미생물생태학

미생물 생태학(또는 환경 미생물학)은 미생물의 생태학으로, 미생물의 서로와 환경과의 관계다. 그것은 바이러스뿐만 아니라 생명의 세 가지 주요 영역인 유카리오타, 아르케아, 박테리아와 관련이 있다.^[2]

미생물은 만능에 의해 생물권 전체에 영향을 미친다. 미생물 생물은 얼어붙은 환경과 산성 호수에서 깊은 바다 밑바닥의 열수 분출구에 이르기까지, 그리고 인간의 소장과 같이 가장 친숙한 몇몇 극성을 포함한 우리 행성의 거의 모든 환경에서 생물 지질화학 시스템을 조절하는데 일차적인 역할을 한다.^[3][4] 미생물 생물의 양적 크기(5.0×10³⁰ 세포로 계산, 관측^[5][6] 가능한 우주의 별 수보다 8배 더 큰 크기)의 결과로서 미생물들의 바이오매스만으로도 상당한 탄소 흡수원이 된다.^[7] 탄소 고정과는 별도로 미생물의 주요 집단 대사 과정(질소 고정, 메탄 대사, 황 대사 포함)은 지구 생물 화학 순환을 제어한다.^[8] 미생물의 방대한 생산량은 진핵생물이 전혀 없는 경우에도 이러한 과정은 변하지 않을 가능성이 높다.^[9]

역사

미생물들이 17세기부터 연구되어 온 반면, 이 연구는 생태학적 관점보다는 주로 생리학적 관점에서 연구되었다.^[10] 예를 들어, 루이 파스퇴르와 그의 제자들은 육지와 바다 둘 다에서 미생물 분포의 문제에 관심이 있었다.^[11] 마르티누스 베이제린크는 환경으로부터 미생물을 연구하는 근본적인 방법인 농축 문화를 발명했다. 그는 종종 루렌스 바스 베킹이 말한 "모든 것은 어디에나 있지만, 환경은 선택한다"는 미생물 생물지질학 사상을 틀리게 만든 것으로 잘못 인정받는다.^[12] 세르게이 위노그라드스키는 미생물 생태학과 환경 미생물학의 첫 제자로 등 의학적인 맥락에서 벗어난 미생물을 이해하려고 시도한 최초의 연구자 중 한 명이었다. 그는 화학합성을 발견하고 그 과정에서 위노그라드스키 칼럼을 개발했다.^{[13]: 644}

그러나 베이제린크와 윈도그라드스키는 미생물의 서식지나 생태학적 상호작용이 아닌 미생물의 생리학에 초점을 맞췄다.^[10] 현대 미생물 생태계는 루멘 생태계를 조사한 로버트 헝가이트와 동료들에 의해 시작되었다. 루멘의 연구는 무산소 미생물을 배양하는 기술을 헝가이트가 개발하도록 요구했고, 미생물 연구와 미생물들의 생태 활동에 대한 양적 접근법을 개척해 종과 포물선 경로의 상대적 기여도를 차별화했다.^[10]

미생물 생태계의 진보는 신기술 개발과 맞물려 있다. 자연에서 생물 화학적 공정률의 측정은 1950년대부터 시작된 방사성동위원소의 가용성에 의해 추진되었다. 예를₂ 들어, CO는 해양에서의 광합성률 분석을 허용했다(ref). O2와 같은 화학종에 민감한 미세전극체가 개발되던 1980년대에 또 다른 중요한 돌파구가 열렸다.^[14] 이 전극들은 50-100μm의 공간 분해능을 가지고 있으며, 미생물 매트와 퇴적물에서 공간 및 시간적 생체화학 역학을 분석할 수 있게 되었다.

생물 지질화학 공정률을 측정하면 어떤 공정이 발생하는지 분석할 수 있지만, 어떤 특정 미생물이 담당하는지에 대한 정보를 제공하지 않아 불완전했다. '일반적인' 재배기술이 자연 서식지에서 1% 미만의 미생물을 회복했다는 것은 오래 전부터 알려져 있었다. 그러나 1990년대부터, 서식지에 미생물의 상대적 풍부함을 판별하기 위해 경작에 독립적인 기술들이 진화해 왔다. 칼 워즈는 먼저 16S 리보솜 RNA 분자의 염기서열을 이용하여 유전적 관계를 분석할 수 있다는 것을 증명했다. 노먼 페이스는 이 정석적인 아이디어를 자연환경에서 '누가 거기 있는가'를 분석하는 데 적용했다. 이 절차에는 (a) 자연환경에서 직접 핵산을 분리하고, (b) 소단위 rRNA 유전자 시퀀스의 PCR 증폭, (c) 증폭기 시퀀싱 및 (d) 순수 배양 및 환경 DNA 시퀀스의 데이터베이스와 그러한 시퀀스를 비교하는 과정이 포함된다.^[15] 이것은 미생물 서식지 내에 존재하는 다양성에 대한 엄청난 통찰력을 제공해 왔다. 그러나 특정 미생물을 그들의 생체 화학적 역할과 어떻게 연계시킬 것인가는 해결되지 않는다. 환경으로부터 회복된 총 DNA의 염기서열인 메타게노믹스는 생물 지질화학 잠재력에 대한 통찰력을 제공할 ^[16]수 있는 반면 메타테크닉노믹스와 메타프로토믹스는 유전적 잠재력의 실제 표현을 측정할 수 있지만 기술적으로는 더 어렵다.^[17]

역할

미생물은 모든 생태계의 중추지만, 빛이 없어 광합성을 할 수 없는 구역에서는 더욱 그렇다. 그러한 지역에서 화학합성 미생물들은 다른 유기체들에게 에너지와 탄소를 제공한다. 이러한 화학적 영양 생물은 호흡에 다른 전자 수용기를 사용함으로써 산소가 부족한 환경에서도 기능할 수 있다.

다른 미생물들은 분해자들인데, 다른 유기체의 폐기물의 영양분을 재활용할 수 있는 능력을 가지고 있다. 이 미생물들은 생물 화학적 순환에서 중요한 역할을 한다.^[18] 질소 순환, 인 순환, 황 순환, 탄소 순환 모두 어떤 식으로든 미생물에 의존한다. 예를 들어, 지구 대기의 78%를 차지하는 질소 가스는 질소 고정의 미생물 과정에 의해 생물학적으로 이용 가능한 형태로 변환되기 전까지는 대부분의 유기체들이 이용할 수 없다.

미생물 집단 간의 수평적 유전자 전달 수준이 높아 진화 연구에도 미생물 생태가 중요하다.^[19][20]

공생

미생물, 특히 박테리아는 다른 미생물이나 더 큰 유기체와 공생관계(양성이거나 음성이거나 둘 중 하나)를 맺는 경우가 많다. 비록 물리적으로 작지만, 미생물들 사이의 공생 관계는 진핵 과정과 진화에 있어 중요하다.^[21][22] 미생물이 참여하는 공생관계의 종류로는 상호주의, 공명주의, 기생주의,^[23] 아멘시즘 등이 있으며,^[24] 이러한 관계는 생태계에 많은 영향을 미친다.

상호주의

미생물 생태계의 상호주의는 미생물 종과 인간 사이의 관계로서 양쪽이 모두 이익을 볼 수 있게 한다.^[25] 그러한 예로는 교차 수유라고도 알려진 싱트로피아가 있는데,^[24] 그 중 '메타나노박테리움 오멜리안스키이'가 고전적인 예일 것이다.^[26][27] 이 컨소시엄은 에탄올 발효 유기체와 메타노겐에 의해 형성된다. 에탄올을 발효시키는 이 유기체는 고고학 파트너에게 이 메탄겐이 메탄을 재배하고₂ 생산하기 위해 필요한 H를 제공한다.^[21][27] 싱트로피는 다양한 기능적 특성을 가진 미생물 집단이 생존하고, 성장하며, 최대 양의 에너지를 생산할 수 있도록 돕는 깊은 지표하와 같은 에너지 및 영양소 제한적 환경에서 중요한 역할을 한다는 가설을 세워왔다.^[28][29] 메탄의 혐기성 산화(AOM)는 황산염 감소 박테리아와 혐기성 메탄산화 고고학자의 상호주의 컨소시엄에 의해 수행된다.^[30][31] 박테리아 파트너가 H를₂ 생산하기 위해 사용하는 반응은 엔데르곤(따라서 열역학적으로 선호되지 않음)이지만, 고고학 파트너가 사용하는 반응과 결합하면 전체적인 반응은 외전성이 된다.^[21] 따라서 이 두 유기체는 환경 속에서 자라고 번성할 수 있는 상호주의적인 관계에 있는데, 이는 두 종에게만 치명적인 것이다. Lichen은 공생 유기체의 한 예다.^[27]

공명주의

균등주의는 미생물 세계에서 매우 흔하며, 문자 그대로 "같은 식탁에서 먹는 것"^[32]을 의미한다. 한 미생물 집단의 대사 생산물은 다른 미생물 집단이 첫 번째 집단에 대해 이득이나 해가 없이 사용한다. 같은 화학 방정식에 대해 산화반응이나 환원반응을 수행하는 미생물 종의 "페어"가 많다. 예를 들어 메탄가스는 CO를₂ CH로₄ 줄여 메탄을 생산하는 반면 메탄가스는 메탄을 다시₂ CO로 산화시킨다.^[33]

아멘시즘

아멘사즘(Amensalism, 흔히 대립이라고도 함)은 한 종/조직이 피해를 입는 반면 다른 종은 영향을 받지 않는 공생관계의 일종이다.^[25] 미생물 생태계에서 일어나는 그러한 관계의 한 예는 미생물종 유산균 카세이와 녹농균 태트롤렌스 사이의 것이다.^[34] 녹모나스 태트로렌스는 환경에 공존할 때 유산균 카세이가 젖산을 생산하면서 만들어낸 부산물로 인해 락토비온산(본산)의 성장이 억제되고 생산량이 감소하는 것을 가장 잘 보여준다.^[35] 그러나 유산균 카세이는 그 행동에서 아무런 차이를 보이지 않으며, 이러한 관계는 아멘시즘으로 정의될 수 있다.

미생물자원관리

생명공학은 많은 환경적, 경제적 난제를 해결하기 위해 미생물 생태계와 함께 사용될 수 있다. 예를 들어, 공동체 지문 채취나 메타게노믹스와 같은 분자 기술을 사용하여 시간에 따른 미생물 집단의 변화를 추적하거나 생물 다양성을 평가할 수 있다. 이산화탄소를 격리시키고 과도한 메탄노제시스를 막기 위한 탄소 순환을 관리하는 것이 지구온난화를 완화하는 데 중요하며, 미생물 연료전지의 개발로 바이오 에너지의 전망이 확대되고 있다. 미생물 자원 관리는 질병에 대한 보다 진보적인 태도를 옹호하며, 이를 통해 생물학적 통제제가 근절 시도보다 선호된다. 미생물 집단의 플럭스는 이 분야의 잠재력이 실현되려면 더 잘 특성화되어야 한다.^[36] 또한, 해양 미생물 공생은 현존하고 새로운 항균제의 귀중한 원천이기 때문에, 연구자들의 절실한 관심사인 항생제 내성의 진화적 군비경쟁에서 또 다른 연구 라인을 제공하기 때문에 임상적으로도 시사하는 바가 있다.^[37]

구축된 환경과 인간의 상호작용

미생물들은 집, 사무실, 상업 센터, 병원을 포함한 모든 영역에 존재한다. 2016년 학술지 마이크로바이옴은 구축된 환경의 미생물 생태를 연구하는 다양한 작품집을 발간했다.^[38]

병원 내 2006년 병원성 세균에 대한 연구는 생존 능력이 종류에 따라 다양하다는 것을 밝혀냈는데, 어떤 박테리아는 며칠밖에 생존하지 못하는 반면 다른 박테리아는 몇 달 동안 생존하지 못하는 것으로 나타났다.^[39]

가정에서 미생물의 수명은 비슷하게 다양하다. 일반적으로 박테리아와 바이러스는 습도가 10% 이상인 습한 환경을 필요로 한다.^[40] 대장균은 몇 시간에서 하루 정도 생존할 수 있다.^[40] 포자를 형성하는 박테리아는 포도상구균 아우레우루스균이 몇 주 동안 또는 바실러스 무연탄의 경우 몇 년 동안 생존할 수 있기 때문에 더 오래 생존할 수 있다.^[40]

집에서 애완동물은 박테리아의 매개체가 될 수 있다; 예를 들어, 파충류는 보통 살모넬라균의 매개체가 된다.^[41]

S. aureus는 특히 흔하며, 무증상적으로 인구의 약 30%를 식민지로 만든다;^[42] 운송업자들을 탈식시키려는 시도는 제한된 성공으로^[43] 만났고 일반적으로 장과 요로 감염을 다루기 위해 잠재적으로 반코마이신, 코트리목사졸과 함께 무피로신 및 클록시딘 세척을 포함한다.^[44]

항균류

일부 금속들, 특히 구리와 은은 항균 성질을 가지고 있다. 항균 구리-알로이 접촉면을 사용하는 것은 박테리아의 전염을 막기 위해 21세기에 사용되기 시작한 기술이다.^[45] 비록 작은 입자들이 인간의 건강에 미칠 잠재적 부작용에 대한 우려가 제기되었지만 은 나노입자는 또한 건물 표면과 직물에 통합되기 시작했다.^[46]

참고 항목

• 미생물 생물 지리학
• 미생물 루프
• 생태학 개요
• 국제미생물생태학회
• ISME 저널

참조