L’autoinoculazione batterica: un nuovo biotrattamento per la conservazione dei monumenti

Uno studio recente presenta un innovativo approccio eco-friendly basato sull’ autoinoculazione  batterica per proteggere e salvaguardare monumenti carbonatici danneggiati da salt-weathering.

Come ormai noto, il riscaldamento globale e l’incremento dell’inquinamento ambientale possono mettere in pericolo la sopravvivenza di monumenti in pietra e di opere d’arte causandone spesso un’alterazione graduale nel tempo. In particolare, il  salt-weathering  è attualmente riconosciuto come uno degli agenti primari di deterioramento dei beni culturali con importanti conseguenze storiche ed economiche. Il danno provocato da questo processo è dovuto principalmente a sollecitazioni meccaniche derivanti dalla cristallizzazione del sale all’interno dei pori.

Per mitigare gli effetti di questi processi deleteri e conservare opere monumentali storiche danneggiate si procede tipicamente alla protezione e/o al consolidamento in situ, applicando polimeri organici, alcossisilani o materiali inorganici che legano i grani sciolti e/o riempiono le crepe. Tuttavia, questi metodi convenzionali di conservazione hanno limitazioni e svantaggi, e, inoltre, alcuni di essi rilasciano sostanze chimiche tossiche.

Già negli anni recenti, la biomineralizzazione batterica, chiamata anche carbonatogenesi batterica, è emersa come metodologia ecologica per la conservazione di monumenti deteriorati, in particolare quelli costituiti da carbonati (come calcare e marmo). Tale metodo di conservazione sfrutta le precipitazioni di carbonato di calcio indotte da batteri per cementare le rocce carbonatiche. Sono due le tecniche usualmente applicate basate sul presente meccanismo le quali, però, hanno evidenziato alcuni limiti : fattori quali , ad esempio, le caratteristiche del substrato in pietra (es. porosità, mineralogia, livello di degradazione), la presenza di sali solubili, il tipo di microrganismo, il carico batterico applicato e la sua interazione con il microbiota indigeno possono condizionare l’efficacia del processo.

Un nuovo biotrattamento

Uno studio recente presenta un innovativo metodo di autoinoculazione batterica che sembrerebbe superare i suddetti ostacoli. Come funziona? Una comunità indigena di batteri carbonatogenici viene isolata dal monumento carbonatico danneggiato, messa in coltura e riapplicata sulla stessa pietra. La chiave di volta del procedimento sta nella produzione di un efficace consolidamento e protezione grazie alla formazione di un cemento ibrido abbondante e forte costituito da CaCObatterico nanostrutturato, da organici ottenuti battericamente e dall’effetto passivante delle sostanze esopolimeriche batteriche (EPS) che coprono il substrato. La validità di questo nuovo metodo di conservazione è stata valutata e comprovata in situ e in laboratorio utilizzando una serie di tecniche analitiche. Il grande vantaggio risiede nel fatto che le specie batteriche carbonatogeniche identificate sono tra le più comuni in opere d’arte e monumenti in pietra in tutto il mondo, e ciò potrebbe consentire un’applicazione diffusa di questo metodo di bioconservazione.

Lo studio

Una comunità batterica indigena è stata campionata e isolata da rocce carbonatiche (calcarenite bioclastica porosa altamente degradata) in un edificio storico (Monastero di San Jeronimo, Granada, Spagna) che aveva subito danni sostanziali dovuti a salt-weathering. Prima del trattamento di autoinoculazione della comunità batterica è stato necessario identificare innanzitutto i batteri coltivabili e valutare la loro capacità carbonatogenica. In laboratorio, i ceppi batterici sono stati identificati utilizzando metodi molecolari, tra cui l’estrazione del DNA genomico seguita da clustering REP-PCR e amplificazione e sequenziamento del gene rRNA 16S. Cinquanta isolati batterici sono stati recuperati dai blocchi di pietra selezionati dal Monastero di San Jeronimo, che si sono raggruppati in 14 diversi gruppi REP, identificati come sette diverse specie appartenenti a tre gruppi filogenetici.

La capacità carbonatogenica della comunità batterica è stata testata dopo l’attivazione con una soluzione nutritiva brevettata (M-3P), progettata per attivare in modo specifico i batteri carbonatogenici nella comunità dei batteri presenti in una roccia. L’intera comunità batterica carbonatogenica è stata poi applicata in situ (autoinoculata) insieme a M-3P sulla stessa pietra da cui è stata isolata. In aggiunta, è stata applicata in laboratorio su substrati di calcite sterili e non trattati per valutare l’evoluzione temporale della formazione e dello scioglimento dello strato di trattamento.

Fig. a) Una panoramica generale del substrato di calcite sottoposto a biomineralizzazione batterica; b) Cellule batteriche (bc) su calcite 17h dopo l’inoculazione; c) Dettaglio delle cellule batteriche e CaCO3 neoformato (freccia); d) Calcificazione iniziale delle cellule batteriche che mantengono la loro morfologia a forma di bastoncino, mentre le cellule non calcificate (contrasto più scuro) collassano durante la preparazione del campione (asciugatura) e l’osservazione; e) Immagine SEM di cristalli calcitici batterici formati dopo 24 ore di incubazione; f) Cristalli di CaCO3 indotti da batteri (Bcc) insieme a EPS e cellule batteriche collassate (EPS + bc) sul substrato di calcite; g) Strutture di calcite batterica formate sul substrato di calcite durante le prime fasi della biomineralizzazione (24h dopo l’inoculazione) ; h) Substrato di calcite completamente ricoperto da calcite batterica dopo 48h; i) Dettaglio delle strutture di carbonato di calcio batterico nanostrutturato mostrato in h.

I risultati

I membri della comunità batterica isolati sono stati identificati come microrganismi comunemente presenti sulle pietre calcaree, così come negli affioramenti naturali di rocce carbonatiche. Tra tutti, per esempio, le specie identificate di Bacillus sono note per svolgere un ruolo importante nella deposizione di carbonati negli habitat naturali, compresi i suoli salini ;le specie di Pseudomonas sono state rilevate, insieme a specie di Bacillus, come parte del microbiota nelle grotte, sui monumenti in pietra e dipinti murali, compresi dipinti nelle grotte paleolitiche; il genere Brevibacterium, i batteri più abbondanti qui identificati, è noto per essere in grado di resistere alle severe condizioni prevalenti sulle superfici di pietra. In accordo con studi precedenti, inoltre, è emerso come i batteri isolati e identificati dal Monastero di San Jeronimo siano alotolleranti ovvero in grado di sopravvivere a concentrazioni saline maggiori del 10%.

Lo studio ha evidenziato come, dal punto di vista microbiologico e di conservazione, questo nuovo biotrattamento di autoinoculazione sia estremamente efficace per la protezione e il consolidamento di pietre calcaree pesantemente danneggiate. Il carbonato di calcio batterico appena formato è meno propizio alla dissoluzione, sia in acqua che in soluzioni saline, dimostrando, per la prima volta, che tale sistema di autoinoculazione produce un rivestimento protettivo valido contro gli agenti atmosferici. L’applicazione di questa tecnica ha anche determinato sulle superfici esaminate una riduzione di microrganismi che producono acidi potenzialmente deleteri e nessun microrganismo dannoso è stato osservato dopo il trattamento.

Angela Chimienti 

 

 

 

Fonti (contenuti e immagini):

Fadwa Jroundi, Mara Schiro, Encarnación Ruiz-Agudo, Kerstin Elert, Inés Martín-Sánchez, María Teresa González-Muñoz & Carlos Rodriguez-Navarro, “Protection and consolidation of stone heritage by self-inoculation with indigenous carbonatogenic bacterial communities”, Nature Communications 8:279, DOI: 10.1038/s41467-017-00372-3

Natural Stone, Weathering Phenomena, Conservation Strategies and Case Studies“, a cura di S. Siegesmund (ed.),Thomas Norbert Weiss,Axel Vollbrecht

https://www.dreamstime.com/stock-illustration-famous-monuments-world-grouped-together-image62858207

 

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