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미생물이야기 미생물 생태학
2013-08-06 12:49:44
이엠생명과학연구원

미생물 생태학

  A. 생태학  

◇ 생태계 : 지구상에 존재하는 생물들과 그들의 생활에 관계되는 모든 물리화학적 요소를 합한 총집단
◇ 생태학 : 생물체와 비생물적 환경간의 상호관게를 연구하는 학문
◇ 군집(community) : 한 종류의 생물로 이루어진 집단(population)이 여러개 모인 것
- 극상집단(climax community) : 군집을 이루는 다수의 집단사이에 균형을 이루어 안정되고 균형잡힌 군집을 이룬 것
자연계에서 미생물의 역할 : 지각을 형성하는 비생물적인 요소들과 다른 생물들을 연결
- 사멸된 동·식물의 분해(미생물이 없다면 → 동·식물의 시체가 누적 → 생명유지에 필요한 필요 물질(질소, 인 등) 고갈
- 일차생산자(primary producer) : 태양에너지 이용 유기물 합성(광합성), 소비자(consumer) : 생산자가 만든 양분 소비
- 에너지의 흐름 : 먹이의 연쇄(food chain), 생산자 → 1차 소비자(초식동물) → 2차 소비자(육식동물) → 분해자(decomposer)

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Inorganic nutrient(무기양분)

↓Sunlight

Algae(조류, 광합성)

↓↓↓

Bacteria living on viable or autolyzed algae Bacteria living on algal excretions

↓↓↓

Predatory protozoa Predatory protozoa

↓↓↓

Animals feeding on microorganisms

Carnivorous animals(육식동물)

↓Dead tissue

Heterotrophic microorganisms(타가영양미생물)

Inorganic nutirent(무기양분)

  B. 자연게에서의 미생물   ◇ 지구상 어느 자연환경에든지 존재
- 생태계의 평형 유지
- 주위 환경의 미미한 변화 → 미생물 생장 활동에 큰 영향
- 미환경(microenvironments) : 미생물이 처한 환경
◇ 미생물 서식 환경 : 물체의 표면
- 물속의 모래·자갈 등 작은 입자물체에 흡착된 영양분 > 물속에 녹아있는 영양분
- 자연환경의 미생물 : 자체 조절기전에 의해 영양분이 부족한 환경에 적응 → 대개 정지기 상태(stationay phase)*
* 세포상태로 성장 멈추고 생존할 뿐
* 생태적 적소의 생성: 호기성 지역의 산화와 혐기성 지역의 황화물 등의 화학물 농도구배로 독특한 생태적 적소 형성
* 생물막에서 생장 : (a)단일타입의 초기집락 (b)여러 타입의 미생물을 포함한 복잡한 생물막 (c)성숙된 생물막
◇ 미생물 활동의 상대적 비교
① 직접계수법 : 균수의 직접 측정(사균, 생균 등 총생물수 측정의 문제점)
② 소비하는 산소의 양이나 배출하는 이산화탄소의 양 측정
- O2 microelectrode : 2~3 μm 지름
③ 세포 구성성분인 핵산의 양 측정 또는 ATP 양 측정
- 매우 정밀 → 극미량의 ATP도 측정 가능 → 생장활동 아주 미약한 미생물 측정
④ 방사성 동위원소 이용
- 14CO2 uptake
- 35SO4- →H235S
- 14CO2 → 14CH4
- 14C-glucose, 14C-amino acids, 3H-thymidine 이용
- 극히 높은 민감도, 방법의 특이성에 문제점
    C. 미생물의 서식처   ◇ 수계(hydrosphere), 지계(lithosphere), 대기계(atmosphere)
- 세 가지 환경구조 : 서로 연관성 → 생태계 모든 미생물에 복합적 요인으로 작용
- 공존생태학(synecology) : 여러가지 종류의 미생물의 집단 또는 미생물 집단이 이룬 복합체와 특정 환경 요인과의 관계를 연구하는 생태학
- 독존생태학(antecology) : 한 종류의 미생물 집단과 여러가지 환경 요인과의 관계 추구하는 생태학
- 서식생태학(habitat ecology) : 미생물의 서식처에 따른 미생물의 생태학(토양 미생물학, 담수·해수 미생물학
- 대기 : 미생물 생장 X, 공기의 유동에 의해 미생물의 이동 가능
1) 물
◇ 지표에서 증발 → 대기중 구름으로 농축 → 비나 눈 의 형태로 지표로 → 토양에 스며 듬 → 지하수 또는 강, 호수에 합류 (지하수 → 샘 또는 다른 형태로 지표에 → 바다로)
- 수서식처(aquatic habitat) : 바다, 하구(estuary), 염소(salt lake), 호수, 연못, 강, 샘물 등
- 호기성 환경에 사는 미생물 : 청녹세균(cyanobacteria, blue-green bacteria), 진핵성 하등조류
- 염기성 환경에 사는 미생물 : 광합성 자녹색 박테리아
◇ 수생태계의 생물학적 활동
- 광합성 조류 및 세균에 의해 생산되는 유기물량에 따라 좌우
- 온도, pH, 광선의 양 등 물리적 성질과 영양물질의 종류와 농도에 의해 영향
◇ 영양물질량에 따른 환경 분류
- 영양양호권(eutrophic) : 자연수의 영양물질이 보다 풍부해지는 곳, 수중조류가 극히 번성하는 곳
- 영양척박권(oligotrpphic) : 수중의 영양물질이 고갈된 곳, 조류의 생산성 ↓
- 중간영양권(mesotrophic) : 중간의 영양 상태
- 생물학적 활동 : 내륙의 호수나 내륙에 접한 근해 > 원양 바다(영양물이 강물이나 냇물따라 유입되기 때문)
- 미국 캘리포니아 해안이나 페루 연안바다 : 영양물질의 농도가 유난히 높은 곳 → 바람이나 해류에 의해 해저의 침적 유기 영양물질이 뒤집혀 올라오기 때문
◇ 수질생태계에 용존하는 유기질
- 종속영양세균(heterotrophs)의 영양분으로 이용
- 광합성 생물내 유기질 : 동물성 플랑크톤이 섭취(박테리아 전체를 포식) → 더 큰 동물의 먹이로 먹이연쇄에 관여
- 생산자와 소비자가 부패자에 분해된 것도 상당한 비중 차지
- 부패자의 생활 활동에 의해 생긴 유기물 : 미생물에 의해 흡수 → 세포 구성성분으로 전환
2) 토양
◇ 광물성 토양과 유기 토양
- 광물성 토양 : 암석이나 무기물질의 부식결과에 연유
- 유기토양(organic soil) : 습택지에 여러가지 물질질들이 퇴적되어 만들어 짐
◇ 암석표면에 서식하는 조류(algae), 지의류, 이끼류
- 광합성에 의해 유기물질 생산
- 생산자에 의존해서 사는 소비자인 종속 영양성 균과 공존
- 종속 영양성 균 : 유기물을 호흡이나 발효에 의해 분해 →CO2, H2O, 유기산 생성 → 암석 분해 → 작은 알맹이
◇ Rhizosphere(근권) 토양 : 뿌리 끝 부분의 토양
- 바위 틈에 식물 생육 → 뿌리가 암석틈으로 침투 → 바위의 균열 도모 → rhizosphere에 고유 미생물 성장
- 식물이 죽으면 → 영양분 생성 → 미생물 번성
- 토양동물의 활동 → 토양 생태계의 공기 유통 촉진 → 숙성된 토양 → 토양입자 표면에 미생물 번성
◇ 토양 수분
- 미생물 활동에 가장 중요
- 토양성분, 토양입자에 따라 수분 함량 달라짐(강우량, 배수 및 식물 서식정도에 따라서도 달라짐)
- 토양 입자의 크기에 따라 수분 흡착력과 보유력 다름
- 배수가 잘 된 토양 : 토양 입자가 차지하는 부피가 50%, 수분이 40%, 공기가 10%
→ 수분과 공기가 토양 입자 사이 공간 차지
◇ 토양의 영양상태 : 토양미생물의 활동에 영향
- 미생물 번창 지역 : 유기질이 풍부한 토양 표피층이나 식물의 뿌리 근처
- 항부식성 토양(humus) : 토양의 유기 성분 중 부패가 잘 되지 않는 것
→ 농경에 필요한 토양체 형성, 가장 풍부한 탄소저장고 역할
◇ 토양층에 따른 미생물의 생육
- O horizon : layer of undecomposed plant materials(식물체가 분해되지 않은 층)
- A horizon : surface soil(표토), 유기물 함량이 높고, 검은색, 경작을 위해 개간, 식물과 미생물 생육, 미생물 활성이 높은 층
- B horizon : subsoil(심토), 무기물(minerals), 부식(humus), 표토에서 침출, 유기물이 적고 미생물 활성이 A horizon보다 낮은 층
- C horizon : soil base(기저토), 기반암에서 직접 발달된, 미생물 활성이 일반적으로 매우 낮은 층
- Bedrock(기반암)
  D. 미생물의 생태계와 산소   ◇ 대기계의 미생물 분포
- 공기의 이동에 따라 미생물 이동
- 지표에 가까운 곳에 높게 분포, 상층으로 갈수록 희박
◇ 산소 : 공기의 21%에 해당(79%에 해당하는 질소 : 화합물 형태로 → 영양분으로 이용)
- 미생물 호흡에 관여, 생명유지와 생장에 매우 중요
- 대기계보다 수생태계나 토양생태계의 유지에 실질적 영향
- 배수가 잘 된 토양 : 산소 풍부, 차지하는 비율은 물이 차지하는 용적에 비해 작다
- 수분 속에 산소 용존 → 미생물 서식에 이용 → 용존산소 감소 → 혐기성 환경으로
◇ 용존 산소량(dissolved oxygen, DO)
- 대기 중 산소가 물속으로 녹아 들어간 량
- 수생태계에서 수중 표면 : 산소 발생 → 호기성 환경, 수중 : 혐기성 환경 → 미산소호기성, 혐기성균만 생장
- 기온에 따라 용존산소량 달라짐 : 더운 계절에 수층 형성 → 심층은 혐기성 환경, 기온 ↓ → 수표층의 온도 ↓ → 심층의 물보다 무거워짐 → 심층까지 산소 공급
- 대부분의 호수 : 기후 변화에 다라 → 수생태게의 심층 : 호기성과 혐기성 번갈아 변화 → 년순환(annual cycle)
- 유기물이 유입되는 곳 : 미생물 활동 활발 → 수중산소 결핍 → 혐기성 세균 번성 → 유기물질 분해 → 아황산 가스나 아민류, 황화물질의 악취성 물질
◇ 생화학적 산소요구량(biochemical oxygen demand, BOD)
- BOD : 폐수중 분해가능한 유기물질 및 산화가능한 무기물질을 호기성의 생물학적 작용으로 산화하고 분해하기 위해 필요한 산소량
- 산화단계 : 1차단계로 비교적 단시간내의 탄소화합물의 산화와 2차단계로 상당한 시간을 요하는 질소화합물의 산화가 있는데 BOD 측정은 1차단계의 산화를 대상
- 수중의 유기물질에 의한 오염도 측정
- 수중의 유기물질을 자연상태에서 박테리아가 분해하는데 소모한 산소량
- BOD 측정 : 시료를 취하여 공기를 포화시킨뒤 밀폐된 상태로 20℃ 에서 5일 동안* 방치한 후 물속에 남아있는 잔류 산소량 측정하여, 5일 동안 미생물이 유기물을 산화시키는데 소모한 산소량을 계산
* BOD 측정방법은 영국에서 처음 개발 : 평균 수온이 20℃이고 지방천에서 바다로 흘러가는데 걸리는 시간이 최장 5일 소요하는데서 유래 → 국가마다 수온 및 수로 중 유기물 잔존시간의 차이로 적절한 변형 필요

- BOD 계산의 예

 

포도당(glucose)의 하천 방류시 세균이 소비하여 CO<sub>2</sub>와 물로 분해 C<sub>6</sub>H<sub>12</sub>O<sub>6</sub> + 6O<sub>2</sub> → 6CO<sub>2</sub> + 6H<sub>2</sub>O glucose 1 mol(180g)에 산소 6 mol(32 g X 6 = 192 g) 필요 glucose 1 g당 필요한 산소량은 (192/180 =) 1.067 g = 1,067,000 μg 1% 포도당 용액(1 g glucose/100 ml 물) → 포도당 용액 1 ml에 10,670 μg 산소 필요 10,670 μg/ml = 10,670 ppm (BOD)

- 유기물 오염 수질 : BOD 높다
- BOD ↓ → DO ↑
- 종속영양성 박테리아 : 수중 생태계와 수질 변화에 영향

◇ 화학적 산소요구량(chemical oxygen demand, COD)
- 폐수 중의 유기물을 산화제(예, KMnO4)로서 산화할 때 소비되는 산소량을 ppm으로 표시한 것
- 측정시간이 짧다 → BOD의 손쉬운 지표로 이용




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