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미생물이야기 시스템의 법칙을 따르는 미생물
2013-08-14 11:06:48
이엠생명과학연구원
시스템의 법칙을 따르는 미생물
  자연은 생물에 의해, 생물은 부여된 기능에 의해 비로소 존재의 가치를 갖게 된다.
 

 

 

시스템의 형성

우리가 사는 곳은
우주 시스템 속의 지구라는 조그마한 행성 우리 삶 모든 것이 이곳에서 이루어지네 간혹 우주선을 타고 여행을 가지만 밤하늘을 가르는 유성처럼 우리는 지구라는 시스템을 벗어날 수 없네

 
  원소로 구성되어 있는 1차원적 성질의 구조체인 무기물은 고유의 원자 및 분자 에너지와 우주공간을 흐르는 에너지에 의해 수동적으로 움직인다. 3차원적 특성의 구조체인 생물은 스스로 확보한 에너지를 이용하여 능동적으로 행동하지만, 에너지를 확보하지 못하면 단 한 순간의 대사활동도 할 수 없어 정상적인 생명을 유지하기 어렵다. 그러므로 각각의 생명체가 주어진 환경에 적응하여 생장과 증식을 하지 못하면 그 생명체는 생태계의 미아가 될 뿐이다.

생명체는 이를 극복하기 위해 자기 스스로 혹은 다른 생명체와 격렬한 생존경쟁을 벌이게 되어, 승자는 환경을 지배하게 된다. 여기서의 지배란 에너지를 다른 종보다 우선적이면서 능동적으로 확보할 수 있다는 것을 의미 할 뿐이다. 왜냐하면 모든 생명체 즉 동물, 식물, 미생물은 서로 먹이사슬로 연결되어, 생태계 내에서의 역할에 따라 각각 소비자, 생산자, 분해자로서 생명을 유지하는 체계 즉 시스템(system)을 이루고 있기 때문이다.

생물은 각자가 살고 있는 기존의 시스템에 가장 효율적인 방법으로 생명을 유지할 수 있도록 형질이 개선되어 왔기 때문에 새로운 시스템에 쉽게 적응하지 못한다. 인간이 위성과 같은 아주 특수한 기구를 이용하지 않고서는 지구라는 시스템을 벗어나 생존할 수 없듯이, 미생물도 시스템간 이동이 어렵고 이동한다 하여도 옮긴 시스템에서 매우 큰 스트레스를 받아 생존능이 현저히 저하되거나 단지 유기물로 되는 경우가 많다. 여기서는 바로 이러한 시스템 측면에서 미생물이 가지고 있는 특징을 살펴보기로 한다.

 

 

시스템의 교란

오랜 기간 지속적으로 변화해 온 지구는 각 지역에 따라 그곳의 특성에 맞는 고유의 생태계를 이루고 있는데, 그곳을 점유하고 있는 생명체는 현지 환경을 가장 잘 이용하는 우수 형질의 소유자임에 틀림없다. 이러한 특성은 지역간 배타적인 성질 즉 외부로부터의 유입이 엄격히 차단될 수 있었기 때문에 가능하였지만, 현재는 과학의 발달로 지역간 독립성 확보가 점점 어려워져 새로운 환경 문제로 대두되고 있다. 즉 외부로부터 유입된 새로운 종에 의해 지역간 고유의 시스템이 교란되어 가고 있는 것이다. 종외에 또 다른 문제점으로 들 수 있는 것이 오염물질의 유입이다. 즉 하나의 생명체가 존속을 위해 생산하여 소비하고 남은, 자연적인 처리 용량을 넘어선 폐기물에 의한 시스템 교란이다.

검증 안된 외래 생물에 의한 생태계 교란과 고유 서식종의 소멸을 우리는 대중매체를 통하여 확인하고 있다. 이들 가운데 고등 동, 식물은 가시적으로 쉽게 관찰 할 수 있어 어느 정도 차단이 가능하지만, 미생물은 현미경이나 특수한 배양법으로만 확인이 가능하기 때문에 특별한 관심을 가져야 한다. 오염물질 역시 외부로부터의 유입을 방지하면 되지만 이것 또한 현실적으로 매우 어렵기 때문에 유해성 물질을 무해한 물질로 분해하여 환경을 개선하는 방법 즉 "바이오레머디에이션 (bioremediation)" 을 도입하고 있다.  "바이오레머디에이션" 이란 자연계에 서식하고 있는 미생물과 그에 관련된 시스템을 활용하는 것이다.

 

 

시스템의 종류

미생물을 이용하기 위해서는 처리하고자 하는 물질과 활용하고자 하는 미생물에 적합한 시스템을 찾는 것이 매우 중요하다. 그 이유는 앞에서 설명한 바와 같이 하나의 생명체인 미생물이 생명을 유지하면서 여러 가지의 대사작용을 하기 위해서는 그 미생물의 생육에 가장 적합한 시스템이 갖추어져야 하기 때문이다. 물론 이들 모든 내용을 자세히 기술하기는 어렵지만 여기서는 농업에서 활용되고 있는 분야를 현실적으로 접근하기 쉽게 폐쇄계(closed system), 임의계(facultative system) 그리고 개방계(open system)의 세 가지의 계(system)로 분류하여 설명하고자 한다.

 

① 폐쇄계

폐쇄계란 미생물 배양에 필요한 영양원, 공기, 산도조절용 물질 및 소포제 첨가 등 제반 작용을 인위적으로 조절할 수 있는 배양기(bioreactor)와 같은 환경을 의미한다. 이는 외부로부터 유입되는 오염을 완전히 차단하며 순수 분리된 미생물을 배지에서 증식시켜 배양체 혹은 산물을 얻고자 할 때 활용된다. 이러한 방법에 의해 생산되는 것으로는 다양한 종류의 발효식품, 의학용 항생물질, 효소, 항원 등이 있다. 즉 순수한 미생물체 및 그 분비물을 이용하고자 할 때는 폐쇄계를 이용하여야 한다. 여기에는 목적산물의 회수율을 극대화하기 위해 배양하고자 하는 미생물의 생존조건을 찾아내는 미생물학과 이들 조건을 정밀하게 관리할 수 있는 배양장치를 만드는 공학적인 기술이 복합되어 하나의 생물공학을 이루고 있다. 즉 폐쇄계란 인위적인 방법으로 목적 미생물을 최대로 이용할 수 있도록 효율을 극대화하는데 이용되는 시스템이다.

 

② 임의계

순수 분리 배양된 미생물을 일정한 장소에서 제한적으로 이용하여 제품을 생산하는 환경을 임의계라 할 수 있다. 이는 주로 오염물질 정화작업, 가축분 퇴비화 등 다량의 물질을 인공적으로 처리하는 과정이다. 여기서는 외부와의 완전한 차단이 전 과정을 거쳐 진행되지 않고 일부분에만 적용되거나, 혹은 단지 미생물을 인공적으로 접종한다는 의미에서의 공정이다. 이러한 경우에는 외부로부터의 오염뿐만 아니라, 공정과정에서 생기는 오염원을 차단할 수 없기 때문에 각별한 주의가 필요하다. 예를 들어 퇴비부숙 과정중의 미완숙 유기물에 서식하는 Aspergillus fumigatus와 같은 균은 기회성 병원균(opportunistic pathogens)으로 면역기능이 약해지면 병을 유발하기도 하므로 감염을 차단하기 위해서 1㎛이하의 공극을 가지고 있는 마스크의 착용이 요구된다. 그 밖에도 불완전한 제어에 의해 발생되는 가스, 분진, 유출수 등 다종의 물질에 의한 2차 오염에 대해서도 각별한 주의가 요구된다. 그 이유는 다량의 물질을 단기간에 처리하는 불완전한 공정에 이러한 시스템이 많이 적용되기 때문이다.

 

③ 개방계

개방계란 모든 과정에 인위적인 요소가 가해지지 않는 환경으로 생태계 보전에서 가장 이상적인 시스템, 즉 자연계(natural system)이다. 엄밀한 의미에서 토양에 작물을 재배하는 것도 인위적인 요소가 가해지는 것이므로 생태계 측면에서는 개방계라기보다는 임의계에, 그리고 비닐하우스와 같은 시설재배는 폐쇄계에 속한다고 할 수 있다. 그렇다면 협의에 속하지만 토양을 이용할 때, 미생물을 어떻게 활용하여야 하는가 하는 문제가 생긴다. 이는 그 지역에서 자연적으로 생산되는 모든 것을 그대로 환원시켜 토양 내에 서식하는 고유의 미생물에 의해 재 순환시키면 된다. 그렇지만 여기에는 생산물을 다른 개체가 이용할 때 문제가 발생된다. 즉 자연적인 feedback 시스템이 파괴된다는 것이다. 이와 같이 평형이 상실되는 생태계 문제를 해결하기 위해서는 투입(input)과 산출(output)을 제어하는 적극적인 의미에서의 시스템관리가 추진되어야 한다.

 

 

시스템의 관리

미생물의 생리 생태적 특성을 학문적으로 연구하지 않아도, 미생물이 주어진 환경에 적응하며 서식하고 있다는 사실을 쉽게 발견할 수 있다.

  즉 같은 종류의 미생물이라도 동일한 면적당 개체수 즉 밀도가 달라짐에 따라 각각의 콜로니 크기가 변화됨을 쉽게 확인 할 수 있는데, <그림>처럼 균의 밀도가 높으면 콜로니가 작아지고 밀도가 낮으면 콜로니가 상대적으로 커진다. 이처럼 생물은 환경에 매우 민감하게 반응하며 항상 일정한 수준을 유지하려고 한다. 그러므로 인공적인 방법으로 아무리 많은 량의 미생물을 자연에 처리한다 하여도, 효과가 없거나 나타난다 하여도 일정수준을 넘지 않는 원인들 중의 하나를 이러한 현상에서 찾을 수 있을 것이다.

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         ▲ 균 밀도에 따른 콜로니 크기 변화
 

  그러므로 미생물을 이용하고자 할 때는, 대상 미생물이 생명 활동을 전개하고 있는 시스템을 정확히 이해하고 관리하여야 하는 것이다. 이와 같이 처리하고자 하는 물질과 이용하고자 하는 미생물의 생육에 가장 적합한 조건이 무엇이며, 환경을 교란하지 않는 가장 안정적인 시스템이 무엇인지, 그리고 어떠한 방법으로 이를 유지하여야 하는 가를 찾아내는 것이 시스템 관리의 기본적인 목적이 되는 것이다. 시스템 관리는 “바이오레머디에이션” 이 시도되고 있는 현실에 있어서 더욱 엄밀하게 적용되어져야 할 것이다. 완전하지 못한 방법을 사용하면 2차 혹은 그보다 큰 문제가 유발될 수 있기 때문이다. 자연은 생물이 있어야 비로소 존재의 가치가 있고, 생물은 각각의 위치에서 자신에게 부여된 기능을 정확하게 수행하여야 가치가 있는 것으로, 이로 인해 건전한 생태계가 유지되는 것이다.

시스템 종류에서 설명한 세 가지의 계를 정확하게 이해하고 실행하여야만 자연과 친화적인 관계를 유지하면서 균형된 생명의 순환을 지속할 수 있다. 이러한 점에서 자연적이든 인공적이든 올바른 시스템이 유지 되도록 우리는 항상 노력해야 하며, 또한 경제 논리보다는 환경보전이라는 자연 논리에서 시스템이 관리되도록 하여야 하겠다.




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