Détérioration des parchemins liée aux facteurs environnementaux : étude physico-chimique

• Auteur / Autrice : Raffaela Ceccarelli
• Direction : Giuseppe Della Gatta, Bernard Bodo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences chimiques
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Paris, Muséum national d'histoire naturelle en cotutelle avec Università degli studi di Torino
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la nature et de l'Homme - Évolution et écologie (Paris1995-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bertrand Lavédrine, Alberto Schiraldi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Martine Regert, Maria Letizia Sebastiani

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polluants organiques persistants

Spectrométrie de masse

Spectroscopie infrarouge

Chimie analytique

Conservation

Détérioration

Parchemin

Résumé

This thesis was completed in co-tutoring between the Università degli Studi di Torino (Dipartimento di Chimica IFM), and the Muséum National d'Histoire Naturelle of Paris (Centre de Recherche sur la Conservation des Documents Graphiques) supported by the Université Italo-Française. Its aim was to reach a better understanding of the processes damaging parchments through the study of the effect of environmental deterioration factors. This thesis was carried out within the compass of the European IDAP project (Improved Damage Assessment of Parchments). Deterioration of collagen, by far the main component of parchment, was studied in the first part of the work by measuring the changes in its thermal stability. Both DSC analysis of collagen thermal denaturation and TG measurements were performed on new parchments (taken as reference), then subjected to artificial ageing, and ancient parchments from libraries and archives. Results were used to evaluate the damage level of parchments by considering two criteria: a) variation of thermodynamic parameters obtained from the analysis of collagen denaturation DSC peaks as a consequence of the ageing treatment; b) presence of other DSC peaks, in addition to the main one, caused by further degradation in collagen structure. Dry heat and pollutants commonly present in urban atmosphere (SO2 and NOx) proved to be the main damaging factors, especially if their effects are combined. Besides, a protocol for the classification of damage level of ancient parchments was derived from the most substantial changes provoked by artificial ageing. A deeper study on the effect of nitrogen oxides NOx showed they react with water present in parchments and form species such as NO2¯ and NO3¯. The chemical species thus generated react by hydrolysing and oxidizing both main collagen chains and side chains of amino acids. These hypotheses were confirmed by the ESI-MS study of models proteins, such as lysozyme and bovine serum albumine (BSA), exposed to high levels of NOx. Mass spectrometry showed that these proteins give rise to ionic interactions with NO3¯ (with NO2¯, only in few cases), and that new species of higher and lower masses are formed as a consequence of oxidation and hydrolysis. Results of infrared spectroscopy showed that the behaviour of these model systems is quite similar to that of collagen in parchment. Lastly, analysis of NOx exposed amino acids allowed us to identify some main degradation products, such as methionine sulfoxyde and methionine sulfone derived from methionine oxidation, and the nitrotyrosine derived from tyrosine nitration whereas amino acids as glycine and proline were not influenced. Nitrotyrosine has proved capable of acting as a specific marker of deterioration induced by NOx.

Cette thèse a été menée au Centre de Recherche sur la Conservation des Documents Graphiques et au Département de Chimie IFM sous la co-tutelle du Muséum National d'Histoire Naturelle et de l'Université de Turin promue par l'Université Italo-Française. Son sujet porte les processus de dégradation des parchemins par l'étude de l'effet des facteurs environnementaux de détérioration. Cette thèse a été développée dans le cadre du projet européen IDAP (Improved Damage Assessment of Parchments). Dans la première partie, la détérioration des parchemins a été évaluée par la mesure de paramètres thermodynamiques relatifs à la dénaturation thermique du collagène, constituant essentiel du parchemin. Les mesures ont été effectuées avec la DSC et la TG, sur des parchemins témoins neufs, des échantillons soumis à des vieillissements artificiels, et des parchemins anciens provenant de centres d'archives et bibliothèques. Le niveau de détérioration des parchemins a pu ainsi être évalué sur la base de deux critères: a) la variation des paramètres thermodynamiques du pic DSC de dénaturation thermique du collagène; b) la présence d'autres pics DSC au-delà du pic principal, dus à la dégradation de la structure du collagène. Cela a permis d'établir que la chaleur sèche et les polluants présents habituellement dans l'atmosphère urbaine (SO2 et, surtout, NOx) sont les principaux facteurs de détérioration, avec un effet beaucoup plus marqué quand ces facteurs sont couplés. Enfin, en comparant les résultats obtenus pour les parchemins vieillis artificiellement, on a réalisé une classification du niveau de dégradation des parchemins anciens. Une étude plus approfondie sur l'effet des oxydes d'azote NOx a montré qu'ils réagissent avec l'eau présente dans les parchemins en formant des espèces comme NO2¯ et NO3¯. L'ensemble des espèces présentes agit en hydrolysant et en oxydant le collagène, au niveau des chaînes principales et au niveau des chaînes latérales des acides aminés. Ces hypothèses ont été confirmées par l'étude en ESI-MS de protéines modèles, comme le lysozyme et la bovine serum albumine (BSA), exposées à des concentrations élevées de NOx. La spectrométrie de masse a montré que ces systèmes développent des interactions ioniques avec NO3¯ (et parfois avec NO2¯), et qu'il se forme aussi de nouvelles espèces dues à l'oxydation et à l'hydrolyse. Les résultats de spectroscopie infrarouge ont montré que le comportement des protéines modèles est très similaire à celui des parchemins. Enfin, des analyses effectuées sur des acides aminés exposés aux NOx ont permis d'identifier comme principaux produits de dégradation les espèces issues de l'oxydation de la méthionine (méthionine sulfoxyde et méthionine sulfone) et de la nitration de la tyrosine (nitrotyrosine). Les autres acides aminés comme la glycine ou la proline ne sont pas modifiés. La nitrotyrosine peut être choisie comme marqueur spécifique de la dégradation induite par NOx.

La tesi è stata sviluppata presso il Centre de Recherches sur la Conservation des Documents Graphiques e il Dipartimento di Chimica IFM, secondo un accordo di co-tutela tra l'Università degli Studi di Torino e il Muséum National d'Histoire Naturelle promosso dall'Università Franco-Italiana. L'obiettivo è stato l'approfondimento della conoscenza dei processi di danneggiamento delle pergamene attraverso lo studio dell'effetto dei fattori ambientali di deterioramento. La tesi è stata svolta in collaborazione con il progetto europeo IDAP (Improved Damage Assessment of Parchments). Nella prima parte del lavoro, il deterioramento delle pergamene è stato determinato tramite la misura di parametri termodinamici relativi alla denaturazione termica del collagene, che rappresenta il costituente pressoché esclusivo della pergamena. Le misure sono state effettuate mediante DSC e TG utilizzando sia pergamene nuove (come riferimenti), in seguito sottoposte a procedimenti di invecchiamento accelerato, sia pergamene antiche provenienti da archivi e biblioteche. I risultati hanno consentito di valutare il livello di deterioramento delle pergamene in base a due criteri principali: a) variazione dei parametri termodinamici ottenuti dal picco DSC di denaturazione termica del collagene in conseguenza dei trattamenti di invecchiamento; b) presenza di altri picchi DSC, oltre quello principale, dovuti a particolari danni subiti dalla struttura del collagene. Il calore secco ed i comuni inquinanti presenti nelle atmosfere urbane (SO2 e NOx) sono risultati i principali fattori di deterioramento, il cui effetto aumenta se i vari fattori sono combinati tra loro. E' stata inoltre elaborata una classificazione del livello di degrado delle pergamene antiche in base al confronto con i risultati ottenuti con le pergamene invecchiate artificialmente. Uno studio più approfondito sull'effetto di NOx ha dimostrato che gli ossidi di azoto reagiscono con l'acqua presente nelle pergamene formando specie come NO2¯ e NO3¯. L'insieme delle specie chimiche presenti agisce idrolizzando e ossidando il collagene a livello della catena principale e delle catene laterali degli amminoacidi. Tali ipotesi sono state confermate attraverso lo studio ESI-MS di proteine modello, quali il lisozima e la bovine serum albumine (BSA), esposte ad alte concentrazioni di NOx. La spettrometria di massa ha mostrato che tali proteine stabiliscono interazioni ioniche con NO3¯ (e a volte con NO2¯), e che si formano nel contempo nuove specie a massa superiore e inferiore dovute all'ossidazione e all'idrolisi. I risultati in spettroscopia IR hanno posto in evidenza che il comportamento dei sistemi modello è analogo a quello delle pergamene. Infine, le analisi effettuate su amminoacidi esposti a NOx hanno permesso di individuare, come principali effetti del degrado, specie derivanti dall'ossidazione della metionina (metioninsulfone e metioninsulfossido) e dalla nitrazione della tirosina (nitrotirosina), mentre amminoacidi come glicina e prolina sembrano non essere influenzati. La nitrotirosina ha dimostrato di poter essere scelta come marker per il deterioramento indotto da NOx.