미생물학과, 환경생활공학, 환경과학 등 환경미생물학 요점 정리 2. 지구환경과 미생물

제2장 지구환경과 미생물

 

2.1 대기미생물

 

2. 대기권의 미생물

 

•대기 중 토착성 미생물은 알려져 있지 않음

 

•물이나 토양에서 비롯된 미생물이 대기 중에서 어느 정도 생존능력을 지녀 적당한 다른 물이나 토양환경으로 전파될 수 있음

 

•미생물은 그대로 대기 중으로 들어갈 수도 있으나 홀씨 등의 상태로 대기에 존재하는 경우가 많음

 

•대부분의 사람들은 대기미생물과 관련해서 공기 중 병원성 미생물을 떠올림

 

 

2.2. 수중미생물

 

2. 담수생태계의 미생물

 

•호수

- 가장 복잡한 미생물상을 나타냄

- 1차생산과 2차생산 미생물이 긴밀히 상호작용

- 빛이 잘 투과되는 연안대에서는 조류가 우점종으로 1차생산이 높고 시안세균도 많이 존재

- 수층대에서는 주로 식물성플랑크톤이 우점하며 빛의 파장과 투과량에 따라 우점종이 변함

- 깊이에 따라 환경요인이 변화하기 때문에 세균들의 수직분포 역시 이에 따라 변화

 

•하천

- 하천수에 존재하는 대부분은 종속영양미생물로 이들의 개체수와 종의 조성에는 유기물 농도가 큰 영향을 미침

- 영양소가 적은 상류나 지하수에서는 세균 개체수가 보통 ml당 수 천개 이하로 존재

- 하류로 갈수록 유기물질 농도가 증가하며 이에 따라 개체수도 증가

 

 

4. 해양생태계의 미생물

 

•일반적으로 표층에서 미생물 개체수가 가장 많고, 수심에 깊어짐에 따라 점차 감소하는 분포

 

•해역에 따른 개체수 분포

- 연안, 하구, 만 또는 용승류 해역에서는 미생물 개체수가 비교적 많은 편

- 원양에서는 개체수가 상당히 적음

 

•세균

- 대부분이 저온균이며, 호기성 또는 통성혐기성임

- 대부분의 수역에서 빈영양세균이 많이 존재

- 대부분의 해양세균은 그람음성세균으로 운동성을 갖고 있음

 

•균류 : 비교적 적은 편

 

•조류 : 해수에서 가장 중요한 1차생산자

 

•원생동물 : 세균이나 식물플랑크톤을 잡아먹는 먹이사슬의 중간단계 역할

 

•심해열수구 미생물 : 열수에 포함된 환원성 무기물을 이용하는 화학합성독립영양 미생물이 많이 존재

 

 

2.3 토양미생물

 

2. 토양미생물의 종류

 

•토착성 미생물 vs. 발효성 미생물

- 토착성 미생물: 부식질을 이용하는 종류로서 느리지만 지속적인 활성을 보이며, 그람음성 간균과 방선균이 대부분을 차지

- 발효성 미생물: 쉽게 이용할 수 있는 기질을 분해하는 것으로 높은 활성도와 빠른 성장을 보이며, Pseudomonas, Bacillus 등이 있음

 

•세균

- 표층토양에 가장 많이 분포하며, 대부분이 상층부 1m내 존재

- 존재하는 많은 종류의 세균 중 그람음성균이 대부분을 차지

- 하지만 수계환경과 비교 시, 상대적으로 그람양성균의 비율이 높은 편

- 대표적인 균: Arthrobacter, Streptomyces, Pseudomonas, Bacillus 등

 

•균류

- 주로 상층 10 cm의 표층토에 주로 존재

- 대부분이 발효성 미생물로 리그닌 성분 및 다양한 오염물질을 분해

- 산성에 대한 내성이 커서 산성토양에서의 물질분해에 중요한 작용

- 대표적인 균: Penicillium, Aspergillus 등

 

•조류

- 토양표면 또는 상층 수 mm 부위에서 광합성을 하면서 생존

- 개체수는 보통 봄과 가을에 많고, 여름과 겨울에 성장이 억제

- 토양에 서식하는 종류로는 녹조류, 황갈조류, 홍조류 등

 

•원생동물

- 토양 원생동물은 수계 원생동물에 비해 크기가 작고 다양하지 못함

- 원생동물은 상층부 15-20cm의 표층토에 주로 존재(식물뿌리 부근에 주로 분포)

- 세균과 조류의 중요한 포식자로 작용

 

 

2.4 미생물사이의 상호작용

 

1. 편리공생

 

•한 집단은 이익을 받는 반면, 다른 집단은 어떠한 영향을 받지 않는 경우

 

 

2. 상조공생

 

•두 집단이 자연환경 내에서 독자적으로 생존할 수 있지만, 두 집단이 제휴하게 되면 쌍방이 모두 이익을 얻게 됨

 

•관계를 맺고 있는 한 집단이 관계를 맺고 있지 않는 다른 집단에 의해서 쉽게 바꿔질 수 있으므로 상호밀접한 관련을 가지고 있지는 않음

 

 

3. 상리공생

 

•좀 더 긴밀한 상조공생

 

•두 집단이 모두 이익을 얻지만 두 집단 사이는 의무적인 관계로 양쪽 미생물 중 어느 한쪽도 바뀔 수 없음

 

•어느 한 집단이 단독으로는 생존할 수 없었던 서식지에서도 상리공생에 의해서 생존할 수 있음

 

 

4. 경쟁

 

•부족한 영양소나 또는 특정한 공간을 두 미생물 집단이 같이 사용할 때 나타나는 부정적인 관계

 

•탄소, 질소, 인, 산소, 물과 같이 생장에 필요한 원소는 미생물 집단에 의한 경쟁을 유발

 

 

5. 편해

 

•한쪽이 다른 한쪽에 대해 저해물질을 생성하는 것

 

•저해물질을 생성하는 집단은 저해물질에 의해 아무런 영향을 받지 않거나 또는 다른 집단의 저해에 따른 반사 이득을 얻기도 함

 

 

6. 기생

 

•이익을 얻는 한쪽(기생자)이 해를 입는 다른 한쪽(숙주)으로부터 영양분을 얻는 것

 

•숙주와 기생자 관계는 비교적 오랜 기간의 접촉을 통하여 특성화되는데, 일반적으로 기생자는 숙주보다 크기가 작음

 

•기생자의 종류: 외부기생자(숙주 집단의 외부에 존재), 내부기생자(숙주세포 내부에 침투하는 것)

- 대표적 예로 바이러스가 있음

 

 

 

2.5 미생물과 동식물 사이의 상호작용

 

1. 미생물과 식물 사이의 상호작용

 

•근권(rhizosphere)

- 식물뿌리와 매우 근접해 있는 부분으로 식물에 의해서 영양분이 풍부한 환경을 가짐

- 같은 식물이라 할지라도 다른 품종의 경우 다른 근권 개체군을 가짐

 

•근권에서의 미생물 특성

- 근권효과는 R/S비로 평가(R은 근권 미생물의 수, S는 일반토양에서 유사한 미생물의 수)

→ 어린 식물의 근권: 미생물개체군수는 작고 R/S 비 5:1-15:1

→ 성숙한 식물의 근권: 미생물개체군수는 많고 R/S 비 50:1-100:1

 

•생물학적 질소고정

- 콩과식물에서의 상리공생적 질소고정

- 비콩과식물에서의 상리공생적 질소고정

 

 

2. 미생물과 동물 사이의 상호작용

 

(1) 미생물과 동물의 긍정적인 상호작용

- 개미와 균류

- 암브로시아 딱정벌레와 균류

- 흰개미 집단과 내외부의 미생물 집단

- 대부분의 온혈동물 소화기관 내에는 매우 복잡한 미생물 집단이 존재

 

 

(2) 미생물과 동물의 부정적인 상호작용

- 미생물에 의해 발생되는 동물질병이 대표적

- 미생물은 환경조건을 변화시킴으로써 동물에게 악영향

- 일부 미생물은 동물에게 병을 유발하는 유해물질을 생산

 

 

 

2.6 탄소의 순환

 

•육상생물과 대기 사이를 탄소는 약 16년에 한번이라는 빠른 주기로 순환

 

•탄소순환의 구성물질

- 가장 환원된 형태 : 메탄가스

- 탄수화물의 산화도와 비슷한 세포의 일반적인 성분 : (CH2O)n

- 탄소 중 가장 산화된 형태 : 이산화탄소

 

•가장 활발하게 순환하는 탄소 저장소

- 대기 중 0.03%를 차지하는 CO2

- CO2의 용존형태인 H2CO3, HCO3-, CO32- 등

- 생체 및 사체의 유기물질

 

•매우 크지만 불활성 상태인 탄소저장소

- 탄산염의 암석종류인 석회암, 백운석 등

- 화석연료인 석탄, 원유, 천연가스 등

 

•탄소순환에 미치는 미생물의 작용

- 독립영양미생물은 CO2를 이용하여 유기화합물을 생성

- 종속영양생물은 일차생산자에 의해 생산된 유기물질을 호흡과정을 통해 최종적으로 CO2로 전환시킴으로써 탄소순환을 마치게 함

- 유기화합물에 저장된 에너지가 한 생물에서 다른 생물로 전환될 때 먹이사슬을 형성하며, 먹이사슬의 각 단계는 서로 복잡하게 연결되어 먹이망을 형성

 

 

 

2.7 질소의 순환

 

•대기와 생태계 사이를 질소는 약 8만년의 주기로 순환

→ 질소의 순환은 탄소의 순환에 비하여 매우 늦음

 

•적지만 매우 활발히 순환되는 질소 저장소

- 희석된 수용액상태로 널리 분포하는 질소의 무기염(암모늄염, 아질산염, 질산염)

- 생체나 사체 내의 유기질소화합물

 

•매우 크나 천천히 순환하는 질소 저장소

- 생물학적 질소고정에 의해서만 이용되는 대기 중의 질소

 

•질소고정

- 육상생태계에서는 Rhizobium과 같은 공생형 질소고정이 전체 질소고정의 대부분을 차지- 물 생태계에서는 시아노박테리아, 특히 Anabaena, Nostoc 등이 대기 중 질소를 고정

 

•암모니아 산화

- 암모니아는 유기질소화합물의 분해과정인 암모니아화 과정에서 생성되며, 산성 또는 중성 pH에서는 암모늄이온(NH4+)형태로 존재

- 토양에서 생성된 암모니아는 식물과 미생물에 의해 동화되어 아미노산 또는 다른 질소 함유화합물에 유입

 

•질산화

- 질산화는 일부 국한된 독립영양세균(Nitrosomonas, Nitrobacter)에 의해 이루어짐

- 암모니아 또는 암모늄이온이 아질산염(NO2-)과 질산염(NO3-)으로 산화

 

•질산염 환원과 탈질

- 무산소 조건에서 종속영양미생물 중 많은 미생물들이 탈질균으로 작용하여 유기물을 소비하면서 질산염을 질소가스로 전환

- 질소고정은 토양생태계의 표층과 하층 모두에서 일어나며, 질산화는 호기성 환경에서 일어나는데 비해, 탈질은 물에 잠겨있는 토양과 퇴적토에서 주로 발생

 

 

 

2.8 황의 순환

 

•무기 황화합물은 식물과 다른 거대생물의 황 공급원으로 작용하는데, 한편 생물계에 독성 을 나타내기도 함

 

•비교적 작으나 빨리 순환되는 황 저장소

- 생체나 사체의 유기 황화합물

 

•매우 크고 천천히 순환하는 황 저장소

- 해수의 용존 황산염

 

•매우 크나 불활성 상태의 저장소

- 황화암, 유황원소 광산, 화석연료 등

 

•황 산화

- 화학합성독립영양 미생물인 황산화균은 토양과 물 생태계에 널리 분포하며 활성이 높음

 

•황산염 환원

- 일부 미생물들은 혐기성 호흡과정에서 황산염을 최종 전자수용체로 이용

 

2.9 인의 순환

 

•생물계에서 가장 풍부한 인 형태는 인산염(PO43-)

 

• 작지만 매우 활발하게 순환되는 인산염 저장소

- 토양과 물속에 용존된 인산염 또는 생체, 사체의 유기물질 내에 존재하는 인산염

 

• 크지만 매우 천천히 순환되는 인산염 저장소

- 해양과 물 생태계의 퇴적토

 

• 매우 크나 불활성인 인산염 저장소

- 인산염암(예: 인회석)

 

•호소에서 발생하는 부영양화 현상에 있어서 인의 중요성

- 조류 세포질의 몰 비는 C : N : P = 106 : 16 : 1

→ 인은 다른 어떤 원소보다 조류 생산력의 제한요소로 작용

 

 

<연습문제>

 

 

1. 다음은 대기미생물에 대한 설명이다. 틀린 것은?

① 대기 중 토착성 미생물은 많이 알려져 있다.

② 물이나 토양에서 비롯된 미생물들이 대기 중에서 어느 정도 생존능력을 지녀 적당한 다른 물이나 토양환경으로 전파된다.

③ 미생물은 그대로 대기 중으로 들어갈 수도 있으나 홀씨 등의 상태로 대기에 존재하는 경우가 많다.

④ 대부분의 사람들은 대기미생물과 관련해서 공기 중 병원성 미생물을 떠올린다.

 

[정답] 1

 

대기권의 대부분은 물리적, 화학적 성질 때문에 미생물의 생존이나 생장에 적합하지 않다. 따라서 대기 중 토착성 미생물은 알려져 있지 않다.

 

 

2. 다음은 수중 미생물 중 하천 미생물에 대한 설명이다. 틀린 것은?

① 하천 미생물은 대부분 종속영양미생물이다.

② 하천 미생물의 개체수와 종의 조성에는 유기물 농도가 큰 영향을 미친다.

③ 하류로 갈수록 유기물질 농도가 증가하며 개체수는 감소한다.

④ 하천에는 주변 육지로부터 토사, 방류수, 유기물 등이 유입되므로

육상의 미생물군과 밀접한 관계를 보일 수 있다.

 

[정답] 3

 

하류로 갈수록 유기물질 농도가 증가하며 이에 따라 개체수는 증가한다.

 

 

3. 다음은 해양미생물에 대한 설명이다. 틀린 것은?

① 해양의 90~95%가 5℃ 이하이므로 대부분이 저온성균이다.

② 대부분의 수역에서 영양소 농도가 낮으므로 빈영양세균들이 많이 존재한다.

③ 심해에서는 높은 수압에 견디는 내압성세균들이 주요한 토착성 미생물이다.

④ 대부분의 해양세균들은 그람양성균으로 운동성을 갖고 있다.

 

[정답] 4

 

대부분의 해양세균은 그람음성균으로 운동성을 갖고 있으며, 호기성 또는 통성혐기성이고, 절대혐기성세균은 매우 적은 편이다.

 

 

4. 다음의 빈칸에 들어갈 말이 순서대로 언급된 것은?

토양에 존재하는 대부분의 세균은 ( )균이다. 하지만 수계환경과 비교 시 상대적으로 ( )균의 비율이 높은 편이다.

① 그람양성, 그람가변성

② 그람음성, 그람가변성

③ 그람양성, 그람음성

④ 그람음성, 그람양성

 

[정답] 4

 

토양에 존재하는 많은 종류의 세균 중 대부분은 그람음성균이다. 하지만 수계환경과 비교 시, 상대적으로 그람양성균의 비율이 높은 편이다.

 

<참조>

* 그람염색

- 세균분류에 중요한 염색법

→ 세포벽의 구조적 특성에 기초한 염색법

- 그람염색 방법

① 세균 세포를 슬라이드 글래스 위에서 도말, 풍건, 고정

② crystal violet 용액으로 1분간 염색

③ 남은 염색액을 2초 이내에 수세

④ iodine 용액에 1분간 매염

⑤ 수세

⑥ 수분을 제거하고 95% 알코올 용액에서 30초간 탈색

⑦ 수세

⑧ safranin으로 20초간 염색

⑨ 수세

⑩ 건조

⑪ 검경

- 그람염색에 따른 분류

① 그람양성균(gram positive)

▸정의: 그람염색법에 의해서 보라색으로 염색되는 세균

▸특성: 색소나 약제에 예민하고, 독소는 가열하면 쉽게 파괴

▸종류: 대부분의 구균(폐렴쌍구균을 제외한 쌍구균은 거의 그람음성균)과 세레우스균, 보툴리누스균 등의 간균

② 그람음성균(gram negative)

▸정의: 그람염색법을 적용했을 때 보라색은 탈색되고 붉은색으로 염색되는 세균

▸특성: 보통 색소 저항력이 강하고, 계면활성제 내성이 강함

▸종류: 나선균과 대장균, 살모넬라균, 이질균 등의 간균

 

 

5. 토양 미생물 중 리그닌 성분을 분해할 뿐 아니라 다양한 오염물질도 분해하고, 특히 산성에 대한 내성이 커서 산성토양에서의 물질분해에 중요한 작용을 하는 것은? 2

① 세균 ② 균류

③ 조류 ④ 원생동물

 

[정답] 2

 

대부분이 발효성 미생물로 유기물의 분해와 물질순환에 중요한 역할을 하는데, 리그닌 성분을 분해할 뿐 아니라 다양한 오염물질도 분해하며 특히 산성에 대한 내성이 커서 산성토양에서의 물질분해에 중요한 작용을 한다.

 

 

6. 다음의 설명에 해당하는 것은?

- 두 집단이 자연환경 내에서 독자적으로 생존할 수 있지만, 두 집단이 제휴하게 되면 쌍방이 모두 이익을 얻게 됨 - 관계를 맺고 있는 한 집단이 관계를 맺고 있지 않는 다른 집단에 의해서 쉽게 바꿔질 수 있으므로 상호밀접한 관련을 갖고 있지는 않음

① 편리공생 ② 상조공생

③ 상리공생 ④ 경쟁

 

[정답] 2

 

상조공생의 경우, 독자적으로 생존할 수 있는 양쪽이 제휴하여 양쪽 모두 이익을 얻는 것이다. 그러나 양쪽은 의무적 과계는 아니어서 다른 미생물로 쉽게 바뀔 수 있다.

 

 

7. 미생물 사이의 상호작용 중 두 집단이 모두 이익을 얻지만 두 집단 사이는 의무적인 관계로 양쪽 미생물 중 어느 한쪽도 바뀔 수 없는 것은?

① 편리공생 ② 상조공생

③ 상리공생 ④ 편해

 

[정답] 3

 

상리공생은 두 집단이 모두 이익을 얻지만 두 집단 사이는 의무적인 관계로 양쪽 미생물 중 어느 한쪽도 바뀔 수 없다. 어느 한 집단이 단독으로는 생존할 수 없었던 서식지에서도 상리공생에 의해서 생존할 수 있다.

 

 

8. 성숙한 식물의 근권에서의 R:S 비는?

① 1:1-5:1 ② 5:1-15:1

③ 15:1-50:1 ④ 50:1-100:1

 

[정답] 4

 

어린 식물의 근권의 경우 미생물 개체군수는 작고 R/S 비는 5:1-15:1이며, 성숙한 식물의 근권의 경우 미생물 개체군수는 많고 R/S 비는 50:1-100:1이다.

 

 

9. 미생물과 동물의 부정적인 상호작용이 아닌 것은?

① 미생물에 의해서 동물에게 질병이 발생되는 것

② 미생물이 동물의 서식지 환경조건을 변화시킴으로써 동물에게 악영향을 끼치는 것

③ 일부 미생물이 동물에게 병을 유발하는 유해물질을 생산하는 것

④ 대부분의 온혈동물 소화기관 내에 매우 복잡한 미생물 집단이 존재하는 것

 

[정답] 4

 

소와 같은 반추동물의 경우 먹이소화 시, 공생하는 미생물의 도움으로 섬유소 성분을 분해하여 에너지원으로 이용한다. 따라서 대부분의 온혈동물 소화기관 내에 매우 복잡한 미생물 집단이 존재하는 것은 미생물과 동물의 긍정적인 상호작용이다.

 

 

10. 다음 중 가장 활발하게 순환하는 탄소 저장소에 해당하는 것이 아닌 것은?

① 대기중의 0.03%를 차지하는 CO2

② CO2의 용존된 형태인 H2CO3, HCO3-, CO32- 등

③ 생체 및 사체의 유기물질

④ 탄산염의 암석종류인 석회암, 백운석 등

 

[정답] 4

 

탄산염의 암석종류인 석회암, 백운석 등은 매우 크지만 불활성 상태인 탄소 저장소이다.

 

 

11. 다음은 질소의 순환에 대한 설명이다. 틀린 것은?

① 육상생태계에서는 Rhizobium과 같은 공생형 질소고정이 전체 질소고정의 대부분을 차지한다.

② 혐기성 조건에서 암모니아는 안정적이므로 특히 혐기성 퇴적토에서는 암모늄이온 형태로 분포한다.

③ 질산화은 일부 국한된 종속영양세균에 의해 이루어진다.

④ 무산소 조건에서 종속영양미생물 중 많은 미생물들이 탈질균으로 작용하여 유기물을 소비하면서 질산염을 질소가스로 전환한다.

 

[정답] 3

 

질산화은 일부 국한된 독립영양세균에 의해 이루어지는 것으로, 암모니아를 아질산염으로 산화할 수 있는 우점종은 Nitrosomonas이며, 아질산염을 질산염으로 산화할 수 있는 대표적 세균은 Nitrobacter가 있다.

 

 

12. 호소에서 발생하는 부영양화 현상에 있어서 어떠한 원소보다 조류 생산력의 제한요소로 작용하는 것은?

① 탄소 ② 질소

③ 황 ④ 인

 

[정답] 4

 

조류 세포질 내에는 C:N:P의 몰비가 106:16:1로서, 인은 다른 어떤 원소보다 조류 생산력의 제한요소로 작용한다.