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 meccanismi 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, senza contare che alcuni di essi rilasciano nell’ambiente 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 sistema sfrutta le precipitazioni di carbonato di calcio indotte da batteri per cementare le rocce carbonatiche. Le due tecniche usualmente applicate hanno però evidenziato alcuni limiti : 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 infatti 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 testata 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 su scala mondiale, e ciò potrebbe consentire un’applicazione diffusa di questo metodo di bioconservazione.

Lo studio

Lo obiettivo del progetto era sperimentare l’autoinoculazione batterica su un edificio storico (Monastero di San Jeronimo, Granada, Spagna) con danni sostanziali dovuti a salt-weathering (calcarenite bioclastica porosa altamente degradata). Il primo step ha visto il campionamento e l’isolamento dalle rocce carbonatiche della comunità batterica indigena, per poi andare a individuare i batteri coltivabili e valutare la loro capacità di produrre carbonato di calcio. 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.

La capacità carbonatogenica della comunità microbica è stata testata solo successivamente, grazie all’applicazione di una soluzione nutritiva (M-3P) progettata per attivare in modo specifico i batteri carbonatogenici presenti in una roccia. La comunità batterica è stata poi autoinoculata in situ, insieme a M-3P, sulla stessa pietra da cui era stata isolata in precedenza. In aggiunta, la stessa 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 (figura 1).

Figura 1: 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 isolati sono stati identificati come microrganismi comunemente presenti sulle pietre calcaree, così come negli affioramenti naturali di rocce carbonatiche. Tra tutti, le specie identificate del genere 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 sui dipinti murali, compresi dipinti nelle grotte paleolitiche; il genere Brevibacterium, i batteri più abbondanti qui individuati, 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 tutti questi microrganismi siano alotolleranti (in grado di sopravvivere a concentrazioni saline maggiori del 10%).

Lo studio ha evidenziato come questo nuovo biotrattamento sia estremamente efficace per la protezione e il consolidamento di pietre calcaree pesantemente danneggiate. Il carbonato di calcio batterico appena formato sarebbe, di fatto, meno propizio alla dissoluzione, sia in acqua sia in soluzioni saline, dimostrando che l’autoinoculazione produce un rivestimento protettivo effettivamente valido contro gli agenti atmosferici.

 

 

                                                                                                                                                          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 (immagine in evidenza)

 

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