La Polledrara di Cecanibbio: a task to preserve the palaeontological heritage exposed in situ

La Polledrara di Cecanibbio is one of among the richest palaeontological sites of elephant fossil remains in Europe. It was discovered in 1984 on the slope of a hill in the NW of Rome (central Italy). The archaeological investigation was completed in 2014 unearthing a portion of palaeo-surface corresponding to an ancient river bed that incised the sediments of the Monti Sabatini Volcanic Complex during the Upper and Middle Pleistocene. The depositional context at La Polledrara di Cecanibbio ranges from fluvial to fluvio-palustrine and palustrine- deposits. Most of the fossil bones uncovered belong to large mammals, particularly to elephants (Palaeoloxodon antiquus). Thanks to the exceptional character of the finds, their excellent preservation and exclusive taphonomic context, the “musealization” of the site was conducted at the beginning of 2000. The “musealization” project began with the building of a metal structure 30 x 30 m embracing the area where a large amount of fossil bones were unearthed during the first investigation. Since the moment of the assembling of the building, the fossils were left in situ in their original taphonomic context. Undoubtedly, the exhibition in situ favours the best safeguard of any taphonomic information and allows the complete fruition and a better understanding of the archaeological site. It promotes and increases the value of the site with major tourist feedbacks. However, it must come face to face with significant conservation aspects that may expose the cultural heritage to the threat of potential dangerous pollutant agents, both atmospheric and biological. The aim of the research was twofold: 1) Study the main representative fossil remains belonging to P. antiquus exposed in situ, in order to increase the potential for fruition and value enhancement of the site-museum. 2) Study the alteration processes affecting the fossils exposed at the site, suggesting methods to promote its conservation and preservation. The palaeontological study has been carried out on the bones of three elephant skeletons found in anatomical connection in the sediment of the palustrine phase. The biometric analyses conducted on the bones, allowed to define the main physical parameters of the specimens, males and adults at the time of their death. The animals died trapped in the muddy sediments similar to what actually happened to African elephants during the starvation period. They were blocked in the mud and died. According to the archaeological data, one of these, the most complete and preserved, was an object of exploitation by human beings, moreover, the presence of cut marks on the elephant bones is not yet confirmed and it cannot be excluded. This episode clearly improves our knowledge of the subsistence strategy highlighting the interactions between man and elephant during the Middle Pleistocene. Once the scientific value of the fossils exposed in situ had been highlighted, the study of the deteriorative agents has been commenced. A long monitoring of the whole exposed area has confirmed the saline efflorescence and biofilms growth as the main problems affecting the fossil bones at the site. Three areas have been selected as most representative of the alterations and have been used for the environmental monitoring (T [°C], RH% and Dew Point [°C]) and sampling. Both, fossil bones and biofilms have been sampled from the selected areas. The analyses conducted on fossil bones (Scanning Electron Microscope coupled with Energy Dispersive Spectroscopy – SEM-EDS, X Ray Diffraction and Raman Spectroscopy) allowed to clarify the main diagenetic processes of the site and identify the surface alterations occurred after the time of the exhibition in situ. Moreover, bone fragments never exposed in situ have been undergone to the same analyses and experimental treatments. The biofilms have been analysed with Light and Confocal Laser Scanning Microscopy (CLSM) in order to identify the components. Moreover, in order to assess a possible damage induced by biofilm development on the bone substratum, some thin and cross sections, preserving the biofilm/bone interface, have been observed with Petrographic microscope, SEM and CLSM. The results confirm at first, the fossilization process affecting the bones through an enrichment of F- ions in the apatite lattice and the successive precipitation of Barite (BaSO4) in the structure of the bones. During the time of the exhibition in situ, no changes occurred in the apatite lattice composing the hard tissue of the bones, but the exposed surfaces result intensely affected by gypsum (CaSO4) efflorescences believed to be one among the most harmful salts in the field of conservation of cultural heritage. The environmental parameters at the site (very cold and humid), the presence of free water and the direct sun irradiation, promote the development of biofilms which is controlled by the high bioreceptivity of the bone surface (chemical composition and roughness). The filamentous cyanobacterium Leptolyngbya sp. has been recognized as the main component of the biofilms growing on the fossils and sediment nearby. Other microorganisms, such as diatoms and green algae, often associated with mosses, have also been identified. Moreover, the observation of the biofilm/substratum interface suggests the endolithic activity of this cyanobacterium whose drilling capacity is frequently reported in several lithic monuments. All techniques used to observe the thin and cross sections (Petrographic, SEM and CLSM) confirm the presence of Leptolyngbya filaments penetrating into the first micron of the bone surface. The chasmaendolithic or euendolithic activity of the cyanobacterium on the fossil substratum is to ascertain but, for the first time, a mechanical damage of the fossil bones by the biofilms activity is documented. Moreover the study documents the effects of the chemical biocide (Sodium Hypochlorite) on fossil bones attesting an evident discolouration and a gradually pulverization of the treated surfaces. The study of the degradation process (biological or chemical) which threatened the fossils of La Polledrara di Cecanibbio and the research of methods to limit and avoid it is an imperative task to ensure the conservation of the scientific and cultural value of this special heritage.

Il sito paleontologico di La Polledrara di Cecanibbio è riconosciuto tra i più ricchi in resti di elefanti in Europa. Il giacimento fu scoperto nel 1984 nella campagna a NW di Roma durante alcune ricognizioni di superficie condotte dalla ‘Soprintendenza Archeologica di Roma’. Gli scavi archeologici, durati trent’anni, hanno portato alla luce una porzione di un paleo alveo che incise, durante il Pleistocene medio superiore, i ‘Tufi Stratificati Varicolori di La Storta’ dell’Apparato Vulcanico Sabatino. Il fiume, in un primo momento caratterizzato da forti correnti, aveva trasportato e depositato sul fondo, numerosi resti ossei per lo più appartenenti a grandi mammiferi. In un secondo momento, a causa del continuo apporto di sedimenti fini d’origine vulcanica e all’abbandono del canale, l’area si trasformò in una zona paludosa. A La Polledrara di Cecanibbio, infatti, il contesto deposizionale spazia dai sedimenti fluviali, alla base del deposito, a fluvio-palustri, a sedimenti palustri posti al top del deposito. La maggior parte dei resti fossili, appartenenti a grandi mammiferi, in particolare a Palaeoloxodon antiquus, sono stati ritrovati nei sedimenti della fase fluviale e fluvio-palustre. Grazie all’eccezionale contesto tafonomico e all’ottimo stato di conservazione dei resti ossei, il progetto di musealizzazione del sito paleontologico fu approvato all’inizio degli anni 2000 con l’obiettivo di esibire in situ, nell’originale contesto deposizionale e tafonomico tutto il materiale osteologico. Una struttura fissa in lamiera, fu posta a copertura del giacimento, proteggendo complessivamente un’area di 900 metri quadrati, permettendo la prosecuzione degli scavi archeologici e degli studi in situ e favorendone la fruizione al pubblico. Se da una parte l’esposizione in situ favorisce la valorizzazione, dall’altra deve confrontarsi con una serie di problemi che potrebbero minacciare la conservazione del bene musealizzato attraverso fenomeni di deterioramento, di origine biotica e abiotica. Questa ricerca si pone un duplice obiettivo volto da un lato a studiare i resti fossili appartenenti alla specie di maggior impatto mediatico (P. antiquus) al fine di aumentare il potenziale di fruizione del sito; dall’altro a riconoscere e studiare i processi di alterazione provocati dall’esposizione in situ al fine di poter sviluppare protocolli metodologici di indagine, ad oggi ancora scarsi nell’ambito della conservazione dei beni culturali, per lo studio del deterioramento di superfici fossili. La catalogazione di tutti i resti di elefanti esposti sulla paleosuperficie ha permesso la stima del numero minimo di esemplari presenti in situ. Lo studio paleontologico si è concentrato sui soli resti fossili esposti in situ appartenenti a P. antiquus, in particolare sulle ossa in connessione anatomica ritrovate nei sedimenti della fase palustre e, attribuiti ad almeno tre individui. Le analisi biometriche hanno portato alla definizione dell’età, del sesso e dei principali parametri fisici degli esemplari, maschi e adulti al momento della morte. Similmente a quanto accade in Africa, i tre esemplari studiati morirono intrappolati nel fango della palude, bloccati dai sedimenti e dal loro stesso peso. In accordo con i dati archeologici, uno di loro, il più completo, situato nella parte a nord del giacimento, fu oggetto di macellazione e sfruttamento intenso da parte di un gruppo di uomini che frequentavano l’area. La presenza di cut marks sui resti ossei non è ancora confermata ma non può essere totalmente esclusa. L’episodio di macellazione è chiaramente documentato dalla presenza di strumenti litici e in osso fabbricati sul posto e, oltre ad aumentare le nostre conoscenze sulle strategie di sussistenza dei nostri antenati, evidenzia alcuni aspetti sulle interazioni uomo-elefante durante il Pleistocene medio. Tuttavia, l’immenso valore scientifico dei resti fossili esposti a La Polledrara di Cecanibbio e la possibilità di portare a termine gli studi tafonomici sulle superfici ossee, è minacciato da una serie di problemi deteriorativi che, oltre a produrre un danno estetico mettono a rischio la conservazione dell’intero patrimonio paleontologico esposto al sito. Gli agenti deterioranti sono stati studiati attraverso un lungo monitoraggio che ha permesso di individuare nella formazione di efflorescenze saline e nella crescita di biofilms fototrofi le principali cause di degrado. Tra le zone maggiormente colpite dai problemi deteriorativi, tre aree sono state selezionate come rappresentative e sono state utilizzate per il monitoraggio dei parametri ambientali (T [°C], RH% e Punto di Saturazione) e per il campionamento di materiale organico e di frammenti ossei. Tuttavia, numerosi altri campioni ossei sono stati prelevati da altre aree del museo e dai magazzini delle Soprintendenze per confronti. Le analisi di microscopia elettronica a scansione (SEM-EDS), diffrattometria ai raggi X e Spettroscopia Raman, sono state condotte sul materiale fossile al fine di individuarne 1) le principali fasi mineralogiche per verificare le modalità di fossilizzazione avvenute al sito, e 2) riconoscere le principali alterazioni superficiali delle ossa dovute all’esposizione in sito e ai trattamenti effettuati negli anni con biocidi chimici. La microscopia ottica e confocale laser a scansione (CLSM) sono state utilizzate per la caratterizzazione delle componenti dei biofilms, mentre l’effettivo danno indotto dalla crescita di microorganismi sul substrato osseo fossile è stato verificato attraverso l’osservazione in microscopia ottica ed elettronica di numerose sezioni sottili e trasversali d’osso fossile. I risultati ottenuti dalla Diffrattometria ai raggi X e dalla Spettroscopia Raman confermano che il processo di fossilizzazione è avvenuto grazie all’arricchimento di ioni F- nella struttura cristallina dell’apatite e alla graduale sostituzione dello ione OH-. Inoltre, la circolazione di fluidi arricchiti in ioni SO42- e in Ba+ hanno favorito la precipitazione di Baritina (BaSO4) nella struttura dell’osso, in particolare nelle zone porose e nei canali di Havers. Le analisi delle superfici esposte attraverso la diffrattometria e SEM, hanno rivelato la presenza di efflorescenze di Solfato di Calcio (CaSO4) direttamente derivanti dall’esposizione delle ossa ai particolari parametri ambientali del sito, in particolare alle condizioni di umidità relativa molto elevate che promuovono il continuo ciclo di precipitazione e dissoluzione dei sali all’interno della struttura porosa dell’osso, provocandone, a lungo andare, fratturazioni e perdita di materiale. L’alta umidità relativa, associata con la temperatura e in particolare la presenza di acqua libera sul sedimento, ha aumentato la biorecettività delle superfici ossee esposte favorendo la crescita e la proliferazione di biofilms fototrofi. Il cianobatterio Leptolyngbya sp. è stato riconosciuto come il principale componente del biofilm e per questo ritenuto il principale responsabile del biodeterioramento. Altri microorganismi, come diatomee, alghe verdi, funghi e muschi sono stati individuati e riconosciuti attraverso l’osservazione dei campioni organici al microscopio ottico e confocale. L’osservazione dell’interfaccia substrato osseo-biofilm conferma l’attività endolitica di Leptolyngbya che è stata documentata, ad oggi, solo sui materiali lapidei di origine carbonatica. Le osservazioni al microscopio ottico, SEM e al microscopio confocale rivelano la presenza dei filamenti di Leptolyngbya all’interno della superficie ossea, suggerendo inoltre un’attività euendolitica del cianobatterio. Tuttavia, questa dovrà essere pienamente confermata con esperimenti di crescita controllata in laboratorio. L’esposizione ai parametri ambientali del sito alimenta, insieme alla precipitazione di efflorescenze saline, la biorecettività delle superfici ossee contribuendo ai danni estetici e meccanici delle ossa fossili, minacciando la conservazione del patrimonio culturale di La Polledrara. Con l’avanzare del degrado, lo studio tafonomico completo delle ossa esposte e in particolare il riconoscimento di tracce d’inestimabile valore come i cut marks, sarebbe impossibile. Tuttavia, conoscere a pieno i fenomeni di biodeterioramento è necessario per sviluppare, in futuro, tecniche di rimedio e prevenzione volte alla conservazione di questa speciale tipologia di Bene Culturale.