미생물 매트

대부분의 미생물들은 자연환경에서 생물 또는 비생물의 다양한 표면에 집락(colony)을 이루며 살아가고 있으며, 이렇게 한 종류의 미생물, 또는 다양한 종들의 복합미생물들이 표면에 살아가는 형태를 생물막(biofilm)이라고 부른다.. 이러한 생물막이 퇴적층과 물이 만나는 다양한 담수(fresh water)와 해양(marine water)의 수중환경에서 층(layers)을 이루어 존재하는 경우, 미생물 매트(microbial mat)라고 부른다. 때로는 생물막과 미생물 매트라는 용어를 미생물학 교과서에서 혼용하여 사용하고 있지만, 미생물 매트는 더 정확하게 말하면, 각 미생물이 층을 이루며 살아가고 있는 형태만을 말한다. 광합성 미생물, 특히 남조세균(cyanobacteria)의 화석으로 알려진 스트로마톨라이트(stromatolites, 미생물 활동으로 생긴 박편상 석회암, 그림 1)이 대표적인 미생물 매트이다¹⁾.

그림 1. 호주서부의 Hamelin Pool Marine Nature Reserve, Shark Bay에 존재하는 Stromatolites ()

목차

담수 및 해양 등의 수중환경에서 다양한 폴리머 입자와 미네랄 표면, 그리고 물 안에 잠긴 인공 건축물이나 배의 표면 등 이동성이 적은 다양한 표면이 존재한다. 이러한 표면에 해양, 담수 미생물이 군집을 이루어 미생물 매트를 형성하고 매트 안에서 다양한 기능을 수행하게 된다. 미생물 매트 안의 미생물들은 서로 대사적으로 협동하며 살아가며, 다양한 물질을 서로 분비하고, 대사물질을 공유할 수 있다. 미생물 매트는 생물막과 같이 환경으로부터의 보호기능 등 이점이 있다. 특히, 미생물 매트의 군집은 원생동물(protists)과 박테리오파지(bacteriophage)와 같은 생물적 천적이나 중금속, 항생물질, 오염물질과 같은 다양한 독성의 화학물질에 대하여 보호 효과를 갖는다. 또한, 다양한 표면 위의 미생물 매트는 영양분을 얻기 위한 많은 생태적 이득을 가져다 줄 수 있다. 해양과 담수의 이온(ion) 또는 소수성(hydrophobic) 물질은 미생물 매트 안에서 농축될수 있으며, 단일 종이 분해하기 어려운 영양물질을 미생물 매트 안의 복합 종들이 서로 상호작용으로 분해할 수도 있다. 이렇게 미생물 매트 안의 미생물의 상호작용을 통하여 대사적인 협동작용을 할 수도 있고, 뿐만 아니라, 유전자교환이 일어나기도 한다. 이는 아마도 미생물 매트 안의 세포들이 물리적으로 아주 가깝게 접근되어 있을 뿐만 아니라, 생리적으로도 부유하고 있는 세포와 아주 다른 특징을 나타내기 때문일 것이다.

그림 2. 다양한 미생물이 층을 이루는 미생물 매트()

미생물 매트에서 세균은 항상 주요 구성원인 반면, 고균(archaea)과 진핵생물(eukaryotes)은 적은 비율로 존재한다. 고균(archaea)은 미생물 매트의 1%에서 20%를 차지하는데 이 숫자는 대부분의 생태계 시스템에서 고균이 차지하는 비율과 비슷하다. 고균은 세균과 달리 극한 환경(extreme environment)과 영양물질이 적은 곳(oligotrophic)에서 우점할 수 있지만, 그렇지 않은 환경에서는 세균이 항상 더 우세하다. 서로 다른 환경에서의 미생물 매트의 구성원은 서로 다르다. 미생물 매트이 층이 두꺼워 지면 제일 안쪽에는 혐기적인(anaerobic) 상태가 되어 혐기성 미생물의 서식처가 되고, 미생물 매트의 위 층으로 올라갈 수록 호기적인 상태가 되며, 제일 위쪽에는 대부분의 경우 광합성 미생물이 존재하게 된다. 염수호와 인공염전과 같은 고염환경의 미생물 매트는 해안의 미생물 매트와 다르게 계절의 영향 없이 계속적으로 생장하여 다층의 구조를 이룬다. 진핵생물을 거의 포함하지 않는 다른 고염환경이나 고온의 온천 지역의 미생물 매트와 다르게 조간대(intertidal) 미생물 매트는 작은 진핵생물을 포함하고 있다. 거의 모든 조간대 미생물 매트의 초기 정착 미생물은 남조세균(cyanobacteria)으로 세포간 응집을 도와주는 세포외 다당류(exopolysaccharide, EPS)와 유기물질을 공급하여 미생물 먹이사슬을 시작함으로써 다른 많은 그룹의 미생물이 동시에 정착할 수 있게 한다(그림 2). 고염환경의 미생물 매트는 주로 남조세균, Bacteroidetes, Proteobacteria, Spirochetes, Chloroflex와 Planctomycetes의 구성원으로 되어 있다. 온천 미생물 매트는 고온성 남조세균(oxygenic 매트)과 산소비발생 광합성 세균(Chloroflexus 매트) 혹은 호산성 산소비발생 광영양성 세균(Chlorobium 매트), 많은 경우 이들의 복합체로 되어 있다. 온천 지역의 미생물 매트는 산소발생과 산소비발생 광합성이 주로 1차 생산에 기여하지만, 황의 산화에 의한 1차 생산도 상당한 부분을 차지한다²⁾.

박우준/고려대학교

이창로/명지대학교

1. Dupraz C, Visscher PT.(2005) Microbial lithification in marine stromatolites and hypersaline mats. Trends in Microbiology
2. Bolhuis H, Cretoiu MS, Stal LJ.(2014) Molecular ecology of microbial mats. FEMS microbial ecology