Effects of microorganisms on limestone weathering in urban area.
Effets des microorganismes sur l'altération des pierres calcaires en milieu urbain pollué.
Résumé
Limestone is widely used as building stone in France, particularly for historic monuments. The latter deteriorate over time, notably due to climatic factors, anthropogenic factors (pollution) and biological colonization. So, in order to better preserve them by applying appropriate conservation-restoration solutions, it is necessary to fully understand the influence of these different environmental factors and their synergies on stone degradation, and to determine the reaction mechanisms. In this context, we focused on the effect of microorganisms on limestone weathering in polluted urban environments.
Two types of samples were taken from the Père-Lachaise cemetery: limestone slab exposed for 5 years on site, and samples from tombs in three divisions of the cemetery that had undergone some 200 years of weathering. Alteration facies were characterized and microbial communities (bacterial and fungal) identified by NGS sequencing. The results reveal mineralogical differences according to exposure time. In ancient tombs, gypsum was predominantly identified, while KNO3 was found in short exposure times. Analysis of microbial communities showed a significant influence of exposure (vertical vs. horizontal), situation (sheltered vs. exposed to rain) and season on the composition of bacterial and fungal communities. Furthermore, a significant proportion of bacteria were identified as participating in the nitrogen cycle, notably through a denitrifying action, indicating an adaptation of bacterial communities to current atmospheric pollution.
To confirm these results, various laboratory simulations were carried out to examine the effect of different types of pollution (gaseous and particulate, sulfated, nitrated and ammonified) characteristic of different periods (SO2 and soot in the early 19th century, NOx and NH3 in the future). Experiments were carried out in culture flasks using synthetic rainwater, Saint Maximin Roche Fine limestone and microbial inoculum from a Père-Lachaise tomb. Sulfate and nitrogen (NH4 and NO3) pollution showed very different weathering patinas, orange and green respectively. Analysis of the microbial communities revealed the influence of the presence of limestone on the development of microorganisms, as well as a selectivity of microorganisms according to the type of pollution. Nevertheless, very few differences were identified for samples subjected to particulate and gaseous pollution.
La pierre calcaire est largement utilisée comme pierre de construction en France, notamment pour les monuments historiques. Ces derniers se dégradent au cours du temps, notamment à cause des facteurs climatiques, anthropiques (pollution) et de la colonisation biologique. Ainsi, afin de mieux pouvoir les préserver en leur appliquant des solutions de conservation – restauration adaptées, il est nécessaire de bien comprendre l’influence de ces différents facteurs environnementaux et leurs synergies sur la dégradation des pierres et de déterminer les mécanismes de réaction. Dans ce contexte, nous nous sommes focalisés sur l’effet des microorganismes sur l’altération des calcaires en milieu urbain pollué.
Pour cela, deux types d’échantillons issus du cimetière du Père-Lachaise ont été prélevés, des coupons de calcaire sain exposés pendant 5 ans sur le site et des prélèvements sur des tombes, localisées dans trois divisions du cimetière qui ont subi environ 200 ans d’altération. Les faciès d’altération ont été caractérisés et les communautés microbiennes (bactériennes et fongiques) identifiées par séquençage NGS. Les résultats mettent en évidence des différences minéralogiques selon le temps d’exposition. Sur les tombes anciennes, le gypse a majoritairement été identifié, tandis qu’à court temps d’exposition du KNO3 a été retrouvé. L’analyse des communautés microbiennes a montré une influence importante de l’exposition (verticale vs. horizontale), de la situation (abritée vs. exposée aux pluies) et de la saison sur la composition des communautés bactériennes et fongiques. Par ailleurs, une proportion importante de bactéries a été identifiée comme participant au cycle de l’azote, notamment par une action dénitrifante, indiquant une adaptation des communautés bactériennes à la pollution atmosphérique actuelle.
Pour confirmer ces résultats, différentes simulations en laboratoire ont été réalisées afin d’examiner l’effet de différents types de pollution (gazeuse et particulaire, sulfatée, nitratée et ammonifiée) caractéristiques de différentes périodes (SO2 et suies au début du XIXème siècle, NOx et NH3 pour le futur). Des expériences ont été réalisées en flacon de culture avec de l’eau de pluie synthétique, du calcaire Saint Maximin Roche Fine et un inoculum microbien issu d’une tombe du Père-Lachaise. Les pollutions sulfatées et azotées (NH4 et NO3) ont montré des patines d’altération très différentes, respectivement orange et vertes. L’analyse des communautés microbienne met en évidence l’influence de la présence du calcaire sur le développement des microorganismes ainsi qu’une sélectivité des microorganismes en fonction du type de pollution. Néanmoins très peu de différences ont été identifiées pour les échantillons soumis à la pollution particulaire et gazeuse.
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