해양 해면 Asteropus simplex를 제주도에서 채집하여 배양에 의한 RFLP와 비배양에 의한 DGGE 분석 방법에 의해 세균군집 구조를 조사하였다. 16S rDNA-RFLP 분석을 위해 변형된 Zobell 배지와 MA를 이용하여 120균주를 선별하고 제한효소, HaeIII와 MspI을 사용하여 각각의 다른 RFLP 패턴으로 구분하였다. RFLP 패턴으로부터 유래한 16S rDNA 염기서열 분석결과, 알려진 세균 종과 94% 이상의 유사도를 나타내었으며 Alphaproteobacteria, Gammaproteobacteria, Actinobacteria, Bacteroidetes, Firmicutes, 5개의 문이 관찰되었다. 그 중 Gammaproteobacteria가 우점하였다. 같은 해면, A. simplex의 DGGE 분석을 위해 total genomic DNA로부터 16S rDNA를 증폭하여 DGGE fingerprinting을 수행한 결과 12개의 서로 다른 밴드가 관찰되었다. 각 밴드의 16S rDNA 염기서열은 알려진 세균의 염기서열과 90% 이상의 유사성을 나타내었으며 대부분의 염기서열은 uncultured bacteria에 속하였다. DGGE 분석으로부터 미생물의 군집은 Alphaproteobacteria, Betaproteobacteria, Gammaproteobacteria, Deltaproteobacteria, Actinobacteria, Chloroflexi, Nitrospira, 7개의 문으로 나타났다. RFLP와 DGGE 방법에 의해 Alphaproteobacteria, Gammaproteobacteria, Actinobacteria가 공통적으로 발견되었으나 전체적인 공생세균의 군집구조는 분석방법에 따른 차이를 나타내었다. 배양에 의한 방법보다 비배양 방법에서 더 다양한 세균군집구조를 나타내었다.
돼지 도축폐수를 처리하는 Rotating Activated Bacillus Contactors (RABC) 공정의 세균군집 특성을 파악하기 위하여 그람양성세균수와 총세균수를 계수하여 기존 고도폐수처리공정인 A2O (Anaerobic-Anoxic-Oxic) 공정과 비교하였다. RABC 공정의 생물막 세균군집구조는 비배양기법인 16S rDNA 염기서열결정법을 이용하여 분석하였다. RABC 공정의 총세균수에 대한 그람양성세균수 비율은 생물막(32%)에 비해 최종포기조(1282%) 및 반송슬러지(958%)에서 현저히 증가한 반면, A2O 공정의 그람양성세균수 비율은 호기조(40%)와 반송슬러지(49%) 모두에서 상대적으로 훨씬 낮았다. 총 9개 문에 해당하는 92개의 클론이 검출되었으며, 이 가운데 최우점 집단은 Proteobacteria (64.1%)와 Actinobacteria (18.4)%로서 이들 2개 문이 전체의 82.5%를 차지하였다. 3번째로 많이 검출된 것은 내생포자형성세균집단이 속하는 Firmicutes (5.4%) 문이었다. 소량 검출된 나머지 6개 문은 Bacteroidetes (3.3%), Chlorobi (2.2%), Nitrospirae (1.1%), Chlorofleix (1.1%), Acidobacteria (1.1%), Fusobacteria (1.1%)의 순이었다. Proteobacteria 문 중에서는 Betaproteobacteria 강 34.8%, Alphaproteobacteria 강 26.1%로서 대부분을 차지하였고, Gammaproteobacteria 강은 3.2%이었다. 내생포자형성세균집단의 비율은 모두 19.4%로서, Firmicutes 문 5.4%와 Actinobacteria 문의 Intrasporangiaceae과 14.0%이었다. 질화세균 및 탈질세균과 관련된 클론 비율 6.5%, 인축적세균과 관련된 클론 비율 5.4%를 기록함으로써 무기영양소 및 악취 제거능력을 가진 세균집단이 RABC 생물막에 많이 서식하고 있음이 확인되었다.
깨끗한 대기가 유지되는 청정지역 및 산성강하물의 영향을 받는 공단지역에서 자라는 떡갈나무(Quercus dentate Thunb.) 잎표면에서 분리한 내산성세균 배양으로부터 16S rDNA를 추출하여 모두 444개의 clone을 얻었으며, 이를 대상으로 Restriction fragment length polymorphism (RFLP)을 실시한 결과 총 17종류의 계통형 (phylotype)이 나타났다. 두 지역에서 나타난 대표적인 내산성 잎권세균 군집은 매우 단순하여 ${\gamma}$-Proteobacteria와 low-G+C gram-positive bacteria의 2개 group이었다. 식물 잎의 나이가 들수록 내산성 잎권세균 계통형의 다양성은 현저하게 증가하였다. 내산성 잎권세균 군집 구조는 $\gamma$-Proteobacteria에 속하는 Pseudomonas group과 Enterobacteriaceae, 그리고 low-G+C gram-positive bacteria 즉 Bacillus/Clostridium group에 속하는 Streptococcaceae와 Staphylococcus group이 우점하였다. 산성강하물에 따른 내산성 잎권세균 군집 구조의 변화는 상위 계통분류군(subphylum 수준)에서는 뚜렷이 볼 수 없었지만 보다 하위분류군에서 볼 때 $\gamma$-Proteobacteria의 Xanthomonadales group은 공단지역에서만, 그리고 $\alpha$-Proteobacteria의 Acetobacteraceae는 청정지역에서만 각각 검출되었으므로 이들 세균집단을 산성강서만, 그리고 $\alpha$-Proteobacteria의 Acetobacteraceae는 청정지역에서만 각각 검출되었으므로 이들 세균집단을 산성강 하물에 대한 지표세균으로서 사용할 수 있는 가능성을 남겨 놓았다.
BIOLOG GN microplate를 이용한 유일탄소원의 이용능 비교를 통한 대사적 유사성과 16S rDNA 의 PCR 증폭산물의 제한효소 지문 분석에 따른 유전적 유사성을 5종의 식생토양에 따른 토양미생물 군집을 대상으로 비교하였다. 16S rDNA를 증폭하여 제한효소 지문을 분석한 결과, 토양으로부터 직접 추출하여 증폭한 토양세균 군집의 16S rDNA의 유전적 유사도는 BIOLOG GN microplate를 이용한 대사적 구조와 일치하는 경향을 보았다. 그러나 배양된 종속영양세균 군집의 다양성과는 유전적 유사도가 매우 낮게 나타났다.
동굴 내 정점별 세균 군집 구조를 분석하기 위하여 PCf amplified 16S rDNA denaturing gradient gel electrophoresis(DGGE)를 적용하였다. DGGE는 동일한 분자량을 갖는 dsDNA band라고 할지라도, 각각의 염기서열 차이에 따라 전기영동 상에서 고유한 band양상을 나타낼 수 있다. eubacteria의 16S rDNA V3region을 증폭하기 위해 GC341F와 PRUN518r을 primer로 사용하여 지하수내에 미생물 군집의 다양성과 유사성을 분석하였다. DGGE band 양상을 통해 동굴내의 세균 군집 구조는 외부 환경에 비해 상대적으로 종다양성이 낮으며 동굴내 에서 특이적으로 서식하는 종이 있음을 확인하였다. 또한 유기 영양물질의 공급이 제한되어 있는 동굴에서 구아노가 주요 유기 영양물질의 공급원으로서 큰 영향을 미치고 있는 것으로 파악되었다. DGGE 상의 일부 band의 염기서열분석 결과 Pseudomonas sp. NZ060과 Pseudomonas pseudoalcaligenes, uncultured Variovorax sp., soil bacterium NS7로 동정되었다.
낙동강 전 수계 8개 정점에서 분자기법인 FISH (Fluorescent in situ Hybridization)법으로 세균군집구조를 비교분석하였다. Eubacteria에 ${\alpha}\;{\cdot}\;{\beta}\;{\cdot}\;{\gamma}-subclasses$ proteobacter CF group 세균의 합이 총세군수에서 차지하는 비율이 9.3-42.5%에서 변화하였고 그 최고치는 히상류, 청량에서 나타났다. 각 세균그룹이 총세균수에서 차지하는 비율이 10% 미만이었으나 최상류에서의 CF그룹이 총세균수에서 차지하는 비율은 23%이었다. 또한 유기물질을 분해해서 빠른 성장을 한다는 ${\gamma}-subclasses$ proteobacteria 세균군이 예상과는 달리 유기오염정도가 높은 하류에 비해 상류에서 더 많이 검출되었다. 아울러 암모니아산화세균은 $2.7-18.0{\times}10^4$ cells $mL^{-1}$의 범위에서 변화하였고 하류에서 최저치를 그리고 최고치는 중류에서 보였다. 반면에 아질산산화세균의 경우, 전수계에 걸쳐 정점간의 별 차이 없이 $5.2-7.7{\times}10^4$ Cells $mL^{-1}$에서 변화하였으며 그들이 총세균수에서 차지하는 비율은 두세균군간의 차이없이 1.0-13.6%에서 변화하였다. 결론적으로 FISH법은 통상적으로 세균군집의 정량적인 분석에 사용되지만 그 결과는 본 연구결과에서 보는 바와 같이 수계 환경의 현황에 관한 좋은 정보를 제공해주기도 한다.
소양호에서 세균군집의 계절적, 수심별 변화를 파악하고자 총세균수와 EUB338, ALG1b, BET42a, GAM42a와 CF probe 등 fluorescent rRNA target oligonuvleotide probe와 반응하는 세균 개체수를 측정하였다. 총세균수는 $0.5{\sim}2.01{\times}10^6cells{\cdot}ml^{-1}$이였으며, 2 m와 5 m 수층에서 높게 나타났다. 총세균수에 대한 Eubacteria의 비율은 22~100%이였고, Proteobacteria ${\alpha}$-group은 Eubacteria의 2.6~66.7%, ${\beta}$-group은 4.5~53.5%, ${\gamma}$-group은 4.6~76.7%, 그리고 Cytophage-Flavobacterium group은 2.1~35.9%이였다. 또한 세균군집은 계절별, 수심별로 다양한 변화를 보여, 겨울철은 ${\beta}$-group이, 봄철과 초여름은 ${\gamma}$-group이, 여름철은 ${\alpha}$-group이 우점하였고, Cytophage-Flavobacterium group이 특정적으로 우점하는 시기는 없었다. 이러한 세균 군집 구조의 분포로 계절별, 수심별로 호수에 대한 독특한 특징을 알 수 있었다.
계통적으로 근연하며 지리적 분포가 유사한 두 종의 Spirastrella 속의 해양 해면, S. panis와 S. abata의 배양 가능한 공생세균 군집구조를 16S rDNA-RFLP 방법에 의해 분석하였다. 공생세균의 배양은 해면추출물 3%를 포함하는 MA 배지를 사용하였다. 증폭된 16S rDNA의 RFLP (restriction fragment length polymorphism) 분석을 위한 제한효소로 HaeIII와 MspI을 이용하였으며, 그 결과 24개의 RFLP type을 구별할 수 있었다. 각 패턴별로 1~5개의 분리균주를 선별하여 부분 염기서열 분석 결과, 알려진 세균 종과 98.4% 이상의 유사도를 나타내었으며 2종의 Spirastrella 해면으로부터 분리된 세균들은 모두 Alphaproteobacteria, Gammaproteobacteria, Firmicutes, Actinobacteria 4개의 강(class)에 포함되었다. Alphaproteobacteria는 S. abata에서 39.3%, S. panis에서 47.6%가 관찰되어 두 해면에서 우점하는 세균 군집이었다. Gammaproteobacteria의 경우 S. abata에서 38.5%로 관찰된 반면 S. panis에서 1.6%의 아주 적은 비율로 관찰되었다. 또한 Bacillus (phylum Firmicutes) 종은 S. abata에서 9.7%를 나타낸 반면, S. panis에서는 44.3%의 분포를 나타내었다. Planococcus maritimus (8.1%, phylum Firmicutes)와 Psychrobacter nivimaris (28.9%, phylum Gammaproteobacteria)는 S. abata에서만 관찰되어 이들은 S. abata에 특이적인 세균 종임을 알 수 있었다. 같은 장소에 서식하는 계통적으로 근연한 두 종의 해면에서 공생세균의 군집 구조는 차이가 큰 것으로 나타났다.
농법에 따른 토양성분과 $N_2O$ 발생량, 탈질세균 수, 탈질세균의 군집 구조와 T-RFLP 패턴을 계절별로 조사하였다. 토양성분 분석결과 총 탄소량과 총 유기탄소량은 유기농법에서 각각 1.57%, 1.28%, 무농약 농법은 1.52%, 1.24%, 관행농법은 1.40%, 0.95%로 친환경농법에서 유기 탄소량이 비교적 높게 나타났다. $N_2O$ 발생량은 5월과 11월 토양이 높았지만 속도는 8월 토양이 빨랐다. 탈질세균 수는 유기농토양은 평균 $1.32{\times}10^4MPN/g$,무농약 토양은 평균 $1.17{\times}10^4MPN/g$, 관행농 토양은 평균 $6.29{\times}10^3MPN/g$으로 친환경농법 토양이 관행농법 토양에 비해 탈질세균 수가 많은 것을 확인하였다. 계통수 분석 결과, 전체 10개 Cluster 중 유기농법 토양이 6개의 Cluster에 분포되어 친환경 농법 토양이 다양한 군집을 갖는 것을 확인하였다. T-RFLP 패턴의 PCA profile 분석 결과, 유기농법은 넓은 분포를, 관행농법은 좁은 범위의 분포를 나타내고, 무농약농법은 유기농법과 관행농법의 중간에 분포하는 것으로 확인되었다. 따라서 계절과 농법에 따라 탈질세균의 분포와 군집구조가 달라지는 것을 확인하였다.
이산화탄소 농도의 증가가 습지토양의 탈질세균 군집구조에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 자연농도 (370 ppm)와 고농도 (740 ppm)의 이산화탄소조건의 습지생태계를 조성하여 110일 이상 배양한 후 토양 내 미생물 군집구조의 변화양상을 관찰하였다. 미생물 군집군조 분석은 탈질과정에 관여하는 효소중하나인 nitrite reductase의 유전자인 nirS 유전자를 대상으로 polymerase chain reaction-restriction fragment length polymorphism (PCR-RFLP) 분석기법을 이용하여 수행하였다. PCR 결과 모든 토양시료에서 nirS 유전자가 검출되었고, RFLP분석을 통해 자연농도의 이산화탄소조건에서 83개, 고농도 조건에서 95개의 phylotype을 획득하여 조성된 습지토양에서 탈질과정이 광범위하게 일어날 수 있음을 확인할 수 있었다. 두 경우 모두 두 종류 (type 1과 type 2)의 phylotype의 우점하고 있었고, 고농도 조건의 탈질세균 군집의 풍부도가 저농도 조건에 비해 더 높고, phylotype의 종류가 현저하게 변화되는 경향을 확인하였다. 본 연구결과는 습지토양의 탈질세균 군집이 매우 다양한 종류로 이루어져 있고, 이산화탄소의 증가에도 큰 영향을 받지 않는 상당히 안정적인 우점 개체군이 존재하고 있는 반면, 전체 phylotype의 약 60%는 이산화탄소 증가에 따라 민감하게 변화함을 보여주었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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