온실가스 새로운 주범을 발견하다
[인터뷰] 이성근 충북대 미생물학과 교수
온실가스에는 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4) 과 더불어 아산화질소(N2O) 가스 등이 있다. 그중 아산화질소는 대기중에서 100년 이상을 머무르며 이산화탄소에 비해 약 300 배의 온실효과지수를 갖고 있어 대표적인 오존층 파괴 원인으로 지목되고 있다.
많은 과학자들이 아산화질소의 발생 원인을 밝혀내 지구온난화 문제를 해결하려 하고 있다. 이런 분위기 속에서 충북대 미생물학과 이성근 교수팀이 국내 연구진이 미지의 미생물인 토양 고세균이 그 원인임을 밝혀내 세계적인 주목을 받고 있다.
고세균 배양의 한계를 극복하다
미생물의 일종인 고세균은 극한 환경에서 서식하는 물질로 알려져 왔다. 하지만 최근 지구 전체의 토양환경 일반에 광범위하게 존재한다는 것이 알려지면서 과학자들의 연구가 이어지고 있다.
고세균이 중요한 질산화 미생물이라는 것이 밝혀짐에 따라 지금까지의 생태계 질소순환연구는 그 방향을 전면 수정돼야 했다.
나아가 질산화 고세균이 질산화 과정에서 N2O가스를 만드는 원인임을 확인한다면 N2O가스 방출의 주 원인미생물이 바뀌게 되는 파급효과가 있는 것이어서 앞으로의 연구 분야를 획기적으로 전환시킬 계기가 되는 셈이다.
이성근 박사팀은 토양 고세균이 암모니아 산화 과정에서 상당량의 N2O가스를 만든다는 사실을 규명, 질소순환과 기후변화의 관계 규명을 위한 새로운 전환점을 마련하는 데 일조했다.
“극한 환경에 존재하는 고세균은 미지의 미생물로 분류됐습니다. 그동안은 배양이 어려워 무슨 일을 하는지 잘 몰랐었죠. 전 세계적으로 배양된 미생물은 손가락에 꼽을 정도이니 얼마나 어려운 작업인지 가늠하실 수 있겠죠. 때문에 실험을 하면서도 고세균을 배양하는 것이 가장 어려웠어요.
아산화질소를 생성하는 세균 중 질산화세균은 잘 알려져 왔지만 질산화세균보다 고세균이 많게는 100 배 이상 토양에 존재하기 때문에 지금까지 연구된 주요 아산화질소 생성 타깃 미생물이 세균에서 고세균으로 바뀌는 전환점을 마련했다고 볼 수 있습니다. 이번 우리팀의 연구가 고세균이 아산화질소 발생한다는 내용의 첫 논문이라고 할 수 있는 거죠.”
고세균 배양은 이성근 교수의 설명대로 학계에서도 매우 어려운 과제 중 하나로 불리곤 한다. 고세균이 자랄 수 있는, 완전히 밀폐된 환경을 만드는 데 어려움이 있을 뿐 아니라 어떤 환경에서 어떤 미생물이 자랄 수 있는지 파악하는 것도 쉽지 않기 때문이다.
이성근 교수는 “토양으로부터 고세균 배양체를 얻는 과정이 가장 힘들었다”며 “특히 전 세계 많은 연구실에서 구하지 못한 다양한 고세균을 얻는 것은 무엇보다 힘들었다”고 회고했다.
뿐만이 아니다. 국내에 존재하지 않는 아산화질소의 동위원소 분석 장비를 이용하기 위한 공동연구 네트워크를 마련하는 것 역시 연구과정 가운데 만만치 않았던 작업이었다고 이성근 교수는 말했다.
연구 과정 가운데 크고 작은 어려움이 있었지만 연구팀은 이를 극복하고 꾸준히 연구를 진행했다. 그 결과 아산화질소 가스의 동위원소 분석을 통해 발생원에 따른 미세한 동위원소 조성차이를 포착할 수 있었다.
이를 통해 고세균에 의해 대기로 방출되는 아산화질소 가스를 추적할 수 있던 것이다. 연구팀은 고세균이 아산화질소를 만드는 두 가지 경로를 확인할 수 있었으며, 그 비율 역시 고세균의 종류와 성장조건에 따라 변할 수 있다는 것을 알아냈다.
국내 고세균 연구 수준을 끌어올리다
“지금까지 학계에서는 대기에서의 N2O 농도 증가 현상을 이해하기 위해 토양 질산화 세균을 유일한 원인 미생물로 지목해 연구를 수행했습니다. 이번 연구결과를 통해 미래 기후변화와 오존층 파괴에 영향을 미치는 질소순환 미생물 연구를 위한 토양 고세균 연구의 필요성을 제시했다고 볼 수 있어요.”
이와 함께 N2O가스 발생과 관련한 지구 환경 문제, 그리고 토양질소비료의 효율을 증진시키거나 지하수의 질산·아질산 오염을 방지하는 등의 지역적 환경이슈에 대처하기 위한 환경 친화적 토양관리 방안을 마련하는 데 크게 기여할 것으로 기대되고 있다.
“국내에서 기후 변화 가스와 관련된 연구들이 많지만 공학이 아닌 과학적인 원리규명에 관한 연구는 상대적으로 미비한 상태입니다. 기후 변화에 대응하기 위해서는 선진국형 연구로 발돋움 할 필요가 있어요.
지역과 국내 이슈, 더불어 지구 전체 수준의 원리를 규명하는 것이 선진국형 연구라고 할 수 있죠. 이번 연구결과 발표를 통해 신진 연구 인력의 지구물질순환 미생물에 대한 흥미 유발에 기여할 수 있지 않을까요.”
이성근 교수는 해당 연구를 더욱 발전시키기 위해서는 앞으로 많은 후속연구가 필요하다고 이야기 했다. 온실가스 감축과 오존층 파괴 효과를 감소하기 위해 토양의 관리가 필요하며 이때 중점적으로 다루어야 할 미생물이 고세균이라는 게 그의 설명이다.
“앞으로 고세균의 질소순환 특성을 이해해 지금까지 알려지지 않은 질산화 메커니즘을 규명하고 아산화질소의 생성 경로를 밝히는 심도 있는 연구를 수행하고자 합니다. 실제 토양에서 세균과 고세균의 아산화질소 생성에 대한 상대적인 기여도를 규명하고 싶어요. 기능이 알려지지 않은 다양한 일반환경 고세균의 배양을 확보하고 이들이 가진 미지의 물질순환 기능을 밝혀나갈 것입니다.”
많은 과학자들이 아산화질소의 발생 원인을 밝혀내 지구온난화 문제를 해결하려 하고 있다. 이런 분위기 속에서 충북대 미생물학과 이성근 교수팀이 국내 연구진이 미지의 미생물인 토양 고세균이 그 원인임을 밝혀내 세계적인 주목을 받고 있다.
고세균 배양의 한계를 극복하다
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| ▲ 토양 질산화 고세균에 의한 암모니아 산화 및 N2O 가스 생성 모식도 ⓒ한국연구재단 |
미생물의 일종인 고세균은 극한 환경에서 서식하는 물질로 알려져 왔다. 하지만 최근 지구 전체의 토양환경 일반에 광범위하게 존재한다는 것이 알려지면서 과학자들의 연구가 이어지고 있다.
고세균이 중요한 질산화 미생물이라는 것이 밝혀짐에 따라 지금까지의 생태계 질소순환연구는 그 방향을 전면 수정돼야 했다.
나아가 질산화 고세균이 질산화 과정에서 N2O가스를 만드는 원인임을 확인한다면 N2O가스 방출의 주 원인미생물이 바뀌게 되는 파급효과가 있는 것이어서 앞으로의 연구 분야를 획기적으로 전환시킬 계기가 되는 셈이다.
이성근 박사팀은 토양 고세균이 암모니아 산화 과정에서 상당량의 N2O가스를 만든다는 사실을 규명, 질소순환과 기후변화의 관계 규명을 위한 새로운 전환점을 마련하는 데 일조했다.
“극한 환경에 존재하는 고세균은 미지의 미생물로 분류됐습니다. 그동안은 배양이 어려워 무슨 일을 하는지 잘 몰랐었죠. 전 세계적으로 배양된 미생물은 손가락에 꼽을 정도이니 얼마나 어려운 작업인지 가늠하실 수 있겠죠. 때문에 실험을 하면서도 고세균을 배양하는 것이 가장 어려웠어요.
아산화질소를 생성하는 세균 중 질산화세균은 잘 알려져 왔지만 질산화세균보다 고세균이 많게는 100 배 이상 토양에 존재하기 때문에 지금까지 연구된 주요 아산화질소 생성 타깃 미생물이 세균에서 고세균으로 바뀌는 전환점을 마련했다고 볼 수 있습니다. 이번 우리팀의 연구가 고세균이 아산화질소 발생한다는 내용의 첫 논문이라고 할 수 있는 거죠.”
고세균 배양은 이성근 교수의 설명대로 학계에서도 매우 어려운 과제 중 하나로 불리곤 한다. 고세균이 자랄 수 있는, 완전히 밀폐된 환경을 만드는 데 어려움이 있을 뿐 아니라 어떤 환경에서 어떤 미생물이 자랄 수 있는지 파악하는 것도 쉽지 않기 때문이다.
이성근 교수는 “토양으로부터 고세균 배양체를 얻는 과정이 가장 힘들었다”며 “특히 전 세계 많은 연구실에서 구하지 못한 다양한 고세균을 얻는 것은 무엇보다 힘들었다”고 회고했다.
뿐만이 아니다. 국내에 존재하지 않는 아산화질소의 동위원소 분석 장비를 이용하기 위한 공동연구 네트워크를 마련하는 것 역시 연구과정 가운데 만만치 않았던 작업이었다고 이성근 교수는 말했다.
연구 과정 가운데 크고 작은 어려움이 있었지만 연구팀은 이를 극복하고 꾸준히 연구를 진행했다. 그 결과 아산화질소 가스의 동위원소 분석을 통해 발생원에 따른 미세한 동위원소 조성차이를 포착할 수 있었다.
이를 통해 고세균에 의해 대기로 방출되는 아산화질소 가스를 추적할 수 있던 것이다. 연구팀은 고세균이 아산화질소를 만드는 두 가지 경로를 확인할 수 있었으며, 그 비율 역시 고세균의 종류와 성장조건에 따라 변할 수 있다는 것을 알아냈다.
국내 고세균 연구 수준을 끌어올리다
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| ▲ 연구팀원들이 충북대학교 부속 농업시험장에서 질산화 고세균의 다양성 및 정량 분석, 암모니아 산화활성을 측정하고 있다. ⓒ한국연구재단 |
“지금까지 학계에서는 대기에서의 N2O 농도 증가 현상을 이해하기 위해 토양 질산화 세균을 유일한 원인 미생물로 지목해 연구를 수행했습니다. 이번 연구결과를 통해 미래 기후변화와 오존층 파괴에 영향을 미치는 질소순환 미생물 연구를 위한 토양 고세균 연구의 필요성을 제시했다고 볼 수 있어요.”
이와 함께 N2O가스 발생과 관련한 지구 환경 문제, 그리고 토양질소비료의 효율을 증진시키거나 지하수의 질산·아질산 오염을 방지하는 등의 지역적 환경이슈에 대처하기 위한 환경 친화적 토양관리 방안을 마련하는 데 크게 기여할 것으로 기대되고 있다.
“국내에서 기후 변화 가스와 관련된 연구들이 많지만 공학이 아닌 과학적인 원리규명에 관한 연구는 상대적으로 미비한 상태입니다. 기후 변화에 대응하기 위해서는 선진국형 연구로 발돋움 할 필요가 있어요.
지역과 국내 이슈, 더불어 지구 전체 수준의 원리를 규명하는 것이 선진국형 연구라고 할 수 있죠. 이번 연구결과 발표를 통해 신진 연구 인력의 지구물질순환 미생물에 대한 흥미 유발에 기여할 수 있지 않을까요.”
이성근 교수는 해당 연구를 더욱 발전시키기 위해서는 앞으로 많은 후속연구가 필요하다고 이야기 했다. 온실가스 감축과 오존층 파괴 효과를 감소하기 위해 토양의 관리가 필요하며 이때 중점적으로 다루어야 할 미생물이 고세균이라는 게 그의 설명이다.
“앞으로 고세균의 질소순환 특성을 이해해 지금까지 알려지지 않은 질산화 메커니즘을 규명하고 아산화질소의 생성 경로를 밝히는 심도 있는 연구를 수행하고자 합니다. 실제 토양에서 세균과 고세균의 아산화질소 생성에 대한 상대적인 기여도를 규명하고 싶어요. 기능이 알려지지 않은 다양한 일반환경 고세균의 배양을 확보하고 이들이 가진 미지의 물질순환 기능을 밝혀나갈 것입니다.”
 저작권자 2013.11.25 ⓒ ScienceTimes |
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