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문제 정의
- 이번 연구에서는 한강상수원보호구역의 수계 중 세균군집 다양성을 조사하였다. 한강상수원보호구역에서 특징적으로 나타난 세균속은 다음과 같았다.
- 그러나 한강상수원보호구역 수계에서는 타 병원성 세균에 비해서는 상대적으로 조사해 볼 필요성은 있다고 보인다. 이번 연구에서는 한강상수원보호구역의 수계 중 존재하는 세균 군집 특성을 조사하였다. 본 연구에서 제안한 후속적 연구들은 향후 한강상수원보호구역 수계에 존재 하는 미생물 특성을 이해하고 및 상수원 보호 등 관리에 미생물학적 기초자료로 제공 될 것으로 기대된다.
제안 방법
- 11) 추출한 핵산을 주형으로 세균 16S rRNA 유전자(27F-1492R primer)를 활용하였으며, PCR 조성, 조건, 전기영동 등은 이 등(2009)12)의 방법과 동일하게 수행하였다.
- 시료에서 핵산 추출은 PowerWater DNA Isolation Kit (MO BIO, USA)로 제품의 순서에 따라 수행하였다.11) 추출한 핵산을 주형으로 세균 16S rRNA 유전자(27F-1492R primer)를 활용하였으며, PCR 조성, 조건, 전기영동 등은 이 등(2009)12)의 방법과 동일하게 수행하였다.
- 최근 파이로시퀀싱 등 메타지놈 분석법은 시료에서 특정 미생물 유전자의 다양성을 신속하게 분석할 수 있는 방법으로, 수계, 토양, 대기, 생활 등 다양한 환경에서 적용되고 있다7-10). 이에 따라, 이번 연구에서는 파이로시퀀싱 분석법을 활용하여, 봄과 겨울철 한강상수원보호구역 수계 중의 세균 다양성을 모니터링하였다.
- 파이로시퀀싱은 마크로젠(Seoul, Korea)에 의뢰하여 분석을 수행하였다. 파이로시퀀싱 플랫폼은 GS-FLX Titanium (Roche, Switzerland)을 활용하였으며, GS-FLX 소프트웨어 3.0으로 자료를 분석하였다.
- 파이로시퀀싱은 마크로젠(Seoul, Korea)에 의뢰하여 분석을 수행하였다. 파이로시퀀싱 플랫폼은 GS-FLX Titanium (Roche, Switzerland)을 활용하였으며, GS-FLX 소프트웨어 3.
대상 데이터
- 경기도 양평군 양서면 양수리에 위치한 한강상수원보호구역(37°32' N 127°18' E)을 조사 지점으로 선정하였다.
- +30 M 이하의 고도였다. 시료는 2014년중 비의 영향이 없는 봄철(3월)과 겨울철(12월)에 1회씩 채취하였다.
데이터처리
- 한강상수원보호구역 수계 중 세균군집 특성은 분석한 평균 값을 사용하였다. 2014년 한강상수원보호구역 수계 세균의 phylum-level 분석 결과, Proteobacteria문이 84.
성능/효과
- Bradyrhizobium속은 주로 토양에서 서식하며, 해수욕장과 농업지역 등의 실외 공기 중에서도 높은 비율로 분포한다.16) Bradyrhizobium속은 현재까지 27종이 보고되고 있으며, 콩과 식물의 뿌리혹, 질소 고정 등 환경에서 유익한 세균속으로 알려져 있다.16) Methylotenera속은 겨울철 차우점하였으며, 특히 봄철(0.
- 16) Bradyrhizobium속은 현재까지 27종이 보고되고 있으며, 콩과 식물의 뿌리혹, 질소 고정 등 환경에서 유익한 세균속으로 알려져 있다.16) Methylotenera속은 겨울철 차우점하였으며, 특히 봄철(0.1%)에 비해 겨울철에 높은 비율(7.4%)이 분석된 세균 속이다. Methylotenera속은 현재까지 2종(M.
- versatilis)이 보고되었고, 이들은 모두 호수 저질토에서 서식하는 obligately methylamine utilizing bacteria로 알려져 있다.17) Variovorax 속은 봄철 차우점 속으로, 토양, 근권, 하수 등 환경에서 서식하며, 현재까지 7종이 보고되고 있다.18) Pseudomonas속은 봄철에만 5.
- 17) Variovorax 속은 봄철 차우점 속으로, 토양, 근권, 하수 등 환경에서 서식하며, 현재까지 7종이 보고되고 있다.18) Pseudomonas속은 봄철에만 5.0% 이상 나타난 속으로, 이들은 주로 수계 환경에 서식한다. Pseudomonas 속은 아종을 포함하여 약 250 여종 이상 보고된 큰 분류군이며, 여기에는 잠재적 인체병원성 P.
- aeruginosa도 포함된다.19) Ferribacterium속은 겨울철 5.0% 이상 나타난 속으로, 현재까지 오직 F. limneticum 한 종만이 보고되고 있다. F.
- 한강상수원보호구역에서 특징적으로 나타난 세균속은 다음과 같았다. Aquamicrobium속은 조사 지점에서 평균적으로 우점하는 속으로, 특히 봄철에 높은 비율로 나타났다. 겨울철에 비율이 감소하였으나, 차우점 속으로 연간 지속적으로 11.
- 한편, 한강상수원보호구역 수계의 봄과 겨울철의 세균군집 특성을 비교한 결과, 봄철(3월)에는 11개, 겨울철(12월)에는 9개의 세균 phyla가 나타났다. Phylum-level에서는 Proteobacteria문이 봄철(82.4%) 과 겨울철(85.8%) 공통적으로 높은 비율의 우점이 나타났으나, 봄철에 비해 상대적으로 겨울철에 약 3.4% 높게 우점하였다. 그러나 봄철에는 겨울철에 비해 Cyanobacteria, γ-Proteobacteria, Actinobacteria, Spirochaetes, α-Proteobacteria, Verrucomicrobia 및 Bacteroidetes의 비율이 상대적으로 높게 나타났고, 겨울철에는 봄철에 비해 β-Proteobacteria, Acidobacteria, Nitrospirae, Chloroflexi 및 Gemmatimonadetes문의 비율이 상대적으로 높게 나타났다.
- 그러나 봄철에는 겨울철에 비해 Cyanobacteria, γ-Proteobacteria, Actinobacteria, Spirochaetes, α-Proteobacteria, Verrucomicrobia 및 Bacteroidetes의 비율이 상대적으로 높게 나타났고, 겨울철에는 봄철에 비해 β-Proteobacteria, Acidobacteria, Nitrospirae, Chloroflexi 및 Gemmatimonadetes문의 비율이 상대적으로 높게 나타났다.
- 6%로 차우점하였다. 그리고 Acidobacteria문(2.3%), Cyanobacteria문(1.6%), Gemmatimonadetes문(1.1%), Nitrospirae문(1.0%) 순으로 나타났으며, 1% 미만으로 Bacteroidetes, Spirochaetes, Chloroflexi, Verrucomicrobia 및 Firmicutes문이 나타나면서, 총 11개의 세균 phyla가 분포하였다. 한강상수원보호구역에서 가장 높은 비율로 우점한 Proteobacteria문은 class-level에서 세부적으로 분석한 결과, α-Proteobacteria강이 43.
- 봄철에만나타난 속은 Frigoribacterium, Janthinobacterium, Methylobacterium, Naxibacter, Pelomonas, Sphingomonas 및 Spirochaeta속이었으며, Nordella, Pedobacter 및 Thiobacillus속은 겨울철에만 나타났다(Table 1). 낮은 비율로 나타났으나 봄과 겨울철에 일정하게 나타난 세균속은 Albidiferax, Bacillus, Herbaspirillum, Lysobacter, Polaromonas, Pseudolabrys, Ramlibacter 및 Stenotrophomonas속이었다(Table 1). 또한, 봄과 겨울철 Shannon index 및 Simpson index가 각각 2.
- 2). 또한, genus-level에서는 봄철에 Aquamicrobium속(32.1%) 이 우점, Variovorax속(12.6%)이 차우점하였으며, Pseudomonas속(5.9%) 등 총 33개 속이 분포하였다. 그러나 겨울철은 Bradyrhizobium속(26.
- 2). 또한, genus-level에서는 총 36개 세균 속이 나타났으며, 미동정(unidentified, 22.5%)을 제외하고 Aquamicrobium (21.0%), Bradyrhizobium (17.0%) 및 Variovorax속(7.8%)이 주요 세균속으로 나타났다(Table 1).
- 낮은 비율로 나타났으나 봄과 겨울철에 일정하게 나타난 세균속은 Albidiferax, Bacillus, Herbaspirillum, Lysobacter, Polaromonas, Pseudolabrys, Ramlibacter 및 Stenotrophomonas속이었다(Table 1). 또한, 봄과 겨울철 Shannon index 및 Simpson index가 각각 2.74-2.81와 0.11-0.14 수준으로 유사하게 나타났으나(Data not shown), phylum과 genus-level 분석 결과로 봄철이 겨울철에 비해 다양한 종류의 세균군집이 나타나고 있는 것으로 보인다. 한편, Aquamicrobium속은 봄철에 비해 겨울철에 21% 감소하면서 우점속이 변화하였으며, 봄철 또는 겨울철에만 존재하는 세균 속이 나타나는 등 계절적 변화가 분석되었다.
- , Camphylobacter 및 Vibrio chlerae 등이 알려져 있다. 이번 연구에서는 봄과 겨울철 나타난 36개 세균 속들 중 녹농균(P. aeroginosa)을 포함하는 Pseudomonas속을 제외하고는 나타나지 않았다. 그러나 이번 연구에서 분석한 16S rRNA 유전자는 P.
- 파이로시퀀싱 분석 결과, 봄(3월)과 겨울(12월) 시료에서 각각 1,708개와 1,933개 reads가 분석되었으며, 봄철은 57개 operational taxonomic unit (OTUs), 겨울철은 48개의 OUTs가 분석되었다(Fig. 1).
- 한강 상수원보호구역 수계에서는 11개의 세균 phylum이 나타났고, 이 중 매우 높은 비율로 Proteobacteria문이 우점하였다. 또한, 겨울철에는 검출 감도 미만이던 남세균(Cyanobacteria)와 Spirochaetes 문이 봄철에만 나타났다.
- 한강상수원보호구역에서 가장 높은 비율로 우점한 Proteobacteria문은 class-level에서 세부적으로 분석한 결과, α-Proteobacteria강이 43.7%로 가장 높았고, β-Proteobacteria강이 35.8%로 나타났으며, γ-와 δ-Proteobacteria강은 각각 4.5%와 0.2%로 나타났다(Fig. 2).
- 14 수준으로 유사하게 나타났으나(Data not shown), phylum과 genus-level 분석 결과로 봄철이 겨울철에 비해 다양한 종류의 세균군집이 나타나고 있는 것으로 보인다. 한편, Aquamicrobium속은 봄철에 비해 겨울철에 21% 감소하면서 우점속이 변화하였으며, 봄철 또는 겨울철에만 존재하는 세균 속이 나타나는 등 계절적 변화가 분석되었다.
후속연구
- limneticum 는 담수 저질토에서 서식하는 철 환원 미생물로 알려져 있다.20) 이에 따라, 특징적으로 나타나고 있는 Aquamicrobium, Bradyrhizobium, Methylotenera, Variovorax, Pseudomonas 및 Ferribacterium속 등 주요 세균속과 함께 봄 또는 겨울철에만 나타난 Frigoribacterium, Janthinobacterium, Methylobacterium, Naxibacter, Pelomonas, Sphingomonas, Spirochaeta, Nordella, Pedobacter 및 Thiobacillus속 등에 대한 후속적 연구가 필요할 것으로 보인다.
- 이번 연구에서는 한강상수원보호구역의 수계 중 존재하는 세균 군집 특성을 조사하였다. 본 연구에서 제안한 후속적 연구들은 향후 한강상수원보호구역 수계에 존재 하는 미생물 특성을 이해하고 및 상수원 보호 등 관리에 미생물학적 기초자료로 제공 될 것으로 기대된다.
- 또한, 겨울철에는 검출 감도 미만이던 남세균(Cyanobacteria)와 Spirochaetes 문이 봄철에만 나타났다. 속 수준에서는 봄철에 Aquamicrobium속, 겨울철에는 Bradyrhizobium속이 우점하였으며, 우점하는 종을 포함한 특징적으로 나타나는 세균 속들에 대한 후속적 연구가 필요한 것으로 보인다. 한편, 인체 잠재적 병원성 세균속은 나타나지 않았으나, 녹농균(P.
- 1% 수준이 나타났다. 이들은 각각 활성슬러지, 산업폐수처리공장, 갯벌 등 수계에서도 보고된 바 있었으나, 가축(오리)사육장, 화학공장 주변의 오염된 토양, 실험용 바이오필터 등에서도 서식13-15)하는 속으로 Aquamicrobium속에 대한 추가적 조사가 필요할 것으로 보인다. Bradyrhizobium속은 조사 지점에서 평균적으로 차우점하였으며, 겨울철에 가장 높은 비율로 우점하고 있는 세균 속이다.
- 한편, 이번 연구는 향후 먹는물의 안전관리에 대한 미생물학적 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 생각된다. 현재 먹는물 중 미생물 검사는 환경부 먹는물수질공정시험기준에 따라 이루어지고 있다.
- 속 수준에서는 봄철에 Aquamicrobium속, 겨울철에는 Bradyrhizobium속이 우점하였으며, 우점하는 종을 포함한 특징적으로 나타나는 세균 속들에 대한 후속적 연구가 필요한 것으로 보인다. 한편, 인체 잠재적 병원성 세균속은 나타나지 않았으나, 녹농균(P. aeroginosa)에 대한 추가적 조사가 필요할 것으로 보인다.
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