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

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 windowsLe 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 brunissemen

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

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 brunissementThe 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 window

Espaces de production et conditions de circulation des produits ferreux en Bourgogne Franche-Comté durant les âges du Fer et l'Antiquité: études physico-chimiques de la provenance des matériaux ferreux anciens

International audienceLe fer a eu un rôle de premier plan dans l'économie des sociétés anciennes. La zone occupée par l'actuelle Bourgogne-Franche-Comté a certainement joué un rôle central en Europe dans la production des produits en fer, comme en témoignent les grands districts sidérurgiques connus. Plus de 5000 amas de déchets, vestiges de l'emplacement d'ateliers de réduction sont ainsi connus, répartis au sein d’une dizaine de districts d’ampleur inégale. L'objectif du projet TerriFer est de restituer l'importance de l'exploitation sidérurgique en Bourgogne Franche-Comté de manière diachronique, en déterminant la localisation des ateliers, la qualité des matériaux exploités et les flux régionaux et extra-régionaux d'échanges. L’approche résolument interdisciplinaire associe télédétection aéroportée et au sol des sites archéologiques, caractérisation archéométrique multi méthode des matériaux, histoire des techniques et analyse des territoires. L'association de ces compétences alimente trois axes: l’axe 1 « Territoires sidérurgiques »: pour étudier la dynamique d'implantation des lieux de production du fer dans leur environnement, l’axe 2 « Techniques et savoir-faire »: pour restituer les techniques, et préciser les volumes de métal en circulation à travers des analyses de rendement, l’axe 3 « Economie du fer »: pour restituer les flux dans la circulation des matériaux ferreux au travers d'analyses de provenance.L’axe 3 a notamment comme objectif d’appliquer des méthodologies d’étude de filiation minerai-scorie-objet en fer de manière systématique à l'échelle de la Bourgogne Franche-Comté en couplant études techniques et de provenance. Un corpus d'objets cohérent d'un point de vue fonctionnel (demi-produits, chutes de travail) et chronologique a été sélectionné. L'ensemble de ces objets en fer constitue un corpus d'ampleur inédite pour appréhender la circulation des métaux à l'échelle régionale. Ces objets proviennent dans un premier temps de sites majeurs pour la région (Bibracte, Alésia pour la fin de l'âge du fer et l'Antiquité, grandes agglomérations romaines), ayant pu jouer le rôle de centres économiques. L’approche se base sur la comparaison des caractéristiques chimiques des espaces de réduction (chimie des scories collectées sur les ateliers), avec la signature chimique des inclusions de scories présentes au sein de la matrice métalliques d'objets en fer. L’analyse des matériaux ferreux est au centre de cet axe et passe par la détermination de leur qualité en se basant sur l’étude de la répartition d’inclusions de différentes natures et l’identification d’éventuels emplacements de soudures. Pour les objets en métal, dans un premier temps les techniques de fabrication sont déterminés, en se basant sur des approches typologiques et métallographiques. Ensuite, les inclusions siliceuses des objets en fer sont analysées par MEB-EDS afin de doser les composés majeurs. Cela permet de distinguer parmi les quelques milliers d’inclusions détectées en cartographiant la surface du métal, celles qui sont issues de l’étape de réduction (et donc porteuses de l’information de provenance), de celles ajoutées durant la phase de post-réduction (Dillmann, L’Héritier 2006, Disser 2014). L’ensemble des inclusions analysées sont prises en compte et leur cohérence de composition est vérifiée en combinant l’étude des rapports des composés non réduits (NRC – Dillmann, L’Héritier 2007) à partir de représentations bivariées et les traitements statistiques multivariés de type analyse en composante principale (Disser 2014, Charlton et al. 2012). Dans un deuxième temps, les inclusions porteuses de l’information de provenance ainsi identifiées sont analysées par LA-ICP-MS afin de déterminer les éléments en traces (généralement Ce, Eu, Gd, Hf, La, Nb, Nd, Pr, Sm, Ta, Tb, Th, U, Y, Yb). Le grand nombre d’observations et d’éléments dosés nécessite une approche statistique des données visant à comparer la composition chimique des objets entre eux, puis en prenant en compte les espaces de réduction de référence (Charlton et al. 2012, Leroy et al. 2012, Disser et al. 2017, Dillmann et al. 2017, Leroy et al. 2017 ; Hendrickson, Leroy 2020). Elle associe analyse en composante principale basée sur les coefficients de corrélation de Pearson et classification ascendante hiérarchique.Cette approche a permis de relier la composition chimique des objets étudiés à celles d’espaces de production définis par des contextes techniques, des minerais et des déchets scoriacés. Sur la base de ces travaux il est à présent possible de restituer de manière plus précise la circulation des matériaux et ainsi les flux d'échanges au sein de l’actuelle région Bourgogne Franche-Comté

Iron circulation in Roman Northern France: new insights from the TerriFer project

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Espaces de production et conditions de circulation des produits ferreux en Bourgogne Franche-Comté durant les âges du Fer et l’Antiquité: études physico-chimiques de la provenance des matériaux ferreux anciens

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Impact of a Mn-oxidizing bacterial strain on the dissolution and browning of a Mn-bearing potash-lime silicate glass

Abstract This work aims to investigate the role played by a model Mn-oxidizing bacterial strain and its exudates on the alteration of Mn-bearing potash-lime silicate glasses representative of medieval stained glass windows. Two model glasses, with or without manganese, were prepared and used for abiotic and Pseudomonas putida inoculated dissolution experiments. Results show that the presence of P. putida slows down the dissolution kinetics while changing the dissolution stoichiometry. In biotic experiments, the acidification of the solution at the beginning of the experiment favors the release of K. After a few days, a drop in Mn and P in solution is observed, retained by bacterial cells. Reciprocally, the amount of glass influences bacterial behavior. The more glass, the faster the bacterial population increases in size and produces siderophore. In the presence of the Mn-bearing glass, siderophore production is followed by the formation of brown phases, identified as Mn oxides

MiCorr application: a new support for the study of corrosion forms on ancient metal artifacts

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MiCorr, a transdisciplinary tool for the documentation and diagnosis of corrosion forms on heritage metal artefacts : building bridges between conservation professionals and materials scientists

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MiCorr application: a new support for the study of corrosion forms on ancient metal artifacts

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