Joseph, Edith

2024, Cuvillier, Luana, Joseph, Edith, Stephan Von Reuss

Les objets en fer, cuivre et argent font partie intégrante du patrimoine culturel commun. Malheureusement, ces métaux seront inévitablement dégradés via le processus spontané de corrosion auquel ils sont sujets. Sur les surfaces des métaux historiques conservés en intérieur, ce phénomène donne lieu à la formation d’oxydes et/ou de sulfures dans la plupart des cas. Pour des raisons esthétiques ou fonctionnelles, ces objets sont souvent traités afin de retirer la corrosion. Plusieurs méthodes sont actuellement à la disposition des professionnels pour le nettoyage de ce type de substrat métallique. Néanmoins, aucun n’est entièrement satisfaisant, du fait de la présence de composés nocifs, du besoin d’équipement ou de compétences spécifiques ou encore la difficulté de contrôle pour ne pas endommager la surface à traiter. De plus, il y a une volonté croissante de se tourner vers des pratiques plus durables, qui prennent en considération à la fois la sécurité de l’objet, de l’opérateur mais également de l’environnement. Pour cette raison, d’autres possibilités ont été étudiées par différents groupes de recherches, comprenant l’utilisation de gels, en particulier d’hydrogels, pour véhiculer les solutions aqueuses de traitement. Ils permettent le confinement des solutions de traitement mais aussi des applications plus sélectives et moins invasives. En parallèle, de nouvelles tendances se tournent vers des solutions moins toxiques et plus proches de la nature. Par exemple, les traitements de conservation du patrimoine recourant au potentiel de divers microorganismes biologiques. Dans ce but, cette thèse cherche à développer et étudier un traitement de retrait de la corrosion combinant les deux approches, atteignant une solution fiable et entièrement biosourcée. La première étape consiste à sélectionner les composés biogéniques appropriés, en exploitant champignons et bactéries comme des usines chimiques à l’échelle microscopique pour l’absorption du fer, du cuivre ou de l’argent. A cette fin, l’interaction microbienne avec des métaux sous forme soluble ou insoluble a été évaluée. En particulier, cela a montré les performances notables d’Aspergillus niger et Beauveria bassiana pour le nettoyage de surfaces en base fer ou base cuivre respectivement, via la formation d’oxalates biogéniques. Aucun microorganisme ne s’est distingué pour la remédiation de l’argent. En outre, l’effet de métabolites secondaires, principalement des sidérophores et acides organiques, sur la dissolution de produits de corrosion a été étudiée grâce à l’ICP-OES. En particulier, bien que les acides se soient montrés exceptionnellement efficaces pour des pH bas, les sidérophores ont confirmé être des candidats remarquables pour la chélation du fer sur toute la gamme de pH étudiée. En ce qui concerne le cuivre, l’acide aminopolycarboxylique EDDS a montré des performances équivalentes à l’EDTA, un complexant communément utilisé mais dont la durabilité est interrogée. L’EDDS a aussi montré des capacités de réduction de l’argent soluble en nanoparticules. En seconde étape, pour véhiculer les solutions de métabolites, plusieurs polysaccharides ont été étudiés. En particulier la formulation d’un gel rigide à base de chitosan a été tentée et comparée aux caractéristiques de l’agar, pionnier dans le domaine. En outre, l’interaction entre les gels et les solutions de traitement sélectionnées en amont a été étudiée. La morphologie à l’échelle microscopique ainsi que les propriétés mécaniques n’ont pas montré l’interaction entre les réseaux polymériques et le soluté implémenté. Les propriétés de complexation de l’argent de la formulation développée ont été analysées grâce à des techniques spectroscopiques. Ces propriétés pourraient être exploitées de manière plus approfondies afin d’utiliser les hydrogels comme des systèmes de complexation, permettant de s’affranchir de l’utilisation d’une solution additionnelle, en suivant le principe du « moins c’est mieux » et ainsi tendre vers plus de sobriété. Des mesures rhéologiques et oximétriques ont aussi montré la propension de certains gels non rigides à laisser des résidus, avec la preuve de leur effet nocif sur les surfaces métalliques. Des tentatives pour trouver des méthodes de détection de ces résidus en utilisant des techniques d’imagerie ont permis des approches qualitatives, et potentiellement semi-quantitatives avec du travail supplémentaire, montrant que l’agar laisse des résidus ponctuels alors que la gomme xanthane laisse des résidus très étalés sur la surface. L’évaluation des agents actifs et polysaccharides combinés a été effectuée sur des échantillons corrodés artificiellement et naturellement, en recourant à une approche multi-analytique comprenant de la spectroscopie, de la spectrocolorimétrie ainsi que des analyses élémentaires et des observations micro- et macroscopiques. Les formulations fructueuses ont été testées sur des objets obtenus auprès d’institutions du patrimoine. Enfin, les risques environnementaux et pour la santé des formulations développées ont été évalués grâce à l’approche de l’Analyse du cycle de vie, montrant qu’à ce stade, les composés biosourcés ne sont pas nécessairement l’alternative la plus performante selon les hypothèses initiales et les critères évalués. Globalement, cette thèse a permis de développer des formulations, à partir de dérivés biologiques, pour le retrait de la corrosion sur les objets patrimoniaux ferreux et cuivreux, avec une vraie avancée vers l’utilisation effective de cette alternative par les professionnels du domaine. Des travaux ultérieurs pourraient être envisagés pour l’utilisation de microbes ou métabolites sur les surfaces en argent, mais également pour améliorer les performances globales en termes de durabilité. ABSTRACT Iron, copper and silver-based objects are a significant part of our cultural heritage. Unfortunately, these metals suffer inevitable degradation through the spontaneous process of corrosion towards which they naturally tend. On indoor-exposed historical metal surfaces, this phenomenon gives way to the formation of mainly oxide and/or sulfide compounds. For aesthetical or functional purposes, treatment of these surfaces is often carried out to remove the undesired corrosion phases. Various methods are currently available to professionals for the cleaning of this type of metallic substrate. However, none of them is entirely satisfactory, dealing with hazardous compounds, devices with limited availability or specific necessary skills, not completely efficient or difficult to control, sometimes resulting in the damage of the considered surface. In addition, there is the will to go towards more sustainable practices, taking into account the safety of the object, the operator as well as the environment. For this reason, research has been looking a t other possibilities, including the use of gels, in particular hydrogels, as carriers for aqueous treating solutions. They allow the con finement of the active solution along with more selective, less invasive application. Parallelly, new tendencies are opting for less toxic and more naturally based solutions. For instance, heritage preservation treatments based on the potential of a variety of microbiological organisms. To this purpose, the present thesis aims at developing and investigating a corrosion removal treatment combining both approaches, thus achieving a fully bio-derived reliable solution. The first step was to select adequate biogenic compounds, exploiting fungi and bacteria as microscale chemical factories for the uptake of iron, copper or silver ions. To this end, microbial interaction with soluble and insoluble metals were assessed. In particular, it showed Aspergillus niger’s and Beauveria bassiana’s significant performances to achieve cleaning on iron and copper substrates respectively through the biogenic formation of oxalates. No microorganism could be distinguished for the remediation of silver. In addition, the action of secondary metabolites, mainly siderophores and organic acids, on the dissolution of powdered corrosion products was investigated over time using ICP-OES. In particular, although acids perform outstandingly at low pH, siderophores were confirmed to be remarkable candidates for the chelation of iron at any pH. For copper, the aminopolycarboxylic acid EDDS showed performances competing with EDTA, a common chelator with sustainability concerns. The same compound also achieved reduction of soluble silver into nanoparticles. As second step, to deliver the metabolites solution, investigation of several polysaccharides was performed. In particular, formulation of a rigid chitosan-based gel was attempted and compared to agar characteristics. In addition, investigation of interactions between the gels and subsequent selected cleaning solutions was carried out. Microscale morphology and mechanical properties showed no evidence for interactions between the polymer network and the carried solutes. The silver uptaking properties of the developed formulation were also evaluated using spectroscopic techniques. These properties could be further exploited to use some hydrogels as “uptaking devices”, allowing to break-free from the use of an additional chelating solution, following the principle of less is more and achieve more simple formulations. Rheological and oximetric measurements also showed the “residues potential” of non-rigid gels along with their potential deleterious effects, respectively. Attempts at finding methods to detect these residues using imaging techniques achieved qualitative and semi-quantitative results showing that agar was leaving rather bulky, punctual residues whereas xanthan gum’s were spread out on the surface. Evaluation of the combined selected active agents and polysaccharides was performed on artificially and naturally corroded samples using a multi-analytical approach, including spectroscopy, spectrocolorimetry along with elemental analysis and micro and macro-observations. Successful applications were tested on real artefacts obtained from heritage institutions. Finally, environmental and health hazards of the developed formulations were evaluated using the Life Cycle Cycle AAssessment approach, showing biossessment approach, showing bio--derived compounds might not be, currently, the most derived compounds might not be, currently, the most performing, according to the initial hypothesis and the performing, according to the initial hypothesis and the considered criteria. Overall, this thesis allowed to develop alternative biologically derived formulations for the removal of corrosion on iron and copper artefacts, corrosion on iron and copper artefacts, with a real step towards effective practical use by professionals. Future work could be foreseen for the use of microbes or metabolites on silver--based surfaces along with further enhancing global sustainability performances.

2018, Kooli, Wafa, Junier, Pilar, Joseph, Edith

En raison de la réactivité du fer à certains composés (oxygène, eau, chlore), ce métal pourrait être facilement corrodé et endommagé. De nombreux domaines tels que l'industrie alimentaire ou l'approvisionnement en eau rencontrent de graves problèmes dus à la corrosion du fer. La corrosion du fer engendre ainsi des pertes économiques importantes. Cela concerne aussi le patrimoine culturel où les objets en fer et surtout les objets archéologiques souffrent également de la corrosion et peuvent être détruits de façon irréversible. Afin de remédier à ces problèmes de corrosion, différentes méthodes conventionnelles de conservation-restauration existent. Cependant, ces techniques présentent certains inconvénients ou ne sont pas totalement efficaces en termes d’inhibition de la corrosion ou de déchloruration des objets. De nos jours, l'utilisation de la biotechnologie représente une approche prometteuse. En effet, il y a un intérêt croissant pour la synthèse de composés inorganiques par des systèmes biologiques dans des processus qui sont respectueux de l’environnement et des personnes. L'utilisation de micro-organismes ayant la capacité de transformer des produits de corrosion réactifs en composés chimiquement stables et insolubles avec un volume molaire inférieur représente une approche alternative aux méthodes traditionnelles utilisées dans le domaine de la conservation du fer. L'objectif global de cette étude est de contribuer au développement d'une approche biotechnologique pour la conservation-restauration des éléments en fer corrodés (monuments extérieurs et objets archéologiques). Pour cela, la réduction du fer par les bactéries a été choisie comme processus métabolique sous-jacent à la transformation des produits de corrosion réactifs (principalement akaganeite et lépidocrocite présents sur les objets en fer corrodés) en minéraux de Fe(II) (tels que magnétite et sidérite). L'hypothèse testée considère qu'en utilisant des bactéries réductrices du fer, des minéraux Fe(II) biogéniques seront formés permettant la conversion des produits de corrosion présents sur les objets, et qu’ainsi les objets en fer seront stabilisés et empêchés de corrosion ultérieure. Deux principales stratégies ont été étudiées au cours de ce projet. La première approche étant l'utilisation de Shewanella loihica comme modèle de bactérie réductrice du fer, notamment car elle est également connue pour être anaérobe facultative, halophile et a été utilisée pour la production de minéraux de Fe(II) dans d'autres études. Au cours de ce projet de doctorat, des résultats additionnels intéressants ont été obtenus : la réduction du fer avec S. loihica n'était possible qu'en présence de NaCl et des phosphates de Fe(II) inattendus se sont formés. La pertinence du processus de stabilisation proposé a donc été démontrée et complétée par l'étude du rôle du sel dans la réduction du fer et de l'accumulation de polyphosphates dans cet organisme. La deuxième approche consistait à isoler à partir d'échantillons environnementaux d’autres candidats bactériens réduisant le fer. L’échantillonnage a abouti à la sélection de deux de deux souches du genre Aeromonas. Les deux souches isolées ont été alors employées dans la démonstration expérimentale du processus de réduction du fer sur des objets archéologiques une avec ces deux bactéries sélectionnées permettant la mise en place d'un prototype de traitement applicable par les conservateurs-restaurateurs. ABSTRACT Due to the reactivity of iron to some compounds (oxygen, water, chlorine), this metal could be easily corroded and thus endangered. Many fields like food industry or water supply encounter severe problems due to iron corrosion that engenders important economic losses. In cultural heritage, iron artifacts and especially archaeological iron objects suffer from corrosion and could be irreversibly damaged. In order to remediate to these issues, different conventional conservation-restoration methods exist. However, these techniques present some caveats and/or are not completely efficient in terms of chlorine removal or corrosion inhibition. Nowadays, the use of biotechnology represents a promising approach. Indeed, there is a growing interest in the synthesis of inorganic components by biological systems in processes that are respectful of the environment. The use of microorganisms with the ability to transform reactive corrosion products into chemically stable and insoluble compounds with a lower molar volume represents an alternative approach to the traditional methods employed in the field of iron conservation. The overall aim of this study is to contribute to the development of a biotechnological approach for the conservation-restoration of corroded iron items (outdoor monuments and archaeological objects). For this purpose, iron reduction by bacteria was selected as an interesting metabolic process underlying the transformation of Fe(III) corrosion products (such as akageneite and lepidocrocite present in corroded iron objects) into Fe(II) minerals (such as magnetite and siderite). The hypothesis tested considers that using iron-reducing bacteria, biologically-induced Fe(II) minerals will be formed from the corrosion products present on the objects and thus these latter will be stabilized and protected further corrosion. Two main strategies were considered during this project. The first approach was the study of a known bacterium Shewanella loihica as a model iron reducer given that it is known to be a facultative anaerobe, halophilic and was used for the production of Fe(II) minerals in other studies. During this PhD project, interesting additional results were obtained: the iron reduction with S. loihica was solely possible in presence of NaCl and unexpected Fe(II) phosphate minerals were formed. The suitability of the proposed stabilization process was hence demonstrated and complemented with the investigation of the role of salt on iron reduction and of the accumulation of polyphosphates in this micro-organism. The second approach was the isolation of iron-reducing bacterial candidates from environmental samples. The screening resulted in the selection of two strains from the genus Aeromonas. Both isolated strains were employed in the experimental testing of the iron reduction process on archaeological objects allowing the setting-up of a prototype treatment that can be applied by conservator-restorers.

2017, Albini, Monica, Joseph, Edith, Junier, Pilar

Les micro-organismes sont souvent considérés dangereux pour les biens culturels. Malgré cela, ils peuvent aussi être utilisés pour leur protection. En effet, certaines espèces fongiques sont connues pour leur capacité à produire de l'acide oxalique pour immobiliser des métaux lourds toxiques et, donc, détoxifier leur milieu. La biotechnologie a déjà exploité cette capacité d'immobiliser des métaux lourds sous forme d’oxalates métalliques dans le domaine du traitement des déchets. Le projet « biopatine » a tiré profit cette capacité pour modifier des produits de corrosion de cuivre actifs en des composés plus stables et moins solubles comme les oxalates de cuivre. La présence des oxalates de cuivre a été déjà observée sous forme de patines vertes sur des œuvres d’art en bronze à l’extérieur et ils n'ont pas été associés à de la corrosion cyclique. En outre, les oxalates de cuivre sont connus pour être extrêmement stables dans des atmosphères polluées en conditions acides (pH 3), fournissant une bonne protection aux sculptures à base de cuivre. Le projet « biopatine » a comme objectif la production de’ oxalates de cuivre comme composés passivant ayant la même composition que des minéraux de cuivre naturellement présents sur le patrimoine cuivreux (matériaux inorganiques) et l'amélioration de la compatibilité entre le traitement e la surface corrodée. Lors de projets précédents (FP6-EU-ARTECH, 2004-2009 et FP7-BAHAMAS, 2010-2012), l'espèce fongique la plus appropriée a été identifiée et des tentatives de production d’oxalates de cuivre ont été effectuées avec succès. L’objectif de cette thèse était d’optimiser le nouveau traitement biologique développé pour la conservation d’œuvres d’art en cuivre afin de transférer les tests de laboratoire à une mise ne pratique sur le terrain. Ce travail de thèse s'est concentré sur deux sujets principaux : l'étude du micro-organisme utilisé pour la production des oxalates de cuivre biogéniques et les matériaux traités, notamment cuivre et bronze. En ce qui concerne les matériaux traités, le but était de comprendre quels mécanismes protecteurs sont impliqués dans le traitement biopatine permettant de déterminer si ce traitement agit comme un inhibiteur de corrosion ou comme un coating. Le traitement biologique a été comparé à des traitements de conservation standards, la cire microcristalline comme coating et le benzotriazole comme inhibiteur de corrosion, et son comportement à long terme a été évalué par des procédures de vieillissement naturel et artificiel. En outre, l'influence des éléments de l’alliage, l’étain en particulier, sur le comportement du traitement biopatine a été examinée. Pour ce faire, un complément de techniques analytiques a été utilisé: chromatographie liquide à haute performance (HPLC), microscopie optique (OM), microscopie électronique à balayage (SEM) couplé avec spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie (EDS), spectroscopie infrarouge (FTIR), spectroscopie Raman, Spectroscopie d'Impédance Electrochimique (EIS) et colorimétrie. Les résultats de ce travail ont montré que le traitement biopatine se place parmi les inhibiteurs de corrosion plutôt que les revêtements. Le traitement biopatine peut aussi être utilisé pour remplacer le benzotriazole (BTA) comme traitement sans risques pour la santé et l’environnement et plus efficace pour la stabilisation des objets archéologiques. Il peut aussi être appliqué sur des objets en extérieur et son efficacité n'est pas influencée par la composition de l’alliage. En outre, le protocole d'application actuellement utilisé sur des artefacts réels a été développé. Finalement, basé sur les résultats de cette étude, un kit prêt à l'emploi est actuellement en évaluation pour une commercialisation et est mis à disposition des x conservateurs-restaurateurs., Microorganisms are often considered harmful for cultural heritage. However, they can also be used for its safeguarding. Indeed, some fungal species are known for their ability to produce oxalic acid in order to immobilize of toxic heavy metals and, therefore, detoxify their environmental. Biotechnology already exploited this ability to immobilize heavy metals in the field of waste treatment forming metal oxalates. The “biopatina project” used this ability in order to modify active copper corrosion products into more stable and less soluble compounds such as copper oxalates. The presence of copper oxalates as green patinas was already discovered on outdoor bronze artefacts and it was not associated with active corrosion. Furthermore, copper oxalates are known to be extremely stable in polluted atmospheres with acidic conditions (pH 3), providing good protection to copper-based artefacts. The “biopatina project” aims to produce copper oxalates as passivating compound having the same composition as naturally occurring copper minerals (inorganic materials) enhancing the compatibility of this treatment with the corroded surface of artefacts. During previous projects (FP6-EU-ARTECH, 2004-2009 and FP7-BAHAMAS, 2010-2012), the most suitable fungal specie to be used was identified and initial successful attempts to produce copper oxalates were performed. The aim of this thesis was to optimise this novel biological treatment for the conservation copper-based artefact in order to transfer it from the laboratory tests to real-praxis. This work focused on two main subjects: the study of the microorganism used for the production of biogenic copper oxalates and the treated material, namely copper and bronze. Regarding the treated material, the aim was to understand which protective mechanisms are involved in the biopatina treatment allowing to understand if such treatment acts as a corrosion inhibitor or as a coating. The biological treatment was compared to standard conservation treatment as microcrystalline wax (coating system) and benzotriazole (corrosion inhibitor) and its long-term behaviour was tested by natural and artificial ageing. Furthermore, the influence of alloying elements, particularly tin, on the behaviour of biopatina treatment was investigated. To do that, a complement of analytical techniques was used: high-performance liquid chromatography (HPLC), optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM) coupled with energy dispersive spectroscopy (EDS), infrared spectroscopy (FTIR), Raman spectroscopy, electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and colorimetry. The outcomes of this work showed that the biopatina treatment is positioned in the range of corrosion inhibitors rather than protective coatings. Biopatina treatment can be used to replace benzotriazole (BTA) solutions as innocuous and more efficient treatment for archaeological objects. It can also be applied on outdoor objects, regardless the geometry of exposure conditions and its efficiency is not influenced by the bronze composition. Furthermore, the application protocol currently used on real artefacts was developed. Finally, based on the outcome of this study, a ready-to-use kit is currently under evaluation for commercialization and available for small trials to conservators-restorers.