Upotreba mikroorganizama za „lečenje“ objekata

„Bakterije besprekorno očistile Mikelanđelove mermerne skulpture u Kapeli porodice Mediči“ [1], „Najbolji restauratori Mikelanđelovih mermernih skulptura su bakterije“ [2], Euronews, Serbia; „Biocleaning of Cultural Heritage stone surfaces and frescoes: which delivery system can be the most appropriate?“ [3], „Biocleaning to Remove Graffiti: A Real Possibility? Advances towards a Complete Protocol of Action“ [4], su samo neki, od još uvek malobrojnih naslova koji se mogu naći na Internetu ili u naučnim publikacijama, a vezani su za postupak biočišćenja i upotrebu mikroorganizama za „lečenje/čišćenje“ objekata kulturnog nasleđa. Mikroorganizmi kao „lek“ oštećenih spomenika kulture.

Mikroorganizmi se najčešće posmatraju kao jedan od vrlo štetnih uzroka degradacije kako objekata kulturnog nasleđa, tako i modernih građevina, Slika 1.

Međutim, da to ne mora uvek biti tako i da je moguće kontrolisano koristiti mikroorganizme za uklanjanje različitih drugih negativnih faktora (crne kore, rastvorljive soli, organski depoziti…) dokazano je od strane istraživačkih timova širom sveta i to na veoma značajnim objektima kao što je Kapela porodice Mediči. Naime, prve akademske studije o upotrebi mikroorganizama u postupcima čišćenja pojavile su se krajem 1980-ih / početkom 1990-ih. U poslednjih trideset godina, većina takvih studija bavila se uklanjanjem nitrata i sulfatnih soli i organske materije sa površina, korišćenjem nepatogenih anaerobnih mikroorganizama, uglavnom bakterija i to vrlo uspešno i sa veoma merljivim i vidljivi rezultatom, Slika 2. U osnovi ovih postupaka je upotreba mikroorganizama u kombinaciji sa standardnim mikroobiološkim nosačima.

Sve objavljene studije ističu prednost upotrebe mikroorganizama u odnosu na tradicionalne hemijske ili mehaničke tehnike čišćenja, pre svega zbog činjenice da hemijski tretmani nisu uvek dovoljno selektivni i posledično oštećuju materijale na koje se primenjuju.

Iako postoje brojne prednosti upotrebe mikroorganizama u „lečenju“ kako spomenika kulture, tako i modernih građevina, tradicionalne metode čišćenja zasnovane na hemijskim i mehaničkim tretmanima su i dalje poželjne. Naime, mikroorganizmi se posmatraju kao jedan od glavnih faktora propadanja spomenika, a i operateri se vrlo često plaše da ih koriste iako hemijski tretmani mogu da budu značajno agresivniji po zdravlje čoveka i okoline.

DEGRADACIJA MATERIJALA IZAZVANA PRISUSTVOM RASTVORLJIVIH SOLI

Degradacija materijala izazvana dejstvom rastvorljivih soli predstavlja vrlo aktuelan problem već duži niz godina, kako u slučaju objekata kulturnog nasleđa, tako i u slučaju novih objekata, Slika 3.

Faktori koji utiču na mehanizme degradacije materijala se najčešće svrstavaju na spoljašnje faktore (uslove spoljašnje sredine ) i unutrašnje faktore (osobine materijala). Od uslova spoljašnje sredine kao najbitnije treba izdvojiti temperaturu, relativnu vlažnost i hemijsku prirodu prisutnih soli (ukoliko su u pitanju strane soli koje u materijal dospevaju iz spoljašnjosti).

Unutrašnji faktori koji utiču na mehanizme degradacije materijala usled dejstva rastvorljivih soli su osobine samog materijala koje zavise kako od karakteristika početne sirovinske smeše (mineralne i hemijske prirode), tako i od karakteristika finalnog proizvoda (čvrstoća, poroznost i homogenost).

S obzirom na to da na uslove spoljašnje sredine ne možemo da utičemo, jedino što nam preostaje u borbi sa štetnom rastvorljivom soli je njeno uklanjanje.

Destrukcija materijala izazvana dejstvom rastvorljivih soli odigrava se usled pritiska kristalizacije (kada soli u povoljnim vremenskim uslovima iz svog rastvornog oblika kristališu u vidu kristala), kao i usled pritiska hidratacije (kada vezuju određeni broj molekula vode u svoju strukturu te dolazi do značajnog povećanja zapremine). Tako na primer, jedna od vrlo često prisutnih soli u građevinskim objektima, natrijum sulfat (tenartid), na prosečnim dnevnim temperaturama, za naše podneblje, prilikom hidratacije vezuje 10 molekula vode i prelazi u formu poznatu pod imenom mirabilit.

Ova hidratacija praćena je promenom zapremine od preko 200 puta i izaziva značajna oštećenja opeka, maltera, stenskog materijala u vidu mrvljenja, ljuspanja, kraternog odvajanja i raslojavanja.

Sa druge strane, ni soli koje ne hidratišu nisu manje opasne jer kad iz svog rastvornog oblika (najčešće u zimskom periodu) prelaze (u letnjem periodu) u kristalni oblik mogu da izazovu veoma značajne kristalizacione pritiske.

Tako na primer, kuhinjska so, natrijum hlorid, izaziva kristalizacione pritiske (55, 4 MPa) koji prevazilaze čvrstoće betona, zbog čega je potrebno tražiti alternativne načine za posipanje kolovoza i trotoara u zimskom periodu.
Pored ovih soli, kao veoma destruktivne navode se i soli nitrata, sulfata, hlorida, karbonata, oksalata i fosfata. Naročito su interesantne soli iz grupe nitrata, jer su jedne od najrastvorljivijih i najprisutnijih soli kako na objektima kulturnog nasleđa, tako i u modernim objektima.

UKLANJANJE RASTVORLJIVIH SOLI (DESALINACIJA) TRADICIONALNIM TEHNIKAMA

Tradicionalno primenjivani postupci desalinacije baziraju se na mehaničkom uklanjanju soli (samo ukoliko postoji eflorescencija) i na fizičko hemijskom uklanjanju soli. Pregledom dostupne literature mogu se konstatovati sledeći fizičko hemijski postupci uklanjanja soli: desalinacija potapanjem, desalinacija upotrebom pulpi, desalinacija „žrtvujućim“ materijalom, desalinacija hemijskom impregnacijom, aktivna elektroosmoza i desalinacija upotrebom mikroorganizama (biočišćenje). Poslednja je najmanje upotrebljavana metoda desalinacije. Od svih nabrojanih metoda, desalinacija upotrebom pulpe je najšire primenjivana metoda.

Iako je u širokoj primeni, rezultati primene postupaka desalinacije tradicionalnim tehnikama su i dalje nepredvidljivi i često vrlo neuspešni. To je posledica nedovoljnog poznavanja mehanizama desalinacije i odgovarajućih parametara neophodnih za uspešnu aplikaciju.

Na tržištu se trenutno mogu naći komercijalno dostupne pulpe u vidu smeša čvrstih komponenata kojima se neposredno pre upotrebe dodaje voda ili u vidu pasta u kojima se već nalazi adekvatna količina vode. Ovi proizvodi su najčešće smeše na bazi celuloznih vlakana, recikliranog papira, glina i peska.

Varijacije u pogledu sastava ovih smeša za posledicu imaju i različitu potrebu za vodom, a primenjeni postupci često ne odgovaraju karakteristikama supstrata iz kojeg se uklanjaju soli. Pored komercijalnih proizvoda, konzervatorska praksa često podrazumeva i primenu pulpi koje se iskustveno pripremaju tzv. self-made pulpe.

Možda jedan od najvećih uzroka neuspešnosti sprovedenih tretmana u svetu, a i kod nas, je činjenica da još uvek nije dovoljno razvijena svest o neophodnosti ispitivanja stanja supstrata (objekata) pre i nakon postupka desalinacije kako bi se primenio efikasan tretman. U tom smislu, jedini kriterijum koji je potrebno zadovoljiti da bi postupak desalinacije bio efikasan je vrednost poroznosti odabrane pulpe koja treba da odgovori poroznosti substrata (kamena, opeke, maltera… ).

Za uspešan proces desalinacije neophodno je da pulpa poseduje veću ukupnu poroznost, veći udeo sitnih i krupnih pora od substrata, kako bi se proces desalinacije mogao nesmetano odigravati iz supstrata ka pulpi. Evidentno je da adekvatan odabir pulpi nije moguće uraditi bez prethodnog ispitivanja stanja materijala koji se desalinira.

Na Tehnološkom fakultetu u Novom Sadu je razvijana metodologija desalinacije različitih substrata uz adekvatan odabir ili projektovanja tradicionalnih pulpi koje bi obezbedile uspešan tretman. U osnovi ove metodologije je kompatibilnost porozne strukture desalinacione pulpe sa supstratom. Ovaj pristup je potvrđen na više objekata u realnim uslovima eksploatacije, od kojih se svakako izdvaja desalinacija temeljne zone Srpskog narodnog pozorišta u Novom Sadu, Slika 4 i Slika 5.

Iako nije tako često, potrebno je istaći da je izvođač radova Alp inženjering D.O.O. iz Beograda, imao razumevanja za ovaj naučno razvijeni pristup poštujući sve neophodne korake, od dijagnoze objekta do primene naučnih metoda, utemeljenom odabiru materijala za lečenje i čišćenje ovakvog jednog značajnog objekta.

UKLANJANJE RASTVORLJIVIH SOLI BIOČIŠĆENJEM

Biočišćenje podrazumeva primenu vijabilnih mikroorganizama i njihovih enzima (lipaza, amilaza, proteaza, itd.) za različite vrste čišćenja materijala, od crnih kora pa sve do uklanjanja rastvorljivih soli. S obzirom da su objekti kulturnog nasleđa veoma osetljivi u pogledu degradacije, upotreba biočišćenja nastala je iz potrebe da se primeni tehnologija čišćenja koja bi najmanje uticala na stanje degradiranih struktura. Ova tehnologija nije invazivna, niti škodljiva po zdravlje operatera i okolinu, te ukoliko se pravilno sprovede nije štetna ni za sam objekat.

Polazno stanovište za korišćenje vijabilnih ćelija mikroorganizama u konzervaciji materijala kulturne baštine je njihova široka rasprostranjenost i sposobnost kolonizacije različitih vrsta u najrazličitijim okruženjima. Poslednjih nekoliko godina sprovedeno je niz istraživanja u kojima se biočišćenje pokazalo kao efikasna metoda za različite vrste supstrata (stenski materijal, fresko i zidno slikarstvo, keramički materijali i papir).
Iako se vrše opsežna istraživanja u oblasti biočišćenja, za sada na tržištu ne postoje gotovi proizvodi za biološko uklanjanje organskih i neorganskih jedinjenja (onečišćenja) sa površina različitih materijala.

U okviru evropskog projekta CAPTAN, pod imenom Napredno čišćenje i zaštita materijalnog kulturnog nasleđa, finansiranog od strane Ministarstva prosvete, nauke i tehnološkog razvoja Republike Srbije kroz program Eureka E! 13085, timovi istraživača iz Rumunije i Srbije proizvode materijale za postupak desalinacije biočišćenjem.

Na razvoju ovih inovativnih proizvoda, pored Tehnološkog fakulteta iz Novog Sada učestvuje i preduzeće GP HGP iz Novog Sada, kao i parteri iz Rumunije: SC Restauro Concept Srl iz Bukurešta; The National R&D Institute for Textiles and Leather, Bukurešt; Europlastic Srl, Bukurešt i Muzeul Bucovinei, Suceava, Slika 6.

U pitanju je serija proizvoda za uklanjanje rastvorljivih soli na bazi biočišćenja u kombinaciji sa tradicionalnim glinenim pulpama. U osnovi ovih proizvoda je kombinacija dobrih osobina tradicionalnih glinenih pulpi, odgovarajuće poroznosti, sa prednostima koje pružaju mikroorganizmi. Proizvodi se razvijaju tako da tradicionalne glinene pulpe predstavljaju nosače mikroorganizama (slučaj dentrifikatorske-bakterijske kulture Pseudomonas stutzeri). Na ovaj način razvijeni proizvodi predstavljaju bioaktivne sisteme gde tradicionalna glinena pulpa ima ulogu nosača i pokretača desalinacionog procesa.

Odnosno, glinena pulpa ima projektovanu poroznost koja omogućava kretanje soli iz zidanih struktura u pulpu, gde se odvija proces denitrifikacije i uklanjanje nitratnih soli, kroz prirodnu metaboličku aktivnost pomenutih bakterija (koja se inače odvija u prirodi kroz proces kruženja azota).

Na osnovu svega iznetog, rezultat primene ovih inovativnih sistema za biočišćenje rastvorljivih soli je njihova redukcija dejstvom glinenih pulpi odgovarajuće poroznosti uz denitrifikaciju nitrata i njegovo prevođenje u azot. Radi se o veoma ekološkim proizvodima, a upotrebljeni mikroorganizmi su nepatogeni i potpuno neškodljivi kako za čoveka tako i za životnu sredinu.

Iako su u početku razvoja ovih proizvoda upotrebljavane komercijalno dostupne bakterijske kulture, tim istraživača sa Tehnološkog fakulteta sa Katedre za biotehnologiju, otišao je korak dalje i izolovao bakterijske kulture denitrifikatora iz Dunava te inkorporirao iste u proizvode za biočišćenje. Ovo predstavlja još jednu potvrdu razvijanja bezopasnih proizvoda. Projekat je trenutno na laboratorijskom nivou u pogledu proizvodnje, ali su dobijeni materijali primenjeni i u realnim uslovima.

Ovi proizvodi su za sada pokazali više pozitivnih performansi u realnim uslovima u odnosu na laboratorijske uslove i potvrdili su se kao veoma efikasni za uklanjanje sulfatnih, hloridnih i nitratnih soli, Slika 7.

Tim istraživača, okupljen oko razvoja materijala za biočišćenje rastvorljivih soli, se nada da će ovi proizvodi u budućnosti imati širu primenu jer se radi o potpuno bezopasnom postupku kako za okolinu tako i za operatera [6].

U pogledu štetnosti za moderne građevine i objekte kulturnog nasleđa, mnogo veću štetu nanosi neadekvatan i naučno neutemeljen odabir pulpi ili hemijskih sredstava, nego denitrifikatori koji se inače nalaze u prirodnom okruženju. Zbog toga je veoma važno podići svest kako kod konzervatora, tako i kod izvođača radova o neophodnosti prethodnih ispitivanja, adekvatne postavke dijagnostike stanja i odabira komercijalno dostupnih tehnika, pre nego što se pristupi bilo kojoj intervenciji na nekom objektu.

LITERATURA
[1] https://www.euronews.rs/kultura/aktuelno-iz-kulture/40582/bakterije-besprekorno-ocistile-mikelandelove-mermerne-skulpture-u-kapeli-porodice-medici/vest
[2]https://www.euronews.rs/kultura/aktuelno-iz-kulture/2764/najbolji-restauratori-mikelandelovih-mermernih-skulptura-su-bakterije/vest
[3] P. Bosch-Roig et al., Biocleaning of Cultural Heritage stone surfaces and frescoes: which delivery system can be the most appropriate?, Annals of Microbiology 2014 , 65
[4] P. Sanmartín et al., Biocleaning to Remove Graffiti: A Real Possibility? Advances towards a Complete Protocol of Action, Coatings 2019, 9(2), 104
[5] G. Ranalli et al, Onsite advanced biocleaning system on ancient wall paintings using new agar-gauze bacteria gel, Journal of applied microbiology 2019, 126
[6] Vučetić S. et al., Development and modeling of the effective bioactive poultices for reducing the nitrate content in building materials, Construction and building materials 2017, 142.

Autori teksta: Tim Laboratorije za ispitivanje materijala u kulturnom nasleđu, Tehnološki fakultet Novi Sad