커뮤니티 > 미생물이야기



미생물이야기 교란되지 않은 환경에서 미생물 군집의 일차적인 활성은 자연적으로 발생하는 유기물질의 이용이다.
2013-08-13 14:58:15
이엠생명과학연구원

교란되지 않은 환경에서 미생물 군집의 일차적인 활성은 자연적으로 발생하는 유기물질의 이용이다. 종속영양성 활성 (heterotrophic activity)은 미생물 개체군이 이러한 유기물질을 탄소원과 에너지원으로 이용하는 정도에 관한 측정이다. 이 과정을 호흡 (respiration)이라 하며, 산소 혹은 대체 최종 전자수용체의 소비와 이산화탄소의 생성을 포함한다. 기질의 탄소는 부분적으로 이산화탄소로 방출되며, 일부는 새로운 세포 물질을 만드는데 이용된다. 호기성 조건의 종속영양성 활성에서, 탄소의 50%는 이산화탄소로, 50%는 세포 생체량으로 변한다고 일반적으로 가정할 수 있다. 혐기성 조건의 경우, 탄소의 보다 작은 부분이 생체량을 만드는 데 사용되며, 보다 많은 부분이 이산화탄소와 메탄으로 변한다. 따라서 환경시료의 미생물 활성은 최종 전자수용체 소비나 이산화탄소 발생을 측정하여 조사할 수 있다. 하지만 이산화탄소와 최종 전자수용체 모두, 측정한 변수와 만들어진 새로운 세포 물질의 양과의 관계는 생물체, 특정 기질, 그리고 생장률에 영향을 미치는 환경조건에 특이적이다. 따라서 세균의 절대 생산을 정량하기 위해서는 환산 효율이 평가되어야 한다. 호흡기체 유출입의 측정은 미생물 활성의 상대적인 수준을 제공할 수 있다.

 

실험실과 현장의 연구에서 호흡 기체, 이산화탄소 및 산소의 측정

순수배양에서 이산화탄소와 최종 전자수용체, 특히 산소를 측정하는데 있어 여러 접근방법이 있다. 이 접근방법의 대부분은 환경시료에서의 사용에도 적용할 수 있다. 호흡 기체의 존재는 또한 열전도 검출기를 사용하는 기체 크로마토그래프 분석으로 결정할 수 있다. 크로마토그래피에서는, 공기시료를 새지 않는 주사기에 모아서 불활성 기체의 흐름에 주입하게 되는데, 이 공기의 흐름은 시료를 선택적 물질로 채워진 컬럼을 통과하게 한다. 컬럼 충전물질은 시료 중 개개의 기체상 성분을 분리하여 동일한 시료에서 산소와 이산화탄소를 동시에 조사할 수 있게 한다. 대기시료의 이산화탄소는 또한 특정 파장의 전자파 흡수를 통해 검출하는 적외선 기체 분석기를 사용하여 조사할 수 있다.

 

 

육상 환경

Microcosm 연구

토양이나 지표 아래의 미생물 활성은 실험실의 통제된 조건 혹은 현장에서 측정할 수 있다. 실험실 연구에서, 다공성 매체의 시료는 공기가 통하지 않는 밀폐된 용기에서 배양하는데, 이를 보통 마이크로코즘 (microcosm)이라 한다. 이러한 접근은, 상대적으로 통제된 조건에서 실행할 수 있고 재현이 가능한 복잡한 실험의 고안을 가능하게 한다. 실험실 microcosm의 설치에서는, 일반적으로 시료를 균질화하고 돌과 식물 잔재를 제거하기 위하여 토양을 2 mm의 체로 통과시킨다. 그 후 토양을 건조시키고 수분함량을 조정한다. 하지만 이러한 방법으로 토양을 준비하는 경우, 토양의 뭉침과 공극의 크기 분포와 같은 토양의 구조적 특징 변화에 의하여 미생물 활성이 영향을 받을 수 있는 단점이 있다.

밀폐된 microcosm의 사용은, 윗공간 부분의 공기에서 이산화탄소와 산소의 흐름을 결정하여 시료의 미생물 활성 측정을 가능하게 한다. 공간부분의 기체 시료는 공기가 새지 않는 주사기를 이용하여 얻을 수 있으며, 이산화탄소나 산소의 농도는 기체 크로마토그래피를 사용하여 결정할 수 있다. 다른 방법으로는 염기성 용액에 발생하는 이산화탄소를 포집하는 것이다. 오랜 기간 배양하는 경우 나타날 수 있는 문제점에는 공기가 통하지 않는 밀폐된 플라스크의 공간부분에서 산소가 고갈된다는 것이다. 이 문제에 대한 방안으로 미생물 호흡의 정량은 가능하게 하면서 공간부분의 기체를 보충할 수 있는 연속흐름 배양 체제가 고안되었다. 이 경우 연속흐름 기체로 이산화탄소가 없는 공기를 사용하게 되며, 플라스크로부터 배출되는 공기에 포함된 이산화탄소는 미생물 활성의 직접적인 결과이다. 배출되는 공기에 있는 이산화탄소는 알칼리 용액으로 포집하여 정량하거나 적외선 검출기와 같은 이산화탄소 검출장치로 직접 보내어 정량할 수 있다. 일부 알칼리성 토양에서의 두 번째 문제는 반응식의 평형이 pH에 의존적이기 때문에 이산화탄소 발생을 과소평가 할 수 있다는 것이다. pH 6.5 이상의 토양에서, 무기물화에 의해 발생하는 이산화탄소의 상당부분은 중탄산염 (HCO3-)의 형태로 토양에 남을 것이다. 배양 플라스크의 공기를 계속적으로 보충하는 연속흐름 체제는, microcosm 공기 중의 이산화탄소 농도를 낮게 유지하여 토양에 잔류하는 이산화탄소를 감소시킨다.

 

현장 연구

현장 연구는 표층 토양에 현장 상자 (field chamber)를 설치하고 현장에서 측정하여 행해질 수 있다. 현장 상자 내의 공기 시료는 공기가 새지 않는 주사기를 이용하여 얻을 수 있으며, 기체 크로마토그래피에 주입하여 이산화탄소와 산소의 농도를 결정할 수 있다. 어떤 경우는 표면 아래의 토양에서 호흡 기체를 측정하는 것이 바람직할 수 있다. 이 경우 기체 시료 탐침을 토양 표면 아래에 집어넣어, 토양 단면의 일정한 깊이에서 기체 시료를 얻는데 사용할 수 있다. 하지만 지상의 공기가 지표 아래로 유입되는 결과를 초래할 수 있는 선택적인 흐름의 경로가 나타나는 것을 피하도록 주의하여야 한다.

토양 수분과 온도와 같은 환경 인자를 쉽게 조절할 수 없어서, 현장 호흡 측정은 실험실 microcosm 측정에서 보다 더 큰 변이를 나타낸다. 또한 현장 토양의 멸균이 어렵기 때문에 현장에서 대조군 연구를 수행하기가 어렵다. 식물 뿌리의 호흡은 호흡 기체의 유출입에 상당한 기여를 할 수 있으므로 현장 측정에서 종속영양 세균과 식물 뿌리가 각각 기여하는 것을 구분할 수 없기 때문에 이산화탄소 생산은 전체 토양 대사활성의 측정으로 여겨진다.

 

 

수 환경

산소 이용은 수 환경에서 미생물 활성을 결정하는 일반적인 수단이 되는데, 이는 부분적으로 용존산소를 결정하기가 쉽기 때문이다. 하지만 많은 수계, 특히 해양환경은 빈영양 상태이어서, 종속영양세균의 수와 활성은 제한된다. 따라서 상당한 산소 이용의 검출을 위해, 12시간 혹은 종종 더 장시간 물 시료를 밀폐된 microcosm에서 배양하여야 한다. 산소요구량을 기록하기 위해 요구되는 장기간의 물 시료의 배양은, 체제에서 시간에 의존적인 여러 변수의 변화에 기인한 인위적 환경을 만들 수 있다. 여기에는 유기탄소 기질의 양과 형태의 변화, 세균포식 동물플랑크톤의 존재에 기인한 포식 압력의 변화, 그리고 microcosm에서 큰 종류의 포식 동물의 배제를 포함한다. 시간이 지나면서, 이것들의 영향은 초기 호흡률로부터 차이를 만들 수 있다. 이러한 형태의 오차를 없애기 위하여 배양 시간을 가능한 짧게 유지되도록 해야 한다.

수계에서 고려해야할 다른 요인에는 광합성 미생물과 종속영양성 미생물 사이의 긴밀한 관계가 있다. 산소 이용에 의한 종속영양성 활성의 측정을 교란할 수도 있는 광합성에 의한 산소발생을 억제하기 위하여 배양은 어두운 곳에서 이루어져야 한다. 하지만 이 경우 측정된 산소요구량은 종속영양성 활성과 광합성 생물의 암조건 호흡주기에서의 산소 이용을 포함할 것이다. 이러한 수계에서 호흡 기체 측정의 본질적 어려움 때문에 활성 측정의 보다 나은 선택은 대개 다음 장들에서 서술된 여러 추적자 방법 중의 하나가 된다. 이 방법들은 훨씬 짧은 배양 기간을 필요로 하고 종속영양세균에 보다 특이적이라는 장점을 지닌다.




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