Biological strategies for the preservation of waterlogged archaelogical wood
Date issued
2020
Number of pages
288
Subjects
Waterlogged archaeological wood heritage conservation biotechnology iron sulfides siderophore Thiobacillus denitrificans Bois archéologique gorgé d'eau conservation du patrimoine biotechnologie sulfures de fer sidérophore
Abstract
Le bois archéologique gorgé d'eau est une partie essentielle de notre patrimoine culturel. Les objets en bois qui ont été préservés dans des sites gorgées d'eau fournissent des informations précieuses sur les civilisations passées. Cependant, le bois gorgé d'eau peut rencontrer de graves problèmes après l’excavation. Lorsque des espèces soufrées et de ferreuses se sont formées et accumulées pendant la période d'enfouissement, la précipitation de sels et l'acidification peuvent apparaître après exposition à l'oxygène, entraînant de graves problèmes structurels. Malheureusement, ces altérations sont souvent observées après que les objets aient été consolidés. Des procédés
d'extraction chimique ou de neutralisation sont appliqués en réponse a ces problèmes. Actuellement, les nouvelles tendances optent pour des solutions moins toxiques et plus respectueuses de l'environnement. Par exemple, les traitements biologiques appliqués à la préservation d’artéfacts patrimoniaux basé sur le potentiel de divers métabolismes microbiologiques suscitent l’intérêt. Le but de cette thèse est de développer une méthode verte et durable qui éliminerait les composés soufrés et ferreux tout en maintenant la stabilité chimique et la structure physique du bois gorgé d’eau. Il existe peu de références de méthodes biologiques liées à la conservation des substrats
organiques. De ce point de vue, l'extraction biotechnologique proposée ici est une approche innovante pour l'élimination des espèces de fer et soufre du bois. Cette méthode originale adopte deux stratégies différentes: 1) l'élimination du fer à l'aide de chélateurs microbiens du fer (sidérophores) et, 2) l'extraction d'espèces soufrées par oxydation avec des bactéries sélectionnées (Thiobacillus denitrificans). Les deux approches ont été étudiées
directement sur les phases minérales couramment trouvées dans le bois gorgé d'eau, et sur des échantillons de bois modèles préparés pour simuler le bois archéologique gorgé d'eau. Les deux processus biologiques ont montré des résultats positifs en extrayant des espèces de fer et de soufre à partir d'échantillons de bois modèles. De plus, aucune dégradation supplémentaire du bois n'a été détectée après l'application des méthodes d'extraction. Néanmoins, des recherches supplémentaires sont nécessaires pour améliorer l'extraction du fer et du soufre car avec des phases minérales plus stables, les taux de dissolution étaient plus faibles. Combinées sur des échantillons de bois modèles, l'utilisation de sidérophores et l'oxydation biologique ont obtenu des résultats dans le cadre des traitements d'extraction chimiques actuels et respectent autant que possible les critères de conservation en termes d'aspect, d'efficacité et de sécurité. Les résultats du traitement biologique sont prometteurs et des efforts futurs seront faits pour améliorer les performances et développer un protocole prêt à l'emploi.
ABSTRACT
Waterlogged archaeological wood (WAW) is an essential part of our cultural heritage. Woodenobjects that have been preserved in waterlogged conditions provide valuable information about past civilizations. However, WAW may encounter serious issues after recovery. When sulfur and iron species have formed and accumulated during burial time, salts precipitation and acidification can appear after exposition to oxygen, leading to severe structural damages. Unfortunately, these alterations are often observed after objects have been consolidated. In response, chemical extraction or neutralization processes are applied. Currently, new trends are opting for less toxic and more environmentally friendly solutions. For example, bio-based treatments are arousing for the preservation of heritage artefacts based on the potential of diverse microbiological metabolisms. The aim of this thesis is to develop a green and sustainable method that would remove sulfur and iron compounds while maintaining the chemical stability and physical structure of WAW heritage. There are only few references of bio-based methods related to the conservation of organic substrates. Therefore, the biotechnological extraction proposed here is an innovative approach for the removal of iron/sulphur species from wood. This original method adopts two different strategies: 1) the removal of iron using microbial iron chelators (i.e., siderophores) and, 2) the extraction of sulfur species by oxidation with selected bacteria (i.e., Thiobacillus denitrificans). Both approaches were studied directly on mineral phases commonly found in WAW, and on model wood samples prepared to simulate WAW. Separately, both biological processes showed positive results extracting iron and sulfur species from model wood samples. Moreover, no further degradation of the wood matrix was detected after application of either extraction method. Further research is still needed to enhance the extraction of iron and sulfur as with more stable mineral phases the dissolution rates were lower. Combined together on model wood samples, the use of siderophores and biological oxidation performed in line to current chemical extraction methods and respected as much as possible the conservation guidelines in terms of appearance, effectiveness and safety. The bio-based treatment results are promising, and future efforts would be made to improve performance and to develop a ready-to use protocol.
d'extraction chimique ou de neutralisation sont appliqués en réponse a ces problèmes. Actuellement, les nouvelles tendances optent pour des solutions moins toxiques et plus respectueuses de l'environnement. Par exemple, les traitements biologiques appliqués à la préservation d’artéfacts patrimoniaux basé sur le potentiel de divers métabolismes microbiologiques suscitent l’intérêt. Le but de cette thèse est de développer une méthode verte et durable qui éliminerait les composés soufrés et ferreux tout en maintenant la stabilité chimique et la structure physique du bois gorgé d’eau. Il existe peu de références de méthodes biologiques liées à la conservation des substrats
organiques. De ce point de vue, l'extraction biotechnologique proposée ici est une approche innovante pour l'élimination des espèces de fer et soufre du bois. Cette méthode originale adopte deux stratégies différentes: 1) l'élimination du fer à l'aide de chélateurs microbiens du fer (sidérophores) et, 2) l'extraction d'espèces soufrées par oxydation avec des bactéries sélectionnées (Thiobacillus denitrificans). Les deux approches ont été étudiées
directement sur les phases minérales couramment trouvées dans le bois gorgé d'eau, et sur des échantillons de bois modèles préparés pour simuler le bois archéologique gorgé d'eau. Les deux processus biologiques ont montré des résultats positifs en extrayant des espèces de fer et de soufre à partir d'échantillons de bois modèles. De plus, aucune dégradation supplémentaire du bois n'a été détectée après l'application des méthodes d'extraction. Néanmoins, des recherches supplémentaires sont nécessaires pour améliorer l'extraction du fer et du soufre car avec des phases minérales plus stables, les taux de dissolution étaient plus faibles. Combinées sur des échantillons de bois modèles, l'utilisation de sidérophores et l'oxydation biologique ont obtenu des résultats dans le cadre des traitements d'extraction chimiques actuels et respectent autant que possible les critères de conservation en termes d'aspect, d'efficacité et de sécurité. Les résultats du traitement biologique sont prometteurs et des efforts futurs seront faits pour améliorer les performances et développer un protocole prêt à l'emploi.
ABSTRACT
Waterlogged archaeological wood (WAW) is an essential part of our cultural heritage. Woodenobjects that have been preserved in waterlogged conditions provide valuable information about past civilizations. However, WAW may encounter serious issues after recovery. When sulfur and iron species have formed and accumulated during burial time, salts precipitation and acidification can appear after exposition to oxygen, leading to severe structural damages. Unfortunately, these alterations are often observed after objects have been consolidated. In response, chemical extraction or neutralization processes are applied. Currently, new trends are opting for less toxic and more environmentally friendly solutions. For example, bio-based treatments are arousing for the preservation of heritage artefacts based on the potential of diverse microbiological metabolisms. The aim of this thesis is to develop a green and sustainable method that would remove sulfur and iron compounds while maintaining the chemical stability and physical structure of WAW heritage. There are only few references of bio-based methods related to the conservation of organic substrates. Therefore, the biotechnological extraction proposed here is an innovative approach for the removal of iron/sulphur species from wood. This original method adopts two different strategies: 1) the removal of iron using microbial iron chelators (i.e., siderophores) and, 2) the extraction of sulfur species by oxidation with selected bacteria (i.e., Thiobacillus denitrificans). Both approaches were studied directly on mineral phases commonly found in WAW, and on model wood samples prepared to simulate WAW. Separately, both biological processes showed positive results extracting iron and sulfur species from model wood samples. Moreover, no further degradation of the wood matrix was detected after application of either extraction method. Further research is still needed to enhance the extraction of iron and sulfur as with more stable mineral phases the dissolution rates were lower. Combined together on model wood samples, the use of siderophores and biological oxidation performed in line to current chemical extraction methods and respected as much as possible the conservation guidelines in terms of appearance, effectiveness and safety. The bio-based treatment results are promising, and future efforts would be made to improve performance and to develop a ready-to use protocol.
Notes
Jury members:
Prof. Edith Joseph, thesis supervisor, University of Neuchâtel, Switzerland
Prof. Pilar Junier, thesis co-supervisor, University of Neuchâtel, Switzerland
Prof. María del Pilar Bosch Roig, Universitat Politècnica de València, Spain
Dr. Jakob Zopfi, Universität Basel, Switzerland
Thesis defended on the 2nd November 2020
No de thèse : 2866
Prof. Edith Joseph, thesis supervisor, University of Neuchâtel, Switzerland
Prof. Pilar Junier, thesis co-supervisor, University of Neuchâtel, Switzerland
Prof. María del Pilar Bosch Roig, Universitat Politècnica de València, Spain
Dr. Jakob Zopfi, Universität Basel, Switzerland
Thesis defended on the 2nd November 2020
No de thèse : 2866
Publication type
doctoral thesis
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