Biodeterioration in cultural assets: fungal contamination assessment in art objects and documents

Abstract

Historical and cultural items of our cultural heritage are stored, gathered, studied and restored in archives and museums, with the main objective of their preservation and protection. Fungal contamination inside the repositories represents a great challenge for scientists and restorers once it compromises not only the affected objects, as well as the storage environments and consequently the health of these professionals. This multidisciplinary thesis addresses the risk assessment of fungal contamination in different affected objects, inside these repositories. The main objectives of this thesis were: 1) To determine the importance of fungi as biodeterioration agents in archive and museum environments; 2) To analyze different affected art objects and documents by implementing different methods for fungi identification; 3) To determine the possible consequences and risks associated with the identified fungal species; 4) To contribute to better preserve cultural heritage inside archives and museums’ indoor environments. This multitasked research begins with the study of the fungal diversity in eighty different parchment documents, belonging to five different collections, from the “Arquivo da Universidade de Coimbra”. Molecular methods complemented with morphological identification were applied to identify all fungal organisms. In total, 230 isolates, belonging to 22 different genera and 42 different species, were obtained. The most frequent species were Alternaria alternata, Aureobasidium pullulans, Cladosporium cladosporioides, Epicoccum nigrum, Penicillium citrinum, P. glabrum and P. spinulosum. The Shannon-Wiener index was calculated for fungal diversity. A low species diversity was found in all parchments collections. Also, a Linear Model Regression analysis was calculated between the age of the documents, the number of species and number of isolates, confirming that time is significantly associated with species diversity; older collections generally presented a higher number of fungal isolates. Art repositories are considered appropriate storage rooms for the preservation of artwork. Nevertheless, the presence of fungal colonies was unexpectedly detected on wooden sculptures and paintings that were deposited inside the repository of the “Museu Nacional de Machado de Castro”. In order to find a possible origin of the repository’s contamination, spoiled art objects were sampled for fungal isolation and identification, along with seasonal indoor air sampling, for a one-year period. Molecular biology and morphological observation methods were used for the identification of fungal organisms. The species Aspergillus versicolor, Chaetomium globosum, Penicillium copticola, P. citrinum, Phlebiopsis gigantea and Pithomyces chartarum were isolated from wooden sculptures and paintings, and were also found in air-sampling isolates. The co-occurrence of the same fungal species in artworks and in air samples is demonstrative of cross-contamination. Although the number of airborne CFU was considerably low in all seasons, some fungal species with known biodeterioration capability and adverse human health effects were found. In light of this study, preventive measures are advised and considerations are made to apply potentially more effective approaches. Fungal stains affecting paper documents and artwork represent a challenge to conservators worldwide and, to achieve effective cleaning treatments, the identification of the causative fungal species and respective colorants is paramount. An association between specific fungal stains and fungal species was intended. Twenty-three stains from three paper documents were sampled. In situ observation of fungal structures with optical and scanning electron microscopy was compared with the identification of collected samples by molecular biology tools. Correlations between the applied methodologies were achieved, varying from 13% to 64% of the samples within the three studied documents. Black and dark brown stains were associated with Chaetomium globosum, C. murorum, Penicillium chrysogenum, P. commune, Myxotrichum deflexum and Stachybotrys chartarum. Eurotium rubrum was isolated from a foxing stain and Penicillium citrinum was identified on light orange stains. As little information about the fungal communities was obtained in the former study with culture-based methods, next-generation sequencing (NGS) was for the first time applied in canvas artwork, to deeply evaluate the fungal biodiversity in a very famous painting by the artist Paula Rego. Optical and Scan Electron Microscopy were used to visualize suitable sampling points. In order to prevent any damage to the support, a non-invasive sampling method was developed to collect mycobiota by soft aspiration. Using NGS with Illumina platform, high values of fungal diversity were obtained, mainly in the points with greater contamination. The most representative orders were Capnodiales, Eurotiales, Hypocreales, Russulales and Sporidiobolalles. Genera such as Aspergillus, Candida, Cladosporium, Penicillium, Tolypocladium, Rhodotorula, Stereum or Tricholoma were identified in the DNA samples. High-throughput sequencing by Illumina coupled to non-invasive sampling allowed the identification of a complex fungal community. The information provided in this thesis contributes to overcome fungal contamination in archives and art repositories assets’, considering the development of appropriate preventive measures, and for future research on cultural heritage conservation.

Os objetos históricos e culturais do nosso património cultural são armazenados, reunidos, estudados e restaurados em arquivos e museus, com o principal objetivo da sua preservação e proteção. A contaminação por fungos dentro dos seus repositórios representa um grande desafio para cientistas e restauradores, uma vez que compromete não só os objetos afetados, como também os ambientes de armazenamento e consequentemente a saúde desses profissionais. Esta tese multidisciplinar aborda a avaliação de risco de contaminação fúngica em diferentes objetos afetados, dentro desses repositórios. Os principais objetivos desta tese foram: 1) Determinar a importância dos fungos como agentes de biodeterioração em ambientes de arquivo e museu; 2) Analisar diferentes objetos e documentos de arte afetados, implementando diferentes métodos para identificação de fungos; 3) Determinar as possíveis consequências e riscos associados às espécies fúngicas identificadas; 4) Contribuir para preservar melhor o património cultural dentro dos ambientes interiores dos arquivos e museus. Esta investigação multidisciplinar começa com o estudo da diversidade fúngica em oitenta documentos de pergaminho, pertencentes a cinco coleções, do Arquivo da Universidade de Coimbra. Foram aplicados métodos moleculares complementados com identificação morfológica, para identificar todos os organismos fúngicos. No total foram obtidos 230 isolados, pertencentes a 22 géneros e 42 espécies diferentes. As espécies mais frequentes foram Alternaria alternata, Aureobasidium pullulans, Cladosporium cladosporioides, Epicoccum nigrum, Penicillium citrinum, P. glabrum e P. spinulosum. Foi calculado o índice de Shannon-Wiener para a diversidade fúngica. Foi encontrada uma baixa diversidade de espécies em todas as coleções de pergaminhos. Além disso, foi calculada a Regressão Linear entre a idade dos documentos, o número de espécies e o número de isolados, confirmando assim que o tempo está significativamente associado à diversidade de espécies; coleções mais antigas apresentaram geralmente um maior número de isolados fúngicos. Os repositórios de arte são considerados salas de armazenamento adequadas para a preservação de obras de arte. No entanto, a presença de colónias de fungos foi inesperadamente detetada em esculturas de madeira e pinturas, depositadas na reserva do Museu Nacional de Machado de Castro. A fim de encontrar uma possível origem da contaminação, os objetos de arte danificados foram amostrados para isolamento e identificação de fungos, juntamente com a amostragem de ar sazonal em ambiente fechado, por um período de um ano. Métodos de biologia molecular e observação morfológica foram utilizados para a identificação de organismos fúngicos. As espécies Aspergillus versicolor, Chaetomium globosum, Penicillium copticola, P. citrinum, Phlebiopsis gigantea e Pithomyces chartarum foram identificadas em esculturas e pinturas de madeira e também em isolados do ar. A co-ocorrência de espécies de fungos em obras de arte e em amostras de ar é demonstrativa de contaminação cruzada. Embora o número de CFU no ar tenha sido consideravelmente baixo em todas as estações, foram encontradas algumas espécies com conhecida capacidade de biodeterioração e com efeitos adversos para a saúde humana. À luz deste estudo, são aconselhadas medidas preventivas e são feitas considerações para aplicar abordagens potencialmente mais eficazes. As manchas de fungos que afetam documentos em papel e obras de arte representam um desafio para conservadores em todo o mundo e, para obter tratamentos de limpeza eficazes, a identificação das espécies fúngicas e dos respetivos corantes é fundamental. O principal objetivo foi associar a cada mancha as respetivas espécies de fungos. Vinte e três manchas de três documentos em papel foram amostradas. A observação in situ das estruturas fúngicas, com recurso a microscópio ótico e microscópio eletrónico de varrimento, foi comparada com a identificação realizada por técnicas de biologia molecular nas amostras recolhidas. Foram obtidas correlações entre a observação in situ e os isolados fúngicos identificados para 13% a 64% das amostras. As manchas negras e de tom castanho-escuro foram associadas às espécies Chaetomium globosum, C. murorum, Penicillium chrysogenum, P. commune, Myxotrichum deflexum e Stachybotrys chartarum. A espécie Eurotium rubrum foi isolada de uma mancha de foxing e a espécie Penicillium citrinum foi identificada em manchas de tom laranja claro. Como foram obtidas poucas informações sobre as comunidades fúngicas no primeiro estudo com métodos de cultura, aplicou-se next-generation sequencing (NGS) pela primeira vez em pintura de tela, para avaliar a biodiversidade dos fungos numa obra da artista Paula Rego. Utilizou-se microscopia ótica e eletrónica de varrimento para visualizar pontos de amostragem adequados. A fim de evitar qualquer dano ao suporte, um método de amostragem não invasivo foi desenvolvido para recolher micobiota por aspiração suave. Usando NGS com a plataforma Illumina, foram obtidos valores elevados de diversidade fúngica, principalmente nos pontos com maior contaminação. As ordens mais representativas foram Capnodiales, Eurotiales, Hypocreales, Russulales e Sporidiobolalles. Géneros como Aspergillus, Candida, Cladosporium, Penicillium, Tolypocladium, Rhodotorula, Stereum ou Tricholoma foram identificados nas amostras de DNA. A sequenciação de alto rendimento com Illumina acoplado a amostragem não invasiva permitiu a identificação de uma comunidade fúngica complexa. As informações fornecidas nesta Tese contribuem para superar a contaminação fúngica em arquivos e repositórios de arte, considerando o desenvolvimento de medidas preventivas adequadas e para futuras pesquisas sobre conservação do património cultural.