Nanoparticle-based consolidants and natural biocides for waterlogged archaeological wood. Challenges in testing new materials with innovative techniques.

Abstract

Waterlogged archaeological wood comes from submerged sites (in lake, sea, river or wetland) or from land waterlogged sites. Even if the wooden object seems to have maintained the original size and shape, the wood is more or less severely decayed because of chemical and biological factors which modify the normal ratio of cellulose and lignin in the cell wall. Drying procedures are necessary for the musealization but potentially cause severe shrinkages and collapses. The conservation practices focus not only on removing water from wood but also on substituting it with materials able to consolidate the degraded wood cell walls, like polymers, sugars or resins. As long as wood is kept waterlogged anaerobic or almost anaerobic conditions are maintained and the biological degradation processes are very slow, but during excavation and conservation treatments wooden artifacts can be subjected to faster decay forms. For this reason, biocides are used during conservation and restoration stages to prevent wood degradation. Aim of the PhD project was to test bio-inspired products as alternatives to the chemicals currently used for the preservation and restoration of waterlogged archaeological wood. For this purpose, three different nano-scale consolidants were tested: lignin nanoparticles (LNPs) obtained form beech wood via a non-solvent method involving dialysis; bacterial nanocellulose (BC) obtained from cultures fed with agro-alimentary waste; cellulose nanocrystals (CNCs) chemically extracted from native cellulose. Waterlogged archaeological wood samples of different species (oak, elm, stone pine and silver fir) characterized by different levels of degradation were impregnated with the consolidants. The treatments efficiency was evaluated in terms of macroscopic observation of treated samples, retention of impregnation products (Y), anti-shrink efficiency (ASE), and equilibrium moisture content (EMC). The results obtained for the three consolidants showed substantial differences: LNPs and CNCs penetrated only about a millimeter inside the treated wood, while BC formed a compact layer on the surface of the cell walls throughout the thickness of the samples. In spite of successful BC penetration, physical evaluation of treatment efficiency showed that BC nanoparticles did not obtain a satisfying consolidation of the material. Based on the reported results more focused test protocols are optimized for future consolidation experiments. Three essential oils (cinnamon, wild thyme and common thyme) were tested as alternative, natural biocides. The effectiveness of the oils was firstly evaluated in vitro in term of minimum inhibitory concentration (MIC) on fungal spores of four cellulolytic strains (Chaetomium sp., Fusarium sp., Aspergillus japonicus, and Stachybotrys chartarum). Then, their biocidal activity was tested against the fungal mycelium of the same strains grown in plate and the whole microbiota present in waterlogged archaeological wood and storage water. The results showed that 1% can be considered the MIC for the three oils. At this concentration, the EOs allow to obtain a vitality decrease by almost 100% both on plate grown mycelium and on waterlogged wood microbiota. Even if the results obtained for the three oils are very close, the best values in all the tests were registered for cinnamon essential oil. In a second step, this oil was used as a biocide during the consolidation of waterlogged wooden poles recovered from the excavation of the ancient port of Naples. In this test the vitality decrease registered ranged between 99% and 100%. The oils effectiveness was evaluated quantifying the cellular ATP through bioluminescence and studying the changes produced in the bacterial and fungal communities’ composition through Next-Generation Sequencing (NGS).

Il legno archeologico imbibito proviene da siti sommersi (in laghi, mari, fiumi o zone paludose) o da siti terrestri al di sotto del piano di falda. Anche se i reperti lignei sembrano aver mantenuto le dimensioni e la forma originali, il materiale è più o meno gravemente degradato a causa di fattori chimici e biologici che modificano il normale rapporto cellulosa/lignina della parete cellulare. Per poter essere musealizzato il legno imbibito deve prima essere asciugato. Questo processo è molto rischioso in quanto può causare gravi ritiri e collassi. Per questo motivo le pratiche di conservazione si concentrano non solo sulla rimozione dell'acqua dal legno, ma anche sulla sua sostituzione con materiali in grado di consolidare le pareti cellulari di legno degradate, come polimeri, zuccheri o resine. Finché il legno rimane imbibito ed immerso in acqua si trova in condizioni di anaerobiosi completa o quasi ed i processi di degrado biologico sono molto lenti. Tuttavia, durante le procedure di scavo e di conservazione i manufatti possono essere sottoposti a forme di degrado più veloci. Per questo motivo durante le fasi di conservazione e restauro vengono utilizzati biocidi per prevenire il degrado biologico del legno. Scopo del progetto di dottorato era testare prodotti di ispirazione bio come alternative ai prodotti chimici attualmente utilizzati per la conservazione e il restauro del legno archeologico imbibito. A tale scopo sono stati testati tre diversi nano-consolidanti: nanoparticelle di lignina (LNPs) ottenute da legno di faggio mediante un metodo basato sulla dialisi; nanocellulosa batterica (BC) ottenuta da colture alimentate con rifiuti agro-alimentari; nanocristalli di cellulosa (CNC) estratti chimicamente dalla cellulosa nativa. Campioni di legno archeologico imbibito di diverse specie (quercia, olmo, pino cembro e abete bianco) caratterizzati da diversi livelli di degrado sono stati impregnati con i consolidanti. L'efficienza dei trattamenti è stata valutata in termini di osservazione macroscopica dei campioni trattati, ritenzione del consolidante (Y), efficienza antiritiro (ASE) e contenuto di umidità di equilibrio (EMC). I risultati ottenuti per i tre consolidanti hanno mostrato differenze sostanziali: LNP e CNC sono penetrati solo per circa un millimetro all'interno del legno trattato, mentre la BC ha formato uno strato compatto sulla superficie delle pareti cellulari per tutto lo spessore dei campioni. Nonostante la BC sia penetrata con successo, la valutazione fisica dell'efficienza del trattamento ha mostrato che le nanoparticelle di cellulosa batterica non hanno prodotto un consolidamento soddisfacente del legno. Sulla base dei risultati riportati, sono stati messi a punti protocolli per ulteriori test. Tre oli essenziali (OE) (cannella, timo selvatico e timo comune) sono stati testati come biocidi alternativi. L'efficacia degli oli è stata inizialmente valutata in vitro in termini di minima concentrazione inibente (MIC) sulle spore fungine di quattro ceppi cellulolitici (Chaetomium sp., Fusarium sp., Aspergillus japonicus e Stachybotrys chartarum). Quindi, la loro attività biocida è stata testata sul micelio fungino degli stessi ceppi coltivati in piastra e sul microbiota presente nel legno archeologico e nell'acqua di conservazione. I risultati hanno mostrato che la concentrazione dell’1% può essere considerato la MIC per i tre oli. A questa concentrazione, gli OE consentono di ottenere una riduzione della vitalità di quasi il 100% sia sul micelio coltivato in piastra sia sul microbiota del legno imbibito. Anche se i risultati ottenuti per i tre oli sono molto simili, i valori migliori in tutti i test sono stati registrati per l'olio essenziale di cannella. In una seconda fase, questo olio è stato utilizzato come biocida durante il consolidamento di pali di legno archeologico imbibito recuperati dallo scavo dell'antico porto di Napoli. In questo test la riduzione di vitalità registrata variava tra il 99% e il 100%. L'efficacia degli oli è stata valutata quantificando l'ATP cellulare attraverso la bioluminescenza e studiando i cambiamenti prodotti nella composizione delle comunità batteriche e fungine attraverso il Next-Generation Sequencing (NGS).