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미생물이야기 생물환경공정 관리를 위한 분자생태학적 기법의 동향
2013-08-07 12:38:33
이엠생명과학연구원

1. 서 론

 

환경공학에서는 오염물질의 검출, 오염물질의 처리, 오염된 환경의 복원, 폐자원의 재생 등 다양한 분야에 걸쳐 미생물을 이용하여 왔다. 활성슬러지 및 혐기성 소화와 같은 대표적인 미생물을 이용한 환경공정(이하 생물환경공정)은 20세기 초에 시작되어 100년이 지난 지금까지 유용하게 사용되고 있다. 생물환경공정이 사용되기 시작한 초기에는 단순히 미생물 집단을 이용한 유기물 제거를 목표로 공정을 운전하였으며, 미생물들이 공정의 효율에 중요한 역할을 수행하고 있음에도 불구하고 전혀 연구의 대상이 되지 못하였다. 그러나 수질규제가 강화되고 영양염류 및 다양한 특정 화합물의 처리가 요구됨에 따라 특정 대사기능을 가진 미생물 개체군이나 군집을 유지할 필요성이 대두되었다. 즉, 원하는 생물환경공정의 목적을 달성하기 위해서는 공정 내에 충분한 양의 바람직한 미생물 종으로 구성된 군집 구조가 형성되도록 하고, 미생물 군집이 원하는 생화학적 기능을 장기간에 걸쳐 안정되게 수행할 수 있도록 운전하여야 한다. 이에 따라 다양한 미생물로 구성된 군집 내에서 원하는 기능을 가진 미생물 개체군이 잘 유지되고 있는지를 관찰하는 연구들이 필요하게 되었다.

생물환경공정에 존재하는 미생물을 연구하기 위하여 과거 수십 년 동안에는 특정 선택배지에 미생물을 배양시켜, 생성된 콜로니를 순수 분리하고 동정하는 배양법을 주로 사용해 왔다. 이러한 배양법은 순수 분리된 미생물 균주를 보관할 수 있으며, 그 균주의 표현형질(phenotype)과 유전형질(genotype)을 같이 연구할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 배양법에 의해 동정할 수 있는 미생물은 전체 원핵생물 수의 0.5~10% 이내라고 알려져 있으며, 질산화 미생물과 같은 경우에는 배양에 수 주일이 소모되기도 한다. 따라서 배양법만을 사용하여 환경에 존재하는 다양한 미생물들을 조사하는 것에는 한계가 있다.

최근 약 20년 전부터 환경시료에서 직접 핵산을 추출하는 방법이 소개되기 시작했다. 15여 년 전부터는 추출한 DNA의 일부분을 증폭시키는 PCR (polymerase chain reaction)법을 적용함으로써 배양에 의존하지 않고 미생물 생태를 연구할 수 있게 되었다. 이러한 분자생물학적 방법을 이용하여 환경 중의 미생물 생태를 연구하는 기법(이하 분자생태학적 기법)의 등장으로 미생물의 종 다양성에 대한 우리의 지식과 견해가 크게 변화하였다. 지금도 특정 환경이나 환경 조건의 변화에 따른 미생물 군집의 구조와 변화를 조사하고 해석하기 위하여 새롭고 다양한 분자생물학적 방법들이 개발되고 있다. 분자생태학적 기법을 적용한 연구의 경우 대부분이 특정 자연환경의 미생물군집 구조를 조사한 것이며, 생물환경공정의 미생물 군집 해석에 분자 생태학적 기법을 적용하기 시작한 것은 약 10년 정도의 짧은 연구 역사를 지닌다. 이 글에서는 생물환경공정에 존재하는 미생물 군집을 해석하기 위하여 가장 널리 사용되고 있는 분자생물학적 기법들을 간략히 소개하고자 한다.

 

(그림 1) Diagram of the different molecular methods for analyzing genetic diversity of microbial community in environmental bio-processes.

   

2. 계통발생학적 생물분류

 

분자생태학적 기법을 소개하기에 앞서 이해를 돕기 위해 계통발생학적 생물분류에 대해하여 언급하고자 한다. 계통발생학적 분류법이란 생물의 형태, 생리학적 특성 등 관찰할 수 있는 성질, 즉 표현형에 기초한 종래의 분류방법과는 달리 유전적 특성을 바탕으로 생물을 분류하는 새로운 분류법이다.

지구상의 모든 생물들은 생명활동의 유지를 위한 정보를 DNA에 가지고 있다. DNA는 아데닌(A), 구아닌(G), 시토신(C), 티민(T)이라는 4가지 염기로 구성되어 있으며, 생명활동에 필요한 다양한 유전정보는 염기의 나열된 순서(염기서열)에 따라 결정된다. 모든 생물들이 가지고 있는 DNA의 염기서열을 비교함으로써 생물들을 분류할 수 있으나, 모든 생물종의 DNA 염기서열 전체를 해독한다는 것은 지금의 과학수준으로는 불가능에 가까울 정도로 방대한 시간과 노력을 필요로 한다. 따라서 일반적으로 계통발생학적 분류에서는 모든 생물 세포가 포함하고 있는 리보소옴(DNA의 정보를 전사 받은 RNA를 해독하여 단백질을 생성하는 세포소기관) 가운데에서 약 1,500∼1,900개의 염기로 구성된 작은 단위체 부분 RNA(small subunit ribosomal RNA: SSU rRNA)의 염기서열을 기준으로 생물을 분류한다.

SSU rRNA를 기준으로 생물을 분류한 결과, 지구상의 생물은 크게 3개의 영역(domain) 즉, 진정세균(Bacteria), 고세균(Archaea), 진핵생물(Eukarya)로 분류할 수 있음이 밝혀졌다. 지금까지 밝혀진 수많은 생물 종들의 SSU rRNA가 데이터베이스화되어 있으며, 새로이 밝혀진 생물의 SSU rRNA(진정세균의 경우는 16S rRNA)를 데이터베이스와 비교함으로써 그 생물이 속하는 분류그룹을 결정할 수 있다.

일반적으로 미생물군집 해석이란 군집 내에 존재하는 진정세균, 고세균, 단세포 진핵생물의 종류와 수, 위치, 역할 및 상호관계를 밝혀내는 것이다. 그러나 실제로 환경공정 내에 존재하는 미생물 가운데에서 진핵생물에 속하는 진균류, 조류, 원생동물의 수와 역할은 제한적이며, 생물환경공정이 목적으로 하는 기능을 수행하는 것은 대부분이 박테리아(진정세균)이다. 따라서 아래에 소개한 분자 생태학적 기법들은 고세균 및 진핵생물의 군집해석에도 활용할 수는 있지만, 주로 박테리아 군집을 해석하기 위해 사용되고 있다.

 

3. 분자생태학적 기법

 

분자 생태학적 기법은 크게 전처리한 환경생물시료로부터 특정 박테리아 분류군을 직접 검출하는 기법과 환경생물시료의 DNA를 추출하고 PCR (polymerase chain reaction, 목적하는 DNA를 대량으로 증폭하는 기술)을 거치는 기법으로 나뉜다. 전자에는 FISH(Fluorescence in-situ hybridization)법으로 대표되는 whole cell hybridization방법이 있으며, 후자에는 클로닝(cloning)법, 군집 fingerprinting법, 그리고 정량 PCR법등이 있다. Fig. 1에 기본적인 분자 생태학적 기법의 수행 흐름도와 상호관계를 나타내었다.

 

3.1 FISH법

 

FISH이란 형태학적으로 보존된 박테리아 군집 시료 내에서 목적 박테리아의 DNA 또는 RNA의 특정 부분에 상보적인 염기서열을 갖는 형광 표지 probe(20개 내외의 염기로 구성된 짧은 DNA단편)를 결합시킨 후 목적하는 박테리아의 분류군을 형광현미경으로 검출하는 방법이다. 주로 SSU rRNA(박테리아의 경우는 16S rRNA)를 검출하는 형광 probe를 사용하며, probe는 특정 박테리아 종, 그룹, 더 넓게는 진정세균 전체를 검출할 수 있도록 설계할 수 있다. probe의 설계에는 기존 16S rRNA의 데이터베이스를 활용할 수 있으며, 다른 분자 생태학적 기법을 사용하여 얻어진 특정 개체군의 16S rRNA 데이터를 활용할 수도 있다. FISH법은 보다 큰 분류군 내의 작은 분류군의 존재 비율 또는 분류군 간의 존재 비율의 비교를 위하여 적용할 수 있다. 생물환경공정에서 사용되는 FISH기법의 가장 일반적인 예로는 진정세균 전체를 검출하는 probe인 EUB338과 보다 세부적인 특정 박테리아 그룹을 검출하는 probe를 동시에 사용함으로써 전체 박테리아 가운데 특정 그룹에 속하는 박테리아의 존재 비율을 산출하는 것이다. 또한, 형태를 파괴하지 않고 박테리아의 세포를 고정시킨 상태에서 형광 probe를 결합시키기 때문에 생물막과 같은 미생물 집단 속에서 목적하는 박테리아 분류군이 존재하는 장소를 파악할 수도 있다.

생물환경공정에서 FISH의 적용은 많은 이점을 가지고 있으나, 개발된 16S rRNA probes를 이용하여 목적 미생물을 검출하는데 몇 가지 문제에 직면하게 된다. 첫째, 첨가한 DNA probe의 양이 부족한 경우나 배경의 형광강도가 지나치게 높은 경우에는 검출하고자 하는 형광의 양이 미약하여 목적 분류군에 속하는 박테리아의 존재양이 과소평가 될 수 있다. 둘째, 일반적으로 FISH는 슬라이드 글라스를 사용하여 수행되나, 세척과정에서의 세포 유실로 인해 측정되어야 할 결과보다 과소평가 될 수 있다. 셋째, 자기형광(autofluorescent)을 나타내는 미생물의 경우에는 정량이 곤란하다. 넷째, 사용하는 probe의 정확성과 반응조건 및 검출하고자 하는 미생물의 생리적 상태에도 영향을 받는다. 다섯째, 생물환경공정에 존재하는 수많은 박테리아 종에 대하여 특이적인 probe를 설계하는 것은 불가능하며, 검출하고자 하는 박테리아 개체군의 종류가 늘어남에 따라 군집의 해석에 방대한 시간과 비용, 노력이 소모된다.

그럼에도 불구하고 FISH기법은 목적 미생물 존재와 양의 시각화 등의 많은 장점으로 인하여 생물환경공정의 미생물 군집 해석에 폭넓게 사용되고 있으며, 최근에는 flow cytometry(형광을 띤 세포를 분류하는 장치) 또는 Microautoradiography법(동위원소이용 관찰법, MAR-FISH)과 결합하여 사용하거나, TSA-FISH(Tyramide Signal Amplification of FISH), CARD-FISH(Catalyzed Reporter Deposition-FISH) 등 FISH의 단점을 개선한 새로운 방법들이 개발되어 미생물 군집해석에 적용되고 있다.

 

3.2 16S rRNA 유전자 클로닝법

 

16S rRNA 유전자(이하 16S rDNA)의 클로닝을 위해서는 우선 생물환경공정의 미생물군집 시료로부터 모든 미생물의 DNA를 추출한 후, PCR법으로 박테리아의 16S rDNA를 대량 복제한다. 복제된 PCR 산물에는 다양한 박테리아의 16S rDNA가 혼재하고 있으므로, 각각을 플라스미드에 연결하여 하나씩 대장균에 삽입한다. 대장균을 배양하여 16S rDNA가 삽입된 플라스미드를 대량 복제한 후 플라스미드를 회수하고, 각 플라스미드에 삽입된 16S rDNA의 염기서열을 결정한다. 얻어진 16S rDNA의 염기서열을 Genebank 등의 SSU rRNA 데이터베이스와 비교함으로써, 미생물군집 내에 존재하는 박테리아의 종들을 결정하거나 알려진 종들과의 계통학적 상관성을 구할 수 있다. 또한, 16S rDNA 클론 해석 결과는 서로 다른 미생물군집 시료(예를 들면, 서로 다른 장소에 존재하는 생물환경공정, 또는 같은 생물환경공정에서의 계절별 미생물군집 시료 등)의 종 다양성을 비교하는데 사용될 수 있으며, FISH에 사용되는 probe나 Finger print법에 사용되는 primer의 설계에도 활용될 수 있다.

16S rDNA 클론 해석법은 FISH법에 비하여 미생물 군집 내에 존재하는 다양한 박테리아 종을 밝혀 낼 수 있다는 장점이 있다. 그러나 군집 내에 너무 많은 종들이 존재할 경우, 시료의 수가 많을 경우, 그리고 계속적으로 군집의 변화를 모니터링 해야 할 경우에는 지나친 시간과 노력, 비용을 필요로 하기 때문에 적용하기 어렵다.

 

3.3 군집 Fingerprinting법

 

군집 fingerprinting법은 PCR 증폭된 특정 DNA(주로 16S rDNA)를 gel 상에서 물리적으로 분리하여 DNA band의 패턴이나 프로파일을 제공함으로써, 미생물군집의 종 다양성을 결정하거나, 군집의 시간, 공간 또는 조건에 따른 변화를 용이하게 모니터링 하기 위한 기법이다.

군집 fingerprinting법에는 DGGE(denaturing gradient gel electrophoresis), TGGE(temperature gradient gel electrophoresis), SSCP(single strand conformation polymorphism), RFLP(restriction fragment length polymorphism), T-RFLP(terminal restriction fragment length polymorphism) 등 다양한 방법이 있으나, 이 가운데에서 최근 가장 널리 사용되고 있는 DGGE와 T-RFLP에 관하여 소개하고자 한다.

 

(1) PCR-DGGE법

 

PCR-DGGE법은 원래 의학 분야에서 돌연변이 유전자의 검출을 위하여 사용되어 오던 방법이었으나, Muyzer et al.(1993)가 처음으로 16S rDNA의 V3 region(16S rDNA 가운데 미생물 종에 따라 가장 변이가 심한 부분)을 대상으로 미생물 생태분야에 적용하였다. DGGE 분석법에서는 5‘말단에 GC-clamp(약 40개 정도의 G와 C로 구성된 DNA단편)를 붙여 놓은 primer를 사용하여 미생물군집에서 추출한 전체 DNA로부터 16S rDNA를 PCR증폭 시킨 후, 증폭된 PCR 산물을 urea나 formamide와 같은 DNA변성제의 농도 구배가 존재하는 gel상에서 전기영동 한다. 증폭된 16S rDNA는 군집 내의 박테리아 종에 따른 염기서열의 차이에 의해 단일가닥(한쪽 끝은 GC-clamp로 인해 묶여진 상태)으로 변성되는 정도가 달라지고, 이에 따라 gel 상에서의 이동거리가 달라지는 점을 이용한 방법이다. 결국, gel상의 특정 위치에서 특정 16S rDNA 염기서열을 가진 DNA가 band 형태로 나타나게 된다. 따라서 샘플 내에 미생물의 개체수가 다양할수록 band의 수는 늘어나게 되고 동일한 염기서열의 DNA가 많을수록 나타나는 band의 선명도는 증가하게 된다.

PCR-DGGE법은 많은 샘플에서의 전체적인 미생물 종의 수 그리고 양적 변화를 하나의 gel상에서 관찰할 수 있다는 장점이 있다. 또한 중요도가 높은 band의 경우에는 band로부터 직접 DNA를 회수한 후, sequencing을 통해 종을 확인할 수 있기 때문에 cloning 분석법에 비해 시간, 노력 및 비용을 최소화할 수 있다. 그러나 gel의 제작과 최적 농도 구배의 범위를 설정하는 과정이 번거롭고, 샘플 내에 분포도가 낮은 종의 경우에는 증폭산물이 적어 검출되지 않을 수 있으며, band의 수가 너무 많이 발생하는 경우에는 군집의 변화를 해석하는데 어려움이 따른다. 게다가, 비교해야 할 샘플의 수가 많은 경우, 여러 장의 gel을 사용하여 전기영동을 실시해야 하며, 샘플의 조합을 달리하여 군집을 비교하고자 할 경우에는 추가적으로 전기영동을 실시해야 한다는 단점이 있다. 또한 서로 다른 염기서열의 band들이 뒤엉켜서 같이 이동하는 경우도 발생하며, PCR과정에서 mismatch로 생성된 산물도 군집의 구성 개체로 인식되어 버리는 오류가 발생할 수 있다.

유사한 기법인 PCR-TGGE법은 gel에 변성제 농도 구배를 대신하여 온도 구배를 부여하고, 전기영동을 실시하여 군집을 해석하는 방법이며, SSCP법는 DNA 이중 사슬을 2개의 단일사슬로 완전히 변성시킨 후, 낮은 온도에서 단일사슬이 형성하는 입체적 구조의 차이를 이용하여 전기영동을 실시하고 군집을 비교하는 방법이다.

 

(2) T-RFLP법

 

T-RFLP법은 미생물의 DNA로부터 16S rDNA를 PCR증폭 시킨 후, 증폭된 PCR 산물을 제한효소(이중사슬 DNA의 특정부위를 절단하는 효소)로 절단하고, 전기영동을 실시하여 band 프로파일을 비교하는 RFLP법을 Liu et al.(1997)이 개량한 기법이다. 이 방법에서는 말단을 형광물질로 표지한 primer를 이용하여 16S rDNA를 PCR 증폭한 후, PCR산물을 제한 효소로 절단한다. 생성된 단편들 가운데에서 형광 표지된 DNA절편들은 변성제를 함유하지 않은 polyacrylamide gel를 사용하여 전기영동하거나 capillary 전기영동을 수행하여 형광을 검출함으로써 군집 내 미생물 종 다양성을 반영하는 peak(또는 band) 프로파일로 나타나게 된다.

이론적으로 형광 표지된 DNA 절편의 길이에 따라 나타나는 각 peak는 특정 미생물 종을 의미하며, 각 peak의 면적은 그 미생물 종의 상대적인 분포비를 나타낸다. 따라서 T-RFLP는 PCR-DGGE와 유사하게 정성적 그리고 정량적으로 사용할 수 있다. 또한, 전기영동을 수행할 때 DNA의 size marker를 사용하여 형광 표지된 DNA 절편들의 길이를 측정할 수 있으며, 사용한 primer 및 제한효소의 종류에 근거하여 데이터베이스에서 각 단편의 길이에 해당하는 박테리아의 종을 찾아낼 수도 있다. 그러나 이론적으로는 하나의 미생물 종은 특정한 길이의 형광 표지 절편 하나만을 생성하지만, 서로 다른 미생물이라 하더라도 같은 길이에서 같은 제한효소 사이트를 가질 경우에는 여러 종이 똑같은 길이의 형광 표시 절편을 생성할 수도 있다. 이러한 경우에는 데이터베이스로부터 미생물 종을 결정하기 힘들다.

T-RFLP법은 서로 다른 미생물 군집의 종 다양성을 비교하거나 한 미생물 군집 내의 변화를 모니터링 할 때 유용한 방법이다. 또한, 샘플의 조합을 달리하여 군집을 해석하고자 할 때에도 추가적인 실험 없이 기존의 peak 프로파일 데이터를 비교함으로써 간단히 수행할 수 있으며, 존재량이 적은 미생물 종까지 검출해 낼 수 있는 장점이 있다. 그러나 단점으로, peak의 베이스 라인이 안정되지 못 할 경우, peak가 아닌 것까지 모두 peak로 간주해 버림으로써 미생물 종 다양성을 과다하게 평가하는 오류를 범할 수 있으며, 사용한 primer와 제한효소의 종류에 따라 군집해석 결과가 달라질 수 있다. 따라서 T-RFLP법은 복잡한 군집구조를 가지는 시료의 해석에는 적합하지 않으며, 종 다양성이 크지 않은 미생물 군집의 해석에 적용하는 것이 바람직하다.

 

3.4 정량PCR법

 

일반적인 PCR법은 사이클 수(반응이 진행된 횟수, n)에 따라 초기 DNA를 2n에 비례하여 복제 생성한다. DNA의 증폭이 진행되는 과정 중에는 증폭되는 산물의 양의 변화를 알 수 없으며, 단지 PCR을 통해 생성된 최종 산물의 양만을 측정할 수 있다. 게다가 초기의 존재량이 다른 DNA들을 증폭시킨다 하더라도 충분한 사이클(일반적으로 30사이클 이상)의 PCR을 거치게 되면 최종 산물의 양에는 큰 차이가 없어지게 된다. 따라서 PCR법을 활용하는 기존의 분자 생태학적 기법의 경우에는 초기량(예를 들면, 미생물 군집 내 각 분류군의 존재량)을 반영할 수 없기 때문에, 정확한 정량적 평가가 어렵고 다만 상대적인 양의 비교를 수행할 수 있을 뿐이다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제시된 기법이 정량 PCR법이다.

정량 PCR법에서는 증폭되는 DNA의 일부분에 특이적으로 결합(hybridization)할 수 있는 형광 표지된 probe를 첨가하거나 이중사슬의 DNA에 결합하는 염색시약(intercalator)을 첨가하여 PCR을 수행함으로써 검출되는 형광의 변화량으로부터 증폭되는 DNA의 양의 변화를 모니터링한다. PCR산물이 지수함수적으로 증가하는 동안에는 초기의 DNA양에 비례하여 산물이 증가하기 때문에, 초기 DNA양을 순차적으로 증가시킨 표준시료들을 사용하여 초기 DNA양과 임의의 형광량에 도달하는 데 필요한 PCR 사이클 수(Ct : Cycle of threshold)의 관계를 검량선으로 작성한다. 작성한 검량선으로부터 시료의 Ct값에 해당하는 초기 DNA량을 산출해 낼 수 있다.

이 방법은 의약분야에서 유전자의 발현된 양을 비교하기 위하여 주로 사용되어 왔으나 최근에는 생물환경공정 내에서 특정기능을 수행하는 미생물 종이나 특정 기능 유전자 그 자체의 정량에도 적용되고 있다. 예를 들면 혐기성 소화공정 내에서 메탄균을 정량하거나 영양염류 제거 활성슬러지 공정에서 암모니아 산화균을 정량하는데 응용되고 있으며, 암모니아 산화효소의 유전자나 방향족 유기물 분해효소의 유전자들의 정량에도 적용된 사례가 있다.

정량 PCR의 단점은 primer와 probe의 종류와 양의 결정, PCR 수행 조건의 결정, 표준시료 DNA의 제작, 검량선의 작성 등의 과정이 번거롭고 비교적 상당한 시간과 비용을 필요로 한다는 것이다. 그러나 미생물 종 다양성을 해석하는 다른 분자 생태학적 기법과 병행한다면 생물환경공정의 미생물 군집을 이해하는데 있어 가장 강력한 기법 가운데 하나가 될 것이다.

 

4. 분자생태학적 기법의 한계 및 활용 방향

 

현재 생물환경공정의 미생물 군집해석을 위하여 가장 널리 사용되는 분자 생태학적 기법은 PCR-DGGE 등의 군집 fingerprinting법이다. 미생물 군집에 대한 세부적인 조사를 수행하기에 앞서 대략적으로 군집 내에 존재하는 개체군의 다양성을 파악하고자 수행한다. 그리고 시간, 장소, 기타 조건의 변화에 따른 군집의 변화를 비교함으로써 중요하다고 인지되는 band를 조사하여 중요한 미생물 종들을 결정한다. 중요한 미생물 종들에 대해서는 염기서열 해독 결과를 바탕으로 특이적인 probe를 설계하여 FISH를 수행함으로써 그 종들의 존재 비율과 장소를 알아 낼 수 있다. 또한, 보다 정확한 정량적 수치를 얻고자 할 때에는 정량 PCR을 수행 하며, DGGE의 결과를 뒷받침하는 자료로 사용하기 위하여 16S rDNA의 클로닝을 수행하기도 한다.

클로닝을 수행하는 경우에도 생성된 클론(clone)에 대하여 RFLP나 DGGE를 실시하여 같은 band 유형을 나타내는 클론들을 같은 그룹으로 분류하고, 각 그룹에서 대표적인 클론 2~3개만을 조사함으로써 시간과 노력, 비용을 절감할 수 있다. 이와 같이 현재의 생물환경공정의 미생물 군집해석에는 각각의 분자 생태학적 기법들이 갖는 단점을 보완하기 위하여 여러 기법들을 복합적으로 사용하는 추세이다. 

이상에서 소개한 바와 같이 분자 생태학적 기법들은 각각 저마다의 한계점을 가지고 있지만, 대부분의 분자 생태학적 기법들이 공통적으로 갖는 중요한 한계점은 중간단계로서 PCR법을 사용한다는 것이다. PCR 과정에서는 primer끼리 결합하거나 반응조건이 엄격하지 않을 경우에 목적으로 하지 않는 DNA단편을 증폭할 수도 있다. 또한, PCR 증폭된 산물은 초기의 DNA량(개체 량)을 반영하지 못 하는 등 여러 가지 기술적인 문제점을 함유하고 있다. 이러한 문제로 인한 오차가 시료채취나 DNA 추출, 그리고 결과해석 과정에서 범할 수 있는 오차 보다 덜 중요한 것으로 간주 되고 있기는 하지만, 분자 생태학적 기법을 사용할 경우에는 반드시 PCR의 방법적인 한계를 인식하고 해석을 수행하여야 할 것이다.

여러 분자생태학적 기법들은 생물환경공정의 기능에 관계하는 특정 기능 유전자의 해석에도 적용 가능하다. 그러나 아직까지 기능과 상호작용에 대한 연구는 초기 단계에 있으며, 대부분이 군집 내 미생물의 종 다양성을 비교하거나 관심이 있는 개체의 분류 그룹을 결정하기 위해 사용되고 있다. 다행하게도 암모니아 산화균, 아질산성질소 산화균, 인 축적균, 황 환원균, 메탄균, 벌킹 원인 사상균 등 생물환경공정의 기능에 중요한 영향을 미치는 미생물들은 각각 계통발생학적으로 특정한 분류군 속하기 때문에 군집 내에 존재하는 이들의 16S rDNA를 해석함으로써 기능 미생물의 존재와 공정효율의 관계를 해석하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 많은 새로운 지식과 정보가 축적되고 있다.

분자생태학적 기법을 사용한 생물환경공정 내 미생물 군집 해석 결과는 아직까지 공정 제어에는 반영되지 못하고 있는 실정이지만, 공정관리를 위한 모니터링이나 상태 진단에는 사용 가능할 뿐만 아니라, 새로운 공정개발에 있어 메커니즘의 규명이나 이론을 뒷받침하는 자료로 활용 가능하다. 또한, 최근에는 오염토양이나 지하수의 생물학적 복원과정에 있어서 미생물 군집 변화에 대한 모니터링이나 특정 오염물질의 분해를 위해 첨가한 미생물의 거동 해석에도 적극 활용되고 있다.

 

5. 결 론

 

분자 생태학적 기법을 이용한 생물환경공정 내 미생물 군집 해석 분야는 세계적으로도 새로운 기법의 개발이 활발하게 진행되고 있는 격동적인 연구 분야이다. 우리나라에서는 몇몇 우수한 연구실에서 분자 생태학적 기법을 이용한 질산화 생물막의 해석, 혐기성 소화조 내 메탄균의 정량화, 인 제거 공정 내 미생물 군집 해석, 벌킹 원인 사상균의 검출에 관한 연구가 진행되고 있다. 우리나라에서도 분자 생태학적 기법을 이용한 보다 많은 연구가 활발히 진행되어, 획기적인 기법의 개발과 적용이 이루어지기를 바라며, 이를 통해 얻어진 결과가 생물환경공정 내 미생물의 다양성과 기능에 대한 이해뿐만 아니라 공정 관리 및 제어에 활용될 수 있기를 기대한다.

 

[참 고 문 헌]

 

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7) Rochelle, P.A.2001. Environmental molecular microbiology:Protocols and Applications. Horizon Scientific Press, Norfolk, UK.

출저>

이태호 (안동대학교 환경공학과 조교수)




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