미생물 네트워크 분석으로 녹조 문제 해결 실마리
미생물 네트워크 분석으로 녹조 문제 해결 실마리
  • 함예솔
  • 승인 2020.01.23 15:10
  • 조회수 564
  • 댓글 0
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요약

 

미생물 네트워크 분석으로 녹조 문제 해결의 실마리를 찾았습니다. 연구진은 녹조의 마이크로바이옴(microbiome) 및 상호작용 네트워크 분석을 통해 미생물학적 녹조 발생과 사멸의 과정을 연구했습니다. 또한  마이크로시스티스 유전형별 상호 작용 네트워크도 구축함으로써 보다 상세한 녹조 발생과 사멸 과정에 대해서도 연구를 수행했습니다. 이는 향후 녹조 제어기술을 개발하는데 기여할 전망입니다. 

한국생명공학연구원세포공장연구센터 안치용 박사팀은 녹조 발생 및 사멸 과정에서의 미생물 상호작용 네트워크 분석을 통해 녹조의 발생과 소멸에 대한 상세한 생물학적 메카니즘을 규명했습니다. 향후 이를 활용한 신개념의 녹조 제어 기술 개발 및 식수원의 효율적 관리에 기여할 전망입니다. 해당 연구는 <Water Research>에 게재됐습니다. 

 

서로 상호 작용하는 미생물

녹조류는 엽록소를 가지고 있어 광합성을 한다. 출처: fotolia
녹조류는 엽록소를 가지고 있어 광합성을 한다. 출처: fotolia

녹조는 대부분 남조류(cyanobacteria)에 의해 발생합니다. 특히 마이크로시스티스(Microcystis)가 가장 대표적인 원인종으로 꼽히는데요. 부영양화된 수계에서 여름철 수온이 상승하면 녹조가 발생한다는 사실은 매우 오래전부터 알려져 있었습니다. 하지만 미생물학적으로 다른 박테리아, 미세조류, 동물플랑크톤 등과 어떤 상호 작용을 통해 이들의 번성이 더욱 유발되는지에 대한 연구는 최근까지 별로 이루어지지 않았습니다. 

마이크로시스티스 현미경 사진. 출처: 한국생명공학연구원
마이크로시스티스 현미경 사진. 출처: 한국생명공학연구원

이에 본 연구에서는 녹조의 마이크로바이옴(microbiome) 및 상호 작용 네트워크 분석을 통해 미생물학적 녹조 발생과사멸의 과정에 대한 연구를 수행했습니다. 

 

주요 녹조 원인종인 마이크로시스티스(Microcystis)는 유전적 변이가 매우 높은 박테리아로 알려져 있는데요. 유전형(genotype)의 구성도 환경 조건에 따라 민감하게 변화하는 것으로 알려져 있었습니다. 본 연구에서는 마이크로시스티스 유전형별 상호작용 네트워크도 구축함으로써 보다 상세한 녹조 발생과 사멸 과정에 대해서도 연구를 수행했습니다. 

  • 유전형(genotype)

동일한 종명(species name)을 갖고 있더라도 모든 유전자 구성을 동일하게 갖고 있지는 않으며 같은 유전자라도 염기서열에 차이가 있는데 동종 내에서 이처럼 유전적 구성이 다른 것들을 유전형 또는 strain이라고 부름.

미생물 상호작용, 녹조에 영향

 

네트워크 분석 결과, 미생물은 더욱 밀접한 상호작용하는 구성원들끼리 모듈(module)이라고 하는 단위를 형성했으며 대청호의 미생물들은 10개 미만의 주요한 모듈을 형성했습니다. 마이크로시스티스가 속한 모듈에 있는 미생물들은 녹조 발생 시기에 맞추어 동시에 증감하는 패턴을 보였는데요. 이 모듈의 미생물들은 녹조의 발생과 사멸에 가장 큰 기여를 하는 것으로 추정됩니다. 

 

마이크로시스티스는 '수도아나배나(Pseudanabaena)'라는 다른 남조류와 매우 강하게 연결돼 있었으며 마이크로실라시(Microscillaceae), 피렐룰라(Pirellula), 뱀피로비브리오날레스(Vampirovibrionales) 등의 박테리아와도 밀접한 상호작용을 보였습니다. 

 

마이크로시스티스 유전형 기반 상호 작용 네트워크를 분석한 결과에서는 계절에 따른 우점 유전형 및 상호작용 미생물 구성의 변화뿐만 아니라, 독소 종류별 주요 생산 유전형도 판별할 수 있었습니다. 참고로 우점이란 생물 군집에서 특정 종이 가장 많은 개체수를 갖고 있어 전체의 성격을 결정하고 그 군을 대표하는 걸 말합니다. 

 

계절에 따라 달라져?!

대청호의 녹조 발생에 따른 남조류 종조성 및 마이크로시스티스 유전형 구성의 변화. 한국생명공학연구원
대청호의 녹조 발생에 따른 남조류 종조성 및 마이크로시스티스 유전형 구성의 변화. 한국생명공학연구원

연구팀은 대청호를 대상으로 녹조가 자주 발생하는 세 정점(추소, 회남, 장계)에 대하여 6월부터 10월초까지 매주 시료 채취를 하고 수질 및 미생물 군집 분석을 수행했습니다. 세 정점 모두에서 7~8월에 걸쳐 마이크로시스티스에 의한 녹조가 발생했으며, 9월에는 이보다 약한 녹조가 잠시 발생 후 소멸했습니다.

대청호의 박테리아 군집(A-D)과 진핵생물 군집(E-H)의 변화. 한국생명공학연구원
대청호의 박테리아 군집(A-D)과 진핵생물 군집(E-H)의 변화. 한국생명공학연구원

조사 결과 여름철과 가을철 우점하는 마이크로시스티스 유전형은 달랐으며 상호 작용하는 미생물의 종류도 달랐습니다. 여름철 우점 마이크로시스티스 유전형이 더 다양했으며 네트워크도 복잡했던 반면, 가을철 우점 유전형은 단 2개였으며 네트워크도 매우 단순했습니다. 

 

여름철 녹조 사멸에는 뱀피로비브리오날레스(Vampirovibrionales)라는 기생성 남조류가, 가을철 녹조 사멸에는 스키스토디압토머스(Skistodiaptomus)라는 동물플랑크톤의 기여도가 높은 것으로 나타났습니다. 여름철 유전형만이 남조류 독소인 마이크로시스틴(microcystin)을 생산하며, 독소 종류별 주요 합성 유전형에서도 차이가 존재했습니다.

 

안치용 박사. 출처: 한국생명공학연구원
안치용 박사. 출처: 한국생명공학연구원

 

연구책임자인 안치용 박사는 "이번 연구성과는 녹조가 발생, 사멸하는 과정에서 어떤 미생물들과 상호 작용하며 중요하게 작용하는지, 구체적인 생물학적 과정을 최초로 밝힌 것"이라며 "최근 널리 연구되는 마이크로바이옴 및 네트워크 분석 기술을 녹조 연구에도 적용시켰다는데 의의가 있다"고 전했습니다. 덧붙여 "차후 녹조 발생에 도움을 주는 특정 박테리아 군집의 특성을 이용하여 이들의 생장을 억제하는 환경 조건을 조성하는 등 친환경적인 녹조 제어기술을 개발하는데 기여할 수 있을 것으로 생각한다"고 밝혔습니다. 

 

 


##참고자료##

 

Chun, Seong-Jun, et al. "Network analysis reveals succession of Microcystis genotypes accompanying distinctive microbial modules with recurrent patterns." Water Research 170 (2020): 115326.


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