der Eindruck, dass vieles bei UV-Beleuchtung anfängt zu fluoreszieren, aber nur der Schimmel nicht /Measday 17/. Dort wo auf die Fluoreszenz von Schimmel eingegangen wird, wird gleichzeitig gesagt, daß die Ursache der Fluoreszenz nicht eindeutig auf Schimmel zurückführbar ist, daß das Phänomen nicht eingehender untersucht wurde und manchmal ist es auch ein wenig unglaubwürdig, was dort behauptet wird. Lediglich /Rapp 19/ berichtet vom erfolgreichen Einsatz der Fluoreszenzanalyse in Bauwerken.

 

Schlußfolgerungen

Eigene Untersuchungen zeigen jedoch, daß es Fälle gibt, wo UV im Einsatz für Schimmel an Kulturgütern durchaus Vorteile hat. Als Lichtquellen werden UV-C und IR gestrichen. Sie bringen kein besseres Ergebnis. Die VIS- und UV-Beleuchtung wird aufrechterhalten, da es Unterschiede bei verschiedenen Objekten gibt.

Trotzdem hat diese Untersuchung für die Vorgehensweise auch wichtige Hinweise ergeben:

In diesem Forschungsprojekt soll ein Frühwarnsystem entwickelt werden, welches Schimmelentstehung in der frühen Phase per digitaler Kamera und neuronaler Netze automatisch erkennt und vorwarnt.

Ist der Betreiber dann vom System gewarnt worden, so kann er im nächsten Schritt den Lumitester /PCE 20/ einsetzen, um sehr schnell eine Aussage zum Ausmaß des Schimmelbefalls zu machen. Anschließend steht dann die genaue Untersuchung in der Schimmelpilzanalytik und die Beseitigung des Schimmelpilzes an.

Vorgehensweise, Praxisbeispiele, Sanierungsvorschläge und Überwachung der Sanierung sind sehr gut in /Meider 16/ für Gebäude beschrieben. Die Reinigung von schimmelbefallenen Oberflächen von Kulturobjekten wird detailliert von Astrid Hammer beschrieben /Hammer 17/, die in Ihrer Veröffentlichung auch konkrete Handlungsanweisungen für das Vorgehen gibt:

1. Erkennen

2. Handeln

3. Kontrolle

4. Nachsorge / Prävention

 

Literaturverzeichnis

Becca, 2012. Using UV-fluorescence to Detect Grey Mold (Botrytis cinerea) Infections: Possible Implications for Field Detection Technologies, s.l.: http://www.academicwino.com/2012/05/using-uv-fluorescence-to-detect-grey.html/.

Degand, M., 2020. Fluoreszierende Schimmelpilze, Weimar: https://www.uni-weimar.de/kunst-und-gestaltung/wiki/GMU:Art_out_of_living_matter/Maria_Degand.

Florian, M.-L., 1997. Heritage Eaters - Insects and Funghi in Heritage Collections, Malta: Interprint Limited.

Floyd, A., 2016. What If Aflatoxin Glowed? New Technology Makes Toxin Visible for No-Cost Testing, Georgia: https://www.agrilinks.org/blog/what-if-aflatoxin-glowed-new-technology-makes-toxin-visible-no-cost-testing.

Gram, 2000. The Use Of Ultraviolet Induced Visible-Fluorescence In The Examination Of Museum Objects, Part II, s.l.: National Park Service.

Hammer, A., 2014. Einsatz des Lumitesters zur Quantifizierung des Schimmelbefalls an Kulturgut, Wien: interne Mitteilungen.

Hammer, A., 2015. Bedienungsanleitung Lumitester PD-20, Wien: interne Mitteilung.

Hammer, A., 2017. Reinigung von Schimmelbefallenen Oberflächen, München: Eipper, P.-B.: Handbuch der Oberflächenreinigung. München 2017.

Henning, I. C., 2018. Ursache des Schimmelbefalls an Orgeln, Sachsen: DBU Abschlußbericht AZ 31242-45.

Köhler, W., 2018. Entwicklung zerstörungsfreier Untersuchungsmethoden anthropo-gen bedingter biogener Oberflächenveränderungen von Mar-morskulpturen am Beispiel von ausgewählten Objekten der Park-anlagen von Schloss Sanssouci und Schloss Rheinsberg (AZ 32866/01), Potsdam: DBU AZ 32866.

Measday, D., 2017. A summary of ultra-violet fluorescent materials relevant to Conservation, Victoria: https://aiccm.org.au/national-news/summary-ultra-violet-fluorescent-materials-relevant-conservation.

Meider, J., 2016. Schimmelpilzanalytik, Köln: ISBN 978-3-481-03374-3.

Meier-Wolff, C., 2011. Biolumineszenz –Biomonitoring bei Schimmelpilzbefall und Dekontamination, Berlin: http://www.microconservation.de/fileadmin/data/Links/Biolumineszenz_in_der_Schimmelpilzbehandlung.pdf.

PCE-Instruments, 2020. Luminometer Lumitester PD-20, Meschede: https://www.warensortiment.de/datenblatt/datenblatt-luminometer-lumitester-pd-20.pdf.

Rapp, A., 2019, Grazer Pilztagung, Optische Bauforensik zur Aufklaerung von Bauschaeden

Wooley, A., 2018. How To Detect Mold With A Blacklight, s.l.: https://enviroklenz.com/how-to-detect-mold-with-blacklight/.

 

Danksagung:

Diese Arbeiten werden von der DBU gefördert unter Aktenzeichen 35604/01 "Entwicklung und modellhafte Anwendung einer Systemplattform zur automatischen Detektion von durch anthropogene Umwelteinflüsse verursachter Schimmelbildung an Kulturgütern mittels künstlicher Intelligenz". Wir bedanken uns an dieser Stelle nochmals herzlich für die Förderung des Projektes.

Ansprechpartner: 
Michael Robrecht und Markus Böger, iXtronics GmbH, Paderborn
Hans Daams, Hajuveda Heritage, Monschau

Direktkontakt: 
hans.daams@hajuvda.solutions
michael.robrecht@ixtronics.com
markus.boeger@ixtronics.com

Webadressen: 
https://www.hajuveda.solutions
https://ix.ixtronics.com/de/

Blog: 
https://custosaeris-d.blogspot.com





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