- 유전체 분석 통해 저산소 환경에서 작동하는 매커니즘 규명 -
주요 온실가스인 메탄(CH4)* 과 아산화질소(N2O)**를 동시에 분해하는 습지미생물이 발견됐다.
* 메탄(CH4): 탄소와 수소로 이루어진 알케인 화합물로, 자연에서 혐기성 미생물에 의해 생성되며 이산화탄소보다 약 25배 강력한 비이산화탄소 온실가스이다.
** 아산화질소(N2O): 지구 대기 중에서 이산화탄소보다 약 298배 더 강력한 비이산화탄소 온실가스로, 자연에서 질산화 및 탈질 미생물 대사의 부산물로 생성된다.
한국연구재단(이사장 이광복)은 이성근 교수(충북대학교) 연구팀이 습지에서 서식하는 메탄산화미생물이 아산화질소 제거 능력을 갖추고 있음을 확인하고, 그 원리를 규명했다고 밝혔다.
메탄과 아산화질소는 이산화탄소보다 각각 25배와 298배 높은 온실효과를 발생시키는 대표적인 온실가스이다.
자연에서 호기성* 미생물이 메탄을 이산화탄소로 산화하고, 혐기성** 미생물이 아산화질소를 대기 질소로 환원하면 온실효과가 사라진다.
* 호기성: 공기 또는 산소가 존재하는 조건에서 자라고 또는 살 수 있는 성질.
** 혐기성: 산소를 싫어하거나 산소가 없는 상태에서 생명활동을 할 수 있는 성질.
일반적으로 미생물에 의한 메탄의 산화는 산소가 있는 조건에서, 아산화질소의 환원은 산소가 없는 조건에서 발생한다. 하지만 메탄산화균이 습지, 논, 산림 토양, 지열 서식지와 같은 저산소, 심지어 산소가 없는 혐기적 환경에서도 자주 관찰되어 연구자들에게 수수께끼로 여겨졌다. 연구팀은 습지 및 극한 환경에서 서식하는 메탄산화미생물의 유전체를 분석하여 아산화질소 환원에 관여하는 유전자를 발견하였다. 또한 실험을 통해 메탄산화미생물이 혐기성 조건에서 산소 대신 아산화질소를 호흡(환원)에 이용하여 성장할 수 있음을 입증하였다. 이를 통해 낮은 산소 조건에서도 습지미생물에 의해 메탄의 산화와 아산화질소의 환원이 동시에 일어날 수 있음을 밝혔다.
이성근 교수는 “이번 연구에서 규명한 미생물의 특성을 이용하면 자연·인공 생태계에서 발생하는 메탄 및 아산화질소 감축 기술 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대된다”라고 밝혔다. 더불어“앞으로 산소 농도에 민감하지 않은 아산화질소 환원 균주를 개발하여, 호기적 조건에서 아산화질소 제거 활성을 높이고, 온실가스 감축이 필요한 다양한 분야에서 활용될 수 있도록 추가연구를 계획하고 있다”라고 말했다.
과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구 사업의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)’에 5월 18일 게재되었다.
주요내용 설명
<작성 : 충북대학교 곽주한 박사후연구원>
논문명 Nitrous oxide respiration in acidophilic methanotrophs
저널명 Nature Communications
키워드 온실가스(Greenhouse gas), 메탄(Methane), 아산화질소(Nitrous oxide), 메탄산화미생물(Methanotroph)
DOI 10.1038/s41467-024-48161-z
저 자 이성근 교수(교신저자/충북대학교), 사무엘 이미시 아왈라 (Samuel Imisi Awala) 박사(제1저자/충북대학교), 곽주한 박사(제1저자/충북대학교).
1. 연구의 필요성
○ 온실가스(Greenhouse gas: GHGs)의 증가로 인하여, 지구 평균 온도가 10년마다 0.2°C씩 상승하고 있음. 이러한 온실가스 증가는 주로 인간 활동의 결과로, 농업 및 폐기물 처리 과정에서 주로 발생하며, 이 과정에서 물질순환 미생물이 온실가스의 발생 및 제거에 중요한 역할을 하고 있음. 메탄(CH4)과 아산화질소(N2O)는 비이산화탄소 온실가스 중의 가장 중요한 온실가스임.
○ 메탄산화균의 생장을 위해서 산소가 반드시 필요하다고 알려져 있지만, 메탄산화균이 습지, 논, 산림 토양, 지열 서식지와 같은 저산소, 심지어 혐기적 환경에서도 종종 높은 비율로 관찰되어 수수께끼였음. 유전체 연구를 통하여 아산화질소 환원효소를 가지는 메탄산화미생물이 존재함을 발견하였음. 메탄산화미생물이 혐기성 조건에서 아산화질소를 산소 대신 호흡에 이용하여 대기 질소로 환원시키면서 성장할 수 있다면, 혐기성 혹은 저산소 생태계에서의 메탄산화미생물의 생존을 설명할 수 있음.
○ 단일 미생물이 메탄과 아산화질소를 동시에 제거할 수 있다면 온실가스 감축과 관련해 다양한 분야에서 활용가능성이 높음. 또한, 메탄산화미생물의 혐기성 생태계에서의 생존 메커니즘을 활용하면, 환경에서의 적응력을 증가시켜 자연생태계의 메탄감축 기술에 활용할 수 있음.
2. 연구내용
○ 습지생태계 및 극한환경에서 서식하는 메탄산화미생물의 유전체 분석 결과 아산화질소 환원효소를 가지고 있는 메탄산화미생물인 메틸로셀라 툰드라(Methylocella tundrae) T4 및 메틸아시디필룸 칼디폰티스(Methylacidiphilum caldifontis) IT6를 발견하였음. 이들 미생물의 생리학적 및 생태학적 특성 분석결과 혐기성 조건에서 산소대신에 아산화질소를 전자수용체로 호흡(환원)에 사용하면서 생장할 수 있음을 실험적으로 입증하였음. 두 가지 미생물 모두 호산성미생물이기 때문에 아산화질소 발생이 많은 산성 환경에서의 메탄산화미생물에 의한 아산화질소 제거의 기여도가 높음을 나타냄.
○ 나아가, 저산소 조건에서 메탄산화미생물이 메탄산화를 통해 발생한 전자를 아산화질소 환원과 연동시킬 수 있어, 메탄산화-아산화질소환원이 동시에 발생할 수 있음을 규명하였음. 주요 온실가스인 메탄과 아산화질소를 이용하여 생장이 가능하기 때문에, 단일 미생물에 의해 두 가지 핵심 비이산화탄소 온실가스가 동시에 제거될 수 있음을 밝혀내었음.
3. 연구성과/기대효과
○ 인간의 활동으로 인한 온실가스의 배출의 증가는 지구 온난화와 기후 변화의 주요 원인이며, 지구 역사상 현재 온난화 속도는 전례가 없는 수준임. 기온상승이 자연생태계의 미생물 활성화를 강화시켜 온실가스배출을 증가시키는 악순환은 인류와 지구상 모든 생명체에게 심각한 위협이 되고 있음. 온실가스 배출 저감을 위한 전략 수립을 위해 미생물에 의한 메탄과 질소 순환에 대한 기초적인 연구는 국내는 물론 전 세계적으로 시급한 과제임.
○ 메탄산화균에 의한 아산화질소 제거 특성은 자연생태계 및 온실가스 배출량이 많은 폐수 처리장, 농업활동 등 다양한 분야에서 온실가스 배출을 줄이는 기후변화 대응 솔루션을 제공하는 데에 활용될 수 있음.
(그림1) 환경생태계에서의 단일 미생물에 의한 메탄산화 및 아산화질소환원
그림 설명: 혐기성 조건에서 생산된 메탄은 호기성 조건으로 확산되어 호기성 메탄산화미생물에 의해서 이산화탄소로 산화됨. 다양한 조건에서 발생하는 아산화질소는 혐기성 조건에서 환원되어 대기 질소로 방출됨. 이러한 과정을 통하여 온실가스 감축에 기여함. 이번 연구를 통하여, 저산소 조건에서 단일 미생물에 의해 메탄산화와 아산화질소환원이 연동될 수 있음을 최초로 발견함.
그림제공: 충북대학교 이성근 교수
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BRIC(ibric.org) Bio통신원(한국연구재단) 등록일2024.05.23