RICERCA ITALIANA     

Biotecnologie microbiche per la pulitura di manufatti lapidei di elevato pregio storico artistico: valutazione dell’efficacia e confronto con metodi di pulitura tradizionali

Università degli Studi di Milano

Abstract

L'ingente patrimonio artistico e architettonico italiano è soggetto a un degrado chimico, fisico e biologico, tanto più problematico nel caso di manufatti esposti all'ambiente esterno. In particolare, i materiali lapidei presentano varie forme di degrado, quali incrostazioni, croste, disgregazioni, polverizzazione, etc. dovute alla formazione di sali, solfati, nitrati e alla presenza di sostanze organiche. Gli inquinanti gassosi SO2 e NOx provocano la trasformazione di carbonato di calcio rispettivamente in solfato di calcio diidrato o gesso e nitrato di calcio, processi chiamati solfatazione e nitratazione. La presenza di sostanza organica è dovuta a precedenti trattamenti di conservazione e al deposito di inquinanti atmosferici. Durante la cristallizzazione del gesso e dei nitrati il particellato carbonioso derivato dai processi industriali di combustione viene inglobato nella matrice dei minerali causando la formazione di croste nere. La nitratazione può inoltre essere dovuta alla risalita capillare di soluzioni contenenti nitrati dal suolo.
Per la pulitura di queste alterazioni vengono comunemente impiegati diversi metodi quali la pulitura meccanica e chimica. Queste tecniche non sempre si sono rivelate del tutto soddisfacenti perché non abbastanza efficaci o troppo invasive. Recentemente è stata proposta una nuova metodologia di pulitura, basata sull'utilizzo di cellule vive di microrganismi opportunamente selezionati e l'utilizzo di sistemi veicolanti gli stessi microrganismi, che è stata testata con successo in laboratorio. Si deve notare che nel caso di manufatti e opere immobili, come i casi studio del presente progetto, gli affreschi rinascimentali del Castello mediceo di Melegnano, e le superfici dei bassorilievi ornamentali del Duomo di Milano, diventa estremamente importante validare e ottimizzare l'impiego delle nuove tecniche di pulitura anche in situ, non solo nell’ambiente controllato di laboratorio. Obiettivo generale del presente progetto è proprio la messa a punto di protocolli biotecnologici per la pulitura di manufatti lapidei in situ. Prima della pulitura i manufatti lapidei e le loro alterazioni verranno caratterizzati chimicamente e microbiologicamente ottenendo informazioni sullo stato di conservazione dell'opera. Successivamente l'efficacia dei metodi di pulitura biotecnologici verrà valutata e confrontata con tecniche di pulitura tradizionali. A questo scopo verranno utilizzati metodi di indagine non distruttivi, particolarmente apprezzati nel settore dei beni culturali perché non arrecano danno alle opere, integrati con tecniche microscopiche e analitiche su microcampioni prelevati dai manufatti. Tra i metodi di indagine non distruttivi, un ruolo primario è occupato dalle tecniche di spettroscopia per immagini, in grado di misurare il parametro di interesse non in un singolo punto di un'opera d'arte, ma su un'area superficiale di interesse: in questo modo, l'interpretazione dei risultati può essere estesa all'intero manufatto in maniera semplice e immediata. Nel presente progetto verrano impiegate la spettroscopia di fluorescenza indotta da luce ultravioletta e la riflettanza diffusa nel visibile che rappresentano due tra gli esempi più significativi di queste tecniche per immagini. Durante le prove di pulitura, l’impiego di queste tecniche di indagine completamente non distruttive sarà finalizzato a definire un indice o un insieme di indici in grado di fornire informazioni quantitative sul grado di pulitura raggiunto. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Claudia Sorlini Università degli Studi di MILANO

Obiettivo del Programma di Ricerca

Il progetto si propone l'ottimizzazione di protocolli biotecnologici per la pulitura di manufatti lapidei in situ. Tali tecniche prevedono l'utilizzo di microrganismi vivi non patogeni opportunamente selezionati e l'utilizzo di sistemi veicolanti gli stessi.
Queste tecniche di pulitura sono già state applicate con successo in laboratorio. Obiettivo del presente programma di ricerca è valutarne l'efficacia in situ su manufatti e opere immobili di elevato pregio storico artistico, come i possibili casi studio del presente progetto: gli affreschi rinascimentali del Castello mediceo di Melegnano e le superfici dei bassorilievi ornamentali del Duomo di Milano, entrambi affetti da degradazione quali incrostazioni, croste, disgregazioni, polverizzazione etc., dovute alla formazione di sali, solfati, nitrati e alla presenza di sostanze organiche.
All’interno del progetto la pulitura microbica verrà confrontata con tecniche di pulitura tradizionali al fine di valutare in quali casi le tecnologie microbiche risultano più efficaci e meno invasive. Le puliture verranno monitorate nel tempo senza arrecare danno ai manufatti utilizzando tecniche di indagine innovative e non distruttive di spettroscopia, come la fluorescenza e la riflettanza per immagini.
Più in dettaglio questa ricerca comprenderà i seguenti obiettivi:
- in primo luogo la messa a punto di protocolli biotecnologici che prevedono l'utilizzo di microrganismi e carrier opportuni e l'ottimizzazione delle modalità di applicazione in situ. Infatti, come già detto, l'efficacia della metodologia che impiega microrganismi desulfuricanti, denitrificanti e eterotrofi degradanti la sostanza organica, è accertata in condizioni controllate, quali quelle che si presentano in laboratorio. Il nostro scopo, a partire da questa base di conoscenze già acquisite, sarà quello di ottimizzare le procedure di impiego in situ. Bisognerà quindi tenere in considerazione le diverse condizioni in cui si andrà ad operare, quali i parametri microclimatici di temperatura e umidità relativa dell'ambiente e delle superfici. Inoltre si dovranno valutare i parametri relativi alle modalità di applicazione dei microrganismi, quali i tempi di applicazione, la densità cellulare nel sistema veicolante e gli spessori dell'impacco. La messa a punto di questi parametri dovrà tenere conto della natura chimico-fisica delle superfici da trattare e dei tipi di degrado presenti su di esse.
- confronto della pulitura microbica con la pulitura tradizionale. Per la pulitura delle degradazioni presenti sulle opere d'arte selezionate in questo progetto, vengono comunemente impiegati diversi metodi quali la pulitura meccanica e chimica. Queste tecniche di pulitura non sempre si sono rivelate del tutto soddisfacenti perché non abbastanza efficaci o troppo invasive. Di conseguenza si andranno a valutare i casi in cui la pulitura microbica risulta consigliabile sia in termine della rimozione di solfati, nitrati e sostanza organica, sia in termini di minore invasività perché non dannose per il substrato lapideo.
- validazione e proposta di inserimento dei metodi di indagine di spettroscopia per immagine tra quelli utilizzati nella diagnostica dei beni culturali nell'ambito della pulitura delle superfici. In particolare, sarà obiettivo del presente progetto valutare le capacità della spettroscopia di fluorescenza e di riflettanza nel monitorare nel tempo la presenza di solfati, nitrati e sostanze organiche. Inoltre si porrà particolare attenzione a definire, a partire dai risultati delle misure di spettroscopia, una "scala di livelli di pulitura" al fine di quantificare l'efficacia del trattamento.
- divulgazione dei risultati scientifici finalizzata a rendere noto alla comunità scientifica sia l'efficacia e le modalità di applicazione dei metodi di pulitura biotecnologici sia l'opportunità di utilizzare metodi di indagine di spettroscopia per immagini in grado di quantificare il grado di pulitura ottenuto. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

L’idea di utilizzare cellule intere vitali negli interventi di recupero e conservazione dei manufatti artistici è nata dalla osservazione che solo una minoranza dei microrganismi noti svolge un ruolo negativo (patogeni e alterativi), mentre la grande maggioranza è responsabile di processi “virtuosi” biogeochimici e di risanamento. L’utilizzo di microrganismi nel campo della conservazione al posto dei tradizionali solventi o di metodi particolarmente aggressivi risulta un’interessante alternativa al loro impiego e può essere rappresentato dai metodi di pulitura biologica o “bio-restauro”. Questa tecnologia, nei casi in cui è possibile applicarla, consente interventi non invasivi per i reperti ed una maggior sicurezza ambientale, riproducendo in condizioni ottimali e controllate gli stessi processi biologici che i microrganismi compiono in natura. A tale riguardo si pensa di applicare questa biotecnologia per la pulitura di monumenti e sculture lapidee così come affreschi affetti da solfatazione, nitratazione e presenza di sostanza organica.

Passando a considerare l'utilizzo di microrganismi nel settore dei beni culturali, in letteratura è riportato il biorisanamento per la rimozione di composti indesiderati (sostanza organica, croste e sali minerali) da manufatti lapidei e da affreschi. A tale riguardo sono stati testati batteri desulfuricanti e denitrificanti per la rimozione di solfati e nitrati dalla superficie delle opere d’arte affette da solfatazione e nitratazione: tali batteri, operando in condizioni di basse tensioni di ossigeno, convertono rispettivamente i solfati in idrogeno solforato ed i nitrati in azoto molecolare (denitrificazione) che vengono liberati nell'aria. Sono riportati studi preliminari basati sull’applicazione di Desulfovibrio desulfuricans su beni mobili rappresentati da una statua in marmo affetta da croste nere nei quali si è ottenuta una parziale pulitura della crosta (Gauri et al., 1989; Heselmeyer et al., 1991; Gauri et al., 1992; Cappitelli et al., 2006). Gli stessi autori in altre sperimentazioni, adottando colture di Pseudomonas stutzeri A29 selezionate in virtù della elevata capacità di effettuare attività denitrificante, in condizioni controllate di anaerobiosi in laboratorio, hanno ottenuto rimozioni medie di nitrati di circa 90% dopo 30 ore a 28°C (Ranalli et al., 1997; 2000). Recentemente sono stati adottati ed applicati batteri selezionati sugli affreschi del Camposanto Monumentale di Pisa, dipinti del XIV secolo dal maestro Spinello Aretino, alterati da un tenace strato di colla animale applicato in passato per strapparli dalle pareti originarie. Una coltura batterica di Pseudomonas stutzeri A29, selezionata in via preliminare in laboratorio sulla base di elevate attività biodegradative verso numerosi composti organici tra i quali colla animale, è stata applicata in sospensione direttamente sugli affreschi alterati ed ha permesso la totale rimozione della colla (Ranalli et al., 2005; Sorlini et al., 2003a). Viene considerata anche un'ulteriore possibilità di applicazione di batteri eterotrofi selezionati al fine di eliminare i composti organici che si depositano sulle superfici dei manufatti lapidei esposti in aree industrializzate e urbane, quali gli drocarburi alifatici ed aromatici. A tal fine si può ricorrere ad alcuni microrganismi che riescono ad utilizzare come substrato di crescita tali composti; sono riportati infatti in letteratura la selezione e l'isolamento direttamente da campioni litoidi esposti per alcuni anni agli inquinanti atmosferici di Milano di colture miste e ceppi batterici in grado di utilizzare idrocarburi alifatici ed aromatici come unica fonte di carbonio ed energia (Daffonchio et al., 2000; Zanardini et al., 2000). Riguardo all’applicazione su manufatti lapidei di batteri desulfuricante, denitrificante, e batteri eterotrofi degradanti gli inquinanti atmosferici, va citato inoltre un progetto europeo concluso di cui il DiSTAM della Facoltà di Agraria dell'Università degli Studi di Milano era partner. Il progetto BIOBRUSH EVK4-2001-00055 dal titolo “Novel approaches to conserve our European heritage: BIOremediation for Building Restoration of the Urban Stone Heritage in European States”, vedeva riuniti università, società private e restauratori di diverse nazionalità (Italia, Inghilterra, Germania, Grecia e Lettonia) con l’obiettivo di rimuovere particolari patologie della pietra mediante l’utilizzo di formulati biologici a base di microrganismi opportunamente selezionati ed immobilizzati su supporti inerti di diverso tipo (Zanardini et al., 2003; Cappitelli et al., 2003; Sorlini et al., 2003b).
Come già detto, per la valutazione dell’efficiacia della pulitura in situ si utilizzeranno principalmente tecniche diagnostiche di spettroscopia per immagini, quali la fluorescenza indotta da luce ultravioletta (UV) e la riflettanza diffusa.
Ci pare opportuno in questa sede ricordare come in anni recenti le indagini scientifiche applicate ai beni culturali si siano indirizzate sempre più a favore delle tecniche non invasive, la cui applicazione in situ permette di ridurre notevolmente il numero di micro-campioni prelevati dal manufatto. Esempi significativi di queste tecniche sono la riflettografia in luce visibile (Balas et al, 2003) e infrarossa (Bacci et al, 2005), la fluorescenza ottica (Comelli et al, 2005) e la fluorescenza X (Fiorini et al., 1999), la spettroscopia vibrazionale (Casadio et al., 2001), la radiografia (Rant et al, 2006), solo per citare le più note e maggiormente utilizzate. Un ruolo particolarmente importante tra queste tecniche è occupato dai metodi di spettroscopia per immagini, quali la fluorescenza indotta da luce UV e la riflettanza diffusa nel visibile, in grado di misurare il parametro di interesse non in un singolo punto di un’opera d’arte, ma in aree di interesse dell’opera d’arte.
L’analisi in fluorescenza di un’opera d’arte viene tradizionalmente effettuata utilizzando una sorgente di luce UV, chiamata lampada di Wood, e il semplice esame visivo dell’emissione o la sua registrazione fotografica; la tecnica è particolarmente indicata per individuare sostanze fluorescenti, non sempre visibili a occhio nudo, quali quelle presenti su ridipinture e restauri (Danilia et al, 2000). In realtà, informazioni quantitative, volte a caratterizzare le sostanze che compongono un’opera d’arte, possono essere ottenute dall’analisi in fluorescenza se alla semplice osservazione qualitativa si sostituisce la misura dei parametri caratteristici di tale emissione, quali lo spettro e il tempo di vita (Lakowicz, 1999). Le sostanze organiche, ampiamente presenti sulle opere d’arte, rappresentano il principale campo di applicazione della fluorescenza: tali sostanze, infatti, emettono un segnale di fluorescenza ben visibile se illuminate da luce ultravioletta. E’ opportuno però sottolineare che anche i composti inorganici possono essere studiati dall’indagine in fluorescenza, grazie all’effetto indiretto che questi materiali hanno sulle proprietà della luce emessa da altri composti.
Negli ultimi anni, i ricercatori dell’UR-2, in collaborazione con i ricercatori dell’istituto ICVBC-CNR, hanno introdotto nell’ambito della Conservazione dei Beni Culturali, una tecnica per immagini che permette di misurare la mappa spaziale del tempo di decadimento della fluorescenza di un’opera d’arte. Tale tecnica, nota in campo internazionale con l’acronimo FLIM (Fluorescence Lifetime IMaging) (Cubeddu et al, 2002), consente un’efficace analisi dei composti fluorescenti presenti su dipinti e su statue. La tecnica proposta sfrutta la combinazione di un laser, in grado di emettere brevi impulsi di luce UV, e di una particolare telecamera intensificata, capace di registrare i fotoni di fluorescenza emessi in un intervallo temporale di pochi miliardesimi di secondi: in questo modo è possibile misurare il tempo di decadimento della fluorescenza in ogni punto della superficie indagata, al fine di discriminare aree caratterizzate dalla presenza di sostanze differenti.
L’applicazione di questa tecnica si è rivelata molto interessante nello studio di importanti cicli di affreschi rinascimentali (il cilco pittorico di Masolino da Panicale a Castiglione Olona e gli affreschi di Filippo Lippi nel Duomo di Prato). La fluorescenza FLIM ha permesso di rivelare sovrammissioni dovute a interventi di restauro (Comelli et al., 2004) e ha consentito di riconoscere le aree degli affreschi dipinte a secco grazie alla consistente presenza di leganti organici. L’applicazione della medesima tecnica al David di Michelangelo presso la Galleria dell’Accademia a Firenze ed alla Pietà Rondanini al Castello Sforzesco di Milano ha permesso di individuare e mappare depositi di natura organica (cera e tensioattivi) e inorganica (ossalati e gesso), presenti sulle statue a causa dell’esposizione agli agenti atmosferici e come conseguenza dei trattamenti conservativi e delle operazioni di calcatura effettuati nel corso dei secoli (Comelli et al., 2005).
Recentemente, l’UR-2 ha iniziato lo sviluppo di un secondo sistema di spettroscopia di fluorescenza per immagini complementare al primo. Il secondo sistema permette di misurare in ogni punto dell’area di interesse lo spettro di fluorescenza delle sostanze presenti in seguito ad eccitazione con luce ultravioletta. Esso è basato sull’utilizzo della stessa sorgente di eccitazione laser, di una telecamera a basso rumore e di un filtro ottico a cristalli liquidi con controllo elettronico della banda passante (Morris et al, 1994). In questo modo, accanto alla misura del parametro tempo di vita, viene fornita la misura del secondo parametro che caratterizza un’emissione di fluorescenza, ossia il suo spettro; l’identificazione e la caratterizzazione delle sostanze presenti sull’opera d’arte in studio risulta quindi fortemente rafforzata.
Infine, l’UR-2 ha recentemente sviluppato un sistema per immagini di riflettanza diffusa nel visibile; anche questo sistema sfrutta l’utilizzo di una telecamera a basso rumore accoppiata al filtro ottico a cristalli liquidi; l’illuminazione della superficie di interesse in questo caso è fornita da due lampade alogene. Tale sistema permette di misurare su una superficie di interesse lo spettro di riflettanza di ogni punto; dai dati raccolti è poi possibile ricostruire la mappa spaziale delle coordinate cromatiche della superficie e in ultima analisi l’immagine RGB del manufatto. Questo terzo sistema è particolarmente utile durante interventi di restauro, poiché permette di valutare quantitativamente i cambiamenti dell’aspetto superficiale di un’opera d’arte indotti dai trattamenti effettuati. In particolare, nel caso dei trattamenti di pulitura, i cambiamenti cromatici, correlati alla rimozione di particolari sostanze di degrado o di precedenti interventi di restauro, risultano molto significativi. Generalmente, durante un trattamento di pulitura vengono monitorate nel tempo le variazioni delle coordinate di tristimolo L*a*b* nel sistema CIELab. Il sistema di riflettanza proposto dall’UR-2 è particolarmente interessante poiché permette di valutare, oltre alle variazioni di questi parametri, anche gli effettivi spostamenti spettrali. Inoltre, le caratteristiche di “imaging” dello strumento consentono di apprezzare in maniera quantitativa l’omogeneità cromatica di aree superficiali contigue durante la pulitura, risultato che non può essere raggiunto facilmente con un semplice colorimetro o con uno spettrometro puntuale. <<<