생물학과 김민지 박사 주저자로 참여 우수한 연구 역량 확인

담수 연못 퇴적물서 ‘아질산염 산화 세균’ 유전체 분석 성공

산성 토양 및 수질 환경서 질소 순환 메커니즘 규명에 중요한 단서 제공

제주대학교 자연과학대학 생물학과 박수제 교수 연구팀이 산성 환경에서 질소 순환의 핵심적인 역할을 수행하는 신종 ‘아질산염 산화 세균(Nitrite-Oxidizing Bacteria, NOB)’을 성공적으로 배양하고, 유전체 및 생리학적 특성을 구명했다고 22일 밝혔다.

이번 연구는 제주대학교 생물학과 김민지 박사가 주저자로 참여했다. 연구 결과는 미국미생물학회(American Society for Microbiology)가 발간하는 미생물학 분야의 세계적 권위지인 ‘응용 및 환경 미생물학 (Applied and Environmental Microbiology, AEM)’ 학술지에 게재 승인되었으며, 온라인에 먼저 발표됐다. 특히 산성 조건하 아질산염 산화 세균의 연구는 국내·외 최초다.

아질산염 산화 세균은 생태계 내 질소 순환 과정에서 암모니아가 아질산염으로 산화된 후, 이를 질산염으로 최종 전환시키는 필수적인 역할을 담당한다. 그러나 대부분의 아질산염 산화 세균은 중성 환경에서 서식하는 것으로 알려져 있어, 산성 환경에서의 존재와 적응 전략에 대해서는 거의 알려진 바가 없었다.

연구팀은 제주 남생이못 퇴적물에서 새로운 아질산염 산화 세균 (NS4 균주)을 성공적으로 배양했으며, 이 미생물이 pH 6의 약산성 조건에서 최적의 성장과 높은 아질산염 산화율이 관찰됐다. 이는 기존에 알려진 대부분의 Nitrospira 속 미생물들이 중성 이상의 pH에서 활동하는 것과 뚜렷한 차이를 보이는 결과이다.

유전체 분석 결과, 이 미생물은 독립영양대사(chemolithoautotrophy)을 하며 스스로 탄소를 고정하는 완전한 환원성 TCA 회로를 가지고 있음을 확인했다. 또한, 낮은 농도의 아질산염에 대한 친화도가 매우 높아, 영양분이 부족한 환경에서도 효과적으로 생존할 수 있는 전략을 지닌 것으로 나타났다. 흥미롭게도, 생장에 필수적인 비타민 B12(코발라민) 합성 경로가 없어 주변의 다른 미생물과의 공생 관계를 통해 이를 얻을 것으로 예측됐다.

연구팀은 이 신종 미생물에 ‘칸디다투스 나이트로스피라 애시도톨러란스(Candidatus Nitrospira acidotolerans)’ 라는 학명을 제안했다.

박수제 교수는 “그동안 연구가 미진했던 산성 환경에서의 질소 순환 과정을 이해하는 데 중요한 실마리를 제공한 연구”라며 “특히 생리 및 유전체 분석을 통해 산성 저항성, 저농도 기질 활용, 미생물 간 상호작용 등 극한 환경에 적응하기 위한 독특한 생존 전략을 밝혔다는 점에서 학술적 의의가 크다”고 말했다. 그는 이어 “주저자인 김민지 박사는 까다로운 난배양성 미생물 배양과 복잡한 생리 및 유전체 데이터 분석을 끈기 있게 수행하며 연구를 성공적으로 이끄는 탁월한 역량을 보여주었다. 이는 우수한 차세대 연구자를 양성하는 생물학과의 저력을 보여주는 쾌거다”고 덧붙였다.

이번 연구는 기후변화 등에 의한, 산성비나 농업 활동으로 인해 산성화가 진행된 토양 및 수질 환경의 생태계를 이해하고 관리하는 데 중요한 기초 자료로 활용될 것으로 기대된다.

응용 및 환경 미생물학회지는 (AEM)은 1953년 첫 발간돼 지금까지 그 명성을 이어온 광범위한 미생물 분야 연구논문이 게재되는 파급력 높은 정통학술지로, 2025년 현재, 전 세계 미생물학 분야 누적 인용도 2위, 생물공학 및 응용미생물학 분야 인용도 4위다.