커뮤니티 > 미생물이야기



미생물이야기 미생물의 환경과 미세환경을 살펴보자.
2013-08-13 12:11:11
이엠생명과학연구원

환경과 미세환경

미생물들은 생명을 지탱할 수 있는 모든 가능한 서식지에 서식한다. 미생물 서식지는 극도로 다양하며 흔히 신속하게 변화한다. 토양과 물의 흔한 서식지 외에 미생물들은 고등생물의 표면에 그리고 많은 경우에 실제로 그 내부에 서식하면서 동식물에 영향을 미친다.

 

 

미생물과 미세환경

자연에서 미생물의 생장은 가용한 자원 (resource, 영양물질)과 생장 조건에 의존한다 (표 1). 서식지에서 자원의 종류와 양, 그리고 물리화학적 조건의 차이는 각 특정 미생물을 위한 생태적 지위 (niche)를 규정한다. 모든 생물체를 위해 그 생물체가 가장 성공적인 적어도 하나의 생태적 지위, 즉 주요 생태적 지위 (prime niche)가 존재한다. 특정 생물체는 그 주요 생태적 지위에 우점하지만 그보다 생태학적으로 덜 성공적인 다른 생태적 지위에도 서식할 수 있다. 지구상에는 수많은 미생물적 생태적 지위가 존재하며 이것이 미생물들의 대사적 다양성과 생물 다양성의 진화에 부분적인 원인이 된다. 미생물은 매우 작기 때문에 그들의 서식지 또한 작다. 미생물 생태학자들은 미생물이 그 안에서 실제로 살고 대사하는 곳을 서술하기 위해 미세환경 (microenvironment)이란 용어를 사용한다.

 

표 1 자연에서 미생물 생장에 영향을 미치는 주요 자원 및 조건

---------------------------------------------------

자원 조건

---------------------------------------------------

탄소 (유기물, CO2) 온도: 저온 → 중온 → 고온

질소 (유기물, 무기물) 수분포텐셜: 건조 → 축축함 → 습윤

기타 다량 영양물질 (S, P, K, Mg) pH: 0 → 7 → 14

미량 영양물질 (Fe, Mn, Co, Cu, Zn, Mn, Ni) O2: 호기성 → 미호기성 → 혐기성

O2와 기타 전자수용체 (NO3-, SO42-, Fe3+ 등) 광: 밝은 빛 → 약한 빛 → 암흑

무기 전자공여체 (H2, H2S, Fe2+, NH4+, NO2- 등) 삼투조건: 담수 → 해수 → 고염수

---------------------------------------------------

작은 토양 입자에서 물리화학적으로 매우 다른 여러 미세환경들이 존재할 수 있다. 예를 들어 토양 입자에서 산소 같은 중요한 미생물 영양물질의 분포를 살펴보자. 미세전극 (microelectrode)은 작은 토양 입자 내부의 산소 농도를 측정할 수 있다. 토양 입자는 그들의 산소 함량 측면에서 균일하지 않다. 작은 토양 입자의 바깥층은 O2가 존재하는 완전한 호기적 (oxic) 조건이 될 수 있으며, 반면 아주 가까운 거리이지만 중앙 부위는 산소가 없는 완전히 혐기적 (anoxic) 조건이 될 수 있다 (그림 2).

이렇게 매우 작은 공간적 규모에서도 다른 생태적 지위가 존재할 수 있다는 것을 보았으며 이것이 다양한 생리적 종류의 미생물들이 그림 2에서 볼 수 있는 단일 “토양 입자”에서 공존할 수 있는 이유가 된다. 혐기성 생물은 입자의 중앙 부위에서 활성을 가질 수 있으며 미호기성 생물 (매우 낮은 산소 수준을 요구하는 호기성 생물)은 약간 바깥쪽에 존재하며, 그리고 절대 호기성 생물은 입자의 가장 바깥쪽의 완전한 호기적 지역에서 대사할 수 있다. 통성 호기성 세균은 입자 전체에 분포할 수 있다.

미세환경 내의 물리화학적 조건은 시간적, 공간적으로 빠르게 변화할 수 있다. 따라서 미세환경은 불균일하고 (heterogeneous) 주어진 미세환경의 조건은 신속하게 변화할 수 있다고 결론지어질 수 있으며, 이런 방식으로 미세환경은 비교적 작은 물리적 공간에서 높은 미생물 다양성을 가지게 된다.

 

 

영양물질 수준과 생장률

영양물질 (또는 생태학적 용어로 자원, 표 1 참조)은 전형적으로 생태계에 간헐적으로 유입된다. 자연의 미생물들은 흔히 “풍요-또는-빈곤 (feast-or-famine)”에 직면하며 따라서 많은 미생물들은 자원이 허용되면 예비물질로 저장 중합체 (storage polymer)를 생성한다. 저장물질의 예로는 poly-β-hydroxybutyrate (폴리-베타-히드록시부티르산염)과 기타 알칸산염 (alkanoate), 다당류, 다중인산염 (polyphosphate) 등이 있다.

자연에서 미생물의 장기간에 걸친 지수생장은 드물다. 생장은 대부분 자원의 가용성과 밀접하게 연관되어 간헐적으로 일어난다. 자연에서 물리화학적 조건들이 동시에 최적인 경우가 드물기 때문에 자연의 미생물의 생장률은 대부분 실험실에서 관찰된 최대 생장률에 훨씬 못미치게 된다. 자연에서 전형적인 토양 세균은 실험실에서 측정된 최대 생장률의 1% 이하로 자라는데 이 느린 생장률은 다음의 사실을 반영한다; (1) 영양물질 (표 1)이 흔히 적게 공급되거나, 또는 생장조건이 최적이 아니다; (2) 미생물 서식지에서 영양물질의 분포가 균일하지 않다; (3) 대부분의 경우 자연환경에서 미생물들은 순수배양이 아닌 혼합 개체군 상태에서 자란다. 따라서 순수배양에서 빠르게 자라는 생물체는 가용한 자원과 생장조건에 보다 잘 적응한 다른 생물체들과 경쟁해야 하는 자연환경에서 느리게 자라나게 된다.

 

 

미생물 경쟁과 협동

미생물 간의 가용자원에 대한 경쟁은 치열하며 그 결과는 영양물질 흡수율, 선천적 대사율과 궁극적으로 생장률을 포함한 여러 요인에 따라 결정된다. 전형적인 서식지는 여러 미생물이 섞여 있으며 (그림 1) 각 개체군의 밀도는 특정 서식지가 그 개체군의 주요 생태적 지위와 얼마나 닮았느냐에 따라 결정된다.

동일한 자원에 대해 직접 경쟁하는 대신 일부 미생물들은 같이 작용하여 각자 단독으로 할 수 없는 전환을 수행한다. 이런 종류의 미생물 관계를 영양공생 (syntrophy)이라 하는데 대사적 협동은 보완적 대사를 수행하는 생물들의 활성에서도 볼 수 있는데 예를 들면 아질산화세균 (nitrosifying bacteria)과 질산화세균 (nitrifying bacteria) 같은 두 가지 다른 종류의 생물이 포함된 대사가 있다. 아질산화세균의 산물 (NO2-)이 질산화세균의 기질이기 때문에 그런 생물들은 자연에서 전형적으로 밀접한 연관을 맺게 된다.




대전광역시 유성구 문지동 KAIST문지캠퍼스강의동L605호 대표이사:(원장)서범구 사업자번호:314-86-01479
전화번호:1800-0250 팩스번호:07074559748 관리자이메일:puom9@naver.com
이엠생명과학연구원. All Rights Reserved