Mold Fungi Syncephalastrum contaminatum STG-160 and Cladosporium sphaerospermum STG-161 from 16 th century icon—Risks of Tempera Pigments Degradation

技術要約：Syncephalastrum contaminatum および Cladosporium sphaerospermum によるテンペラ顔料の劣化リスク

問題提起
木板に描かれたテンペラ画、特に16世紀のロシア・イコンは、有機バインダー（動物膠、卵黄、樹脂）と無機鉱物顔料からなる複雑な層構造を有している。修復現場では生物学的劣化が頻繁に遭遇する問題であるが、特定の顔料領域の生物分解に対する感受性は大きく異なる。本研究は、なぜ特定の顔理は無傷のまま残り、他の顔料は劣化するのかという理解の欠如に対処するものであり、特に、カビ菌と伝統的な顔料に含まれる重金属イオン（Fe, Zn, Co, Cd）との相互作用を調査する。その目的は、テンペラ画の予防的保存戦略に資するための生物分解リスクを評価することである。

研究手法
本研究は、国立トレチャコフ美術館所蔵の16世紀イコン「地獄への降下」から分離された2つの菌株、Syncephalastrum contaminatum STG-160 および Cladosporium sphaerospermum STG-161 に焦点を当てた。調査には多角的なアプローチを用いた：

1. ゲノム解析： 全ゲノム配列決定（Illuminaテクノロジー）を実施し、二次代謝物遺伝子クラスター、特にシデロフォア合成経路に焦点を当てて特定を行った。
2. 模擬層実験： 伝統的な材料（リネン、ジェッソ、チョウザメ膠、卵黄乳濁液）と特定の顔料（オーカー、シエナ、亜鉛白、カドミウムイエロー、コバルトグリーンなど）を用いて、プロトタイプのミニチュア・イコンを作成した。これらに菌株を接種し、コロニー径の測定および顕微鏡観察（SEM/EDX）を通じて、30日間にわたる生物劣化率をモニタリングした。
3. イン・ビトロ金属耐性試験： 様々な濃度のFe³⁺、Zn²⁺、Co²⁺、Cd²⁺を添加したChapek-Dox寒天培地（CDA）で菌類を培養した。成長抑制を測定し、50%成長抑制濃度（IC₅₀）を決定した。
4. 元素分析： エネルギー分散型X線分光法（EDX）を用い、模擬層に使用された顔料の元素組成を特性評価した。

主な結果

• ゲノック解析の結果：

  • S. contaminatum STG-160 は、オーカーや土系顔料のような不活性な源から Fe³⁺ のキレート化および取り込みを促進する分子である、非リボソーム型（NI）シデロフォア合成を担う2つの遺伝子クラスター（領域 30.1 および 67.1）を保有している。
  • C. sphaerospermum STG-161 は、これらの特定のシデロフォア遺伝子クラスターを欠いている。
  • S. contaminatum は計31個の予測される二次代謝物領域を示したのに対し、C. sphaerospermum は、様々な NRPS および PKS クラスターを含む53個の領域を示したが、シデロフォア領域は含まれていなかった。

• 模擬層における生物分解：

  • S. contaminatum STG-160 は、有機バインダー（卵黄、チョウザメ膠）および鉄に富む顔料（イングリッシュレッド、グレーグリーン、オーカー）上で急速な成長を示した。これは10日以内に顕著な表面損傷を引き起こした。
  • C. sphaerospermum STG-161 は、有機バインダーを最初に分解したが、土系顔料や亜鉛白への影響は最小限であった。この菌はメラニン色素（黒色）による着色を特徴とする。
  • 亜鉛白への耐性： 両菌株とも、亜鉛白または亜鉛白を混合した顔料上での成長は無視できる程度であり、固形マトリックス内での亜鉛毒性に対して高い耐性を示した。
  • カドミウムイエロー： カドミウムの存在にもかかわらず、顔料の下にある豊かな有機媒体が菌糸の浸透を促進したため、カドミウムイエローの模擬層上で成長が見られた。

• 金属耐性（IC₅₀）および毒性：

  • 鉄（Fe³⁺）および亜鉛（Zn²⁺）： S. contaminatum STG-160 は、C. sphaerospermum STG-161（IC₅₀: Fe³⁺ = 0.81 mmol/L; Zn²⁺ = 2.16 mmol/L）と比較して、有意に高い耐性を示した（IC₅₀: Fe³⁺ = 4.26 mmol/L; Zn²⁺ = 10.8 mmol/L）。S. contaminatum は Fe³⁺ および Zn²⁺ に対して放物線状の成長反応を示し、0.5 から 3 mmol/L の間で成長の急増が見られた。これは、これらの金属の適応的な利用を示唆している。
  • コバルト（Co²⁺）： 両菌株ともに感受性を示し、S. contaminatum の IC₅₀ は 0.22 mmol/L、C. sphaerospermum は 0.11 mmol/L であった。
  • カドミウム（Cd²⁺）： S. contaminatum は極めて敏感であり、テストされた最低濃度（0.01–0.1 mmol/L）において成長が見られなかった。対照的に、C. sphaerospermum は、毒性金属を隔離するメタロチオネイン複合体の形成により、ある程度の耐性（IC₅₀: 0.017 mmol/L）を示した。

意義および主張
本論文は、テンペラ顔料の差次的劣化は、汚染菌類の特定の代謝能力と顔料の化学組成に直接関連していると主張している。

1. 鉄利用のメカニズム： 鉄に富む顔料（オーカー、シエナ）に対する S. contaminatum の高い親和性は、シデロフォアを生成するゲノム能力に起因しており、これにより鉱物顔料から鉄を可溶化し輸送することが可能となる。
2. 予測的保存： 本研究は、亜鉛白やコバルトグリーンを含む領域は、重金属毒性によりこれらの特定の菌株に対して自然に耐性を持っている一方で、鉄に富む土系顔料や有機バインダーは高リスクゾーンであることを確立した。
3. 保存戦略： 著者らは、顔料組成に基づいた修復戦略を提案している。低金属毒性領域（鉄に富むゾーン）では、審美的な損傷や構造的損失を防ぐために、より徹底した殺生物剤処理が必要となる。逆に、亜鉛に富む領域は、菌類の増殖に関して、より穏やかな介入で済む可能性がある。
4. 環境的背景： 本論文は、現在の美術館（国立トレチャコフ美術館）の環境は極めて良好であるが、菌類の胞子は休眠状態にあることを指摘している。温度、湿度、または輸送の変化によって、これらの菌株が再活性化する可能性があるため、脆弱な顔料ゾーンを特定することが長期的な保存において極めて重要である。

著者らは、局所的な菌分離株の具体的な IC₅₀ 値とゲノム特性を理解することで、生物分解リスクの予測が可能となり、それによってテンペラ画に対するより効果的な予防的および介入的な保存措置が可能になると結論付けている。