메탄산화세균은 메탄을 탄소원과 에너지원으로 활용하는 능력을 가진 세균으로, 크게 3가지 그룹으로 구분된다. 혐기적 산화에 대한 연구는 주로 consortia를 대상으로 이루어졌으며, 이는 황산염환원세균에 의해 발생하는 것으로 알려져 있다. 하지만 순수 배양체는 아직 분리되지 않았다. 메탄의 혐기적 산화 관련 경로로는 reverse methanogenesis, acetogenesis, methlogenesis 등이 제안되고 있으며, 이를 통해 메탄의 혐기적 산화능을 가진 consortia의 군집구조를 파악하는 연구가 활발하게 진행되고 있다.
<h1>생물학적 방법에 의한 매립지 메탄 관리</h1> <h2>메탄산화세균 및 메탄산화 기작</h2> <p>메탄을 유일 탄소원과 에너지원으로 활용하는 생육하는 세균을 메탄영양세균(methanotrohic bacteria) 혹은 메탄산화세균이라 한다. 메탄산화세균은 그람 음성의 호기성 세균으로, methane monooxygenase(MMO)라는 효소를 이용하여 메탄을 메탄올로 산화하고 최종적으로는 이산화탄소로 광물화(mineralization)한다(Fig. 1).</p> <p>메탄산화세균은 크게 3개의 그룹으로 구분된다(Table 2). Type Ⅰ 메탄산화세균은 gamma proteobacteria에 속하며 ribulose monophosphate(RuMP) pathway를 이용하여 formaldehyde를 동화한다. 세포벽의 주요 phospholipid fatty acids(PLFAs)는 14:0, \( 16: 1 \omega 7 \mathrm{c} \), \(16: 1 \omega 5 \mathrm{t} \)이고 G+C 함량은 \(49 \sim 60 \mathrm{~mol} \% \)이다. Methylomonas, Methylomicrobium, Methylobacter, Methylocaldum, Methylophaga, Methylosarcina, Methylothermus, Methylohalobius 및 Methylosphaera 등이 type 1에 속한다. Type II 메탄산화세균은 alpha proteobacteria에 속하며 serine pathway를 이용하여 formaldehyde를 동화한다. 세포벽의 주요 PLFA는 \( 18: 1 \omega 8 \mathrm{c} \)이고 G+C 함량은 \( 62 \sim 67 \mathrm{~mol} \% \)이고, Methylocystis, Methylocella, Methylocapsa 및 Methylosimus 등이 여기에 속한다. Type X 메탄산화세균은 Type I과 Type II의 특성을 모두 지닌 gamma proteobacteria에 속하는 세균으로 RuMP pathway와 serine pathway를 이용하여 formaldehyde를 동화한다. 세포벽의 주요 PLFAs는 16:0와 \( 16: 1 \omega 7 \mathrm{c} \)이고 G+C 함량은 \(59 \sim 65 \mathrm{ ~mol}\%\)이고, Methylococcus가 여기에 속한다.</p> <p>Methylococcus, Methylothermus 및 Methylocaldum 은 \(42 \sim 62^{\circ} \mathrm{C} \)에서 생육이 가능한 호열성 세균이고, Methylomonas, Methylobacter 및 Methylosphaera은 \( 5 \sim 15^{\circ} \mathrm{C} \)의 저온에서 생육하는 저온성 세균이다. Methylocystis 및 Methylosimus은 pH \(5 \sim5.5 \)의 산성 조건에서 생육 가능한 호산성 세균이다.</p> <p>메탄 산화에 가장 중요한 역할을 담당하는MMO는 세포막에 존재하는 particulate MMO(pMMO)와 세포질에 존재하는 soluble MMO(sMMO)의 2종류가 있다. pMMO는 Methylocella를 제외한 모든 메탄산화세균에 존재하나, sMMO는 type II와 type Ⅹ 메탄산화세균과 일부 type I 메탄 산화세균에만 존재한다. sMMO는 기질에 대한 특이성이 낮기 때문에, 메탄 뿐만 아니라 trichloroethylene, alkanes, alkenes와 aromatic 화합물을 산화할 수 있다. 한편, pMMO를 가진 메탄산화세균은 sMMO를 가진 메탄산화세균에 비해 빠르게 생장하고 메탄에 대한 특이성이 높다.</p> <p>pMMO는 메탄이 메탄올로 산화되는 반응을 촉매하는 Cu와 철을 함유하는 효소로, 이 효소의 구조유전자는 Methylococcus capsulatus Bath, Methylocystis sp. strain M 및 Methylosimus trichosporium OB3b로부터 분리되어 염기서열이 밝혀졌다. pMMO의 주요 기능 유전자인 pmoA 유전자는 호기성 메탄산화세균의 군집 다양성을 밝히는 미생물 생태학 연구를 위해 유용하게 사용되고 있다. 한편, 산소가 없는 환경하에서는 메탄은 혐기적 산화에 의해 소멸 될 수 있다. 메탄의 혐기적 산화는 주로 황산염이 풍부한 해양 퇴적물에서 다음과 같은 기작에 통해 메탄은 이산화탄소와 물로 최종산화 된다.</p> <p>\( \mathrm{CH}_{4(\mathrm{~g})}+\mathrm{SO}_{4(\mathrm{aq})}^{2-} \rightarrow \mathrm{HCO}_{3(\mathrm{aq})}^{-}+\mathrm{HS}_{(\mathrm{aq})}^{-}+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \)</p> <p>메탄의 혐기적 산화에 관한 연구는 consortia를 대상으로 진행되었으며, Desulfosarcina 및 Desulfococcus 등과 같은 황산염환원세균(sulfate-reducing bacteria)에 의해 일어나는 것으로 알려져 있으나, 순수 배양체는 아직까지 분리되지 않고 있다. 메탄의 혐기적 산화 관련 생화학적 경로로 reverse methanogenesis, acetogenesis 및 methlogenesis 등이 제안되고 있으며, 다양한 방법에 의해 메탄의 혐기적 산화능을 보이는 consortia의 군집구조를 밝히고자 하는 연구가 활발하게 진행되고 있다.</p>