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Restauro a Firenze

Batteri restauratori: microrganismi al servizio dell’arte.

DOI 10.12910/EAI2021-065

Focus - L'innovazione per migliorare il nostro presente e il nostro futuro - ENEA per la scuola secondaria di primo grado

di Giada Migliore e Flavia Tasso, Laboratorio di Osservazioni e Misure per l’ambiente e il clima, ENEA

L’ENEA ha messo a punto una tecnologica innovativa basata sull’utilizzo di batteri, per restaurare le opere d’arte. I batteri-restauratori provengono dalla Collezione ENEA, che si trova nel Centro di Ricerche della Casaccia e ospita circa 1.500 microorganismi. Il bio-restauro consente di fornire un’alternativa rispettosa dell’ambiente e della salute degli operatori all’utilizzo di prodotti chimici e si è rivelato molto efficace per il recupero di opere importanti conservate, ad esempio, nella Galleria Nazionale di Arte Moderna, a Palazzo Farnese, nei Musei Vaticani, a Roma, e nelle Cappelle Medicee a Firenze.

In questo articolo vi presentiamo due figure professionali molto affascinanti che, lavorando in stretta collaborazione, stanno sviluppando un nuovo modo di aiutare le opere d’arte, nel rispetto dell’ambiente, della salute degli operatori e del bene artistico: il restauratore ed il microbiologo. Il restauratore è un esperto che, con competenza e manualità, interviene nel risanamento dell’opera per ricondurla al suo antico splendore, rispettando il suo significato originale e la sua maturazione nel tempo. Come un vero detective, il restauratore risale alla tecnica e ai materiali usati dall’artista, indaga sullo stato di conservazione con metodi scientifici, analizza le cause e gli effetti che hanno danneggiato l’opera, e, alla fine, interviene con il restauro (pulisce, consolida, stucca le lacune, esegue il ritocco pittorico) e controlla, periodicamente ,lo stato di conservazione del bene nel tempo.

Il microbiologo è un biologo che si è specializzato nello studio della struttura, delle attività e del ruolo che rivestono in natura i microrganismi procariotici (batteri e archea), eucariotici (protozoi, funghi e alghe) ed i virus. Si occupa anche della loro identificazione e studia i loro rapporti con altri organismi. Inoltre, il microbiologo indaga l’utilizzo dei microrganismi per diversi scopi, alcuni anche molto importanti, come la diagnosi di patologie infettive; i processi svolti da microorganismi che possono essere sfruttati in ambito industriale, agricolo, ambientale e di sanità pubblica e, non ultimo, nel controllo di qualità di alimenti, acque, ambiente e farmaci.

La sintonia fra restauratore e microbiologo

La cooperazione tra microbiologi e restauratori nasce dal fatto che i restauratori, per riportare le opere al loro antico splendore, devono utilizzare ogni giorno sostanze pericolose che possono avere effetti tossici per la loro salute e danneggiare l’ambiente e le opere d’arte a causa della loro aggressività. La microbiologia può venire in loro aiuto. I batteri sono microrganismi unicellulari che non riusciamo a vedere se non al microscopio, ma che condizionano molti aspetti della vita sulla Terra. Essi sono in grado di degradare le sostanze organiche fino a liberare nell’ambiente molecole semplici utilizzabili dagli altri esseri viventi. Il loro ruolo è fondamentale: senza i batteri decompositori le sostanze che permettono la vita non sarebbero più disponibili nell’ambiente. Proprio per questo, i batteri sono capaci di ‘mangiare’ tantissime sostanze diverse. È grazie a questa capacità che possono venire in aiuto delle opere d’arte. Quando il restauratore si trova, per esempio, a dover rimuovere un deposito che ha danneggiato un’opera, prima cerca di sapere di che sostanza si tratta attraverso analisi chimico-fisiche, poi decide con quale prodotto pulire l’opera.

I microbiologi dell’ENEA hanno isolato batteri da habitat molto diversi (da ambienti inquinati a siti archeologici) e possono fornire ai restauratori un’alternativa bio ai prodotti che normalmente vengono utilizzati (Fig.1). I batteri sono raccolti e conservati in una sorta di ‘banca-ceppi, chiamata Collezione ENEA, associata a Mirri-IT (Microbial Resource Research Infrastructure Italian node), composta da circa 1.500 tra batteri, funghi, alghe e virus. In risposta alle richieste dei restauratori, i ricercatori possono facilmente scegliere dalla raccolta uno o più batteri che hanno caratteristiche utili, rivitalizzarli e coltivarli in numero sufficiente per trattare l’opera.

In base alla natura del deposito da rimuovere, i microbiologi selezionano dalla loro collezione i batteri in grado di ‘mangiare’ quel deposito e preparano dei micro-pack, ovvero degli impacchi di cellule microbiche che il restauratore applica sulla superficie da restaurare. Questi prodotti microbici sono selettivi verso i depositi da rimuovere (sanno scegliere che cosa ‘mangiare’), rispettosi del materiale originario, e di facile impiego, poiché non richiedono condizioni operative particolari; sono, inoltre, innocui per gli operatori considerato che le cellule microbiche impiegate non sono patogene, e non inquinano visto che i loro prodotti sono biodegradabili. I batteri si sono rivelati efficacissimi nel restauro di molte opere (Galleria Nazionale di Arte Moderna, Galleria dei Carracci a Palazzo Farnese, Musei Vaticani, Casina Farnese) e la procedura sviluppata è oggetto di brevetto Europeo ENEA (n°W02015040647A1)(Fig.2).

Come si scelgono i batteri da applicare sull’opera?

Per scegliere i batteri da utilizzare in ogni caso applicativo, sono disponibili diversi metodi, ciascuno dei quali viene svolto in laboratorio prima di passare all’applicazione sull’opera (Fig.3).

Per la degradazione di una patina organica (idrocarburi, proteine, cere e grassi etc.), il metodo più immediato è quello di far crescere i batteri in un terreno contenente come unica fonte di nutrimento la sostanza da rimuovere: se il ceppo batterico cresce, significa che consuma la sostanza. Le piastre con terreno solido permettono di stimare non solo se il materiale viene o non viene digerito, ma anche in quanto tempo e con che efficacia, di confrontare diversi batteri e scegliere quello che più è adatto alle esigenze di applicazione. Se la patina è formata da idrocarburi si può utilizzare anche un batterio che produce bio-emulsionanti; se è formata da depositi calcarei (carbonati, fostati e gesso) si scelgono, invece, batteri in grado di rilasciare acidi deboli che sciolgono i calcari. E la ruggine? Per gli ossidi di ferro si sfruttano batteri che producono siderofori e legano il ferro. Oltre alle funzioni utili, i batteri vengono testati anche per verificare che non possano danneggiare la superficie sulla quale devono essere applicati, per esempio, nel caso di un’applicazione su carta, si deve valutare se i batteri degradano la cellulosa o, nel caso di marmi o pietre porose, se producono acidi che possono disgregare la superficie.

Il brevetto “micro-pack”

Per poter applicare la coltura batterica sull’opera è necessario creare condizioni che garantiscano al tempo stesso il contatto con la sostanza da degradare, la sopravvivenza dei batteri e la loro completa rimozione alla fine del trattamento. I batteri hanno bisogno di un ambiente umido per poter sopravvivere e questo può rappresentare un problema perché può danneggiare l’opera. Quindi bisogna inserire la coltura batterica in un mezzo che ne permetta la distribuzione uniforme e che non rilasci, o rilasci solo una quantità minima, di acqua sulla superficie. Per questo è stato ideato e brevettato (n°W02015040647A1) un sistema detto ‘micro-pack’ che consiste in un supporto di pellicola trasparente, la comune pellicola per alimenti, sulla quale viene steso uno strato sottile di gel (VanzanTM, LaponiteTM; etc.) con inclusi i batteri e, su questi viene applicato un foglio di carta per velinatura, in genere carta giapponese o inglese, una carta fine ma resistente. Il micro-pack viene applicato con la velina a contatto dell’opera e, dove possibile e se necessario, viene assicurato con nastro adesivo per prevenire cadute o spostamenti (Fig.4). L’impacco viene lasciato in posa il tempo necessario ai batteri per esercitare la loro azione e poi rimosso. Il micro-pack garantisce che l’applicazione sia efficace, sicura per l’opera e che l’attività dei batteri possa essere ispezionata durante il trattamento e che alla fine non rimangano residui.

Le collezioni microbiche

Nel corso degli anni i ricercatori ENEA hanno isolato, caratterizzato e preservato microorganismi (batteri, funghi, alghe, virus) e pool microbici da substrati ed ecosistemi naturali diversi, anche estremi, con notevoli potenzialità applicative in svariati settori quali la tutela ambientale, i beni culturali, la salute e lo sviluppo di farmaci, l’agroalimentare e quello energetico.

Il ruolo fondamentale svolto dai microrganismi nel mantenimento della vita sulla Terra è indiscusso, ma la conoscenza sull'entità della diversità microbica e della sua distribuzione globale è minima. Inoltre, sebbene i microrganismi forniscano servizi ecosistemici cruciali per la sostenibilità locale e globale, il valore della biodiversità microbica è ancora sottovalutato.

La comunità scientifica internazionale da alcuni anni ha lanciato un appello per promuovere la conoscenza e la conservazione della biodiversità microbica. In accordo con la Convenzione sulla Biodiversità del 1992 (www.cbd.int), la "conservazione ex-situ" svolge un ruolo molto importante nella conservazione dei microrganismi poiché la complessità degli organismi unicellulari rende difficile eseguire una "conservazione in-situ ". Le collezioni microbiche rappresentano, pertanto, strumenti di eccellenza per la salvaguardia della biodiversità microbica e per lo sviluppo della bio-economia e della bio-sostenibilità.

Il futuro del bio-restauro

L’approccio qui descritto rientra tra le tecniche del bio-restauro. Con il termine bio-restauro si intende l’utilizzo di specie batteriche per il trattamento dei manufatti artistici. Finora i principali filoni di applicazione sono stati la bio-pulitura e il bio-consolidamento e, da qualche anno, si stanno sperimentando con successo anche prodotti bio-based (batteri, derivati batterici e estratti da piante) per il controllo e la rimozione di biodeteriogeni, specialmente muffe, alghe e batteri fotoautotrofi. Applicare microrganismi al servizio del restauro rappresenta una strategia innovativa e, grazie alla cooperazione e alla condivisione delle competenze e delle conoscenze di ricercatori e restauratori, si potranno sviluppare nuovi prodotti, non solo innocui per la salute degli operatori, ma anche rispettosi dell’opera e dell’ambiente, considerato che le cellule microbiche che vengono impiegate non sono patogene, non inquinano ed i loro prodotti sono biodegradabili.

 

Per informazioni

Esempio di isolamento e identificazione di microrganismi. Al centro della figura c’è una piastra Petri, per la coltura di microrganismi, contenente un terreno nutritivo solido sul quale sono cresciute colonie di batteri e funghi provenienti da campioni prelevati da diversi siti. Le immagini relative ad alcuni siti di campionamento sono poste nella parte alta della figura e ai lati della foto della piastra. In alto c’è la foto panoramica della miniera dismessa di Ingurtosu (Ca), a sinistra la foto dell’interno della Tomba Etrusca dei Rilievi (Cerveteri, RM) e, a destra, quella dello stabilimento siderurgico dismesso di Bagnoli (Na). In basso, ci sono le immagini di alcuni ceppi di batteri isolati con sotto il nome di ognuno. Ogni foto è collegata alla foto della piastra Petri centrale da frecce viola tratteggiate.
Figura 1 - Esempio di isolamento e identificazione di microrganismi. I siti dai quali provengono gran parte dei ceppi della collezione ENEA, associata MIRRI-IT, derivano da aree archeologiche e siti di interesse storico-culturali, come la tomba della Mercareccia di Tarquinia (VT), aree ex-industriali o miniere dismesse, caratterizzate da contaminazioni da idrocarburi o metalli pesanti, come Bagnoli (NA) e Ingurtosu (CA)
Esempi di applicazioni di batteri per la rimozione di patine organiche e inorganiche su monumenti ed opere d’arte. Nel collage di immagini sono mostrati tre casi-di pulitura mediante l’applicazione di “micropack”.  In alto a sinistra c’è una cornice blu con l’immagine per intero dell’opera scultorea in marmo “Idealità e materialismo” di G. Monteverde (1911), conservata nella Galleria Nazionale d'Arte Moderna e Contemporanea (Roma). Un uomo attaccato ad una ruota e una donna dietro di lui, protesa verso l’alto simboleggiano la filosofica contrapposizione tra spirito e materia. Un cerchio rosso sulla mano dell’uomo che stringe la ruota indica il punto dell’intervento. A destra della foto d’insieme dell’opera l’ingrandimento dell’area trattata, prima (in alto) e dopo (in basso) il trattamento. La mano prima presenta macchie gialle in corrispondenza delle nocche delle dita e sulle falangi mentre dopo la pulitura il colore del marmo è naturalmente bianco con venature grigio chiaro.  Alla destra della cornice blu, una cornice verde racchiude due immagini sovrapposte de “La lupa” di G. Graziosi (1912). Scultura in marmo conservata nella Galleria Nazionale d'Arte Moderna e Contemporanea (Roma) raffigurante una donna nuda in posizione ferina. L’immagine superiore mostra una vista dall’alto della schiena della statua prima del trattamento, con un’estesa patina scura dovuta ai depositi di smog. L’immagine in basso mostra la stessa schiena priva di macchie nere e con il marmo che ha recuperato il suo colore originale dopo il trattamento con il “micropack”.  In basso una terza cornice di colore rosso contiene immagini di un tassello di pulitura degli affreschi della loggia della Casina Farnese (Palatino, Roma). L’area da trattare presentava strati sovrapposti di depositi organici ed inorganici pertanto la pulitura è stata effettuata mediante l’applicazione in successione di ceppi microbici diversi. Nelle immagini , da destra verso sinistra, sono riportate lo stato iniziale, con un’evidente alterazione del colore degli affreschi con una spessa patina di rosso-marrone, uno schiarimento della patina dopo la rimozione del primo strato e, infine, il recupero della colorazione chiara degli affreschi dopo la rimozione del secondo strato.
Figura 2 - Esempi di applicazioni di batteri per la rimozione di patine organiche e inorganiche su monumenti ed opere d’arte. In figura sono riportati lo stato “prima” e “dopo” l’applicazione di uno o più ceppi mediante la tecnica del micro-pack.
Test di laboratorio per saggiare le funzioni metaboliche dei batteri utili per la bio-pulitura delle opere d’arte e per evitare effetti indesiderati sul materiale dell’opera. A sinistra poste in verticale, ci sono 5 foto circolari. Accanto ad ognuna, sulla destra, una cornice riporta la descrizione sintetica della tecnica e della finalità del saggio.  Dall’alto verso il basso ci sono: -	Degradazione di proteine e lipidi. Cornice e riquadro di colore viola. La foto mostra un test di degradazione positivo: una colonia batterica al centro di un alone chiaro su sfondo blu. Il terreno di coltura solido contiene le sostanze da degradare legate ad un colorante blu, se i batteri digeriscono le sostanze tutt’attorno alla colonia si crea un alone senza pigmento, chiaro, ben visibile, se il test è negativo il terreno rimane di colore blu. -	Produzione di bio-emlulsionanti. Cornice e riquadro di colore celeste. In foto due provette contenenti del liquido. Nella provetta a sinistra il liquido è uniforme mentre in quella a destra si nota una stratificazione di una soluzione bianco lattiginoso sopra il liquido trasparente. La formazione di un’emulsione in una miscela acqua-solvente apolare indica che il ceppo batterico è in grado di produrre un bio-emulsionante. -	Solubilizzazione di substrati inorganici (gesso, carbonati, fosfati). Cornice e riquadro di colore verde .Come nel caso della degradazione di patine il terreno solido contiene un colorante rosa legato al substrato da degradare: il test è positivo se si produce un alone chiaro sullo sfondo rosa. -	Produzione di siderofori, chelanti il ferro. Cornice e riquadro di colore arancio. In foto un ceppo microbico positivo al test: su un terreno solido contenente un pigmento blu legato al ferro, il batterio producendo siderofori lega il ferro e determina il viraggio del terreno da blu a giallo. -	Degradazione della cellulosa. Cornice e riquadro di colore rosso. In foto un ceppo batterico cellulosolitico che produce un alone chiaro su terreno solido contenente cellulosa legata ad un colorante rosso. Come nei saggi precedenti la degradazione della cellulosa determina una decolorazione del terreno.
Figura 3 -Test di laboratorio per saggiare le funzioni metaboliche dei batteri utili per la bio-pulitura delle opere d’arte e per evitare effetti indesiderati sul materiale dell’opera.
Fasi di preparazione del “micropack” e dell’applicazione su un provino in marmo. Da sinistra a destra e dall’alto in basso ci sono 9 foto numerate:  1.	materiali per preparazione ed applicazione del micropack : provetta contenente una sostanza gelificante in polvere, provetta con coltura batterica liquida, spatola in metallo, pellicola per alimenti, carta per velinatura, provino in marmo. 2.	contenitore trasparente con tappo rosso contenente il gel prodotto unendo la coltura batterica alla polvere gelificante 3.	dettaglio del gel contenente i batteri  4.	preparazione del micropack. Ci sono tre elementi sovrapposti: pellicola per alimenti sulla quale è steso uno strato sottile di gel batterico e sopra un lembo di carta per velinatura 5.	applicazione del micropack sul provino: aiutandosi con la pellicola per alimenti il micropack viene “ribaltato” e applicato sul quadretto di marmo mettendo la carta a contatto con la superficie da pulire 6.	dettaglio del micropack sul provino di marmo 7.	ispezione e rimozione del micropack, vista dall’alto: sollevando il micropack dalla carta si può ispezionare l’azione dei batteri ad intervalli di tempo e rimuoverlo alla fine del trattamento  8.	vista laterale del sollevamento del micropack per ispezione e rimozione. 9.	esempio di micropack applicato su un dipinto su tavola.
Figura 4 -Fasi di preparazione del “micro-pack” (1-8) ed esempio di applicazione su una tela (9).

Glossario “Batteri restauratori: microrganismi al servizio dell’arte”

BIO-EMULSIONANTI

Gli emulsionanti sono sostanze che, grazie alle loro caratteristiche chimiche, riescono a creare un’emulsione” ossia una miscela di goccioline di un liquido in un altro nel quale sono insolubili o quasi (ad es. acqua ed olio)

I “bio-emulsionanti” vengono prodotti dai microrganismi e hanno il vantaggio di essere biodegradabili.

BIODEGRADABILE

Composto che può essere decomposto e metabolizzato dall’azione di batteri e microrganismi in sostanze non inquinanti e/o tossiche.

BIODIVERSITA’

Questa parola, sinonimo di “diversità biologica” indica in ecologia la varietà di organismi viventi nelle loro diverse forme, e nei rispettivi ecosistemi.

CONSERVAZIONE “EX SITU”

Indica la conservazione dei microrganismi fuori dal loro ambiente naturale in una collezione di microrganismi detta anche “ceppoteca”, un vero e proprio archivio in cui cellule microbiche, ottenute da una coltura pura, dopo essere state caratterizzate e classificate vengono mantenute in uno stato inattivo e debitamente conservate per mantenerne le funzioni e poterle usare per altri scopi.

CONSOLIDAMENTO

Nell’ambito del restauro con questo termine si intendono tutti quei processi atti a far recuperare ad un’opera le sue caratteristiche strutturali, perse per diverse cause (degrado biologico, agenti atmosferici, azione sismica)

DEGRADARE

In termini biologici con questa parola si indica la trasformazione demolitiva operata da microrganismi su sostanze organiche, con formazione di composti stabili, quali l’anidride carbonica e l’acqua, non ulteriormente suscettibili di trasformazione.

DEPOSITO

Nel vocabolario del restauratore questo termine indica tutto ciò che si posa sulla superficie originale di un manufatto, formando una patina. Può essere causato da agenti naturali ma anche da materiali utilizzati in precedenti interventi di restauro.

EUCARIOTI e PROCARIOTI

Le cellule, in base alla loro struttura fondamentale, possono essere distinte in due grandi categorie: le cellule procarioti (per esempio, i batteri) e le cellule eucarioti (quelle che formano il corpo delle piante, degli animali e dell'uomo). La maggiore differenza tra le cellule di questi due gruppi di organismi sta nel fatto che i procarioti presentano il materiale genetico libero nel citoplasma, mentre negli eucarioti esso si trova segregato all’interno di un nucleo circondato da membrana.

IDENTIFICAZIONE

Identificare un microrganismo significa assegnarlo ad uno dei gruppi in cui sono classificati gli esseri viventi. L’identificazione può essere più o meno precisa a seconda che l’organismo venga assegnato ad una categoria più ampia (es. il Regno) o più ristretta (es. la Specie).

RISANAMENTO

Nella terminologia dei restauratori questo termine indica tutti quegli interventi necessari a “guarire” un’opera d’arte e a eliminare quei fenomeni di degrado che ne compromettono la conservazione.

RIVITALIZZARE

Per conservare a lungo i microrganismi è necessario inattivarli, ovvero sopprimere la loro capacità funzionale in termini di crescita e riproduzione. Per raggiungere tale scopo, si utilizzano principalmente due metodi, che non danneggiano i microrganismi e garantiscono la reversibilità dello stato d’inattivazione: il congelamento e la liofilizzazione. Con il termine “rivitalizzazione” si intende la procedura microbiologica che permette di “risvegliare” i microrganismi facendoli tornare nel loro stato attivo. Consiste nel risospendere il congelato/liofilizzato batterico in un terreno idoneo a favorirne la crescita.

SIDEROFORI

Sono piccoli composti che sono secreti da microrganismi come batteri e funghi e servono a “chelare”, ossia a legare in modo stabile, il ferro e a trasportarlo all’interno delle loro cellule.

VELINATURA

Protezione temporanea di una superficie che deve essere sottoposta ad un trattamento. In genere si fa con carte apposite.

VIRUS

Un virus è un'entità biologica con caratteristiche di parassita obbligato, in quanto si riproduce esclusivamente all'interno delle cellule degli organismi. I virus possono infettare tutte le forme di vita, dagli animali, alle piante, ai microrganismi e anche altri virus.


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