Carbonatogenesi: contributo microbico nella conservazione dei monumenti e delle opere d’arte in pietra
10.6092/issn.1973-9494/3383
application/pdf
1973-9494
3383
en
Tikam C. Dakal
Conservation Science in Cultural Heritage
bioconservation
Carbonatogenesis: microbial contribution to the conservation of monuments and artwork of stone
Text.Serial.Journal
https://conservation-science.unibo.it/
12
Articles
2012-12-21
2012-12-24
2015-11-02
79-108
CSCH
Tikam C. Dakal
2012
10.6092/issn.1973-9494/3383
79
1973-9494
bioconservation
en
108
DORNIEDEN T., GORBUSHINA A., KRUMBEIN W.E., 2000, Patina: physical and chemical interactions of sub-aerial biofilms with objects of art, in O. Ciferri, P. Tiano, G. Mastromei (eds.), in Of microbes and art: the role of microbial communities in the degradation and protection of cultural heritage, pp. 105-120, Phenum, New York.
Carbonatogenesis: microbial contribution to the conservation of monuments and artwork of stone
https://conservation-science.unibo.it/article/download/3383/2748
12
C       ARBONATOGENESIS: MICROBIAL CONTRIBUTION TO
        THE CONSERVATION OF MONUMENTS AND STONE 		
        ARTWORK


      Swaranjit S. Cameotra•1, Tikam C. Dakal
      Institute of Microbial Technology, Sector-39A, Chandigarh-160036, India




      Keywords: carbonatogenesis, historic monuments, stone artwork, bioconservation

     1. Introduction

    Throughout history, mankind has used the most beautiful, durable and strongest
stones for the construction of civil structures. Limestone is one of these. It has also
been used in the construction of many important historic monuments and sculptures,
such as European Cathedrals (Milan Cathedral, Italy), Roman and Greek temples,
the Taj Mahal and the Pyramids [1-2]. Limestones are highly porous and hydrophilic
in nature, they are highly susceptible to water (such as acid rain) and environmental
pollutants. The water often penetrates into the pores of the stones carrying harmful and
corrosive ions such as chloride ions and acids. Furthermore, persistent environmental
and industrial pollutants, particulate matters, fly ash and smog often get deposited on
limestone monuments and stone works and as a result accelerate their deterioration
[3]. Micro-organisms inhabiting monuments and stones, upon interaction with other
detrimental biotic and abiotic factors, foster weathering and corrosion resulting in de-




                                                                                                CONSERVATION SCIENCE IN CULTURAL HERITAGE
terioration and discoloration of the monuments and stones by a number of known
mechanisms. While weathering and corrosion contribute to the physical deterioration
of these structures, discoloration does not affect the stone physically but harms its
aesthetic appearance.
    Over the last few decades there has been increasing global concern over the de-
terioration of historical monuments and stone works of art. Such deterioration poses
a big challenge to archaeologists, geobiologists and bioconservators. Consequently,
the immediate need to develop preventive and remedial methodologies is necessary
to safeguard these cultural heritage monuments and stone works of art at their original
locations. In recent years, great progress has been made in this form of preservative
methodology [4-9]. Several physical, mechanical and chemical methods [10-11] have
been devised and used for cleaning and restoration purposes but none of the tested
treatment methods have proved to be satisfactory for the preservation, consolidation
and impermeabilization of deteriorated monuments and works of art [12-13]. Some
of these methods have yielded rather poor results and accelerated alterations in the
treated stones in terms of texture, physical strength and aesthetic appearance [13].
The plugging of pores in stone works using conventional methods has also been in-
efficient [14] and the incompatibility of the methods has resulted in irreversible and


●
    Corresponding author: ssc@imtech.res.in

                                                                                           79
                                                                                                                                 irreparable damage to the surface of the stone works, resulting in biodeterioration,
S. S. Cameotra, T. C. Dakal - Carbonatogenesis: Microbial contribution to the conservation of monuments and stone artwork



                                                                                                                                 discoloration and loss in aesthetic beauty of the treated structures [15]. The appar-
                                                                                                                                 ent incompatibility of conventional methods has consequently encouraged the search
                                                                                                                                 for newer compatible, effective and eco-friendly conservation treatments [16-17]. Re-
                                                                                                                                 cently, new advances and research in the field of cleaning procedures employing mi-
                                                                                                                                 crobes for the bioconservation of marble monuments has shown promising results
                                                                                                                                 [12, 14, 18]. The use of well documented molecular biological techniques, such as 16s
                                                                                                                                 rRNA sequencing [19-21], denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) [22], fourier
                                                                                                                                 transform infrared spectroscopy (FTIR) [12], scanning electron microscopy (SEM) [23-
                                                                                                                                 24] and several phylogenetic analysis tools of bioinformatics [20, 25] have assisted
                                                                                                                                 researchers in studying the molecular mechanism of biodeterioration and the role of
                                                                                                                                 carbonatogenic microbes in bioconservation [26-30].

                                                                                                                                    This review briefly summarizes the process of carbonatogenesis by various micro-
                                                                                                                                 organisms and its contribution to the protection of heritage buildings and artistic stone
                                                                                                                                 work. It examines several major specific investigations by a member of active research
                                                                                                                                 groups and others from the standpoint of dedicated/focused research projects. Future
                                                                                                                                 prospects for this technology are discussed.

                                                                                                                                   2. Biomineralization of calcium carbonate: the process of carbonatogenesis

                                                                                                                                    Limestone is mainly composed of calcium carbonate, which is one of the most com-
                                                                                                                                 mon and widespread minerals present on the earth. It is widespread in nature and
                                                                                                                                 found extensively in fresh water, marine and terrestrial environments [31]. In nature,
                                                                                                                                 the production of calcium carbonate is mainly attributed to various physical and chemi-
                                                                                                                                 cal processes. Its biological production was earlier suspected and remained controver-
                                                                                                                                 sial for a long time, until recent advances and research were made in this field. The bi-
                                                                                                                                 oremediating potential of the bacterium was envisaged in 1973 [32] but research work
                                                                                                                                 aimed at isolating the bacteria having the ability to produce calcium carbonate, has
                                                                                                                                 recently been valued for its application in the bioconservation of monuments and stone
                                                                                                                                 artwork [30]. These bacteria are widely distributed and have been ubiquitous since
                                                                                                                                 the Precambrian. They are found in soil [33-34], in fresh water [35], and in sea water
                                                                                                                                 [36]. These micro-organisms are currently the subject of extensive studies, which are
                                                                                                                                 yielding a fresh understanding about their role in carbonatogenesis, and aiding the
                                                                                                                                 development of new technologies for the bioconservation and consolidation of monu-
                                                                                                                                 ments and stone works of art [13-14, 37]. This group of micro-organisms is known
                                                                                                                                 as carbonatogenic micro-organisms or calcifying microbes because of their inherent
                                                                                                                                 capability of producing calcium carbonate.
                                                                                                                                    Carbonatogenesis is a process of biomineralization which occurs as a result of
                                                                                                                                 biochemical reactions between ions and compounds under certain conditions. The
                                                                                                                                 process is induced by a micro-organism under optimal conditions, allowing the extra-
                                                                                                                                 cellular precipitation of calcium carbonate. Microbiological production of calcium car-
                                                                                                                                 bonate (calcite) may occur autotrophically or heterotrophically [31, 38]. Autotrophic
                                                                                                                                 calcium carbonate precipitation is promoted by non-methylotrophic methanogenic, an-
                                                                                                                                 oxygenic, and oxygenic bacteria. These bacteria utilize carbon dioxide in either gase-
                                                                                                                                 ous or dissolved form originating from a variety of sources, including respiration and
                                                                                                                                 fermentation. The utilization of carbon dioxide in a calcium rich environment favors the
                                                                                                                                 precipitation of calcium carbonate. Production of calcium carbonate by heterotrophic


                                                                                                                            80
bacteria is accomplished by two different mechanisms, active and passive [31, 38].
The passive production involvement of two metabolic cycles, nitrogen and sulfur cycle
using three pathways, 1) ammonification of amino acids under anaerobic conditions in
the presence of organic matter and calcium, 2) dissimilatory reduction of nitrates under
anaerobic and microaerophilic conditions in the presence of organic matter, calcium
and nitrate, and 3) hydrolysis of urea or uric acid in the presence of enzyme urease
and in an environment rich in organic matters and calcium [31, 39-40]. The active
precipitation is not dependent on a biochemical reaction sequence but is the result of
ion-exchange through the cell membrane by a still poorly understood mechanism [31,
38]. The process of carbonatogenesis is governed by four factors, 1) calcium concen-
tration, 2) carbonate concentration, 3) pH and 4) presence of nucleation sites [31].

  3. Dedicated research project

   At its 17th session in Paris in 1972, the general conference of UNESCO adopted
the Convention Concerning the Protection of the World and Nature. The programme
was aimed at cataloguing and conserving sites of outstanding heritage and natu-
ral beauty having scientific, cultural and natural importance. Under this programme
many historic buildings and heritage sites of the world were identified and listed as
cultural heritage which was in a state of progressive deterioration. Since then, many
projects and programmes have been launched in order to safeguard and preserve
these heritage buildings and sites. In a few countries, especially in the EU, some fo-
cused research projects have been launched to determine the role of biotechnology
in conservation science. In addition, some dedicated research groups have aimed
their research at the development of remedial methodologies for preserving heritage
buildings from the detrimental effects of micro-organisms and air-borne pollutants. The
necessary information regarding the contributions of some major EU funded projects




                                                                                                CONSERVATION SCIENCE IN CULTURAL HERITAGE
in bioconservation and heritage sites can be retrieved from the EU commission, IST
and respective project websites (http://ec.europa.eu/research/environment/index_
en.cfm?pg=projects&area=all; http://www.ist-world.org/); a summary can be found be-
low and is also described in Table 1.




                                                                                           81
                                                                                                                                  Table 1. Role of some important EU projects in monuments and artworks preservation
S. S. Cameotra, T. C. Dakal - Carbonatogenesis: Microbial contribution to the conservation of monuments and stone artwork




                                                                                                                                               Coordinator and Part-        Treated Monuments,
                                                                                                                                 Project*                                                                 References
                                                                                                                                               ners*                        Stones and Artworks


                                                                                                                                 BIOBRUSH      Dr. Eric May (Coordinator)   Candoglia marble              Cappitelli et al.,
                                                                                                                                 Start :       University of Portsmouth,    Stone from Milan Ca-          2006 [41]
                                                                                                                                 01/02/2002    UK                           thedral
                                                                                                                                 End :                                      Tholos Dome at Epi-           http://ec.europa.
                                                                                                                                 31/07/2005    Partners:                    dauros                        eu/research/rtdinfo/
                                                                                                                                               Foundation Institute for     Riga’s Brethren Ceme-         special_as/arti-
                                                                                                                                               Material sciences            tery                          cle_823_en.html
                                                                                                                                               Athens Technical Uni-        Matera Cathedral
                                                                                                                                               versity                      Bolsover Castle               http://www.graffitire-
                                                                                                                                               The University of Milano                                   moval.org.uk/rs1-6.
                                                                                                                                               School of Biological                                       pdf
                                                                                                                                               Sciences
                                                                                                                                               Riga Technical University                                  http://www.bio-
                                                                                                                                               University of Portsmouth                                   brush.org
                                                                                                                                               Syremont SpA
                                                                                                                                               School of Biological
                                                                                                                                               Sciences
                                                                                                                                               Biosciences Building




                                                                                                                                 BioDAM        Dr. Wolfgang E. Krumbein     Rocks samples from            Krumbien et al.
                                                                                                                                 Start :       (Coordinator)                Negev Dessert                 2003 [42]
                                                                                                                                 01/12/2002    Institute for Chemistry      A quarry near Piazza
                                                                                                                                 End :         and Biology of the Marine    Armerina, Sicily              http://www1.bio-
                                                                                                                                 30/11/2005    Environment,                 19th century painting of      gema.de/biodam/
                                                                                                                                               University of Oldenburg,     Parthenon, Athens             htdocs/index.php
                                                                                                                                               Germany                      A limestone (oolithic) sta-
                                                                                                                                                                            tue in the Market Square
                                                                                                                                               Partners:                    of Piazza Armerina ,
                                                                                                                                               Historic Scotland            Sicily
                                                                                                                                               University of Oldenburg
                                                                                                                                               Fundacion Inasmet- As-
                                                                                                                                               sociacion de Investigation
                                                                                                                                               Me
                                                                                                                                               Institute of Chemistry
                                                                                                                                               and Biology of Marine
                                                                                                                                               Environment, Oldenbery,
                                                                                                                                               Germany
                                                                                                                                               Biogema Consulting
                                                                                                                                               The Robert Gordon
                                                                                                                                               University
                                                                                                                                               University of Barcelona
                                                                                                                                               VTT, Finland




                                                                                                                            82
BIO-REIN-    Dr. Piero Tiano (Coordi-       Pietra di Lecce             http://www.ub.es/
FORCE        nator)                         Marble Gioia,               rpat/bioreinforce/
Start :      Istituto per la Conserva-                                  ICVBCreportWeb.
01/02/2001   zione e La Valorizzazione                                  PDF
End :        dei Beni Culturali,
01/05/2004   Sesto Fiorentino, Italy                                    http://www.ub.es/
                                                                        rpat/bioreinforce/
             Partners:                                                  bioreinforce.htm
             Conservation and Valo-
             rization of the Cultural
             Heritage
             University of Florence
             Weizmann Institute of
             Science
             Loughborough University
             National Research
             Council of Italy
             Quelin SA
             Royal Institute for Cultural
             Heritage
             Trivella SpA
             University of Barcelona
             Cercle des partenaires du
             patrimoine


CARAMEL      Dr. Hélène Cachier             Milan Cathedral             http://ec.europa.
Start :      Laboratoire des Sciences       Seville Cathedral           eu/research/envi-
01/01/2001   du Climat et de l’Environ-     S. Maria del Fiore Cathe-   ronment/newsand-
End :        nement (LSCE), CNRS,           dral, Florence              doc/article_2387_
31/12/2003   France                         Saint Eustache Church,      en.htm
                                            Paris
             Partners:                      Tower of London, London     http://www.caramel.
             Direction Des Sciences         Vittoriano Monuments        cnrs-gif.fr/
             De La Matiere- Labora-         Corner Palace, Venice
             toire Des Sciences Du          Mechelen Cathedral,




                                                                                                   CONSERVATION SCIENCE IN CULTURAL HERITAGE
             Climat Et De L’Environ-        Belgium
             nement
             Consejo Superior De In-
             vestigaciones Cientificas
             Commissariat a l’Energie
             Atomique
             Centre National De La
             Recherche Scientifique-
             Delegation Paris A
             University of East Anglia
             National Research
             Council




                                                                                              83
S. S. Cameotra, T. C. Dakal - Carbonatogenesis: Microbial contribution to the conservation of monuments and stone artwork



                                                                                                                                 CATS         Partners:                      Catacombs of Domitilla,   Saarela et al. 2004
                                                                                                                                 Start :      Council for Scientific Re-     Rome, Italy               [43]
                                                                                                                                 01/01/2001   search, Institute of Natural   Catacombs of St. Calli-
                                                                                                                                 End :        Resources and Agrobiol-        stus, Rome, Italy         http://www2.
                                                                                                                                 31/12/2003   ogy, Spain                     Cave of Bats              bio.uniroma2.it/
                                                                                                                                              Hans-Knöll Institute for                                 biologia/laboratori/
                                                                                                                                              Natural Product Research,                                lab-botanica/Algae/
                                                                                                                                              Germany                                                  CATS.htm
                                                                                                                                              University of Rome, Italy
                                                                                                                                              University of Barcelona,
                                                                                                                                              Spain
                                                                                                                                              University of Messina,
                                                                                                                                              Italy
                                                                                                                                              VTT Biotechnology,
                                                                                                                                              Finland
                                                                                                                                              University of Wales Swan-
                                                                                                                                              sea, UK
                                                                                                                                              IDRONAUT, S.R.L., Italy
                                                                                                                                              Pontificia Commissione Di
                                                                                                                                              Archaologia Sacra, Italy


                                                                                                                                 COALI-
                                                                                                                                 TION
                                                                                                                                 Start :
                                                                                                                                 01/04/2000
                                                                                                                                 End :
                                                                                                                                 31/03/2003


                                                                                                                                 COMPASS      Rob P.J. van Hees              St. Barbara’s Church in   Sanders and Van-
                                                                                                                                 Start :      Dept. of Building Systems      Culemborg                 Hees 2005 [44]
                                                                                                                                 01/09/2002   ,                              Chapelle Notre-Dame
                                                                                                                                 End :        TNO Building and Con-          des Anges à Perpignan,
                                                                                                                                 31/08/2005   struction Research,            France                    Groot, C. et al.
                                                                                                                                              Delft, The Netherlands                                   2009 [45]

                                                                                                                                              Partners:                                                http://www.
                                                                                                                                              The Italian Ship Research                                compass-salt.org/
                                                                                                                                              Center
                                                                                                                                              Athens Technical Uni-
                                                                                                                                              versity
                                                                                                                                              Izar Construcciones Na-
                                                                                                                                              vales S.A.
                                                                                                                                              Surface Effect Ship Euro-
                                                                                                                                              pe AS-SES Europe AS
                                                                                                                                              Grandi Navi Veloci SPA-
                                                                                                                                              Grimaldi Group
                                                                                                                                              University of Strathclyde
                                                                                                                                              Germanischer Lloyd
                                                                                                                                              Netherlands Organization
                                                                                                                                              for Applied Research
                                                                                                                                              (TNO)
                                                                                                                                              Blue Star Ferries S.A.
                                                                                                                                              Viking Line ASP
                                                                                                                                              The University of Sou-
                                                                                                                                              thampton




                                                                                                                            84
Desalina-      Dr. Fulvio Zezza (Coordi-    Masonry in Venice            http://getty.art.
tion           nator)                                                    museum/conserva-
Start :        The IUAV, University of      Madame John’s Legacy,        tion/science/desal/
12/03/2006     Venice                       New Orleans                  desal_images.html
End :                                       Saint Philibert Church,
11/03/2009     Partners:                    Dijon, France                Doehne et al. 2008
               GCI                                                       [46]
               Eindhoven University of
               Technology                                                Bourgès and
               Historical Monuments                                      Vergès-Belmin,
               Research Laboratory of                                    2008 [47]
               France (LRMH)
               TNO Built Environment                                     http://www.
               and Geosciences, Delft                                    bk.tudelft.nl/
               Cologne Institute for                                     live/pagina.
               Conservation Science,                                     jsp?id=267cbaf8-
               Cologne University of                                     92c8-4204-92c0-
               Applied Sciences                                          97c32fff7eb5&lang
               The IUAV, University of                                   =en
               Venice




EPISCON        Prof. Rocco Mazzeo (Co-      Tacca’s Fountain, Floren-    Cuzman et al. 2010
Start : Sep,   ordinator )                  ce, Italy                    [48]
2006           University of Bologna –      Second Fountain from
End : Oct,     Ravenna Campus,              Villa la Pietra, Florence,   http://www.episcon.
2009           Ravenna, Italy               Italy                        scienze.unibo.it/
               Partners:                    Fountain from Patio de       episcon




                                                                                                    CONSERVATION SCIENCE IN CULTURAL HERITAGE
               University of Bologna        la Sultana, Generalife,
               School of Conservation       Granada, Spain
               Eotyos Lorand University     Fountain from Patio de
               Aristotle University of      la Lindaraja, Alhambra,
               Thessaloniki                 Granada, Spain
               Universidad de Oviedo
               Alexandru Ioan Cuza
               University of Iasi
               University of Perugia
               Instituut Collectie Neder-
               land
               Hungarian National
               Museum
               Instituto Conservazione
               e Valorizzazione Beni
               Culturali




                                                                                               85
S. S. Cameotra, T. C. Dakal - Carbonatogenesis: Microbial contribution to the conservation of monuments and stone artwork



                                                                                                                                 McDUR   Dr. P. Tiano (Coordinator)    Pedra de Ança belongs       Fratini et al. 2006
                                                                                                                                         ICVBC, CNR , Italy            to Cretacic Ança limesto-   [49]
                                                                                                                                                                       ne formation (Portugal)
                                                                                                                                         Partners:                     Monk Park, an oolitic       http://www.icvbc.
                                                                                                                                         Conservation and Valo-        limestone of Great          cnr.it/mcdur/
                                                                                                                                         rization of the Cultural      oolitic formation (Middle
                                                                                                                                         Heritage                      Jurasic)
                                                                                                                                         Commonwealth Scientific       Carrara Marble (Colon-
                                                                                                                                         and Industrial Research       nata basin)
                                                                                                                                         Organisation
                                                                                                                                         Building Research Establi-
                                                                                                                                         shment Ltd
                                                                                                                                         HESP Technology S.R.L.
                                                                                                                                         Institute of Physics-Slovak
                                                                                                                                         Academy of Sciences
                                                                                                                                         Laboratorio Nacional de
                                                                                                                                         Engenharia Civil
                                                                                                                                         Internazionale Marmi E
                                                                                                                                         Macchine Carrara SPA
                                                                                                                                         Politechnico De Torino
                                                                                                                                         Institute of fundamental
                                                                                                                                         Technological Research
                                                                                                                                         Bavarian State Conserva-
                                                                                                                                         tion Office
                                                                                                                                         Technical University of
                                                                                                                                         Crete
                                                                                                                                         National Research
                                                                                                                                         Council of Italy
                                                                                                                                         National Research
                                                                                                                                         Council




                                                                                                                            86
SALTCON-     The University of Ghent       Monastery of San Jeróni-   Ruiz-Agudo et al.
TROL         (Coordinator)                 mo, Granada                2007 [50]
Start :      Belgium                       The Cathedral, Granada
01/01/2004                                 The Royal Chapel,          https://salt.ugent.
End :        Partners:                     Granada                    be/
30/06/2007   University College London
             Narodni Pamatkovi Ustav
             Consejeria De Cultura
             Remmers Bouwchemie
             B.V.
             Stichting Federatie Monu-
             mentenwacht Nederland
             University of Ghent
             Technische Universiteit
             Eindhoven
             Department of Geology
             and Soil Sciences
             Netherlandse Organisa-
             tie voor the Teogepadt
             Natuurwetenschappelijk
             Onderzoek-TNO
             Consejeria De Cultura De
             La Junta De Andalucia
             Netherlands Organisa-
             tion for Applied Scientific
             Research
             Rijksdienst Voor De Mo-
             numentenzorg
             University of Granada
             Institute of Chemical
             Engineering and High
             Temperature Proce
             Foundation for Research
             and Technology
             Westfaelische Wilhelms-
             Universitaet Muenster




                                                                                                 CONSERVATION SCIENCE IN CULTURAL HERITAGE
             ČVUT v Praze




                                                                                            87
S. S. Cameotra, T. C. Dakal - Carbonatogenesis: Microbial contribution to the conservation of monuments and stone artwork



                                                                                                                                  STONECO-          Prof. Dr. Johannes Weber      Tower of St. John`s          http://www.
                                                                                                                                  RE                (Coordinator)                 Church, Poland               stonecore-europe.
                                                                                                                                  Start : Sep,      Division of Conservation      Church Santa Barbara,        eu/workpackage4.
                                                                                                                                  2008              Sciences,                     Czech Republic               php
                                                                                                                                                    Institute of Art and          Tower in Litomysl Castle
                                                                                                                                                    Technology (IATCS),           Pernstejn, Czech Re-         http://www.
                                                                                                                                                    University of Applied Arts    public                       stonecore-europe.
                                                                                                                                                    Vienna, Austria               Ancient Theatre of           eu/index.php
                                                                                                                                                                                  Skyion, Greece
                                                                                                                                                    Partners and Host Insti-      Theater of Megalopolis
                                                                                                                                                    tutes:                        Greece
                                                                                                                                                    Institute of Art and          Church Hochelten,
                                                                                                                                                    Technology, University of     Germany
                                                                                                                                                    Applied Arts, Vienna          Leuben Castle, Germany
                                                                                                                                                    University Pardubice –        Dahlen Castle, Germany
                                                                                                                                                    Faculty of Art Restoration    Cathedral Xanthen,
                                                                                                                                                    Delft University of Techno-   Germany
                                                                                                                                                    logy                          18th Century Marble
                                                                                                                                                    ITAM AS CR, v.v.i.,           Statue, Austria
                                                                                                                                                    Prague
                                                                                                                                                    Direction for the Resto-
                                                                                                                                                    ration of Ancient Monu-
                                                                                                                                                    ments (Greek Ministry of
                                                                                                                                                    Culture)
                                                                                                                                                    University of Fine Arts
                                                                                                                                                    Industrial Microbiological
                                                                                                                                                    Services LTD
                                                                                                                                                    GEOTRON
                                                                                                                                                    Restauro
                                                                                                                                                    Strotmann & Partner
                                                                                                                                                    Geoservice
                                                                                                                                                    Ingenieurbuero Dr. Zie-
                                                                                                                                                    genbalg GbR


                                                                                                                                    4. Carbonatogenic bacteria: bioconservators of heritage buildings

                                                                                                                                     The colonization of microbes on sculptural monuments has always been assumed det-
                                                                                                                                 rimental or destructive and their potential as potent contributors in the protection of monu-
                                                                                                                                 ments has therefore been neglected. Recently, the role of microorganisms in the biocon-
                                                                                                                                 servation and restoration of monuments and stone works has been acknowledged and
                                                                                                                                 evaluated. These microorganisms, though not limited to any specific taxonomic group share
                                                                                                                                 a common property: that of extracellular precipitation of calcium carbonate. The majority of
                                                                                                                                 microorganisms which are known to precipitate calcium carbonate thereby confer protec-
                                                                                                                                 tion to monuments and stone works against biodeterioration (Table 2).

                                                                                                                                 Table 2. Potent bioprotectors of the heritage monuments and art work

                                                                                                                                         Organi-
                                                                                                                                  No.                   Phylum             Role/Applications                       References
                                                                                                                                         sms
                                                                                                                                         Bacillus
                                                                                                                                         amilo-
                                                                                                                                    1                   Firmicutes         Conservation of ornamental stones       Lee 2003 [51]
                                                                                                                                         liquifa-
                                                                                                                                         ciens
                                                                                                                                                                                                                   Orial et al.
                                                                                                                                         Bacillus                          Biocement (Biocalcin) formation and     1993 [52]
                                                                                                                                    2                   Firmicutes
                                                                                                                                         cereus                            limestone consolidation                 Casteneir et
                                                                                                                                                                                                                   al. 2000 [18]

                                                                                                                            88
                                                                           Dick et al.
     Bacillus                      Biocement (Biocalcin) formation and     2006 [53]
3                 Firmicutes
     lentus                        limestone consolidation                 Sarda et al.
                                                                           2009 [40]
     Bacillus
                                                                           Cacchio et al.
4    megate-      Firmicutes       Calcite Precipitation
                                                                           2003 [34]
     rium
                                   Biocement formation and consoli-
     Bacillus                                                              Sarda et al.
5                 Firmicutes       dation of sand column and repair of
     pasteurii                                                             2009 [40]
                                   concrete cracks
     Bacillus                                                              Baskar et al.
6                 Firmicutes       Calcite precipitation
     pumilus                                                               2006 [21]
                                                                           Hammes et
                                                                           al. 2003 [20]
     Bacillus                                                              Muynck et al.
                                   Concrete consolidation
7    sphaeri-     Firmicutes                                               2008a, b [17,
                                   Biocement (Biocalcin) formation
     cus                                                                   24]
                                                                           Dick et al.
                                                                           2006 [53]
     Bacillus
                                                                           Baskar et al.
8    thurin-      Firmicutes       Calcite precipitation
                                                                           2006 [21]
     giensis
                                   Reduction in water absorption of
     Bacillus                                                              Tiano et al.
9                 Firmicutes       “Pietra di Lecce”, a calcareous stone
     subtilis                                                              1999 [14]
                                   thereby rendering consolidation
     Desul-
     fovibrio                      Removal of black crust from marble      Gauri et al.
10                Proteobacteria
     desulfuri-                    surface                                 1992 [54]
     cans




                                                                                                 CONSERVATION SCIENCE IN CULTURAL HERITAGE
     Desul-
                                   Removal of black crust from marble      Cappitelli et
11   fovibrio     Proteobacteria
                                   surface                                 al. 2007 [12]
     vulgaris
     Halo-                                                                 Rivadeneyra
12   bacillus     Proteobacteria   Biomineralization                       et al. 2004
     trueperi                                                              [55]


     Morcella                                                              Masaphy et
13                Ascomycetes      Formation of carbonate concretions
     sp.                                                                   al. 2009 [56]


                                                                           Rodriguez-
     Myxo-                         Consolidation of ornamental stones      Navarro et al.
14   coccus       Proteobacteria   Bioconservation of cultural heritage    2003 [57]
     xanthus                       structures                              Jroundi et al.
                                                                           2010 [30]
     Pseudo-
                                   Biocleaning, restoration and removal    Ranalli et al.
15   monas        Proteobacteria
                                   of animal glue from fresco              2005 [5]
     cepacia

     Pseudo-                                                               Anderson et
     monas                         Biocleaning and restoration of fresco   al. 1992 [58]
16                Proteobacteria
     fluore-                       Calcite precipitation                   Ranalli et al.
     scens                                                                 2005 [5]
                                                                                            89
S. S. Cameotra, T. C. Dakal - Carbonatogenesis: Microbial contribution to the conservation of monuments and stone artwork



                                                                                                                                          Pseudo-                                                                 Rivadenerya
                                                                                                                                   17     monas        Proteobacteria    Calcite precipitation                    et al. 2006
                                                                                                                                          halophila                                                               [59]
                                                                                                                                          Pseudo-
                                                                                                                                          monas                          Biocleaning, restoration and removal     Ranalli et al.
                                                                                                                                   18                  Proteobacteria
                                                                                                                                          flave-                         of animal glue from fresco               2005 [5]
                                                                                                                                          scens
                                                                                                                                          Pseudo-
                                                                                                                                                                         Biocleaning, restoration and removal     Ranalli et al.
                                                                                                                                   19     monas        Proteobacteria
                                                                                                                                                                         of animal glue from fresco               2005 [5]
                                                                                                                                          stutzeri
                                                                                                                                          Rhodoc-
                                                                                                                                                                                                                  Sprocati et al.
                                                                                                                                          coccus                         Consolidation of “Pietra di Lecce”, a
                                                                                                                                   20                  Actinobacteria                                             2008 [60]
                                                                                                                                          erythro-                       calcareous stone
                                                                                                                                          polis
                                                                                                                                          Thioba-                        Removal of fouled layer of lichen        De Graef et
                                                                                                                                   21                  Proteobacteria
                                                                                                                                          cillus sp.                     from weathered concrete specimens        al. 2005 [61]
                                                                                                                                          Pseudo-
                                                                                                                                          monas
                                                                                                                                                                         Removal of phenantrene deposit           Saiz-Jimenez,
                                                                                                                                   22     and          Proteobacteria
                                                                                                                                                                         from weathered stones                    1997 [62]
                                                                                                                                          Bacillus
                                                                                                                                          sp.
                                                                                                                                          Pseudo-
                                                                                                                                                                         Removal of nitrates from the weathe-     Ranalli et al.,
                                                                                                                                   23     monas        Proteobacteria
                                                                                                                                                                         red stones                               1997 [63]
                                                                                                                                          sp.
                                                                                                                                          Pseudo-
                                                                                                                                                                                                                  Zamarreño et
                                                                                                                                   24     monas        Proteobacteria    Limestone consolidation
                                                                                                                                                                                                                  al., 2009 [35]
                                                                                                                                          sp.
                                                                                                                                          Acineto-                                                                Zamarreño et
                                                                                                                                   25                  Proteobacteria    Limestone consolidation
                                                                                                                                          bacter                                                                  al., 2009 [35]
                                                                                                                                                                         Reduction in water absorption of
                                                                                                                                          Micro-                                                                  Tiano et al.,
                                                                                                                                   26                  Actinobacteria    “Pietra di Lecce”, a calcareous stone
                                                                                                                                          coccus                                                                  1999 [14]
                                                                                                                                                                         thereby rendering consolidation

                                                                                                                                    They mainly belong to different genera within the phyla Firmicutes, Proteobacteria
                                                                                                                                 and Actinomycetes [30, 60]. Some sulfate reducing bacteria, cyanobacteria [61-62]
                                                                                                                                 and fungi [56] are also known to precipitate calcium carbonate but their bioconserva-
                                                                                                                                 tion potential is still to be evaluated.

                                                                                                                                    4.1. Role of Firmicutes

                                                                                                                                     Major contributors to bioconservation from phylum Firmicutes are species of the genus
                                                                                                                                 Bacillus. Calcium carbonate precipitation by species of this genus is attributed to a ureolytic
                                                                                                                                 driven mechanism which operates anaerobically with the aid of urease enzyme. When hy-
                                                                                                                                 drolysis takes place in the calcium rich environment, the precipitation of calcium carbonate
                                                                                                                                 is favored. Under optimized conditions (pH, temperature etc), reaction can be controlled to
                                                                                                                                 promote the precipitation of hard binding calcium carbonate called Biocement. The enzyme
                                                                                                                                 activity was found to be sufficiently high [40] to make its exploitation feasible for the produc-
                                                                                                                                 tion of biocement on a practical scale. The contribution of some specific microorganisms in
                                                                                                                                 the bioconservation of monuments is briefly discussed below.


                                                                                                                            90
    Bacillus subtilis: The use of lime water as a consolidant of deteriorated calcareous
stone has been known since Roman times [66]. This treatment, though highly efficient,
has not been practiced for a long time. A similar treatment, which utilizes the precipi-
tated calcium carbonate, a limestone consolidant, was used by Tiano and coworkers
[14]. They found that upon treatment of stone samples of ‘Pietra di Lecce’ (a bioclastic
limestone, consisting mainly of CaCO3) with Bacillus subtilis and Micrococcus, water
permeability of the stone was considerably reduced. This kind of treatment generally
makes the stone more water-repellent or water-proof and thus less susceptible to de-
cay by corrosive rain or polluted water.
    Bacillus pasteurii: This is an endospore-forming soil bacterium, which shows a sig-
nificantly high urease activity [40]. In particular, Bacillus pasteurii incellularly produces
urease which constitutes close to 1% of the cell dry weight. The enzyme mediates the
hydrolysis of urea and uric acid to form carbon dioxide and ammonia.
    It appears that the ammonia produced as a result of hydrolysis of urea by urease
increases the pH of the surroundings and subsequently induces CaCO3 precipitation.
The precipitated CaCO3 has been used as a potent microbial sealant to remediate
pores, cracks and fissures in granite stones and concrete [39]. Owing to the extremely
high pH (around 12.5) of the concrete which inhibits growth of Bacillus pasteurii (for
which the optimal pH for growth is 9.0), plugging of the pores, fissures and cracks in
its structural formations is comparatively tedious. To overcome this drawback, a cell




immobilization technique which utilizes polyurethane (PU) is included in the remedia-
tion of concrete cracks to protect microbial cells from the high pH conditions [67]. In
addition to Bacillus pasteurii, the carbonatogenic property of various bacteria of this




                                                                                                     CONSERVATION SCIENCE IN CULTURAL HERITAGE
genus was also evaluated and successfully applied for bioconservation strategies [53].
   Bacillus sphaericus: Bacillus sphaericus is also a ureolytic bacterium which precipi-
tates calcium carbonate in their micro-environment by converting urea into ammonia
and carbon dioxide. Alone or in combination, with immobilization in silica gel, they have
been used for reducing the capillary water absorption/uptake capacity and gas perme-
ability of the carbonate [56, 68]. The mechanism of calcium carbonate precipitation by
Bacillus sphaericus is described below.




   Bacillus cereus: Under certain environmental conditions (optimal temperature and
pH), the bacteria can be induced to precipitate calcium carbonate extracellularly in
the form of a thin layer (biocalcin or biocement). Treatment of the stone with Bacillus


                                                                                                91
                                                                                                                                 cereus led to significant loss of water sorptivity in the treated stone [18, 37, 52]. The
S. S. Cameotra, T. C. Dakal - Carbonatogenesis: Microbial contribution to the conservation of monuments and stone artwork



                                                                                                                                 formation of a new cement layer made the stone more resistant to physical stress, i.e.,
                                                                                                                                 more consolidant. Because the thickness of the new cement layer formed by B. cereus
                                                                                                                                 was only a few microns, Rodriguez-Navarro and co-workers [57] proposed another
                                                                                                                                 method of biocement formation using Myxococcus xanthus which was thicker than that
                                                                                                                                 of Bacillus cereus.
                                                                                                                                    Bacillus amyloliquefaciens: B. amyloliquefaciens is an alkalophile and is known to
                                                                                                                                 precipitate calcium carbonate under controlled culture conditions. The precipitated cal-
                                                                                                                                 cium carbonate is proposed to have a role in the consolidation of ornamental stones
                                                                                                                                 [51].

                                                                                                                                    4.2. Role of Proteobacteria

                                                                                                                                    The phylum Proteobacteria includes many sulfate- and sulfur-reducers (reducing
                                                                                                                                 sulfate and sulfur to sulfide, respectively) as well as nitrate-reducers (reducing nitrates
                                                                                                                                 to gaseous nitrogen or nitrous oxide), which have a great ability to remove or clean
                                                                                                                                 sulfate or nitrate salts from the stone surfaces. Below are listed several Proteobacteria
                                                                                                                                 that play a significant role in the preservation of ancient cultural heritage buildings and
                                                                                                                                 works of art.
                                                                                                                                    Desulfovibrio desulfuricans: Marble stone works of art are highly susceptible to
                                                                                                                                 environmental pollutants and acid rain. Sulfuric acid present in acid rain reacts with
                                                                                                                                 the calcium carbonate of the marble and transforms it into calcium sulfate dihydrate
                                                                                                                                 commonly known as gypsum. During this transformation reaction some airborne pol-
                                                                                                                                 lutants such as carbonaceous particles also become entrapped in the mineral matrix
                                                                                                                                 and result in the formation of black crust. Gauri and co-workers [54] for the first time
                                                                                                                                 suggested and demonstrated the role of sulfate reducing bacteria in the removal of
                                                                                                                                 gypsum encrustation from a marble statue by converting the gypsum to calcite. Al-
                                                                                                                                 though the method was satisfactory enough for the intended purpose, it had two major
                                                                                                                                 drawbacks. Firstly, the method could only be applied to small gypsum encrusted works
                                                                                                                                 of art, and secondly, the items for treatment had to be made impermeable before im-
                                                                                                                                 mersion into the liquid culture medium [41]. Ranalli et al. (2007) and Cappitelli et al.
                                                                                                                                 (2006) [12,41] illustrated and evaluated the delivery of the microbial systems to large
                                                                                                                                 monumental stone works as a means of rendering such works water-impermeable and
                                                                                                                                 protecting them.
                                                                                                                                    Desulfovibrio vulgaris: This is a sulfate-reducing bacterium which has a role in the
                                                                                                                                 removal of black crust from marble statues. Ranalli and co-workers [63] described that
                                                                                                                                 the bioconservation and consolidation properties of the bacteria Desulfovibrio desul-
                                                                                                                                 furicans and Desulfovibrio vulgaris were greatly enhanced when the bacteria were
                                                                                                                                 entrapped in an inorganic mineral matrix Sepiolite, prior to use. The use of the Sepiolite
                                                                                                                                 as the delivery system resulted in four times more sulfate removal from the encrusted
                                                                                                                                 marble in colonized Sepiolite as compared to non-colonized Sepiolite. Later on, Cap-
                                                                                                                                 pitelli and co-workers [41] tested the potential of two other organic gels as the delivery
                                                                                                                                 system. They used Hydrobiogel-97 and Carbogel for the entrapment of bacteria Desul-
                                                                                                                                 fovibrio vulgaris and found that Carbogel is more efficient for sulfate removal from the
                                                                                                                                 encrusted marble. Furthermore, the associated precipitation of iron sulfite by the bac-
                                                                                                                                 teria as a result of reaction between the hydrogen sulfide and the iron of the iron-rich
                                                                                                                                 media was also drastically reduced. Cappitelli and co-workers compared chemical and
                                                                                                                                 biological methods for the conservation of Milan Cathedral. They used Ammonium car-


                                                                                                                            92
bonate-EDTA solution and Desulfovibrio vulgaris entrapped in Carbogel (an efficient
delivery system whose potential was elucidated by Cappitelli and co-workers [12] for
the chemical and biological treatment respectively. The deteriorated marble samples
to be treated were allowed to undergo chemical and biological treatment for 24h under
similar experimental conditions. After treatment, microscopic examination (SEM-EDS)
and FTIR analysis were carried out to check the effectiveness of the treatment meth-
ods. The results showed that the chemical treatment removed the crust partially from
the stone surface and a clear distinction between the cleaned and uncleaned area was
visually apparent. Associated production of undesirable sodium sulfate crystal was
also present.
     Thiobacillus sp.: Members of the genus Thiobacillus are gram-negative, acid
tolerant and able to fix CO2. Thiobacillus species may be used for safeguarding
concrete structures from fouling by lichens that grow on their surface as a superfi-
cial black layer. De Graef and co-workers [61] applied a mixture of members of the
genus Thiobacillus (mixture called Thio-S) to weathered concrete specimens by
sprinkling the bacterial mixture on the surface of the specimens or by submerging
the specimens in a suspension of the bacterial mixture, enabling the removal of
the fouling layer of lichens.
     Pseudomonas sp.: Pseudomonas is a gram-negative bacterium belonging to
phylum Proteobacteria. Some bacteria are non-pathogenic and non-spore forming
and, therefore, can be safely used for the purpose of biocleaning. A few strains
such as P. cepacia, P. testosteroni, P. fluorescens, P. flavescens and P. stutzeri
along with a cocktail of collagenase and protease enzyme have been used to
bioclean and restore the Spinello Aretino’s painted fresco in Italy. The Fresco was
affected by animal glue used in a past restoration. Of these strains, P. stutzeri
showed highest cell density on the Fresco surface. A concentrated suspension of
P. stutzeri was directly applied to the Fresco surface to efficiently digest the intri-




                                                                                               CONSERVATION SCIENCE IN CULTURAL HERITAGE
cate mass of proteinaceous animal glue to an extent that the gauze clothing the
fresco could be easily removed [5, 69]. Some species of Pseudomonas are among
the most potent nitrate reducing bacteria and are found abundantly in a natu-
ral environment. Pseudomonas sp. cells also show an ability to remove nitrates
from weathered stone [38] and Pseudomonas sp. and Bacillus sp. have also been
shown to degrade gypsum and phenantrene (a polycyclic aromatic compound)
deposited on weathered stone [62].
     Some bacterial isolates of species belonging to the genera Pseudomonas and Aci-
netobacter are able to reduce the pore size of monumental stones by depositing cal-
cium carbonate crystals around and inside the pores, thus suggesting their capability
to act as limestone consolidants [35].
     Myxococcus sp.: Myxococcus xanthus is a gram negative, non-pathogenic soil
bacterium having the ability to precipitate calcium carbonate extracellularly. The
metabolic activity of the bacteria results in the production of carbon dioxide and
ammonia (Eq. 1). Extracellular release of ammonia increases the pH and CO-
2
  3
    (aqueous) (Eq. 2). Precipitation of calcium carbonate occurs when supersatu-
ration is achieved (Eq. 3). The precipitated calcium carbonate forms a coherent
carbonate cement coating of 10-15µm thickness over the treated stone [70]. The
micro-organism has been employed in the bioconservation/restoration of impor-
tant cultural heritage, sculptural monuments, consolidation of ornamental stones
[70] and sundried earth constructions, including the mending and repairing of con-


                                                                                          93
                                                                                                                                 crete cracks. The peculiar gliding motion of the Myxococcus xanthus allows the
S. S. Cameotra, T. C. Dakal - Carbonatogenesis: Microbial contribution to the conservation of monuments and stone artwork



                                                                                                                                 bacterium to perform both, surface and in-depth consolidation[71].




                                                                                                                                    4.3. Role of Actinomycetes

                                                                                                                                    Few reports have been published on the application of Actinomycetes in monu-
                                                                                                                                 ment preservation and restoration. This group of bacteria is mainly utilized for
                                                                                                                                 rendering calcareous stone impermeability [14, 60]. Significant reduction in capil-
                                                                                                                                 lary water absorption by a calcareous stone (Pietra di Lecce), by Micrococcus sp.
                                                                                                                                 and Rhodoccoccus erytropolis revealed the bioreinforcement and impermeabiliz-
                                                                                                                                 ing capability of these microorganisms [14, 60]. Moreover, treatment with R. ery-
                                                                                                                                 tropolis showed no chromatic effect (discoloration) thereby preserving the original
                                                                                                                                 pristine color of the stone [60].

                                                                                                                                    4.4. Role of Fungi

                                                                                                                                    Although fungi are abundantly present in lime and calcareous soil, little has been re-
                                                                                                                                 ported in relevant literature about the role of fungi in carbonatogenesis [72-73]. Some
                                                                                                                                 soil fungi, mainly belonging to Ascomycetes are known to facilitate precipitation of
                                                                                                                                 calcium carbonate [56] but their role in the bioconservation and biorestoration of monu-
                                                                                                                                 ments is still to be investigated. One reason for this appears to be their secretion of
                                                                                                                                 organic acids, which may harm stone surfaces (biocorrosion) and may chelate certain
                                                                                                                                 cations to form stable, soluble complexes [74-75] thereby limiting their use as potent
                                                                                                                                 bioconservators.

                                                                                                                                    4.5. Others

                                                                                                                                    A few species of Fermicutes, Proteobacteria and Actinomycetes have been report-
                                                                                                                                 ed to produce calcium carbonate, but their potential as bioconservators has not been
                                                                                                                                 evaluated. These species include B. pumilus, B. thuringiensis [21], Stenotrophomonas
                                                                                                                                 sp., Ochrobactrum sp., Lysobacter sp., Microbacterium [60].

                                                                                                                                    5. Future Implications and Directions

                                                                                                                                     While this technology has now become a routine practice for the cleaning and consoli-
                                                                                                                                 dation of heritage monuments, ornamental stones and art works affected by hazardous
                                                                                                                                 air pollutants, biofilms and metabolic pigments and excretes of microbial origin, its appli-


                                                                                                                            94
cation in soil stabilization and consolidation to reduce damage by earthquakes, to stabi-
lize the ground for tunneling and mining, to mend cracks in roads, buildings and bridges,
to improve the structural properties of bricks, or to sequester CO2 from the atmosphere,
is rarely acknowledged or practiced. In the past few years, natural calamities like earth-
quakes, storms and hurricanes have destroyed many cultural heritage buildings and
damaged numerous artworks. Application of carbonatogenic bacteria for the consolida-
tion of soil so as to render heritage buildings resistant to earthquakes could be a logical
extension of the technique. Here in this review, we would also like to draw the attention
of various government agencies towards the problem of global warming and would like
to encourage them to start new projects with an aim to sequestering atmospheric CO2
and reducing its concentration to safe limits. CO2 is a major greenhouse gas responsible
for global warming. Its increasing concentration in the atmosphere has been the subject
of global concern over the past few decades and is generally known as the greenhouse
effect or global warming. Global warming has many serious impacts on environment
and organisms including human beings, which may result in immense disasters if not
controlled. Several remedial measures, such as the use of clean fuel in automobiles
and forest conservation have been considered, but no satisfactory solution has yet been
found. In such a case the sequestration of atmospheric CO2 by carbonatogenic bacteria
[76] could be a promising approach. The aim of this review is also to draw the attention
of various government agencies towards the problem of global warming and encourage
them to start new projects with the aim of sequestering atmospheric CO2 and reducing
its concentration to a normal and safe level.

   6. Concluding remark

   Current research in the field of bioconservation has extended our knowledge and
understanding of the mechanism and role of some organisms in the biodeterioration




                                                                                                   CONSERVATION SCIENCE IN CULTURAL HERITAGE
of historic monuments and consequently the application of carbonatogenic microbes
in conferring protection to heritage buildings and sculptures. In our view, the process
of bioconservation generally utilizes three strategies: 1) bio-deposition or superficial
coating of calcium carbonate (biocalcin) on the degraded limestone structures [37, 53],
2) cleaning and removing outer encrusting layers of sulfate, nitrate and oxalate etc.
[41] and 3) introducing calcium carbonate-forming bacteria in pores of limestone to
promote consolidation [35, 57].
   In the era of globalization and industrialization, protecting and restoring historic
monuments and stone works seems to be a difficult task. Though research in
this field has seen many advances in terms of the development of effective de-
livery systems [41], efficient algicides, biocides and photocatalytic based [77-78]
technologies however, inefficient in-depth consolidation [37], resistance of some
microbes to biocides treatments has raised another issue [79]. Therefore, the
fruitfulness of the conservation treatment can be envisaged only if all necessary
measures for preventing future growth of microorganisms are properly followed.
Treatment aimed at conservation and restoration may prove useless if proper af-
ter-care is not applied to a conserved or restored monument [80].

   Acknowledgements
   We would like to thank the Director, IMTech, for providing the resources for writ-
ing the manuscript and CSIR India, for providing a research Fellowship to Tikam
Chand Dakal.

                                                                                              95
S. S. Cameotra, T. C. Dakal - Carbonatogenesis: Microbial contribution to the conservation of monuments and stone artwork



                                                                                                                                       References

                                                                                                                                 [1]    GAURI K.L., BANDYOPADHYAY J.K., 1999, Carbonate Stone: Chemical Behav-
                                                                                                                                        iour, Durability, and Conservation, Wiley-Interscience, New York.
                                                                                                                                 [2]    CHAND T., CAMEOTRA S.S., 2011, Geomicrobiology of heritage monuments
                                                                                                                                        and artworks: Mechanisms of biodeterioration, bioconservation strategies and ap-
                                                                                                                                        plied molecular approaches, in Bioremediation: Biotechnology, Engineering and
                                                                                                                                        Environmental Management, Nova Science Publishers, New York.
                                                                                                                                 [3]    WEBSTER A.M., MAY E., 2006, Bioremediation of weathered-building stone sur-
                                                                                                                                        faces, Trends in Biot. 24, pp. 255-260
                                                                                                                                 [4]    SIANO S., SALIMBENI R., 2009, Advances in laser cleaning of artwork and ob-
                                                                                                                                        jects of historical interest: The optimized pulse duration approach, Acc. Chem.
                                                                                                                                        Res., 43, pp. 739-750.
                                                                                                                                 [5]    RANALLI G., ALFANO G., BELLI C., LUSTRATO G., COLOMBINI M.P., BONA-
                                                                                                                                        DUCE I., ZANARDINI E., ABBRUSCATO P., CAPPITELLI F., SORLINI C., 2005,
                                                                                                                                        Biotechnology applied to cultural heritage: biorestoration of frescoes using viable
                                                                                                                                        bacterial cells and enzymes, J. Appl. Microbiol. 98, pp. 73–83.
                                                                                                                                 [6]    DA SILVA NUNES-HALLDORSON V., DURAN N., 2003, Bioluminescent bacteria:
                                                                                                                                        lux genes as environmental biosensors, Braz. J. Microbiol., 34, pp. 91–96.
                                                                                                                                 [7]    SLATON D., NORMANDIN K.C., 2005, Masonry cleaning technologies, J. Archi-
                                                                                                                                        tect. Conserv., 11, pp. 7–31.
                                                                                                                                 [8]    FAVARO M., TOMASIN P., OSSOLA F., VIGATO P.A., 2008, A novel approach to
                                                                                                                                        consolidation of historical limestone: the calcium alkoxides, Appl. Organometal.
                                                                                                                                        Chem., 22, pp. 698–704.
                                                                                                                                 [9]    BARABESI C., GALIZZI A., MASTROMEI G., ROSSI M., TAMBURINI E., PERI-
                                                                                                                                        TO B., 2007, Bacillus subtilis gene cluster involved in calcium carbonate biomin-
                                                                                                                                        eralization, Journal of Bacteriology, 189, pp. 228–235.
                                                                                                                                 [10]   SALVADORI O., 2003, The control of biodeterioration, Coalition, 6, pp. 16–20.
                                                                                                                                 [11]   FERNANDES P., 2006, Applied microbiology and biotechnology in the conser-
                                                                                                                                        vation of stone cultural heritage materials, Appl. Microbiol. Biotechnol. 73, pp.
                                                                                                                                        291–296.
                                                                                                                                 [12]   CAPPITELLI F., LUCIA TONIOLO L., SANSONETTI A., GULOTTA D., RANALLI
                                                                                                                                        G., ZANARDINI E., SORLINI C., 2007, Advantages of using microbial technol-
                                                                                                                                        ogy over traditional chemical technology in removal of black crusts from stone
                                                                                                                                        surfaces of historical monuments, Appl. Environ. Microb., 73, pp. 5671–5675.
                                                                                                                                 [13]   GONZÁLEZ-MUÑOZ M.T., 2008, Bacterial biomineralization applied to the pro-
                                                                                                                                        tection-consolidation of ornamental stone: current development and perspec-
                                                                                                                                        tives, Coalition, 15, pp. 12–18.
                                                                                                                                 [14]   TIANO P., BIAGIOTTI L., MASTROMEI G., 1999, Bacterial bio-mediated calcite
                                                                                                                                        precipitation for monumental stones conservation: methods of evaluation, J. Mi-
                                                                                                                                        crobiol. Meth., 36, pp. 139–145.
                                                                                                                                 [15]   SCHEERER S., ORTEGA-MORALES O., GAYLARDE C., 2009, Microbial Dete-
                                                                                                                                        rioration of Stone Monuments—An Updated Overview, Adv. Appl. Microbiol., 66,
                                                                                                                                        pp. 97-139.
                                                                                                                                 [16]   HANSEN E., DOEHNE E., FIDLER F., LARSON J., MARTIN B., MATTEINI M.,
                                                                                                                                        RODRIGUEZ-NAVARRO C., PARDO E.S., PRICE C., DE TAGLE A., TEUTONI-
                                                                                                                                        CO J.M., WEISS N., 2003, A review of selected inorganic consolidants and pro-


                                                                                                                            96
     tective treatments for porous calcareous materials, Rev. Conser., 4, pp. 13–25.
[17] DE MUYNCK W., COX K., DE BELIE N., VERSTRAETE W., 2008a, Bacterial
     carbonate precipitation as an alternative surface treatment for concrete, Const.
     Build. Mater., 22, pp. 875–885.
[18] CASTANIER S., LE MÉTAYER-LEVREL G., ORIAL G., LOUBÌERE J.F., PERTHU-
     ISOT J.P., 2000., Bacterial carbonatogenesis and applications to preservation
     and restoration of historic property, in Of microbes and art: the role of microbial
     communities in the degradation and protection of cultural heritage, pp. 201-216,
     Plenum, New York.
[19] PALLA F., FEDERICO C., RUSSO R., ANELLO L., 2002, Identification of No-
     cardia restricta in biodegraded sandstone monuments by PCR and nested-PCR
     amplification. FEMS Microbiology ecology. vol. 39/1, pp. 85-8.
[20] HAMMES F., BOON N., DE VILLIERS J., VERSTRAETE W., SICILIANO S.D.,
     2003, Strain-specific ureolytic microbial calcium carbonate precipitation, Appl. En-
     viron. Microbiol., 69, pp. 4901–4909.
[21] BASKAR S., BASKAR R., MAUCLAIRE L., MCKENZIE J.A., 2006, Microbially
     induced calcite precipitation in culture experiments: possible origin for Sahastrad-
     hara Caves, Dehradun, India, Curr. Sci. India, 90, pp. 58–64.
[22] NAKATSU C.H., 2007, Soil microbial community analysis using denaturing gradi-
     ent gel electrophoresis, Soil Sci. Soc. Am. J., 71, pp. 562–571.
[23] PALLA F., TARTAMELLA E., 2007, Chromatic alteration on marable surfaces ana-
     lyzed by molecular biology tools. Conservation Science in Cultural Heritage, 7,
     pp. 111-127.
[24] DE MUYNCK W., DEBROUWER D., DE BELIE N., 2008b, Bacterial carbonate
     precipitation improves the durability of cementitious materials, Cement Concrete
     Res., 38, pp. 1005–1014.
[25] JIMENEZ-LOPEZ C., 2007, Consolidation of degraded ornamental porous lime-




                                                                                                 CONSERVATION SCIENCE IN CULTURAL HERITAGE
     stone stone by calcium carbonate precipitation induced by the microbiota inhabit-
     ing the stone, Chemosphere, 68, pp. 1929–1936
[26] PALLA F., BILLECI N., MANCUSO F.P., PELLEGRINO L., LORUSSO L.C., 2010,
     Microscopy and Molecular biology techniques for the study biocenosis diversity in
     semi-confined environments. Conservation Science in Cultural Heritage, 10, pp.
     185-194.
[27] PALLA F., ANELLO L., PECORELLA S., RUSSO R., DAMIAN F., 2003, Charac-
     terization of bacterial communities on stone monuments by molecular biology
     tools, in Molecular biology and cultural heritage, pp. 115-118, Swets & Zeitlinger
     BV, Lisse.
[28] PIÑAR G., GURTNER C., LUBITZ W., RÖLLEKE S., 2001, Identification of ar-
     chaea in objects of art by denaturing gradient gel electrophoresis analysis and
     shotgun cloning, Meth. Enzymol., 336, pp. 356-366.
[29] LAIZ L., PIÑAR G., LUBITZ W., SAIZ-JIMENEZ C., 2003, The colonisation of
     building materials by microorganisms as revealed by culturing and molecular
     methods, in Molecular biology and cultural heritage, pp. 23-28, Swets & Zeitlinger
     BV, Lisse.
[30] JROUNDI F., FERNÁNDEZ-VIVAS A., RODRIGUEZ-NAVARRO C., BEDMAR
     E.J., GONZÁLEZ-MUÑOZ M.T., 2010, Bioconservation of deteriorated monu-
     mental calcarenite stone and identification of bacteria with carbonatogenic activ-
     ity, Microb. Ecol. 60, pp. 39–54.


                                                                                            97
                                                                                                                                 [31] HAMMES F., VERSTRAETE, W., 2002, Key roles of pH and calcium metabolism
S. S. Cameotra, T. C. Dakal - Carbonatogenesis: Microbial contribution to the conservation of monuments and stone artwork



                                                                                                                                      in microbial carbonate precipitation, Environ. Sci. Biotechnol., 1, pp. 3–7.
                                                                                                                                 [32] BOQUET E., BORONAT A., RAMOS-CORMENZANA A., 1973, Production of
                                                                                                                                      calcite (calcium carbonate) crystals by soil bacteria is a general phenomenon,
                                                                                                                                      Nature, 248, pp. 21–28.
                                                                                                                                 [33] CACCHIO P., CONTENTO R., ERCOLE C., CAPPUCCIO G., MARTINEZ M.P.,
                                                                                                                                      LEPIDI A., 2004, Involvement of microorganisms in the formation of carbonate
                                                                                                                                      speleothems in the Cervo Cave (L’Aquila-Italy), Geomicrobiol. J., 21, pp. 497–
                                                                                                                                      509.
                                                                                                                                 [34] CACCHIO P., ERCOLE C., CAPPUCCIO G., LEPIDI A., 2003, Calcium carbonate
                                                                                                                                      precipitation by bacterial strains isolated from limestone cave and from a loamy
                                                                                                                                      soil, Geomicrobiol. J., 20, pp. 85–98.
                                                                                                                                 [35] ZAMARREÑO D.V., MAY E., ROBERT I., 2009, Inﬂuence of environmental tem-
                                                                                                                                      perature on biocalciﬁcation by non-sporing freshwater bacteria, Geomicrobiol. J.,
                                                                                                                                      26, pp. 1–12.
                                                                                                                                 [36] NOVITSKY, J.A., 1981, Calcium carbonate precipitation by marine bacteria, Ge-
                                                                                                                                      omicrobio. J., 2, 375–388.
                                                                                                                                 [37] LE MÉTAYER-LEVREL G., CASTANIER S., ORIAL G., LOUBIÈRE J.F., PERTHU-
                                                                                                                                      ISOT J.P., 1999, Applications of bacterial carbonatogenesis to the protection and
                                                                                                                                      regeneration of limestones in buildings and historic patrimony, Sedi. Geol., 126,
                                                                                                                                      pp. 25–34.
                                                                                                                                 [38] CASTANIER S., LE MÉTAYER-LEVREL G., PERTHUISOT J.P., 1999, Ca-car-
                                                                                                                                      bonates precipitation and limestone génesis—the microbiogeologist point of view,
                                                                                                                                      Sediment. Geol. 126, pp. 9–23.
                                                                                                                                 [39] RAMACHANDRAN S.K., RAMAKRISHNAN V., BANG S.S., 2001, Remediation
                                                                                                                                      of concrete using microorganisms, ACI Mater. J. 98, pp. 3–9.
                                                                                                                                 [40] SARDA D., CHOONIA H.S., SARODE D.D., LELE S.S., 2009, Biocalciﬁcation by
                                                                                                                                      Bacillus pasteurii urease: a novel application, J. Ind. Microbiol. Biotechnol., 36,
                                                                                                                                      pp. 1111–1115.
                                                                                                                                 [41 – 53] CAPPITELLI F., ZANARDINI E., RANALLI R., MELLO E., DAFFONCHIO
                                                                                                                                      D., SORLINI C., 2006, Improved methodology for bioremoval of black crusts on
                                                                                                                                      historical stone artworks by use of sulfate-reducing bacteria, Appl. Environ. Micro-
                                                                                                                                      biol., 72, pp. 3733–3737.
                                                                                                                                 [42] KRUMBIEN W.E., 2003, Patina and Cultural Heritage – a Geomicrobiologist’s
                                                                                                                                      Perspective. Cultural Heritage Research: a Pan European Challenge, in 5th EC
                                                                                                                                      Conference, Cracow.
                                                                                                                                 [43] SAARELA M., ALAKOMI H.L., SUIHKO M.L., MAUNUKSELA L., RAASKA L.,
                                                                                                                                      MATTILA-SANDHOLM T., 2004, Heterotrophic microorganisms in air and biofilm
                                                                                                                                      samples from Roman catacombs, with special emphasis on actinobacteria and
                                                                                                                                      fungi, Int. Biod. Biodegr., 54, pp. 27-37.
                                                                                                                                 [44] SANDERS M., VAN HEES R.P.J., 2005, Monitoring of the moisture and salt load
                                                                                                                                      in restoration plasters in St. Barbara’s Church in Culemborg, Proceedings Rilem
                                                                                                                                      Workshop “Historic Mortars”, Delft, The Netherlands.
                                                                                                                                 [45] GROOT C., VAN HEES R., WIJFFELS T., 2009, Selection of plasters and renders
                                                                                                                                      for salt laden masonry substrates, Construction and Building Materials, 23, pp.
                                                                                                                                      1743-1750.
                                                                                                                                 [46] DOEHNE E., SCHIRO M., ROBY T., CHIARI G., LAMBOUSY G., KNIGHT H.,
                                                                                                                                      2008, Evaluation of poultice desalination process at Madame John’s Legacy, New


                                                                                                                            98
       Orleans, in J. Lukaszewicz, P. Niemcewicz (eds.), Proceedings of 11th Inernation-
       al Congress on Deterioration and Conservation of Stone, Nicolaus Copernicus
       University Press, Torun, pp. 857-864.
[47]   BOURGÈS A., VERGÈS-BELMIN V., 2008, Comparison and optimization of five
       desalination systems on inner walls of Saint Philibert Church in Dijon, France, in
       Salt Weathering on Buildings and Stone Sculpture, SWBSS, Copenhagen, Den-
       mark.
[48]   CUZMAN O.A., VENTURA S., SILI C., MASCALCHI C., TURCHETTI T., D’ACQUI
       L.P., TIANO P., 2010, Biodiversity of phototrophic biofilms dwelling on monumen-
       tal fountains, Microb. Ecol., 60, pp. 81-95
[49]   FRATINI F., RESCIC S., TIANO P., 2006, A new portable system for determining
       the state of conservation of monumental stones, Materials and Structures, 39, pp.
       139–147.
[50]   RUIZ-AGUDO E., MEES F., JACOBS P., RODRIGUEZ-NAVARRO C., 2007, The
       role of saline solution properties on porous limestone salt weathering by magne-
       sium and sodium sulfates, Environ. Geol., 52, pp. 269–281.
[51]   LEE Y.N., 2003, Calcite Production by Bacillus amyloliquefaciens CMB01, J. Mi-
       crobiol., 41, pp. 345-348.
[52]   ORIAL G., CASTANIER S., LE METAYER G., LOUBIÈRE J.F., 1993, The bi-
       omineralization: a new process to protect calcareous stone applied to historic
       monuments, in H. Ktoishi, T. Arai, K. Yamano (eds.), Proceedings of the 2nd Inter-
       national Conference of Biodeterioration of Cultural Property, International Com-
       munications Specialists, Tokyo, Japan, pp. 98–116.
[53]   DICK J., DE WINDT W., DE GRAEF B., SAVEYN H., VAN DER MEEREN P., DE
       BELIE N., VERSTRAETE W., 2006, Bio-deposition of a calcium carbonate layer
       on degraded limestone by Bacillus species, Biodegradation, 17, pp. 357–367.
[54]   GAURI L.K., PARKS L., JAYNES J., ATLAS R., 1992, Removal of sulphated crust




                                                                                                      CONSERVATION SCIENCE IN CULTURAL HERITAGE
       from marble using sulphate-reducing bacteria, in G.M. Robin (ed.), Stone clean-
       ing and the nature, soiling and decay mechanisms of stone, Proceedings of the
       International Conference.: Donhead Publishing Ltd., Edinburgh, United Kingdom,
       pp. 160–165.
[55]   RIVADENEYRA M.A., PÁRRAGA J., DELGADO R., RAMOS-CORMERZANA A.,
       DELGADO G., 2004, Biomineralization of carbonates by Halobacillus trueperi in
       solid and liquid media with differerent salinities, FEMS Microbiol. Ecol., 48, pp.
       39–46.
[56]   MASAPHY S., ZABARI L., PASTRANA J., DULTZ S., 2009, Role of fungal myce-
       lium in the formation of carbonate concretions in growing media—An investigation
       by SEM and synchrotron-based X-ray tomographic microscopy, Geomicrobio. J.,
       26, pp. 442–450.
[57]   RODRIGUEZ-NAVARRO C., RODRIGUEZ-GALLEGO M., CHEKROUN K.B.,
       GONZALEZ-MUÑOZ M.T., 2003, Conservation of ornamental stone by Myxococ-
       cus xanthus-induced carbonate biomineralization, Appl. Environ. Microbiol., 69,
       pp. 2182–2193.
[58]   ANDERSON S., APPANNA V.D., HUANG J., VISWANATHA T., 1992, A novel role
       for calcite in calcium homeostasis, FEBS Lett., 308, pp. 94–96.
[59]   RIVADENEYRA M.A., DELGADO R., PÁRRAGA J., RAMOS-CORMENZA A., 2006,
       Precipitation of minerals by 22 species of moderately halophilic bacteria in artificial
       marine salts media: influence of salt concentration, Folia Microbiol., 51, pp. 445–453.


                                                                                                 99
                                                                                                                                  [60] SPROCATI A.R., ALISI C., TASSO F., 2008, A microbial survey of the Etruscan
S. S. Cameotra, T. C. Dakal - Carbonatogenesis: Microbial contribution to the conservation of monuments and stone artwork



                                                                                                                                       Mercareccia Tomb (Italy): Contribution of microorganisms to deterioration and
                                                                                                                                       restoration, in 9th International Conference on NDT of Art, Jerusalem Israel.
                                                                                                                                  [61] DE GRAEF B., DE WINDT W., DICK J., VERSTRAETE W., DE BELIE N., 2005,
                                                                                                                                       Cleaning of concrete fouled by lichens with the aid of Thiobacilli, Materials and
                                                                                                                                       Structures, 38, pp. 875-882.
                                                                                                                                  [62] SAIZ-JIMENEZ C., 1997, Biodeterioration vs biodegradation: the role of micro-
                                                                                                                                       organisms in the removal of pollutants deposited on historic buildings, Int. Biod.
                                                                                                                                       Biodegr., 40, pp. 225–232.
                                                                                                                                  [63] RANALLI G., CHIAVARINI M., GUIDETTI V., MARSALA F., MATTEINI M., ZA-
                                                                                                                                       NARDINI E., SORLINI C., 1997, The use of microorganisms for the removal of
                                                                                                                                       sulphates on artistic stoneworks, Int. Biod. Biodegr., 40, pp. 255–261.
                                                                                                                                  [64] WRIGHT D.T., 1999, The role of sulphate-reducing bacteria and cyanobacteria in
                                                                                                                                       dolomite formation in distal ephemeral lakes of the Coorong region, South Aus-
                                                                                                                                       tralia, Sedimentary Geol., 126, pp. 147–157.
                                                                                                                                  [65] WARTHMANN R., VAN LITH Y., VASCONCELOS C., MCKENZIE J.A., KAR-
                                                                                                                                       POFF M., 2000, Bacterially induced dolomite precipitation in anoxic culture ex-
                                                                                                                                       periments, Geol., 28, pp. 1091–1094.
                                                                                                                                  [66] PRICE C.A., 1984, The consolidation of limestone using a lime poultice and lime-
                                                                                                                                       water, in Proceedings of Adhesives and Consolidants IIC Meeting. Paris, IC, Lon-
                                                                                                                                       don. pp. 160-162.
                                                                                                                                  [67] BANG S.S., GALINAT J.K., RAMAKRISHNAN V., 2001, Calcite precipitation in-
                                                                                                                                       duced by polyurethane immobilized Bacillus pasteurii, Enz. Microb. Tech., 28, pp.
                                                                                                                                       404–409.
                                                                                                                                  [68] TITTELBOOM K.V., DE BELIE N., DE MUYNCK W., VERSTRAETE W., 2010,
                                                                                                                                       Use of bacteria to repair cracks in concrete, Cement Concrete Res., 40, pp. 157-
                                                                                                                                       166.
                                                                                                                                  [69] ANTONIOLI P., ZAPPAROLI G., ABBRUSCATO P., SORLINI C., RANALLI G.,
                                                                                                                                       RIGHETTI P.G., 2005, Art-loving bugs: the resurrection of Spinello Aretino from
                                                                                                                                       Pisa’s cemetery, Proteomics, 5, pp. 2453–2459.
                                                                                                                                  [70] PIÑAR G., JIMENEZ-LOPEZ C., STERFLINGER K., ETTENAUER J., JROUNDI
                                                                                                                                       F., FERNANDEZ-VIVAS A., GONZALEZ-MOÑOZ M.T., 2010, Bacterial commu-
                                                                                                                                       nity dynamics during the application of a Myxococcus xanthus-inoculated culture
                                                                                                                                       medium used for consolidation of ornamental limestone. Microb. Ecol., 60, pp.
                                                                                                                                       15-28.
                                                                                                                                  [71] MCBRIDE M.J., HARZELL P., ZUSMAN D.R., 1993, Motility and tactic behaviour
                                                                                                                                       of Myxococcus Xanthus, in Myxobacteria II, pp. 285–305, American Society for
                                                                                                                                       Microbiology (ASM), Washington.
                                                                                                                                  [72] BURFORD E.P., FOMINA M., GADD G.M., 2003, Fungal involvement in bio-
                                                                                                                                       weathering and biotransformation of rocks and minerals. Miner. Mag. 67, pp.
                                                                                                                                       1127–1155.
                                                                                                                                  [73] BURFORD E.P., HILLIER S., GADD G.M., 2006, Biomineralization of fungal hy-
                                                                                                                                       phae with calcite (CaCO3) and calcium oxalate mono- and dihydrate in carbonifer-
                                                                                                                                       ous limestone microcosms, Geomicrobiol. J., 23, pp. 599–611.
                                                                                                                                  [74] WARSCHEID T., BRAAMS J., 2000, Biodeterioration of stone: a review, Int. Biod.
                                                                                                                                       Biodegr., 46, pp. 343–368.
                                                                                                                                  [75] MCNAMARA C.J., MITCHELL R., 2005, Microbial deterioration of historic stone,
                                                                                                                                       Fronti. Ecol. Envir, 3, pp. 445–451.


                                                                                                                            100
[76] LEE B.D., APEL W.A., WALTON M.R., 2005, Calcium carbonate formation by
     Synechococcus sp. strain PCC 8806 and Synechococcus sp. strain PCC 8807,
     Bioresour. Technol., 97, pp. 2427-2434.
[77] GLADIS F., EGGERT A., KARSTEN U., SCHUMANNET R., 2010, Prevention of
     bioﬁlm growth on man-made surfaces: evaluation of antialgal activity of two bioc-
     ides and photocatalytic nanoparticles, Biofouling, 26, pp. 89–101.
[78] ALAKOMI H.L., PAANANEN A., SUIHKO M.L., HELANDER I.M., SAARELA M.,
     2006, Weakening effect of the cell permeabilizers on gram-negative bacteria
     causing biodeterioration, Applied and Environment Microbiology, 72, pp. 4695-
     4703.
[79] BOLÍVAR F.C., SÁNCHEZ-CASTILLO P.M., 1997, Biomineralization processes in
     the fountains of the Alambra, Ganada, Spain, Int. Biod. Biodegr., 40, pp. 205–215
[80] DORNIEDEN T., GORBUSHINA A., KRUMBEIN W.E., 2000, Patina: physical and
     chemical interactions of sub-aerial biofilms with objects of art, in O. Ciferri, P.
     Tiano, G. Mastromei (eds.), in Of microbes and art: the role of microbial communi-
     ties in the degradation and protection of cultural heritage, pp. 105-120, Phenum,
     New York.


             Carbonatogenesi: contributo microbico nella conservazione dei monumenti
          e delle opere d’arte in pietra

             Parole chiave: carbonatogenesi, monumenti storici, materiali lapidei, bioconser-
          vazione

               1. Introduzione
               Nel corso della storia, l’umanità ha utilizzato le pietre più belle, resistenti e solide
          per la costruzione di opere civili. Il calcare è uno di questi materiali. Esso è stato
          anche utilizzato nella costruzione di molti importanti monumenti storici e manufatti
          scultorei come per le cattedrali europee (per es. il Duomo di Milano, Italia), i templi




                                                                                                                  CONSERVATION SCIENCE IN CULTURAL HERITAGE
          romani e greci, il Taj Mahal, le piramidi [1-2].
               Dal momento che i calcari, di natura molto porosi e idrofili, sono altamente sensibili
          all’acqua (come le piogge acide) e agli inquinanti ambientali, l’acqua penetra spesso in
          profondità nei pori delle pietre trasportando ioni nocivi e corrosivi, come cloruri e acidi che
          le danneggiano. Inoltre, data la costante presenza di inquinanti ambientali e industriali,
          particolato, ceneri e smog spesso si depositano sui monumenti di pietra calcarea
          accelerando il loro deterioramento [3]. I microrganismi, presenti all’interno dei monumenti
          e delle pietre, a seguito di interazioni con altri fattori dannosi biotici ed abiotici e agenti
          atmosferici, causano il deterioramento e l’alterazione cromatica dei monumenti e delle
          pietre a causa di una serie di meccanismi noti. Mentre gli agenti atmosferici e la corrosione
          contribuiscono al deterioramento fisico di queste strutture, l’alterazione cromatica non
          incide sulla struttura della pietra, ma ne danneggia l’aspetto estetico.
               Negli ultimi decenni c’è stata una crescente preoccupazione a livello mondiale per
          il deterioramento dei monumenti storici e di opere d’arte in pietra. Tale deterioramento
          rappresenta una grande sfida per archeologi, geo-biologi e bioconservatori e mette
          in evidenza l’immediata necessità di sviluppare metodologie preventive e correttive
          per tutelare questi monumenti e le opere d’arte in pietra. Negli ultimi anni vi sono stati
          grandi progressi nell’ambito della metodologia di prevenzione [4-9] .
               Diversi metodi fisici, meccanici e chimici [10-11] sono stati messi a punto e utilizzati
          per la pulitura e il restauro, ma nessuno dei metodi di trattamento testati si è dimostrato
          soddisfacente per la prevenzione, il consolidamento e l’impermeabilizzazione dei materiali
          lapidei [12-13]. Alcuni di questi metodi hanno dato risultati insoddisfacenti, causando
          rapide alterazioni delle pietre dal punto di vista sia strutturale che estetico [13].
               Il riconsolidamento dei materiali lapidei mediante metodi convenzionali si è spesso
          rivelato inefficiente [14] e la non compatibilità dei metodi ha causato danni irreversibili
          e irreparabili alla superficie di questi materiali, con conseguente biodeterioramento
          e perdita dal punto di vista estetico delle strutture trattate negli ultimi anni [15].


                                                                                                            101
                                                                                                                                  L’apparente non compatibilità dei metodi convenzionali ha favorito la ricerca di nuovi
S. S. Cameotra, T. C. Dakal - Carbonatogenesis: Microbial contribution to the conservation of monuments and stone artwork



                                                                                                                                  trattamenti di conservazione compatibili, efficaci ed ecologici [16-17]. Recentemente,
                                                                                                                                  nuovi progressi e ricerche nel campo delle procedure di pulitura che utilizzano i
                                                                                                                                  microbi per la bioconservazione dei monumenti in marmo hanno mostrato risultati
                                                                                                                                  promettenti [12,14,18]. L’utilizzo di strumenti ben documentati di biologia molecolare
                                                                                                                                  quali 16s rRNA [19-21], elettroforesi su gel a gradiente denaturante (DGGE) [22],
                                                                                                                                  spettroscopia infrarossa in trasformata di Fourier (FTIR) [12], microscopia elettronica
                                                                                                                                  a scansione (SEM) [23-24] e diversi strumenti di analisi filogenetiche di bioinformatica
                                                                                                                                  [20,25] ha permesso di studiare il meccanismo molecolare di biodeterioramento e il
                                                                                                                                  ruolo dei microbi carbonatogenici nella bioconservazione [26-30].
                                                                                                                                      Questo lavoro riassume brevemente il processo di carbonatogenesi di vari
                                                                                                                                  microrganismi e il suo contributo alla tutela del patrimonio edilizio e culturale. Esso
                                                                                                                                  esamina alcune indagini specifiche da parte di alcuni importanti gruppi di ricerca attivi
                                                                                                                                  e di altri che si sono occupati di tali progetti di ricerca dal punto di vista tecnologico.
                                                                                                                                  Sono discusse le prospettive future.

                                                                                                                                      2. Biomineralizzazione di carbonato di calcio: il processo di carbonatogenesi
                                                                                                                                      Il calcare è costituito da carbonato di calcio che è uno dei minerali più comuni
                                                                                                                                  e diffusi presenti sulla Terra. È molto diffuso in natura e si trova nell’ambiente
                                                                                                                                  acquatico, marino e terrestre [31]. In natura, la produzione di carbonato di calcio
                                                                                                                                  è principalmente attribuita a vari processi fisici e chimici. La produzione biologica
                                                                                                                                  è stata in precedenza supposta ed è rimasta controversa per lungo tempo, fino ai
                                                                                                                                  recenti progressi e ricerche in questo campo. Il potenziale di biorimedio del batterio
                                                                                                                                  è stato previsto nel 1973 [32] ma la ricerca, finalizzata all’isolamento di batteri che
                                                                                                                                  hanno la capacità di produrre carbonato di calcio, è stata soltanto di recente applicata
                                                                                                                                  nella bioconservazione di monumenti e opere d’arte di pietra [30]. Questi batteri sono
                                                                                                                                  ampiamente diffusi e sono conosciuti sin dal Precambriano. Si trovano nel suolo
                                                                                                                                  [33-34], in acqua dolce [35] e in acqua di mare [36]. Questi microrganismi sono
                                                                                                                                  attualmente oggetto di studi approfonditi riguardo al loro ruolo nella carbonatogenesi,
                                                                                                                                  al fine di sviluppare nuove tecnologie per la bioconservazione e il consolidamento
                                                                                                                                  di monumenti e di opere d’arte in pietra [13-14,37]. Questi microrganismi sono noti
                                                                                                                                  come microrganismi carbonatogenici o microbi calcificanti per la loro intrinseca
                                                                                                                                  capacità di produrre carbonato di calcio.
                                                                                                                                      La carbonatogenesi è un processo di biomineralizzazione che si verifica come risultato
                                                                                                                                  di reazioni biochimiche tra ioni e composti in determinate condizioni. In condizioni ottimali
                                                                                                                                  il processo è indotto dal microrganismo che permette la precipitazione di carbonato di
                                                                                                                                  calcio extracellulare. La produzione microbiologica di carbonato di calcio (calcite) può
                                                                                                                                  verificarsi in modo autotrofico ed eterotrofico [31,38]. La precipitazione di carbonato di
                                                                                                                                  calcio autotrofa è promossa da batteri metanogeni non-metilotrofi, atossici e ossigenici.
                                                                                                                                  Questi batteri utilizzano biossido di carbonio sia in forma gassosa che liquida proveniente
                                                                                                                                  da una varietà di fonti, comprese respirazione e fermentazione. L’utilizzo di anidride
                                                                                                                                  carbonica in un ambiente ricco di calcio favorisce la precipitazione di carbonato di calcio.
                                                                                                                                  La produzione di carbonato di calcio da parte di batteri eterotrofi è definita, in relazione
                                                                                                                                  ai diversi meccanismi, attiva o passiva [31,38]. La produzione passiva coinvolge i due
                                                                                                                                  cicli metabolici, il ciclo dell’azoto e dello zolfo e utilizza tre vie: 1) l’ammonificazione di
                                                                                                                                  amminoacidi in condizioni anaerobiche in presenza di sostanza organica e di calcio, 2)
                                                                                                                                  la riduzione dissimilativa di nitrati in condizioni anaerobiche e microaerofile in presenza
                                                                                                                                  di materia organica, calcio e nitrato, 3) l’idrolisi di urea o acido urico in presenza di ureasi
                                                                                                                                  e in ambiente ricco di sostanze organiche e calcio [31,39-40]. La precipitazione attiva
                                                                                                                                  non dipende da una sequenza di reazioni biochimiche, ma è il risultato di scambio ionico
                                                                                                                                  attraverso la membrana cellulare con un meccanismo ancora scarsamente compreso
                                                                                                                                  [31,38]. Il processo di carbonatogenesi è governato da quattro fattori: 1) la concentrazione
                                                                                                                                  di calcio, 2) la concentrazione di carbonato, 3) il pH, 4) la presenza di siti di nucleazione
                                                                                                                                  [31].

                                                                                                                                      3. Progetto di ricerca dedicato
                                                                                                                                      In occasione della 17° sessione svoltasi a Parigi nel 1972, la Conferenza generale
                                                                                                                                  dell’UNESCO ha adottato la Convenzione per la protezione del mondo e della natura.
                                                                                                                                  Il programma riguardava la catalogazione e la conservazione dei siti del patrimonio
                                                                                                                                  culturale e ambientale di importanza storica e scientifica. Nell’ambito di questo
                                                                                                                                  programma molti edifici storici e siti del patrimonio culturale di tutto il mondo sono
                                                                                                                                  stati identificati ancorché in uno stato di progressivo deterioramento. Sono stati quindi
                                                                                                                                  avviati molti progetti e programmi al fine di salvaguardare e preservare questi edifici

                                                                                                                            102
e siti storici. In alcuni paesi, in particolare nell’UE, diversi progetti di ricerca si sono
concentrati nello studio del ruolo della biotecnologia nella scienza della conservazione.
Altri gruppi di ricerca si sono direzionati allo sviluppo di metodologie di recupero per
la conservazione del patrimonio edilizio dagli effetti dannosi da parte di microrganismi
e sostanze inquinanti aerodisperse. Le informazioni necessarie, per quanto riguarda i
contributi di alcuni grandi progetti finanziati dall’UE in bioconservazione dei siti, sono
riportate dalla Commissione Europea e dell’IST nei siti web relativi ai progetti
    (http://ec.europa.eu/research/environment/index_en.cfm?pg~~V progetti = area
& = tutti; http://www.ist-world.org/~~V) e i risultati sono riassunti qui di seguito e
descritti anche nella Tabella 1.

    4. Batteri carbonatogenici: bioconservatori del patrimonio culturale
    La colonizzazione dei microbi su monumenti scultorei è, come è noto, dannosa o
distruttiva ed il loro potenziale, come importante contributo nella protezione dei monumenti,
è stato comunque trascurato. Recentemente il ruolo dei microrganismi in bioconservazione
e restauro di monumenti e opere in pietra è stato riconosciuto e valutato. Questi
microrganismi, anche se non limitati ad alcun specifico gruppo tassonomico, condividono
una proprietà comune relativa alla precipitazione di carbonato di calcio extracellulare. La
maggior parte dei microrganismi che danno luogo alla precipitazione del carbonato di
calcio sono potenzialmente in grado di consolidare monumenti e opere in pietra, andando
in direzione opposta al biodeterioramento (Tabella 2). Essi principalmente appartengono
a generi differenti all’interno dei phyla Firmicutes, Proteobacteria e Actinomycetes [30,60].
Alcuni batteri solfato-riducenti, cianobatteri [61-62] e funghi [56] sono anche noti per la
loro capacità di precipitare carbonato di calcio, ma il loro potenziale di bioconservazione
è ancora da valutare.

    4.1. Ruolo dei Firmicutes
    Alcune specie appartenenti al genere Bacillus sono annoverate tra i principali
microrganismi in grado di indurre la precipitazione di carbonato di calcio, mediante
un meccanismo di tipo ureolitico, che opera in condizioni anaerobiche con l’aiuto
dell’enzima ureasi, favorito da un ambiente ricco di calcio. In condizioni ottimizzate (pH,
temperatura, ecc), la reazione può essere controllata per favorire la precipitazione di
carbonato di calcio molto compatto chiamato Biocemento. L’attività dell’enzima è stata
trovata essere sufficientemente elevata [40] per rendere il suo sfruttamento fattibile
per la produzione di biocemento su scala pratica. Il contributo di qualche specifico




                                                                                                       CONSERVATION SCIENCE IN CULTURAL HERITAGE
microrganismo in bioconservazione dei monumenti è brevemente descritto di seguito.

    Bacillus subtilis: l’uso di acqua di calce, come consolidante della pietra calcarea
deteriorata, è conosciuta dal tempo dei Romani [66]. Questo trattamento però, altamente
efficiente, non è stato praticato per lungo tempo. Un trattamento simile, che utilizza il
carbonato di calcio precipitato, come consolidante calcareo, è stato utilizzato da Tiano e
collaboratori [14]. Essi hanno scoperto che, dopo il trattamento dei campioni di ‘Pietra di
Lecce’ (un calcare bioclastico costituito principalmente da CaCO3) con Bacillus subtilis e
Micrococcus, la permeabilità all’acqua della pietra è stata notevolmente ridotta. Questo
tipo di trattamento rende in genere la pietra più idrorepellente o impermeabile e quindi
meno suscettibile al deterioramento da piogge corrosive o acqua inquinata.

    Bacillus pasteurii: questo è un batterio del suolo che produce endospore e che
mostra una attività di ureasi notevolmente elevata [40]. In particolare il Bacillus
pasteurii all’interno della cellula produce ureasi che costituisce circa l’1% del peso
secco cellulare. L’enzima media l’idrolisi di urea e acido urico per formare biossido di
carbonio e ammoniaca.
    Sembra che l’ammoniaca, prodotta come risultato di idrolisi dell’urea tramite l’enzima
ureasi, aumenti il pH degli ambienti e induca successivamente la precipitazione di CaCO3.
Il CaCO3 precipitato è stato utilizzato come potente sigillante microbico per rimediare pori,
crepe e fessure in pietre di granito e in calcestruzzo [39]. A causa del pH estremamente
elevato (circa 12,5) del calcestruzzo, che inibisce la crescita di Bacillus pasteurii (per il
quale il pH ottimale per la crescita è 9,0), l’ostruzione dei pori delle fessure e delle crepe
nelle sue formazioni strutturali è relativamente limitato. Per superare questo inconveniente,
è impiegata una tecnica di immobilizzazione cellulare che utilizza poliuretano (PU) per
proteggere le cellule microbiche dalle condizioni di pH elevato [67] nel trattamento delle
fessure della pietra. Oltre al Bacillus pasteurii, la proprietà carbonatogenica di diversi
batteri di questo genere è stata valutata e applicata con successo nelle strategie di
bioconservazione [53].
                                                                                                 103
                                                                                                                                      Bacillus sphaericus: il Bacillus sphaericus è anche un batterio ureolitico che
S. S. Cameotra, T. C. Dakal - Carbonatogenesis: Microbial contribution to the conservation of monuments and stone artwork



                                                                                                                                  precipita il carbonato di calcio nel suo micro-ambiente convertendo urea in ammoniaca
                                                                                                                                  e biossido di carbonio. Questi batteri, da soli o in combinazione con l’immobilizzazione
                                                                                                                                  in gel di silice, sono stati usati per ridurre la capacità di assorbimento d’acqua capillare
                                                                                                                                  e la permeabilità ai gas del carbonato [56,68]. Il meccanismo di precipitazione di
                                                                                                                                  carbonato di calcio da Bacillus sphaericus è descritto di seguito.

                                                                                                                                      Bacillus cereus: in determinate condizioni ambientali (temperatura ottimale e pH), i
                                                                                                                                  batteri possono dar luogo alla precipitazione del carbonato di calcio extracellularmente
                                                                                                                                  sotto forma di un sottile strato (biocalcio o biocemento). Dopo il trattamento della pietra
                                                                                                                                  con il Bacillus cereus, si ha una significativa perdita di water sorptivity della pietra trattata
                                                                                                                                  [18,37,52]. La formazione del nuovo strato di cemento ha reso la pietra più resistente
                                                                                                                                  allo stress fisico, cioè più consolidato. Poiché lo spessore del nuovo strato di cemento
                                                                                                                                  formato da B. cereus era di pochi micron, Rodriguez-Navarro e collaboratori [57]
                                                                                                                                  hanno proposto un altro metodo di formazione di biocemento utilizzando Myxococcus
                                                                                                                                  xanthus, che è più spesso di quello di Bacillus cereus.

                                                                                                                                     Bacillus amyloliquefaciens: B. amyloliquefaciens è un alcalofilo ed è noto per la
                                                                                                                                  precipitazione del carbonato in condizioni di coltura controllata. Il carbonato di calcio
                                                                                                                                  precipitato viene impiegato nel consolidamento delle pietre ornamentali [51].

                                                                                                                                     4.2. Ruolo dei Proteobatteri
                                                                                                                                     Il phylum comprende numerosi solfato e zolfo- riduttori (riducono da solfato e
                                                                                                                                  da zolfo a solfuro, rispettivamente), così come nitrato-riduttori (riducono i nitrati ad
                                                                                                                                  azoto gassoso o protossido di azoto), che hanno una grande capacità di rimuovere o
                                                                                                                                  pulire sali di solfati o di nitrati dalle superfici in pietra. Di seguito sono elencati alcuni
                                                                                                                                  Proteobatteri che svolgono un ruolo significativo nella conservazione di antichi edifici
                                                                                                                                  storici e di opere d’arte.

                                                                                                                                      Desulfovibrio desulfuricans: le opere d’arte in pietra di marmo sono molto
                                                                                                                                  sensibili agli inquinanti ambientali e alle piogge acide. L’acido solforico presente
                                                                                                                                  nelle piogge acide reagisce con il carbonato di calcio del marmo e lo trasforma in
                                                                                                                                  solfato di calcio bi-idrato, comunemente noto come gesso. Durante questa reazione
                                                                                                                                  di trasformazione alcune sostanze inquinanti presenti nell’aria come particelle di
                                                                                                                                  carbonio sono intrappolate nella matrice minerale e portano alla formazione di una
                                                                                                                                  crosta nera. Gauri e collaboratori [54] per la prima volta hanno proposto e dimostrato
                                                                                                                                  il ruolo dei batteri solfato-riducenti nella rimozione di incrostazioni di gesso da
                                                                                                                                  una statua di marmo convertendo il gesso in calcite. Anche se il metodo è stato
                                                                                                                                  abbastanza soddisfacente per gli scopi previsti, aveva due grossi inconvenienti.
                                                                                                                                  In primo luogo, il metodo potrebbe essere applicato solo a limitate opere d’arte in
                                                                                                                                  gesso incrostate e, in secondo luogo, i manufatti sottoposti al trattamento dovevano
                                                                                                                                  essere resi impermeabili prima dell’immersione nel terreno di coltura del liquido [41].
                                                                                                                                  Alcuni ricercatori [12,41] hanno illustrato e valutato che l’impiego dei sistemi microbici
                                                                                                                                  per monumenti in pietra funziona come mezzo per rendere tali opere impermeabili
                                                                                                                                  all’acqua e proteggerle.

                                                                                                                                      Desulfovibrio vulgaris: questo è un batterio solfato-riducente, che ha un ruolo nella
                                                                                                                                  rimozione della crosta nera sulle statue di marmo. Ranalli e collaboratori [63] hanno
                                                                                                                                  descritto che la bioconservazione e la proprietà consolidante dei batteri Desulfovibrio
                                                                                                                                  desulfuricans e Desulfovibrio vulgaris sono notevolmente migliorate quando i batteri
                                                                                                                                  sono intrappolati in una matrice inorganica minerale, la Sepiolite, prima dell’uso.
                                                                                                                                  L’utilizzo della Sepiolite come sistema di trasporto ha portato a una rimozione di solfato
                                                                                                                                  dal marmo incrostato quattro volte maggiore con sepiolite colonizzata piuttosto che
                                                                                                                                  con sepiolite non colonizzata. Più tardi Cappitelli e collaboratori [41] e altri ricercatori
                                                                                                                                  hanno testato il potenziale di due altri gel organici come sistema di trasporto. Hanno
                                                                                                                                  usato Hydrobiogel-97 e Carbogel per l’intrappolamento dei batteri Desulfovibrio
                                                                                                                                  vulgaris e hanno scoperto che il Carbogel è più efficiente per la rimozione di solfato
                                                                                                                                  dal marmo incrostato. Inoltre, la precipitazione associata di solfito di ferro dovuto ai
                                                                                                                                  batteri, come risultato della reazione tra il solfuro d’idrogeno e il ferro dei materiali
                                                                                                                                  ricchi in ferro, è stata anche drasticamente ridotta in misura considerevole. Cappitelli
                                                                                                                                  e collaboratori hanno comparato il metodo chimico e biologico per la conservazione
                                                                                                                                  del Duomo di Milano. Hanno usato una soluzione di carbonato di ammonio-EDTA e
                                                                                                                                  Desulfovibrio vulgaris intrappolato in Carbogel (un sistema di trasporto efficiente il cui

                                                                                                                            104
potenziale è stato chiarito da Cappitelli e collaboratori [12] per il trattamento chimico
e biologico, rispettivamente).
     I campioni di marmo deteriorati che dovevano essere trattati sono stati sottoposti ad
un trattamento chimico e biologico per due giorni sotto simili condizioni sperimentali.
     Dopo il trattamento, sono state effettuate le analisi microscopiche (SEM-EDS) e
FTIR per verificare l’efficacia dei metodi di trattamento. I risultati hanno mostrato che
il trattamento chimico ha rimosso parzialmente la crosta dalla superficie in pietra,
rendendo visibile la zona pulita da quella non pulita. C’era anche la produzione
associata di cristalli di solfato di sodio non desiderato.
     Thiobacillus sp.: i batteri del genere Thiobacillus sono gram-negativi e acido-
resistenti, in grado di fissare CO2. Le specie di Thiobacillus possono essere utilizzate
per salvaguardare le strutture in pietra da incrostazione di licheni che crescono sulla
loro superficie sotto forma di strato superficiale nero. De Graef e collaboratori [61]
hanno applicato una miscela di batteri del genere Thiobacillus (miscela chiamata
Thio-S) sui campioni di pietra degradata, spruzzando la miscela batterica sulla
superficie dei campioni o anche immergendo i campioni in una sospensione della
miscela batterica: ciò ha causato la rimozione dello strato di incrostazione dei licheni.

     Pseudomonas sp.: Pseudomonas è un batterio gram-negativo appartenente al
phylum Proteobacteria. Alcuni batteri sono non patogeni e non formano spore e,
pertanto, possono essere tranquillamente utilizzati ai fini della biopulitura. Alcuni
ceppi di esso, quali P. cepacia, P. testosteroni, P. fluorescens, P. flavescens e P.
stutzeri, insieme ad un cocktail di enzimi collagenasi e proteasi, sono stati utilizzati
per la biopulitura dell’affresco di Spinello Aretino in Italia. L’affresco è stato trattato con
colla animale in un precedente restauro. Questi ceppi di P. stutzeri hanno mostrato
più alta densità di cellule sulla superficie dell’affresco. Una sospensione concentrata
di P. stutzeri è stata direttamente applicata sulla superficie dell’affresco per interagire
efficacemente con la massa di colla animale proteinacea, in modo che la garza
utilizzata sull’affresco potesse essere facilmente rimossa [5,65]. Alcune specie di
Pseudomonas sono tra i più forti batteri nitrato-riducenti e si trovano in abbondanza
nell’ambiente naturale. Le cellule di Pseudomonas sp. mostrano anche la capacità
di rimuovere i nitrati provenienti dalla pietra alterata dalle condizioni atmosferiche
[38], mentre Pseudomonas sp. e Bacillus sp. hanno anche dimostrato la capacità di
degradare gesso e fenantrene (un composto aromatico policiclico) depositati sulla
pietra alterata [62].




                                                                                                        CONSERVATION SCIENCE IN CULTURAL HERITAGE
     Alcuni batteri isolati di specie appartenenti ai generi Pseudomonas e Acinetobacter
sono in grado di ridurre la dimensione dei pori di pietre monumentali grazie alla
deposizione di cristalli di carbonato di calcio intorno alle pareti dei pori e al loro
interno, agendo come consolidanti del calcare [35].

    Myxococcus sp.: Myxococcus xanthus è un batterio del suolo, gram negativo,
non-patogeno che ha la capacità di precipitare il carbonato di calcio in modo
extracellulare. L’attività metabolica dei batteri produce biossido di carbonio
e ammoniaca (Eq.1); il rilascio extracellulare di ammoniaca cresce con il pH e il
CO2-3(aq) (Eq.2). La precipitazione di carbonato di calcio si verifica quando la
sovra-saturazione è raggiunta (Eq. 3). Il carbonato di calcio precipitato forma un
rivestimento coerente di cemento di spessore 10-15 μm sulla pietra trattata [70]. Il
microrganismo è stato impiegato nella bioconservazione / nel restauro di importanti
beni culturali, monumenti scultorei, nel consolidamento di pietre ornamentali [70],
nelle costruzione di terra secca, nella ricostruzione e riparazione delle fessure delle
pietre. Il peculiare movimento lento del Myxococcus xanthus permette al batterio di
svolgere il consolidamento sia in superficie che in profondità [71].


     4.3. Ruolo degli Attinomiceti
     Pochi rapporti sono stati pubblicati sull’applicazione degli Attinomiceti nella
conservazione e nel restauro dei monumenti. Questo gruppo di batteri è principalmente
utilizzato per rendere impermeabile la pietra calcarea [14,60]. Una significativa
riduzione dell’assorbimento capillare di acqua da una pietra calcarea (Pietra di Lecce)
da parte di Micrococcus sp. e Rhodoccoccus erytropolis ha rivelato la capacità
di impermeabilizzazione e di biorinforzo di questi microrganismi [14,60]. Inoltre, il
trattamento con R. erytropolis non ha mostrato alcun effetto cromatico (decolorazione)
consentendo così che si mantenesse il colore originale della pietra [60].

                                                                                                  105
                                                                                                                                      4.4. Ruolo dei funghi
S. S. Cameotra, T. C. Dakal - Carbonatogenesis: Microbial contribution to the conservation of monuments and stone artwork



                                                                                                                                      Anche se i funghi sono abbondantemente presenti nel suolo calcico e calcareo,
                                                                                                                                  poco è stato riportato in letteratura sul ruolo dei funghi per la carbonatogenesi [72-73].
                                                                                                                                  Alcuni funghi del suolo, principalmente appartenenti ad Ascomycetes sono noti per
                                                                                                                                  facilitare la precipitazione di carbonato di calcio [56], ma il loro ruolo in bioconservazione
                                                                                                                                  e biorestauro dei monumenti è ancora da indagare. Una motivazione può ricondursi
                                                                                                                                  alla loro secrezione di acidi organici, che possono danneggiare le superfici in pietra
                                                                                                                                  (biocorrosione) e chelare certi cationi per formare complessi stabili e solubili [74-75],
                                                                                                                                  limitando così il loro uso come potenti bioconservatori.

                                                                                                                                     4.5. Altri
                                                                                                                                     Alcune specie di Fermicutes, Proteobacteria e Attinomiceti sono state segnalate
                                                                                                                                  per la produzione di carbonato di calcio, ma il loro potenziale come bioconservatori
                                                                                                                                  non è stato valutato. Queste specie includono B. pumilus, B. thuringiensis [21],
                                                                                                                                  Stenotrophomonas sp., Ochrobactrum sp., Lysobacter sp., Microbacterium [60].

                                                                                                                                       5. Implicazioni future e indicazioni
                                                                                                                                       Mentre l’impiego di batteri è ormai diventato una pratica di routine per la pulitura
                                                                                                                                  e il consolidamento di monumenti storici del patrimonio, pietre ornamentali e opere
                                                                                                                                  d’arte colpiti da sostanze inquinanti pericolose, da biofilm e da pigmenti di origine
                                                                                                                                  microbica prodotti a seguito di processi metabolici e secreti, la loro applicazione in
                                                                                                                                  materia di stabilizzazione del suolo e consolidamento, con lo scopo di ridurre i danni da
                                                                                                                                  terremoti, stabilizzare il terreno per tunneling e scavi, riparare crepe in strade, edifici e
                                                                                                                                  ponti, migliorare le proprietà strutturali di mattoni, o sequestrare CO2 dall’atmosfera, è
                                                                                                                                  raramente riconosciuta e praticata. Negli ultimi anni, calamità naturali come terremoti,
                                                                                                                                  tempeste, uragani hanno distrutto molti edifici del patrimonio culturale e danneggiato
                                                                                                                                  numerose opere d’arte. L’applicazione di batteri carbonatogenici per il consolidamento
                                                                                                                                  del suolo, in modo da rendere gli edifici storici resistenti ai terremoti, potrebbe essere
                                                                                                                                  una logica estensione del loro impiego. In questa recensione vorremmo anche richiamare
                                                                                                                                  l’attenzione dei vari enti governativi nei confronti del problema del riscaldamento globale
                                                                                                                                  e incoraggiarli ad avviare nuovi progetti con l’obiettivo di sequestrare CO2 in atmosfera
                                                                                                                                  e ridurre la sua concentrazione tornando ai limiti di sicurezza. La CO2 è un gas serra,
                                                                                                                                  principale responsabile del riscaldamento globale. La sua crescente concentrazione
                                                                                                                                  in atmosfera è stata oggetto di preoccupazione mondiale negli ultimi decenni ed è
                                                                                                                                  generalmente nota come effetto serra o riscaldamento globale. Il riscaldamento globale
                                                                                                                                  ha molte gravi conseguenze sull’ambiente e sugli organismi, compresi gli esseri umani,
                                                                                                                                  che possono portare a grandi disastri, se non sono controllati. Diverse misure correttive
                                                                                                                                  come l’uso di combustibile pulito nelle automobili e la conservazione di foreste sono state
                                                                                                                                  considerate, ma nessuna soluzione soddisfacente è stata ancora trovata. In tal caso il
                                                                                                                                  sequestro di CO2 atmosferico da parte di batteri carbonatogenici [76] potrebbe essere un
                                                                                                                                  metodo promettente.

                                                                                                                                      6. Osservazioni conclusive
                                                                                                                                      La ricerca attuale nel campo della bioconservazione ha esteso la nostra
                                                                                                                                  conoscenza e comprensione del meccanismo e del ruolo di alcuni organismi nel
                                                                                                                                  biodeterioramento dei monumenti storici e di conseguenza l’applicazione di microbi
                                                                                                                                  carbonatogenici nel conferire protezione a edifici storici e sculture. A nostro avviso, il
                                                                                                                                  processo di bioconservazione utilizza generalmente tre strategie: 1) bio-deposizione
                                                                                                                                  o rivestimento superficiale di carbonato di calcio (biocalcina) sulle strutture calcaree
                                                                                                                                  degradate [37,53], 2) pulitura e rimozione di strati esterni incrostanti di solfato, nitrato
                                                                                                                                  e ossalato, ecc [41] e 3) introduzione di batteri che producono carbonato di calcio nei
                                                                                                                                  pori di calcare per permettere il consolidamento [35,57].
                                                                                                                                      Nell’era della globalizzazione e dell’industrializzazione, la protezione e il ripristino
                                                                                                                                  dei monumenti storici e delle opere in pietra sembrano rappresentare un compito
                                                                                                                                  difficile. Anche se la ricerca in questo campo ha visto molti progressi in termini di
                                                                                                                                  sviluppo di sistemi di trasporto effettivi [41], di efficienti alghicidi, biocidi e tecnologie
                                                                                                                                  a base fotocatalitica [77-78], inefficienti nella consolidazione in profondità [37], la
                                                                                                                                  resistenza di alcuni microbi ai trattamenti biocidi hanno presentato alcuni problemi
                                                                                                                                  [79]. Pertanto, il successo del trattamento di conservazione può essere previsto solo
                                                                                                                                  se tutte le misure necessarie per impedire la conseguente crescita di microrganismi
                                                                                                                                  sono adeguatamente seguite. Nel tempo, il trattamento finalizzato al restauro risulterà
                                                                                                                                  utile solo se seguito da un piano di manutenzione preventiva [80].


                                                                                                                            106
             Ringraziamenti
             Desideriamo ringraziare il Direttore, IMTech, per aver messo a disposizione il
           materiale per la stesura del lavoro e CSIR India per aver permesso a Tikam Chand
           Dakal di ottenere una borsa di studio per la presente ricerca.



    Summary
    Over the last few decades there has been increasing global concern over the deteriora-
tion of historical monuments and stone works of art. It has posed a great challenge for the
archaeologist, geobiologists and bioconservators and consequently encouraged the search
for developing novel preventive and remedial methodologies for safeguarding these sculp-
tural monuments and stone works of art. Many conventional methods which rely on the
use of physical and chemical treatments have been applied but none of them have yielded
satisfactory results. Recently, bioconservation and consolidation methods employing car-
bonatogenic microbes have received much attention. These microorganisms can precipi-
tate calcium carbonate and, thereby, confer protection to historic monuments.


   Riassunto
   Negli ultimi decenni c’è stata una crescente preoccupazione a livello mondiale per
quel che concerne il deterioramento dei monumenti storici e dei manufatti lapidei. Que-
sta rappresenta una grande sfida per gli archeologi, geo-biologi e bioconservatori che
ha promosso la ricerca e lo sviluppo di nuove metodologie preventive e di recupero fi-
nalizzate alla salvaguardia di questi monumenti e opere d’arte scultoree in pietra. Molti
metodi convenzionali che si basano sull’uso di trattamenti fisici e chimici sono stati
applicati, ma nessuno di essi ha dato risultati soddisfacenti. Recentemente, hanno de-
stato molta attenzione i metodi di bioconservazione e consolidamento che impiegano
la carbonato-genesi da microrganismi. Questi sono in grado di indurre la precipitazio-




                                                                                                    CONSERVATION SCIENCE IN CULTURAL HERITAGE
ne di carbonato di calcio e, quindi, conferire protezione ai monumenti storici.


   Résumé
   Dans ces dernières décennies, il y a eu une croissante préoccupation au niveau
mondial concernant la détérioration des monuments historiques et des ouvrages de
pierre. Elle représente un grand défi pour les archéologues, les géo-biologistes et les
bio-conservateurs et a promu la recherche et le développement de nouvelles métho-
dologies préventives et de récupération finalisées à la sauvegarde de ces monuments
et œuvres d’art sculpturales en pierre. De nombreuses méthodes conventionnelles qui
se basent sur l’usage de traitements physiques et chimiques ont été appliquées, mais
aucune d’elles n’a donné de résultats satisfaisants. Récemment, les méthodes de bio-
conservation et consolidation qui emploient la carbonatogenèse de micro-organismes
ont suscité beaucoup d’attention. Elles sont en mesure d’induire la précipitation de
carbonate de calcium et, donc, de conférer une protection aux monuments historiques.


  Zusammenfassung
  Der Verfall historischer Denkmäler und von Steinarbeiten sorgte in den vergange-
nen zehn Jahren weltweit für wachsende Besorgnis. Für Archäologen, Geobiologen
und Bio-Konservatoren stellt diese Situation eine große Herausforderung dar und fun-

                                                                                              107
                                                                                                                                  giert als Ausgangspunkt für die Erforschung und Entwicklung neuer vorbeugender und
S. S. Cameotra, T. C. Dakal - Carbonatogenesis: Microbial contribution to the conservation of monuments and stone artwork



                                                                                                                                  rekuperativer Methodiken zum Schutz dieser Denkmäler und Steinskulpturen. Viele
                                                                                                                                  bisher angewendete und auf physischen sowie chemischen Behandlungen beruhende
                                                                                                                                  Verfahren brachten keine zufriedenstellenden Ergebnisse.
                                                                                                                                     In der letzten Zeit stießen in der Biokonservation und Befestigung angewandte
                                                                                                                                  Methoden auf großes Interesse, die auf der Karbonatgenese durch Mikroorganismen
                                                                                                                                  beruhen. Diese Verfahren sind in der Lage, die Ausfällung von Kalziumkarbonat her-
                                                                                                                                  beizuführen und somit Denkmälern einen Schutz zu verleihen.


                                                                                                                                      Resumen
                                                                                                                                      En las últimas décadas hubo una creciente preocupación a nivel mundial por lo que se
                                                                                                                                  refiere al deterioro de los monumentos históricos y de las obras lapídeas. Se trata de un
                                                                                                                                  gran desafío para los arqueólogos, geo-biólogos y bioconservadores que ha promovido la
                                                                                                                                  investigación y el desarrollo de nuevas metodologías preventivas y de recuperación en-
                                                                                                                                  caminadas a proteger estos monumentos y las obras de arte escultóricas en piedra. Se
                                                                                                                                  han aplicado muchos métodos convencionales basados en el uso de tratamientos físicos
                                                                                                                                  y químicos, pero ninguno de ellos ha logrado resultados satisfactorios. De reciente, han
                                                                                                                                  suscitado mucha atención los métodos de bioconservación y consolidación basados en la
                                                                                                                                  génesis del carbonato desde microrganismos. Siendo capaces de inducir la precipitación
                                                                                                                                  del carbonato cálcico, estos microorganismos pueden proteger los monumentos históricos.


                                                                                                                                     Резюме
                                                                                                                                     В последние десятилетия во всем мире заметно возрастает тревога по пово-
                                                                                                                                  ду упадка исторических памятников и каменных артефактов. Это большой вы-
                                                                                                                                  зов археологам, геобиологам и биоконсерваторам, который дал начало поиску и
                                                                                                                                  развитию новых предохранительных и восстановительных методологий, направ-
                                                                                                                                  ленных на сбережение этих памятников и каменных скульптур. Многие тради-
                                                                                                                                  циональные методы, основанные на использовании физических и химических
                                                                                                                                  процедур, были применены, но никакой из них не дал удовлетворяющих резуль-
                                                                                                                                  татов. В последнее время вызывают большой интерес методы биоконсервации и
                                                                                                                                  консолидации, которые используют генезиз карбонатов из микроорганизмов. Они
                                                                                                                                  способны вызывать осаждение карбоната кальция и, следовательно, обеспечи-
                                                                                                                                  вать защиту исторических памятников.


                                                                                                                                    Ամփոփում
                                                                                                                                     Վերջին տասնամյակների ընթացքում աճող մտահոգություն է եղել աշխարհում
                                                                                                                                  պատմական հուշարձանների եւ քարարաշեն արտեֆակտների վատթարացման
                                                                                                                                  վերաբերյալ Սա մեծ մարտահրավեր է հնագետների, կենսաբանների ու
                                                                                                                                  բիոկոնսերվատորների համար, որը նպաստել է հետազոտման եւ զարգացման
                                                                                                                                  նոր մեթոդները օգտագործել կանխարգելիչ եւ վերականգնման նպատակով այդ
                                                                                                                                  հուշարձանների եւ քարի վրա քանդակված արվեստի գործերի պահպանությանը:
                                                                                                                                  Շատ մեթոդներ, որոնք հիմնված են ֆիզիկական եւ քիմիական տեխնիկայի վրա չեն
                                                                                                                                  տվել բավարար արդյունք: Վերջերս, մեծ ուշադրություն է գրավել բիոկոնսերվացիան
                                                                                                                                  ու ամրապնդումը օգտագործելով միկրոօրգանիզմների կողմից կարբոնատ-ծնող
                                                                                                                                  մեթոդներ: Դրանք կարող են առաջացնել կալցիումի կարբոնատի տեղումներ եւ,
                                                                                                                                  հետեւաբար, ուժեղացնել պատմական հուշարձանների պաշտպանությունը

                                                                                                                            108
