CONVERSA
VOCES EN LA CONSERVACIÓN
El rol de los hongos ambientales en el deterioro de materiales celulósicos de interés patrimonial
Por Andrea C. Mallo, Daniela S. Nitiu, Lorena A. Elíades, Mario C. N. Saparrat
Ponencia presentada en V Encuentro de Conservación y Digitalización organizado por el Museo Histórico Nacional del Cabildo y de la Revolución de Mayo. Buenos Aires, Abril de 2017
Andrea C. Mallo
Licenciada en Biología, orientación Botánica egresada de la Facultad de Ciencias Naturales y Museo. En la actualidad se desempeña como Personal de Apoyo a la Investigación Principal de la Comisión de Investigaciones Científicas de la Provincia de Buenos Aires (CIC – PBA) y es Docente- Investigadora Categoría IV en Programa de Incentivos UNLP. Se especializa en Aerobiología con énfasis en Aeromicología de ambientes interiores vinculados a la conservación del Patrimonio cultural.
Daniela Silvana Nitiu
Estudió en la Facultad de Ciencias Naturales y Museo de la Universidad Nacional de La Plata (UNLP) y obtuvo el título de Licenciada en Biología orientación Botánica y Doctora en Ciencias Naturales. En la actualidad se desempeña como Investigadora de CONICET y Docente Investigadora Categoría III en Programa de Incentivos UNLP. Desarrolla proyectos vinculados a estudios aerobiológicos en ambientes interiores en especial aquellos con interés patrimonial cultural - histórico.
Lorena Alejandra Elíades
Estudió en la Facultad de Ciencias Naturales y Museo de la Universidad Nacional de La Plata (UNLP) y obtuvo el título de Licenciada en Biología orientación Ecología y Doctora en Ciencias Naturales. Es Investigadora de CONICET y Docente Investigadora Categoría IV en Programa de Incentivos UNLP. Es Directora Alterna del Instituto de Botánica Spegazzini, Facultad de Cs Naturales y Museo, UNLP. Se especializa en el conocimiento de la biodiversidad de hongos saprótrofos y biótrofos e implicancias en biotecnología.
Mario C. N. Saparrat
Estudió en la Facultad de Ciencias Naturales y Museo de la Universidad Nacional de La Plata (UNLP) y obtuvo el título de Licenciado en Biología orientación Botánica y Doctor en Ciencias Naturales. En la actualidad se desempeña como Investigador Independiente (CONICET) y Docente Investigador Categoría III en Programa de Incentivos UNLP. Es Profesor Adjunto de la Facultad de Ciencias Agrarias y Forestales y de la Facultad de Ciencias Naturales y Museo. Se especializa en el estudio de la fisiología de hongos, con énfasis en la degradación de lignocelulosa.
INTRODUCCIÓN
Desde tiempos remotos, el papel es uno de los materiales más utilizados para documentar el conocimiento humano. A pesar de que en la actualidad el uso de formatos electrónicos está ampliamente difundido (Bankole, 2010), el uso de material impreso sigue siendo altamente valorado. En este sentido, la preservación y cuidado de documentación impresa es crucial en la custodia de patrimonio en bibliotecas, archivos y centros de información. Por ello, el proceso de biodeterioro de papel es una preocupación ya que causa enormes daños en manuscritos y libros antiguos únicos que se conservan en bibliotecas y archivos.
Figura 1. A-C. Efectos de biodeterioro sobre diversos materiales de la biblioteca Pérez Aznar: observación de diversos materiales afectados por la colonización de hongos. Fotografía por D. S. Nitiu.
A pesar de que el componente mayoritario del papel es la celulosa, otros constituyentes como almidón u otros compuestos también pueden estar presentes (Barduaj y Bhatnagar, 2002). Por este motivo, el papel es susceptible a la colonización de un amplio rango de agentes biológicos, incluyendo a los hongos, que encuentran en este material el sustrato adecuado para el crecimiento de dichos organismos (Shrivastava, 2015). Además de la disponibilidad de los hongos en estos ambientes, las condiciones climáticas y ambientales locales influyen en la diversidad y contenido microbiológico asociado (Chadeganipour et al, 2013). Otro aspecto importante de estos agentes que causan biodeterioro es que pueden provocar alergias y efectos tóxicos en el personal que trabaja en estos ámbitos (Simmon Nobbe et al, 2008).
El objetivo de este trabajo es proporcionar una aproximación acerca del conocimiento actual sobre el proceso de transformación de diferentes soportes celulósicos de importancia patrimonial por acción de los hongos y los mecanismos involucrados en el biodeterioro y biodegradación del papel.
CARACTERÍSTICAS DE LOS HONGOS Y SU EFECTO SOBRE EL BIODETERIORO
Los hongos son un distintivo grupo de organismos descomponedores caracterizados por la composición de su pared celular de quitina y sus relaciones filogenéticas (Hibbett et al, 2007). Este grupo, con un total de especies estimado alrededor de 1.5 millones, está subdividido en distintos grupos en base a características filogenéticas, morfológicas, ecológicas y/o reproductivas (Kirk et al, 2001). Se trata de organismos ubicuos, capaces de colonizar múltiples sustratos en hábitats terrestres y dulceacuícolas siendo escasos en ambientes marinos. Los hongos actúan como saprótrofos, mutualistas, parásitos y simbiontes. Muchos grupos poseen sistemas enzimáticos extracelulares que despolimerizan los complejos sustratos sobre los que crecen.
No obstante, algunos de ellos, denominados “sacarofílicos” sólo utilizan sustancias solubles simples tales como azúcares y compuestos simples de carbono. Por otra parte, miembros de Ascomycota y Basidiomycota, incluyen muchos representantes con notable capacidad para la descomposición de celulosa y lignina respectivamente.
La actividad de los hongos depende de parámetros como la temperatura, humedad, PH, luz y el movimiento del aire que son condicionantes de la colonización, crecimiento y degradación del sustrato. Cuando estos factores no son apropiados, los hongos disminuyen su actividad y pueden iniciar la diferenciación de estructuras de reproducción (esporas) y/o estructuras somáticas de resistencia o incluso morir. No obstante, si las condiciones son favorables, los hongos desarrollarán a partir de esporas existentes, otras estructuras disponibles en el sustrato y/o aportadas por estructuras asexuales. Sin embargo, algunos hongos pueden subsistir en forma vegetativa bajo condiciones de estrés utilizando múltiples mecanismos que permiten su crecimiento bajo dichas condiciones (ej: hongos xerotolerantes). Durante su ciclo de vida, la mayoría de los hongos puede diferenciar estructuras reproductivas de origen sexual (fusión de núcleos y meiosis), o de origen asexual (división mitótica nuclear). El resultado de esta última, es la producción de propágulos típicamente microscópicos, como pequeñas esporas producidas en grandes cantidades, por la vía asexual. La diferenciación de esporas facilita la dispersión y propagación de los hongos y la conquista de nuevos hábitats y sustratos. Las mismas pueden originarse en el interior de estructuras llamadas esporangios que generan esporas endógenas o esporangiosporas o a partir de hifas especializadas que producen esporas exógenas o conidios. La morfología y estructura de las esporas presenta una gran variabilidad, desde uni a multicelulares, ramificadas o no ramificadas, espiraladas, con paredes engrosadas o delgadas, secas o viscosas, lisas u ornamentadas con extensiones mucilaginosas, espinas, pliegues o retículos.
Figura 2. Tipos de esporas fúngicas encontrados en ambientes interiores: A. Tipo Lepthosphaeria, B. Tetraploa sp., C. Puccinia sp., D. Cladosporium sp., E. Tipo Drechslera Bipolaris, F. Cladosporium herbarum, G. Chaetomiun globosum, H. Curvularia sp., I. Alternaria sp. Fotografías por Nitiu y Mallo.
Los hongos pueden ser considerados beneficiosos o perjudiciales para el hombre. En su función como saprófitos, son relevantes en el reciclaje de la materia orgánica a través de la descomposición y transformación en los ecosistemas naturales y modificados por el hombre (Saparrat et al, 2013). Otros aspectos de interés económico se relacionan con el uso como fuente de alimento para animales y humanos; en la producción industrial y de antibióticos, alcaloides y ácidos orgánicos. Las levaduras se utilizan en la producción de distintos tipos de alimentos (panes, bebidas, quesos). En contraste, los hongos pueden tener efectos negativos, como agentes etiológicos de fitopatologías induciendo enfermedades en humanos y animales y como agentes responsables del biodeterioro. Un aspecto crítico se halla relacionado con la conservación de documentos de interés patrimonial, que son utilizados por los hongos como sustrato y/o como vehículo de dispersión. En este sentido, los hongos afectan notablemente objetos de interés patrimonial en formato papel con efectos severos sobre este material. Estos organismos son capaces de colonizar obras de arte y deteriorar el papel en el que se hallan realizados mediante procesos químicos y mecánicos.
HONGOS ASOCIADOS AL BIODETERIORO DE MATERIAL DOCUMENTAL EN SOPORTE PAPEL
En numerosas colecciones de patrimonio cultural, bibliotecas y archivos, el papel y sus derivados constituyen el material orgánico dominante. En estos ambientes, los hongos juegan un rol clave en el biodeterioro (Sequeira et al, 2012; Sterflinger y Piñar, 2011). Aunque las bacterias también son capaces de deteriorar el papel, los hongos son menos exigentes para desarrollar, requiriendo condiciones de menor disponibilidad de agua (que normalmente existen en bibliotecas, archivos o museos) siendo estos ambientes más favorables para su desarrollo (Sequeira et al, 2012).
Los hongos responsables del biodeterioro de papel pueden estar representados en el aire y en el polvillo acumulado, como en el documento o su soporte, tratándose de especies del phylum Ascomycota caracterizados por un crecimiento lento y características xerofílicas pertenecientes principalmente a los géneros Aspergillus, Paecilomyces, Chrysosporium, Penicilliumy Cladosporium (Pinzari y Montanari, 2011). La colonización fúngica del papel puede desarrollar a nivel superficial y/o deberse a la penetración en la matriz de microfibrillas (Szczepanowska y Cavaliere, 2012). Los mecanismos por los cuales los hongos pueden causar biodeterioro en objetos de papel se deben básicamente a dos procesos: 1- descomposición de la celulosa y/ o 2- producción de metabolitos secundarios. Otro aspecto importante relacionado con la contaminación fúngica en papel se relaciona con el riesgo para la salud humana que implica la manipulación de estos materiales ya que los hongos, aún muertos, pueden tener capacidad antígeno / toxicogénica (Bennett y Klich, 2003, Pinheiro et al, 2011).
Asimismo, estos organismos son ampliamente reconocidos como promotores de alergias implicados en severas enfermedades respiratorias. Altas concentraciones de esporas fúngicas (i.e. Cladosporium) pueden provocar enfermedades respiratorias cuando son inhaladas (Khan y Karupayil, 2006). La tabla 1 presenta algunas referencias de reciente publicación acerca del estado actual del conocimiento sobre el proceso de transformación de la celulosa por agentes fúngicos asociado a materiales de interés patrimonial en soporte de papel.
Tabla 1: Algunas especies fúngicas reportadas como agentes que deterioran patrimonio cultural en soporte papel. *a, phyllum Ascomycota; b, phyllum Basidiomycota; c, Subphylum Mucoromycotina. Tabla por los autores.
LOS HONGOS Y SU ACTIVIDAD EN EL DAÑO ESTRUCTURAL DEL PAPEL
La existencia de diferentes mecanismos celulolíticos en los hongos es responsable de la desintegración del papel debido a que utilizan la celulosa como fuente de carbono y energía. Debido a la estructura química de la celulosa organizada en regiones amorfas y cristalinas, muchos de los hongos que crecen sobre ellas se denominan ‘celulolíticos’. El proceso de biodeterioro fúngico involucra mecanismos enzimáticos y no enzimáticos. La despolimerización de la celulosa ha sido atribuida principalmente a la actividad de tres tipos de hidrolasas extracelulares: 1) endoglucanasas, 2) exoglucanasas y 3) β-glucosidasas. Entre estas, las endoglucanasas son clave en el proceso ya que incrementan el pool de sustratos de las otras enzimas y generan una notoria despolimerización y solubilización del material de partida.
Por otra parte, se postula la desorganización de la celulosa por una reducción en la agregación fibrilar y/o cristalinidad ('amorfogénesis'), aumentando su susceptibilidad al ataque enzimático (Coughlan, 1985; Arantes y Saddler, 2010) aunque estos mecanismos no han sido completamente dilucidados.
Otros fenómenos pueden actuar también en conjunto con las enzimas. Estos procesos se han relacionado con la actividad de algunos hongos de podredumbre castaña causada por representantes de Basidomycota. Estos hongos atacan el sustrato a través de reacciones redox. La micobiotacelulolítica puede estar acompañada por hongos sin capacidad para la despolimerización. Además de la celulosa, el papel contiene otras fuentes de C como rellenos, tintas, aprestos y polvo que pueden ser ricos en proteínas y azúcares que pueden sustentar la colonización fúngica así como obtener CO2, nitrógeno, y otras moléculas gaseosas asociadas a la atmósfera. En condiciones de estrés los hongos pueden nutrirse de estos sustratos alternativos así como utilizar fuentes de C endógeno disponible en las esporas. Esto puede dar lugar al desarrollo de micelio inconspícuo en el papel que puede asociarse a la producción de metabolitos secundarios (Pagano y Dhar, 2015).
DETERIORO ESTÉTICO DEL PAPEL POR LA ACTIVIDAD FÚNGICA
Foxing
Mientras que algunas modificaciones en la coloración del papel pueden ser el resultado de transformaciones físico-químicas de sus componentes (lignina) las alteraciones colorimétricas, se pueden generar en respuesta a la colonización fúngica del papel. Esta capacidad de provocar cambios en la coloración se considera derivada de la síntesis de metabolitos pigmentados y/o de la reacción de Maillard de productos del metabolismo fúngico como ácidos orgánicos, oligosacáridos y compuestos proteicos que reaccionan químicamente con el material bajo condiciones específicas tales como la baja actividad del agua y altas temperaturas. Este último proceso conduce a la formación de cromóforos en el papel muchas veces considerados como foxing (Gallo, 1992; Piñar et al, 2015).
El biodeterioro de papel vía foxing ha sido registrado en distintos tipos de papel desde el siglo XVI. Aunque los mecanismos involucrados en la formación de estos spots coloreados han sido estudiados desde 1930 - 1935 (Prajapati, 2005), los resultados son controversiales y no concluyentes. Una teoría postula que el origen del foxing se debe a procesos abióticos, aunque la naturaleza de este proceso se halla aún en discusión. Recientemente, Ardelean y Melniciuc Puică, (2013) reportan las siguientes posibles causas responsables de la aparición de manchas de foxing: 1- La oxidación directa de metales y migración de los productos solubles de degradación. 2- La contaminación por microorganismos posiblemente suspendidos en el aire que producen manchas pardo-amarillentas, como responsables del desarrollo y la producción de ácidos derivados de la degradación de la celulosa. 3- la participación de metales en el proceso de oxidación de la celulosa (Bicchieri et al, 2002). 4- las reacciones de auto-oxidación, que muchas veces se aceleran bajo condiciones de alta humedad relativa causando la decoloración en la superficie del papel. Además, la presencia de foxing también ha sido relacionada con reacciones de condensación entre productos de oxidación de la celulosa con compuestos nitrogenados (Guggenberger, 2005).
Dado que el proceso de foxing puede producirse tanto por la oxidación del hierro como por la influencia de microorganismos, futuros estudios son necesarios para identificar sus causas, los reactivos y mecanismos involucrados en su génesis pues es probable que sea una combinación de procesos bióticos y abióticos.
Pigmentos fúngicos
Muchos hongos son capaces de sintetizar pigmentos de distinta naturaleza química y solubilidad como carotenoides (lipofílicos), antraquinonas (hidrofílicos) y melaninas (solubles en soluciones alcalinas) que causan deterioro estético en el papel. Estos metabolitos secundarios pueden causar severas alteraciones en el color del papel. A nivel biológico, la producción de pigmentos por los hongos se relaciona con el desarrollo de mecanismos de protección contra el stress ambiental. El proceso de producción y acumulación de pigmentos en papel deteriorado, puede restringirse a las estructuras que el hongo diferencia y/o a la difusión de metabolitos en el soluto.
Los pigmentos pueden encontrarse en las esporas, cuerpos fructíferos y micelio así como en estructuras de resistencia como los esclerocios.
La figura 4 (A – D) muestra un fragmento de papel de abacá biodeteriorado por el hongo Chaetomiumglobosum LPSC 259, se observa la alteración de la organización de la matriz fibrilar del papel y las estructuras reproductivas (peritecio y esporas) diferenciadas por el hongo.
Figura. 3. A-D. Desarrollo in vitro de Chaetomium globosum LPSC 259 sobre papel
de abaca. A. Vista general del papel mostrando los peritecios desarrollados por el hongo
sobre la supeficie. B. Matrix fibrilar del papel deteriorado por desarrollo de hifas fúngicas. C.
Detalle de un sector del peritecio oscuro asociado con una masa de hifas y ascosporas
pigmentadas que se unen al papel deteriorado. Fotografías por Nitiu y Mallo.
Se han realizado múltiples estudios acerca de la síntesis y difusión de pigmentos en taxa como Cladosporium, Chaetomium, Aspergillus y Helicosporium (Stepanowska y Cavaliere, 2012; Choi et al, 2012, Keller et al, 2011; Almeida-Páes et al 2012; Schmaler-Ripcke et al, 2009).
CONCLUSIONES
La limpieza y el control ambiental de sitios de guarda del patrimonio cultural, así como el monitoreo de la calidad del aire son procedimientos claves para la prevención del biodeterioro. No obstante, las estrategias eficaces de prevención contra el deterioro por hongos deben ser mejoradas y optimizadas a fin de minimizar el ataque y modificación del papel. Como se analizó en esta presentación, la degradación de la celulosa por acción fúngica causa tanto destrucción de los documentos como la producción de sustancias que afectan el material. Asimismo, esto facilita la colonización de otros hongos no celulolíticos que secretan otros metabolitos problemáticos. El conocimiento de la biología de estos organismos, que pertenecen a distintos grupos ecofisiológicos es fundamental para la conservación y restauración de papel biodeteriorado. Hasta el momento no hay datos concluyentes acerca de los mecanismos y factores que inducen el biodeterioro. Por lo tanto, son necesarias más investigaciones para desarrollar procesos efectivos y sustentables para disminuir el impacto del biodeterioro fúngico en el patrimonio cultural.
Agradecimientos:
Este estudio fue realizado con el financiamiento del Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET) PIP 112-201101-00087, PIP 112-201101- 00391; Agencia Foncyt PICT 2013-0418, y el Proyecto de Incentivos a la Investigación (N11/781) de la Facultad de Ciencias Naturales y Museo (FCNyM), Argentina.
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