[연구사례 1: 동해 메탄하이드레이트 내 미생물 군집 구조 및 다양성 연구]

• 메탄은 미래 청정에너지 자원으로서 유용한 가치를 지니지만, 이산화탄소의 25배 이상의 강력한 능력을 가진 온실가스이다. 지구 온난화에 따른 해수 수온의 상승은 메탄 하이드레이트의 해리를 유발하여, 해저면의 불안정과 전 지구 적 기후 변화를 초래 할 수도 있다. 따라서, 메탄 하이드레이트의 분포와 거동 및 조절요인에 대한 연구는 향후 지구적 환경변화 예측 및 청정 에너지 개발 등과 맞물린 중요한 사안으로 인식되고 있다.

• 해저 심부 퇴적물 내에 매장되어 있는 막대한 양의 메탄은 혐기적 산화(AOM: Anaerobic Oxidation of Methane)되어 오직 2%만이 대기 중으로 방출된다. AOM은 메탄을 탄소원으로 이용하는 메탄영양 고세균(ANME: ANaerobic MEthanotroph)에 의해 일어나며, 이들 미생물 군집의 일부는 황산염 환원 미생물(SRB: Sulfate-Reducing Bacteria)과 공생관계를 이루기 때문에 AOM 과정은 주로 황산염과 메탄이 동시에 존재하는 황산염 메탄 전이지대(SMTZ-Sulfate-Methane Transition Zone)에서 활발히 일어난다(CH₄ + SO₄²_¯ → HCO₃^- + HS^- + H₂O, ΔG^o = - 16.6 KJ mol^-1). 따라서 지구적 규모의 메탄 거동과 생지화학적 탄소 순환 조절 및 가스 하이드레이트 시스템을 이해하기 위해서는 SMTZ에서 메탄의 생성과 소비 과정에 관여하는 미생물의 조성, 분포 및 활성과 이를 조절하는 생지화학적 요인들에 대한 연구가 필수적으로 이루어져야 한다.
• 동해는 심부 퇴적물 내 유기탄소 함량이 3.5% 정도로 매우 높고, 깊은 수심에 의해 고압이 작용하며, 차가운 수온에 의해 가스 하이드레이트 형성이 유리한 곳으로, 여러 연구에 의해 메탄 하이드레이트의 존재가 확인되었다.

• 동해 울릉분지 내 메탄 누출이 관찰되는 대륙 사면에 위치한 정점의(Haemirae mound) SMTZ는1 mbsf (meters below seafloor)부근에서 관찰되었으며, 울릉분지 중심부에 위치한 정점(center of the basin) 에서는 7 mbsf 부근에서 나타났다.
• 대륙사면에 위치한 Haemirae mound 정점에서 AOM 과정에 관여하는 미생물이 가지고 있는 기능성 유전자 (dsr and mcrA gene)의 정량 PCR 결과, SMTZ내에서 가장 높게 나타났다. 이들은 대부분 Firmicutes-like, Desulfosarcina-Desulfococcus, Desulfobacterium aniline, 그리고 ANME-1에 속하였다.
• 한편, Haemirae mound의 SMTZ내 Bacteria 및 Archaea의 16S rRNA gene 다양성 분석 결과, AOM에 관여하는 미생물 그룹 이외에, JS1과 MBGB 및 MBGD에 속하는 고세균 그룹이 주요한 그룹으로 검출되어 연구지역 내 탄소 순환에 중요한 역할을 수행하는 미생물 그룹으로 인식되었다.

[연구사례 2: 북태평양 대한민국 연구 해역 내 망간단괴 및 심해 퇴적물 내에 서식하는 미생물 군집 다양성]

• 심해저면에 널리 분포하는 망간단괴는 망간, 철, 코발트, 니켈, 구리, 아연, 텅스텐 등 산업적으로 유용한 광물이 포함되어 있으며, 육상자원의 고갈로 미래자원으로써 주목 받고 있다. 망간단괴는 전 세계 해저면에 널리 분포하고 있지만, 특히, 클라리온 클리퍼톤 균열대 지역(CCFZ: Clarion-Clipperton Fracture Zone), 인도양 동쪽 분지, 중태평양 해저산 등에 성숙도 높은 망간단괴가 분포하고 있다. 우리나라도 CCFZ내 단독 연구 지역(KODOS: Korea Deep Ocean Study)을 할당 받은 이래 망간단괴 개발을 위한 정밀탐사를 실시해 오고 있다.
• 망간단괴의 개발 및 이용을 위한 채광은 해양 수층 및 저층 환경을 교란시킬 수 있다. 채광과 함께 저층으로부터 수층으로 유입된 고농도의 영양염이 포함된 저층수와 퇴적물은 수층 생태 환경 변화를 일으킬 수 있으며, 채광기의 작동은 저서생태 환경을 교란 시키게 된다. 저서 생태계의 교란은 퇴적물 내 서식하는 미생물 군집 분포에도 직접적인 영향을 줄 것이며, 결과적으로 퇴적물 내 원소순환의 변화를 초래할 것으로 예측된다. 따라서 환경 교란 이전의 퇴적물 내 미생물 생태를 이해하는 것은 인위적인 활동에 따른 저서 생태계의 변화 정도를 파악하기 위해 가장 기본적이라 할 수 있다.
• 최근, 잘 알려지지 않았던 망간단괴 형성 과정에 미생물이 중요하게 관여한다는 연구 결과들이 보고되고 있다. 망간단괴에 분포하는 미생물이 현미경을 통해 직접 관찰되었으며, 망간단괴 형성에 있어 미생물들이 bio-seed로써 작용하거나, 단괴형성에 필요한 망간산화물 및 철 산화물을 제공하는 역할을 수행하는 것으로 여겨진다. 즉, 망간단괴 형성 기작 및 해역마다 다르게 나타나는 망간단괴 분포 특징을 이해하기 위해서는 지화학적 환경 요인 분석과 함께 미생물 군집 조성에 대한 이해는 필수적으로 이루어져야 연구 분야이다.

• 우리나라 연구지역 내 망간 단괴 및 주변 퇴적물 내에서 관찰된 미생물 생물량은 퇴적물에서 더 높게 나타났으며(Table 1), 단괴 내부에서는 전체 미생물 세포 중 Bacteria가 상대적으로 높은 비율로 검출되었다. 또한, 단괴 내부와 주변 퇴적물 내 미생물 군집 구조도 차이를 보였다(Table 1 and Fig. 3).

Fig. 3. Comparison of the relative abundance of bacterial 16S rRNA gene between the KODOS area and the China study area (A) and relative abundance of archaeal 16S rRNA gene in the KODOS area (B)

• 또한 우리나라 연구지역 퇴적물 내에서 관찰된 Bacteria의 군집 구조는 CCFZ내 동쪽에 위치한 중국 연구지역에서 관찰된 Bacteria의 군집 구조와는 다르게 나타났다 (Fig. 3A). Gammaproteobacteria와 Alphaproteobacteria가 절대적으로 우세하게 분포하였으며, Gammaproteobacteria에는 호기성 유기물 분해 미생물인 Idiomarina와 Marinobacter 그룹이 우점하였고, Alphaproteobacteria에는 다수의 망간산화 미생물들이 (Hyphomicrobium 와 Aurantimonas) 검출되었다 .
• 한편, Archaea의 군집 조사 결과, Thaumarchaeota MGI에 속하는 고세균이 우점하였고, 망간 단괴 내부 및 단괴와 직접 접한 퇴적물에서는 MGII에 속하는 고세균 군집이 검출되었다(Fig. 3B).
• 결론적으로, 망간단괴 및 주변 퇴적물 내 미생물 군집은 지리적으로 분리된 해역에서 서로 다르게 나타났으며, 망간단괴와 퇴적물은 미생물 군집에게 각각 서로 다른 서식처로써 작용함을 의미하였다.

[연구사례 3: 남극 아문젠해 폴리냐 주변 해역 퇴적물 내 질소 순환에 관련된 미생물 군집연구]

• 남극 해는 수층 내 높은 생산력과 심층수의 형성으로 인해 전지구적 탄소 순환에 중요한 역할을 수행하고 있다. 특히 남극 해 연안에 형성되는 폴리냐는(polynya)는 해빙으로 둘러싸인 지역에 생긴 해역으로서 주변에 비해 얼음 층의 두께가 상대적으로 얇기 때문에 기후변화에 따른 생태계 변화가 가장 먼저 포착되는 곳으로 인식된다. 서남극해의 Amundsen Sea Polynya(ASP)는 단위면적 당 생산력이 남극에서 가장 높게 나타나는 지역 중 한곳이다.

• 높은 수층 생산력을 지닌 아문젠 폴리냐는 수층에서 생성된 유기물의 대부분이 수층에서 분해되어 저층 퇴적물에 도달하는 양이 상대적으로 적어 퇴적물 내 유기탄소 함량은 0.7 - 1.0%로 보고되었으며, 이에 따라 총 유기물 분해율을 의미하는 산소소모율과 황산염 환원력이 낮은 것으로 조사되었다. 한편, sea-ice가 분포하는 open sea의 수층 내 일차 생산력은 폴리냐 해역보다 낮으며, 미생물 생산력 (bacterial production) 또한 현저히 낮게 나타난다. 이에 따라 퇴적물 내의 유기탄소 함량은 0.4 - 0.5%로 낮게 나타났으며, 유기물 분해율 또한 폴리냐 지역에서 보다 더 낮은 것으로 보고되었다.

Fig. 4. Vertical profiles of gene copy numbers of 16S rRNA
gene, nirS, nosZ, and ANO 16S rRNA gene

• 대조적인 특징을 가진 두 지역에서 탈질산화에 관여하는 기능성 유전자의 정량 결과 폴리냐 지역에서 더 높게 나타났으며, 혐기성 암모니아 산화 (anaerobic ammonia oxidation, anammox)와 연관된 미생물 그룹은 폴리냐 지역에서 표층 3 cm 깊이까지 증가하는 양상으로 조사되었고, 외해지역에서는 4 cm 깊이 부근에서만 10⁵ copies cm^-3 수준으로 검출되어 두 지역 내 서식하는 미생물 군집이 서로 다르게 분포하고 있음을 시사하였다 (Fig. 4).