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Joseph, Edith
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Joseph, Edith
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Group leader and Ambizione fellow
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edith.joseph@unine.ch
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- PublicationAccès libreGreener perspectives in Conservation Science : design, characterization, and evaluation of bioformulations for the cleaning of altered indoor metal heritageL'avènement des principes de la "Chimie Verte" est désormais une force motrice inconditionnelle pour la recherche menée dans le domaine de la Science de la Conservation. L'attention portée aux risques potentiels liés aux méthodes de nettoyage conventionnellement employées dans la conservation des oeuvres d'art, qui reposent souvent sur l'utilisation de substances toxiques à base de pétrole, telles que les solvants et les agents complexants, est particulièrement importante. Dans ce contexte, la recherche doctorale présentée ici visait à explorer des alternatives plus écologiques pour le nettoyage des collections historiques en métal altérées. Le problème central de la préservation des métaux réside dans le processus spontané et irréversible de corrosion vers lequel ils tendent naturellement. C'est pourquoi les conservateurs-restaurateurs (CRs) s'appuient normalement sur l'application de revêtements organiques pour protéger la surface métallique des agents atmosphériques (par exemple, l'eau, les espèces de sulfure gazeux). Toutefois, ces matériaux ont également tendance à se détériorer avec le temps sous l'effet de plusieurs facteurs environnementaux (température, lumière UV, etc.), ce qui entraîne une défaillance de ces systèmes de protection. Par conséquence, il est commun que l'apparence, la fonctionnalité ou les conditions de conservation des oeuvres d'art métalliques soient compromises par la présence de revêtements organiques altérés associés à des substrats métalliques sous-jacents corrodés, ce qui conduit à l'élimination nécessaire de ces deux caractéristiques de dégradation par les CRs. Des solutions gélifiées vertes et innovantes ont donc été conçues pour traiter individuellement (action sélective) ou simultanément (double action contrôlée) la corrosion et les revêtements organiques altérés éventuellement présents sur les collections historiques en métal. Une grande attention a été accordée à la sélection des " composant-blocs " potentiellement renouvelables et biodégradables des gels. La recherche a conduit à une première étude de plusieurs bio-polymères, parmi lesquels le poly-3-hydroxybutyrate (PHB) a été sélectionné comme agent épaississant approprié pour concevoir des systèmes de nettoyage à double action. Deux organogels ont été développés à partir d'une matrice de poly-3-hydroxybutyrate, chargée de lactate d'éthyle et d'agents complexants pour l'élimination des revêtements organiques et de la corrosion, respectivement. Plus précisément, les potentialités des agents complexants biodégradables, tels que la déféroxamine B (DFO) et l'acide éthylènediamine-N,N′-disuccinique (EDDS), ont été explorées. Les cibles de nettoyage ont été sélectionnées comme étant les plus représentatives des alliages et revêtements organiques présents dans les collections historiques de métaux à l'intérieur. L'acier, le laiton et l'argent sterling ont donc été choisis comme substrats métalliques, tandis qu'une résine acrylique (Paraloid® B72) et une laque nitrocellulosique (Zaponlack) ont été les revêtements organiques étudiés. Un protocole analytique multimodal a été réalisé sur les formulations gélifiées et les échantillons métalliques avant et après l'intervention de nettoyage afin d'évaluer l'efficacité et la fiabilité des méthodes de nettoyage. Globalement, les deux systèmes ont permis d'éliminer efficacement les matériaux organiques tout en assurant un nettoyage modéré de la corrosion. Ce résultat garantirait une intervention polyvalente, en ajustant le temps d'application des gels et la réitération, ce qui est une caractéristique recherchée pour le nettoyage contrôlé des collections historiques de métaux. Dans une perspective audacieuse, les résultats obtenus ont été partagés avec les conservateurs-restaurateurs et la communauté scientifique afin de promouvoir l'exploitation des méthodes et matériaux innovants, tout en encourageant l'intérêt pour la recherche d'approches de production plus durables (par exemple, EDDS fabriqué sans utilisation de bromure d'éthylène) à l'échelle industrielle. ABSTRACT The advent of the Green Chemistry principles is nowadays an unconditional driving force for the research carried out in the field of Conservation Science. Great attention is currently addressed in response to the potential risks derived from cleaning methods conventionally employed in art conservation, which are frequently relying on the use of petroleum-based and toxic substances, such as solvents and complexing agents. Within this scenario, the doctoral research here discussed was addressed to explore greener alternatives for the cleaning of altered historical metal collections. The core issue for the preservation of metals lies in the spontaneous and irreversible process of corrosion towards which they naturally tend over time. Therefore, conservator-restorers (CRs) typically rely on the application of organic coatings to protect the metallic surface from atmospheric agents (e.g., water, gaseous sulphide species). However, also these materials tend to deteriorate through time due to several environmental factors (e.g., temperature, UV light), leading to a failure of these protective systems. Consequently, it is common that the appearance, functionality, or conservation conditions of metal artworks are jeopardised by the presence of altered organic coatings associated to corroded underlying metal substrates, leading to the necessary removal of both these degradation features by CRs. Therefore, innovative greener gelled solutions were designed in order to tackle individually (i.e., selective action) or simultaneously (i.e., controlled double-action) corrosion and altered organic coatings possibly present on historical metal collections. Great attention was addressed to the selection of possibly renewable and bio-degradable gel “building-blocks”. The research led to a first investigation of several bio-polymers, among which poly-3-hydroxybutyrate (PHB) was selected as suitable thickening agent to design doubleaction cleaning systems. Namely, two organogels were developed using a poly-3-hydroxybutyrate matrix, loaded with ethyl lactate and complexing agents for the removal of organic coatings and corrosion, respectively. Specifically, the potential of biodegradable complexing agents, such as deferoxamine B (DFO) and ethylenediamine-N,N′-disuccinic acid (EDDS), were explored. The cleaning targets were selected being the most representative of alloys and organic coatings present in indoor historical metal collections. Therefore, steel, brass, and sterling silver were chosen as metal substrates, whereas an acrylic resin (i.e., Paraloid® B72) and a nitrocellulose lacquer (i.e., Zaponlack) were the organic coatings of interest. A multi-modal analytical protocol was performed on gelled formulations and metal samples before and after cleaning intervention in order to evaluate the efficiency and reliability of the innovative cleaning methods. In general terms, both cleaning systems provided an effective removal of the organic materials while yielding moderate cleaning on the corrosion layers. This outcome would ensure a versatile intervention, fine-tuning gel application time and reiteration, which is a sought feature for the controlled cleaning of historical metal collections. From an audacious perspective, the results obtained within the doctoral research were shared with conservator-restorers and the scientific community aiming to promote the exploitation of the innovative methods and materials, while fostering the interest in researching for more sustainable approaches of production (e.g., EDDS manufactured without the use of ethylene bromide) at the industrial scale.
- PublicationAccès libreBacterial iron reduction and biogenic mineral formation for the stabilization of corroded iron objects(2018)
; ; 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. - PublicationMétadonnées seulementAssessment of a biological approach for the protection of copper alloys artefacts(Edinburgh: Historic Scotland and International Council of Museums, 2013)
; ; ; ; ; Wörle, MarieWe propose an innovative treatment by which the protection of copper-based artefacts can be provided by naturally occurring microorganisms. The properties of some fungi were exploited for the transformation of existing corrosion patinas into copper oxalates. The latter are known to be insoluble and chemically stable. Within the earlier EU-ARTECH and BAHAMAS projects, very promising results were obtained with an almost 100% conversion from copper hydroxysulfates and hydroxychlorides into copper oxalates. A fungal strain was used which had been isolated from vineyard soil heavily contaminated with copper. Further scientific investigations were carried out to determine the parameters of the process and allowing the formation of a reproducible and homogeneous patina of copper oxalates, called biopatina to highlight its biological origin. Particular attention was paid to the efficacy, durability and impact on colour of the newly developed treatment. Different copper and bronze coupons with either urban or marine patinas were prepared. Several analytical techniques were used for the characterisation of the patinas: Fourier Transform InfraRed microspectroscopy (µFTIR), colourimetry and Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS). The coupons were treated with either the biological treatment or reference materials (wax: Cosmoloid H80; silane: Dynasylan® F8263) and exposed to atmospheric corrosion (ISMAR-SMS Genoa Harbour, corrosivity class 5) in December 2011. The long-term behaviour and performance of the treatments under study was monitored and compared over a one year period using the same complement of analytical techniques used for the characterisation of the original patinas. These first measurements suggested a different weathering behaviour of the biopatina. In fact, in comparison to the silane and wax treatments the biopatina showed a lower colour variation, and a corrosion stabilisation process seemed to be in progress. A deeper analysis of colour and corrosion rate variation from different application methods was also achieved. The complete assessment of the different treatments will be finished this year.