Environment & Microorganisms 환경과 미생물 Environment & Microorganisms http://bioenv.sunchon.ac.kr

미생물, 너 없는 세상은? 우리 집에 내가 없다면? 어느 날 갑자기 모든 미생물이 사라진다면?

지구는 답답해 내가 지구를 벗어날 확률은? 외계 물질이 지구에 도착할 확률은? 지구 생태계 : 닫힌 계 (closed system) 태양 에너지 : 무한? 이용 가능한 형태로 고정되어야 함 나머지 원소 : 유한 생물이 이용 가능한 형태와 불가능한 형태가 존재 생태계 유지 위한 재활용 필요

돌고 도는 세상 무엇이 도나? 생물지구화학적 물질순환 (Biogeochemical cycle) 생화학적 작용에 의한 물질의 이동·전환 원소들은 생물과 무생물 사이를 순환 각 원소는 특징적 순환계를 통해 이동·전환 각 순환계는 상호 연관됨 : 분리할 수 없음 다양한 순환속도 생물체의 주요 구성 원소는 빠른 순환속도 (C, H, O, N, P, S, … )

미생물의 역할 자연 생태계의 유지 환경 오염 해결 환경 오염 유발 생물지구화학적 물질 순환에서 가장 큰 역할 생산자 역할 : 광합성 소비자 역할 : (최종) 분해자 역할 : 물질 순환의 완성 * 인간 활동에 의해 영향을 받음 환경 오염 해결 소극적 : 오염물질의 분해, 제거 적극적 : 오염 가능성이 적은 물질 생산 환경 오염 유발 부영양화, 산성광산 폐수, 독성의 증가 (유기 수은)

생물적 환경정화 생물적 환경정화 (Bioremediation, 생물학적교정, 생물복원) ▪ 오염된 환경을 미생물, 식물 또는 그 효소를 이용하여 원래의 상태로 복구시키는 모든 방법 ▪ in situ bioremediation ex-situ bioremediation

생물적 환경 정화(Bioremediation) 생물정화 (생물복원) 환경정화 : 대부분 물리, 화학적인 방법을 사용해옴 문제점 : 유해 가스 배출, … 생물정화 : 미생물이나 식물을 이용하여 유해 폐기물을 분해하거나 오염된 토양, 지하수, 해양을 정화 ∙ 복원하는 기술 매립, 소각 등에 비해 경제적이고 친환경적 2차 오염 방지 난분해성 물질 정화 가능 대부분 여러 종류 미생물의 작용이 필요함 미생물 증식에 적합한 환경조성과 영양소 공급 필요 온도, pH, 산소 공급, 질소, 미량금속 등

왜 미생물인가? 다양한 종류 다양한 대사활동(생리적 기능) 다양한 서식처 빠른 증식 속도 높은 효소 활성 빠른 진화와 적응력 유전자 조작 용이 : 분자 생물학적인 방법 이용 효율적인 제어 미생물 개발 가능 (super bug)

탄소는 어떻게 도나?

Carbon Cycle 광합성 : 이산화탄소 고정 호흡 : 이산화탄소 생성, 분해 Methane 생성, 산화 호흡 : 이산화탄소 생성, 분해 Methane 생성, 산화 일산화탄소 산화 : 이산화탄소 생성

광합성 (Photosynthesis) 태양 에너지를 고정하는 유일한 방법 유기탄소화합물과 (산소) 생산 광합성 생물 : CO2 + H2O −(엽록소, ☼)→ (CH2O)n + O2 광합성 생물 : 엽록소를 가지고 있음 식물, 광합성 세균 (cyanobacteria), 조류(algae) 약 50%는 미생물 특히 조류에 의해 해양에서 Oxygenic vs Anoxygenic photosynthesis Oxygenic : 산소 생산 녹색식물, 조류, 남세균 (cyanobacteria) Anoxygenic : 산소 생산하지 않음 녹색황세균, 홍색황세균, 녹색비황세균, 홍색비황세균

온실은 따뜻해 (Greenhouse Effect)

온실효과의 과정 대기에 반사 외계로 방출 대기를 거쳐 외계로 방출 (약 50%) 태양 에너지는 파장이 짧은 빛의 형태로 지구에 도달 (대부분 가시광선) 지구에 도달한 태양 에너지 대기에 반사 외계로 방출 대기에 흡수 지표에 도달 (약 50%) 지표에 흡수된 에너지는 파장이 긴 적외선으로 방출 대기를 거쳐 외계로 방출 (약 50%) 온실 기체에 흡수 온실 기체에 흡수된 에너지는 지구의 온도 유지 15℃ vs. -18℃

온실 기체 (Greenhouse Gas) 대기 중의 열을 흡수하여 저장하여 온실 효과를 일으키는 기체 파장이 짧은 빛은 통과시키고, 파장이 긴 적외선은 흡수함 H2O, CO2, CH4, CFCs (염화불화탄소) 인간 활동에 의한 농도의 증가가 지구 온난화의 원인이 됨

산업화와 지구 온난화 산업화 → 온실 기체 배출 증가 → ♨ 화석 연료의 사용 : 이산화탄소, 이산화질소 농업의 확대 : 메탄, 이산화질소 냉매제, 세척제, 살충제, 화장품 : 염화불화탄소

온실 기체는 미생물에게 맡겨라 CO2 : 생물의 광합성, 유기화합물과 산소 생산 미생물에 의한 온실 기체의 소비 광합성의 ½은 미생물에 의해 해양에서 조류를 이용한 대기의 이산화탄소 제거? CH4 : 미생물에 의해 이용됨 혐기적 (메탄영양균), 호기적 (메탄산화세균) * 환경오염/ 화학비료의 사용이 메탄이용 미생물 억제?

나도 온실 기체를 만든다 미생물에 의한 온실 기체의 생성 CO2 : 주로 화석 연료의 연소에 의해 증가 생물의 호흡에 의해 생성 농도 증가로 인한 식물 생장 증가 효과 CH4 : CO2에 비해 5배의 온실 효과 혐기적 조건에서 메탄생성균이 생성 매립지, 논, 반추동물 CO2 증가 → 식물 생장 증가 → 메탄 생성 증가

나는 뭐든지 분해한다 미생물은 다양한 물질을 분해할 수 있음 미생물은 다양한 분해산물을 생산함 호기적 또는 혐기적 조건에서 분해 미생물의 분해능력은 환경오염 정화에 사용 폐수처리, 폐기물처리, 생물복원 인공 합성 화합물 중에는 난분해성이 많음 recalcitrant xenobiotics : 농약, 플라스틱 등 미생물에 의해 분해 가능 미생물의 진화에 시간이 필요함

하이힐은 왜 신나? High heels Catherine the Great

더러운 것은 내게 맡겨라

지뢰는 내가 찾는다 Luciferase (firefly) Pseudomonas sp. 화약 성분 이용

질소의 순환 (Nitrogen cycle)

질소의 특성 대기 중 가장 풍부한 원소 분자상 질소 (N2) : 매우 안정함 (삼중결합) 단백질, 핵산 등의 성분으로 중요함 * 질소 포장 단백질, 핵산 등의 성분으로 중요함 대부분의 생물은 질소 분자를 이용하지 못함 동물 : 유기 질소 화합물 이용 식물 : 유기 질소 화합물, 질산염, 암모늄염 이용 미생물 : 다양한 형태의 질소 화합물 이용 가능 분자상 질소, 암모니아, 산, 염, 유기 질소

미생물이 관여하는 중요한 질소 순환 암모니아화 (ammonification) 질화 (nitrification) 탈질화 (denitrification) 질소 고정 (nitrogen fixation))

암모니아화(Ammonification) 단백질 분해 ⇒ 암모니아 (NH3) 단백질 − (단백질 분해효소) → 아미노산 아미노산 − (암모니아화) → 암모니아 (NH3) 대부분의 미생물 (세균, 진균) 토양에서 생성된 암모니아 기체로 공기 중으로 방출 물에 녹아 암모늄 이온 (NH4+) 으로 존재 암모늄 이온은 아미노산 합성에 이용됨 미생물과 식물

질화(Nitrification) 암모늄 이온 (NH4+) → 질산염 (NO3-) 독립영양 질화 세균에 의해 2단계로 진행 NH4+ −(Nitrosomonas )→ 아질산염 (NO2-) NO2- −(Nitrobacter )→ 질산염 (NO3-) 생성된 질산염은 식물에 의해 단백질 합성에 사용됨

탈질화 (Denitrification) 질산염(NO3-) → 질소 가스 (N2) NO3- → NO2- → N2O → N2 혐기적 조건에서 세균에 의해 Pseudomonas, Paracoccus, Thiobacillus, Bacillus 토양의 비옥도를 떨어뜨림

질소고정(Nitrogen fixation) N2 → NH3 …→ 아미노산 → 단백질 질소고정세균과 남세균(cyanobacteria) 자유생활 질소 고정균 (free-living) 호기적 : Azotobacter, Beijerinckia, cyanobacteria 혐기적 : Clostridium, Klebsiella, Enterobacter, … 공생 질소 고정균 (symbiotic) : 콩과 식물과 공생 (뿌리혹 박테리아) Rhizobium, Bradybacterium

미생물에 의한 환경친화적 물질 생산 에너지 생물분해성 플라스틱 미생물 농약, 미생물 제초제, 미생물 비료 바이오 에탄올, 메탄, 바이오디젤, 수소 생물분해성 플라스틱 PHA (poly-β-hydroxyalkanoates) Polylactate 미생물 농약, 미생물 제초제, 미생물 비료

PHA : biodegradable plastic Biopol ICI (Imperial Chmical Industries) of UK Alcaligenes eutrophus PHB/PHV copolymer poly-β-hydroxybytyrate poly-β-hydroxyvalerate -- 세포 건조 중량의 80%

부영양화 (Eutrophication) 부영양화(富營養化) 물에 영양분이 자정한계를 넘어 과잉 공급 식물성 플랑크톤 대량 증식 물속의 산소 고갈 식물/동물의 사멸 식물/동물의 부패 : 영양분의 과잉 공급 계속 ⇒ 녹조, 적조 현상 부영양화의 원인 : 질소(N), 인(P) 생활하수, 공장폐수, 축산폐수, 농경폐수, 양식장

부영양화의 진행 영양성분의 유입 ⇒ 조류 증식 시작 (조건 : 빛, 온도) ⇒ 조류 증식에 필요한 용존 산소의 급속한 소비 ⇒ 증식한 조류에 의한 빛 차단과 산소의 소비 계속 ⇒ 빛과 산소의 부족으로 인한 수중 생태계 파괴 ⇒ 생물 사체 부패로 인한 영양성분 추가 공급

부영양화의 영향 ▪ 수질 악화 : DO↓, BOD↑, COD↑ 악취 발생, 독소 생성, 착색 ▪ 수질 악화 : DO↓, BOD↑, COD↑ 악취 발생, 독소 생성, 착색 * 상수 처리시 : 여과재 막힘 현상 염소 과다 사용 : 독성물질 생성 * 농업용수 : 고농도 질소에 의한 작물 피해 ▪ 수생 생태계 파괴 : 어류 폐사 등 ▪ 호소의 육지화

부영양화의 제어 숙제 영양물질 유입 감소 영양염류의 제거 원인 생물의 증식억제 또는 사멸 제목 : 녹조, 적조 분량 : A4 5 매 이하 제출일 :

녹조라떼에서 바이오연료 생산

미나마타 병(みなまたびょう, 水俣病 , Minamata disease) ▪ 수은중독으로 인해 발생하는 다양한 신경학적 증상과 징후를 특징으로 하는 증후군 ▪ 1956년 일본 구마모토 현의 미나마타 시 메틸수은이 포함된 조개 및 어류를 먹은 주민들에게서 집단적 으로 발생 ▪ 메틸수은은 인근의 화학 공장에서 바다에 방류한 것 ▪ 2001년까지 공식적으로 2265명의 환자

미생물과 중금속 Hg ▪ 미생물에 의한 독성의 증가 미생물에 의해 유기수은으로 변환 Desulfovibrio desulfricans Methyl mercury, dimethyl mercury, ethyl mecury 독성 증가, 용해도 증가, 휘발성 증가, 생물농축 ▪ 미생물에 의한 독성 감소 수은 저항성 세균 : Pseudomonas CH3Hg → Hg2+ → Hg : 독성, 용해도, 휘발성 감소 수은 결합 단백질 : 폐수로부터 중금속 제거에 사용 생물흡착제(biosorbent)

생물농축 생물 농축 (biological concentration, 生物濃縮) 중금속이나 유해 화학 물질이 먹이 사슬에 따라 상위 영양 단계로 갈수록 체내에 더 많이 쌓이는 현상

미생물을 이용한 중금속 제거, 회수 중금속 내성 미생물 : Pb, Cd, Cu, Hg, … 중금속을 표면에 흡착하거나 내부에 축적 중금속 함유 폐수에서 증식시킨 후 회수 (염색, 도금, …) 세포를 회수한 후 중금속 회수 가능

산성광산폐수 (Acid Mine Drainage) 주로 석탄 광산에서 Fe2S (pyrite, 황철석) 공기 중의 산소와 반응 (autooxidation) 미생물에 의한 산화 (Thiobacillus ferrooxidans) ⇒ H2SO4 (황산) 생성 : pH 저하 FeHO2 (수산화철) : 불용성 ⇒ 광석 중 금속의 부식, 용출 수질 악화, 중금속 용출 수생 생물에 영향 농업용수, 상수원 오염 회복에 50 – 150년