La fluorescenza indotta da laser nei biodeteriogeni e la sua applicazione al telerilevamento lidar dei monumenti lapidei

 5
fenomeno attraverso la risposta in fluorescenza al fine, anche, di valutare le condizioni 
di vitalità delle alghe e dei cianobatteri. 
La seconda parte, dal capitolo 5 al capitolo 8, è dedicata alla presentazione degli 
obiettivi specifici di questo lavoro di tesi ed alla descrizione della strumentazione 
utilizzata. Nel capitolo 6 vi è una descrizione di insieme della strumentazione di 
laboratorio appositamente realizzata per questa indagine e l’analisi dei suoi singoli 
componenti, il laser, il sistema di analisi spettrale, l’interfaccia tra il campione e 
l’apparecchiatura. Il paragrafo conclusivo è dedicato alla funzione di trasferimento del 
sistema di ricezione ed analisi del segnale. L’errore sperimentale delle misure realizzate 
è riportato nel successivo capitolo 7. Il capitolo 8 è dedicato alle configurazioni 
operative della strumentazione utilizzate nelle misure e in esso sono presentate la 
calibrazione del sistema e la determinazione sperimentale della funzione di 
trasferimento e il relativo errore. 
La terza parte, capitoli 9, 10 e 11, è dedicata alle misure di laboratorio e alla loro 
interpretazione. Il capitolo 9 descrive le caratteristiche dei campioni analizzati: il 
supporto lapideo, i biodeteriogeni presenti ed infine i biocidi. Nel capitolo 10 sono 
descritte le metodologie utilizzate per l’analisi dei dati; l’attenzione maggiore è stata 
dedicata alla descrizione dell’analisi delle componenti principali, tecnica solo 
recentemente utilizzata in spettroscopia. Il capitolo 11 è dedicato alla presentazione 
delle misure di laboratorio ed è articolato in due parti: la prima mostra le applicazioni 
sul riconoscimento e sulla quantificazione dei biodetriogeni, la seconda è dedicata ai 
cambiamenti spettrali introdotti dall’azione dei biocidi. 
La quarta ed ultima parte è dedicata alle conclusioni.... 
 6
2 LA CONSERVAZIONE DEL PATRIMONIO ARTISTICO ED I 
BIODETERIOGENI 
Il patrimonio artistico è un bene primario della società poiché consente di tramandare la 
propria civiltà sia come testimonianza sia come concreto strumento per ogni ulteriore 
progresso. 
Numerose e di valore inestimabile sono le opere d’arte che le odierne generazioni hanno 
ereditato dal passato e alcune società contemporanee hanno le conoscenze scientifiche 
ed i mezzi, economici e tecnologici, necessari per affrontare il problema di una loro 
ulteriore conservazione. Le cause che ne compromettono la durata sono molto varie e 
tra queste vi è il degrado indotto dall’azione dei biodeteriogeni. 
2.1 L’azione dei biodeteriogeni sul patrimonio artistico 
Numerosi agenti naturali o antropici causano il deterioramento del patrimonio artistico 
fino alla completa distruzione di alcune opere. Gli agenti di origine biologica sono 
suddivisi in due categorie: a) organismi inferiori (batteri, alghe, licheni, funghi), b) 
organismi superiori (muschi, piante, insetti). Per le opere architettoniche, realizzate in 
materiali lapidei, i biodeteriogeni inferiori costituiscono il primo stadio del processo di 
deterioramento [Koestler et alii, 1997]. I biodeteriogeni inferiori causano sia immediati 
danni estetici, con una patina verde o bruno-arancione, sul monumento che un’azione 
indiretta, spesso sinergica con quella di altri agenti, di deterioramento. I biodeteriogeni, 
presenti nell’ambiente, si depositano sulle superfici lapidee radicandosi nelle piccole 
cavità. Lo sviluppo degli apparati con cui sono ancorati alle pietre disgrega gli strati 
superficiali del materiale permettendo quindi ad altri agenti di esplicare produttivamente 
la loro azione di degrado [Ortega-Calvo et alii, 1995]. 
Al contrario dei beni di ridotte dimensioni come, per esempio, i quadri e le statue, le 
 7
opere architettoniche non possono essere conservate in ambienti protetti. 
Lo sviluppo dei biodeteriogeni è diffuso sui monumenti di ogni continente ed è regolato 
sia dalle caratteristiche specifiche del monumento che dalle condizioni ambientali. La 
Tabella 2.I riporta un sommario della presenza dei biodeteriogeni inferiori su alcuni 
monumenti di varie nazioni [Ortega-Calvo et alii, 1995]. Tra gli organismi inferiori si 
sono osservate molte specie algali appartenenti ai diversi phylum e numerosi 
cianobatteri di differenti ordini. 
Monumento – località Nazione Supporto Biodeteriogeno 
Monumento Khmer 
Angor 
Cambogia Arenaria Cianobatteri, alghe verdi 
Sculture paleolitiche 
Angels sur l’Anglin 
Francia Calcare Cianobatteri 
Partenone 
Atene 
Grecia Marmo Cianobatteri, bacillariofiti 
Chiese e castelli 
varie località 
Irlanda Pietre 
Cianobatteri, alghe verdi, 
bacillariofiti 
Chiese e dimore romane 
numerose località 
Italia 
Pietre e pareti 
affrescate 
Cianobatteri, alghe verdi 
Cattedrali 
numerose località 
Spagna 
Granito, marmo, 
calcare e malte 
Cianobatteri, alghe verdi 
Malham Tarn House 
Yorkishire occidentale 
Regno Unito Arenaria e calcare 
Cianobatteri, alghe verdi, 
bacillariofiti 
Castillo de San Marcos 
St. Augustine 
USA Gesso e calcare Cianobatteri. bacillariofiti 
Tabella 2.I: esempi di biodeteriogeni trovati sui monumenti 
Tra i biodeteriogeni inferiori le alghe verdi e i cianobatteri sono i primi colonizzatori di 
una superficie poiché hanno bisogno esclusivamente dell’ossigeno, della luce e di pochi 
elementi minerali per svilupparsi [Tiano, 1991]. Per i cianobatteri, per esempio, sono 
sufficienti CO
2
, N
2
 e tracce di elementi naturali [Cecchi et alii, 1996 a]. La loro crescita 
causa un incremento di questi elementi e favorisce la fissazione di altri elementi (tra cui, 
per esempio, lo zolfo) che facilitano ulteriori fenomeni di degrado sia di origine 
biologica (altri organismi inferiori o organismi superiori) che chimica (solfatazione) 
[Ortega-Calvo et alii, 1995]. La disgregazione della pietra favorisce anche l’azione di 
agenti meccanici come il dilavamento e la frantumazione conseguente alle variazioni di 
volume dell’acqua nei passaggi tra gli stati liquido e solido.... 
 31
5 OBIETTIVI E METODO 
Il primo studio di laboratorio [Cecchi et alii, 1996 a] e l’esperienza in campo [Weibring 
et alii, 1997]  di applicazione delle tecniche LIF al telerilevamento dei biodeteriogeni 
sui monumenti ne hanno mostrata l’utilità e il vantaggio sostanziale rispetto alle altre 
metodologie di indagine. 
Un obiettivo dell’applicazione della LIF al controllo del patrimonio culturale è il 
riconoscimento dei biodeteriogeni presenti su una facciata monumentale e la loro 
quantificazione. I risultati debbono poi esser presentati in modo da risultare utilizzabili 
anche dagli operatori che non hanno una formazione scientifica. La trasformazione del 
prospetto in una mappa a falsi colori che evidenzi tipologie e quantità di biodeteriogeni 
presenti è un utile strumento per raggiungere questo obiettivo. La LIF può essere 
integrata con le tecniche tradizionali. Ad esempio le analisi di laboratorio di campioni 
raccolti da regioni immediatamente accessibili permettono l’identificazione del 
biodeteriogeno e le analisi LIF individuano quali altri punti della facciata presentano la 
stessa risposta.  
I principali parametri coinvolti in questi lavori sono: 
• le caratteristiche del materiale lapideo; 
• le caratteristiche dei biodeteriogeni presenti; 
• la quantità di biodeteriogeni presenti; 
• l’eventuale azione di sostanze biocide; 
• la presenza di eventuali trattamenti protettivi sul materiale lapideo. 
La finalità di questa tesi si inserisce in questo ambito. In particolare sono due gli aspetti 
del problema su cui si propone di fornire un contributo. Il primo è relativo al 
riconoscimento quantitativo e qualitativo dei biodeteriogeni. Il secondo è un primo 
approccio all’analisi dell’azione dei biocidi cercando di individuare anche quali sono le 
 32
loro modalità di azione e la relativa efficacia. Nel raggiungere questi obiettivi 
un’attenzione particolare è stata rivolta all’individuazione di tecniche che consentano 
una rapida presentazione dei risultati cercando anche di svincolare le informazioni sui 
biodeteriogeni da quelle del materiale lapideo su cui si sono sviluppati.  
L’argomento coinvolge, oltre alla fisica, anche altre discipline scientifiche come la 
biologia e la geologia. L’interpretazione dei risultati è quindi parziale ed è concentrata 
sugli aspetti fisici del problema. 
Questo lavoro, in dettaglio, analizza in laboratorio due biodeteriogeni provenienti da 
due statue marmoree, un’alga verde ed un cianobatterio. Per entrambi è stata studiata la 
riconoscibilità su un supporto lapideo di marmo dolomitico (bianco) in concentrazioni 
non visibili con una osservazione diretta, la reciproca distinzione, la relazione tra 
l’intensità della risposta e la concentrazione presente. Per entrambi è stata studiata 
anche l’azione di quattro biocidi, comunemente utilizzati nei trattamenti, osservando 
l’evoluzione della risposta di fluorescenza prima, durante e dopo lo svolgimento 
dell’azione stessa. 
Il progetto della strumentazione e l’assemblaggio dei componenti che la costituiscono è 
stato realizzato presso l’IROE-CNR "Nello Carrara" di Firenze dal laureando assieme 
alla collega Gaia Ballerini e con la collaborazione del personale dell’Istituto... 
 106
12 CONCLUSIONI E SVILUPPI FUTURI 
Le misure effettuate in laboratorio e la loro analisi consentono di trarre alcune 
conclusioni rispetto alla riconoscibilità dei biodeteriogeni sul marmo dolomitico, allo 
studio dell’azione dei biocidi sui biodeteriogeni e all’utilità dell’apparato sperimentale. 
Sia la presenza delle alghe verdi (Coccomyxa Sp.) che quella dei cianobatteri 
(Pleurocapsales Or.) può essere individuata mediante il telerilevamento della 
fluorescenza indotta da laser. L’analisi spettrale consente per confronto di distinguere 
tra i due biodeteriogeni come riportato nella figure dei paragrafi 11.1.2 e 11.1.3. Per le 
alghe verdi la minima quantità rilevabile è stata di 10
2
 cellule/cm
2
, per i cianobatteri di 
un ordine di grandezza superiore. È da rilevare che anche la massima concentrazione 
analizzata di 10
5
 cellule/cm
2
 non era comunque individuabile con l’osservazione visiva. 
La fluorescenza indotta da laser è quindi una tecnica che consente di individuare la 
presenza dei biodeteriogeni all’inizio del loro insediamento, ben prima che se ne 
possano vedere gli effetti e che il danneggiamento sia cospicuo. 
La presenza e la quantificazione dei biodeteriogeni è possibile anche senza conoscere la 
fluorescenza dello specifico supporto lapideo su cui essi si sono sviluppati. È 
sufficiente, infatti, disporre di uno spettro del medesimo materiale acquisito su una 
piccola regione priva di biodeteriogeni o appositamente ripulita. 
L’intensità complessiva misurata nella regione spettrale in cui i pigmenti fotosintetici 
emettono in fluorescenza e l’analisi mediante le componenti principali degli spettri 
permettono di effettuare una valutazione relativa delle quantità di biodeteriogeni 
presenti. Per le misure in campo la verifica quantitativa con tecniche classiche realizzata 
su parti accessibili del monumento permette di avere dei punti certi con cui tarare la 
scala relativa di valori ottenuti con il telerilevamento per il monumento oggetto 
dell’indagine. 
 107
La Figura 11.7 mostra la potenzialità che l’analisi mediante le componenti principali ha 
per la produzione di immagini a falsi colori da cui è possibile ricavare facilmente le 
informazioni sulla presenza e sulla quantità di biodeteriogeni. L’applicazione di questa 
tecnica ad un’intera facciata permette di creare una mappa che raffigura la quantità di 
biodeteriogeni presente.  
L’osservazione dei biodetriogeni prima e dopo l’azione dei biocidi permette di valutare 
se i biodeteriogeni siano ancora vitali o definitivamente morti, come mostrato nelle 
Figure 10.34 e 10.37 dove, per quelli morti, scompare la fluorescenza dei pigmenti. 
Questo risultato permette di stabilire se l’azione dei biocidi è conclusa e può iniziare 
l’intervento meccanico di asportazione. La riduzione del tempo in cui i biocidi 
permangono sul monumento è importante poiché la loro presenza prolungata può 
talvolta alterare l’aspetto e le proprietà delle pietre causando un danno al monumento 
anche se spesso inferiore a quello provocato dai biodeteriogeni. 
Lo studio delle modalità di azione dei biocidi permette di trarre delle prime conclusioni 
che debbono trovar conferme in ulteriori esperimenti anche con riscontri con gli studi di 
altre discipline scientifiche in questo settore. L’azione sulla fluorescenza dei pigmenti, e 
quindi sul processo di fotosintesi, è comunque ben rilevabile e mostra una forte 
dipendenza temporale. 
Questo lavoro ha comunque mostrato che il telerilevamento della fluorescenza indotta 
da laser è utilizzabile per indagare anche le modalità di azione dei biocidi stessi. 
L’analisi delle misure permette di osservare la diminuzione dell’attività fotosintetica dei 
biodeteriogeni e, quando interviene, la distruzione dei pigmenti. Per alcuni biocidi è 
possibile osservare un andamento intermedio in cui si ha una aumento dell’attività 
fotosintetica. Benzalconio cloruro e Metatin, sono, nell’ordine i due biocidi più rapidi 
nella loro azione, Diuron e Algophase i più lenti. Misure con una maggiore risoluzione 
temporale, per realizzare le quali è necessario modificare la strumentazione di 
 108
laboratorio, potrebbero fornire informazioni sui primi istanti di azione dei biocidi. 
Lo studio dell’applicazione del telerilevamento di fluorescenza al riconoscimento dei 
biodeteriogeni può essere ulteriormente sviluppato con esperimenti in campo per 
verificare l’effettiva utilità del metodo nelle analisi di ausilio per gli interventi di 
restauro e conservazione. 
Gli studi futuri dovrebbero svilupparsi in tre direzioni: 
• la messa a punto di tecniche di visualizzazione dei risultati, applicando la tecnica 
delle immagini a falsi colori all’intera facciata; 
• lo studio di altri ceppi di biodeteriogeni e la costruzione del relativo archivio 
spettrale affinché sia disponibile una più estesa banca dati che permetta il 
riconoscimento dei biodeteriogeni anche senza l’ausilio, come verifica, di alcuna 
tecnica classica; 
• la costruzione di un archivio spettrale dei substrati lapidei di modo che sia possibile 
conoscere il loro andamento spettrale indipendentemente dalla disponibilità di una 
sezione del monumento pulita.  
I risultati ottenuti costituiscono un primo importante passo per una approfondita 
conoscenza di tali processi. Gli studi successivi potranno essere condotti su materiale 
lapideo inoculato con i biodeteriogeni. Ciò al fine di controllare le eventuali 
modificazioni circa l’efficacia e i tempi di azione e per studiare le eventuali alterazioni 
del supporto lapideo dopo l’esecuzione della pulizia meccanica conseguenti sia alla 
presenza del biodeteriogeno sia alla operazione di soppressione e rimozione. I risultati 
ottenuti, relativi alle modificazioni dell’attività fotosintetica, della struttura dei pigmenti 
e delle membrane cellulari possono essere analizzati anche dal punto di vista dello 
studio biologico. In particolare dalla separazione dei due massimi della fotosintesi, con 
una dettagliata conoscenza dell’attività dei biocidi, purtroppo non ancora disponibile, 
sarebbe possibile verificare l’associazione del massimo a maggior lunghezza d’onda con 
 109
il primo fotosistema.  
L’apparato sperimentale realizzato si è dimostrato idoneo per compiere le ricerche 
progettate. La scarsa efficienza del rivelatore nella regione infrarossa dello spettro è 
stata il principale limite sperimentale. Un altro limite, rispetto allo studio delle modalità 
di azione dei biodeteriogeni, è stato la necessità di acquisire separatamente due 
intervalli spettrali al fine di osservare tutte le variazioni. 
L’utilizzo dell’analisi delle componenti principali, con lo sviluppo dell’algoritmo che 
permette di svolgere alcune considerazioni sull’andamento dell’errore, oltre all’utilità 
per indagare la presenza dei biodeteriogeni sui supporti lapidei è particolarmente 
interessante nello studio dell’azione dei biocidi. Le poche conoscenze sulle loro 
modalità di azione e la difficoltà di una diretta interpretazione degli spettri, a cui 
contribuiscono numerose e complesse molecole organiche, possono essere parzialmente 
superate proprio grazie a questo metodo che sfrutta le differenze tra gli spettri stessi. 
L’IROE-CNR “Nello Carrara” di Firenze ha in corso di realizzazione il FLIDAR4 che 
oltre agli studi di oceanografia può trovare applicazione anche in questo settore e, dopo 
un test preliminare questo inverno, la realizzazione, nella primavera, di una campagna 
di osservazione sul Duomo di Parma in collaborazione con il gruppo di ricerca 
dell’Atomic Physics Division del Lund Institute of Technology (Svezia) guidato dal 
professor Sune Svanberg.