철산화세균

철산화세균(iron-oxidizing bacteria)은 19세기부터 철세균(iron bacteria)이라 불렸던 세균 그룹이며, 제1산화철인 2가철(Fe²⁺)을 제2산화철인 3가철(Fe³⁺)로 산화할 때 생성되는 에너지와 이산화탄소 고정을 이용하여 생장하는 독립영양(autotrophic) 화학무기영양세균(chemolithotrophs)이다. 주로 호기성-호산성 철산화세균이 다수를 차지하지만 호중성, 혐기성, 광영양 철산화세균도 존재한다. 프로테오박테리아(Proteobacteria) 문의 다양한 속에 해당하는 세균이 대부분이지만 악티노박테리아(Actinobacteria) 등 여러 세균 문과 고균에도 존재하며 산성광산배수 및 지하수 등 다양환 환경에 서식한다. 

목차

철산화세균(iron-oxidizing bacteria)은 제1산화철인 2가철(Fe²⁺)을 제2산화철인 3가철(Fe³⁺)로 산화할 때 생성되는 미량의 에너지를 사용하여 생장하는 화학무기영양세균(chemolithotrophs)이다. 1837년 독일의 생물학자 에렌베르그(Christian Ehrenberg, 1795-1876, 그림 1A)에 의해 그 존재가 최초로 알려졌다¹⁾. 1880년대에 러시아 출신의 미생물학자 위노그라드스키(Sergei Winogradsky, 1856-1953, 그림 1B)에 의해 발견된 여러 화학무기영양세균 중 하나인 철산화세균은 발견초기에는 철세균(iron bacteria)이라고 불렸다. 이후 철세균이 Geobacter 등 3가철(Fe³⁺)을 2가철(Fe²⁺)로 환원하는 이화적 철환원세균(dissimilatory iron-reducing bacteria)을 포괄하는 개념으로 발전하게 되면서 Fe²⁺를 Fe³⁺로 산화하는 세균은 철산화세균으로 재정의 되었다. 1880년대에 발견된 역사에 비해 철산화세균에 대한 연구는 1990년 이전까지는 매우 미약하였으나 중성환경에서 호기성 철산화세균의 배양 이후에 보다 많은 연구가 이루어지게 된다.

그림 1. 철산화세균 연구의 창시자들. A, Christian Ehrenberg (1795-1876); B, Sergei Winogradsky (1856-1953). (출처: Wikimedia )

1837년에 수산화제2철에 붙어서 줄기처럼 자라는 세균 Gallionella ferruginea가 발견되며 최초의 철산화세균으로 보고되었다(그림 2). Gallionella ferruginea는 담수환경에서 1950년대에 최초로 실험실에서 배양이 되었으며 줄기(stalk)을 형성하는 세균의 모양이 확인되었고, 실험을 통해 미세호기성(microaerophilic) 철산화세균임이 입증되었다. 

그림 2. 부식이 심한 철 표면에서 실타래처럼 자라는 Gallionella ferruginea. (출처: )

Leptothrix 속 최초의 세균인 Leptothrix ochracea는 1843년도에 최초로 묘사되었으나²⁾ 여전히 배양되지 않고 있으며, 대신 이 속에 속한 혼합영양(mixotrophic)성 철산화세균은 최근 배양되었다(그림 3). 위의 두 속은 중성의 환경에서 철을 산화하는 호중성(neutrophilic) 세균이다. 호산성(acidophilic) 조건에서 철을 산화하는 철산화세균은 1940년대 말에 Acidithiobacillus ferrooxidans의 발견으로 최초로 알려졌으며(그림 4), 이 세균의 산성환경에서의 중요성과 금속제련에서 역할에 대한 연구가 매우 활발하게 진행되었다. 1990년대와 2000년대에는 무산소환경에서 질산염(NO₃^-)을 환원하면서 Fe²⁺을 산화하는 혐기성 철산화세균과 산소 비발생 광합성세균에 의해 수행되는 철산화과정도 발견되었다. 무산소환경에서 질산염을 환원하는 철산화세균으로는 종속영양조건에서 생장하는 Acidovorax과 Aquabacterium, 독립영양 조건에서 생장하는 Thiobacillus denitrificans 등이 있으며 산소비발생 광영양성 철산화세균은 Rhodobacter ferroxidans와 Rhodopseudomonas palustris 등이 있다(그림 5).

그림 3. 사상형 철산화세균인 Leptothrix sp.의 주사현미경 사진. 철이 풍부한 바위에 부착하여 생장하는 세균의 모습. (출처: gettyimage C037_0048)

그림 4. 호산성, 호기성 철산화세균인 Acidithiobacillus ferrooxidans의 채색 주사현미경 사진. (출처: SPL C032 2013)

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A, 수산화철 입자에 부착된 Rhodobacter ferroxidans의 채색 주사현미경 사진. (출처: SPL C032 2351)

B, 철광석에 부착되어 자라는 Rhodopseudomonas palustris의 채색 주사현미경 사진. (출처: SPL C038 7124)

철은 지구에서 중량으로 따졌을 때 가장 풍부한 원소이며 지권에서 알루미늄 다음으로 풍부한 금속이므로 철순환은 생지화학적 순환에서 매우 중요하다. 철의 산화와 환원에는 미생물이 긴밀하게 관여하고 있다. 철은 자연계에서 2가철(Fe²⁺) 또는 3가철(Fe³⁺)로 존재한다. Fe²⁺은 무산소 환경에서는 매우 안정하지만 유산소환경에서는 자발적인 화학반응을 통하여 Fe³⁺로 산화한다. 산소 존재 시 중성 pH에서는 Fe²⁺은 급속하게 Fe³⁺로 산화된 후 물과 반응하여 용해도가 매우 낮은 Fe(OH)₃을 형성하는데 그 결과 이용 가능한 Fe²⁺와 Fe³⁺이 수 환경에 거의 없게 된다. 산소와 반응하여 산화철이 되는 현상은 남조류가 지구에서 산소를 발생했을 때 형성된 호상철광층(banded iron formation)과 녹슨 못 실험을 통하여 쉽게 이해할 수 있다(그림 6). 반면 pH 4 이하의 산성 조건에서는 산소가 존재하더라도 Fe²⁺의 Fe³⁺로의 자발적 산화는 거의 일어나지 않아 안정된 형태의 2가철이 존재하게 되어 pH 2 근처인 산성광산배수(acid mine drainage)와 같은 환경은 철산화세균이 생존할 수 있는 환경이 된다(그림 7). 

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A, 호상철광층(banded iron formation). 약 30억년 된 지층이며 붉게 산화한 수산화철 지층이 보인다. (출처: SPL E425 0855)

B, 못의 산화(녹) 실험. 맨 왼쪽부터 유산소-증류수, 유산소-건조 환경, 무산소-증류수, 유산소-소금물. (출처: SPL T745 0070)

그림 7. 케냐의 폐 구리광산으로부터 용출된 산성광산배수(acid mine drainage). 철산화과정에 의해 형성된 산화철로 인하여 붉은색을 띤다. (출처: SPL C013 3496)

산성조건에서 호산성(acidophilic) 철산화세균이 생장하기 위해서는 많은 양의 철을 산화해야 하는데 이는 산화환원준위(redox potential)에 기초한 생물에너지론으로 설명할 수 있다. pH 2에서 Fe³⁺/Fe²⁺의 환원전위는 0.77 V로 pH 7에서 환원전위인 0.2 V보다 훨씬 커서, pH 2에서 산소에 의해 산화될 때는 -4.8 kJ 만큼의 에너지만 얻을 수 있기 때문에 호산성 조건에서 철세균은 열역학의 경계선에서 생존을 위해 대량의 철을 산화해야야만 한다. 철산화세균이 대량으로 번식하는 광산산성폐수가 주황색 또는 붉은색을 띠는 이유이다.

산성조건에서 철산화를 수행하는 Acidithiobacillus ferrooxidans는 Fe²⁺의 산화를 통해 ATP와 NADH를 생산한다(그림 8). 무기화학물질로부터 유래된 전자의 전달을 통해 형성된 양성자구배동력을 이용하여 ATP를 합성하는 다른 화학무기영양세균과는 달리 철산화세균은 Fe³⁺/Fe²⁺의 높은 환원준위로 인해 철의 산화가 양성자구배동력을 유도하지 못한다. -4.8 kJ의 에너지로 양성자구배동력이 형성될 수 없기 때문이다. 신기하게도 세포 외부의 낮은 pH와 세포 내부의 중성 pH 조건에 의해 형성된 양성자 농도 차이를 이용하면 ATP의 합성은 자연스럽게 일어날 수 있다. 그러나 이런 과정이 반복되면 세포 내부의 pH가 내려가므로 세포 내부의 pH를 6 이상으로 유지하기 위해서는 세포질로 들어온 수소이온을 반드시 소모해야 한다. 수소이온을 소모하기 위하여 Fe²⁺로부터 나온 전자를 사용하여 전자수용체인 산소를 환원시켜 물을 만드는 것이다. 한편, 환원력인 NADH는 양성자구배동력을 이용하는 역전자전달(reverse electron flow)을 통해 합성되어 캘빈 회로에 사용됨으로써 이산화탄소를 고정할 수 있다.

중성 pH에서 Fe³⁺/Fe²⁺의 표준환원전위는 0.2 V로 산소로 전자를 전달할 때에는 -59.8 kJ 만큼의 에너지를 얻을 수 있지만 중성 pH에서는 Fe²⁺이 산소와 쉽게 반응하여 Fe³⁺로 산화가 일어나므로 철산화세균이 생존하기 위해서는 무산소환경이 유리하다. 이 때 최종전자수용체로는 일반적으로 질산염(NO₃^-)이 사용되며 아질산염(NO₂^-) 또는 질소기체(N₂)가 화학무기-무산소호흡의 최종 산물이 된다. 비산소발생 광합성 세균은 중성 pH에서 광합성을 수행할 때 이산화탄소의 환원제로서 Fe²⁺을 사용하며 이 과정에서 철이 산화된다(4Fe²⁺+CO₂ +11H₂O+light → CH₂O+4Fe(OH)₃+8H⁺).

그림 8. Acidithiobacillus ferrooxidans에 의한 철산화과정의 전자전달경로. (그림: 서창완/서울대) 

철산화세균은 계통학적으로 단계통군이 아니며 Proteobacteria 문, Actinobacteria 문, Firmicutes 문, Chlorobi 문, Nitrospirae 문, Euarchaeota 문, Crenarchaeaota 문을 비롯한 세균과 고균의 다양한 문에 걸쳐 존재한다³⁾(표 1). 이 계통군에는 자가영양-화학무기영양성 철산화세균 뿐만 아니라 화학혼합영양(chemomixotrophic)을 하며 철을 산화하는 종속영양성 철산화세균 및 철산화고균도 포함된다. 많은 수의 철산화세균이 Proteobacteria 문에 속하며, 이들은 크게 1) 호산성, 호기성 철산화세균, 2) 호중성, 호기성 철산화세균, 3) 호중성, 혐기성, 질산염환원 철산화세균, 4) 혐기성 광영양성 철산화세균으로 구분된다⁴⁾. 한편, Proteobacteria 문을 제외한 다른 분류군에 존재하는 철산화세균은 유기물질을 이용함과 동시에 철을 산화하는 혼합영양성을 나타내는 세균이 많으며 고균에 존재하는 철산화고균은 호열성의 특징을 나타내는 미생물이 많다.

호산성, 호기성 철산화세균의 세균의 대표적인 세균은 Acidithiobacillus ferrooxidans이다. Fe²⁺은 산성 조건에서 안정하므로 pH가 4 아래인 산성 환경에서는 철산화세균의 번식이 왕성하다. A. ferrooxidans는 낮은 pH에서 Fe²⁺ 외에 S⁰를 전자공여체로 이용하여 화학무기영양적 생장을 할 수 있으며 이러한 활동으로 인해 황철광(FeS₂)이 포함된 광산에서 산성광산배수(acid mine drainage)를 생산하여 생태계를 오염시키기도 한다.

호중성, 호기성, 절대 화학무기영양 철산화세균의 대표적인 세균은 Gallionella, Lepthothrix, Mariprofundus이다. 현재까지 알려진 모든 호중성 호기성 철산화세균은 모두 Proteobacteria 문에 존재하며 흥미롭게도 담수에서 발견된 호중성 호기성 철산화세균은 Betaproteobacteria 강에 속하며 해양에서 발견된 호중성 호기성 철산화세균인 Mariprofundus는 Zetaproteobacteria 강에 속한다. 산소가 풍부한 중성 pH 조건에서 Fe²⁺은 Fe³⁺로 자발적으로 산화되므로 담수환경에서 이들이 존재하는 환경은 일반적으로 무산소조건과 유산소조건의 경계면이다. 예를 들어 Fe²⁺이 풍부한 무산소환경인 지하수가 용출되어 산소와 만나게 되는 환경에서 Gallionella와 같은 철산화세균은 Fe²⁺이 자발적으로 산화하기 전에 Fe²⁺를 Fe³⁺로 산화하여 에너지를 획득한다. 따라서 이들 세균은 산화철 덩어리가 형성된 내부에서 종종 발견된다. 실제로 Gallionella ferruginea은 길고 꼬인 줄기(stalk)를 가지고 있는데 여기에 Fe²⁺이 산화하여 생성된 Fe(OH)₃이 존재한다(그림 9). 

그림 9. Fe(OH)₃을 포함하는 줄기(stalk)를 가지는 원두콩 모양의 Gallionella ferruginea. (출처:  )

호중성, 혐기성, 질산염환원 철산화세균의 대표적인 세균은 Thiobacillus, Acidovorax, Thermomonas 등이 있다. 혐기성 조건에서 질산염을 환원하며 철을 산화하는 세균의 존재는 1990년대 들어서야 알려졌으며 이들은 Fe²⁺을 전자공여체로 질산염(NO₃^-)을 전자수용체로 사용한다. 이 반응은 중성 pH에서 Fe³⁺/Fe²⁺의 표준환원전위인 0.2 V보다 NO₃^-/NO₂^-의 표준환원전위가 0.43 V로 높기 때문에 열역학적으로 에너지를 생산하는 반응이 된다. 철산화-질산염환원 세균은 해양, 담수, 기수역의 혐기성 퇴적토와 습지에 흔히 존재한다. 계통학적으로 알파-, 베타-, 감마프로테오박테리아 문에 고루 분포한다.

혐기성, 광영양성 철산화세균은 혐기성 환경에서 철이 산화되는 증거를 처음으로 보여준 세균으로서 대표적으로 Rhodobacteraceae과에 속하는 Rhodobacter, Rhodovulum 등이 있다. Fe²⁺이 산화되어 형성된 에너지는 CO₂의 고정에 이용되어 이들 세균이 혐기성 산소비발생 광합성을 행할 수 있도록 한다. 이 그룹에 속한 많은 철산화세균은 광합성에 필요한 전자공여체로서 수소, 티오황산염, 유기물질을 사용하며, 이들은 대부분은 광종속영양성을 나타낸다. 

호기성, 혐기성, 산소 비발생 광합성세균, 전자수용체, 역전자전달(reverse electron flow), 캘빈 회로, 광합성, 계통학, 고균, 알파프로테오박테리아 강(Alphaproteobacteria), 베타프로테오박테리아 강(Betaproteobacteria), 감마프로테오박테리아 강(Gammaproteobacteria), 악티노박테리아 문(Actinobacteria), 피르미쿠테스 문(Firmicutes), 클로로비 문(phylum Chlorobi), 니트로스피레 문

(Nitrospirae), 유리아케오타 문(phylum Euryarchaeota), 크렌고균(Crenarchaeota), 전자공여체

조장천/인하대학교

1. Ehrenberg, C.G. 1837. Remarks on the real occurrence of fossil infusoria, and their extensive diffusion. Taylor’s Sci. Memoirs 1, 400-413.
2. Kutzing, F.T. 1843. Phycologia Generales oder Anatomie, Physiologie und Systemkunde der Tange. Leipzig, Ger. FA Brockhaus. 
3. Colmer, A.R., Temple, K.L., and Hinkle, M.E. 1950. An iron-oxidizing bacterium from the drainage of some bitumious coal mines. J. Bacteriol. 59, 317–328.
4. Hedrich, S., Schlomann, M., and Johnson, D.B. 2011. The iron-oxidizing proteobacteria. Microbiology 157, 1551–1554.