DOTTORATO NAZIONALE IN HERITAGE SCIENCE

Titolo della tesi: Investigations on the Bioprotective/Biodeteriorative Dual Role of Subaerial Biofilms on Built Heritage Surfaces

Per decenni, la biocolonizzazione delle superfici del patrimonio costruito è stata considerata principalmente una minaccia da tenere sotto controllo e la sua rimozione è stata spesso guidata esclusivamente da considerazioni estetiche. Tuttavia, la ricerca ha iniziato a mettere in discussione questo paradigma, suggerendo che i biofilm subaerei (Subaerial Biofilms, SABs) possano anche svolgere un ruolo protettivo in condizioni specifiche. Questa prospettiva emergente ha innescato un vivace dibattito scientifico, evidenziando l'urgente necessità di ricerche mirate per chiarire il duplice ruolo dei SABs nella conservazione del patrimonio. Nonostante questo crescente interesse, solo un numero limitato di studi ha esplorato sistematicamente le interazioni tra SABs e substrati porosi e la maggior parte dei lavori esistenti soffre di significativi vincoli metodologici. Questo quadro emergente, seppur frammentato, sottolinea l'urgente necessità di un quadro più completo e interdisciplinare in grado di collegare la morfologia, la composizione e la funzionalità dei SABs alle proprietà del substrato e alle condizioni ambientali. Colmare queste lacune richiede l'adattamento e l'ottimizzazione delle metodologie attualmente utilizzate, molte delle quali non sono adatte per catturare la complessità di interfacce viventi e dinamiche come i substrati biocolonizzati del patrimonio costruito. Questa ricerca di dottorato mira a migliorare la comprensione delle complesse interazioni biogeochimiche e biogeofisiche tra SABs e substrati porosi e a valutarne le implicazioni per le strategie di conservazione. In particolare, il progetto si concentra sull'adattamento e l'ottimizzazione di metodi tradizionalmente applicati ai materiali porosi, riproponendoli per sistemi biocolonizzati, dove la presenza di un SAB introduce ulteriore complessità e dinamismo. L'obiettivo principale non era solo misurare, ma anche comprendere a quale livello il SAB altera l'interfaccia atmosfera-substrato, influenzando, ad esempio, lo scambio gassoso, il trasporto di liquidi e il comportamento meccanico della superficie. Per affrontare questa sfida complessa, la ricerca ha adottato un approccio multidisciplinare e sensibile al contesto, collegando microbiologia, scienza dei materiali, fisica, chimica e scienza della conservazione, e integrando sperimentazione di laboratorio, indagini in situ e strumenti di valutazione di impatto ambientale in un quadro metodologico unificato. Il punto di partenza è stata l'ottimizzazione del protocollo di laboratorio originariamente proposto da Villa et al. (2015) (doi: 10.3389/fmicb.2015.01251), per coltivare SABs monospecie e bispecie su campioni di pietra di Lecce, poiché il protocollo originale non era stato progettato per catturare la complessità delle interazioni SAB-substrato dal punto di vista della scienza dei materiali. Questa fase è stata cruciale per lo sviluppo di sistemi modello di SABs riproducibili e strutturalmente maturi, fornendo una piattaforma controllata per lo studio sistematico del sistema SAB-substrato. Sebbene il modello di laboratorio rappresenti una semplificazione rispetto alla complessità delle comunità naturali, la configurazione bispecie selezionata, che combina un cianobatterio fotoautotrofo e un batterio chemioorganotrofo, garantisce una rappresentazione ragionevole dei sistemi reali. Questa scelta introduce interazioni ecologiche essenziali, come il cross-feeding e la strutturazione spaziale, mantenendo al contempo l’efficacia sperimentale. Il protocollo di biocolonizzazione ottimizzato ha prodotto biofilm omogenei e aderenti che hanno consentito la valutazione riproducibile, quantitativa e fisicamente significativa dell'impatto dei SAB sia sul trasporto idrico che sulle proprietà micromeccaniche superficiali, stabilendo le basi metodologiche per successive analisi di laboratorio e in situ. Dato il ruolo fondamentale dell'acqua come uno dei principali agenti di deterioramento nei materiali porosi, comprendere come la presenza di un SAB modifichi i processi di trasporto dell'acqua e di scambio di umidità diventa essenziale per valutare la durabilità a lungo termine dei substrati del patrimonio storico. Affrontare questi aspetti è stato quindi un obiettivo centrale di questa ricerca. Le proprietà di trasporto dell'acqua sono state studiate utilizzando una serie di tecniche complementari e perfezionate, tra cui test di assorbimento capillare dell'acqua, velocità di essiccazione, assorbimento igroscopico, permeabilità al vapore acqueo e bagnabilità. Queste metodologie sono state adattate da standard esistenti per materiali porosi, eventualmente trattati con rivestimenti protettivi o consolidanti, e ricalibrate per tenere conto della natura viva e dinamica dei SABs. I risultati hanno dimostrato che i SABs riducono l'assorbimento capillare dell'acqua e la bagnabilità superficiale, preservando al contempo la permeabilità al vapore e stabilizzando i livelli di umidità all'interno del substrato. Questi risultati suggeriscono che i SABs potrebbero avere un'azione semipermeabile, mitigando lo stress idraulico senza compromettere la traspirabilità. In particolare, il biofilm bispecie ha mostrato un effetto più marcato, probabilmente dovuto alla maggiore produzione di sostanza polimerica extracellulare (Extracellular Polymeric Substance, EPS) e alla complessità strutturale. La caratterizzazione micromeccanica, eseguita mediante test di microindentazione e microscratch, ha rivelato che i SABs migliorano la durezza e la coesione in prossimità della superficie, dimostrando che la colonizzazione biologica può rinforzare localmente la matrice lapidea. Questi risultati indicano che i SAB contribuiscono a un indurimento superficiale misurabile, probabilmente dovuto alla presenza fisica dello strato di microrganismi ed EPS, alla formazione di ponti tra i grani mediati dall'EPS o alla precipitazione di biocalcite. Tali meccanismi di stabilizzazione su microscala, sebbene precedentemente suggeriti in letteratura, non erano stati validati quantitativamente attraverso set di dati comparabili. Nel complesso, questi risultati indicano un potenziale ruolo bioprotettivo dei SAB nel mitigare l'usura meccanica superficiale e stabilizzare lo strato più esterno del materiale. Questi risultati di laboratorio sono stati integrati dal caso di studio di Palazzo Rocca Costaguta (Chiavari, Italia), dove l'analisi in situ ha rivelato che il SAB non ha danneggiato la superficie dell'intonaco e ha contribuito a ridurne la bagnabilità. Inoltre, una valutazione di Life Cycle Assessment (LCA) di tre trattamenti biocidi, confrontata con lo scenario di non applicazione del trattamento, ha ulteriormente evidenziato che il “non intervento” potrebbe essere l'opzione più sostenibile quando i SABs non esercitano effetti dannosi. Questa ricerca promuove un cambio di paradigma nella conservazione del patrimonio edilizio, riconoscendo i SABs non solo come agenti di degrado, ma anche come potenziali elementi di protezione dei materiali. Tutti questi risultati contribuiscono a un crescente corpus di prove che dimostra come la colonizzazione microbica non possa essere interpretata esclusivamente come danno, ma come parte di un più ampio equilibrio tra materiali, ambiente e microrganismi. Le metodologie adottate aprono promettenti direzioni per studi futuri, in cui i SABs potrebbero essere valutati non come fallimenti nella conservazione, ma come componenti integranti del valore del monumento. Se si dimostrasse che esercitano funzioni neutre o protettive, i SABs potrebbero essere integrati in quadri di conservazione sostenibile come le Nature-based Solutions (NbS), contribuendo alla mitigazione dello stress idrico e alla stabilizzazione delle superfici in condizioni climatiche mutevoli. Il mantenimento o l’adozione della biocolonizzazione come strategia di conservazione, se stabile e non dannosa, potrebbe quindi aumentare il valore sia ecologico che culturale del bene, allineando la conservazione ai principi di sostenibilità e di attenzione alla biodiversità. Nel complesso, sviluppando metodologie su misura e fornendo solide prove sperimentali, questa ricerca supporta un approccio più informato e lungimirante alla conservazione del patrimonio in presenza di SABs.