광소성 바이오필름

Phototrophic biofilm
연구실에서 배양된 광생성 바이오필름
미생물 매트의 단면


광생성 생물 필터는 일반적으로 빛을 에너지원으로 사용하는 광생성 미생물과 화학적 생물로 구성된 미생물 집단이다.[1] 두꺼운 적층 다층 광생성 바이오필름은 보통 미생물 매트 또는 광생성 매트(바이오필름 참조)로 불린다.[2] 박테리아, 시아노박테리아, 곰팡이, 미생물 등 원핵생물이나 진핵생물일 수 있는 이 유기체들은 점막이나 필름에 부착된 다양한 미생물 집단을 구성한다. 이러한 바이오필름은 다양한 지상 및 수생 환경의 접촉 표면에서 발생한다. 바이오필름의 형성은 복잡한 과정이며 미생물들 사이의 관계뿐만 아니라 빛의 가용성에 달려 있다. 생물영화는 수생, 지상 및 극한 환경에서 다양한 역할을 한다. 이러한 역할들은 환경에 유익하고 해로운 기능을 포함한다. 이러한 자연적 역할 외에도 광생성 바이오필름도 농작물 생산과 보호, 생물 거름, 폐수 처리 등의 용도에 맞게 개조되었다. [1][2]

바이오필름 형성

바이오필름 형성은 세포 부착, 군집 형성, 성숙, 세포 분산의 네 가지 일반적인 단계에서 일어나는 복잡한 과정이다. 이 필름들은 두께가 마이크론에서 센티미터에 이르는 크기로 자랄 수 있다. 대부분은 녹색이나 갈색이지만 더 화려할 수 있다. [1]

바이오필름 개발은 미생물에 의한 세포외 고분자 물질(EPS) 생성에 의존한다. 겔과 유사한 EPS는 바이오필름의 구조를 제공하는 매트릭스로 성장과 기능성에 필수적이다. 다당류, 단백질, 글리콜리피드와 같은 유기 화합물로 구성되며 실트, 실리카와 같은 무기 물질을 포함할 수도 있다. EPS는 바이오필름에서 세포와 결합하여 빛을 하부 영역의 유기체에 전달한다. 또한 EPS는 표면 부착을 위한 접착제 역할을 하며 세포외 효소에 의해 영양소 소화를 촉진한다.[1]

미생물 기능과 상호작용은 공동체의 안녕을 유지하기 위해서도 중요하다. 일반적으로 바이오필름의 광생성 유기체는 바이오필름 공정과 변환을 매개함으로써 공동체 전체의 성장을 위한 기반을 제공한다. 화학 치환생물은 광전자로부터 나오는 광합성 폐생물을 탄소 및 질소 공급원으로 사용하고, 다시 공동체를 위한 영양 재생을 수행한다.[1][2] 다양한 생물군들이 빛의 이용가능성, 산소의 존재성, 그리고 종에 의해 생성되는 리독스 그라데이션에 기초하여 구별되는 층에 위치한다.[2] 바이오필름 개발의 초기 빛 노출은 성장과 미생물 다양성에 엄청난 영향을 미친다; 더 큰 빛 가용성은 더 많은 성장을 촉진한다. 시아노박테리아, 녹조 같은 광생물은 바이오필름의 노출층을 차지하고, 하층층은 혐기성 광생물과 박테리아, 원생동물, 곰팡이 같은 이성생물로 구성되어 있다.[1] 외측에 있는 진핵 해조류와 시아노박테리아는 이산화탄소를 줄이기 위해 빛에너지를 사용하여 유기 기판과 산소를 공급한다. 이 광합성 활동은 이질성 분수를 포함한 전체 바이오 필름 커뮤니티의 프로세스와 변환을 촉진한다. 그것은 또한 매트 안에 산소 구배를 생성하여 대부분의 혐기성 광전자영양과 화학성분이 상부 지역에서 자라는 것을 억제한다.[2]

미생물들 사이의 통신은 바이오필름을 통해 확산되는 분자의 분비를 통해 이루어지는 정족수 감지 또는 신호 전달 경로에 의해 촉진된다. 이 물질들의 정체는 그것이 분비된 미생물의 종류에 따라 다르다. [1]

생물필름의 형성에 기여하는 유기체의 일부를 확인할 수 있지만, 생물필름의 정확한 구성은 많은 유기체들이 순수한 배양법으로 재배될 수 없기 때문에 결정하기 어렵다. 순수 배양 방법을 사용하여 불가결한 미생물을 식별하고 광자기대와 이성애자 간의 복잡한 상호작용에 대한 연구를 지원할 수는 없지만, 메타게노믹스, 프로테오노믹스, 그리고 transcriptomics의 사용은 이러한 불가한 유기체의 특성화에 도움을 주었으며, 분자 메커니즘에 대한 통찰력을 제공했다. 미생물 조직, 그리고 생체 필름에서의 상호작용. [1]

생태학

광생성 바이오필름은 지상과 수생 표면에서 발견될 수 있으며 환경변동과 극한 환경을 견딜 수 있다. 수생계통에서는 암석이나 식물의 표면에 바이오필름이 성행하며, 지상 환경에서는 토양이나 암석, 건물 등에 위치할 수 있다.[1] 광생성 바이오필름과 미생물 매트는 온천,[3] 고염수 연못,[4] 사막의 토양 지각, 남극의 호수 얼음 덮개와 같은 극단적인 환경에서 설명되어 왔다. 미생물 매트와 스트로마톨라이트 같은 벤트릭 광합성 공동체의 34억년 화석 기록은 이러한 연관성이 지구에서 가장 오래된 것으로 알려진 생태계를 대표한다는 것을 보여준다. 이러한 초기 생태계가 지구 대기에 산소가 쌓이는 데 핵심적인 역할을 했다고 생각된다.[5]

이러한 미생물이 발견될 수 있는 환경의 범위에 걸쳐 다양한 역할들이 미생물에 의해 수행된다. 수생 환경에서, 이 미생물들은 먹이 사슬의 중요한 부분인 1차 생산자들이다. 그들은 대기와 해양 저수지 사이에서 상당한 양의 영양소와 가스를 교환하는데 핵심적인 기능을 수행한다. 지상 시스템의 바이오필름은 토양의 개선, 침식 감소, 초목의 성장 촉진, 사막과 같은 땅의 활성화에 기여할 수 있지만, 건물이나 기념물 같은 단단한 구조물의 붕괴도 가속화할 수 있다. [1]

적용들

예를 들어, 건설된 습지의 폐수 처리, 생물 매개화, 농업, 바이오 수소 생산과 같은 광생성 바이오필름의 적용에 대한 관심이 증가하고 있다.[2] 몇몇은 아래에 요약되어 있다.

농업

농약, 비료, 식품호르몬과 같은 농약들은 농작물 보호뿐만 아니라 더 많은 품질과 양을 생산하기 위해 널리 사용되고 있다. 그러나 바이오페틸라이저는 시아노박테리아와 같은 미생물의 성장을 촉진하여 식물 개발과 보호를 돕는 보다 환경적으로 인지도가 높은 방법으로 개발되었다. 시아노박테리아는 식물 뿌리에 식민지를 만들어 이산화탄소와 질소 고정의 자연 대사 과정을 통해 식물에 공급할 수 있는 탄소와 질소를 공급함으로써 식물 성장을 촉진시킬 수 있다. 그들은 또한 해로운 곰팡이, 박테리아, 바이러스에 대한 식물 방어를 유도하는 물질을 생산할 수 있다. 다른 유기체들은 또한 해충과 질병에 대한 식물의 내성을 증가시키는 피토호르몬과 같은 2차 대사물을 생산할 수 있다.[1] 농업 환경에서 광생성 바이오필름의 성장을 촉진하면 토양과 물의 질이 향상되고 염도가 감소하며 침식으로부터 보호된다. [2]

생물 매개

시아노박테리아, 황산염 환원기, 에어로빅 이성질체 같은 매트의 유기체는 유분의 생분해를 통해 수계의 생물 거식을 도울 수 있다.[2] 이것은 탄화수소 오염물질로부터 산소, 유기 화합물, 질소를 자유롭게 함으로써 달성된다. 또한 바이오필름의 성장은 기름, 살충제, 제초제를 산화시키고 구리, 납, 아연과 같은 중금속을 감소시킴으로써 다른 오염물질을 감소시킬 수 있다. 오염물질을 저하시키는 에어로빅 공정을 낮에 할 수 있고 혐기성 공정을 밤에 바이오필름으로 할 수 있다.[1] 또한 초기 노출 시 오염물질에 대한 바이오필름 반응이 급성 독성을 시사했기 때문에 바이오필름을 오염 센서로 사용할 수 있다.[2]

오수 처리

바이오필름은 다른 플로크 소재에 비해 바이오필름을 이용해 플록(floc), 즉 골재(aggregate)[1][2] 형성이 간편해 폐수처리시설과 비료가 많은 물청소 등 공정에 사용되는 습지이다. 폐수를 치료할 때 특히 영양소 제거에 광생성 바이오 필름을 사용하는 것에도 많은 이점이 있다. 이 유기체들은 폐수로부터 영양분을 격리시키고 이산화탄소와 함께 생물총량을 형성하는데 사용할 수 있다. 바이오매스는 질소를 포획할 수 있으며, 질소는 추출하여 비료 생산에 사용할 수 있다.[2] 광합성 바이오필름은 빠른 성장으로 녹조 바이오매스를 활용한 다른 영양소 제거 방법보다 영양소 흡수량이 크고, 폐수 연못 표면에서 자연적으로 자라 수확이 용이하다. [6]

이러한 필름의 광생성 활성은 pH의 증가로 인해 용해된 인산염을 촉진할 수 있다. 그리고 나서 이러한 인산염은 동화에 의해 제거된다. 폐수의 pH가 증가하면 대장균의 존재도 최소화된다.[2]

폐수 처리에서 중금속 해독은 생물 흡착을 구성하는 이온 교환, 킬레이트화, 흡착, 확산과 같은 수동적 메커니즘을 통해 주로 이러한 미생물을 통해서도 이루어질 수 있다. 활성 모드는 생체적응이라고 알려져 있다. 바이오소독 매개 금속 해독은 광도, pH, 바이오필름의 밀도, 중금속의 유기체 내성 등의 요인에 의해 영향을 받는다. 바이오소착은 효율적이고 저렴하지만 바이오소착 후 바이오매스로부터 중금속을 회수하는 방법은 아직 추가 개발이 필요하다.[2]

폐수 처리를 위해 광생성 바이오필름을 사용하는 것은 에너지 효율성과 경제성이 더 높고, 바이오 연료로 추가 처리가 가능한 부산물을 생산할 수 있는 능력이 있다.[1] 특히 시아노박테리아는 화석연료의 대안으로 재생 가능한 에너지의 공급원이 될 수 있는 생물수소를 생산할 수 있다. [2]

참조

  1. ^ a b c d e f g h i j k l m n Bharti, Asha; Velmourougane, Kulandaivelu; Prasanna, Radha (2017-12-01). "Phototrophic biofilms: diversity, ecology and applications". Journal of Applied Phycology. 29 (6): 2729–2744. doi:10.1007/s10811-017-1172-9. ISSN 1573-5176. S2CID 25176474.
  2. ^ a b c d e f g h i j k l m n Roeselers G, van Loosdrecht MC, Muyzer G (Jun 2007). "Phototrophic biofilms and their potential applications". Journal of Applied Phycology. 20 (3): 227–35. doi:10.1007/s10811-007-9223-2. PMC 2668646. PMID 19396356.
  3. ^ Roeselers G, Norris TB, Castenholz RW (Jan 2007). "Diversity of phototrophic bacteria in microbial mats from Arctic hot springs (Greenland)". Environmental Microbiology. 9 (1): 26–38. doi:10.1111/j.1462-2920.2006.01103.x. PMID 17227409.
  4. ^ Sørensen KB, Canfield DE, Teske AP, Oren A (Nov 2005). "Community composition of a hypersaline endoevaporitic microbial mat". Applied and Environmental Microbiology. 71 (11): 7352–65. doi:10.1128/AEM.71.11.7352-7365.2005. PMC 1287706. PMID 16269778.
  5. ^ Hoehler TM, Bebout BM, Des Marais DJ (Jul 2001). "The role of microbial mats in the production of reduced gases on the early Earth". Nature. 412 (6844): 324–7. Bibcode:2001Natur.412..324H. doi:10.1038/35085554. PMID 11460161. S2CID 4365775.
  6. ^ Guzzon, Antonella; Bohn, Andreas; Diociaiuti, Marco; Albertano, Patrizia (October 2008). "Cultured phototrophic biofilms for phosphorus removal in wastewater treatment". Water Research. 42 (16): 4357–4367. doi:10.1016/j.watres.2008.07.029. PMID 18774156.