메탄을 생성하는 능력을 가지는 해양에서 가장 풍부한 유기체, SAR11
전 세계의 주요 해양의 산소가 풍부한 표층수(oxygen-rich surface waters)는 메탄(methane)으로 과포화되어 있다. 메탄은 이산화탄소보다 약 20배 더 강력한 온실가스로 아직까지 이러한 메탄의 공급원에 대한 정보는 거의 알려진 바가 없다.
최근 미국 오리건 주립대학(OSU; Oregon State University) 소속의 연구진이 수행한 연구는 해양에서 가장 풍부한 유기체인 SAR11의 일부 가계가 자체적인 인 화합물을 분해하여 그 부산물로 메탄을 생성하는 능력을 가지고 있다는 사실을 증명했다. 동 연구의 결과는 Nature Communications 저널에 발표될 예정이다. 이 연구는 미국 국립과학재단(NSF; ational Science Foundation)과 고든과 베티 무어 재단(Gordon and Betty Moore Foundation)의 후원으로 수행됐다.
혐기성 메탄 생물발생(anaerobic methane biogenesis)은 해양에서 메탄을 생성하는 것으로 알려진 유일한 공정이며, 매우 낮은 수준의 산소가 존재하는 환경을 필요로 한다고 OSU 산하 지구, 해양 및 대기 과학대학 소속의 연구원이며, 이 논문의 공동 저자인 Angelicque Angel White는 밝혔다. 태평양과 대서양 해수의 광대한 환류 중심(central gyres)에서 표층수는 대기와 다량의 산소를 혼합한다. 그리고 아직까지 표층수는 많은 메탄을 가지고 있으며, 따라서 해양 메탄 역설(marine methane paradox)이라고 명명한다.
연구진은 현재, 특정 SAR11 가계가 인(phosphorus)이 결핍될 때 메틸포스포닉 산(MPn; methylphosphonic acid)이라고 알려진 화합물에 의지한다고 White는 덧붙였다. 유기체는 이러한 화합물을 분해할 수 있는 효소를 생산하여 성장에 사용하기 위하여 인을 해리시키고, 메탄만을 남긴다.
이러한 발견은 지구의 메탄 순환을 이해하는데 중요한 퍼즐 조각이라고 과학자들은 밝혔다. 이 발견은 과거 몇 년에 걸쳐 전 세계 여러 기관 소속의 연구진에 의해 수행된 일련의 연구들로 구축됐다.
이전의 연구는 해수에 MPn을 추가하는 것이 그 기전을 정확하게 규명하지 못했지만 메탄을 생성한다는 것을 보여주었다. 그 다음에 하와이 대학 소속의 David Karl이 주도한 실험실 연구는 트리코스데미움(Trichodesmium)이라고 불리는 유기체가 MPn을 분해할 수 있으며, 따라서 모든 살아 있는 유기체에 중요한 광물인 인의 가능한 공급원이 될 수 있다는 사실을 확인했다. 그러나 트리코스데미움은 해양 환경에서 희박하게 존재하고 표층수에서 광대한 메탄 침착에 대한 유일한 공급원은 아닌 것으로 추정된다.
따라서 White는 OSU 소속의 미생물학과 저명한 교수이며 SAR11 가계의 전 세계에서 가장 큰 은행을 유지할 뿐 아니라 1990년에 SAR11을 발견하고 규명했던 Steve Giovannoni에게 의지했다. 일련의 실험에서, White, Giovannoni 및 대학원 학생인 Paul Carini와 Emily Campbell은 MPn을 소비하기 위하여 메탄을 분해하는 다양한 SAR11 가계의 능력을 테스트했다.
연구진은 일부 SAR11 가계는 메탄을 부산물로 생성하고, 일부 SAR11 가계는 메탄을 생성하지 못한다는 것을 발견했다. 일부 인간은 다른 사람보다 영양소에 대한 화합물을 분해하는 다른 능력을 가진다. 핵심은 인이 결핍된 박테리아플랑크톤(bacterioplankton)이 메탄을 생성하는 능력을 가지고, 따라서 산소가 풍부한 물에서 메탄을 생성한다는 것을 보여주었다는 점이다.
SAR11은 가장 작은 자유 생활 세포(free-living cell)로 알려져 있으며, 가장 작은 게놈(genome) 또는 특정한 독립 세포의 유전적 구조(genetic structure)를 가진다. 해양에서 서식하는 SAR11은 대부분의 다른 세포가 사멸하는 장소에서 번식하여, 지구상의 탄소의 순환에 상당한 역할을 한다.
이러한 박테리아는 박테리아와 결합된 무게가 전 세계 해양에 서식하는 어류의 무게를 초과하는 것이 지배적이라고 과학자들은 밝혔다. 영양분과 다른 자원이 낮은 해양 환경에서, 이러한 박테리아는 생존하고 이례적인 수로 복제한다. 예를 들면, 1밀리리터의 해수는 이러한 세포를 약 500,000개 함유하는 것으로 추정된다.
해양은 경쟁적인 환경으로, 이러한 박테리아는 외관상으로 경주에서 이긴 것으로 보인다고 Giovannoni는 밝혔다. SAR11 게놈에 대한 연구진의 분석은 이러한 박테리아가 가장 단순하게 존재함으로써 해양에서 우세한 생명 형태를 형성한다는 것을 의미한다.
메탄이 중간 해양 지역의 산소가 풍부한 물에 왜 풍부하게 존재하는지에 대한 부분적인 설명을 제공하기 때문에, 메탄을 분해하는 SAR11의 능력은 흥미로운 발견이라고 Giovannoni는 덧붙였다. SAR11이 메탄 부하에 얼마나 많이 기여하는가를 결정할 필요가 있다고 Giovannoni는 밝혔다.
SAR11의 발견 이후 과학자들은 지구 탄소 부하에 대한 이 박테리아의 능력에 관심을 가졌다. 현재, 메탄 생성에서 SAR11의 가능한 영향은 이러한 박테리아의 연구에 새로운 중요성을 제공한다.
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