<사진. IODP 사이트 C0020에서 채취된 퇴적물의 코어 샘플에 포함된 미생물 세포 수
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>

세계 최심해저 밑 미생물 군집과 생명권의 한계 발견

- 석탄, 천연가스의 형성 프로세스를 지지하는 ‘해저 밑 산림’이 존재

국립연구개발법인 해양연구개발기구 고치코어연구소 지구심부생명연구그룹, 해저자원연구개발센터 지구생명공학연구그룹은 국립연구개발법인 산업기술종합연구소, 국립대학법인 고치대학, 국립대학법인 치바대학, 독일 브르멘대학, 스위스연방공과대학, 캘리포니아대학, 매사추세츠공과대학, 크레이그 벤터연구소 등이 참가하는 국제연구팀과 공동으로 지구심부 탐사선에 의한 종합국제심해굴삭계획(IODP) 제337차 연구항해에 의해 아오모리현 하치노헤시(八?市) 연안 약 80km 지점(수심 1,180m)에서 채취된 해저 밑 2,466m까지의 퇴적물 코어 샘플을 분석한 결과, 해저 밑에 매설된 약 2,000만 년 이상 전의 지층에 육지성의 미생물 생태계와 유사한 고유의 미생물 군집이 존재한다는 것을 발견하였다.

이러한 미생물 군집은 퇴적물 1cm3당 100개 세포 이하로 상당히 미량이며, 해양과학 굴삭에 의해 세계에서 처음으로 해저 밑 심부의 생명권 한계지역에 도달한 것을 시사한다. 한편, 영양원이 풍부한 해저 밑 약 2km의 석탄층에서 세포 수가 100배 이상 증가하는 경향이 나타났다. 석탄층에서 채취된 샘플을 이용하여 하강류 현수형 스펀지 반응기에 의한 배양을 시도한 결과, 쳔연가스를 생산하는 세계 최고심의 혐기성 미생물 군집의 배양에 성공하였다.

IODP 제337차 연구항해에서 탐사선 위의 퇴적학적 분석 등에 의해 해저 밑 약 1.5~2.5km의 심도 범위에 과거 2,000만 년 이상 전에 얕은 바다~호소환경에서 형성되었다고 추정되는 17개의 석탄층이 확인되었다. 이것은 홋카이도 남부~도호쿠 지방 태평양측의 연안환경이 식물이 무성한 ‘산림’ 및 ‘습지’였다는 것을 나타내고 있다. 또한 온도센서를 이용한 공내 관측에 의해 굴삭공의 최심부 2,466m 지점에서의 현장 온도가 약 60도이며, 채취된 지층 샘플은 생명이 서식 가능한 온도범위 내에 있다는 것을 나타내었다.

탐사선 선상에 정비되어 있는 X선 CT 스케너에 의해 선별된 최고 품질의 미생물 분석용 코어 샘플을 채취하여 육상의 연구시설에서 퇴적물 중에 포함된 미생물 세포를 광물 등으로부터 침리, 농축하여 게놈 DNA에 특이적으로 흡착하는 형광색소로 염색된 미생물 세포의 수를 형광 이미지 사진에 의해 계측한 결과, 대륙연안의 퇴적물에 서식하는 미생물 세포수의 세계 평균을 훨씬 하회하는 극미량의 미생물 세포가 존재하고 있다는 것을 밝혀내었다. 본 연구결과는 해양과학 굴삭에 의해 세계에서 처음으로 해저 밑 심부 생명권의 한계지역을 관찰한 것이다. 또한 미생물에게 영양원이 되는 해저 밑 1.9~2.0km 부근의 석탄층에는 1cm3 당 1만개 세포 정도까지 미생물 세포수가 증가한다는 것을 밝혀내었다.

굴삭선의 라이저 굴삭에 의해 지층에서 선상에 옮겨진 머드 가스(mud gas) 및 굴삭공 내에서 채취된 지층유체(지하수)에 포함된 가스의 화학성분(C1/C2: 메탄/에탄의 비율) 및 메탄, 이산화탄소의 탄소, 수소 동위원소 조성을 분석한 결과, 2000만 년 이상 전에 형성된 해저 밑 약 2.5km까지의 지층에서도 현장의 미생물 대사활동에 의한 천연가스 생산이 진행되고 있으며, 그 말단반응을 담당하는 미생물은 수소를 에너지원으로 한 이산화탄소 환원형 메탄 생성균이라는 것을 시사하였다. 이러한 퇴적물 코어 샘플로부터 메탄 생성균의 생세포 존재를 나타내는 F430 바이오마커의 검출, 정량에도 성공하였다.

또한 굴삭지점의 얕은 퇴적물에 서식하는 미생물의 배양에 실적이 있는 하강류 현수형 스폰지 반응기를 이용하여 해저 밑 약 2km의 석탄층에 서식하는 미생물 군집의 배양을 현장 온도에 가까운 약 40도의 혐기(무산소)조건에서 시도한 결과, 메탄 박테리움속에 근접한 메탄생성균을 포함하는 세계 최심부의 해저 밑 미생물 군집의 배양에 성공하였다.

반응기에 의해 배양된 미생물 세포를 포함한 배양액을 채취하여 안정 동위원소인 탄소(13C)로 표식된 이산화탄소를 첨가하여 초고공간분해능 이차이온질량분석계(NanoSIMS)를 이용하여 세포의 동위체 원소조성 이미지를 분석한 결과, 실제로 이산화탄소를 세포 내에 포함하고 있는 미생물 세포의 생육이 확인되었다. 이러한 미생물학적 결과는 가스의 동위원소 지구화학분석 및 F430 바이오마커의 분석에서 얻어진 결과와 같이 해저 밑 약 2.5km까지의 퇴적물 환경에 석탄층의 숙성 프로세스 및 천연가스 형성 프로세스에 관여하는 미생물 생태계가 존재한다는 증거를 나타낸다.

해저 밑 심부의 ‘생명권 한계지역’에 서식하는 저농도의 미생물 군집에 대해 그 종류 및 다양성을 평가하기 위해 퇴적물 코어 샘플로부터 직접 DNA를 추출하여 계통학적인 분류지표가 되는 16S rRNA 유전자의 증폭 및 차세대 시퀀스를 이용한 망라적인 염기배열 해독을 실시하였다. 그리고 외부오염의 영향이 없는 현장 고유의 미생물종을 평가하기 위해 라이저 굴삭에 이용한 오수 및 실험실 내의 공기, 물 등에 유래하는 16S rRNA 유전자의 증폭산물에 관해서도 망라적인 염기배열 해독을 수행하여 통계학적인 방법에 의해 비교 군집 구조해석을 수행하였다.

그 결과 해저 밑 365m까지의 해양성 퇴적물로부터 얻어진 코어 샘플에서 지금까지 대륙연안의 해저퇴적물로부터 검출된 일반적인 박테리아가 우점적으로 검출되었지만, 석탄층을 포함한 해저 밑 1.2~2.5km까지의 심부 지층으로부터는 이러한 박테리아는 거의 검출되지 않고, 육역의 산림 토양 등에 널리 분포하는 고유의 박테리아가 많이 검출되었다.

이러한 유전자 해석결과, 과거 2000만 년 이상 전 당시, ‘산림’ 및 ‘습원’이었던 대륙 주변의 환경이 일본열도의 형성에 의해 지질학적인 시간을 거쳐 해저 밑 심부에 매설되고, 당시 산림 토양에 유래하는 육원성 미생물 생태계의 일부를 유지하여 유기물을 분해하고 메탄을 만들어 내는 ‘해저 밑 산림’의선의 역할을 수행하고 있다는 것을 시사하고 있다.

■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr