화학무기영양생물

화학무기영양생물(chemolithotroph)은 탄소원으로는 이산화탄소(CO₂) 또는 유기물을 사용하고, 전자원 및 에너지원으로는 무기물을 사용하는 생물이다. 화학무기영양생물은 이산화탄소를 탄소원으로 사용하는 화학무기독립영양생물(chemolithoautotroph)과 유기물을 탄소원으로 사용하는 화학무기종속영양생물(chemolithoheterotroph)로 다시 나누어진다.

목차

생물 분류의 기준으로 생물체가 이용하는 탄소원(예, 유기물, 이산화탄소), 전자전달계의 전자원(예, 유기물, 무기물), 에너지원(예, 빛, 무기물)과 같은 영양요구성을 사용한다.

생물체가 에너지원으로 빛에너지를 사용하면 광영양생물(phototroph)이라고 하고 화학에너지를 사용하면 화학영양생물(chemotroph)라고 한다. 생물체내의 전자전달계에서 이용되는 전자원에 따라서는 환원된 무기물을 사용하면 무기영양생물(lithotroph), 환원된 유기물을 사용하면 유기영양생물(organotroph)로 분류할 수 있다. 마지막으로 생물체가 이용하는 탄소원에는 산화된 형태인 이산화탄소와 환원된 형태인 유기물이 있는데 이산화탄소를 사용하는 독립영양생물(autotroph)과 유기물을 사용하는 종속영양생물(heterotroph)로 구분될 수 있다.

이를 종합하여 각 기준의 조합에 따라 미생물은 크게 5가지의 영양요구성으로 분류되는데, 이에는 광무기독립영양생물(photolithoautotroph), 광유기종속영양생물(photoorganoheterotroph), 화학무기독립영양생물(chemolithoautotroph), 화학무기종속영양생물(chemolithoheterotroph), 화학유기종속영양생물(chemoorganoheterotroph)이 있다.

그 중 화학무기영양생물은 화학무기독립영양생물과 화학무기종속영양생물로 나눌 수 있는데, 화학무기독립영양생물은 탄소원으로 이산화탄소를 전자원과 에너지원으로는 무기물을 사용하고 화학무기종속영양생물은 탄소원으로 유기물을 전자원과 에너지원으로는 무기물을 사용한다.

화학무기영양생물은 에너지원과 전자원으로는 무기물을 사용하며 탄소원으로는 이산화탄소 또는 유기물을 사용하는 생물이다. 여기에 속하는 미생물은 산화나 ATP 합성과정에서 무기물을 전자원과 에너지원으로 사용한다. 대부분의 화학무기영양생물에서 이산화탄소는 캘빈회로(calvin cycle)[그림 1]를 통하여 고정되어 포도당으로 환원되는 반응을 한다.

그림 1. 캘빈회로(Calvin cycle) (제작: 이노은, 이원식/성균관대학교)

화학무기영양생물에 속하는 미생물의 생장 및 생존에는 전자원으로 제공될 수 있는 충분한 무기물이 필요하다. 여기에 속하는 미생물은 에너지원으로 빛을 요구하지 않으므로, 햇빛이 없는 상태에서 생존이 가능하다.

그리고, 무기물의 산화를 통해 에너지를 얻게 되는데, 다양한 무기물이 에너지원으로 사용되는 될 수 있다. [그림2]처럼, 일부의 미생물은 황화수소를 황산으로 또는 황을 황산으로 산화하여 에너지를 얻을 수 있다. 또한 일부 미생물에서는 철을 기질로 이용하여 에너지를 생성하기도 하기도 한다. 그러나 철을 사용하는 예는 낮은 에너지 생산 효율성으로 인해 제한된 환경에서만 발견되고 있다. 무기물을 이용하여 생성된 에너지는 미생물의 생장 및 캘빈회로를 통한 이산화탄소 고정에 필요한 에너지로 사용된다. 

화학무기영양생물은 다양한 환경에서 발견되는데, 특히 강산인 pH2 이하 조건 또는 110℃ 이상의 고온 조건 등의 극한 환경에서도 생존하는 예가 발견되었다. 

그림 2. 화학무기영양생물의 무기물을 이용한 전자전달 반응 기작 예시 (제작: 이노은, 이원식/성균관대학교)

화학무기영양생물은 화학무기독립영양생물과 화학무기종속영양생물로 나눌 수 있다. 화학무기독립영양생물의 대표적인 예로는 황산화세균, 수소산화세균, 철산화세균, 질화세균, 메탄생성고균이 있으며, 화학무기종속영양생물에는 일부황산화세균(Beggiatoa)이 있다.

그림3. Beggiatoa sp (출처: https://doi.org/10.3389/fmicb.2011.00276)

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이원식/성균관대학교

송미령/한국외국어대학교