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

Technische Samenvatting: Risico's van Degradatie van Temperapigmenten door Syncephalastrum contaminatum en Cladosporium sphaerospermum

Probleemstelling
Temperaschilderingen op hout, met name 16e-eeuwse Russische iconen, bezitten een complexe stratigrafie bestaande uit organische bindmiddelen (dierlijke lijm, eigeel, harsen) en anorganische minerale pigmenten. Hoewel restauratiewerkplaatsen regelmatig te maken krijgen met biodeterioratie, varieert de vatbaarheid van specifieke pigmentgebieden voor schimmeldegradatie aanzienlijk. De studie onderzoekt het gebrek aan begrip over waarom bepaalde pigmenten intact blijven terwijl anderen degraderen, waarbij specifiek wordt gekeken naar de interactie tussen schimmelsporen en zware metaalionen die inherent zijn aan traditionele pigmenten (Fe, Zn, Co, Cd). Het doel is om de risico's op biodegradatie te evalueren om preventieve conserveringsstrategieën te informeren voor temperaschilderingen.

Methodologie
Het onderzoek richtte zich op twee schimmelstammen geïsoleerd van het 16e-eeuwse icoon "Hemelvaart naar de Hel" in de Staatsgalerie Tretiakov: Syncephalastrum contaminatum STG-160 en Cladosporium sphaerospermum STG-161. Het onderzoek maakte gebruik van een veelzijdige aanpak:

1. Genomische Analyse: Whole-genome sequencing (Illumina-technologie) werd uitgevoerd om secundaire metaboliet-genclusters te identificeren, met een specifieke focus op siderofoor-synthesepaden.
2. Mock Layer Experimenten: Prototype miniatuuriconen werden geconstrueerd met traditionele materialen (linnen, gesso, steurlijm, eigeel-emulsie) en specifieke pigmenten (okers, sienna's, zinkwit, cadmiumgeel, kobaltgroen, etc.). Deze werden geïnoculeerd met de schimmelstammen, en de biodeterioratiesnelheden werden gedurende 30 dagen gemonitord via metingen van de koloniadiameter en microscopische observatie (SEM/EDX).
3. In Vitro Metaaltolerantietesten: De schimmels werden gekweekt op Chapek-Dox agar (CDA) aangevuld met variërende concentraties Fe³⁺, Zn²⁺, Co²⁺ en Cd²⁺. Groeïnhibitie werd gemeten om de 50% groeiremmende concentratie (IC₅₀) te bepalen.
4. Elementaire Analyse: Energie-dispersieve röntgenspectroscopie (EDX) werd gebruikt om de elementaire samenstelling van de gebruikte pigmenten in de mock-lagen te karakteriseren.

Belangrijkste Resultaten

• Genomische Bevindingen:

  • S. contaminatum STG-160 bezit twee genclusters (regio's 30.1 en 67.1) die verantwoordelijk zijn voor de synthese van NRPS-onafhankelijke (NI) sideroforen. Deze moleculen vergemakkelijken de chelatie en opname van Fe³⁺ uit inerte bronnen zoals okers en aardpigmenten.
  • C. sphaerospermum STG-161 mist deze specifieke siderofoor-genclusters.
  • S. contaminatum vertoonde in totaal 31 voorspelde secundaire metaboliet-regio's, terwijl C. sphaerospermum er 53 vertoonde, inclusief diverse NRPS en PKS clusters, maar geen siderofoor-regio's.

• Biodegradatie op Mock Layers:

  • S. contaminatum STG-160 vertoonde snelle groei op organische bindmiddelen (eigeel, steurlijm) en ijzerrijke pigmenten (Engels rood, grijsgroen, okers). Het veroorzaakte aanzienlijke oppervlakteschade binnen 10 dagen.
  • C. sphaerospermum STG-161 degradeerde eerst de organische bindmiddelen, maar had minimale impact op aardpigmenten en zinkwit. Deze schimmel wordt gekenmerkt door melanotische (zwarte) pigmentatie.
  • Zinkwit Resistentie: Beide schimmels vertoonden verwaarloosbare groei op zinkwit en pigmenten gemengd met zinkwit, wat wijst op een hoge resistentie tegen zinktoxiciteit in een vaste matrix.
  • Cadmiumgeel: Groei vond plaats op cadmiumgele mock-lagen, waarschijnlijk door het rijke organische medium onder het pigment dat myceliumpenetratie faciliteert, ondanks de aanwezigheid van cadmium.

• Metaaltolerantie (IC₅₀) en Toxiciteit:

  • IJzer (Fe³⁺) en Zink (Zn²⁺): S. contaminatum STG-160 vertoonde een significant hogere tolerantie (IC₅₀: 4,26 mmol/L voor Fe³⁺; 10,8 mmol/L voor Zn²⁺) vergeleken met C. sphaerospermum STG-161 (IC₅₀: 0,81 mmol/L voor Fe³⁺; 2,16 mmol/L voor Zn²⁺). S. contaminatum vertoonde een paraboolvormige groeireactie op Fe³⁺ en Zn²⁺, met een groeispurt tussen 0,5 en 3 mmol/L, wat duidt op een adaptieve benutting van deze metalen.
  • Kobalt (Co²⁺): Beide schimmels vertoonden gevoeligheid, waarbij S. contaminatum een IC₅₀ van 0,22 mmol/L had en C. sphaerospermum 0,11 mmol/L.
  • Cadmium (Cd²⁺): S. contaminatum was zeer gevoelig en vertoonde geen groei, zelfs niet bij de laagst geteste concentraties (0,01–0,1 mmol/L). Daarentegen vertoonde C. sphaerospermum een mate van tolerantie (IC₅₀: 0,017 mmol/L), waarschijnlijk door de vorming van metallothioneïne-complexen die toxische metalen sequesteren.

Betekenis en Claims
Het artikel beweert dat de differentiële degradatie van temperapigmenten direct gerelateerd is aan de specifieke metabole capaciteiten van de contaminerende schimmels en de chemische samenstelling van de pigmenten.

1. Mechanisme van IJzerbenutting: De hoge affiniteit van S. contaminatum voor ijzerrijke pigmenten (okers, sienna's) wordt toegeschreven aan de genomische capaciteit om sideroforen te produceren, waardoor het in staat is ijzer uit minerale pigmenten te oplossen en te transporteren.
2. Voorspellende Conservering: De studie stelt vast dat gebieden met zinkwit en kobaltgroene pigmenten van nature resistent zijn tegen deze specifieke schimmelstammen vanwege de toxiciteit van zware metalen, terwijl ijzerrijke aardpigmenten en organische bindmiddelen hoog-risicogebieden zijn.
3. Conserveringsstrategie: De auteurs stellen voor dat restauratiestrategieën moeten worden afgestemd op de pigmentcompositie. Gebieden met een lage metaaltoxiciteit (ijzerrijke zones) vereisen een grondiger behandeling met biociden om esthetische schade en structureel verlies te voorkomen. Daarentegen vereisen zinkrijke gebieden mogelijk minder agressieve interventie met betrekking tot schimmelgroei.
4. Omgevingscontext: Het artikel merkt op dat hoewel de huidige museumcondities (Staatsgalerie Tretiakov) uitstekend zijn, schimmelsporen latent aanwezig blijven. Veranderingen in temperatuur, vochtigheid of transport kunnen deze stammen reactiveren, waardoor de identificatie van kwetsbare pigmentzones cruciaal is voor langetermijnbehoud.

De auteurs concluderen dat het begrijpen van de specifieke IC₅₀-waarden en genomische kenmerken van lokale schimmelisolaten het risico op biodegradatie voorspelbaar maakt, wat effectievere preventieve en interventieve conserveringsmaatregelen voor temperaschilderingen mogelijk maakt.