산소 없이 암모늄을 없애는 쿠에네니아의 아나목스 반응

생활하수와 축산폐수에 들어 있는 암모늄을 그대로 방류하면 하천의 산소가 줄고 부영양화가 심해질 수 있다. 기존 질소 처리에서는 먼저 산소를 공급해 암모늄을 질산염으로 산화하고, 이어 유기물을 넣어 질산염을 질소 기체로 환원했다. 그런데 Candidatus Kuenenia stuttgartensis는 산소와 유기물 없이 암모늄과 아질산염을 직접 반응시켜 질소 기체를 만든다. 이 같은 대사를 아나목스, 즉 혐기성 암모늄 산화라고 한다.

이 계통은 아나목스 활성이 높은 독일 슈투트가르트의 살수여상 생물막을 분석하는 과정에서 확인됐다. 2000년 16S 리보솜 RNA 계통 분석을 바탕으로 Candidatus Kuenenia stuttgartiensis라는 이름이 제안됐고, 속명은 아나목스 연구에 기여한 미생물학자 요하네스 케이넌을 기려 붙였다. 순수배양 표준 균주가 없으므로 현재도 Candidatus 지위로 다뤄진다.

학명 철자에는 수정 사항이 있다. 초기 논문과 다수의 후속 연구는 stuttgartiensis를 사용했지만, LPSN은 라틴어 문법에 맞게 교정한 stuttgartensis를 권고 이름으로 수록한다. 두 표현은 서로 다른 세균을 가리키는 것이 아니라 같은 후보종 이름의 원래 철자와 교정 철자다.

암모늄과 아질산염으로 질소 분자의 결합을 만든다

아나목스 반응에서 암모늄은 전자를 내놓는 물질이고 아질산염은 전자를 받는 물질이다. 전체적으로 보면 암모늄과 아질산염이 질소 기체와 물로 바뀐다. 세균은 이 반응에서 얻은 에너지를 이용해 이산화탄소를 세포 물질로 고정한다. 유기물을 먹지 않고 무기물의 산화·환원 반응으로 살아가는 화학무기독립영양 방식이다.

실제 세포 안에서는 암모늄과 아질산염이 곧바로 질소 기체로 결합하지 않는다. 먼저 아질산염이 환원돼 일산화질소가 만들어진다. 하이드라진 합성효소는 일산화질소에서 유래한 질소와 암모늄의 질소를 결합해 하이드라진을 형성한다. 이어 하이드라진 탈수소효소가 하이드라진을 질소 기체로 산화하며 전자를 방출한다. 이 전자 일부는 앞 단계의 반응과 세포의 에너지 생산에 다시 사용된다.

하이드라진은 로켓 추진제 성분으로 알려진 반응성 높은 물질이지만, 세균이 외부에 많은 양을 저장하거나 방출하는 것은 아니다. 효소에서 만들어진 중간생성물이 세포 내부 반응에 곧바로 전달된다. 2011년 Ca. Kuenenia 농화배양체를 이용한 동위원소·단백질 연구는 일산화질소와 암모늄에서 하이드라진이 만들어지고 다시 질소 기체로 산화되는 경로를 직접 뒷받침했다.

아나목스솜은 반응성 물질과 에너지 생산을 한곳에 모은다

Ca. Kuenenia의 세포 안에는 아나목스솜이라는 큰 막 구조가 있다. 아나목스솜은 DNA를 보관하는 핵이 아니라 아나목스 반응과 호흡에 필요한 효소가 집중된 세포 내부 구획이다. 세포의 상당 부분을 차지하는 굽은 막으로 둘러싸여 있으며, 하이드라진 합성효소와 하이드라진 탈수소효소를 비롯한 핵심 단백질이 이 구획에서 검출됐다.

2014년에는 농화배양 세포를 분획해 아나목스솜을 다른 세포 성분과 분리한 뒤 단백질과 효소 활성을 조사했다. 그 결과 아나목스 반응과 에너지 보존에 필요한 단백질이 아나목스솜에 집중돼 있다는 사실이 확인됐다. 하이드라진 산화에서 나온 전자는 막의 전자전달계를 지나가며 양성자 농도 차이를 만들고, ATP 합성효소가 이 차이를 이용해 세포의 에너지 화폐인 ATP를 생산하는 것으로 해석된다.

아나목스 세균의 막에는 사다리 모양으로 연결된 탄소 고리를 지닌 래더레인 지질이 풍부하다. 촘촘한 구조의 막이 양성자 농도 차이를 오래 유지하고 하이드라진 같은 중간생성물의 확산을 줄일 수 있다는 설명이 제시됐다. 그러나 래더레인 지질의 모든 기능이 한 가지 실험으로 확정된 것은 아니다. 막의 투과성 조절과 구조적 안정성, 효소 배치가 함께 아나목스솜의 기능을 뒷받침하는 것으로 보는 편이 정확하다.

느린 성장이 자연에서는 안정적인 생존 전략이 된다

Ca. Kuenenia는 암모늄과 아질산염이 공급돼도 빠르게 증식하지 않는다. 아나목스 반응에서 세포 합성에 사용할 수 있는 에너지의 양이 제한적이고 이산화탄소 고정에도 에너지가 들기 때문이다. 배양 조건에 따라 차이는 있지만 세포 수가 두 배로 늘어나는 데 여러 날이 걸릴 수 있어 농화배양체를 확보하는 데 수개월 이상이 필요하다.

2006년 연구진은 순수배양 대신 Ca. Kuenenia가 약 74%를 차지하는 반응조 미생물 군집에서 DNA를 분리해 약 420만 염기쌍 규모의 유전체를 조립했다. 유전체에는 아질산염 환원과 하이드라진 대사, 전자전달, 이산화탄소 고정에 필요한 유전자 후보들이 들어 있었다. 다만 군집에서 조립한 유전체이므로 특정 유전자 기능은 단백질 위치와 효소 활성 같은 후속 실험을 통해 별도로 확인해야 했다.

성장이 느리다는 특징은 처리시설에서는 불편하지만 자연에서는 오랫동안 일정한 농도로 공급되는 기질을 이용하는 전략이 될 수 있다. 아나목스 세균은 해양 산소최소층과 퇴적물, 담수 습지와 폐수처리 생물막 등 산소가 적고 암모늄과 아질산염이 만나는 곳에서 발견된다. 다만 해양에서 우세한 다른 아나목스 계통의 생태를 Ca. Kuenenia에서 직접 확인된 특성으로 설명해서는 안 된다.

폐수처리의 산소와 탄소 사용량을 줄일 수 있을까?

처리시설에서 아나목스를 이용하려면 폐수 속 암모늄 일부만 산소로 산화해 아질산염을 만든 뒤, 남은 암모늄과 함께 아나목스 세균에 공급한다. 전체 암모늄을 질산염으로 바꾸는 방식보다 폭기에 필요한 전력을 줄일 수 있고, 탈질용 메탄올 같은 외부 유기탄소도 적게 사용할 수 있다. 생성물의 중심이 질소 기체이므로 물속의 고정질소를 실제로 제거한다는 장점도 있다.

반응조를 시작하는 데 시간이 오래 걸리고 산소·온도·pH 변화에 민감하다는 점은 제약이다. 아질산염이 과도하게 쌓이면 세균의 활성이 낮아질 수 있으며, 저온의 생활하수에서는 따뜻하고 암모늄 농도가 높은 공정보다 성장 속도가 느려진다. 질산화세균과 아나목스 세균이 필요한 양의 아질산염을 놓고 경쟁하므로 생물막 두께와 산소 공급을 세밀하게 조절해야 한다.

쿠에네니아를 살펴보며 인상 깊었던 것은 폐수 속 질소를 없애는 핵심에 거대한 장치가 아니라 세포 하나의 막으로 둘러싸인 작은 반응 공간이 있다는 점이었다. 반응성이 큰 하이드라진을 외부로 흘리지 않고 아나목스솜 안에서 다음 효소로 넘기며 에너지까지 회수하는 과정은 효율적이면서도 무척 조심스럽다. 빠르게 자라지 못한다는 약점까지 고려해 세균이 머물 생물막과 기질의 흐름을 설계해야 비로소 정화 기술이 된다는 점에서, 미생물 기술은 생물을 억지로 움직이는 일보다 그 생물이 살아갈 조건을 이해하는 일에 더 가깝다고 느껴졌다.

참고자료

• Schmid, M. 외, “Molecular evidence for genus level diversity of bacteria capable of catalyzing anaerobic ammonium oxidation”, Systematic and Applied Microbiology, 2000, 23권, 1호, 93–106쪽. 원문 정보 보기
• Strous, M. 외, “Deciphering the evolution and metabolism of an anammox bacterium from a community genome”, Nature, 2006, 440권, 7085호, 790–794쪽. 원문 정보 보기
• Kartal, B. 외, “Molecular mechanism of anaerobic ammonium oxidation”, Nature, 2011, 479권, 7371호, 127–130쪽. 원문 정보 보기
• Neumann, S. 외, “Isolation and characterization of a prokaryotic cell organelle from the anammox bacterium Kuenenia stuttgartiensis”, Molecular Microbiology, 2014, 94권, 4호, 794–802쪽. 원문 정보 보기
• List of Prokaryotic names with Standing in Nomenclature, “Candidatus Kuenenia stuttgartensis”, DSMZ, 2026년 9월 확인. 분류 정보 보기