독립영양·종속영양 미생물

왜 배우는가: 독립영양과 종속영양의 구분은 하수처리 공정에서 질소 제거 반응조의 산소 조건과 외부 탄소원 주입을 판단하는 근거가 되므로 실무에서 중요하다. 시험에서는 두 영양 유형을 비교 설명하는 문제로 여러 번 나왔으므로 정의와 비교 기준을 정확히 익혀 두어야 한다.

출제 이력: 제131회 1교시 13번, 제117회 1교시 13번, 제96회 1교시 9번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

독립영양미생물은 이산화탄소를 탄소원으로 삼아 유기물을 합성하고, 종속영양미생물은 유기물을 탄소원으로 이용한다.

미생물을 영양적으로 분류하는 기준은 세포 물질을 만드는 탄소원과 생장에 쓰는 에너지원이다. 생물은 탄소, 수소, 산소 외에 에너지와 전자 공급원이 있어야 생장할 수 있으므로, 두 기준을 함께 보아야 미생물의 영양 유형을 정확히 정할 수 있다. 독립영양과 종속영양의 구분은 이 가운데 탄소원의 종류에 따른 것이며, 에너지원이 빛인지 화학반응인지는 그 다음 단계의 구분이다. 예를 들어 Escherichia coli는 유기물에서 에너지와 탄소를 함께 얻는 화학합성 종속영양생물로 분류된다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 독립영양미생물: 탄소원으로 무기탄소인 이산화탄소를 고정하여 유기물을 합성하는 미생물이다.
• 종속영양미생물: 탄소원으로 포도당 같은 유기탄소 화합물을 얻는 미생물이다.
• 탄소원: 세포 물질을 합성하는 데 쓰이는 탄소의 공급원이다.
• 에너지원: 생장에 필요한 에너지를 얻는 공급원으로, 빛이나 화학반응이 해당한다.
• 화학합성: 무기 화합물을 산화하여 얻은 에너지로 유기물을 만드는 과정이다.
• 광합성: 빛 에너지로 이산화탄소를 환원하여 유기물을 만드는 과정이다.

2. 개념 풀이

독립영양미생물(autotroph)의 정식 정의는 다른 생물에 의존하지 않고 무기 화합물로부터 탄소를 얻어 세포 물질을 스스로 합성하는 미생물이다. 종속영양미생물(heterotroph)은 생육에 필요한 탄소를 유기 화합물에서 얻어야 하는 미생물이며, 다른 생물이 만든 유기물을 섭취하거나 분해하여 살아간다. 두 정의의 기준은 탄소원의 형태이고, 탄소원이 무기인지 유기인지가 분류의 출발점이 된다.

원리는 탄소의 산화 상태에서 찾는다. 이산화탄소의 탄소는 이미 가장 높은 산화 상태에 있으므로, 이를 세포 물질인 유기물로 바꾸려면 외부에서 환원력과 에너지를 공급받아야 한다. 독립영양미생물은 이 에너지를 빛 또는 무기물 산화에서 얻고, 얻은 환원력으로 이산화탄소를 환원하여 유기물을 만든다. 예를 들어 Nitrosomonas속은 암모니아를 산화하여 얻은 에너지로 이산화탄소를 고정하는 화학독립영양미생물이다.

종속영양미생물은 유기물을 산화하여 에너지를 얻고, 분해 산물의 탄소 골격을 그대로 세포 합성에 쓴다. 그래서 같은 양의 기질로 만드는 세포량인 세포 수율이 독립영양미생물보다 크다. 다만 유기물을 산화하는 과정에서 탄소의 상당 부분이 이산화탄소로 방출되므로, 모든 탄소가 세포로 전환되지는 않는다.

네 유형은 에너지원과 탄소원의 조합으로 나뉜다. 표에서 보듯 탄소원이 독립영양과 종속영양을, 에너지원이 광과 화학을 나눈다.

• 광독립영양미생물: 빛 에너지로 이산화탄소를 고정하는 미생물이며, 남조류가 대표적이다.
• 화학독립영양미생물: 암모니아, 아질산, 황화합물 같은 무기 화합물의 산화 에너지로 이산화탄소를 고정하는 미생물이다.
• 화학합성 종속영양미생물: 화학 에너지와 유기탄소를 함께 쓰는 미생물로, 하수처리 활성슬러지의 대부분 세균이 여기에 속한다.

3. 등장 배경과 필요성

하수처리장은 유입수의 유기물, 질소, 인을 미생물의 대사로 제거하는 시설이다. 이때 미생물이 어떤 탄소원을 쓰는지에 따라 반응조의 산소 조건, 유기물 공급량, 외부 탄소원 주입 여부가 달라진다. 그래서 영양 유형을 나누어 이해하는 일이 공정 설계와 운전의 출발점이 된다. 활성슬러지 공정에서 호기성 종속영양미생물이 유기물을 분해하여 플록을 형성한다. 플록은 세균과 원생동물이 점질물과 사상균 등으로 엉긴 덩어리이며, 유기물 제거의 실질적인 주체가 된다.

질소 제거 공정은 두 영양 유형의 역할 차이를 가장 잘 보여준다. 암모니아성 질소는 독립영양인 질화세균이 아질산을 거쳐 질산으로 산화한다. 이 산화 반응에는 산소가 필요하므로 호기 조건에서 진행된다. 생성된 질산은 종속영양인 탈질 세균이 무산소 조건에서 질소 가스로 환원한다. 탈질 세균은 일부 독립영양 그룹을 제외하면 종속영양이므로 반응조에 유기탄소원을 공급해야 한다. 유입수의 유기물이 부족하면 메탄올 같은 외부 탄소원을 주입하여 탈질 반응을 유지한다.