RICERCA ITALIANA     

Studio, definizione e realizzazione di sistemi microbiologici innovativi ad elevato contenuto biotecnologico, pronti per l’uso, di biopulitura e biorestauro di materiali lapidei di Beni Culturali.

Università degli Studi del Molise

Abstract

Il progetto propone lo studio, la definizione e la realizzazione di innovativi sistemi microbiologici, ad elevato contenuto biotecnologico, pronti per l’uso, di biopulitura e biorestauro di Beni Culturali. Tali sistemi saranno efficaci nella rimozione di alterazioni, facili da applicare e da rimuovere, sicuri per gli operatori e per i reperti, dotati di prolungata attività, quindi conservabilità (durata stoccaggio).
Obiettivo della ricerca è valutare l'efficacia-efficienza in situ di sistemi innovativi funzionali (PRO.BIOTEC.H., Prototipi biotecnologici per i Beni Culturali, Biotechnological Prototypes for Cultural Heritage) su manufatti e opere immobili di elevato pregio storico -artistico affetti da alterazioni quali incrostazioni, croste, depositi, pellicole ed efflorescenze da prodotti di neoformazione quali solfati, nitrati, cloruri, ossalati con possibile presenza di sostanze organiche.
Nell’ambito del progetto la biopulitura e biorisanamento i sistemi innovativi definiti ProBioteCH, verranno confrontati con tecniche di pulitura tradizionali (di tipo chimico) e con i bioformulati complessi già in uso (batteri e carrier, tampone) al fine di valutare in quali casi le biotecnologie microbiche risultino più efficaci e meno invasive. Le bioapplicazioni verranno monitorate nel tempo senza arrecare danno ai manufatti utilizzando tecniche di indagine non distruttive. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Giancarlo Ranalli Università degli Studi del MOLISE

Obiettivo del Programma di Ricerca

Il gruppo proponente intende sviluppare e introdurre sul mercato internazionale prodotti innovativi per il biorisanamento dei beni culturali frutto di esperienze e conoscenze di alto livello scientifico acquisite direttamente sul campo. Nell’ultimo decennio, numerosi interventi di biorestauro e biorisanamento sono stati condotti con successo su prestigiose opere d’arte nazionali ed internazionali di natura lapidea e/o pittorica attraverso collaborazioni nazionali ed internazionali con qualificati gruppi di ricerca appartenenti ad enti pubblici e privati.
Tuttavia, durante le esperienze condotte in situ, alcuni inconvenienti e limiti sono stati riscontrati a causa della complessità di preparazione ed applicazione dei bioformulati. Ciò è dovuto principalmente alla necessità di mettere a punto gli stessi bioformulati solo poco prima dell’applicazione sulle superfici alterate. Inoltre, la complessa preparazione delle formulazioni attuali a base di colture microbiche attive (cellule batteriche vive), idonei carrier (gel a base di resine acriliche), in soluzioni tampone, richiede elevata competenza specifica, da parte degli operatori di settore dei Beni Culturali con risvolti gestionali ed economici non trascurabili, con conseguenti limiti alla diffusione di tali tecnologie su larga scala.
L’idea base del presente progetto pertanto, è lo studio, definizione e realizzazione di sistemi innovativi biotecnologici, arricchiti di microrganismi, pronti per l’uso, ad elevata capacità biopulente per impieghi su superfici alterate di opere d’arte lapidee, nell’ambito dei Beni Culturali. Prodotti finali saranno prototipi biotecnologici realizzati mediante soluzioni compatte, multistrato, a base di microrganismi selezionati, premiscelati in idonea matrice capace di garantirne la vitalità. Verrà garantita l’omogeneità dei componenti all’interno degli strati costituenti i sistemi multistrato (tipo wafer). Inoltre, i sistemi innovativi biotech saranno supportati da fine reticolo di materiale non biodegradabile che offrirà una idonea stabilità meccanica di applicazione su superfici sia orizzontali che verticali, e garanzia di facilitata rimozione finale dalle aree trattate.
I sistemi innovativi definiti ProBioteCH, verranno confrontati con tecniche di pulitura tradizionali (di tipo chimico) e con i bioformulati complessi già in uso (batteri e carrier, tampone) al fine di valutare in quali casi i sistemi biotecnologici microbici risultino più efficaci e meno invasivi. Le bioapplicazioni verranno monitorate nel tempo senza arrecare danno ai manufatti utilizzando tecniche di indagine non distruttive.
Attenzione verrà posta nella fase di confezionamento dei sistemi innovativi funzionalizzati realizzati: verranno infatti definite e proposte soluzioni capaci di garantire condizioni di sterilità, soluzioni sottovuoto, in gas inerte; inoltre, confezioni singole e/o multiple, di diversa forma e dimensioni, per soddisfare esigenze di applicazioni particolari, in relazione alla natura e giacitura dei reperti e delle opere d’arte da trattare.
I prodotti finali della ricerca saranno:
a) Prototipi A1-A3: sistemi multistrati, a wafers, a strip, pronti per l’uso, già arricchiti di microrganismi selezionati;
b) Prototipi B1-B2: sistemi spray, in gel, a base di microrganismi selezionati.

Ulteriore obiettivo sarà l’isolamento, la caratterizzazione e lo sviluppo di nuovi ceppi microbici adattati e specializzati per il trattamento di specifiche alterazioni. In particolare, le ricerche sulle incrostazioni saline da NaCl, permetteranno l’inserimento sul mercato di prodotti innovativi biotecnologici per la rimozione di alterazioni saline di opere d’arte lapidee nell’ambito dei Beni Culturali, presenti in aree costiere del bacino del Mediterraneo.

Il ruolo della ricerca appare imprescindibile: solo la ricerca potrà generare le conoscenze necessarie affinché una strategia di sviluppo degli interventi sui manufatti artistici possa risultare vincente nel tempo, generando prodotti e procedure sempre all’avanguardia in termini di efficacia delle prestazioni, protezione del substrato e contenimento dei costi. <<<

Risultati parziali attesi

I sistemi innovativi microbici ad alto contenuto biotecnologico “ProBioteCH” (Prototipi Biotecnologici per i Beni Culturali) che verranno realizzati, permetteranno la biopulitura efficace e la biorimozione di alterazioni da superfici di manufatti lapidei nel campo dei Beni Culturali. Si procederà con la preventiva caratterizzazione chimica, fisica, mineralogica, e microbiologica delle superfici lapidee e delle alterazioni da trattare per la definizione e messa a punto di metodiche operative preliminari di laboratorio. Saranno realizzati sistemi ProBioteCH altamente specializzati ed adattati alla rimozione mirata di alterazioni specifiche quali efflorescenze di natura salina (nitrati, solfati, cloruri, ossalati), incrostazioni di natura organica ed inorganica, patine ed altre di diversa natura. Saranno isolati, caratterizzati e sviluppati nuovi ceppi microbici adattati e specializzati per il trattamento di specifiche alterazioni.
I sistemi biotecnologici ProBioteCH saranno prima testati e sviluppati in laboratorio su campioni e manufatti lapidei di minor pregio, quindi, verranno trasferiti in situ per sperimentazioni in ambiente aperto in condizioni ambientali non controllate. Le tecniche innovative proposte saranno confrontate ai bioformulati sviluppati precedentemente ed alle tecniche chimico-fisiche tradizionali di pulitura. L’efficacia di pulitura ottenuta con i diversi metodi sarà oggetto di studio e di analisi critica da parte di ricercatori, restauratori ed operatori del settore. Diversi parametri saranno presi in considerazione: efficacia e rapidità di pulitura, facilità d’uso, invasività ed aggressività dei vari metodi, rischio per esposizione di operatori ed ambiente a sostanze tossiche, valutazione dei costi. I prodotti finali della ricerca saranno prototipi biotecnologici pronti per l’uso, ad elevata capacità biopulente e realizzati mediante soluzioni compatte, multistrato, a base di microrganismi selezionati, premiscelati in idonea matrice capace di garantirne la vitalità:
a. Prototipi A1-A3: sistemi multistrati, a wafers, a strip, pronti per l’uso, già arricchiti di microrganismi selezionati;
b. Prototipi B1-B2: sistemi spray, in gel, a base di microrganismi selezionati.

La conferma delle virtù dell’impiego di batteri specializzati, mediante i sistemi innovativi ProBioteCH messi a punto e pronti per l’uso, saranno la riduzione dei tempi di pulizia, l’aumento della sicurezza delle superfici dei manufatti e delle opere d’arte. I sistemi innovativi ProBioteCH definiti esplicheranno l’azione direttamente sulla superficie da trattare anche in ambienti aperti (in loco, in-situ), eliminando il ricorso a tecniche di pulitura tradizionali, alteranti e invasive le superfici.
I sistemi ProBioteCH attuano la biopulitura con tecniche biologiche naturali (batteri selezionati in natura, non OGM). Non contengono xenobiotici, derivati del petrolio o solventi. Non sono tossici per gli operatori del settore e sono senza rischi per l’ambiente.

Risultati disaggregati attesi specifici della ricerca:

• Individuazione e recupero di siti alterati;
• Acquisizione ed approfondimento delle conoscenze dei materiali considerati, soprattutto di quelli che finora hanno ricevuto scarsa attenzione sotto il profilo delle indagine scientifica, e del loro stato di conservazione;
• Ottenimento di sistemi biotecnologici, pronti per l’uso, di rapida e facile applicazione e rimozione e con costi contenuti;
• Messa a punto di prototipi biofunzionali atossici, adattabili a superfici di diversa natura e giacitura con possibilità di conservazione e stoccaggio nel tempo;
• Ottenimento di protocolli di applicazione di cellule vive di batteri ed indicazioni dei casi nei quali tale biotecnologia sia più efficace e meno invasiva delle altre tecniche fisiche, chimiche ed enzimatiche e delle procedure da adottare per l’applicazione in situ;
• Eliminazione delle alterazioni che affliggono molti manufatti lapidei con completo recupero e compatibile destino finale;
• Attività di formazione (training): preparazione professionale di ricercatori e tecnici locali, mettendoli in grado di intervenire in modo autonomo e siano in grado di lavorare nel settore delle biotecnologie applicate ai beni culturali;
• Consolidamento delle collaborazioni già esistenti tra i proponenti e avvio della costituzione di un comitato tecnico-scientifico nazionale permanente;
• Sensibilizzazione dell’opinione pubblica alle problematiche relative alla conservazione dei beni culturali;
• Organizzazione di workshop e seminari divulgativi per la presentazione dei risultati ottenuti con la partecipazione e l’intervento di restauratori ed end-users;
• Pubblicazioni scientifiche a carattere Internazionale e nazionale su riviste specializzate e di settore;
• Brevettabilità; innovazione di processo e di prodotti (sistemi biotech, prototipi pronti per l’uso, procedimenti). <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Tra le patologie presenti su differenti opere d’arte esposte in ambienti aperti (outdoor), sono ben note quelle relative a matrici di natura litoide (pietra, affreschi). I manufatti lapidei esposti in ambienti aperti di aree urbane presentano alterazioni da “croste nere” e da processi di “solfatazione” e “nitratazione” a causa dell’inquinamento atmosferico. Gli ossidi di zolfo ed azoto presenti nell’atmosfera provocano la trasformazione del carbonato di calcio della matrice calcarea in solfati e nitrati di calcio, con conseguente perdita di struttura e maggiore suscettibilità a fenomeni di corrosione (Lal Gauri et al., 1989; Monte M., 2003; Orial et al., 1992; Rivadeneyra et al., 1991, 1994; Salvatori and Realini, 1996).
Attualmente l’impiego di tecniche analitiche di tipo chimico-mineralogico nello studio delle problematiche connesse alla conservazione delle opere d’arte è una realtà consolidata. Il campo di indagine spazia dall’identificazione dei materiali allo studio dei fenomeni che avvengono all’interfaccia con l’ambiente, interpretando i cambiamenti subiti in funzione del tempo e dei fattori di invecchiamento naturale ed antropico al fine di restaurare, conservare e proteggere i beni artistici nella maniera più opportuna. Le trasformazioni che accompagnano i processi di adattamento a tali cambiamenti generano un peggioramento più o meno rapido ed evidente delle caratteristiche originarie del materiale come l’assetto strutturale, morfologico ed estetico ed in definitiva portano a quella che abitualmente chiamiamo alterazione.
Un’interessante alternativa è rappresentata dai metodi biologici che impiegano microrganismi ed enzimi quali agenti di pulitura biologica, di “bio-restauro” di manufatti artistici, che consentono importanti vantaggi rappresentati da interventi soft per i reperti ed una maggior sicurezza ambientale (Cremonesi, 1999). Infatti entrambi riproducono in condizioni ottimali e controllate gli stessi processi biologici che compiono in natura, contribuendo alla chiusura dei cicli biogeochimici della materia ed al mantenimento degli equilibri dinamici degli ecosistemi (Castanier et al., 2000; Atlas et al., 1988; Ferrer et al., 1988; Heselmeyer et al., 1991; Bouquet et al., 1973; Tiano et al., 1996; Rodriguez-Navarro et al., 2000; Zanardini et al., 2000).
L’idea di utilizzare cellule vitali negli interventi di risanamento e conservazione dei manufatti artistici è sostenuta dal fatto che solo una minoranza dei microrganismi noti svolge un ruolo negativo (patogeni alterativi), mentre la grande maggioranza è responsabile di “processi virtuosi” come la rimozione di sostanze organiche non gradite.

BioPulitura di opere d’arte – Beni Culturali (superfici lapidee)
Applicazioni, Vantaggi e Limiti - I prodotti attuali possono essere adoperati per la biopulitura e la rimozione di alterazioni causate da presenza di nitrati dalla superficie sia di manufatti lapidei sia da affreschi e dipinti. Le superfici che possono essere pulite qualora siano presenti composti dell’azoto sia di origine antropica che non, derivanti da depositi del tempo o da residui di passati interventi di restauro, possono essere in pietra (marmo, tufo, laterizio, ecc.), in cemento, in materiali metallici, lignei, ceramici ed altri correlati alle opere d’arte (Tiano, 2003; Capitelli et al., 2007, 2006; Ranalli et al., 2005).
Tali applicazioni basate su bioformulati sono infatti già state testate su diverse forme di alterazioni sia su scala di laboratorio e sia in situ permettendo di ottenere risultati più che promettenti: recenti sperimentazioni condotte su affreschi del Camposanto Monumentale a Pisa (rimozione di una tela tenacemente incollata sullo strato pittorico), e sulla facciata del Duomo di Matera e di Milano (presenza di alterazioni da nitrati e croste nere, rispettivamente) (Capitelli et al., 2005; Antonioli et al., 2005).
Tuttavia, gli stessi ricercatori hanno evidenziato limiti nell’estensione e nell’applicabilità su vasta scala sottolineando l’eccessiva complessità delle bioformulazioni oggi disponibili e nell’esigenza quindi di competenze specifiche da parte del personale al quale è affidato il compito del biointervento (restauratori). Pertanto, allo stato attuale delle conoscenze, l’allestimento dei bioformulati, imponendo una loro preparazione in tempi ravvicinati all’impiego; comporta indiscutibili problemi gestionali ed economici, quindi reali limiti alla diffusione di tali ritrovati su larga scala.

Esperienze
1)Affreschi del Camposanto di Pisa (Biointervento nel 2002)
Conversione di S. Efisio e battaglia (3,5x7,8 m) di Spinello Aretino e Andrea Bonaiuti. Biorimozione di un tenace strato di colla animale. Difficilmente risolvibile con metodi tradizionali di pulitura, sono state brillantemente utilizzate biotecnologie microbiche di biopulitura basate sull’ uso di batteri selezionati ed adattati alla colla ed enzimi proteolitici.
2)Pietà Rondanini di Michelangelo (Castello Sforzesco, Milano) (Biopulitura nel 2004).
Biorimozione di residui di gesso residuali di calchi effettuati in passato. Di difficile soluzione con metodi tradizionali di pulitura meccanica, a causa dei rischi ai quali l’opera sarebbe stata esposta. Sono state utilizzate con successo biotecnologie microbiche di biopulitura basate sull’uso di batteri desulfuricanti veicolati in matrice a basso contenuto residuo di Fe, di gel-carrier (Carbogel).
3) Duomo di Milano (Biointervento nel 2005)
Lunette esterne visibilmente alterate da croste nere ricche in solfati. Applicazione ed Ottimizzazione dell’impiego di batteri anaerobi desulfuricanti veicolati in matrice non contenente ferro, di gel-carrier+addensante (Carbogel + silice micronizzata).
4)Duomo di Matera (Biointervento nel 2003-2004)
Parete esterna alterata da presenza di nitrati: utilizzo di batteri denitrificanti veicolati in matrici organiche (a base di gel-carrier) e minerali (a base di mortar). Confronto tra tesi, monitoraggio microbiologico e chimico. Rimozione finale e Valutazioni.
5)Portale Cattedrale di Popoli (Pescara) (Biointervento nel 2000).
Applicazione su portale esterno visibilmente alterato da croste nere ricche in solfati. Utilizzo di batteri anaerobi desulfuricanti veicolati in matrice a base di idro-gel come carrier. Monitoraggio del processo, rimozione finale del carrier con limiti nella completa rimozione per eccesso di viscosità. Valutazioni complessive.
6)Edifici dell’Ottocento (Riga, Lettonia) (Biointervento nel 2002-2003).
Su indicazione del team di ricercatori proponenti nell’ambito del progetto europeo BioBrush. (Parete esterna alterata da presenza di nitrati: Utilizzo di batteri denitrificanti veicolati in matrici organiche (a base di gel-carrier) e minerali (a base di mortar).Confronto tra tesi, monitoraggio microbiologico e chimico. Rimozione finale e Valutazioni.
7)Teatro di Epidauro (Grecia) (Biointervento nel 2002-2003)
Su indicazione del team di ricercatori proponenti nell’ambito del progetto europeo BioBrush. Parete esterna alterata da presenza di solfati. Utilizzo di batteri desulfuricanti veicolati in matrici organiche (a base di gel-carrier) e minerali (a base di mortar). Prove innovative di bioprecipitazione di calcite. Confronto tra tesi, monitoraggio microbiologico e chimico. Rimozione finale e Valutazioni. <<<