북한 고구려 벽화고분의 미생물 분포 및 보존현황
Microorganism Distribution and Preservation Status of Mural Paintings in the Goguryeo Tombs in North Korea
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Abstract
고구려 고분은 북한과 중국에 나뉘어 분포해 있다. 고구려 왕국은 BC 3세기에서 AD 7세기까지 북동중국과 한반도의 반을 차지하였던 가장 강력한 한국의 고대 왕국의 하나이다. 2004년 중국 소주에서 열린 제 28차 세계유산위원회에서 고구려 고분 가운데 63기의 고분이 세계유산으로 등재되었다. 고구려 고분군은 2004년 세계유산 등재이전부터 UNESCO, ICCROM, ICOMOS 등 국제기구로부터 보존관리를 위한 기술 및 전문가 교육 등의 지원이 수행되었다. 1998년 북한의 요청으로 북한의 고구려고분벽화에 대한 일련의 조사와 보존활동이 시작되었고, 한국정부가 2000년부터 약수리 고분의 보존을 위해 10만 달러를 UNESCO에 지원함으로써 이탈리아 등 국제 보존전문가에 의해 벽화고분의 과학적인 보존상태 조사가 이루어 졌다. 이후 2005년 7월19일부터 7월30일까지 남한의 고구려연구재단과 북한의 사회과학원 및 문화보존지도국 인원들로 구성된 고구려유적 남북공동조사단은 평양 일대의 고구려 유적을 분단이후 첫 공동조사가 실시되었다. 특히 2006년 남북공동 고구려벽화고분 보존 실태조사는 남한의 보존과학 전문가가 처음 참여하여 벽화고분의 보존상태 진단, 보존환경, 벽화 안료분석 등을 과학적으로 조사하여 8기 벽화고분에 대한 종합적인 데이터를 확보하였다. 이후 2007년 지속적인 고분 내 환경모니터링의 필요성에 따라 환경측정 장비설치 지원 등이 이루어졌으나 이후 추가적인 남북공동 조사 및 연구는 수행되지 못하고 있다. 이 논문은 북한 소재 고구려 고분벽화의 미생물 분포현황에 대한 과학적 정보와 향후 국제적 공동보존방안 수립을 위해서 2006년 남북역사학자협의회와 국립문화재연구소가 공동 발간한 ‘남북공동 고구려벽화고분 보존상태조사 보고서’ 에 수록된 결과 중 그동안 학회에 발표되지 않은 ‘고구려벽화고분 생물⋅환경조사’ 결과를 정리해서 보고하고자 한다.
Trans Abstract
The ancient Goguryeo tombs are spread throughout North Korea and China. The Goguryeo Kingdom was one of the most powerful Korean kingdoms that occupied half of Northeast China and the Korea n Peninsula from the 3rd century BC to the 7th century AD. In 2004, a t the 28th session of the World Heritage Committee, held in Suzhou, China, 63 of these tombs were designated as World Heritage Sites. Previously, international organizations such as UNESCO, ICCROM, and ICOMOS provided technical and expert training support for the conservation and management of such tombs. In 1998, at the request of North Korea, a series of investigations and conservation activities began on the tomb murals, and in 2000, international experts began investigating the scientific preservation status of the Yaksu‑ri tomb murals with the South Korean government’s assistance of $100,000 provided to UNESCO. From July 19th to 30th, 2005, the Goguryeo Relics North‑South Korea Joint Investigation Team, consisting of members of the Goguryeo Research Foundation in South Korea and the North Korean Academy of Social Sciences and Cultural Conservation Guidance, conducted its first joint investigation of the ruins since the two countries were divided. The 2006 Inter‑Korean Joint Goguryeo Mural Tomb Preservation Survey was the first time that South Korean conservation experts participated in scientifically investigating the preservation status and environment of mural tombs and mural pigment analysis. This was to secure comprehensive data on eight tombs. In 2007, additional support for the installation of the necessary measurement equipment was provided to continuously monitor the environments of the ancient tombs. Subsequently, no additional inter‑Korean joint investigation and research has been conducted. To provide scientific information on the distribution of microorganisms in the mural paintings of the tombs and to help establish a future joint preservation plan this study summarizes and reports on the “examination of a biological and environmental survey of the Goguryeo tomb mural paintings” from the results of the 2006 Inter-Korean Joint Goguryeo Mural Conservation Survey Report, jointly published by the Inter-Korean Historians Association and the National Research Institute of Cultural Heritage, which has not previously been presented at academic conferences.
1. 서 론
벽화표면에서 생물의 발생은 생물종의 특성과 석재 및 벽체의 특성(광물질 조성,벽화안료,영양분, pH, 염분, 함수율 등)에 따라 발생될 수 있으며, 또한 온도, 상대습도, 광조건 등과 같은 고분내 환경조건에 따라 발생될 수 있다. 벽화 및 벽체에 손상을 줄 수 있는 생물은 미생물인 박테리아(Bacteria), 곰팡이(Fungi)에서 하등식물인 조류(Algae), 지의류(Lichen), 이끼류 및 선태류에 이르기 까지 다양하다. 벽화표면에서 고분내 식물 및 미생물 발생은 구조체의 침식과 착색을 발생시켜 벽화에 심각한 손상을 야기시킬 수 있다.
동굴 및 고분의 고습한 환경조건은 인공적으로 고분내 습도를 조절하는 것은 거의 불가능하며, 따라서 기회적으로 미생물이 성장하고 번식할 가능성이 매우 높다. 한국의 공주 무령왕릉과 왕릉원은 백제시대 고분군으로 무녕왕릉을 포함한 7기의 고분이 있으며 이중 무녕왕릉은 벽돌무덤으로 1971년 5, 6호분 보수공사때 발견된 벽돌무덤이다. 발굴이후 일반에게 공개되어 오다 1995년 여름 공주지방에 내린 심한 강우현상으로 인하여 5호분에 심한 누수현상이 발생됨에 따라 벽돌 표면의 수분과 높은 상대 습도로 인한 전실 전체에 걸쳐 Lyngbya spp.와 Gloeocapsa spp. 남조류가 발생되었다. 국립문화재연구소 주관으로 1996년부터 5월부터 1997년 4월까지 1년간 정밀조사 및 보존처리를 실시하고 현재 폐쇄되어 정기적인 보존상태 모니터링을 실시 중에 있다. 또한 세계적으로 유명한 프랑스 라스코(Lascaux) 동굴벽화는 1940년에 발견된 이후 관람객 출입 및 1999년부터 2001년 사이 동굴안에서 행해진 여러 가지 인위적인 보수공사 작업 중 미생물이 심각하게 발생되었다. 특히 동굴내 발생된 Fusarium sp. 등 곰팡이는 지속된 살균처리로 살균제에 대한 내성이 발생됨에 따라 현재 폐쇄되어 전문가에 의해서 환경 및 생물피해 상태에 대한 정기적인 모니터링이 진행되고 있다.
고구려 고분은 북한과 중국에 나뉘어 분포해 있다. 고구려 왕국은 BC 3세기에서 AD 7세기까지 북동중국과 한반도의 반을 차지하였던 가장 강력한 왕국의 하나이다. 아름다운 벽화로 장식된 고구려의 고분들은 고구려 문화 중 거의 유일하게 남은 유적이라는 점에서 중요성을 갖고 있다(Jeon Ho-tae 2004, Ko, Kwang-eui.2019). 현재까지 북한과 중국에서 발견된 10,000기 이상의 고구려 고분 가운데 90기 정도만 벽화를 가지고 있다. 왕과 귀족을 위해 만들어진 것으로 여겨지는 이들 고분들과 벽화는 이 시기의 생활풍속에 대하여 유일한 증거를 제공하고 있다. 이러한 유산적 가치를 인정받아 고구려 고분가운데 63기의 고분이 2004년 유네스코 세계문화유산에 등재되었으며(Jeon Ho-tae 2014), 2006년과 2007년에는 남북공동조사단이 북한에 있는 고구려 벽화고분의 상태를 조사하고 보존처리를 지원하였다. 2006년 남북공동조사 때 고구려 고분 내 부유 미생물 및 벽체에 발생한 미생물의 동정을 통한 생물피해에 대한 고분의 보존환경을 예측하고 장기적 보존방안 수립을 위하여 다음과 같은 조사 및 실험을 수행하였다.
2. 조사 및 연구방법
2.1. 대상 및 기간
2006년 4월 15일부터 5월2일까지 14일간 북한 평양일대 고구려 고분과 벽화 8기에 대한 보존상태를 남한과 북한의 공동조사를 실시하였다. 조사대상은 평양 및 안악지역 일대의 벽화고분으로서 진파리 1호분과 4호분, 호남리 사신총, 수산리 벽화고분, 덕흥리 벽화고분, 강서대묘, 강서중며, 안악 3호분 등 8개 고분이었다. 또한 벽화가 없는 고분으로는 동명왕릉지구의 고분가운데 진파리 7호분과 강서소묘도 내부조사를 실시하였다.
2.2. 미생물 포집 및 배양
각 고분의 공기중에 존재하는 미생물을 포집하기 위해서 묘실과 묘실의 벽화 보존을 위하여 유리벽이 설치되어 있는, 덕흥리 고분, 수산리 고분, 안악 3호분, 강서대묘, 강서중묘에서 유리벽 안쪽의 공기를 공기포집기(M Air T, Millipore)를 이용하여 공기 500 리터를 멸균된 TSA(Tryptone Soya Agar)를 통과하게 한 뒤 미생물을 포집하였다. 대조군으로는 고분의 외곽 공기 500 리터를 동일한 방법으로 여과하여 미생물을 포집하였다. 또한 수산리 고분, 호남리 사신총에서는 처음에 사람의 왕래가 없는 조건에서 뿐만 아니라 조사를 위해 여러 사람이 묘실 내에 있었던 후의 공기도 포집하여 비교하였다. 이러한 방법으로 포집한 TSA(Tryptone Soya Agar) 배지를 25°C 실온에서 3-4일간 배양하였다. TSA 평판배지에서 자라 올라온 미생물들은 일차적으로 각 고분별로 나타난 세균 및 곰팡이들의 수를 기록하여 분석하였다.
또한 고분 벽화표면에서 미생물의 흔적 또는 예상되는 위치로부터 미생물을 직접적으로 포집하기 위해서 멸균된 nitro cellulose(NC) 멤브레인과 멸균봉을 이용하여 포집하였다. NC 멤브레인의 경우 멸균된 증류수로 충분히 적신 후 벽화표면에 흡착하였으며, 흡착 15분 경과 후 수집하였고 이때 벽화표면 안료에 손상을 주지 않도록 최대한 주의하였다. 이렇게 포집된 NC 멤브레인은 TSA배지에 올려놓고 이들을 25℃ 실온에서 3-5일간 배양하였다. 멸균봉의 경우 TSA 배지에 직접 도말하여 동일하게 배양하였다.
2.3. 배양 미생물의 형태분류 및 대표미생물의 분자 동정
배양되어진 미생물들에서 분리가 가능한 세균을 대상으로 단군집 분리(single colony isolation)를 TSA 배지에서 수행하였다. 육안으로 구별되어지는 곰팡이들은 옥수수 한천배지(Corn meal agar), 말트 추출액 한천배지(Malt extract agar), Aspergillus 완전배지를 이용하여 균주별로 이들 3 배지에서 단군집분리를 수행하였다. 배지는 30°C에서 3-4일간 배양하였고 자라난 균주들의 군집(colony) 형태, 색상, 크기, 등의 차이를 기준으로 미생물포집기로 포집된 공기부유 미생물의 경우 16개의 그룹으로, 멸균봉과 NC 멤브레인으로 포집된 벽화표면 미생물의 경우 14개의 그룹으로 일차적으로 분류하였다.
분류된 미생물 중 박테리아 시료들의 분자 동정을 위하여 16S rRNA(세균) 및 18S rRNA(곰팡이) 유전자의 염기서열 결정을 시도하였다. 이를 위하여 단군집 분리가 되어진 세균들과 곰팡이 모두를 대상으로 하여 액체 배양을 시도하였고 이들 배양액에서 genomic DNA를 추출하였다. 일차적으로 각 그룹에서 대표적인 세균들에서 추출된 DNA를 주형(template)으로 하여 16S rRNA 유전자 및 곰팡이를 대상으로는 18S rRNA 유전자의 일부를 특정 DNA 프라이머(primer)를 제조하여 PCR 증폭하였다. PCR에 의하여 증폭된 DNA 조각은 클로닝 과정을 거치지 않고 직접 분리키트(PCR purification kit; Promega)를 이용하여 순수분리 정제 후 자동염기서열결정기(Automatic DNA sequencer; Perkin-Elmer)를 이용하여 직접 염기서열 분석을 하여 서열을 결정하였다. 결정된 염기서열을 이용하여 미국 NCBI(National Center for Biotechnology Information)의 염기서열 데이터베이스(DB)를 BlastN search (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/BLAST/) 프로그램을 이용하여 세균을 동정하였다.
3. 조사결과
3.1. 고분주변 외기 및 내부 부유미생물 분포도
조사기간 중 각 고분의 외기 및 내부 공기중에 존재하는 미생물의 개체수를 측정한 결과, 유리벽 구조물이 없는 밀폐된 고분군에 대한 개체수는 진파리 4호, 진파리 1호, 호남리 사신총에서 각각 외기 732 개체/묘실 84 개체, 외기 984 개체/묘실 576 개체, 외기 521 개체/묘실 350 개체로 묘실 내부는 외기보다 1.5배에서 9배 적은 개체수를 보였다(Table 1).
Number of airborne microorganisms in each tomb
유리벽 구조물이 설치된 덕흥리 고분, 수산리 고분, 강서대묘, 강서중묘의 경우(안악 3호 제외) 유리벽 안쪽 공간에서 포집된 미생물의 개체수는 각각, 묘실 153 개체/묘실유리안 43 개체, 묘실 85 개체/묘실유리안 42 개체, 묘실 151 개체/묘실유리안(157 개체), 묘실 67 개체/묘실유리안 18 개체로 강서대묘를 제외하고는 묘실유리안은 묘실보다 2배에서 3.7배 개체수가 적게 측정되었다(Table 1).
수산리고분 및 호남리사신총에서 조사원 4∼5명이 조사중인 상황에서 2차로 묘실내부의 공기중 미생물을 포집하여 개체수를 조사한 결과, 1차 측정 개체수 대비 수산리의 경우 85 개체에서 206 개체로, 호남리사신총의 경우 350 개체서 624 개체로 증가되는 것을 확인할 수 있었다. 특히 호남리사신총의 경우 외기의 개체수(521 개체) 보다 높은 개체수 증가를 나타내었다(Table 1).
3.2. 부유 미생물의 종 동정
고분별 포집된 공기중 부유미생물로부터 순수분리 배양된 배지들은 자라난 균주들의 집락 형태, 색상, 크기, 등의 차이를 기준으로 16개 종류로 1차 분류되었다. 분류된 미생물에 대한 DNA 추출 및 유전자 증폭 후 분리된 DNA 조각의 염기서열 분석을 실시한 결과, 총 16종의 미생물이 동정되었다.
세균의 경우 Planococcus sp. NPO-JL-69, Paenibacillus amylolyticus/Paenibacillus pabuli, Arthrobacter luteolus/Arthrobacter citreus, Plantibacter aurantiacus, Staphylococcus equorum, Staphylococcus spp. Streptomyces spp. Bacillus simplex, Psychrobacter sp. ikaite c11/Psychrobacter faecalis/Psychrobacter pulmonis, Pseudomonas sp., Rhodococcus erythropolis, Bacillus sp. GS1, Pseudomonas fluorescens PfO-1 등 총 13종의 동정되었으며, 곰팡이의 경우 Neurospora sp.(추정), Geomyces pannorum, Penicillium sp. 등 총 3종이 동정 되었다.
공기중 부유미생물로부터 동정된 세균 및 곰팡이는 대부분 토양미생물 및 수인성 미생물 그리고 부유 곰팡이로써, 공기중 이러한 미생물의 존재는 기회적으로 벽화표면에서 미생물의 성장을 발생 시킬 수 있으나, 미생물이 성장하기 위해서는 벽화표면에 선택적 영양원의 존재 유무 및 적정한 온⋅습도 조건 등 다양한 환경적 평형조건이 필요함에 따라 동정된 모든 미생물에 대한 생물학적 피해가 예상되지는 않는다.
3.3. 벽화표면 미생물의 종 동정
고분별 벽화표면 및 벽체에서 직접 포집한 미생물로부터 순수분리 배양된 배지들은 자라난 균주들의 집락 형태, 색상, 크기, 등의 차이를 기준으로 14개 종류로 1차 분류되었다. 분류된 미생물에 대한 DNA 추출 및 유전자 증폭 후 분리된 DNA fragment의 염기서열 분석을 실시한 결과, 총 14종의 미생물이 동정되었다(Table 2).
Identification of microbial species on mural surface
세균의 경우 Bacillus sp. YACN-9, Sphingobacterium sp. KL2C2, Streptomyces spp, Bacillus macroides, Bacillus amylolyticus, Bacillus sp. Bt176 OTU2, Paenibacillus sp. 61724, Bacillus sp. R42S, Bacillus sp. DCA-5, Pantoea agglomerans, Pseudomonas aurantiaca 등 총 11종이 동정되었으며, 곰팡이의 경우 아직 보고되지 않은 새로운 곰팡이로 추정되는 KKR-2006, Paecilomyces lilacinus strain CBS 284.36 / Cordyceps heteropoda, Trichoderma sp. 등 총 3종이 동정되었다(Figure 1).
3.3.1. 수산리 고분
수산리 고분 서측연도 벽면은 흰회색 미생물로 표면 오염이 심각하게 발생된 상태로 멸균봉과 NC 멤브레인을 이용 미생물을 채집(수1, 수-2, 수-1N, 수-3N), 종 분석을 실시한 결과 Bacillus sp. YACN-9, Paenibacillus sp. 61724 그리고 Paecilomyces lilacinus strain CBS 284.36 / Cordyceps heteropoda가 동정되었다. 또한 미동정 흰색곰팡이의 성장을 확인할 수 있었는데 미동정 곰팡이는 향후 추가 실험을 통해서 동정할 예정이다. 또한 우측연도 벽면에 그려진 도상얼굴 표면에 발생된 검은 얼룩오염으로부터 미생물을 채집(수-4N) 종 분석을 실시한 결과 Pseudomonas aurantiaca와 Pantoea agglomerans 2종이 동정되었다.
서측벽면 하단부 시멘트로 보수처리된 부위에서 발생된 흰색결정을 채집하여(수-5) 분석한 결과, 고분 바닥표면에 주로 존재하는 토양 미생물인 Bacillus sp.만이 동정됨에 따라 흰색 결정체는 미생물의 성장으로 발생된 것으로 보이지 않는다.
3.3.2. 안악 3호 고분
안악 3호 서측실 서벽에 그려진 남자주인공 주변 및 손에 발생된 검은색 흑점에 대한 미생물을 분석한 결과(안-3, 안-3N), 미생물 성장은 관찰되지 않았으나 미생물이 벽화표면에 성장 후 현재 미생물이 고사된 상태인지에 대한 확인조사가 향후 필요하다. 그러나 서측실 좌측면 도상에서 발생된 검은색 흑점의(안-1N, 안-2N) 경우, Bacillus amylolyticus와 Paecilomyces lilacinus strain CBS 284.36 / Cordyceps heteropoda가 동정되었다. 따라서 검은색 흑점의 발생원인을 규명하기 위해서 향후 의사 벽화 및 벽체를 제작하고 동정된 미생물들과 성장에 따른 상호작용에 대한 규명연구가 필요한 것으로 생각되어진다(Figure 2).
Anak Tomb No. 3, West Room, Microorganism Collection Site Left: (An-3, An-3N); Right: (An-1N, An-2N).
또한 서측실 우측 뒷면에서 발생된 검은색 오염물에 대한 미생물 분석결과(안-4N), 아직까지 보고되지 않은 새로운 종으로 생각되어지는 흰색곰팡이 KKR-2006가 동정되었으나 KKR-2006가 흑화현상의 직접적인 요인으로 작용한 것으로는 생각되어지지 않는다(Figure 3). 각 고분에서의 표면에서 채취한 미생물의 동정 결과를 Table 2에 정리하였다.
Anak Tomb No. 3, West Room, Microorganism Collection Site(An-4N).
4. 고 찰
조사결과 모든 고분에서 미생물 개체수는 묘실내부가 외기보다 적게(1.5∼9배) 측정되었고, 특히 유리벽 구조물안 공간에서의 미생물 분포는 묘실보다 2∼4배 낮게 나왔다. 이는 고분별 외부에서 고분내부로 들어가기 위해 설치된 복도 연결구조물 및 중간 차단문이 1차적으로 외부로부터 고분내부로의 공기유입을 차단시킴에 따라 미생물의 개체수를 감소시키며, 또한 고분내 설치된 유리벽 구조물은 외부로부터 유입된 미생물에 대한 2차적인 차단막으로 작용하는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 조사원이 조사하기 전(사람이 들어가기 전) 포집된 고분내 부유 미생물의 개체수 대비, 조사원 4∼5명이 조사하는 동안 포집된 미생물의 개체수가 1.4∼1.8배 증가되는 것을 확인됨에 따라 관람객 및 조사원 출입 시 소독처리 된 신발 및 살균상태의 방진복 착용이 요구되어지며 또한 미생물의 유입 및 생물피해 가능성에 대한 장기적인 모니터링이 요구된다.
공기 중 부유미생물로부터 총 16종이 동정 되었으며, 동정된 대부분의 세균 및 곰팡이는 일반적인 고구려 고분내 낮은 온도로 인해 성장이 억제될 것으로 예상된다. 그러나 덕흥리 묘실에서 분리 동정된 Psychrobacter sp. 및 강서대묘, 덕흥리고분, 안악3호분, 진파리 1호분에서 분리 동정된 Geomyces pannorum의 경우 저온에서도 성장할 수 있는 생화학적인 특성을 보임에 따라 고분내 또는 벽화표면의 영양원 조건에 따라 기회적인 성장이 예측된다. 벽화표면으로부터 총 14종이 동정되었으며, 대부분의 미생물은 토양미생물인 Bacillus sp.로 총 6종으로 가장 많이 분석되었다. 이는 고분 바닥토양으로 Bacillus sp.가 벽화 표면으로 유입되어 전체적으로 오염이 발생된 것으로 생각되어진다. 향후 고분 벽화표면에서 발생된 검은색 반점 등 다양한 표면 오염물에 대한 정확한 원인 규명을 위해서는 환경조건에 따른 미생물별 성장과 벽화 및 벽체와 상호작용에 대한 종합적인 연구가 요구되어 진다.
세계유산인 고구려 벽화고분의 과학적 보존을 위해서는 고분축조기술, 벽화제작기법, 벽화보존처리기술, 고분보존환경제어방안, 미생물제어 및 세척방안 등 종합적이고 체계적인 국제적인 협력 및 지원 연구가 수행되어져야 한다. 2007년 이후 14년간 단절되어온 과학적인 보존 연구를 지속하기 위해서 한국과 북한의 전문가들과 국외 전문가들과 공동으로 고구려 벽화고분 보존을 위한 종합관리 체계가 수립될 수 있길 기대한다.
Acknowledgements
이 연구는 2006년 남북역사학자협의회와 국립문화재연구소의 공동사업에 의해 수행되었으며, 이 논문은 2021년도 한국연구재단 국제협력사업의 지원으로 수행 된 연구결과(과제번호: 2019K1A3A1A25000303)인 Biological Risk For Hypogea: Shared data among Italy and Republic of Korea 영문책자에 수록된 논문을 국문으로 수정 투고하였다. 본 실험에 도움을 준 배재대학교 생명과학과 채순기(Suhn Kee Chae) 교수에게 감사한다.