미생물 생태학

다양한 대사 능력 덕분에 심해의 화산 분화구에서 동물의 소화관까지 미생물은 지구에 존재하는 생명체 중 가장 널리 퍼져 있으며 지구에 있는 다른 생명체를 모두 합쳐도 미생물의 다양성에 못 미친다. 그러나 이 중에서 현재의 기술로 배양할 수 있는 것은 약 1퍼센트에 불과하다. 미생물생태학이란 이런 미생물 사이에서 일어나고 있는 상호작용과 이들과 환경 사이의 관계를 연구하는 학문 분야다(그림 1).

미생물 상호작용의 종류에 대해 알 수 있다. (출처: 김응빈/연세대)

탄소와 질소를 비롯하여 생명체의 구성 및 생존에 필수적인 원소들은 자연계에 풍부하게 존재하지만 항상 생명체가 이용할 수 있는 형태로 존재하지는 않는다. 미생물은 이들 원소를 식물과 동물이 사용할 수 있는 형태로 전환하는 핵심 역할을 한다. 예컨대, 세균과 균류를 비롯한 미생물은 유기물 쓰레기와 죽은 동식물을 분해하여 이산화탄소를 대기로 돌려보낸다. 또 다른 종류의 미생물인 조류와 남세균, 그리고 식물은 광합성으로 탄수화물을 생산하는 데에 이산화탄소를 사용한다. 질소는 대기 중에 풍부하지만 이 형태로는 식물과 동물이 이용할 수 없다. 세균만이 자연적으로 대기 질소를 식물과 동물이 이용 가능한 형태로 전환할 수 있다. 이처럼 미생물은 지구 생태계의 화학 균형 유지, 즉 생지화학적 순환(biogeochemical cycle)을 가능하게 함으로써 모든 생명체의 존립에 필수적인 역할을 한다.

목차

각각 네덜란드와 러시아 출신인 마루티누스 베이제린크(Martinus Beijerinck, 1851~1931)와 세르게이 위노그라드스키(Sergei Winogradsky, 1856~1953)가 1880년대 이룬 발견이 생물지화학적 순환(biogeochemical cycle)을 이해하는 데 기초가 되었다. 이 때문에 보통 베이제린크와 위노그라드스키를 미생물 생태학의 시조로 꼽는다. 바이러스라는 새로운 존재에 대한 개념을 최초로 소개한 과학자로 인정받고 있는 베이제린크는 농화배양(enrichment culture) 기법을 개발하여 환경에서 각기 고유한 생리적 특성을 가지고 있는 미생물 연구에 새로운 길을 열었다. 또한 그는 1888년과 1901년에 공생 질소고정세균과 자유생활 질소고정세균을 각각 분리하였고, 이어서 황산염 환원균도 분리에도 성공했다. 위노그라드스키는, 자신이 개발한 위노그라드스키 칼럼을 통해 미생물에 의한 황화수소와 유황의 산화 과정을 보여줌으로써, 화학무기영양의 개념을 정립했고, 질소고정세균을 최초로 분리하기도 했다. 1930년대 초반 반 니엘(Cornelius Bernardus van Niel, 1897~1985)은 광합성 유황세균과 녹색식물의 광합성 과정에서 황화수소(H₂S)와 물(H₂O)의 기막힌 유사성을 지적하였다. 하지만 이들의 연구는 미생물 서식지나 생태학적 상호작용 보다는 미생물의 생리 연구에 무게를 두었다.

미생물 생태학연구를 본격적으로 시작한 사람은 미국의 로버트 헝게이트(Robert E. Hungate, 1906~2004)다. 그는 반추동물의 위 속 미생물 생태계를 진행하면서 혐기성 미생물 배양 기술을 개발하였다. 또한 특정 미생물의 생태학적 기능을 정량적으로 측정하려고 시도했다. 반 니엘의 제자인 스테니어(Roger Stanier, 1916~1982)는 생태계 물질순환 과정에서 미생물 대사의 역할을 규명하는 고전적인 연구를 수행하였고 세균 분류학 발전에 크게 기여했다. 일례로 슈도모나스(Pseudomonas) 세균에 대한 그의 연구 성과를 통해 복잡한 유기 화합물을 분해하는 미생물의 다양한 능력을 알게 되었다. 20세기 초중반까지 고전적 생태학자들과 미생물 생태학자들 사이의 소통이 거의 없었다. 그러나 산업화에 따른 환경오염이 심해지면서, DDT와 PCB류, 수은 등 오염물질의 생물증폭 등으로 먹이그물에서 1차 생산자의 주된 위치를 차지하는 미생물에 대한 관심이 커지면서 공동 연구가 시작되어 확대되고 있다. 오늘날 미생물 생태학은 확장되어 미생물 집단이 다양한 환경에 있는 동식물과 어떻게 상호작용하는지에 대한 연구까지 포함한다. 환경에 있는 유독 화학물질과 수질 오염 등도 미생물 생태학자들의 주요 관심사이다.

폐수처리는 기본적으로 물리적 과정과 여러 미생물의 작용이 합쳐진 것이다(그림 2). 고형물이 제거된 폐수의 각종 유기물질은 세균이 이산화탄소와 메탄, 질소 등으로 전환시킨다. 1980년대 후반부터 미생물학자들은 오염물질과 다양한 산업과정에서 나오는 독성 폐기물을 제거하는 데에 미생물을 이용하기 시작하였다. 예를 들어 일부 세균은 오염물질을 탄소 및 에너지원으로 이용하여 성장할 수 있다. 또 다른 세균들은 독성 화합물을 덜 해로운 물질로 분해하는 효소를 생산한다. 이렇게 미생물을 이용한 환경오염물질 제거 방법을 생물정화(bioremediation)라고 한다.

폐수처리 (출처: Gettyimages)

김응빈/연세대학교

이창로/명지대학교