동해 울릉분지 가스 하이드레이트 매장 지역의 메탄산화 미생물 군집 조성 및 분포 Microbial Community Composition Associated with Anaerobic Oxidation of Methane in Gas Hydrate-Bearing Sediments in the Ulleung Basin, East Sea원문보기
동해 울릉 분지 내 메탄 하이드레이트가 매장된 지역에서 혐기적 메탄 산화와 연관된 미생물 군집 특성을 이해하기 위해 메탄 누출이 있는 대륙사면 정점(UBGH2-3)과 메탄 누출이 없는 분지 정점(UBGH2-10)에서, (1) 퇴적물의 지화학적 성분 및 황산염 환원율을 측정하였으며, (2) 기능성 유전자 분석을 통해 혐기적 메탄 산화 미생물 및 황산염 환원 미생물 군집의 정량 및 다양성 분석을 수행하여 그 결과를 비교하였다. 황산염-메탄 전이지대(sulfate and methane transition zone, SMTZ)는 UBGH2-3에서 0.5~1.5 mbsf (meters below seafloor), 그리고 UBGH2-10에서는 6~7 mbsf에 분포하는 것으로 나타났다. 두 지역의 SMTZ에서 측정된 황산염 환원율은 UBGH2-3의 1.15 mbsf에서 $1.82nmol\;cm^{-3}d^{-1}$으로 나타났고, UBGH2-10의 SMTZ에서 황산염 환원율은 $4.29nmol\;cm^{-3}d^{-1}$으로 높은 값을 보였다. 총 미생물 16S rRNA gene과 기능성 유전자인 mcrA (methyl coenzyme M reductase subunit A) 및 dsrA (dissimilatory sulfite reductase subunit A)의 정량 PCR 결과 두 정점의 SMTZ 부근에서 상대적으로 높게 검출되었다. 그러나 UBGH2-10지역에서 mcrA 유전자는 SMTZ 아래인 9.8 bmsf에서 가장 높게 검출되었다. mcrA 유전자의 다양성 분석 결과 두 지역의 SMTZ와 그 아래 퇴적층에서 혐기성 메탄산화 고세균(ANME: Anaerobic MEthanothoph) 군집인 ANME-1이 우점하였다. 한편, ANME-2 군집은 메탄 누출이 발생하는 UBGH2-3지역의 2.2 mbsf 층에서만 관찰되었고, 더불어 dsr 유전자 다양성 분석 결과 ANME-2와 컨소시엄을 이루는 Desulfosarcina-Desulfococcus (DSS) 이 나타났다. 본 연구 결과, ANME-1과 ANME-2은 동해 심부 퇴적 환경에서 혐기적 메탄 산화 및 생성 과정에 관여하는 중요한 고세균 군집으로 사료되며, 또한 ANME-2/DSS 컨소시엄은 메탄이 누출되는 지역인 UBGH2-3과 같이 혐기적 메탄 산화가 활발한 곳에서 메탄 거동을 조절하는 중요한 미생물 그룹으로 인식된다.
동해 울릉 분지 내 메탄 하이드레이트가 매장된 지역에서 혐기적 메탄 산화와 연관된 미생물 군집 특성을 이해하기 위해 메탄 누출이 있는 대륙사면 정점(UBGH2-3)과 메탄 누출이 없는 분지 정점(UBGH2-10)에서, (1) 퇴적물의 지화학적 성분 및 황산염 환원율을 측정하였으며, (2) 기능성 유전자 분석을 통해 혐기적 메탄 산화 미생물 및 황산염 환원 미생물 군집의 정량 및 다양성 분석을 수행하여 그 결과를 비교하였다. 황산염-메탄 전이지대(sulfate and methane transition zone, SMTZ)는 UBGH2-3에서 0.5~1.5 mbsf (meters below seafloor), 그리고 UBGH2-10에서는 6~7 mbsf에 분포하는 것으로 나타났다. 두 지역의 SMTZ에서 측정된 황산염 환원율은 UBGH2-3의 1.15 mbsf에서 $1.82nmol\;cm^{-3}d^{-1}$으로 나타났고, UBGH2-10의 SMTZ에서 황산염 환원율은 $4.29nmol\;cm^{-3}d^{-1}$으로 높은 값을 보였다. 총 미생물 16S rRNA gene과 기능성 유전자인 mcrA (methyl coenzyme M reductase subunit A) 및 dsrA (dissimilatory sulfite reductase subunit A)의 정량 PCR 결과 두 정점의 SMTZ 부근에서 상대적으로 높게 검출되었다. 그러나 UBGH2-10지역에서 mcrA 유전자는 SMTZ 아래인 9.8 bmsf에서 가장 높게 검출되었다. mcrA 유전자의 다양성 분석 결과 두 지역의 SMTZ와 그 아래 퇴적층에서 혐기성 메탄산화 고세균(ANME: Anaerobic MEthanothoph) 군집인 ANME-1이 우점하였다. 한편, ANME-2 군집은 메탄 누출이 발생하는 UBGH2-3지역의 2.2 mbsf 층에서만 관찰되었고, 더불어 dsr 유전자 다양성 분석 결과 ANME-2와 컨소시엄을 이루는 Desulfosarcina-Desulfococcus (DSS) 이 나타났다. 본 연구 결과, ANME-1과 ANME-2은 동해 심부 퇴적 환경에서 혐기적 메탄 산화 및 생성 과정에 관여하는 중요한 고세균 군집으로 사료되며, 또한 ANME-2/DSS 컨소시엄은 메탄이 누출되는 지역인 UBGH2-3과 같이 혐기적 메탄 산화가 활발한 곳에서 메탄 거동을 조절하는 중요한 미생물 그룹으로 인식된다.
To elucidate the microbial consortia responsible for the anaerobic methane oxidation in the methane hydrate bearing sediments, we compared the geochemical constituents of the sediment, the rate of sulfate reduction, and microbial biomass and diversity using an analysis of functional genes associated...
To elucidate the microbial consortia responsible for the anaerobic methane oxidation in the methane hydrate bearing sediments, we compared the geochemical constituents of the sediment, the rate of sulfate reduction, and microbial biomass and diversity using an analysis of functional genes associated with the anaerobic methane oxidation and sulfate reduction between chimney site (UBGH2-3) on the continental slope and non-chimney site (UBGH2-10) on the basin of the Ulleung Basin. From the vertical profiles of geochemical constituents, sulfate and methane transition zone (SMTZ) was clearly defined between 0.5 and 1.5 mbsf (meters below seafloor) in the UBGH2-3, and between 6 and 7 mbsf at the UBGH2-10. At the UBGH2-3, the sulfate reduction rate (SRR) in the SMTZ exhibited was appeared to be $1.82nmol\;cm^{-3}d^{-1}$ at the depth of 1.15 mbsf. The SRR in the UBHG2-10 showed a highest value ($4.29nmol\;cm^{-3}d^{-1}$) at the SMTZ. The 16S rRNA gene copy numbers of total Prokaryotes, mcrA, (methyl coenzyme M reductase subunit A), and dsrA (dissimilatory sulfite reductase subunit A) showed the peaks in the SMTZ at both sites, but the maximum mcrA gene copy number of the UBGH2-10 appeared below the SMTZ (9.8 mbsf). ANME-1 was a predominant ANME (Anaerobic MEthanotroph) group in both SMTZs of the UBGH2-3 and -10. However, The sequences of ANME-2 were detected only at 2.2 mbsf of the UBGH2-3 where high methane flux was observed because of massive amount of gas hydrate at shallow depth. And Desulfosarcina-Desulfococcus (DSS) that is associated with ANME-2 was detected in 2.2 mbsf of the UBHG2-3. Overall results demonstrate that ANME-1 and ANME-2 are considered as significant archaeal groups related to methane cycle in the subsurface sediment of the East Sea, and ANME-2/DSS consortia might be more responsible for methane oxidation in the methane seeping region than in non-seeping region.
To elucidate the microbial consortia responsible for the anaerobic methane oxidation in the methane hydrate bearing sediments, we compared the geochemical constituents of the sediment, the rate of sulfate reduction, and microbial biomass and diversity using an analysis of functional genes associated with the anaerobic methane oxidation and sulfate reduction between chimney site (UBGH2-3) on the continental slope and non-chimney site (UBGH2-10) on the basin of the Ulleung Basin. From the vertical profiles of geochemical constituents, sulfate and methane transition zone (SMTZ) was clearly defined between 0.5 and 1.5 mbsf (meters below seafloor) in the UBGH2-3, and between 6 and 7 mbsf at the UBGH2-10. At the UBGH2-3, the sulfate reduction rate (SRR) in the SMTZ exhibited was appeared to be $1.82nmol\;cm^{-3}d^{-1}$ at the depth of 1.15 mbsf. The SRR in the UBHG2-10 showed a highest value ($4.29nmol\;cm^{-3}d^{-1}$) at the SMTZ. The 16S rRNA gene copy numbers of total Prokaryotes, mcrA, (methyl coenzyme M reductase subunit A), and dsrA (dissimilatory sulfite reductase subunit A) showed the peaks in the SMTZ at both sites, but the maximum mcrA gene copy number of the UBGH2-10 appeared below the SMTZ (9.8 mbsf). ANME-1 was a predominant ANME (Anaerobic MEthanotroph) group in both SMTZs of the UBGH2-3 and -10. However, The sequences of ANME-2 were detected only at 2.2 mbsf of the UBGH2-3 where high methane flux was observed because of massive amount of gas hydrate at shallow depth. And Desulfosarcina-Desulfococcus (DSS) that is associated with ANME-2 was detected in 2.2 mbsf of the UBHG2-3. Overall results demonstrate that ANME-1 and ANME-2 are considered as significant archaeal groups related to methane cycle in the subsurface sediment of the East Sea, and ANME-2/DSS consortia might be more responsible for methane oxidation in the methane seeping region than in non-seeping region.
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문제 정의
본 연구에서는 동해 울릉분지 내 UBGH2 (Gas Hydrate Drilling Expedition in the Ulleung Basin) 탐사가 이루어졌던 정점들 중 침니(chimney)가 형성되어 있는 대륙사면에 위치한 정점(UBGH2-3)과 울릉분지 중앙부에 위치한 정점들 중 침니가 관찰되지 않은 정점 (UBGH2-10)에서 메탄의 거동을 결정짓는 황산염-메탄 전이지대를 중심으로 (1) 정량 PCR을 통해 총 미생물 개체수를 정량화하고, (2) 혐기적 메탄 산화 미생물과 황산염 환원 미생물 군집을 기능성 유전자의 정량화 및 다양성 분석을 통해, 서로 다른 지화학적 특징을 지닌 두 지역의 SMTZ에서 메탄 거동을 결정 짓는 미생물 군집 구조 특징을 비교 하고자 하였다.
제안 방법
2 mM MgCl2, 0.2 mM dNTP mixture, 0.1% BSA, 5% DMSO, 400 nM의 dsr1F와 dsr4R primer를 사용하였으며, 2.5 units μl-1의 Ex Taq을 첨가하였다.
, 2006; 2008), 이때 사용된 primer는 Table 1에 정리하였다. dsrA와 mcrA 유전자 정량은 SYBR Premix Ex Taq (Takara Co. Japan)을 이용하여 7500 Real Time PCR System (Applied Biosystems)을 통해 공급사에서 제공하는 증폭 조건에 의해 수행하였다. mcrA 유전자는 primer의 결합 온도(annealling stage)와 신장 단계의(extension stage) 온도가 다르기 때문에 95 ℃에서 2분간 예열한 후 94 ℃에서 40초, 52 ℃에서 30초, 그리고 72 ℃에서 1분간 반응하였으며, 총 50회 PCR 반응을 수행하였다.
Japan)을 이용하여 7500 Real Time PCR System (Applied Biosystems)을 통해 공급사에서 제공하는 증폭 조건에 의해 수행하였다. mcrA 유전자는 primer의 결합 온도(annealling stage)와 신장 단계의(extension stage) 온도가 다르기 때문에 95 ℃에서 2분간 예열한 후 94 ℃에서 40초, 52 ℃에서 30초, 그리고 72 ℃에서 1분간 반응하였으며, 총 50회 PCR 반응을 수행하였다. SYBR Green I assay 방법을 통해 정량한 결과는 melting curve 분석을 수행하여 결과의 정확도를 높였다.
계통분석도의 distance model은 Jukes and Cantor 방법을 따랐으며, neighbor-joining method 알고리즘을 이용하여 작성하였다. 계통도내 분지의 안정도를 조사하기 위하여 1000번의 bootstrap resampling 분석을 실시하였다.
1978). 내경 1.5 cm, 길이 7 cm의 유리 코어를 이용하여 약 2 ml 정도의 퇴적물을 채취한 후 현장온도에서 안정화시켰다. 5 µl carrier-free 35SO42- (약 2.
그 중 본 연구를 위해 울릉 분지의 대륙 사면지역인 UBGH2-3 정점(chimney site)과 울릉분지 한 가운데 지역인 UBGH2-10(non-chimney site)정점을 선정하였다(KIGAM, 2011). 두 정점에서 피스톤 코어를 이용하여 심부 퇴적물 시료를 채취 하였으며(Fig. 1), 피스톤 코어에 미리 뚫어 놓은 구멍을 통해 공극수 내 황화수소 농도 및 황산염 환원율 측정을 위해 끝을 자른 주사기 코어를 이용하여 퇴적물을 채취하였다. 유전자 분석을 위해 채취된 시료는 분석 전까지 -80 °C에서 보관하였다.
메탄 거동에 관련된 미생물 다양성 분석을 위한 mcrA 유전자의 증폭은 정량 PCR 방법과 동일한 조건하에서 이루어졌다. 황산염 환원 미생물의 다양성 분석을 위한 dsrAB 유전자의 증폭은 1X Ex Taq buffer.
coli DH5α에 형질 전환시켜 blue/white 선별법에 따라 mcrA 유전자 266개 및 dsrAB 유전자 35개의 형질 전환체를 무작위로 선별하였다. 삽입된 DNA가 확인된 증폭산물은 Solgent 사에 의뢰하여 그 염기서열을 분석하였다. 확보된 염기서열은 NCBI의 BLAST 검색 프로그램을 통해 GenBank의 데이터 베이스와 비교하였으며(http://www.
gov/), 얻어진 클론과 가장 가까운 염기서열을 확보하여 Clustal W 프로그램을 이용하여 정렬하였다. 얻어진 기능성 유전자 클론들의 염기서열은 아미노산 서열로 전환(translation) 한 후에 서로 97% 이상의 identity를 가진 아미노산 서열들을 하나의 OUT로 보았다. 계통분석도의 distance model은 Jukes and Cantor 방법을 따랐으며, neighbor-joining method 알고리즘을 이용하여 작성하였다.
SYBR Green I assay 방법을 통해 정량한 결과는 melting curve 분석을 수행하여 결과의 정확도를 높였다. 정량 PCR을 위한 표준 곡선을 산출하기 위해 울릉분지 심부 퇴적물로부터 얻어진 dsrA와 mcrA 유전자 클론들 중 가장 빈도수가 높게 검출된 염기서열을 각각 한 개씩 선정하여 이용하였다. 정량 PCR을 위한 모든 standard curve의 r2값은 0.
반응이 끝난 후 72 ℃에서 추가로 7분간 반응시킨 후 종료하였다. 증폭된 약 0.45 kb의 mcrA 유전자와 1.9 kb의 dsrAB 유전자는 PCRquick-spinTMPCR Purification kit (iNtRON Biotechnology, Korea)를 이용하여 정제한 후 A-tailing을 수행하였다.
최종 DNA 용액 부피는 5 ml로 하였다. 추출된 DNA는 Nanodrop을 이용하여 농도를 측정하였다.
한편, UBGH2-3의 2.2 mbsf에서 ANME-2 그룹이 관찰되어 황산염 환원 미생물이 지닌 기능성 유전자인 dsrAB 유전자 다양성을 조사하였다. 그 결과 ANME-2와 컨소시엄을 이루는 DesulfosarcinaDesulfococcus(DSS) 그룹에 속하는 미생물이 전체 클론 중 67%로 우점하였다(Fig.
한편, 침니가 없는 UBGH2-10 정점의 SMTZ (6.8 mbsf)와 메탄의 농도가 약 29 mM로 매우 높은 9.8 mbsf에서 메탄 거동에 관련된 고세균 군집 다양성을 조사하였다. 6.
핵산 추출은 PowerMax DNA Isolation kit를 이용하였으며, Mobio 사에서 제공하는 방법에 따랐지만 심해 저층 퇴적물 내 미량의 핵산을 충분히 추출하기 위해 변형된 방법을 적용하였다. -80 ℃에 보관되어 있는 퇴적물 시료를 녹이지 않고 줄톱을 이용하여 약 10 g을 잘라내어 50 ml 원심 분리관에 넣고, 멸균된 직경 5 mm의 쇠구슬과, Mobio사에서 제공된 bead를 첨가하였다(Briggs et al.
공극수 내 메탄 및 황산염 농도는 UBGH2 탐사 중에 측정된 결과들을 사용하였다(KIGAM, 2011). 황화수소 농도는 퇴적물에서 뽑아낸 공극수 중 1 ml을 취하여 Zn-acetate (20%)가 담겨 있는 1.5 ml 플라스틱 vial에 넣은 후 분석 전까지 냉동 보관하였으며, Cline solution과 반응시킨 후 흡광 광도계로 측정하여 분석하였다(Parsons et al., 1984).
대상 데이터
, 2014). 그 중 본 연구를 위해 울릉 분지의 대륙 사면지역인 UBGH2-3 정점(chimney site)과 울릉분지 한 가운데 지역인 UBGH2-10(non-chimney site)정점을 선정하였다(KIGAM, 2011). 두 정점에서 피스톤 코어를 이용하여 심부 퇴적물 시료를 채취 하였으며(Fig.
, 2002; Takai and Horikoshi, 1999). 정량 PCR을 위한 표준 곡선을 산출하기 위한 16S rRNA gene은 E. coli의 16S rRNA 유전자와 동해 울릉분지 심부 퇴적물로부터 얻어진 고세균 16S rRNA gene 클론을 이용하였다.
데이터처리
mcrA 유전자는 primer의 결합 온도(annealling stage)와 신장 단계의(extension stage) 온도가 다르기 때문에 95 ℃에서 2분간 예열한 후 94 ℃에서 40초, 52 ℃에서 30초, 그리고 72 ℃에서 1분간 반응하였으며, 총 50회 PCR 반응을 수행하였다. SYBR Green I assay 방법을 통해 정량한 결과는 melting curve 분석을 수행하여 결과의 정확도를 높였다. 정량 PCR을 위한 표준 곡선을 산출하기 위해 울릉분지 심부 퇴적물로부터 얻어진 dsrA와 mcrA 유전자 클론들 중 가장 빈도수가 높게 검출된 염기서열을 각각 한 개씩 선정하여 이용하였다.
삽입된 DNA가 확인된 증폭산물은 Solgent 사에 의뢰하여 그 염기서열을 분석하였다. 확보된 염기서열은 NCBI의 BLAST 검색 프로그램을 통해 GenBank의 데이터 베이스와 비교하였으며(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/), 얻어진 클론과 가장 가까운 염기서열을 확보하여 Clustal W 프로그램을 이용하여 정렬하였다. 얻어진 기능성 유전자 클론들의 염기서열은 아미노산 서열로 전환(translation) 한 후에 서로 97% 이상의 identity를 가진 아미노산 서열들을 하나의 OUT로 보았다.
이론/모형
Zn-acetate 용액에 보관된 퇴적물로부터 35S를 추출하기 위해 single-step chromium reduction 방법을 이용하였다(Fossing and Jørgensen, 1989).
얻어진 기능성 유전자 클론들의 염기서열은 아미노산 서열로 전환(translation) 한 후에 서로 97% 이상의 identity를 가진 아미노산 서열들을 하나의 OUT로 보았다. 계통분석도의 distance model은 Jukes and Cantor 방법을 따랐으며, neighbor-joining method 알고리즘을 이용하여 작성하였다. 계통도내 분지의 안정도를 조사하기 위하여 1000번의 bootstrap resampling 분석을 실시하였다.
공극수 내 메탄 및 황산염 농도는 UBGH2 탐사 중에 측정된 결과들을 사용하였다(KIGAM, 2011). 황화수소 농도는 퇴적물에서 뽑아낸 공극수 중 1 ml을 취하여 Zn-acetate (20%)가 담겨 있는 1.
5 units μl-1의 Ex Taq을 첨가하였다. 반응 조건은 비특이적 밴드의 감소를 위하여 Touch down PCR 방법을 도입하였다(Harrison et al., 2009). 95 ℃에서 10분간 예열 후, 94 ℃에서 1분간 변성화 하였으며, 최초 primer 결합 온도를 61 ℃ (1분)로, 신장온도는 72 ℃ (2분)으로 하였으며, 두 cycles 마다 primer 결합 온도를 1 ℃씩 낮추어 실행하였다.
진정세균과 고세균을 정량화하기 위해 TaqMan assay 방법을 이용하였다. 정량에 이용된 시약은 Premix Ex Taq (Takara Co. Japan)이며, 7500 Real Time PCR System (Applied Biosystems)을 통해 공급사에서 제공하는 방법대로 정량 PCR을 수행하였다. TaqMan assay 정량 PCR에 사용된 primer와 probe는 Table 1에 나타내었다 (Nadkarni et al.
준비된 PCR 생성물은 pGEM-T easy vector (Promega, USA)에 재조합되었으며, E. coli DH5α에 형질 전환시켜 blue/white 선별법에 따라 mcrA 유전자 266개 및 dsrAB 유전자 35개의 형질 전환체를 무작위로 선별하였다.
진정세균과 고세균을 정량화하기 위해 TaqMan assay 방법을 이용하였다. 정량에 이용된 시약은 Premix Ex Taq (Takara Co.
황산염 환원율 측정을 위해 core injection technique을 이용하였다(Jørgensen, 1978).
황산염 환원을 수행하는 미생물의 기능성 효소인 dissimilatory sulfite reductase subunit A를 코딩하는 dsrA gene과 메탄을 산화 또는 생성하는 미생물이 가지고 있는 기능성 유전자인 methyl coenzyme M reductase subunit A (mcrA) gene을 SYBR Green I assay 방법으로 정량 하였으며(Kondo et al., 2004; Schippers and Neretin; 2006; Nunoura et al., 2006; 2008), 이때 사용된 primer는 Table 1에 정리하였다. dsrA와 mcrA 유전자 정량은 SYBR Premix Ex Taq (Takara Co.
성능/효과
6.8 mbsf에서는 총 미생물의 16S rRNA 유전자와 dsrA 유전자의 copy 수가 인접 퇴적층보다 높게 측정되었지만, mcrA copy수는 3.2 × 104 copies cm-3으로 낮게 존재하여 다양성 분석에 필요한 충분한 양의 PCR 증폭 산물을 얻지 못하였다.
2 mbsf에서 실시하였다. AOM이 가장 활발히 일어날 것으로 여겨지는 0.8 mbsf에서 검출된 ANME는 모두 ANME-1 (Group a-b) 그룹에 속하였으며, 2.2 mbsf에서는 ANME-1이 우점하였지만, 일부 ANME-2 (Group c-d) 그룹에 속하는 클론들도 검출되었다(Fig. 4). 또한 2.
UBGH2-10 지역에서 나타나는 dsrA 유전자는 퇴적 깊이가 증가함에 따라 감소하여 104 copies cm-3 수준으로 나타나다가 SMTZ의 6.8 mbsf에서 증가하여 4.5 × 105 copies cm-3 으로 관찰되었다.
UBGH2-10의 mcrA 유전자 정량 결과 9.8 mbsf 층에서는 가장 높은 분포(4.5 × 105 copies cm-3)를 보였으며, 이들은 모두 ANME-1 그룹에 포함되었다.
UBGH2-3의 표층에서부터 5.1 mbsf까지 총 12개 퇴적 깊이에서 DNA를 추출한 결과 표층에서부터 1.5 m 깊이까지 DNA 농도가 감소하다가 SMTZ에 이르러서는 2.4 μg cm-3으로 다소 증가하였다 (Fig. 2c).
결과적으로 울릉분지 내 가스 하이드레이트 매장된 지역에서 ANME-1은 메탄의 산화 및 생성 과정에 관여하며 메탄의 거동을 책임지는 중요한 미생물 그룹으로 인지되며, UBGH2-3 정점과 같이 심부 퇴적층에 매장된 막대한 양의 가스 하이드레이트로부터 메탄이 누출되는 환경에서는 ANME-1과 함께 ANME-2에 속하는 고 세균 군집이 메탄 순환 과정에 밀접하게 연관되어 있음을 시사하였다.
2 mbsf에서 ANME-2 그룹이 관찰되어 황산염 환원 미생물이 지닌 기능성 유전자인 dsrAB 유전자 다양성을 조사하였다. 그 결과 ANME-2와 컨소시엄을 이루는 DesulfosarcinaDesulfococcus(DSS) 그룹에 속하는 미생물이 전체 클론 중 67%로 우점하였다(Fig. 5). DSS는 ANME-1과도 함께 검출되기도 하지만 ANME-2와 더욱 밀접한 공생관계를 이루며 AOM 과정에 관여하고 있다(Boetius et al.
두 지역에서 모두 AOM에 의한 메탄 산화가 활발히 일어나 약 30 mM 수준이던 메탄의 농도가 SMTZ에서 급격히 감소하여 표층에서는 검출되지 않거나 1.6 μM 수준으로 매우 낮게 나타났다(Fig. 2a와 2d).
, 2009). 따라서 SMTZ에서 추출된 DNA 농도와 16S rRNA 유전자의 copy수가 증가한 것은 미생물의 활발한 활동이 있음을 시사하며, AOM 과정에 연관된 미생물 군집, 뿐만 아니라 전체 미생물의 생물량 또한 증가하는 것으로 여겨진다.
특히 sn-2-hydroxyarchaeol과 archaeol의 농도비 계산 결과 UBGH2-3지역에서는 거의 모든 층에서 ANME-2가, UBGH2-10에서는 ANME-1이 우점할 것으로 예측하였다. 본 연구 결과 UBGH2-3 지역에서는 비록 ANME-1 그룹이 우점하였지만, UBGH2-10에서는 전혀 검출되지 않은 ANME-2 그룹이 검출되었다. 반면, UBGH2-10 지역에서는 ANME-1만이 검출되어 기존 연구 결과와 일치하였다(Lee et al.
울릉분지 중심에 위치한 UBGH2-10 지역의 퇴적물로부터 추출된 DNA는 표층에서 4.3 μg cm-3의 농도로 검출되었고, SMTZ 층에 이르기 까지는 1.2 μg cm-3 수준으로 유지하다가 SMTZ (6.8 mbsf)에서 3.3 μg cm-3의 농도로 증가하였다.
수심 923 m의 대륙사면에 위치한 UBGH2-3 지역은 메탄 가스가 해저표면을 통해 스며 나오는 곳이다. 이 정점에서 검출된 황산염 농도는 표층 퇴적물 아래에서부터 급격히 감소하여 1 mbsf에서 2 mM 이하로 검출되었고 메탄 농도는 1.8 mbsf 깊이에서 최대 35 mM 로 검출되어, SMTZ는 0.5~1.5 mbsf로 비교적 낮은 퇴적 깊이에 분포 하는 것으로 조사되었다(Fig. 2a). 황산염 환원율은 표층(0.
정량 PCR을 위한 표준 곡선을 산출하기 위해 울릉분지 심부 퇴적물로부터 얻어진 dsrA와 mcrA 유전자 클론들 중 가장 빈도수가 높게 검출된 염기서열을 각각 한 개씩 선정하여 이용하였다. 정량 PCR을 위한 모든 standard curve의 r2값은 0.98 이상, 증폭 효율은 80~120% 범위에 포함되었다.
침니 지역인 UBGH2-3 정점에서 AOM 과정에 관여하는 미생물군집의 다양성 조사는 추출된 DNA 농도, 16S rRNA 및 기능성 유전자 정량 결과가 모두 가장 높은 값으로 조사된 SMTZ (0.8 mbsf) 와 SMTZ 바로 아래에 위치하고 메탄 농도가 약 20 mM로 높게 나타난 2.2 mbsf에서 실시하였다. AOM이 가장 활발히 일어날 것으로 여겨지는 0.
6 mM의 황산염이 검출된 것으로 보여진다. 퇴적 깊이가 증가하면서 황산염 환원율은 급격히 감소하는 경향을 보였지만, SMTZ 내의 1.15 mbsf 깊이에서 1.82 nmol cm-3 d-1으로 다소 증가하는 양상이 관찰되었다. 황산염 환원에 의해 발생되는 황화수소의 농도는 1.
, (2013b)은 본 연구에 앞서 동일한 연구지역에서 지질 생체지표 분석을 수행하여 동해 울릉 분지 내 가스 하이드레이트가 포함된 심부 퇴적층에 서식하는 ANME 군집 분포를 설명하고자 하였다. 특히 sn-2-hydroxyarchaeol과 archaeol의 농도비 계산 결과 UBGH2-3지역에서는 거의 모든 층에서 ANME-2가, UBGH2-10에서는 ANME-1이 우점할 것으로 예측하였다. 본 연구 결과 UBGH2-3 지역에서는 비록 ANME-1 그룹이 우점하였지만, UBGH2-10에서는 전혀 검출되지 않은 ANME-2 그룹이 검출되었다.
82 nmol cm-3 d-1으로 다소 증가하는 양상이 관찰되었다. 황산염 환원에 의해 발생되는 황화수소의 농도는 1.7 mbsf에서 최대 6.7 mM로 매우 높은 농도로 검출되었다.
후속연구
, 2005). 따라서 지구적 규모의 메탄 거동과 생지화학적 탄소 순환 조절 및 가스 하이드레이트 시스템을 이해하고, 가스 하이드레이트 퇴적물 내 메탄 거동에 대한 모델 수립을 위해서는 SMTZ에서 메탄의 생성과 소비 과정에 관여하는 미생물의 조성, 분포 및 활성과 이를 조절하는 생지화학적 요인들에 대한 연구가 필수적으로 이루어져야 할 분야이다.
, 2009). 또한 동해는 miniature ocean으로 인식될 만큼 대양의 특징을 가지고 있기 때문에 동해의 가스 하이드레이트에 대한 연구는 전 지구적 물질순환 연구에 기초자료로써 활용될 것이라 여겨진다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
울릉분지 내에서 가스 하이드레이트 부존 지역 탐사는 침니의 유무에 따라 어떤 특징을 보이는가?
조사지역들은 크게 침니 (chimney)의 유무에 따라 두 그룹으로 나눌 수 있다. 침니가 분포하는 지역은 비교적 얕은 깊이의 해저면에 매장되어 있는 거대한 양의 메탄 하이드레이트에 의해 메탄 가스의 누출이 있는 곳으로, 울릉분지 내 침니가 분포하는 지역들은 SMTZ가 3 mbsf 이내의 비교적 얕은 깊이에서 존재한다. 한편, 침니가 없는 지역에서는 6~7 mbsf에서 SMTZ가 나타났다(KIGAM, 2011; Hong et al., 2014).
가스 하이드레이트는 무엇인가?
가스 하이드레이트는 저온·고압 조건하에서 물과 가스가 결합하여 형성된 얼음과 같은 고체상의 물질로 영구 동토 지역이나 해양 퇴적물에 널리 분포한다. 특히, 해양 퇴적물 내에 존재하는 가스 하이드레이트의 대부분은 대륙 주변부의 대륙 사면을 따라 존재한다 (Kvenvolden, 1988; 1999).
AOM 작용은 무엇에 의해 일어나는가?
, 2005). 해저면으로부터 공급되는 메탄의 대부분을 산화하여 대기 중으로 방출되는 양을 억제하여 온실가스의 순환을 조절하는 AOM 작용은(Reeburgh, 1996) 메탄을 탄소원으로 이용하는 메탄영양 고세균(ANME: ANaerobic MEthanotroph)에 의해 일어나며, 특히 이들 ANME 군집의 일부는 황산염 환원 세균 (SRB: Sulfate-Reducing Bacteria)과 공생관계를 형성하기 때문에 (Hoehler et al., 1994; Hoehler and Alperin, 1996; Boetius et al.
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