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Development and evaluation of sustainable hydrogels formulations for the microbial cleaning of metal historical artefacts.
Auteur(s)
Editeur(s)
Von Reuss, Stephan
Date de parution
2024
Nombre de page
330
Mots-clés
Résumé
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.
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.
Notes
Jury members :
Prof. Edith Joseph, thesis director, University of Neuchâtel, Haute Ecole Arc, Switzerland
Prof. Stephan von Reuss, thesis co-director, Université de Neuchâtel, Switzerland
Dr. Elodie Guilminot, thesis co-supervisor, Laboratoire Arc’Antique, France
Dr . Elena Bernardi, Università di Bologna, Italy
Prof. Dominique Hourdet Hourdet, Sorbonne Université, France
Thesis defended on November 28th 2023
No de thèse : 3088.
Prof. Edith Joseph, thesis director, University of Neuchâtel, Haute Ecole Arc, Switzerland
Prof. Stephan von Reuss, thesis co-director, Université de Neuchâtel, Switzerland
Dr. Elodie Guilminot, thesis co-supervisor, Laboratoire Arc’Antique, France
Dr . Elena Bernardi, Università di Bologna, Italy
Prof. Dominique Hourdet Hourdet, Sorbonne Université, France
Thesis defended on November 28th 2023
No de thèse : 3088.
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