[논문]주사전자현미경 분석을 활용한 자연환경 퇴적시료의 생물기원구조 관찰

박한범; 김진욱

doi:10.22807/kjmp.2020.33.3.165

주사전자현미경 분석을 활용한 자연환경 퇴적시료의 생물기원구조 관찰
Application of Scanning Electron Microscopy (SEM) for Biotically Induced Microstructure Observation in Sedimentary Sample of Natural Condition 원문보기

광물과 암석 = Korean journal of mineralogy and petrology, v.33 no.3, 2020년, pp.165 - 173

박한범 (연세대학교지구시스템과학과) , 김진욱 (연세대학교지구시스템과학과)

초록
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생물체의 활동 특히 미생물의 활동은 직·간접적으로 전 지구적으로 분포하는 퇴적물 및 암석 내부 광물의 형성 및 변형에 영향을 주고, 일부는 특징적인 생물기원구조를 형성한다. 특히, 특징적인 생물기원구조에 분포하는 광물은 기존에 알려진 무기적 과정을 통하여 형성되기 어려운 환경에서 형성되기도 하고, 무기적 과정을 통하여 형성된 광물과는 다른 물성 및 특성을 나타낸다. 이러한 생물체의 영향을 받아 형성된 생물기원구조에 대해 연구·분석하는 것은 새로운 광물 형성 메커니즘을 규명하는데 필수적이라 할 수 있다. 따라서 본 논문은 심해저 망간각 및 해저열수분출공 지역 미생물 매트 시료를 예로 들어, 주사전자현미경 분석을 통한 자연환경에 분포하는 생물기원구조 관찰에 대해 소개하고 분석방법, 장점 및 활용에 대해 설명하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

The activity of living microorganism directly or indirectly affects to the biomineralization in sediments and rocks that display the unique biotic structure. Minerals in the biotic structures showed unique properties and bypass the thermodynamic and kinetic barriers. Therefore, investigations on the biotically induced microstructure is essential to identify the new mineral formation mechanism by analyzing crystal structures and morphology at a nano-scale. The significant implication as well as advantages of using scanning electron microscopy to characterize the biotic structures were discussed in this paper for the examples of hydrothermal vent area microbial mat and deep-sea ferromanganese crust sample.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. Sample location of Fe-Mn crust on the bathymetry map of Magellan Seamount Cluster, western Pacific Seamount and microbial mat of north Fiji basin, southwest Pacific (https://maps.ngdc.noaa.gov/viewers/bathymetry/).
그림 Fig. 2. Representative secondary electron SEM micrographs and EDS of mineralized biotic structures in Fe-Mn crust showing a, b) ellipsoidal & capsule shaped microfossil encrusted with Fe-Mn oxide, c, d) cluster of microbial colony-like structures with ellipsoidal & capsuled shaped and sheat-like structures (arrow) in Fe-Mn crust.
그림 Fig. 3. Representative secondary electron SEM micrographs and EDS of mineralized biotic structures in Fe-Mn crust showing a, b, c, d) cluster of coccolith microfossils with CFA mineral.
그림 Fig. 4. Representative secondary electron SEM micrographs and EDS of mineralized biotic structures in hydrothermal vent area microbial mat showing a) short rod shaped microbial structure 2 μm in length, b) spherical to cocci shaped microbial structure with 5–10 μm diameter, c) sheath shaped microbial structure with 2 μm diameter and 40–80 μm length, d) 5 μm length curved to straight rod shaped microbial structure, e) a bunch of fresh surface rod shaped microbial structure, f) broken cross section of 2 μm diameter spherical to cocci shaped microbial structure with several holes, all of these structures were consist of iron oxide/oxyhydroxide mineral.
표 Table 1. Summary of biotically induced microstructure in Fe-Mn crust and microbial mat sample
그림 Fig. 5. Representative secondary electron SEM micrographs of a) rod shaped microbial structure, b) cross section of rod shaped microbial structure using FIB method, c) array of rod shaped microbial structure, d) cross section of rod shaped microbial structure array using FIB method.

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 광물-미생물 반응작용, 생물기원구조에 대해 규명하기 위해서는 나노-마이크론 사이즈의 분석이 가능한 전자현미경 분석이 필수불가결하다 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 자연 환경 지질 시료인 심해저 망간각(deep-sea ferromanganese crust; Fe-Mn crust) 및 해저열수분출공 지역 미생물 매트(hydrothermal vent area microbial mat) 시료를 대상으로 주사전자현미경(scanning electron microscopy; SEM)을 이용한 지질 시료 내 생물기원 구조 관찰의 장점 및 추가적인 활용방안에 대해 설명하고자 한다.
이번 연구에서 자연환경 시료에 분포하는 생물기원구조를 관찰·연구하는 방법 중 하나인 주사전자현미경 분석의 장점 및 활용방안에 대해 제시하였다.

제안 방법

망간각은 성장속도가 대략 2 mm/Ma로 매우 느리기 때문에, 주변 환경변화로 인한 층의 변화가 뚜렷한 것이 특징이다(Hein and Koschinsky, 2014). 본 연구에 사용한 망간각 시료 역시 비교적 잘 부서지는 조직(crumbled texture)을 보이며, 다공성(porous) 특성을 보이는 층과, 단단하고 조밀한 조직(blocky and dense texture)을 보이는 층으로 구분이 되었다. 주사전자현미경 분석을 통해 관찰한 생물기원구조도 이러한 층의 변화에 따라서 나타나는 양상이 일부 차이가 있음을 확인할 수 있었다.
집속 이온 빔은 주사전자현미경에 부착하여 운용하는 장비로, 일반적인 주사전자현미경 분석과 같은 방법으로 생물기원구조를 확인할 수 있을 뿐만 아니라, 원하는 생물기원구조에 대하여 절단면을 획득할 수 있다. 본 연구에서는 미생물 매트 시료에 분포하는 생물기원구조에 대하여 집속 이온 빔을 이용하여 절단면을 획득하였다.
분석 대상 시료들은 초저온 냉동고(deep freezer)에 보관한 후, 연세대학교 지구시스템과학과에 비치된 동결건조기(freeze-dryer)를 이용하여 분말 시료를 제작하였다. 분말 시료는 주사전자현미경 관찰을 위한 탄소(C) 테이프 위에 도포 한 후, 백금(Pt) 코팅기기를 이용하여 60초간 코팅하였다. 생물기원구조 관찰을 위해 연세대학교 공동 기기원에 비치된 주사전자현미경 장비(JEOL JSM7800F)를 이용하였으며, 가속전압 5–15 kV, 작동거리 7–10 mm 조건에서 관찰하였으며, 생물기원구조의 구성 성분 파악을 위하여 주사전자현미경에 부착된 에너지 분산 X선 스펙트럼 분석기를 활용하였다.
1). 분석 대상 시료들은 초저온 냉동고(deep freezer)에 보관한 후, 연세대학교 지구시스템과학과에 비치된 동결건조기(freeze-dryer)를 이용하여 분말 시료를 제작하였다. 분말 시료는 주사전자현미경 관찰을 위한 탄소(C) 테이프 위에 도포 한 후, 백금(Pt) 코팅기기를 이용하여 60초간 코팅하였다.
본 연구의 주요 분석 대상은 미생물의 반응으로 인한 생물기원구조 관찰 이므로, 주사전자현미경 분석을 위한 시료를 준비하였다. 분석 시료는 망간각 시료에 L.R. White Resin을 이용하여 굳힌 다음(Kim et al., 1995), 물리적인 힘을 이용하여 분쇄한 직경 1 cm 내외의 망간각 시료를 준비하여, 드러난 신선한 면에 대하여 관찰을 하였다. 생물기원구조 관찰을 위해 연세대학교 지구시스템과학과에 비치된 주사전자현미경 장비를(JEOL JSM-5610LV SEM) 이용하였으며, 가속전압(acceleration voltage) 20 kV, 작동거리(working distance) 9–21 mm 조건에서 관찰하였다.
생물기원구조 관찰을 위해 연세대학교 공동 기기원에 비치된 주사전자현미경 장비(JEOL JSM7800F)를 이용하였으며, 가속전압 5–15 kV, 작동거리 7–10 mm 조건에서 관찰하였으며, 생물기원구조의 구성 성분 파악을 위하여 주사전자현미경에 부착된 에너지 분산 X선 스펙트럼 분석기를 활용하였다.
생물기원구조 관찰을 위해 연세대학교 지구시스템과학과에 비치된 주사전자현미경 장비를(JEOL JSM-5610LV SEM) 이용하였으며, 가속전압(acceleration voltage) 20 kV, 작동거리(working distance) 9–21 mm 조건에서 관찰하였다.
, 2019). 짧은 막대 모양 생물기원구조(Fig. 5a) 및 일 열로 배열된 막대다발 모양 생물기원구조에(Fig. 5c) 대하여 집속 이온 빔을 이용하여 각각 생물기원구조의 절단면을 획득하였다(Fig 5b and d). 막대 모양의 구조 절단면을 보면 내부에는 중앙 구멍이 위치하고, 구조의 바깥부분에는 바늘모양의 구조가 분포하는 것을 선명하게 확인할 수 있었다(Fig.
생물기원구조 관찰을 위해 연세대학교 공동 기기원에 비치된 주사전자현미경 장비(JEOL JSM7800F)를 이용하였으며, 가속전압 5–15 kV, 작동거리 7–10 mm 조건에서 관찰하였으며, 생물기원구조의 구성 성분 파악을 위하여 주사전자현미경에 부착된 에너지 분산 X선 스펙트럼 분석기를 활용하였다. 추가적으로 생물기원 구조에 대하여 절단면 관찰을 위해 집속 이온 빔(focused ion beam; FIB) (JEOL JIB4610F FEG 1KV-30KV)을 이용하여 120 nm 두께로 절삭하였다. 집속 이온 빔은 주사전자현미경에 부착하여 운용하는 장비로, 일반적인 주사전자현미경 분석과 같은 방법으로 생물기원구조를 확인할 수 있을 뿐만 아니라, 원하는 생물기원구조에 대하여 절단면을 획득할 수 있다.
생물기원구조 관찰을 위해 연세대학교 지구시스템과학과에 비치된 주사전자현미경 장비를(JEOL JSM-5610LV SEM) 이용하였으며, 가속전압(acceleration voltage) 20 kV, 작동거리(working distance) 9–21 mm 조건에서 관찰하였다. 추가적으로 생물기원구조의 구성 성분을 파악하기 위하여 주사전 자현미경에 부착된 에너지 분산 X선 스펙트럼 분석기(energy dispersive X-ray spectroscopy; EDS)를 활용하였다.
이러한 분석을 통해 미생물-광물간 반응작용에 대한 연구 중 기본이 될 수 있는 생물기원구조 분석에 있어 활용하기에 가장 용이한 분석이며, 적합한 분석임을 확인하였다. 추가적으로 주사전자현미경에 여러 기기들을 부착하여 동시에 이용할 수 있는데, 나노단위 및 원자단위의 광물분석, 화학결합구조 분석, 최신의 전자에너지손실분광-스펙트럼 영상법(electron energy loss spectroscopy-spectrum image; EELS-SI)과 같은 분석을 위한 투과전자현미경 시편 제작이 가능한 집속 이온 빔 장비를 이용할 수 있어, 지질시료 특히 미생물 매트 생물기원구조 시료 심층분석에 대한 활용성을 확인하였다. 이러한 분석방법은 향후 미생물광물작용의 직접적 증거 제시와 생지구화학적 광물 반응 작용 규명, 이를 활용한 광물 형성의 새로운 메커니즘 제시에 많은 도움이 될 것으로 예상된다.

대상 데이터

남서태평양 북피지분지(North Fiji Basin)에 분포하는 해저열수분출공 지역 중, 비활동성 해저열수분출공 인근에 분포하는 미생물 매트 시료에 대하여, 원격조종 무인잠수정(remotely operated vehicle; ROV)을 활용하여 채취하였다(Fig. 1). 분석 대상 시료들은 초저온 냉동고(deep freezer)에 보관한 후, 연세대학교 지구시스템과학과에 비치된 동결건조기(freeze-dryer)를 이용하여 분말 시료를 제작하였다.
1). 본 연구의 주요 분석 대상은 미생물의 반응으로 인한 생물기원구조 관찰 이므로, 주사전자현미경 분석을 위한 시료를 준비하였다. 분석 시료는 망간각 시료에 L.
서태평양 마젤란 해저산군(Magellan seamount cluster)에서 드렛지를 이용하여 채취한 심해저 망간각 시료를 본 연구에 사용하였다(Fig. 1). 본 연구의 주요 분석 대상은 미생물의 반응으로 인한 생물기원구조 관찰 이므로, 주사전자현미경 분석을 위한 시료를 준비하였다.

성능/효과

2.5 μm의 길이, 0.5 μm의 폭을 보이는 짧은 막대 모양(rod shaped)의 생물기원구조(Fig. 4a), 5–10 μm 직경의 구형 및 구균 모양(spherical to cocci shaped)의 생물기원구조(Fig. 4b), 직경 2–3 μm, 40–80 μm 길이의 시스 모양(sheath shaped)의 생물기원구조(Fig. 4c), 5 μm 길이의 일렬로 나열된 직선형–곡선형의 막대 모양의 생물기원구조(Fig. 4d), 2 μm 길이의 막대다발 모양의 생물기원구조(Fig. 4e), 2 μm 직경의 구형 및 구균모양의 생물기원구조가 절단된 단면이 관찰되었다(Fig. 4f).
5c) 대하여 집속 이온 빔을 이용하여 각각 생물기원구조의 절단면을 획득하였다(Fig 5b and d). 막대 모양의 구조 절단면을 보면 내부에는 중앙 구멍이 위치하고, 구조의 바깥부분에는 바늘모양의 구조가 분포하는 것을 선명하게 확인할 수 있었다(Fig. 5b). 막대다발 모양의 구조 절단면에는 중앙 부분에 공간이 비어있는 파이프 모양의 구조가 위치하고, 그 구조 위 아래로 돌기 형태로 구조들이 분포하고 있는 것을 확인할 수 있었다(Fig.
5b). 막대다발 모양의 구조 절단면에는 중앙 부분에 공간이 비어있는 파이프 모양의 구조가 위치하고, 그 구조 위 아래로 돌기 형태로 구조들이 분포하고 있는 것을 확인할 수 있었다(Fig. 5d). 집속 이온 빔을 이용하여 획득한 절단면 시료는 나노미터 단위의 얇은 두께로 시료를 제작할 수 있어 주사전자현미경 분석뿐만 아니라, 투과전자현미경 시편으로도 활용할 수 있으며, 제작한 시편을 투과전자현미경을 이용하여 나노미터 크기의 국소부위에 대해 광물구조분석, 화학결합구조분석 등 고차원적 분석에 활용할 수 있다.
망간각 시료 내에서 나타나는 다른 생물기원구조로 코콜리드 화석군집(coccolith microfossil mound)을 확인할 수 있었다(Fig. 3). 코콜리드 화석군집은 다공성층에서도 일부 나타났지만, 조밀한 조직을 보이는 층에서 더욱 우세하게 나타났다.
망간각 시료 전체에 대하여 주요하게 보이는 생물기원구조로써, 1 μm–5 μm의 크기의 타원체 모양(ellipsoidal shaped) 및 캡슐 모양(capsule shaped) 생물기원구조가 관찰되었고(Fig. 2a and b), 타원체 및 캡슐 모양의 생물기원구조와 함께 무작위하게 분포된 직경 1 μm 미만의 원통형의 빈 공간(sub-micron cylindrical void space)을 보이는 시스 모양의 튜브(sheath-like tube) 구조가 관찰되었다(Fig. 2c and d).
일반적인 주사전자현미경 분석은, 분석 접근의 용이성 이 있고 분석 과정 및 결과가 직관적이어서 많은 연구자들이 가장 많이 활용하는 분석 중 하나다. 이러한 분석을 통해 미생물-광물간 반응작용에 대한 연구 중 기본이 될 수 있는 생물기원구조 분석에 있어 활용하기에 가장 용이한 분석이며, 적합한 분석임을 확인하였다. 추가적으로 주사전자현미경에 여러 기기들을 부착하여 동시에 이용할 수 있는데, 나노단위 및 원자단위의 광물분석, 화학결합구조 분석, 최신의 전자에너지손실분광-스펙트럼 영상법(electron energy loss spectroscopy-spectrum image; EELS-SI)과 같은 분석을 위한 투과전자현미경 시편 제작이 가능한 집속 이온 빔 장비를 이용할 수 있어, 지질시료 특히 미생물 매트 생물기원구조 시료 심층분석에 대한 활용성을 확인하였다.
2d). 이러한 생물기원구조에 대하여 에너지 분산 X선 분석을 통해 구성성분을 분석한 결과, 망간각의 주 구성광물인 철-부화 버나다이트(Fe-rich vernadite) 광물과 유사한 성분으로 구성된 것을 확인할 수 있었고, 이를 통해 생물기원구조가 망간각의 주 구성성분으로 화석화(fossilized)된 것을 알 수 있었다. 특징적으로 나타나는 생물기원구조는 기존에 보고된 망간각 형성 환경에서 생장할 수 있는 망간 및 철 산화 미생물과(Larok and Ehrlich, 1975; Wang et al.
4f). 일부 생물기원구조의 표면을 제외하고(Fig. 4e), 미생물 매트 내에 분포하는 생물기원구조 대부분에서(Fig. 4a, b, c, d and f) 표면에 바늘 모양의 구조(needle shaped structure)가 형성된 것이 관찰되었으며, 에너지 분산 X선 분석 결과 생물기원구조들은 철산화광물로 구성이 되어 화석화 된 것을 확인하였다. 특히, 시스 모양의 구조는 철 관련 미생물이 대사과정을 통해 형성하는 생물기원구조와 그 모양이 매우 유사함을 확인하였으며(Fig.
주사전자현미경 분석을 통하여 관찰한 결과 본 연구에서 사용한 미생물 매트 시료 내부에는 다양한 모양과 크기를 가지는 생물기원구조가 관찰되었다(Fig. 4). 2.
본 연구에 사용한 망간각 시료 역시 비교적 잘 부서지는 조직(crumbled texture)을 보이며, 다공성(porous) 특성을 보이는 층과, 단단하고 조밀한 조직(blocky and dense texture)을 보이는 층으로 구분이 되었다. 주사전자현미경 분석을 통해 관찰한 생물기원구조도 이러한 층의 변화에 따라서 나타나는 양상이 일부 차이가 있음을 확인할 수 있었다.

후속연구

, 2019), 본 연구에 사용한 시료에서도 비슷한 층의 양상이 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 특정한 생물기원구조가 퇴적물 및 암석 형성 당시의 환경해석에 활용할 수 있을 것으로 사료된다.
추가적으로 주사전자현미경에 여러 기기들을 부착하여 동시에 이용할 수 있는데, 나노단위 및 원자단위의 광물분석, 화학결합구조 분석, 최신의 전자에너지손실분광-스펙트럼 영상법(electron energy loss spectroscopy-spectrum image; EELS-SI)과 같은 분석을 위한 투과전자현미경 시편 제작이 가능한 집속 이온 빔 장비를 이용할 수 있어, 지질시료 특히 미생물 매트 생물기원구조 시료 심층분석에 대한 활용성을 확인하였다. 이러한 분석방법은 향후 미생물광물작용의 직접적 증거 제시와 생지구화학적 광물 반응 작용 규명, 이를 활용한 광물 형성의 새로운 메커니즘 제시에 많은 도움이 될 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	망간각의 특징은 무엇인가?	망간각은 성장속도가 대략 2 mm/Ma로 매우 느리기 때문에, 주변 환경변화로 인한 층의 변화가 뚜렷한 것이 특징이다(Hein and Koschinsky, 2014). 본 연구에 사용한 망간각 시료 역시 비교적 잘 부서지는 조직(crumbled texture)을 보이며, 다공성(porous) 특성을 보이는 층과, 단단하고 조밀한 조직(blocky and dense texture)을 보이는 층으로 구분이 되었다.
	코콜리드 화석군집에서 관찰되는 코콜리드의 구성적 특징은 무엇인가?	코콜리드 화석군집은 다공성층에서도 일부 나타났지만, 조밀한 조직을 보이는 층에서 더욱 우세하게 나타났다. 코콜리드는 10 μm내외의 크기를 보이며, 에너지 분산 X선 분석 결과 칼슘(Ca), 인(P). 플루오르(F)가 나타나는 칼슘 플루오르인회석(calcium fluorapatite; CFA)광물로 구성된 것을 확인하였다. 코콜리드는 대양에 분포하는 식물성 플랑크톤의 한 종류로, 3400 만년(34 Ma) 및 2300 만년(23 Ma) 전, 해수의 온도가 높았던 시기에 특징적으로 우세하게 분포하였던 것으로 알려져 있어, 이와 관련된 생물기원구조를 기준층(key bed)으로 사용할 수 있다.
	망간각 시료 전체에 대하여 주요하게 보이는 생물기원구조에는 무엇이 있는가?	, 2018), 추가적으로 이와 다른 모양 및 조직을 보이는 특징적인 생물기원구조도 관찰되었다. 망간각 시료 전체에 대하여 주요하게 보이는 생물기원구조로써, 1 μm–5 μm의 크기의 타원체 모양(ellipsoidal shaped) 및 캡슐 모양(capsule shaped) 생물기원구조가 관찰되었고(Fig. 2a and b), 타원체 및 캡슐 모양의 생물기원구조와 함께 무작위하게 분포된 직경 1 μm 미만의 원통형의 빈 공간(sub-micron cylindrical void space)을 보이는 시스 모양의 튜브(sheath-like tube) 구조가 관찰되었다(Fig. 2c and d).

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원문보기 상세보기
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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