염소계 오염물질을 호흡에 이용하는 세균

드라이클리닝과 금속 세정에 사용된 테트라클로로에텐과 트라이클로로에텐은 땅속으로 스며들면 산소가 부족한 지하수에 오래 남을 수 있다. Dehalococcoides mccartyi는 이런 염소계 유기화합물을 전자수용체로 삼아 호흡한다. 분자에서 염소 원자를 하나씩 제거하며 에너지를 얻기 때문에 독성이 큰 용제를 에텐까지 바꾸는 지하수 정화에서 중요한 세균이다.

표준 균주 195는 미국 뉴욕주 이타카의 하수슬러지 유래 혐기성 반응조에서 분리됐고 1997년 Dehalococcoides ethenogenes라는 이름으로 보고됐다. 이 이름은 당시 명명규약에 따라 유효하게 공표되지 않았다. 2013년 여러 배양 균주를 함께 비교해 Dehalococcoides mccartyi가 정식으로 기재됐으며, LPSN은 균주 195와 ATCC BAA-2266, KCTC 15142를 표준 균주 계통으로 수록한다.

수소의 전자를 염소계 화합물로 보내 에너지를 얻는다

균주 195는 산소를 견디지 못하는 절대혐기성 세균이다. 세포는 지름 약 0.3에서 1마이크로미터인 작고 납작한 구형 또는 타원형이며 편모 없이 살아간다. 탈염소 반응은 약 pH 6.5에서 8.0, 15도에서 35도 사이에서 관찰됐고 성장에 알맞은 온도는 25도에서 30도 부근이다. 이 수치는 여러 D. mccartyi 균주를 비교한 배양 결과이므로 모든 오염 지하수에서 같은 속도를 보장하지 않는다.

전자공여체는 수소이고 탄소원으로는 아세트산과 이산화탄소를 이용한다. 수소가 산화되며 나온 전자는 세포막의 전자전달계를 지나 환원적 탈할로젠화효소로 전달된다. 효소는 염소계 화합물의 탄소와 염소 결합을 끊고 염소 이온을 떼어 낸다. 이 전자 흐름으로 형성된 이온 농도 차이가 ATP 합성에 사용된다.

균주 195는 테트라클로로에텐을 트라이클로로에텐, 다이클로로에텐, 염화비닐을 거쳐 에텐 방향으로 바꾼다. 그러나 모든 단계에서 같은 방식으로 성장하는 것은 아니다. 이 균주는 테트라클로로에텐과 트라이클로로에텐, 일부 다이클로로에텐을 호흡해 성장하지만 염화비닐의 에텐 전환은 느린 공동대사로 진행된다. 염화비닐을 효율적으로 호흡하는 BAV1이나 VS 같은 다른 균주의 성질을 195의 능력으로 섞어서는 안 된다.

작은 유전체는 염소 호흡에 강하게 의존하는 생활을 보여준다

2005년 분석된 균주 195의 원형 염색체는 1,469,720염기쌍으로 세균 가운데 작은 편이다. 자체적으로 만들 수 없는 대사물질이 많고 에너지를 얻는 방식도 유기할로젠 호흡에 제한된다. 배양에는 수소와 아세트산뿐 아니라 바이타민과 환원된 황 화합물, 미량원소를 세심하게 공급해야 한다. 풍부한 일반 배지에서 혼자 빠르게 자라는 세균과는 거리가 멀다.

유전체에는 환원적 탈할로젠화효소 촉매 소단위를 암호화하는 여러 rdhA 유전자 후보가 들어 있다. 이 가운데 PceA와 TceA처럼 기질이 실험으로 확인된 효소가 있지만 상당수 후보의 실제 기질은 알려지지 않았다. 서로 다른 D. mccartyi 균주는 핵심 유전체가 매우 비슷하면서도 rdhA 유전자의 종류와 수가 달라 분해 가능한 오염물질의 범위가 나뉜다.

탈할로젠화효소가 작동하려면 바이타민 B12 계열인 코리노이드 보조인자가 필요하다. 균주 195는 코리노이드의 기본 고리를 처음부터 완성하지 못해 다른 미생물이나 배지에서 공급받아야 한다. 공급된 코리노이드의 구조가 효소와 맞지 않으면 일부를 다시 조립한다. 작은 유전체로 특수한 호흡에 집중한 대신 주변 군집의 대사산물에 의존하는 생활방식이다.

정화 배양체에는 탈염소 세균을 먹여 살리는 이웃도 필요하다

오염 지하수에서 수소를 직접 많이 넣으면 메탄생성고세균과 황산염환원세균이 먼저 소비할 수 있다. 그래서 젖산염과 식물성 기름처럼 천천히 발효되는 유기물을 넣고, 발효세균이 필요한 양의 수소를 지속적으로 만들게 하는 방법이 사용된다. D. mccartyi는 생성된 수소와 아세트산을 받아 탈염소 반응을 이어 간다.

혼합 배양체의 다른 미생물은 코리노이드와 아미노산을 공급하고 산소를 제거하는 데도 기여한다. 실제로 무균 배양보다 적절한 동반세균과 함께 있을 때 균주 195가 오래 유지되는 경우가 있다. 그러나 경쟁 미생물이 지나치게 늘면 수소가 부족해질 수 있고 발효 부산물이 pH를 바꿀 수도 있다. 미생물을 많이 넣는 것보다 전자공여체가 어느 집단으로 흘러가는지 관리하는 일이 중요하다.

유전자 검사에서 Dehalococcoides가 검출됐다는 사실만으로 완전 탈염소 능력이 확인되는 것도 아니다. 어떤 rdhA 유전자를 지녔는지, 해당 유전자가 실제로 발현되는지, 오염물질과 생성물 농도가 시간에 따라 어떻게 변하는지를 함께 측정해야 한다. 특히 염화비닐이 축적되면 원래 오염물질을 일부 줄였어도 정화가 완료됐다고 볼 수 없다.

현장 정화의 목표는 중간생성물을 남기지 않는 것이다

자연 지하수에 적절한 D. mccartyi 균주가 부족하면 여러 탈염소 균주가 포함된 농화배양체를 주입하는 생물증강을 사용할 수 있다. 전자공여체를 공급하는 생물자극과 함께 적용하면 테트라클로로에텐과 트라이클로로에텐을 에텐까지 전환할 가능성이 커진다. 다만 지하수의 온도와 산도, 산화환원 상태, 황산염과 질산염 농도가 배양체의 정착과 반응속도를 좌우한다.

오염원이 계속 토양에서 녹아 나오거나 지하수 흐름이 배양체를 우회하면 일부 관측정의 농도가 낮아져도 전체 부지가 정화된 것은 아니다. 염화에텐별 농도, 염소 이온과 에텐 생성량, 세균 수와 기능 유전자를 장기간 관찰해야 한다. 현장에서는 물리적 회수와 투수성 반응벽 같은 다른 방법을 함께 사용하는 경우도 있다.

이 세균에서 인상적인 부분은 오염물질을 특별히 좋아해서가 아니라 그것 없이는 에너지를 얻기 어렵다는 사실이다. 사람에게는 제거해야 할 염소계 용제가 균주 195에는 호흡 사슬의 마지막 전자수용체다. 다만 첫 물질이 감소했다는 숫자만 보면 더 위험할 수 있는 염화비닐의 축적을 놓칠 수 있다. 내게는 D. mccartyi의 능력을 평가하는 기준이 분해의 시작보다 마지막 에텐이 확인되는 순간에 있어야 한다는 점이 가장 중요하게 느껴진다.

참고자료

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