Brunissement des vitraux médiévaux : approche biogéochimique pour la compréhension d'un phénomène d'altération complexe

Browning phenomenon of medieval stained-glass windows : biogeochemical approach for the understanding of a complex alteration phenomenon

• Auteur / Autrice : Valentina Valbi
• Direction : Stéphanie Rossano
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géomatériaux
• Date : Soutenance le 09/12/2020
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Géomatériaux et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne) - Laboratoire Géomatériaux et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne)
• Jury : Président / Présidente : François Guyot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphanie Rossano, Stéphane Gin, Céline Rommevaux, Bruno Lanson, Odile Majerus, Claudine Loisel, Aurélie Verney-Carron
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Stéphane Gin, Céline Rommevaux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microorganismes

Manganèse

Verre en décoration architecturale

Détérioration

Vitraux médiévaux

Mots clés libres

Verre

Micro-Organismes

Manganèse

Altération

Vitraux

Glass

Micro-Organisms

Manganese

Alteration

Stained-Glass

Résumé

Le phénomène de brunissement est une pathologie affectant les vitraux du Moyen-Age de composition silico-calco-potassique contenant du Mn. Il se traduit par l'apparition, en surface du verre, de taches brunes riches en Mn, qui entraînent une perte de transmission de la lumière et de lisibilité de l'œuvre.Des travaux antérieurs ont montré que ce brunissement est lié à l’oxydation du Mn qui passe de la forme Mn2+/3+ dans le verre sain à Mn3+/4+ dans les zones altérées. Cependant, les différentes étapes qui conduisent à la formation localisée de phases brunes, ainsi que le rôle potentiel des microorganismes dans l’apparition de la pathologie restent encore à déterminer. Une compréhension plus poussée de ce phénomène permettrait en effet d’envisager des traitements de conservation plus adaptés.Dans cette étude, l’identification par séquençage ADN des microorganismes cultivables présents sur trois sites de vitraux in situ a été réalisée. Les résultats indiquent que des populations riches et variées de microorganismes sont rencontrées sur ces vitraux.Afin d’étudier de manière ciblée la contribution microbiologique lors des différentes étapes de formation du brunissement, une approche mécanistique en deux étapes a été adoptée grâce à des expériences d’altération de deux verres modèles (verre VM avec Mn et verre VNM sans Mn). Tout d’abord, la dissolution du verre et le relâchement du Mn en solution ont été étudiés de façon abiotique (dans une solution d’EUP tamponnée et en milieu de culture stérile), biotique indirecte (en présence d’exsudats microbiens) et biotique directe (en présence de la souche modèle Pseudomonas putida). Les analyses des solutions révèlent que les cinétiques et la stœchiométrie de dissolution du verre sont influencées par la présence des exsudats et des cellules bactériennes. Les deux exsudats testés (acide oxalique et sidérophore DFOB) ont des effets différents sur la dissolution du verre dépendant de leurs capacités complexantes. Le verre VM est plus durable que VNM en EUP, mais au contraire il est plus impacté par la présence de ces ligands à cause de la complexation du Mn. Le Mn semble donc revêtir un rôle clé dans l’interaction indirecte verre-bactérie. En présence de P. putida, la stœchiométrie de dissolution du verre est principalement impactée par la production d’un sidérophore, la pyoverdine (PVD) qui complexe le Mn et enclenche le processus d’oxydation menant à la formation d’un biofilm contenant des oxydes de Mn. Réciproquement, le comportement des bactéries (croissance bactérienne, production de PVD et oxydation de Mn) est impacté par l’accès aux éléments du verre.Ensuite, la mobilité du Mn au sein de la couche d’altération et sa capacité de formation de phases brunes par voie abiotique (par expériences d’imbibition de verre altéré avec une solution riche en Mn) et biotique (par croissance de biofilm de Pseudomonas putida en surface du verre) a été étudiée. Des phases brunes ont été obtenues par voie abiotique et biotique et caractérisées par microscopie optique et électronique (MEB, MET) et par microsonde électronique. Dans les deux cas, elles présentent des caractéristiques physico-chimiques (enrichissement en Mn, caractère amorphe) similaires aux phases identifiées sur des vitraux anciens.La combinaison des résutlats obtenus au cours de ces différentes tâches a finalement permis de formuler différentes hypothèses, impliquant ou non des microorganismes, sur les mécanismes responsables de l’apparition du brunissement

The browning phenomenon is a pathology typical of medieval stained-glass windows of potash-lime-silica composition containing Mn. It is caused by the formation of Mn-rich brown spots at the glass surface that prevent light transmission.Previous works showed that the browning is linked to the oxidation of Mn from Mn2+/3+ in the pristine glass to Mn3+/4+ in the altered brown phases. This phenomenon is not understood yet, some studies suggested that Mn migration to the surface, oxidation and/or precipitation might be linked to biological activity. A better understanding of the phenomenon could allow the development of more targeted conservation treatments.In this study, microbiological samples were collected in situ on stained-glass windows and the cultivated microorganisms were identified. The DNA sequencing of the cultivable collected bacteria showed rich and diversified bacterial communities on in situ stained-glasses.Then, in order to improve the understanding of this phenomenon and investigate the implication of microorganisms, a mechanistic approach based on two main research axis was chosen and weathering experiments of model glasses (VM for glass with Mn and VNM for glass without Mn) representative of medieval stained glasses were designed.Firstly, glass dissolution and Mn leaching were studied in abiotic experiments (in buffered UPW solution and in sterile culture media),in biotic indirect (in presence of microbial exudates) and biotic direct (in presence of the model strain Pseudomonas putida) conditions. The analysis of the leachates showed that the stoichiometry and kinetics of glass dissolution were influenced by the presence of exudates and bacterial cells.The two studied exudates (oxalic acid and the siderophore DFOB) have different effects on glass dissolution, depending on their complexing abilities. The VM glass is more resistant to alteration in UPW when compared to VNM, but it is more significantly affected by the presence of organic ligands because of the complexation of Mn. Therefore, Mn seems to have a key role in the indirect interaction glass-bacteria.In presence of P. putida, the dissolution stoichiometry is mainly affected by the production of the pyoverdine (PVD) siderophore that forms a complex with Mn and starts the oxidation process that leads to the production of biofilm including Mn oxides. Bacterial behavior (bacterial growth, PVD production and Mn oxidation) is mutually affected by the access of the bacteirla cells to the glass elements.Then, Mn mobility through the alteration layer and its capability to form brown phases at the surface of the glass were investigated in abiotic (by imbibition experiments of Mn-rich solution on altered glass samples) and biotic (by biofilm growth of P. putida on glass surface) conditions.Brown phases at the surface of the glass were obtained via abiotic and biotic experiments and were characterized by optical and electronic (SEM, TEM) microscopy, and microprobe analysis. Both the abiotic and the biotic brown phases have common characteristics (Mn enrichment, amorphous state) with the brown phases identified on historical stained-glass samples.The confrontation of the results obtained during the different steps allowed to formulate several hypotheses about abiotic and biotic mechanisms leading to the browning of medieval stained-glass windows