Bioreceptivity of aerial lime mortars

Throughout the history of construction, nature has always found a way to reclaim and colonise human structures. This growth of biofilms has been termed biodeterioration and has been considered a serious problem in the conservation of built heritage and for the maintenance of civil architecture and structures. Research has been mainly focused on removing or preventing the growth of biofilms. Solutions such as manual cleaning, use of biocides and surface modification imply relevant costs and environmental impact for the maintenance, conservation, and restoration of the built environment. When studying biodeterioration it is important to investigate the so-called bioreceptivity of surfaces and materials in order to identify what kind of conditions favour biofilm growth. In relation to the field of the conservation of built heritage, studies are mainly focused on the bioreceptivity of stone materials, due to their relevance in monumental architecture and sculptures. However there is also a great amount of historic buildings realised with masonry and it is therefore important to investigate the bioreceptivity of materials like bricks, mortars and plasters. The main aim of this study was to define a methodology for the preparation of specimens for the study of the bioreceptivity of lime-based mortars. The present work was divided into three phases. The first phase focused on preparing samples on which a biofilm could grow. Some parameters like chemical composition, surface morphology, and pH affect the bioreceptivity so it is important to control them. The dimensions of the samples and design were strict constraints in consideration of bioreactor dimensions and geometry. The second phase involved the growth of the biofilm using PCC6803 cyanobacteria. The bioreactor used and the biocolonisation protocol are an adaptation of a previous study used for limestone[1]. It is also important to evaluate how the biofilm modifies surface characteristics and evaluate what is the impact in terms of protective or deteriorative actions. This part is addressed by the third and final phase by assessing the surface’s morphological, water absorption, and visual characteristics to note the changes the mortar undergoes after biocolonisation. Some techniques used are microscopy, colorimetry, water absorption, contact angle and FTIR to quantify these changes. During this thesis work, it was possible to colonise only a few specimens, therefore the presented results have to be considered preliminary. Obtained results suggest that PCC6803 cyanobacteria need a pH lower than 10 to grow and therefore full carbonation of specimens is required before inoculation of the bacteria. It appears also that carbonatic substrates such as limestones and lime mortars represent a much more favourable substrate for the growth of PCC6803 cyanobacteria than silicatic surfaces. An interesting effect that had been documented is that apparently the presence of the biofilm significantly reduces the absorption rate of liquid water. This work was carried out under the supervision of Prof.ssa Sara Goidanich. The biocolonisation was done in collaboration with Prof.ssa Federica Villa and Prof.ssa Francesca Capitelli from UniMi. PhD. Davide Gullota helped with the determination of the characterization techniques. Contact angle measurements were done with the assistance of Prof. Raffaella Suriano.

Nel corso della storia delle costruzioni, la natura ha sempre trovato un modo per riappropriarsi delle strutture umane colonizzandole. Questa crescita di biofilm è stata definita biodeterioramento ed è stata considerata un serio problema per la conservazione del patrimonio costruito e per la manutenzione dell’architettura civile. In passato la ricerca si è concentrata principalmente sulla rimozione o sulla prevenzione della crescita dei biofilm. Soluzioni come la pulitura manuale, l'uso di biocidi e la modifica delle superfici comportano costi e impatto ambientale rilevanti per la manutenzione, la conservazione e il restauro del costruito storico. Nello studio dei fenomeni di ricolonizzazione, un fattore di rilievo da studiare è la cosiddetta biorecettività delle superfici e dei materiali, per identificare quali condizioni favoriscono la crescita dei biofilm. Nel campo della conservazione del patrimonio costruito, gli studi si sono prevalentemente concentrati sulla biorecettività dei materiali lapidei, data la loro importanza nell'architettura monumentale e nelle sculture. Tuttavia, esiste anche una grande quantità di edifici storici realizzati in muratura ed è quindi importante indagare la bioricettività di materiali come mattoni, malte e intonaci. Lo scopo principale di questo studio è stato quello di definire una metodologia per la preparazione di campioni per lo studio della biorecettività delle malte a base di calce aerea. Il presente lavoro è stato suddiviso in tre fasi. La prima fase si è concentrata sulla preparazione di campioni su cui potesse crescere un biofilm. Alcuni parametri come la composizione chimica, la morfologia superficiale e il pH influenzano la biorecettività, per cui è importante controllarli. Le dimensioni dei campioni e il design sono stati vincolati dalle dimensioni e dalla geometria del bioreattore. La seconda fase ha riguardato la crescita del biofilm utilizzando i cianobatteri PCC6803. Il bioreattore utilizzato e il protocollo di biocolonizzazione sono stati adattati da uno studio precedente su pietra calcarea [1]. È inoltre importante valutare come il biofilm modifichi le caratteristiche della superficie e valutare quale sia l'impatto in termini di azioni protettive o di degrado. Questa parte viene affrontata nella terza e ultima fase, valutando le caratteristiche morfologiche, di assorbimento dell'acqua e visive della superficie per notare i cambiamenti che la malta subisce dopo la biocolonizzazione. Alcune tecniche utilizzate sono la microscopia, la colorimetria, l'assorbimento d'acqua, l'angolo di contatto e la spettroscopia FTIR. Durante questo lavoro di tesi è stato possibile colonizzare solo pochi campioni; pertanto, i risultati presentati devono essere considerati preliminari. I risultati ottenuti suggeriscono che i cianobatteri PCC6803 hanno bisogno di un pH inferiore a 10 per crescere e quindi è necessaria una carbonatazione completa dei campioni prima dell'inoculo dei batteri. Sembra inoltre che i substrati carbonatici, come le pietre calcaree e le malte di calce, rappresentino un substrato molto più favorevole alla crescita dei cianobatteri PCC6803 rispetto alle superfici silicatiche. Un effetto interessante che è stato documentato è che apparentemente la presenza del biofilm riduce significativamente il tasso di assorbimento dell'acqua in fase liquida. Questo lavoro è stato svolto sotto la supervisione della Prof.ssa Sara Goidanich. La biocolonizzazione è stata realizzata in collaborazione con la Prof.ssa Federica Villa e la Prof.ssa Francesca Capitelli di UniMi. Il Dr. Davide Gullota ha contribuito alla definizione delle metodologie e e delle tecniche di caratterizzazione. Le misure dell'angolo di contatto sono state effettuate con la supervisione della Prof.ssa Raffaella Suriano.