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

기술 요약: Syncephalastrum contaminatum 및 Cladosporium sphaerospermum에 의한 템페라 안료 퇴화 위험성

문제 제기
목판 위에 그려진 템페라 회화, 특히 16세기 러시아 이콘은 유기 결합제(동물성 접착제, 달걀 노른자, 수지)와 무기 광물 안료로 구성된 복잡한 층상 구조를 지니고 있다. 복원 작업 현장에서는 생물학적 퇴화 현상이 빈번하게 발견되지만, 특정 안료 영역이 곰팡이에 의해 퇴화되는 정도는 매우 상이하다. 본 연구는 왜 특정 안료는 온전하게 유지되는 반면 다른 안료는 퇴화되는지에 대한 이해가 부족하다는 점에 주목하며, 특히 곰팡이와 전통 안료에 내재된 중금속 이온(Fe, Zn, Co, Cd) 사이의 상호작용을 조사한다. 본 연구의 목적은 템페라 회화의 예방적 보존 전략을 수립하기 위해 생물학적 퇴화 위험을 평가하는 것이다.

연구 방법론
본 연구는 국립 트레탸코프 미술관에 소장된 16세기 이콘 "지옥으로의 하강(Descent into Hell)"에서 분리된 두 가지 곰팡이 균주, Syncephalastrum contaminatum STG-160과 Cladosporium sphaerospermum STG-161에 초점을 맞추었다. 조사는 다각적인 접근 방식을 통해 수행되었다:

1. 유전체 분석: 이차 대사산물 유전자 클러스터, 특히 시데로포어(siderophore) 합성 경로를 식별하기 위해 전장 유전체 시퀀싱(Illumina 기술)을 실시하였다.
2. 모의 층 실험: 전통 재료(리넨, 젯소, 철갑상어 풀, 달걀 노른자 에멀션)와 특정 안료(황토, 시에나, 아연 백색, 카드뮴 황색, 코발트 녹색 등)를 사용하여 프로토타입 미니어처 이콘을 제작하였다. 이를 곰팡이 균주로 접종한 후, 군락 직경 측정 및 현미경 관찰(SEM/EDX)을 통해 30일 동안 생물학적 퇴화율을 모니터링하였다.
3. In Vitro 금속 내성 테스트: 다양한 농도의 Fe³⁺, Zn²⁺, Co²⁺, Cd²⁺가 첨가된 Chapek-Dox 한천 배지(CDA)에서 곰팡이를 배양하였다. 성장 억제 정도를 측정하여 50% 성장 억제 농도(IC₅₀)를 결정하였다.
4. 원소 분석: 에너지 분산형 X선 분광법(EDX)을 사용하여 모의 층에 사용된 안료의 원소 구성을 특성화하였다.

주요 결과

• 유전체 분석 결과:

  • S. contaminatum STG-160은 불활성 원천인 황토나 토양 안료로부터 Fe³⁺를 킬레이트화하고 흡수할 수 있게 하는 NRPS 독립형(NI) 시데로포어 합성 책임 유전자 클러스터(영역 30.1 및 67.1)를 보유하고 있다.
  • C. sphaerospermum STG-161은 이러한 특정 시데로포어 유전자 클러스터가 결여되어 있다.
  • S. contaminatum은 총 31개의 예측된 이차 대사산물 영역을 보였으며, C. sphaerospermum은 다양한 NRPS 및 PKS 클러스터를 포함하여 53개의 영역을 보였으나 시데로포어 영역은 없었다.

• 모의 층에서의 생물학적 퇴화:

  • S. contaminatum STG-160은 유기 결합제(달걀 노른자, 철갑상어 풀)와 철이 풍부한 안료(잉글리시 레드, 그레이-그린, 황토)에서 급격한 성장을 보였다. 이는 10일 이내에 심각한 표면 손상을 일으켰다.
  • C. sphaerospermum STG-161은 유기 결합제를 먼저 퇴화시켰으나, 토양 안료 및 아연 백색에는 최소한의 영향만을 미쳤다. 이 균주는 멜라닌 색소(검은색) 형성이 특징이다.
  • 아연 백색 저항성: 두 곰팡이 모두 아연 백색 및 아연 백색이 혼합된 안료에서 성장이 거의 나타나지 않았는데, 이는 고체 매질 내에서 아연 독성에 대한 높은 저항성을 나타낸다.
  • 카드뮴 황색: 카드뮴의 존재에도 불구하고, 안료 아래의 풍부한 유기 매질이 균사의 침투를 용이하게 함으로써 카드뮴 황색 모의 층에서 성장이 일어났다.

• 금속 내성(IC₅₀) 및 독성:

  • 철(Fe³⁺) 및 아연(Zn²⁺): S. contaminatum STG-160은 C. sphaerospermum STG-161(IC₅₀: Fe³⁺ 0.81 mmol/L; Zn²⁺ 2.16 mmol/L)에 비해 현저히 높은 내성(IC₅₀: Fe³⁺ 4.26 mmol/L; Zn²⁺ 10.8 mmol/L)을 보였다. S. contaminatum은 Fe³⁺ 및 Zn²⁺에 대해 포물선형 성장 반응을 보였으며, 0.5~3 mmol/L 사이에서 성장이 급증했는데, 이는 이들 금속을 적응적으로 활용함을 시사한다.
  • 코발트(Co²⁺): 두 곰팡이 모두 민감성을 보였으며, S. contaminatum의 IC₅₀는 0.22 mmol/L, C. sphaerospermum은 0.11 mmol/L였다.
  • 카드뮴(Cd²⁺): S. contaminatum은 가장 낮은 농도(0.01–0.1 mmol/L)에서도 성장이 나타나지 않을 정도로 매우 민감했다. 반면, C. sphaerospermum은 독성 금속을 격리하는 메탈로티오네인(metallothionein) 복합체 형성 덕분에 일정 수준의 내성(IC₅₀: 0.017 mmol/L)을 보였다.

의의 및 주장
본 논문은 템페라 안료의 차별적 퇴화가 오염된 곰팡이의 특정 대사 능력 및 안료의 화학적 조성과 직접적으로 연관되어 있다고 주장한다.

1. 철 활용 기전: 철이 풍부한 안료(황토, 시에나)에 대한 S. contaminatum의 높은 친화력은 시데로포어를 생성하여 광물 안료로부터 철을 용해하고 운반할 수 있는 유전적 능력에 기인한다.
2. 예측적 보존: 본 연구는 아연 백색 및 코발트 녹색 안료를 포함하는 영역이 중금속 독성으로 인해 이러한 특정 곰팡이 균주에 대해 자연적인 저항성을 갖는 반면, 철이 풍부한 토양 안료와 유기 결합제는 고위험 구역임을 입증한다.
3. 보존 전략: 저자는 안료 조성에 따라 복원 전략이 맞춤화되어야 한다고 제안한다. 금속 독성이 낮은 영역(철이 풍부한 구역)은 미적 손상과 구조적 손실을 방지하기 위해 더 철저한 살균 처리가 필요하다. 반대로, 아연이 풍한 영역은 곰팡이 성장에 대한 보다 공격적인 개입이 덜 필요할 수 있다.
4. 환경적 맥락: 논문은 현재의 박물관 환경(국립 트레탸코프 미술관)이 매우 우수하지만, 곰팡이 포자는 휴면 상태로 남아 있음을 언급한다. 온도, 습도 또는 운송 과정의 변화는 이 균주들을 재활성화할 수 있으므로, 취약한 안료 구역을 식별하는 것이 장기적 보존에 필수적이다.

저자들은 특정 IC₅₀ 값과 유전적 특성을 이해함으로써 생물학적 퇴화 위험을 예측할 수 있으며, 이를 통해 템페라 회화에 대해 더욱 효과적인 예방적 및 개입적 보존 조치를 수행할 수 있다고 결론짓는다.