해양 미세생물

해양 미세생물(microoganism or microbes)에는 바이러스, 박테리아, 곰팡이, 조류(algae)등 매우 다양한 생물군이 포함된다. 해양 미세생물중 대부분은 단세포 생물로서 크기가 100㎛이하로 현미경을 이용하지 않으면 관찰이 어렵다. 해양 미세생물은 해양 표층 유광대로부터 심해의 퇴적물 및 열수환경등 모든 해양환경에 서식하며 이들의 생체량은 해양생물 중 가장 우점한다. 태양광이 투과되는 해양 표층의 유광대에 서식하는 미세생물중 식물성플랑크톤(미세조류)의 일차생산량은 전 지구 일차생산의 약 40%에 달하며, 광합성에 의해 발생된 산소는 인간을 포함한 지구상의 생물들이 살아가기에 적합한 지구환경을 유지시키고 있다. 박테리아는 분해자로서 해양생태계의 영양염을 포함한 물질 순환에 중요한 기여를 하고 있다. 또한 이들 미세 생물들은 기후가스인 CO2, DMS(dimethyl sulfide)등의 발생 및 제거를 통해 지구 환경을 조절하는 역할을 수행하고 있다.

그림 1. 다양한 종류의 해양 미세생물 사진
 (a) 박테리아 형광현미경사진
(b,c) coccolithophores 전자현미경사진
(d) 와편모조류와 공생 시아노박테리아의 형광현미경 사진
(e) 원형 규조류등의 광학현미경 사진
(f) 갯벌에 서식하는 규조류들의 전자현미경 사진

해양 미세생물의 생태계 역할

  지구상의 생명체는 약 35-40억년 전에 출현한 해양의 미세생물로부터 기인한다. 이들 미세생물의 활동으로 인해 인간을 포함한 복잡한 생물계의 진화가 가능한 지구 환경이 조성되었으며 현재 지구환경도 해양 미세생물의 활동에 의해 유지 및 변화를 나타내고 있다. 해양 미세생물은 해양에 서식하는 상위 영양단계의 생물들에게 유기물을 공급하는 해양 먹이사슬의 최하부 단계의 생물이며, 해양의 주요 영양성분의 균형 및 분포, 탄소의 고정 및 심해로의 침강, 해양의 화학작용 및 대기와의 상호작용등 해양생태계의 구조와 기능의 조절자이다. 해양표층 미세생물의 구조와 기능적 특성은 해양 생태계만이 아니라 전 지구적 기후변화에 직간접적인 영향을 미치고 있으며 또한 기후변화에 민감하게 반응하고 있다.

해양 미세생물 해양학 과 분자 생태학

미세생물 해양학은 해양에 서식하는 미세생물의 생태학과 생물학을 연구하는 학문 분야이다. 미세생물의 다양성과 분포 특성을 밝히고, 생산력과 호흡 그리고 미세 생물먹이망을 통한 에너지 전달경로와 효율의 규명, 군집구조와 생태？생리적 특징을 밝힘으로서 미세생물이 해양생태계의 구조와 기능변화에 미치는 영향을 밝히는 분야이다. 미세생물 해양학 연구자는 바다에서 미세생물의 분포, 생체량, 다양성 및 대사 활성도 등을 포함한 다양한 항목을 조사하며 여기에서 얻어진 정보는 전 지구적인 생지화학적 순환과 에너지전달 과정에서 미세생물의 역할에 대한 가설을 발전시키고 검증하는데 이용된다. 최근에는 미세생물 생태계와 기후변화의 상호관계를 밝히기위해 많은 해양 미세생물 학자들이 흥미를 느끼 고 연구에 집중하고 있다. 이러한 연구는 해양화학, 물리 분야와 함께 생물 및 미생물학에 대한 포괄적 이해와 이들을 통합한 연구가 요구된다. 미세생물 해양학에서 다루어지는 연구 분야는 매우 방대하여 전체적인 소개는 어렵기 때문에 최근에 매우 활발히 연구가 진행되는 분자 생태 연구에 대해서만 간단히 소개하고자 한다.

초기에 미세생물 분자 생태학적 연구는 DNA와 PCR을 활용하여 미생물의 다양성을 연구하면서 수행되었다. 염기서열 분석법 및 다양한 fingerprinting 방법이 개발되면서 미생물의 다양성과 환경에서의 기능에 대한 연구가 가능해졌으며, 이러한 분자적 기법을 활용한 분자생태학의 성장이 이뤄졌다. 하지만, 이러한 연구는 제한된 수의 유전자와 유전자 산물에 초점이 맞춰져 복잡한 생물학적 과정을 이해하는데 한계가 있었다. 최근에는 영양염 순환, 개체군 구조, 생물 진화, 생물간의 상호작용 및 생태적 지위(niche)와 같은 좀 더 광범위한 생태학적 문제에 대한 해답을 얻기 위한 생태 유전체학 (ecological genomics)으로 발전하고 있다. 즉, 생태 유전체학은 유전체, 메타유전체 등의 연구를 통해 환경내 생물학적 다양성이 생태계의 기능을 어떻게 유지하는가와 같은 종합적인 생태학적 연구를 수행한다. 또한 최근에는 전사체(tranxss-scriptome) 및 단백질체(proteome)의 연구도 활발히 진행중이며, 이들 연구는 유전체가 단순히 단백질을 만들기 위한 기본 정보인 것에 비해 좀 더 직접적으로 생태계의 구조와 기능에 대한 정보를 제공한다 (그림2).

  
그림2.생태 유전체 연구 방법과 생태적 문제의 연결고리

북서태평양의 미세생물 생태계 연구

우리 연구실에서는 다양한 미세생물중 분해자인 박테리아와 일차생산자인 미세조류의 생태 연구를 진행하여 왔다. 최근에는 분자생태학적 방법을 이용하여 해양 시아노박테리아 및 질소고정 미생물의 다양성, 기후가스인 DMS(dimethyl sulfide)의 생성에 관여하는 박테리아의 다양성 및 그 역할 그리고, 기후 변화가 식물플랑크톤의 군집 조성 및 광합성에 미치는 영향 등에 대해 연구하고 있다.

우리나라 주변 해역과 북서태평양에서의 시아노박테리아의 연구를 통해서 외양에서는 Prochlorococcus 가 우점하며 수심에 따라 다양한 생태형(ecotype)이 분포함을 밝혔으며 동중국해를 포함한 연안 해역에서는 Synechococcus 가 우점하며 해류의 특성과 수온에 따라 계절적으로 다양한 단분류군(clade)들이 출현함을 파악하였다.(그림3)

그림3. 북서태평양 해역에서 Prochlorococcus 및 Synechococcus 주요 ecotype의 수층내 분포 

또한 기후변화에 따른 해양 생태계의 변동을 파악하고 미래 해양 생태계의 예측에 활용하기 위해 다양한 기능 유전자를 활용한 연구를 수행중이거나 수행을 계획하고 있다. 기능 유전자의 분포 및 발현 연구를 통한 분자생태학적 방법은 전통적인 방법에서의 다양한 문제점들을 극복할 수 있으며, 종 수준에서의 연구가 가능하고, 다양한 생태학적 기능을 이해할 수 있는 장점이 있다. 따라서, 최근 분자생태학적 연구는 미생물의 다양성에서 나아가 생태학적으로 중요한 생리 과정의 변화를 유전자 수준에서 분석하는 기능적 관점으로 연구 내용이 확대되고 있다. 이러한 연구 방향은 유전체 및 메타 유전체의 연구들을 통해 많은 양의 유전정보들이 축적됨으로써 더욱 가속화되는 추세다.

이러한 추세에 맞추어 본 연구실에서는 북서태평양에서의 질소 고정율, 질소고정 시아노박테리아 다양성 및 질소고정유전자(nitrogenase)의 발현을 연구중이다(그림 4). 또한 DMS 생성 유전자의 다양성 및 다양한 환경에서 유전자 발현에 대한 연구도 수행중이며, 이는 질소고정 및 DMS 생성에 관여하는 미생물의 종류 및 활성에 대한 생물지리학적 정보를 제공할 수 있을 것이다. 또한, 해양 온난화 및 산성화가 식물플랑크톤의 종 조성 및 광합성에 미치는 영향에 대해 광합성에 관여하는 Rubisco 유전자의 염기서열과 발현 분석을 통해 연구하고 있다.

그림4. 북서태평양의 질소고정율 및 질소고정 시아노박테리아의 형광현미경 사진

이에 더하여, 계통분류학적으로 새로운 분류군으로 확인된 세 개의 Synechococcus 균주와 축 라군에서 새로운 속(genus)의 시아노박테리아로 규명되어 보고된 Rubidibacter lacunae 에 대해 유전체를 해독하였으며, 얻어진 유전체 정보를 활용하여 이들의 유전체 특성을 규명하고, 생태학적으로 중요한 생리적 특성을 파악하고 있다.

2010-11-16