토양 미생물의 영양과 대사작용

 

Nutrition and Metabolism of Soil Bacteria

 

영양요구성 Nutrition Requirements

 

미생물은 고등생물과 같은 영양요구성을 가진다. 영양소는 미생물이 생존해서 살아가기 위해서 주위로부터 획득해야 할 물질들을 말한다. 몇몇 영양소(nutrient)들은 흡수되어 세포 구성물이 되거나 형질전환 되어서 에너지를 제공한다.

 

다량으로 요구되는 물질들을 대량영양소(macronutrient)라고 한다. 이 원소들은 미생물 세포에 많이 포함되어 있는 생물분자의 구조적 성분 즉, 탄수화물, 단백질, 지질 그리고 핵산 등으로 된다. 탄소가 가장 많이 필요하고 그 다음으로 질소, 인 그리고 황 순으로 필요하다. 물은 이런 원소들처럼 영양소라 말하지 않고 모든 살아 있는 세포에 필수적이고 수소와 산소의 기본적인 원료로 사용된다. 이런 원소들은 미생물 세포의 수분을 제외한 질량의 95%를 차지한다. 그리고 칼륨, 나트륨, 칼슘 그리고 마그네슘 등 또한 상당한 양이 필요하다.

 

미량영양소(micronutrient)들은 더 적은 양이 필요한데, 이 원소들은 자주 구조물이나 특별한 효소의 활성제(activator)로 사용된다. 철이 가장 많이 필요하고 코발트, 아연, 몰리브덴, 구리 그리고 망간 등이 미량영양소의 원소들이다.

 

몇몇 미생물들은 대부분 필요한 세포 성분을 합성할 수 있고 단지 탄소원과 적은 미네랄 영양소를 외부에서 흡수하여 생장에 필요한 에너지를 얻는다. 다른 미생물들은 더욱 복잡한 영양 요구성을 가진다. 수많은 토양 박테리아들은 단순한 물질로부터 합성할 수 없는 특별한 유기물을 필요로한다.

 

이런 유기영양소들은 생장요소(growth factor)라고 부르고 보통 다음과 같은 범주로 나눈다. 단백질의 선구물질인 아미노산, 핵산의 선구물질인 퓨린(purine) 과 피리미딘(pyrimidine) 그리고 효소들의 선구물질인 비타민 등이다.

 

탄소와 에너지원 Source of Carbon and Energy

 

대부분의 토양미생물은 화학적 종속영양미생물(chemoheterotroph)이다. 그것들은 유기물을 산화시켜 에너지를 얻고 생장을 위한 탄소원으로서 다른 유기물이나 에너지 대사물을 이용한다. 이런 미생물 대부분은 죽은 식물과 동물의 잔해나 토양의 부식물을 먹고사는 사물기생미생물(saprophyte)들이다. 적은 수의 종들은 살아있는 생물의 조직에 침입하는 공생자(symbiotic)이거나 병원균(pathogen)들로 살아간다. 공생성 미생물들은 기주생물의 조직에서 유기물을 이용하면서 기주식물에게 이로운 활동을 해 준다. 그러나 병원성 미생물은 침입한 기주에 해를 입혀 병을 발생시킨다.

 

토양미생물의 몇 가지 속들은 광독립영양미생물(photoautotroph)이다. 그것들은 광에너지를 흡수해서 탄소원인 이산화탄소(CO2)를 이용하여 탄수화물로 합성하는 광합성작용(photosynthesis)에 사용한다. 남미생물(cyanobacteria)들은 이산화탄소들을 고정하기 위해 물과 광에너지를 사용하기 때문에 진핵조류와 비슷하다. 녹색미생물(green bacteria)는 녹색 광합성 색소를 만들고 환원된 황 화합물(sulfide, thiosulfate)을 사용하거나 전자공여체(electron donor)로 수소가스를 이용한다. 자색미생물(purple bacteria)은 자색 광합성 색소를 만들고 두 개의 그룹으로 나뉜다.

 

1) 전자공여체로서 환원된 황화합물, 수소 또는 유기화합물을 이용하는 자색 황 미생물(purple sulfur bacteria).

 

2) 광독립영양으로 자랄 때 전자공여체로 환원된 황화합물을 사용하지도 않고 수소와 유기화합물을 산화시키지 않는 자색 비황 미생물(purple nonsulfur bacteria). 녹색과 자색 미생물은 혐기성 조건에서만 광독립영양적으로 자란다. 각 그룹의 몇몇 종들은 에너지원으로 유기화합물을 산화시켜 빛이 없는 곳에서도 호기성으로 자랄 수 있다.

 

토양미생물의 몇 중요한 그룹들은 lithotroph이라고도 하는 화학독립영양미생물(chemoautotroph)이다. 그것들은 토양의 환원된 무기 화합물을 산화시켜 에너지를 얻고, 탄수화물을 위해 이산화탄소를 탄소원으로 사용한다.

 

화학독립영양 미생물의 두 개의 그룹(질화미생물, nitrifying bacteria)들은 토양의 무기질소를 산화시켜 에너지를 얻는다. 암모니아 산화 미생물(Nitrosomonas과 유사 속)들은 암모니아(NH3)를 아질산염(NO2-)로 산화시켜 에너지를 얻는다 [표 2]. 그것들은 보통 토양에서 아질산염을 질산염(NO3-)으로 산화시켜 에너지를 얻는 아질산염 산화성 미생물(Nitrobacter와 유사 속)과 함께 있다. 이런 토양 미생물 개체군 사이의 상호작용은 상호상승관계(synergistic)에 있다.

 

아질산염 산화성 미생물은 암모니아 산화성 미생물에 의한 아질산의 생산으로부터 이득을 얻지만, 아질산염을 대체할 원료가 있는 한 암모니아 산화성 미생물이 없이도 살아갈 수는 있다. 암모니아 산화성 미생물은 아질산염 산화성 미생물이 아질산염을 제거해 줌으로써 이득을 얻는다. 두 질화미생물 그룹은 절대 호기성미생물들이고 탄소원으로서 이산화탄소를 탄수화물을 합성하는 데 사용한다. 질화미생물들은 토양생태계에서 질소 순환에 중요한 역할을 한다.

 

황 산화성 미생물(sulfur oxidizing bacteria)은 황화물을 산화시켜 에너지를 얻는다. 이 황화물의 산화작용은 결과적으로 상당한 양의 황산을 만들고 토양 미소환경의 pH를 낮게 한다. 비록 Thiobacillus denitrificans 종은 말단 전사수용체로 질산염을 사용할 수 있는 조건 혐기성 미생물(facultative anaerobe)이지만, 대부분의 황 산화성 미생물은 절대 호기성 미생물(abligate aerobe)이다. 대부분이 독립영양미생물이지만 몇몇은 무기 황화합물을 산화시켜 에너지를 사용하는 종속영양상태(heterotrophically)에서 자랄 수 있다.

 

몇몇 황산화성 미생물은 산에 내성을 가지고 있고 pH가 4이상의 조건에서는 살 수 없는 절대 호산성 미생물(obligate acidophile)이다. 황 산화성 미생물은 토양 생태계에서 황 순환에 중요한 역할을 한다.

 

수소 산화성 미생물(hydrogen-oxidizing bacteria)은 유기물이 토양에 있을 경우 화학종속영양미생물로서 정상적으로 자라는 조건 lithotrophs이다. 산화시킬 수 있는 유기물이 없을 경우 수소를 에너지를 위해 산화시킬 수 있고 이산화탄소를 이용하여 탄수화물을 합성할 수 있다.

 

산소 요구성 Oxygen Requirments

 

토양의 산소농도는 미세한 거리의 차이에도 많이 다를 수가 있다. 거대공기구멍(macropore)에 있는 미생물은 호기성 호흡을 할 수 있는 많은 양의 산소가 존재하는 환경에 놓일지 모르나 수 밀리미터 밖에 있는 미소공기구멍(micropore)의 미생물은 심한 혐기성 조건에 놓이게 된다. 산소 농도는 시간에 따라 많이 다를 수 있으며, 토양은 일시적인 저산소나 무산소 상태가 되는 수분의 포화 기간과 건조 기간에 놓이게 된다. 그러므로 토양 미생물이 산소농도의 변화에 따라 잘 적응하는 것은 그리 놀랄 일이 아니다.

 

많은 토양 미생물은 절대 호기성 미생물들(obligate aerobes)이다. 절대 호기성 미생물들은 절대적으로 유기호흡을 해서 에너지를 얻고 말단 전자수용체로 사용 가능한 산소가 있는 미세부위(microsite)에서만 살 수 있다. 절대혐기성미생물들(obligate anaerobes)은 이런 산소가 있는 곳에서 살 수가 없다. 그 이유는 산소가 전자수용체로서 처음 만들어지는 독극물(과산화수소와 superoxide)들을 스스로 제거할 수 있는 효소가 없기 때문이다. 절대혐기성미생물들은 절대적으로 혐기성 장소에만 살 수 있고 발효나 무기호흡에 의해서 에너지를 얻는다.

 

토양미생물학자들은 무기호흡을 이용해서 에너지를 만들 수 있는 절대 혐기성 미생물을 몇 가지로 나눈다(표 3). 황산 환원성 미생물(sulfate-reducing bacteria)들은 말단 전자수용체로 황산(SO42-)을 사용하고 분비가스로 황화수소(H2S)를 배출한다. 황 산화성 미생물과 같이 이런 미생물들은 황 순화에 중요한 역할을 한다. 메탄미생물들(methamogenic bacteria)은 말단 전자수용체로 탄산(CO32-)을 사용하고 분비가스로 메탄(CH4)을 배출한다. 아세트산 생성 미생물도 말단 전자수용체로 탄산을 사용하지만 메탄보다는 아세트산을 배출가스로 내놓는다.

 

많은 토양 미생물들은 산소가 있는 곳이나 없는 곳이나 어디든 살 수 있다.

 

조건 혐기성 미생물들은(facultative anaerobes) 산소가 있으면 유기호흡을 하지만 산소가 없을 때는 무기호흡으로 자랄 수 있게 대사작용을 바꿀 수 있다. 몇몇 조건 혐기성 미생물들은 산소가 없는 조건에서 발효를 하는 대사작용으로 바꾼다. 반면 말단 전자수용체로 질산염과 다른 무기화합물을 사용하는 무기호흡을 하는 미생물들도 있다. 하지만 보통 미생물들은 발효나 무기호흡보다는 더 많은 에너지를 생산하는 유기호흡을 더 선호한다.

 

유기내성 혐기성 미생물들(aerotolerant anaerobe)은 산소가 있는 조건과 없는 조건에서 모두 자란다. 그러나 다른 미생물들처럼 조건이 변한다고 해서 대사작용을 바꿀 수는 없다. 그들은 유기호흡과 무기호흡에서 작동하는 전자전달 단백질이 부족하고 전적으로 발효에 의해서 에너지를 획득한다. 그 이유는 전자수용체로 산소를 사용하더라도 독성물질을 생성하지 않기 때문이다. 그러므로 유기내성 혐기성 미생물들은 절대 혐기성 미생물들처럼 산소에 의해 해를 입지 않는다.

 

토양미생물의 생태 Ecology of Soil Bacteria

 

모든 생물들은 생장과 생존을 위해서 어떤 요구성분을 필요로 하고 필요한 물리적 조건과 영양물질들을 제공하는 환경에서 살아야 한다. 생물이 살고있는 장소를 서식처(habitat)라 하는데, 서식처의 생물에 대한 기능적인 역할을 말할 때는 생태적 지위(nitch)라고 한다. 어느 생물의 생태적 지위의 완벽한 설명은 생물이 환경에 미치는 영향과 환경이 생물에게 주는 영향의 세부적인 이해가 있어야 한다. 미생물은 광범위한 장소에서 서식하고 그들의 특이한 생리적인 다양성 때문에 토양 생태계의 수많은 생태적 지위를 차지한다.

 

영양단계 trophic level

 

매 시간 다른 생물에 의해 어떤 생물의 조직에서 영양분이나 에너지를 소비하면, 그들은 더 높은 영양단계에 있다고 말한다. 어떤 생태계에서 첫 번째 영양단계는 1차 생산자(producer)로 구성되어 있다. 그들은 이산화탄소와 간단한 무기영양소로부터 유기물을 합성함으로써 생태계의 생물량(biomass)을 증가시킨다.

 

광자가영양성(photoautotrophic)과 화학자가영양성(chemoautotrophic) 미생물들은 비록 그들이 토양으로 생산하는 생물자원의 양은 식물의 것보다는 작지만 토양 생태계에서 생산자로 통한다.

 

그들은 너무 작아서 다른 생물들을 잡아먹을 수가 없기 때문에 토양미생물의 일차 역할은 분해자(decomposer)이다. 사물기생성미생물(saprophytic bacteria)은 토양에서 죽은 유기물을 먹음으로써 식물과 동물의 잔해를 복잡한 유기물에서 이산화탄소, 물, 암모니아 그리고 간단한 무기물로 바꿔 준다.

 

그래서 토양에 이런 영양물질들을 되돌려 놓음으로써 토양미생물들이 사용할 수 있게 한다. 이런 방법으로 미생물이 토양에 무기영양물소들을 환원시키는 활동을 무기화(mineralization)라고 한다. 물론 분해된 유기물들 전부가 다른 생물들에게 영양소로 사용되는 것은 아니다. 미생물들은 자체적인 성장과 생존을 유지하기 위해서 여러 가지의 영양소들을 사용한다. 특히, 영양소를 식물이 사용 못 하게 하면서 미생물의 생물자원으로 흡수하는 것을 고정화(immobilization)라 한다.

 

영양 순환과 토양 형성 Nutrient Cycling and Soil Formation

 

미생물들은 다양한 물질대사활동을 통해 토양의 몇 가지 중요한 무기영양소를 순환시키는 중요한 역할을 한다. 질소고정미생물(dinitrogen-fixing baceteria)은 질소(N2)를 암모니아(NH3)로 바꿔 주면서 생물들이 사용가능한 형태의 질소를 토양 생태계에 공급한다. 질화미생물(nitrifying bacteria)들은 암모니아를 질산염으로 바꾸어 주는데, 질산염은 식물에게는 질소원이지만 침출(leaching)과 탈질화(denitrification)가 잘 일어난다. 탈질화는 무기호홉 조건에서 말단 전자수용체로서 질산염이 조건 혐기성 미생물에 사용되어지면서 발생한다. 이 때 질소, N2O와 다른 질소 가스들이 토양 밖으로 스며나오게 된다.

 

황산 환원성 미생물(sulfate-reducing bacteria)들은 황 순환작용에 비슷한 역할을 한다. 이 절대 혐기성 미생물들은 SO42-를 말단 전자수용체로 무기호흡을 할 때 황화수소(H2S)를 만들어 식물이 황을 이용 못 하게 한다. 황화수소는 보통 지용성 금속황화물로 침전한다. 황 산화성 미생물은 토양에서 환원된 황화합물을 산화시켜 황산(SO42-)으로 재생한다. 또한 어떤 미생물들은 토양의 인을 무기인산을 고정하고 용해시킨다.

 

미생물들은 토양 유기물들인 당, 녹말과 단순 단백질들을 물질대사를 빠르게 하지만, 식물의 잔해에서 리그닌(lignin), 밀랍(wax) 그리고 기름(oil) 같은 물질들은 아주 천천히 분해시킨다. 미생물의 분해에 의한 물질들과 다루기 어려운 화합물들은 부식질(humus) 같은 안정된 토양 유기잔해들로 된다.

 

그리고 부식질들은 토양구조를 향상시키고 영양이온과 수분을 잘 유지시켜 주기 때문에 토양의 식물생장 능력을 증가시킨다. 방선균 같은 특별한 미생물들이 복잡한 물질들을 천천히 분해하기 때문에 이런 유기질 토양으로부터 영양물질들이 천천히 나오게 된다.

 

미생물들은 또한 토양 광물들의 풍화작용을 돕는 산성물질들을 만들어 토양 구조와 형성에 공언한다. 미생물들은 물질대사작용에 의한 부가물(by-product)로 다양한 유기·무기산들을 생산하여서 토양으로 용해성 물질을 내놓으며, 양질의 토양입자(particle)들을 형성시킨다. 미생물들과 다른 생물들이 토양입자들이 단단하게 결합하도록 도와 주는 다당류들을 분비한다는 것을 기억하라.

 

서식처 Havitat

 

미생물들은 다른 생물들이 견딜 수 없은 서식처에서 생존할 수 있도록 아주 다양하게 환경에 적응하였다. 미생물들이 다양한 에너지 대사작용을 통해 유기호흡과 무기호흡을 할 수 있음을 우리는 미리 알아보았다.

 

미생물들은 다른 생물들이 견딜 수 있는 온도범위보다 훨씬 넓은 온도에 견딜 수 있다. 대부분의 토양미생물들은 15∼35℃ 사이의 온도에서 최적으로 자라는 중온미생물(mesophile)들이다. 그러나 호열성 미생물(thermophile)이라고 불리는 몇 종들은 40∼50℃정도의 온도에서 생존할 수 있다(100℃정도에서 견디는 미생물도 있다). 하지만 대부분의 진핵생물들은 45℃이상의 온도에서는 생존할 수가 없다. 호열성 미생물들은 일반적으로 높은 온도에서도 변형되지 않는 열에 안정한 효소와 구조단백질을 생산하기 때문에 생존할 수 있는 것이다.

 

그런 고온에서 견디는 효소들 중에 Thermus aquaticus에 의해 만들어지는 Tag중합체는 DNA 증식에 사용되는 중합효소연쇄반응(PCR)에 중요한 내용물로 사용된다. 한편으로 다른 종류의 미생물들은 15℃ 이하의 온도에서도 최적으로 자랄 수 있다. 이런 호냉성 미생물(psychrophilic baceteria)들은 저온에서도 세포막의 유동성을 유지할 수 있는 다량의 불포화지방산을 합성하기 때문에 생존이 가능하다. 몇몇 종류의 미생물들은 강수량이 높은 지역에 주로 나타나는 산성 토양에서 살 수 있다.

 

앞 에서 설명한 황 산화성 미생물들은 일반적인 효소활동을 심하게 방해하는 아주 낮은 pH를 견딘다. 이런 호산성 미생물(acidophile)들은 H+이온들을 활발하게 세포 밖으로 내보냄으로써 세포질의 pH를 중성으로 유지한다. 호염기성미생물(alkalophile)들도 호산성미생물들과 비슷한 방법으로 pH가 10.5 정도로 높은 지역에서 살 수 있다. 메마른 지역에서 형편없는 배수와 빠른 표면 수분증발은 수많은 미생물의 성장을 방해하는 삼투전위를 가진 염생토양(saline soil)을 만든다.

 

수많은 종류의 미생물들은 토양용액의 낮은 수분 전위(potential)를 보상할 수 있도록 세포질에 용질을 축적하거나, 높은 이온 농도의 용액에 작용하는 효소와 막을 발달시킴으로써 염생토양이나 메마른 환경에서 적응해 왔다.

 

높은 염분농도에서 견디는 미생물을 호염성 미생물(halophile)이라 하고 건조한 지역에 견디는 미생물들을 건생성 미생물(xerophile)이라 한다.

 

다른 생물과의 상호작용 Interaction

 

미생물들은 서로간이나 다른 토양미생물간의 상호작용하는 범위가 넓다. 상호관계의 범위는 공생적 관계에서 중립적 관계를 포함하여 길항적 관계에 이르기까지 다양하다.

 

아마도 토양미생물과의 미생물과의 상호관계는 경쟁(competition)관계가 가장 흔할 것이다. 미생물, 곰팡이, 원생동물 그리고 현미경적 동물들은 물, 영양분, 집 그리고 부족한 중요한 자원들을 위해 서로 경쟁한다. 그리고 토양미생물에게 이로운 상호작용도 많이 있다.

 

예로 토양유기물의 복잡한 성분들을 분해하기 위해서는 토양미생물들의 다양한 협조가 필요하다. 한 개체군이 복잡한 기질을 중간산물로 분해하고 다음으로 다른 개체군이 그 중간산물을 성장을 위해서 에너지와 탄소원으로 사용한다.

 

미생물들은 주변의 생물들에게 해를 끼치는 항생물질이나 다른 물질을 생산하여 동종간과 다른 토양미생물에 부정적인 영향을 일으킨다. 토양에 일반적으로 서식하는 실모양의 Streptomycete들은 수많은 항생물질 -비록 토양 생태계에서 이런 물질들의 영향과 생산되는 양에 대해 잘 알려지지 않았다- 을 생산하는 것으로 알려져 있다.

 

미생물들은 또한 식물과 중요한 상호작용을 하며 어떤 다른 토양미생물보다 많은 수가 식물 뿌리에서 살고 있다. 그리고 미생물들은 자연과 농업 생태계에서 식물의 성장과 생산성에 깊은 영향을 끼친다. 미생물들은 토양 유기물을 광물화하고 토양광물을 용해시키는 방법을 통해 무기영양소들의 가용성을 증가시킨다.

 

게다가 미생물들은 이런 동일한 영양소들을 고정화시킴으로써식물들과 경쟁한다. 수많은 미생물 종들은 호르몬이나 독성물질을 통해서 뿌리의 기능과 형태를 자극하거나 저해해서 식물 성장에 영향을 준다.

 

Rhizobium, Bradyrhizobium 그리고 Frankia 속의 몇몇 종들은 특정한 식물종들과 복잡한 상리공생관계를 형성한다. 반면 다른 미생물들은 식물들을 감염시켜 병을 유발시키기도 한다.

 

식물뿌리에 서식하는 대부분의 미생물들은 뿌리의 분비물에서 유기영양소들을 먹고사는 해가 없는 사물기생성미생물들이다.

 

그리고 병원균들과 영양소, 수분 그리고 뿌리 부착장소 등을 가지고 서로 경쟁하거나, 병원균을 방해하는 물질을 분비함으로 식물을 보호하기도 한다. 몇 가지 종류의 미생물들은 식물 병원균의 성장을 방해하는 능력 때문에 현재 잠재적인 생물학적 제어제(control agent)로 이용하기 위해 연구되어지고 있다.

 

방선균 Actinomycete

 

방선균은 전세계적으로 토양에 나타나는 토양미생물의 특별한 그룹을 구성한다. Actinomycete는 actinis의 것방선겉과 myces의 것곰팡이겉라는 합성어로 1800년대에 명명하였다. 방선균은 곰팡이보다는 적지만 균사체(aerial mycelium)를 형성하고 콜로니를 가루처럼 보이게 하는 코니디아(conidia)라는 무성포자를 많이 만들기 때문이다. 하지만 앞의 곰팡이와 닮았다는 특징은 아주 형태학적인 관점으로만 본 것으로 actinomycete라는 이름은 엄밀히 따지면 잘못 지어진 이름이다. 방선균은 아래의 다섯 가지 이유로 인해 미생물으로 분류가 된다.

 

·원생생물이다.

 

·세포벽에 펩티도글리칸을 가진다.

 

·펩티도글리칸의 다당류를 분해하는 라이소자임(lysozyme)에 감수성이다.

 

·항균항생제에 영향을 안 받고 항미생물 물질에 민감하다.

 

·운동성을 가진 몇몇 종류의 미생물들처럼 편모를 가진다.

 

방선균에는 Mycobacterium과 Corynebacterium과 같이 전형적인 콜로니를 만드는 종에서부터 거칠고 질긴 균사체를 가지는 Streptomyces종들이 있다.

 

방선균은 토양과 퇴비층 같은 환경에서 중요한 역할을 한다. 토양에서 유기물 분해를 하여 양질의 부식질을 형성하는 데에 기여한다.

 

최근의 연구에 의하면 방선균은 다른 곰팡이와 마찬가지로 리그닌 분해에 중요한 역할을 한다고 한다. 또한 동물, 식물 그리고 인간에게 병을 발생시키는 병원균이기도 하다.

 

방선균은 보통 저성장 생물로 여겨지는데 배지에서 방선균의 콜로니가 분화하려면 한 주나 두 주 동안 배양시켜야 하기 때문이다.

 

비록 그들은 탄소물질을 획득하는 것이 고성장 미생물들과 곰팡이와 잘 경쟁을 하진 못하지만 분해의 초기단계에서 탄소와 질소를 무기화하는 중요한 역할을 한다고 여겨진다. 많은 방선균들은 훌륭한 키틴(chitin) 분해자들이고 방선균이 늦게 증식한다고 해서 부식질을 형성시키는 분해능력을 무시해서는 안 된다.

 

아마도 방선균의 가장 두드러진 특징들은 항생물질을 만드는 능력이 있다는 것이다. 몇몇 의학적으로 중요한 항생물질을 제외하고는 Streptomycin, neomycin, erythromycin 그리고 tetracycline 등은 streptomyce들에 의해서 만들어진다. 방선균과 다른 미생물들의 항생물질을 만드는 능력은 수십억 달러 의약산업의 기반이고 지난 50년 동안 수없는 인간의 생명을 구해 주었다. 그러나 방성균들의 뛰어난 의학적인 중요성에도 불구하고 토양미생물들과의 생태학적인 상호작용에 의해 만들어지는 항생물질 중요성은 아직까지 잘 알려지지 않았다.

 

방선균은 다른 미생물들처럼 환경의 영향에 반응하지만 몇 가지 예외가 있다. 방선균들은 건조한 토양에 더욱 더 잘 증식하는 경향을 보인다. 이런 수적 증가는 일반적으로 방선균들이 건조한 조건에서 잘 견딜 수 있도록 해 주는 코니디아(conidia)를 만드는 능력이 있기 때문이다. 많은 생물들이 낮은 수분 농도에서 살수 없지만 방선균은 견딜 수 있는 것이다.

 

또한 코니디아는 토양온도의 증가에도 미생물의 내성을 형성시킨다. 비록 대부분의 방선균들은 중온성 미생물들이지만, 호열성 방선균들은 고온에서의 유기질의 분해에 중요한 역할을 담당한다. 방선균들은 낮은 pH에 민감하다. 일반적으로 토양 pH가 6.0에 이르면 개체수가 감소하고 pH 5.0에 이르면 거의 다 죽어 없어진다. 방선균의 이런 토양 산성에 민감성은 토양 생태계에서 미생물 조절의 한 단면일 것이다.

 

미생물수의 측정 Quantifying Bacterial Populations

 

토양의 미생물과 다른 미생물의 개체수를 측정하는 몇 가지 방법들이 있다. 그 방법들은 각각 장점과 단점들을 가지고 있다. 미생물의 형태, 영양요구성 그리고 배지특징 등과 같은 많은 요인들에 따라 방법들이 선택된다. 지금은 토양의 미생물들을 계산할 수 있는 분자수준의 방법까지 이루어지고 있다.

 

평판계수법 Dilution plate count method

 

이 방법은 많은 토양미생물들이 상대적으로 간단한 영양요구성을 가지고 있고 고체 영양배지에서 잘 자라는 특성 때문에 토양의 미생물 개체군을 셀 때 자주 사용된다. 평판계수법은 토양샘플에서 뽑아낸 각각의 미생물 세포를 고체 배양배지에 접종시켜 적당한 조건에서 배양하여 눈으로 확인할 수 있는 콜로니를 만드는 것을 기본 원리로 하고 있다.

 

그러므로 이 방법은 살아있는 세포만을 셀 수가 있다. 배양 후에 배지에 나타나는 콜로니의 수를 세는 것으로 토양샘플의 미생물 수를 측정할 수 있다. 미생물들은 자주 토양 1g 양에서 106에서 108정도의 아주 많은 수로 토양에 존재한다.

 

배지에서 이렇게 큰 수들을 정확하게 분리해서 셀 수 없기 때문에 채취한 토양샘플을 배양배지에 접종하기 전에 처리가능한 수가 나올 수 있게 미리 희석시킨다.

 

토양샘플은 연속희석법(serial dilution)이라는 간단한 기술로 수백만 배로 적은 시간 내에 희석시킬 수 있다. 토양 샘플에서 세포가 있는 시료는 95ml의 살균 용액에 10g의 토양을 섞어 만든다. 이 토양 희석액은 미생물 개체수를 약 10분의 1로 희석시키는 작용을 한다. 이 세포 시료를 10-1배의 희석액으로 사용한다. 이 때 용액의 미생물들이 균일하게 섞이도록 잘 흔든 다음 용액 병의 바닥에 모래와 같은 침전물을 가라앉힌다.

 

다음으로 이루어지는 것은 부피가 정해진 살균용액이 담긴 튜브에 정해진 부피의 세포 시료를 옮겨 희석하는 것이다. 순차적으로 같은 방법으로 튜브에서 튜브로 계속해서 희석시킨다. [그림 1]의 예에서 보면, 원래의 세포 시료를 10배로 희석시키기 위해서 원래의 시료에서 1ml를 튜브1의 9ml의 살균용액에 넣는다.

 

튜브 1의 시료에서 1ml를 튜브 2에 들어 있는 9ml의 멸균된 용액에 넣어 10배로 희석시킨다. 같은 방법으로 튜브 3과 튜브 4를 순차적으로 10배씩 희석시킨다.

 

여기서 희석된 시료을 고체 배양배지에 접종하는 데 두 가지 방법이 있다. 한천혼합법(Pour plate)은 각 튜브의 세포 시료에서 1ml를 각각 45∼50℃의 온도인 15∼20ml의 액화된 한천배지에 섞는다. 그리고 그 혼합물을 멸균된 페트리 접시에 붓는다. 배지가 굳어지면 페트리 접시를 배양기에 넣고 콜로니가 보일 만큼 되면 수를 세면 된다.

 

분산평판법(Spread plate)은 미리 페트리접시에 준비된 멸균된 배지의 표면에 1ml의 시료를 접종하는 방법이다. 시료는 배지의 표면에 미생물들이 골고루 퍼지도록 멸균된 유리봉으로 시료를 넓게 퍼트린다. 그런 다음 미생물이 자랄 수 있는 조건에서 배양한 후 콜로니의 숫자를 센다.

 

이런 방법으로 한천배지에 0.1ml로 접종하는 것은 시료를 다시 10배로 희석시키는 효과를 가져온다. 그러므로 [그림 1]에서 튜브 2, 3 그리고 4에 있는 시료를 0.1ml로 접시에 접종하게 되면 각 페트리접시의 총 희석률은 각각 10-4, 10-5 그리고 10-6이 된다. 토양 미생물학자들은 일상적으로 원래의 토양샘플의 미생물수를 계산하기 위해 정량으로 이 방법으로 여러 번 시행해서 콜로니의 평균 개수를 이용한다. 콜로니수가 30이하이거나 300이상인 접시들은 30∼300의 범위에 벗어나서 정확성이 없기 때문에 계산하지 않는다.

 

토양 1g당 세포의 수는 접시의 총 희석률의 역수에 콜로니 평균 숫자를 곱해서 계산한다. 예로, 분산평판법으로 튜브 3에서 0.1ml를 페트리 접시에 접종하여 평균적으로 125개의 콜로니 수를 얻었다고 한다면, 토양 샘플의 미생물수는 토양 1g에 125×104 또는 과학적 식으로 표현해서 1.25×106개가 된다.

 

평판계수법의 유용성과 한계

 

일상적으로 토양미생물학자들은 미생물의 개체수를 셀 때에는 평판계수법을 자주 사용한다. 이 방법이 간단하고 재생 가능하며 값비싼 장비나 재료들을 필요로 하지 않기 때문이다. 또한 미생물학자들은 살아 있는 세포만 셀 수 있고 또 다른 연구를 위해 2차 배양의 목적으로 콜로니를 분리할 수 있는 장점이 있다. 그러나 현미경을 이용한 직접계수법은 산 미생물과 죽은 미생물을 구분할 수가 없다. 반면 생화학적 검출방법은 순수배지를 분리할 수 없다.

 

계수법이 반드시 토양미생물의 활동에 관한 정보를 제공하는 것은 아니다. 예로, 토양에서 간균이 높은 수로 나타내는 것은 토양의 휴면중인 내생포자로 인한 것이다. 그러나 다른 계수법과 비교해서 평판계수법은 빈번히 토양의 미생물의 개체수를 낮게 측정하게되는 실수를 범한다. (Smann et al., 1995)

 

몇 가지 요인으로 인해 평판계수법은 상대적으로 낮은 수의 개체수를 산출한다.

 

배지에 포함된 영양소를 이용할 수 있는 종류들만 측정 가능한 콜로니를 만들기 때문이다. 그리고 어떤 배지도 모든 종류의 토양미생물이 필요로 하는 필수 영양소를 충족시키지 못한다. 절대 혐기성 미생물들은 산소가 있는 상태에서 배양이 되면 페트리접시에 살 수 없고, 절대 호기성 미생물들은 산소가 없는 상태의 접시에서는 자랄 수가 없다. 배양온도와 배지의 pH는 어떤 종류의 미생물의 성장은 방해하고 다른 것들에게는 잘 자라게 한다.

 

이러한 이유로 평판계수법은 토양의 총미생물의 수에서 대략 10% 이하의 개체수만 측정할 수 있다. 그럼에도 다른 환경조건의 토양에 살고 있는 미생물들의 상대적인 수를 측정하는 데는 유용하게 사용된다.

 

토양미생물학자들은 토양 군체 내에서 특별한 미생물집단을 분리하거나 숫자를 세고 싶어한다. 그래서 그들은 특별한 미생물만 자랄 수 있게 하는 배지를 사용한다. 선택배지(selective media)는 다른 미생물들의 성장은 방해하면서 특정 미생물만 자라게 하는 영양소를 포함하고 있다. 예로 pH를 낮게 한 배지는 호산성 미생물만 선택적으로 배양할 것이다.

 

감별배지(differential media)는 다른 미생물으로부터 한 종류의 미생물만 감별할 수 있는 내용물을 가지고 있다. 중성이나 알칼리성 산물을 생산하는 미생물과 산성 산물을 만드는 미생물을 구분하기 위해 pH 지시기를 배지에 첨가하기도 한다. 농화배지(enrichment media)는 여러 미생물 중에 특정 종류의 미생물의 성장을 촉진하는 성분으로 되어 있다. 어떤 다른 탄소원을 제외하고 단지 셀룰로스만 포함한 배지는 셀룰로스를 분해하지 못하는 생물보다 셀룰로스를 분해하는 미생물만 자라게 한다.

 

요 약 Summary

 

세균은 전세계적으로 다양하게 존재하는 토양에 살고 있는 단세포 원핵생물이다. 그들은 진핵미생물보다 더 작으며 더 간단한 세포구조를 가지고 있다. 각각의 미생물 세포들은 세포막, 세포벽, 염색체 그리고 리보솜으로 이루어져 있다. 이 구조들은 모든 미생물들에서 나타나기 때문에 필수적인 세포 구성물이라고 여겨진다. 한편 다른 종류의 미생물들은 다른 특별한 구조들을 가지고 있다. 편모, 선모, 캡슐, 함유물 또는 내생포자 등 그런 것들인데, 미생물이 변화하는 환경조건에서 적응해서 살아 갈 수 있도록 해 준다.

 

크기가 작음에도 불구하고 미생물들은 아주 다양한 대사작용을 한다. 그들은 산소가 있거나 없는 곳에서 자랄 수 있고 많은 종류들이 산소의 농도의 변화에 따라 유기호흡에서 무기호흡이나 발효로 자신의 대사작용을 바꿀 수 있다. 대부분 토양 미생물들은 그들은 토양의 유기물들을 먹거나, 식물, 곤충 또는 다른 토양미생물과 공생적인 관계를 맺으면서 살아가는 종속영양미생물들이다. 반면 다른 많은 종류들은 광에너지를 사용하거나 무기질을 산화시켜 이산화탄소로 탄수화물을 합성하여 에너지를 얻는 독립영양미생물들이다.

 

대사활동을 통해 미생물들은 토양 광물과 유기물들을 다른 형태로 바꾸고 식물들과 다른 토양 생물들이 질소, 황 그리고 인 같은 필수 영양소들을 사용할 수 있도록 해 준다. 결국 미생물들은 유기물 분해, 영양소 순환 그리고 토양형성 등에 중요한 역할을 한다.

 

우리가 토양을 흘끗 보면 단지 바람과 비와 시간으로 인해 곱게 부숴진 바위와 광물들로 된 생명이 없는 것처럼 보이지만 토양은 결코 생명이 없는 것이 아니다.

 

생명이 우글우글거리는 장소이다. 토양 1g에 눈에 보이기도 하지만 대부분이 보이지 않는 생물들이 수억 개나 있다. 식물, 포유류, 조류, 파충류, 양서류, 곤충 그리고 기타 등등 고등생물들은 만약 토양 속에 보이지 않는 생물들의 수많은 활동들이 없다면 살아갈 수 없다는 주장이 그리 과장된 것은 아닐 것이다.

 

■ 번역을 도와 주신 분 : 최문석 님 (서울대 농생물학과 4

 

운영자, 다른기사보기기사등록일시 : 2003.07.14 05:55

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