니트로스피나는 유기 질소 흡수 후 일부 암모늄을 뱉어내고 결국 친구인 고산균에게 에너지원을 제공한다. win-win(상생)하는 상황이다.

균형 잡는 해양 질화 과정의 비밀

연안 바다의 질소 순환은 강에서 바다로 흘러 들어가는 과도한 영양분을 분해하는 데 매우 중요하다. 그럼에도 불구하고, 많은 측면들이 아직 충분히 연구되지 않았다. 브레멘(Bremen)의 연구원들이 질소 사이클의 핵심 과정에서 오랫동안 해결되지 않은 퍼즐을 푸는 데 성공했다.

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이것은 오랫동안 연구해온 미스터리에 대한 간단한 설명이다.
구체적으로 이것은 질화, 즉 질소 화합물 암모니아를 먼저 아질산염으로 바꾸고 다음 질산염으로 전환시키는 것이다. 바다에서 이러한 두 공정은 균형을 이루며 이용 가능한 질소의 대부분은 질화의 최종 생성물인 질산염의 형태다. 지구상에서 가장 흔한 유기체 중 하나인 암모니아 산화 *고세균(Archaea 古細菌)은 암모니아를 아질산염으로 처리한다.
*고세균: 단세포로 되어 있는 미생물의 한 종류이다. 핵이 존재하는 진핵생물과는 달리, 핵이 없는 원핵생물에 포함되는 생물군. 일반적으로 원핵생물로 취급하는 세균과는 본질 적으로 다른 계통에 속한다.)

두 번째 부분인 아질산염에서 질산염으로의 전환은 아질산염 산화 박테리아, 특히 *니트로스피나에 의해 수행된다. 그러나 암모니아 산화성 고세균보다 이 박테리아가 10배나 적기 때문에 과학자들은 알려지지 않았지만 매우 빈번하게 아질산염-산화제가 있어야 한다고 추측했다.
*니트로스피나(Nitrospina) : 호기성 자급 영양세균, 토양내 암모늄으로부터 생성된 아질산 을 질산으로 산화시킴. 주요 서식처는 해양, 생육온도 20~30℃, pH는 7.0~8.0.

▲ 육지에서 질소의 순환과정

더 빨리 성장하고 더 빨리 죽는다.

막스 플랑크 해양 미생물 연구소의 연구원들은 비엔나 대학, 덴마크 남부대학 및 조지아 공과 대학의 동료들과 함께 이 미스터리를 해결할 수 있었다.
2월 초 ‘Nature Communications’ 전문지에 실린 이 기사의 첫 번째 저자 카타리나 키트징거(Katharina Kitzinger)는 “우리의 데이터는 놀랍게도 이미 모든 역할을 알 수 있게 했다.”고 말한다.
지금까지 공정에 관여하는 미생물의 수가 주로 기록되었다. Katharina Kitzinger과 주변의 연구원들은 반대로 개별 세포의 성장 속도와 활동 같은 미생물의 바이오매스를 조사했다.
그들의 자료는, 암모니아 산화성 고세균의 10배나 자주 발생하는 것이 이전에 추정한 것처럼 다른 크기의 미생물이나 니트로스피네의 느린 성장에 있지 않다는 것이다.

“반대로, 우리의 결과는 니트로스피나(Nitrospinae)가 암모니아 산화 고산균(Archaea)보다 훨씬 더 활동적이고 빠르게 성장한다는 것을 보여준다. 따라서 Nitrospinae는 고산균(Archaea)보다 훨씬 효율적이다.”라고 킷징어(Kitzinger)는 설명한다. “따라서 Nitrospinae가 훨씬 더 빈번할 것으로 예상할 수 있다. 이는 사망률이 매우 높기 때문이 아니다. 이것이 균형 잡힌 해양 질화 과정을 설명한다.”

친구를 위한 질소와 먹이

동시에, 연구원들은 어떤 질소 화합물이 세포 성장에 암모니아 산화 고산균과 니트로스피나 파트너를 이용하는지 조사했다. 킷징어(Kitzinger)는 “고산균(Archaea)이 거의 독점적으로 암모늄을 사용하는 반면 니트로스피나(Nitrospinae)는 주로 유기질소, 즉 요소와 시안산염을 사용한다.”고 설명했다.
이러한 방식으로, 두 미생물은 같은 질소원과 경쟁하지 않는다. 오히려 그들은 서로를 돕는다. 니트로스피나는 유기 질소 흡수 후 일부 암모늄을 뱉어내고 결국 친구인 고산균에게 에너지원을 제공한다. win-win(상생)하는 상황이다.

이 자료는 멕시코만에서 나온 것으로 미시시피와 같은 하천에서 높은 영양분이 공급되어 질산화 과정이 매우 중요하다. Kitzinger는 “공정에 관여하는 미생물의 구성은 전 세계적으로 매우 유사하다. 따라서 우리의 지식이 다른 해양 지역에서도 활용될 가능성이 매우 높다."고 말했다. (Nature Communications, 2020; doi : 10.1038 / s41467-020-14542-3)

출처 : Max Planck Institute for Marine Microbiology

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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