Marchioro Giacomo MTR.818692
LA DECOMPOSIZIONE DEL LEGNO:MECCANISMI E PROCESSI COINVOLTI
NELL'EVOLUZIONE DELLA BIODEGRADAZIONE DELLA LIGNINA
anno accademico 2010/2011 ABSTRACT Lo studio sulla prevenzione
di attacchi bio-deteriogeni nelle opere lignee da sempre ricopre
un'ampia parte della letteratura dedicata alla conservazione ed al
restauro. Il legno, sopratutto alcune sue componenti, sono
termodinamicamente molto stabili: il loro degrado chimico fisico
avrebbe una cinetica molto bassa se non intervenissero una serie di
microorganismi che ne accelerano il degrado. In questo
approfondimento tuttavia si voluto anche accentuare l'importanza di
questi organismi che grazie alla loro azione evitano l'accumularsi
di spropositate quantit di questo materiale in natura. La
digestione della lignina, infatti, necessita di una serie di
reazioni a cui la biochimica degli agenti xilofagi pi evoluti molto
spesso non riesce a far fronte. Sono quindi presenti in natura
diversi tipi di endosimbiosi tra alcuni insetti con dei batteri e
addirittura tra questi ultimi ed altri batteri. Con il seguente
lavoro si voluto mettere in evidenza il ruolo che questi
microorganismi svolgono nel ecosistema e presentare delle
riflessioni sulla loro importanza e la loro origine. Uno dei fini
di questa ricerca stato di capire quanto tempo l'ecosistema ha
impiegato ( e quindi potrebbe impiegare...) per sviluppare una
serie di processi capaci di bio-degradare una sostanza
precedentemente non presente nell'ecosistema stesso. Analizzando
l'evoluzione degli organismi correlati al ciclo del legno si voluto
inoltre vedere se ci fosse una correlazione tra la formazione dei
grandi depositi nel crabonifero e la mancanza di un ecosistema
capace di degradare il legno. Anche l'approccio con cui si voluto
trattare l'argomento segue la logica evoluzionistica: cominciando
con l'analizzare i fattori di degrado chimico-fisici legati al
ambiente (atmosfera, suolo...) per poi passare al degrado micorbico
e fungino fino a quello degli organismi pi evoluti. Analizzando
tutti gli aspetti del ciclo del legno si sono dunque delineate: le
principali competenze per poter analizzare nel suo complesso il
fenomeno degradativo delle modalit per intervenire su un oggetto
affetto da problematiche concerni al biodeterioramento delle
considerazioni sull'evoluzione del ciclo del legno delle
considerazioni sulla durabilit in relazione al patrimonio
artistico
CENNI SULLA CHIMICA E LA STRUTTURA DEL LEGNO Il legno
principalmente composto da polisaccaridi (cellulosa, emicellulosa,
e pectine che insieme formano l'olocellulosa ) da lignina (20-40%),
proteine (< 10%) e da composti inorganici (< 1%). Le cellule
che costituiscono il legno maturo sono allungate longitudinalmente
e prendono il nome di fibre. Mentre le fibre esterne trasportano i
nutrienti le fibre interne generalmente non prendono parte ai
processi vitali dell'albero e svolgono esclusivamente una funzione
di sostegno. Quest'utlimo tipo di fibre nel suo complesso prende il
nome di durame in quanto la parte pi durabile. E' bene ricordare
che la durabilit nell'ambito della merceologia del legno molto
spesso si riferisce specificatamente alla capacit potenziale di un
legname di resistere agli organismi xilofagi (funghi, insetti...).
La durabilit del durame imputabile, in parte, agli estrattivi
(polifenoli,tannini, stilbeni: sostanze tossiche per la maggior
parte degli organismi) che in alcune specie ne ricoprono o
impregnano le pareti cellulari conferendo loro una particolare
resistenza agli attacchi biodeteriogeni. Inoltre, il durame,
essendo la parte pi vecchia della pianta ha subito un processo di
lignificazione maggiore. Si ritiene che la lignificazione,
impermeabilizzando la parete, contrasti la penetrazione della
parete cellulare da parte di enzimi coinvolti nella digestione, a
ci si aggiunge che: alcuni precursori della lignina (come l'alcol
coniferilico e i radicali liberi) possono essere tossici per gli
agenti patogeni [2], e che le ife dei fungi parassiti possono
essere a loro volta lignificate [3]. Il legno si presenta quindi
come un materiale eterogeneo: la parte esterna dove si svolgono le
principali funzioni vitali anche la parte pi esposta al degrado una
volta che la pianta cessa il suo ciclo vitale, formata in
prevalenza da polisaccaridi, composti idrofili facilmente
attaccabili, e solo in concomitanza con la maturazione del legno si
intensifica il processo di lignificazione. La lignina rende le
pareti cellulari pi idrofobiche (anche se alcuni autori tendono a
definire la lignina come un polimero polare che non impermeabilizza
la parete [7] ), creando un ambiente meno permeabile a soluzioni
acquose ma con molta affinit con i comuni estrattivi che in genere
sono composti apolari e aromatici. Quando la pianta viene tagliata
l'alburno, la parte esterna del tronco, rimarr dunque non
lignificata ed esposta agli attacchi degli agenti xilofagi a
prescindere dalla stagionatura. In questo approfondimento ci
limiteremo a suddividere le specie di piante nelle due grandi
famiglie le gymnosperme ovvero le conifere (softwood) e le
angiosperme (hardwood) senza entrare nei dettagli. IL DEGRADO
CHIMICO-FISICO AMBIENTALE DELL'OLOCELLULOSA Dal punto di vista
strettamente chimico i polisaccaridi, sono i pi degradabili.
L'idrolisi, sia acida che basica della cellulosa, non avviene
facilmente alle normali condizioni ambientali, solo un tipo di
idrolisi conosciuta con il nome di peeling off non necessit di
condizioni drastiche e pu avvenire a temperature inferiori ai 100
gradi centigradi. In natura un degrado chimico della cellulosa non
sarebbe favorito se non subentrassero altri fenomeni di tipo
chimico fisico in grado di coadiuvarlo. L'ossidazione della
cellulosa agisce prevalentemente sull'estremit riducente delle
catene. Ma pu anche procedere su i gruppi ossidrilici secondari.
Ossidando questi, sopratutto quelli relativi al C-6, C-3, C-2, si
aumentano notevolmente i fenomeni di degrado cellulosico per via
idrolitica (sia acida che basica). Il degrado chimico fisico della
cellulosa in parte contrastato dalla struttura microcristallina di
quest'ultima, tuttavia a seguito dell'esposizione di queste
strutture a soluzioni polari la cellulosa si rigonfia permettendo
una maggiore attivazione nei confronti degli agenti chimici.
Soluzioni saline in particolare aumentano il rigonfiamento
scindendo con pi facilit i legami intermolecolari che permettono il
mantenimento della struttura microcristallina con la conseguente
compattezza che non permette ai reagenti chimici (e microorganismi)
di penetrarvi. In definitiva il degrado chimico-fisico della
cellulosa, alle normali condizioni ambientali, non pu competere
rispetto al degrado biologico-enzimatico di quest'ultima da parte
di microorganismi. Tuttavia la struttura chimica delle componenti
polisaccaridi, avendo un alta affinit con l'acqua, a seguito di
continui cicli di imbibizione ed essiccazione pu risultarne
gravemente compromessa. Il rigonfiamento infatti aumenta la
superficie attiva permettendo la penetrazione dei reattivi chimici
ed incrementandone gli effetti. Il materiale che si forma a seguito
di questi processi chimici gi
quindi in parte decoeso e depolimerizzato. I polimeri e gli
oligomeri polisaccaridi formano quindi un ambiente favorevole sia
per lo sviluppo e la proliferazione della flora batterica sia per
un ulteriore attacco chimico. Se nell'atmosfera dei nostri giorni
il degrado chimico fisico della cellulosa ha un ruolo minore
rispetto a quello enzimatico-microbiologico non bisogna escludere
che il primo possa avere avuto un ruolo predominante in altre
epoche geologiche . IL DEGRADO CHIMICO-FISICO AMBIENTALE DELLA
LIGNINA Il secondo componente in massa del legno la lignina, la
lignina uno dei polimeri pi abbondanti presenti in natura descritta
come un polimero tridimensionale aromatico ad elevato peso
molecolare ( 2000-1500 u.m.a) ma presenta notevoli differenze da
specie a specie. Tali differenze derivano da molteplici fattori ma
il pi importante probabilmente la diversa composizione percentuale
di precursori alcolici durante la biogenesi:
Nelle angiosperme la lignina si forma dalla polimerizzazione del
alcol coniferilico e sinaplico mentre per le gimnosperme in
prevalenza da quello sinaplico. Il polimero che ne deriva quindi
molto complesso. Questi alcoli infatti vengono sintetizzati nel
citoplasma e poi trasportati nella parete cellulare. Grazie ad
alcuni enzimi presenti nelle piante si stabilizzano per formare
prima dimeri e poi la lignina. La lignina si presenta dunque come
un biopolimero con legami di vari natura difficilmente
idrolizzabili. Anche un degrado ossidativo cinematicamente
sfavorito se non viene catalizzato da luce solare e da ioni di
metalli di transizione. In definitiva la lignina un polimero
chimicamente e meccanicamente molto resistente che non pu essere
degradato in tempi utili da un degrado chimico-fisico ambientale.
Se non viene attaccata per via biologico-enzimatica la lignina pu
permanere nell'ambiente per diversi millenni restando
sostanzialmente inalterata. DEGRADO ENZIMATICO DELLA LIGNINA Per
decomporre la lignina sono dunque necessari alcuni enzimi che
catalizzino le principali reazioni di ossidazione dei gruppi
costituenti. Gli LMEs (Lignin Modifying Ezymes) sono prodotti da
funghi e batteri e agiscono pi o meno specificatamente su alcuni
legami del bio-polimero. Il prodotto ultimo del degrado della
lignina l'acid precipitable polymeric lignin (APPL).(In letteratura
non sono riuscito a trovare quali microorganismi si occupino del
degrado ultimo di questo prodotto)
Sarebbe necessaria una distinzione tra enzima intracellulare ed
enzima extra-cellualre, infatti molti di questi enzimi (soprattutto
in fondo alla tabella) hanno un ruolo intracellulare, che nel caso
si trattasse di funghi molte volte equivale ad un ciclo biochimico
all'interno del micelio. La tabella ha comunque voluto mantenere il
carattere pi generale possibile in modo da poter essere utilizzata
per tutti gli organismi coinvolti nel degrado del legno.
COMPOSTO
AZIONE
COMPOSTI NECESSARI
Organismi che li usano LMEs (Lignin Modifying Enzymes)
LiP (Lignin Ossida i gruppi metossi H2O da cui produce
Phanerochaete Peroxidase) [4] (OCH3 ) della H O , chrysosporium 2 2
lignina. Veratryl Alcohol (VA) MnP(Mangane Catalizza l'ossidazione
H2O da cui produce Ceriporiopsis se-Dependent Mn2+ a Mn3+. Mn3+ che
H O e Mn2+ . subvermispora [12] Peroxidase) [4] capace di ossidare
2 2 substrati fenolici Lac (Laccase) E' un ossidasi del rame [4]
che in grado di ossidare i composti fenolici. Converte in presenza
di ossigeno i composti fenolici in radicali chininici e poi in
chinoni. Inoltre produce alcui substrati utili per la degradazione.
es. 4 benzenediolo + O2 -> 4 benzosemichinone + 2 H2O
VP(Versatile peroxidase) >PS1 >MnPL1 [9] Riescono ad ossidare
substrati fenolici in presenza o assenza di manganese. Sembra che
non richiedano mediatori. O2, Veratryl Alcohol (VA),
2,2'-azinobis(3ethylbenzthiazoline-6sulfonate) in presenza di
questo mediatore possibile un degrado della lignina[11] Pycnoporus
cinnabarinus Trametes Versicolor Ceriporiopsis subvermispora [12]
Agaricus bisporus
Pleurotus ostreatus, Pleurotus eryngii, Pleurotus,pulmonarius,
Bjerkandera adusta, and Bjerkandera sp. Strain. Pleurotus
cornucopiae, P. eryngii, P.floridanus, P. pulmonarius, P.
ostreatus, and P. sajor-caju(APPLIED AND ENVIRONMENTAL
MICROBIOLOGY, June 1994, p. 1783-1788 Vol. 60, No. 6)
Aryl-alcohol Genarano H2O2 attivo oxidase (AAO) sugli alcoli:
benzilici, naftolici, cinnamilico e altri alcoli alifatici
insaturi. Riducono i derivati NADPH della lignina come per
Aryl-alcohol esempio le aldeidi dehydrogenase aromatiche in
presenza s (AAD) di NADPH. quinone reductases (QR) Riduce
1,4benzochinone a idorchinone FAD (come cofattore) NADH (come
donatore di elettroni)
Trametes versicolor
DEGRADO ENZIMATICO DELL'OLOCELLULOSA Anche la cellulosa in realt
si presenta come un polimero difficilmente attaccabile da parte dei
microorganismi. Per riuscire a decomporre la cellulosa i batteri
coinvolti nel degrado della cellulosa devono sfruttare un elaborato
complesso di enzimi. Questo complesso di enzimi prende il nome di
cellullosoma. Diversi cellulosomi sono usati dai batteri ma solo
alcuni sono stati studiati approfonditamente (e.g. Clostridium
thermocellum). La tabella a seguire ha un carattere del tutto
esemplificativo, pu comunque dare un idea della complessit di
questo processo che forse per certi versi supera quello della
degradazione della lignina. Bisogna comunque ricordare che la
degradazione enzimatica della cellulosa a differenza di quella
della lignina porta da parte del microorganismo che la utilizza ad
un guadagno energetico molto maggiore, nonostante la lignina sia un
polimero con un contenuto energetico pi alto rispetto alla
cellulosa. I funghi a differenza dei batteri non utilizzano
cellullosomi ma semplicemente gli enzimi che hanno a disposizione
sinergicamente. COMPOSTO Glycoside hydrolases AZIONE Catalizza
l'idrolisi del legame glicosidico Trasforma il beta-1,4-xylano in
xylosa Organismi che li usano Funghi: Neocallimastix patriciarum,
Piromonas communis Batteri:Clostridium stercorarium Hypocrea
jecorina,Trichoderma reesei,
Xylanase Exoglucanases (C1-cellulase) Endoglucanase
(Cx-cellulase) -glucosidase (cellobiase)
Idrolizza la catena in progressione Trichoderma reesei, dalla
fine. Cellulomonas fimi... Libera D-glucose dal -glucan e
Trichoderma reesei... dalle cellodestrine libera unit di D-glucose
dalle Trichoderma viride , cellodestrine solubili e dai glicosidi
Trichoderma reesei...
MICROORGANISMI COINVOLTI NEL DEGRADO ENZIMATICO
DELL'OLOCELLULOSA Sembra che il primo attacco al legno sia di
origine batterica. La classificazione di Greaves (1971) divide i
batteri in quattro classi [14]: 1) batteri che non riescono a
degradare il legno strutturalmente ma svolgono un'azione
fondamentale nel aumento della sua permeabilizzazione 2) batteri
che attaccano la struttura del legno 3) batteri che lavorano
sinergicamente con altri batteri per degradare il legno 4) batteri
colonizzatori che possono essere antagonisti di altre popolazioni
batteriche. I batteri morti infine forniscono un terreno ricco di
azoto adatto per lo sviluppo dei funghi. I funghi attraverso le ife
e complessi enzimatici specifici per il degrado della lignina
riescono ad accedere alla cellulosa e degradarla con un efficienza
maggiore. Il ruolo dei funghi nella decomposizione della lignina
predominante rispetto a quello dei batteri sebbene siano stati
osservati batteri capaci di degradarla.
TIPOLOGIA Cellusolitici aerobiciPseudomonadales (genere Vibrio,
Cellvibrio); Eubacteriales (genere Bacillus); Myxobacteriales
(genere Cytophaga, Sporocitophaga); Actinomycetales
ORGANISMI Hypocrea jecorina,Trichoderma reesei,Clostridium
xylanolyticum
AZIONE Attivi sulla cellulosa con le varie cellulasi e sugli
xilani con le varie Xylanasi. Molti di questi batteri hanno un
ruolo fondamentale nella permeabilizzazione del legno. In realt la
maggior parte dei batteri aerobica e batteri strettamente
anaerobici si sviluppano solamente per il legno sommerso [14].
Attivi su cellulosa, emicellulose. Modificano leggermente la
lignina. Azione anche distante dalle ife. Cellulosa e emicellulosa.
La lignina viene solo leggermente alterata Attivi sugli zuccheri,
estrattivi (?) e amido.
Batteri
Cellusolitici anaerobici
Clostridium, Plectridium,
BROWN ROT Su Hardwood. Esclisivamente Basidiomiceti.
C. Puteana, Gloeophylum Trabeum, Postia placenta
SOFT ROT Ascomiceti Chaetomium globosum... su Softwood
Deuteromiceti Alternaria alternata.. Alcuni batteri STAIN FUNGI
Hardwood and Softwood Ascomiceti (Ophyiostoma..) Deutero miceti
(Aureo Basidium pullulans...)
MICROORGANISMI COINVOLTI NEL DEGRADO ENZIMATICO DELLA LIGNINA La
degradazione della lignina coinvolge diversi organismi presenti
nell'ecosistema. Quello ritenuto pi importante forse un
Basidiomicete (altri 67 Basidiomiceti hanno un ruolo analogo...) il
Phanerochaete chrysosporium conosciuto come White Rot. Come ricorda
il Dott. A.S Reddy la lignina il substrato a cui si lega il micelio
fungino e gli enzimi agiscono sulla superficie del biopolimero. E'
forse questa azione prevalentemente superficiale a ridimensionare
il ruolo di questo microorganismo a cui probabilmente spetta un
ruolo importante ma sempre complementare a quello di altri
organismi forse meno conosciuti. Bisogna inoltre sottolineare che
la White Rot degrada la lignina per avere accesso alla cellulosa in
quanto non in grado di utilizzare la lignina come fonte di energia.
ORGANISMO PROCESSO AZIONE DEGRADATIVO WITHE ROT Lignin Modifying
Enzymes Superficiale su cellulosa, (LMEs), lignina emicellulose per
gli hardwood: Lignin Peroxidase (LiP), (Basidiomycetes,
Tversicolor,Irpex Manganese-Dependent lacteus, P.chrysosporium,
Peroxidase (MnP) Heterobasidim annosum) Laccase (Lac),VP (Versatile
Peroxidase) La lignina non per gli hardwood e softwood: viene molte
volte Ascomycetes (e.g. Xylaria hypoxylon) metabolizzata alcune
fonti Basidiomycetes (e.g. Ganoderma riportano una metabolzzazione
australe,Phelebia tremellosa, C della lignina ma rilegandola
subvermiasora, tuttavia in secondo piano. Pleurotos spp, Phellinus
pini) Streptomyces viridosporus Streptomyces setonii
Nocardia,Pseudomonas, Corynebacterium esterasi Riescono a degradare
la lignina. Crescono nei substrati fenolici della lignina ma non
sembra che riescano a degradarla.
Alcuni batteri degll'ordine dei Myxobacteriales Cytophagales
Thermomonospora mesophila (ascomicete) LMEs (?) Riescono a
degradare la lignina.
ORGANISMI COINVOLTI NEL BIODETERIORAMENTO DEL LEGNO E' difficile
avere un modello efficace del degrado del legno. Innanzitutto
bisogna riuscire a capire a che livello agiscano i funghi e i
microorganismi precedentemente studiati. Come abbiamo visto il
degrado del legno avviene attraverso enzimi, cio molecole complesse
con un grande ingombro sterico una facile penetrazione degli enzimi
su di un substrato microcristallino come la cellulosa o attraverso
la parete lignificata molto improbabile. Riprenderemo pi avanti il
fatto che probabilmente la presenza dei soli microorganismi non
sarebbe stata sufficiente ad instaurare un ciclo del legno
efficace. I macrorganismi hanno quindi probabilmente un ruolo
fondamentale nel degrado di questa materia. Nella maggior parte
degli insetti la digestione della cellulosa portata avanti da un
complesso di tre enzimi C x-cellulasi, C1-cellulasi e cellobiasi
come nei funghi. Tuttavia sebbene molti insetti siano capaci di
sintetizzare da se C x-cellulasi e le cellobiasi non sono stati
riportati casi di sintesi di C1-cellulasi. Per compensare a questa
mancanza gli insetti hanno sviluppato una serie di simbiosi con
funghi,batteri e protozoi [14].
ORDINE Lepismatidae Thysanura
ORGANISMO
Meccanismo di digestione Cellulase, (endogena) in simbiosi con i
batteri ma capce di produrre la propria cellulase [15].
1,4-endoglucanases (endogeno)(http://web.utk.edu/~jurat/PDF
%20files/Willis%20et %20al.pdf)
Nutrienti
Thermobia domestica
Orthoptera
Cryptocercidae Blattidae
Dissosteira carolina
cellulosa
Isoptera
Mastotermitidae. Kalotermitidae. Hodotermitidae, Termitidae
Rhinotermitdae Coptotermes formosanus Simbiosi: Pseudotrichonympha
grassii (protista) a sua volta in simbiosi con un Bacteroidales
(C.Formosanus) Enzimatica (Nature 168, Cellulosa 209 - 210 (04
August 1951); , proteinedoi:10.1038/168209a0 ) Simbiontica
(Bollettino Vol.29 Universit di Bologna. Istituto di entomologia,
R. Istituto superiore agrario di Bologna. 1968)
Termitogeton planus Coleoptera Anobiidae, Anobium punctatum
Buprestidae.Scaraba eidae, Cerambycidae Curculionidae Ambrosia
beetle D. ponderosae Simbiosi con Ambrosia fungi Simbiosi:
Ophiostoma clavigerum (Ascomicete), O. montium Entomocorticium
dendroctoni (Basidiomicete), Simbiosi: Amylostereum Areolatum
(Basidiomicete)
Hymenoptera Siricidae
Sirex noctilio
VISIONE EVOLUZIONISTICA DEL CICLO DEL LEGNO Questa parte
dedicata ad una visione evoluzionistica del ciclo del legno.
L'argomento molto vasto e questo quest'ultimo capitolo ha un
carattere introduttivo e specifico per la degradazione della
lignina. Studiando la lignina ci troviamo di fronte ad una delle
prime sostanze organiche di bio-sintesi che riuscita a ricoprire la
superficie del pianeta. Ancora oggi sfruttiamo tramite il carbone
l'energia immagazzinata milioni di anni fa in gran parte in questa
sostanza. Abbiamo messo in luce la stabilit di questo biopolimero,
potenzialmente inquinante se l'ecosistema non avesse una serie di
organismi capaci di degradarlo ma quanto tempo l'ecosistema ha
impiegato per impedire l'accumulo di questo ritrovato dalla
biochimica siluriana? E' possibile creare artificialmente un
processo analogo per gli inquinanti di sintesi moderni? Studiando
il degrado del legno nelle varie epoche biologiche bisogna tenere
conto di tutti i fattori precedentemente analizzati, sebbene ai
giorni nostri un efficace degrado chimico-fisico del legno non sia
plausibile non si deve escludere che nelle epoche geologiche
precedenti l'azione dell'atmosfera, delle maree e dei fattori ad
essi correlati potessero indurre un degrado del legno in tempo
utile. Basti ricordare che i tenori di ossigeno hanno raggiunto
valori superiori al trenta per cento in alcune epoche. Possiamo
riassumere quindi i fattori necessari per comprendere a pieno come
sia stato possibile il non accumularsi di ingenti quantit di
materiale ligneo, tutti i fattori sono strettamente correlati ed
difficile prendere in considerazione un solo fattore senza
considerare gli altri: >gli incendi: probabilmente la principale
causa di non-accumulo sono stati gli incendi. Non bisogna tuttavia
pensare che sia sufficiente questa possibilit per rendere superfluo
all'ecosistema il ciclo biodegradativo del legno. Gli incendi
necessitano di un ambiente favorevole per svilupparsi e lasciano un
terreno quasi completamente abiotico. Probabilmente nel tardo
Paleozoico ci saremmo trovati molto spesso di fronte a distese di
foreste carbonizzate. Anche gli insetti possono comunque
contribuire allo sviluppo di insetti si pensa [18] che i grandi
incendi sviluppatisi nel sud California nel 2003 siano stati dovuti
a Curculionoidea che lasciando piante morte nel terreno davano
origine a potenziali focolai. >l'atmosfera: nell'atmosfera si
possono rintracciare i principali fattori che determina il degrado
chimico-fisico del legno. L'aumentare del tenore di CO 2 determina
una crescita sostanziale delle foreste. Al contrario un ambiente pi
ricco di ossigeno non solo favorisce cineticamente il naturale
degrado ossidativo ma favorisce l'insorgere degli incendi ed il
loro propagarsi. Anche l'ozono schermando la radiazione UV pu
contribuire al degrado fotochimico della sostanza. Inoltre
l'atmosfera in generale un fattore di crescita degli altri
organismi che, come abbiamo visto, hanno un ruolo fondamentale nel
ciclo del legno. >gli organismi: fondamentali sono dunque gli
organismi presenti, bisognerebbe quindi per quanto possibile avere
una chiara comprensione dell'evoluzione sopratutto di funghi,
batteri e artropodi. Se per funghi e artropodi pi semplice
delineare la loro evoluzione, per i batteri molto pi complicato.
Degli organismi pi evoluti, inoltre, non solo bisognerebbe sapere
il meccanismo biochimico con cui degradano la lignina e le loro
simbiosi ma anche la loro organizzazione sociale. Nell'efficienza
della colonia termitica l'organizzazione svolge un ruolo
fondamentale, una colonia pi organizzata vuol dire una colonia
capace di degradare maggiore lignina. >le maree: anche le maree
non sono da sottovalutare come avevamo accennato nel primo capitolo
il degrado del legno pu essere sensibilmente accelerato da
soluzioni saline che rigonfiano la struttura microcristallina della
cellulosa. Le maree nelle ere geologiche precedenti avevano un
influsso molto maggiore sul ecosistema terrestre in quanto la luna
era molto pi vicina alla terra. >l'evoluzione del legno stesso:
l'evoluzione del legno forse uno dei fattori predominanti
sappiamo che la biosintesi di lignina si progressivamente
ridotta nel mesozoico. Inoltre conoscere la struttura del legno
fondamentale per sapere in che modo i vari meccanismi degradativi
vengono attuati. L'importanza del micangio nel rapporto
mutualistico. L'identificazione del micangio nei fossili degli
insetti potrebbe essere un utile parametro per determinare quando
alcuni insetti abbiano cominciato a sviluppare forme di simbiosi
con i funghi. Purtroppo nella letteratura concerne all'evoluzione
degli insetti da me consultata non viene messo in evidenza quando
si riscontri uno sviluppo di questo organo da parte degli insetti
studiati. Identificare la presenza o meno del micangio per
confermare l'avvenuta simbiosi tra il fungo e l'insetto ha
ovviamente dei limiti legati al fatto che il micangio non sempre un
organo sviluppatosi ad hoc, molto spesso si prestano a questa
definizione tutte quelle rientranze che sono naturalmente presenti
negli antropodi. Il micangio potrebbe comunque attestare la
presenza di un rapporto mutualsitico tra i due organismi, se
l'evoluzione ha favorito organismi con micangi sviluppati vuol dire
che l'organismo aveva un beneficio da questa simbiosi. Alcune
curculionidae dimostrano di avere micangi sviluppati probabilmente
gi nel triassico [18]. L'eusocialit Un altro fattore determinante
che dovrebbe essere considerato nello studiare l'evoluzione del
ciclo del legno quando gli organismi eusociali hanno raggiunto
l'eusocialit e il rapporto tra l'eusocialit e l'azione
biodegradativa di questi organismi. Mi sembra plausibile ritenere
che con una societ struttura, eusociale appunto, la colonia
termitica o qualsiasi altro organismo eusociale (come per esempio
il coleottero ambrosia) aumenti il suo potenziale degradativo.
Localizzazione degli organismi e flussi migratori Come prassi
generale dobbiamo quindi considerare i fattori ambientali il clima
innanzitutto e quindi gli organismi che popolano l'ambiente in cui
localizzato il legno. Nello studio del degrado del legno bisogna
tener conto che l'efficienza del degrado non omogenea su tutta la
superficie terrestre, ci sono zone in cui il degrado favorito e
zone invece in cui non sussistono le condizioni necessarie.
Ritornando alle problematiche moderne per esempio non dobbiamo
attuare una prevenzione per le termiti se il clima non consente lo
sviluppo di tali organismi e lo stesso vale per il microclima
museale, che di per se potrebbe essere sufficiente a prevenire un
attacco microbiologico. Dobbiamo invece stare in guardia se il
clima cambia o il clima in cui si trova il nostro legno adatto allo
sviluppo di agenti xilofagi non autoctoni che potrebbero essere
facilmente importabili da partite di legname estere. In tal senso
dovrebbero essere prese delle misure precauzionali a livello
internazionale per evitare l'introduzione di agenti xilofagi
estranei come stato per il caso della Sirex Noctilio la vespa
esotica introdotta nel nord degli Stati Uniti e nel Canada che ha
provocato la moria di migliaia di pini1.
1 A.D. Wilson, N.M. Schiff, Identification of Sirex noctilio and
Native North Woodwasp Larvae DNA Barcode, Journal of Entomology,
2010, ISSN 1812-5670
LE PRINCIPALI TAPPE NEL EVOLUZIONE DEL CICLO DEGRADATIVO DEL
LEGNO: ETA' (MY) 20 OLIGOCENE 30 35 EOCENE EVENTO Lesobos (Gr)
Preaterie forse dovute all'azione degli agenti xilofagi Missisipi
Petrified forest Florissant Fossil Beds Le formiche e le termiti
diventano una componente significante nell'ecosistema. TIPOLOGIA DI
EVENTO Foresta fossile Cambiamento Ambientale Foresta fossile
Foresta fossile Evoluzione degli insetti xilofagi
TERZIARIO 70
Evoluzione delle grandi colonie Evoluzione degli insetti
xilofagi termitiche. (Eusocialit) Le formiche cominciano a
Evoluzione degli insetti xilofagi diventare una parte importante
nell'ecosistema Si diffonde l'Ophisotoma (?) Le moderne Gymnosperme
con un contenuto di lignina pi basso rimpiazzano le antiche
Gymnosperme Eusocialit nelle formiche Comparsa delle formiche
Dorset (EN) Eusocialit nelle termiti Ceratocystis, Ophistioma
Evoluzione insetti (Eusocialit) Evoluzione degli insetti xilofagi
Foresta fossile Evoluzione insetti (Eusocialit) Evoluzione dei
funghi Evoluzione dei funghi
CRETACEO CRETACEO
115 120 130 ca. 140 TARDO GIURASSICO 200 220 MESOZOICO 300 300
ca. CARBONIFERO (300-350)
Diffusione delle Curculionidea Evoluzione degli insetti xilofagi
Primo fossile di Curculionidea Evoluzione degli insetti xilofagi
(Orbrieniidae) Le gymno sperme riducono il contenuto di lignina
tissutale Chemintz Evoluzione delle piante Foresta fossile
Appaiono i roachoids Evoluzione degli insetti xilofagi
strettamente legati alle termiti E' il periodo a cui risalgono la
maggiorparte delle riserve di carbone. I funghi acquisiscono i
processi enzimatici per degradare la lignina. Lignina
diversificazione delle perossidasi Prime piante fossili Cambiamento
Ambientale
360 (TARDO DEVONIANO)
Evoluzione dei funghi
420 450
Evoluzione delle piante Evoluzione delle piante
CONCLUSIONI 1) Considerazioni legate allo studio del degrado del
legno Uno studio approfondito sul degrado del legno coinvolge
sicuramente una vasta gamma di competenze. Il semplice approccio
chimico-fisico non basta a spiegare le cinetiche del degrado del
legno, neanche un approccio orientato esclusivamente sulla
microbiologia pu comunque spiegare tutti gli aspetti coinvolti nel
ciclo del legno. Se poi si vuole spiegare il ciclo del legno da un
punto d vista evoluzionistico si devono ricorrere a molte altre
competenze (geologia, biologia, etologia...) e la complessit del
sistema in esame diventa di gran lunga maggiore, probabilmente per
questo che uno studio sistematico dell'evoluzione del legno che
prenda in considerazione tutti i fattori che abbiamo tentato di
rintracciare in questa tesina non credo sia ancora stato fatto.
2)Come studiare una soluzione al fenomeno dagradativo, nuove
prospettive. Tornando al presente i fattori che determinano il
degrado del materiale ligneo sono quasi esclusivamente
microbiologici. Chi si trova ad eseguire indagini diagnostiche su
un opera lignea sa gi dunque che dovr prima di tutto identificare
gli agenti xilofagi. Ma come intervenire e come prevenire? Se
l'agente xilofago la causa del degrado l'ambiente fornisce i
presupposti per il degrado stesso. L'acqua , ovviamente, la
sostanza essenziale affinch gli organismi prosperino, un ambiente
asciutto pu quindi risolvere gran parte delle problematiche legate
alla conservazione del legno, pensiamo per esempio ai manufatti
egizi che ci sono pervenuti grazie al clima Sahariano. Molte volte
tuttavia anche se i manufatti sono tenuti in un ambiente asciutto
si possono presentare attacchi xilofagi. La neutralizzazione degli
attacchi di agenti xilofagi per lungo tempo ( e ancora adesso) si
basa sul impiego sostanze organiche tossiche di solito piretroidi,
in larga parte permetrina (es. Permetrax) che sono sostanze
neurotossiche ad ampio spettro indubbiamente nocive si per gli
altri organismi che per l'uomo. Una soluzione pi specifica possono
essere gli inibitori della chitina (es. Hexaflumuron, Diflubensuron
) sebbene mantengano una certa tossicit sono pi specifici e meno
nocivi per l'uomo. Gli inibitori metabolici2, invece, purtroppo non
ancora molto diffusi agiscono sui batteri in simbiosi con gli
agenti xilofagi. E' ovvio che questo tipo di pesticidi presenta una
selettivit altissima e potrebbe praticamente azzerare gli effetti
della tossicit sugli altri organismi in quanto si utilizzano delle
esche con degli antibiotici, molto spesso sulfammidici, per
uccidere i batteri simbionti ed impedire cos il metabolismo del
legno. Come abbiamo tentato di illustrare in questa tesina ogni
organismo ha i suoi simbionti, esaminando l'agente xilofago si pu
quindi scegliere la soluzione pi adatta. Purtroppo proprio l'alta
selettivit ed il costo ad impedire l'utilizzo di questo tipo di
sostanze per la prevenzione, e di fatto anche nel corso dei
laboratori che ho avuto modo di frequentare il ricorso alla
permetrina fa purtroppo parte della prassi del restauratore. I
credo tuttavia che la permetrina non sia l'unica alternativa
possibile come abbiamo visto in un certo senso il degrado del legno
un degrado chimico-fisico, non si tratta di un degrado
chimico-fisico ambientale (cio prodotto dall'atmosfera e del
terreno etc. etc.) ma di un degrado chimico-fisico micorbiologico
prodotto dall'azione sinergica degli enzimi e della pressione delle
ife. Il principale ostacolo alla degradazione che incontra l'enzima
il suo ingombro sterico l'enzima deve agire in prossimit delle ife
e la sua azione impedita qualora il substrato non sia libero. Si pu
quindi agire direttamente sul manufatto per renderlo
enzimaticamente inattacabile. Fino ad ora penso che per la
prevenzione dagli attacchi xilofagi sia stata presa in
considerazione solo la possibilit di rendere il legno tossico per
gli organismi. In realt veramente necessario rendere il legno
tossico? Perch non renderlo semplicemente inattaccabile
consolidandolo in modo che le ife e gli enzimi non riescano a
svolgere la loro azione. Essendo il consolidamento normalmente una
fase del progetto restauro riuscire a sviluppare delle sostanze che
compiano sia un azione di2 L'utilizzo di inibitori metabolici penso
debba diventare una prassi anche nello studio delle digestioni
degli agenti xilofagi, molto spesso pu capitare che alcune simbiosi
in realt non siano veramente necessarie per la produzione degli
enzimi necesari per la degradazione e che questi siano invece
endogeni.
consolidamento che di prevenzione penso sia un passo avanti per
la ricerca nel campo del restauro. Anche solamente studiare le
diverse tendenze a prevenire gli attacchi xilofagi di diversi
consolidanti potrebbe fornire un utile parametro per la scelta del
consolidante da utilizzare. 3. Considerazioni sull'evoluzione del
ciclo del legno Possiamo fare alcune supposizioni sull'evoluzione
del ciclo del legno, focalizzandoci sopratutto sul
biodeterioramento della lignina. Dalla comparsa delle prime piante
nel Ordoviciano sono trascorsi circa sessanta milioni di anni prima
che le piante potessero evolversi attraverso la biosintesi della
lignina. I funghi saprofitici sono probabilmente stati i primi
organismi a svolgere un ruolo importante nella degradazione del
legno. Gi i fossile ritrovati a Rhyne Chert risalenti a 408 milioni
di anni fa mostrano la presenza di ife associate al decadimento del
legno. I funghi impiegarono circa 60 milioni di anni per riuscire a
creare un meccanismo di degrado della lignina. A questo punto
sembrerebbe scongiurato il pericolo che la superficie terrestre
diventasse una enorme deposito di lignina tuttavia 350 milioni di
anni fa ebbe inizio il carbonifero, l'et a cui risale la
maggiorparte delle riserve di carbone oggi sfruttate. Possibile che
per pi di 60 milioni di anni cio dall'inzio del carbonifero 350 MY
fa e la fine del carbonifero 300 MY, il legno abbia avuto modo di
depositarsi nonostante i funghi avessero gi elaborato un meccanismo
per decomporli? Sembra che proprio alla fine del carbonifero
comparvero i primi insetti antenati delle termiti, ma il loro ruolo
nel ciclo del legno non ancora ben definito e sembra improbabile
che siano proprio loro la causa della fine del carbonifero.
Probabilmente i fattori da prendere in considerazione sono altri.
Finito il Permiano, con l'inizio del Cenozoico le condizioni per il
non accumulo diventano molto pi favorevoli: le antiche gymnosperme
lasciano il posto alle moderne gymnosperme con tenori di lignina
molto pi bassi e l'ecosistema pullula di nuovi organismi
l'evoluzione dei funghi e degli artropodi procede parallelamente e
si instaurano nuove simbiosi capaci amplificarne il potenziale
degradativo. Infine si sviluppano forme di eusocialit tra gli
insetti stessi migliorando le prestazioni dei termitai o degli
sciami di curculionidee. Tuttavia senza dubbio a tutti questi
aspetti che evidentemente fanno preponderare per una svolta verso
un ambiente capace di degradare il legno facilmente si aggiungono
tutte le forme di antagonismo e l'evoluzione stessa delle piante
(che di certo non si fermata) che probabilmente hanno ridotto il
potenziale xilo-degradativo dell'ecosistema. E' ancora possibile un
nuovo carbonifero? Probabilmente un ecosistema cos evoluto non
permetterebbe pi un nuovo carbonifero molto pi probabile sembra un
imminente plastifichero o cementifero essere fiduciosi in una
risposta dell'ecosistema sembrerebbe alquanto ottimistico visto che
per degradare la lignina efficacemente possiamo ritenere che ci
abbia impiegato 120 milioni di anni, con organismi spinti alla
ricerca della cellulosa, difficile pensare che gli organismi si
prestino spontaneamente ad un degrado di materiali difficilmente
metabolizzabili invece il primo passo gi stato fatto nel 1975 un
equipe di scienziati giapponesi scopr un ceppo di Flavobatteri
capaci di degradare alcuni sottoprodotti del Nylon 6 con enzimi
completamente sconosciuti [17]. Il tempo richiesto per degradare le
sostanze esogene all'ecosistema pu diminuire sensibilmente. Qualora
si instaurasse una simbiosi ci troveremo di fronte a insetti gi
organizzati capaci di degradare in poco tempo ingenti quantit di
materiale. Come comportarsi di fronte a questi nuovi organismi:
favorirne lo sviluppo o impedirne la proliferazione? Anche se
sembra che per noi sia impossibile fare una previsione utile su
cosa sia meglio per l'ecosistema, propenderei per la seconda
scelta: d'altronde il fatto che non dobbiamo dare l'anti-tarlo al
nostro tavolo di plastica o al nostro computer un risparmio in
termini energetici. In definitiva molto pi vantaggioso per
l'ambiente che la plastica resti un materiale inquinante come lo
era la lignina 340 milioni di anni fa basta che non interferisca
con gli altri importanti ecosistemi. 4. Il manufatto ligneo:
considerazioni sulla sua durabilit in relazione al patrimonio
artistico E' evidente che il supporto ligneo abbia avuto in
importanza fondamentale nella produzione di numerosi manufatti
artistici a noi purtroppo non pervenuti a causa della sua scarsa
durabilit. E' interessante notare come in Europa i manufatti non
risalgano a pi di 400-500 anni fa, mentre in climi pi asciutti come
in Egitto i manufatti lignei ( e non solo...) possano arrivare a
diverse
migliaia di anni, da qui l'uso del legno anche come elemento
strutturale per le cupole ( per esempio La chiesa del Santo
sepolcro e la Cupola della Roccia a Gerusalemme del 691). Anche in
climi pi freddi come in Russia le cupole lignee possono proliferare
senza che vi sia gravi problemi di conservazione. D'altronde il
legno strutturale stato utilizzato anche in Etruria ma fu
probabilmente abbandonato a favore delle pietra a causa della sua
scarsa durabilit. Risulta quindi lampante che le dinamiche della
degradazione del legno e i fattori che la favoriscono o la
penalizzano devono essere prese in considerazione non solo dal
chimico o dal biologo ma anche dallo storico dell'arte. Non furono
forse proprio i batteri, i funghi e agli antropodi che dietro le
quinte spinsero Brunnelleschi ad architettare per Santa Maria del
Fiore qualcosa di ben pi duraturo (e pi elaborato...) di una
semplice cupola in legno. Sarebbe quindi molto utile per avere un
facile accesso alla distribuzione spaziale di questi importanti
organismi. Forse con studi di questo tipo potremmo spiegare la
straordinaria durabilit del tempio di Nara in Giappone che ha pi di
1300 anni ed una delle strutture in legno pi antiche della
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