The diversity of microorganisms in air and on historical sandstone surfaces in Polish residential museums

Na procesy korozji biologicznej zabytkowych powierzchni kamiennych wpływają równolegle czynniki środowiskowe oraz złożone interakcje pomiędzy organizmami w kolejnych etapach rozwoju biocenoz. Różnorodność mikroorganizmów kolonizujących obiekty zabytkowe, jak również mikroorganizmów występujących w powietrzu, jest zwykle określana z wykorzystaniem klasycznych, hodowlanych metod mikrobiologicznych. Celem pracy doktorskiej było zastosowanie metodologii metabarcoding w połączeniu z klasycznymi metodami hodowlanymi do analizy różnorodności mikroorganizmów na powierzchniach zabytkowych obiektów wykonanych z piaskowca oraz dla określenia różnorodności mikroorganizmów obecnych w powietrzu w środowisku muzealnym. W pierwszym etapie badań zastosowano metodykę sekwencjonowania nowej generacji (NGS) w celu doboru podłoży mikrobiologicznych umożliwiających określenie różnorodności bakterii występujących in situ w mikrobiocenozach na zabytkowych obiektach wykonanych z piaskowca. Analiza danych wykazała, że zastosowanie podłoża agar Wort umożliwia wzrost bakterii w różnorodności zbliżonej do tej obserwowanej in situ. W drugim etapie analizowano zmiany w składzie zbiorowisk mikroorganizmów in situ w biocenozach zasiedlających historyczne powierzchnie wykonane z piaskowca w zależności od sezonu letniego lub zimowego oraz od tzw. wzorców biodeterioracji (BPs). Stwierdzono wyższe wartości indeksów różnorodności dla bakterii i grzybów w próbkach pobranych zimą w porównaniu do próbek analizowanych latem. Największe różnice sezonowe dla różnorodności grzybów występowały na powierzchniach najmniej zacienionych, porośniętych porostami i mchami. Obserwacja ta może stanowić punkt wyjścia dla opracowania dedykowanych strategii konserwatorskich. W trzecim etapie metodę metabarcoding wykorzystano w celu scharakteryzowania mikrobiomu w powietrzu i na murach pozostałości Rotundy św. Feliksa i Adaukta znajdującej się wewnątrz Zamku Królewskiego na Wawelu. Większość mikroorganizmów zidentyfikowanych w próbkach powietrza stwierdzono w materiale pobranym z powierzchni ścian Rotundy. Na poziomie rodzaju duża liczba sekwencji została przypisana do kategorii niehodowane, niesklasyfikowane lub niespecyficzne. Co więcej, podczas analizy fragmentów genu 16S rDNA stwierdzono liczne sekwencje charakterystyczne dla archeonów halofilnych. Można zatem stwierdzić, że mikrobiom ścian Rotundy jest w dużej mierze endemiczny, a strukturę zbiorowiska tworzą mikroorganizmy nanoszone z powietrza oraz nieznane jeszcze mikroorganizmy. W ostatnim etapie pracy podjęto próbę ustalenia metodyki dostosowanej do analizy mikrobiologicznej jakości powietrza w muzeach z wykorzystaniem metody metabarcoding. Na podstawie analizy amplikonów 16S rDNA ustalono, że podłoże Fraziera (z żelatyną) pozwoliło na izolację 64,62% hodowlanych rodzajów bakterii wykrytych na wszystkich testowanych podłożach. Dodanie podłoża R2A podniosło tę wartość do 80,77%. Dlatego sugeruje się, aby przy analizach powietrza w muzeach podłoże bogate zastąpić podłożem Fraziera (najlepiej w połączeniu z R2A). Przeprowadzone w ramach pracy doktorskiej analizy pozwoliły na: (i) wybór podłoży mikrobiologicznych, których zastosowanie umożliwia hodowlę bakterii w proporcjach i różnorodności najbardziej zbliżonych do obserwowanych in situ na powierzchniach zabytkowych piaskowców; (ii) charakterystykę różnic w składzie zbiorowisk mikroorganizmów in situ w zależności od pór roku oraz w odniesieniu do tzw. wzorców biodeterioracji (BPs) na zabytkowych obiektach wykonanych z piaskowca; (iii) określenie różnorodności mikroorganizmów w powietrzu oraz zasiedlających zabytkowe powierzchnie piaskowca wewnątrz budynku; oraz (iv) przygotowanie wytycznych niezbędnych do opracowania standardów oceny stanu mikrobiologicznego powietrza w muzeach.

The biocorrosion processes are simultaneously affected by the environmental factors and the complex interactions among organisms inhabiting stone surfaces at successive stages of biocenoses development. The diversity of microorganisms inhabiting historical objects, as well as microorganisms present in the air, is usually determined using classical, culture-based microbiological methods. The aim of this Ph.D. thesis was to apply a metabarcoding methodology in combination with classical culture methods to analyze the diversity of microorganisms on the surfaces of historical sandstone and bacterial diversity in the air in museum. In the first stage of this research, a next-generation sequencing (NGS) methodology was used to select microbiological media enabling the most accurate determination of the bacterial diversity occurring in situ in microbiocenoses on historical sandstone objects. Analysis of the data revealed that the use of Wort agar enables growth of bacteria in diversity similar to that observed in situ. In the second stage, the changes of microbial community composition in situ in biocenoses inhabiting historical sandstone surfaces were analyzed in relation to summer or winter season and the so-called biodeterioration patterns (BPs). Higher values of diversity indices for bacteria and fungi were found in samples collected in winter compared to samples analysed in summer. The greatest inter- seasonal differences for fungal diversity occurred in the least shaded areas overgrown with lichens and mosses. The above observations may provide a starting point for implementing dedicated conservation strategies. In the third stage, the metabarcoding method was used to characterise the microbiome in the air and on the walls of the remains of the Rotunda of Sts. Felix and Adauctus located inside the Wawel Royal Castle. Most of the microorganisms identified in the air samples were found in the material collected from the Rotunda wall surfaces. At the genus level, a large number of sequences were assigned to uncultured, unclassified or genera-unspecified categories. Furthermore, the analysis of 16S rDNA gene revealed numerous sequences characteristic of halophilic archeons. Therefore, it can be concluded that the microbiome of the Rotunda walls is largely endemic and the community structure is formed by as yet unknown microorganisms. In the last stage, an attempt was made to establish a methodology for the analysis of microbial air contamination in museums using the metabarcoding method. Based on the analysis of 16S rDNA amplicons, it was determined that Frazier's medium (with gelatin) allowed for the isolation of 64.62% of the culturable bacterial genera detected on all media tested. The addition of R2A medium raised this value to 80.77%. Therefore, it is suggested that rich media should be replaced by Frazier agar medium (preferentially in combination with R2A) for air analysis in museums. The analyses carried out within the framework of the dissertation allowed for: (i) selection of microbiological media enabling the cultivation of bacteria in proportions and diversity most similar to those observed in situ in microbiocenoses on historical sandstone surfaces; (ii) characterization of differences in microbial communities composition in situ depending on seasons and in relation to so- called biodeterioration patterns (BPs) on historical sandstone objects; (iii) determination of diversity of microorganisms colonizing historical sandstone surfaces inside the building in relation to the microbial diversity of indoor air; and (iv) preparation of guidelines necessary for the formulation of standards for the assessment of the microbiological condition of air in museums.