염소로 치환된 화학물질은 사회 전체에 미치는 유용한 기능의 호스트로 작용하지만, 어두운 이면을 가지고 있다. 이러한 물질이 일단 수명을 다한 후 종종 환경 오염물질이 되어 생물학적 환경정화(bioremediation)에 저항하기 때문이다.
미국 애리조나 주립대학(Arizona State University) 산하 바이오디자인 연구소 소속의 연구원인 Anca Delgado가 수행한 일련의 연구는 TCE(trichloroethene) 같은 해로운 염소로 치환된 화학물질을 에텐(ethene)으로 전환시키는 독특한 미생물 군을 조사했다. 새로운 연구는 디할로코코이드(Dehalococcoides)라고 알려진 미생물 군의 대사 활동을 조사하여, 염소로 치환된 화합물이 관여하는 환경 정화 프로젝트에 대한 효율을 개선하는 전략을 제안했다.
디할로코코이드는 1997년 이후 과학 지도에 공식적으로 출현했다고 Delgado는 밝혔다. 디할로코코이드는 생물학적 정화에 상당히 중요한 유일한 미생물로 남아 있다고 Delgado는 덧붙였다. 20년 가까이 우리는 TCE 같은 화학물질을 에텐으로 전환하는 환원적 탈염소 반응(reductive dechlorination)을 수행할 수 있는 다른 박테리아를 발견하지 못했다.
이 연구에서 초점을 맞춘 TCE는 가장 흔한 염소로 치환된 화학물질 중 하나이다. 미국 LPL(National Priorities List) 슈퍼펀드 사이트의 약 60%와 국가 지하수 자원의 약 20%가 TCE 같은 염소가 치환된 용매로 오염되어 있다. TCE는 달콤한 냄새와 비인화성 액체 할로겐화탄소(halocarbon)이다. 드라이클리닝에서 금속과 다른 구성원소의 정화 및 기름 제거에 이르는 응용분야에서 효과적인 산업 용매로 작용하는 자체적인 특성을 이유로 TCE는 광범위하게 사용됐다.
그러나 TCE는 수많은 원하지 않는 건강 부작용 효과를 생성한다. TCE 노출과 관련된 가장 걱정스러운 피해는 암이다. 2011년 미국 환경보호청(EPA; Environmental Protection Agency)은 최종 건강 평가를 수정하여 TCE를 인간 발암성으로 공식적으로 인정했다. TCE의 부적절한 폐기는 인간 건강과 수자원에 주요 위협이 되고 있으며, 환경으로 유입되어 발암성 피해와 정화와 관련된 상당한 문제를 낳고 있다.
혐기성 박테리아 집단인 디할로코코이드(Dehalococcoides mccartyi)는 호흡 기전의 일환으로 TCE를 이용하여 성장과 번성을 가능하게 하는 독특한 대사 공정을 수행한다. 이 박테리아는 전자 수용체(electron acceptor)로 염소로 치환된 용매를 이용하며, 이것은 박테리아가 염소로 치환된 용매를 호흡한다는 것을 의미한다고 이 논문을 지도한 Rosa Krajmalnik-Brown 조교수는 밝혔다. 염소로 치환된 용매가 이 박테리아에게는 산소와 같다고 Krajmalnik-Brown은 밝혔다.
디할로코코이드가 유해한 화학물질을 먼저 cis-DCE(cis-dichlroethene)로 이후 중간적인 염소로 치환된 부산물인 염화비닐(vinyl chloride) 및 최종적으로는 환경적으로 유순하고 염소를 포함하지 않는 최종 산물인 에텐으로 전환할 수 있기 때문에, 디할로코코이드는 TCE로 오염된 지역의 생물 복원을 위한 귀중한 도구가 됐다. Krajmalnik-Brown은 지금까지 에텐이 생성되는 위치에서 디할로코코이드가 존재하는 것을 확인했다고 지적했다.
그러나 한 가지 문제가 있다. 일부 사례에서, 디할로코코이드는 중간 단계 반응에서 멈추어 연속적으로 두 가지 화학물질인 cis-DCE와 염화비닐을 생성하여, TCE를 에텐으로 완벽하게 전환하는 데 실패한다. 염화비닐은 원래의 물질인 TCE보다 더 용이하게 확산될 수 있기 때문에, 인간 발암성으로 환경에서 깊은 관심을 받고 있다.
이 연구의 초점은 TCE가 에텐으로 전환되는 반응이 일어나는 동안 반응이 중단되는 것과 관련된 특성을 결정하는 데 있다. 초기 연구는 주어진 생물 정화 위치에서 디할로코코이드가 TCE를 에텐으로 완전한 분해를 완성하기 위하여 요구되는 필수적인 기계류가 부족하다고 제안했다. 보완 설명은 디할로코코이드가 공정 동안 왜 그런지 방해받고 있다고 제안했다.
반응의 중단에 대한 설명은 다음과 같다. 디할로코코이드는 호흡 주기를 위하여 전자 공여체(electron donor)로 수소(hydrogen)를 필요로 한다. 현재 실험은 일부 사례에서 디할로코코이드는 토양 또는 침전물에 존재하는 다양한 다른 미생물과 수소에 대하여 경쟁한다.
루마니아, 푸에르토리코 및 사우스캐롤라이나 등의 토양과 침전물 시료가 조사됐다. 첫 두 개의 시료는 오염되지 않은 반면, 세 번째 시료는 TCE와 유사한 염소로 치환된 화학물질인 PCE로 오염된 지역인 사우스캐롤라이나 패리스 아일랜드(Parris Island) 군대 기지에서 추출됐다.
세 시료는 모두 주어진 지역의 일반적인 환경 조건을 시료 병에 복제하여 복원 효과가 정확하게 분석될 수 있는 미생물 연구에 사용됐다. 연구는 폭넓은 미생물 다양성을 품고 있는 지역이 수소가 필수적인 디할로코코이드와 경쟁할 수 있는 다수의 박테리아를 함유하고 있기 때문에, cis-DCE 단계에서 염소로 치환된 화합물의 분해의 정지를 유발하는 것으로 증명됐다.
사우스캐롤라이나에서 추출된 오염된 시료에서, 디할로코코이드는 염소로 치환된 화학물질이 에텐으로 완전히 산화되는 데 성공했다. 저자들은 침전물에 함유된 독성 오염물질이 미생물 다양성을 제한하도록 거동하여, 디할로코코이드가 수소에 접근하는 것이 더 용이하도록 하는 것으로 짐작했다.
루마니아와 푸에르토리코 시료에서, 번성하기 위한 디할로코코이드를 위한 조건은 디할로코코이드의 전자 수용체와 경쟁하는 미생물을 가진 토양을 제거함으로써 생성됐다. 따라서 중간 단계의 반응 중단이 극복되어, TCE에서 에텐으로 전환되는 반응이 성공했다. 동일한 결과는 혼합된 미생물 배양액으로부터 부가적인 디할로코코이드를 가진 풍부한 소규모 축소판에 의해 얻어졌다.
새로운 연구의 추가적인 발견은 탄산염 광물(carbonate mineral)이 메탄 생성 미생물(methanogen)과 아세토젠(acetogen)과 같은 경쟁 미생물에 대한 전자 수용체로 작용하며 토양과 물에 자연적으로 존재하여, 수소에 대하여 디할로코코이드와 경쟁하는 데 도움을 준다는 점이다. 오염된 지역에서 탄산염의 추가를 제한하는 것이 TCE를 에텐으로 완전하게 환원시키는 디할로코코이드의 능력을 강화할 수 있다는 것을 보여 주었다.
연구진은 이 두 연구에서 얻은 지식을 연속적인 생물 반응기 실험에서 생분해 가능한 배양액을 성장시키는데 사용했다. 연구진은 디할로코코이드가 높은 밀도에서 성장될 수 있으며, 디할로코코이드가 중탄산염(bicarbonate)이 최적의 값으로 미세하게 조정되어, 경쟁자를 허용하지 않는 조건 하에서 더 신속한 속도로 환원적 탈염소 반응을 수행할 수 있다는 것을 증명했다. 현재 Delgado와 Krajmalnik-Brown은 오염된 지역에서 디할로코코이드로 오염된 배양액을 최적화하는 테스트를 수행하기 위하여 생물 복원 기업과 계약을 체결할 예정이다.
그림1> 애리조나 주립대학 바이오디자인 연구소 소속의 Anca Delgado
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2014년 7월 1일]
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Managing specialized microbes to clean stubborn chemicals from the environment
Chlorinated chemicals perform a host of societally useful functions, but they also have a dark side. Once their use life has ended, such agents often become environmental contaminants, sometimes resistant to bioremediation.
In a series of new studies, Anca Delgado, a researcher at Arizona State University's Biodesign Institute, examines unique groups of microorganisms, capable of converting hazardous chlorinated chemicals like trichloroetheene (TCE) into ethene, a benign end product of microbial biodegradation.
The research was conducted as part of her doctorate work under the guidance of associate professor Rosa Krajmalnik-Brown at Biodesign's Swette Center for Environmental Biotechnology. Results of the most recent of three studies appear in the current, advanced online edition of the journal PLOS ONE.
The new studies explore the metabolic activities of a group of microbes known as Dehalococcoides, and propose strategies to improve their effectiveness for environmental cleanup projects involving chlorinated chemicals.
"Dehalococcoides have been officially on the scientific map since 1997," Delgado says, noting that they remain the only microorganisms of their kind, and therefore of great importance for bioremediation. "In close to 20 years we have not discovered other bacteria that can perform reductive dechlorination of chemicals like TCE all the way to ethene."
Trichloroethene – focus of the current studies – is one of the most ubiquitous chlorinated chemicals. Approximately 60 percent of the U.S. National Priorities List Superfund sites and roughly 20 percent of the national groundwater sources are contaminated with chlorinated solvents, such as TCE. TCE is a sweet-smelling, non-flammable liquid halocarbon that was widely used in the past century because of its properties as an effective industrial solvent, with applications ranging from dry cleaning to the cleaning and degreasing of an enormous range of metal and other components.
TCE produces many undesirable health side effects. The most alarming hazard associated with TCE exposure is cancer. In 2011, the United States Environmental Protection Agency revised its Final Health Assessment for Trichloroethylene, formally identifying TCE as a human carcinogen.
Improper disposal of TCE (and related chlorinated chemicals) is a major threat to human health and water sources due to the volume of these chemicals that have found their way into the environment, the resulting carcinogenic hazard and the significant challenges involved in cleanup.
Enter Dehalococcoides mccartyi, a group of anaerobic bacteria whose unique metabolic processes allow them to grow and thrive, using TCE as part of their respiratory machinery.
"They use these chlorinated solvents as their electron acceptor, which means they respire them," Krajmalnik-Brown says. "It's like their oxygen." (Just what Dehalococcoides was living on before the introduction of TCE remains an unresolved puzzle.)
Reductive dechlorination reactions are shown. Credit: The Biodesign Institute
Dehalococcoides have become an invaluable tool for the bioremediation of sites contaminated with TCE because they can convert the hazardous chemical first into cis-dichlroethene (cis-DCE), then to vinyl chloride, intermediary chlorinated byproducts, and finally into ethene, an environmentally benign, non-chlorinated end-product. As Krajmalnik-Brown notes "to date, every time we see a site where ethene is being produced, Dehalococcoides are present."
There's one problem, however. In some cases, Dehalococcoides fail to complete the transformation of TCE into ethene, stalling at the mid-stage reaction and sequentially producing two chemicals: cis-DCE and vinyl chloride. The latter is a human carcinogen and of grave concern in the environment, as it can disperse more readily than the original TCE.
The primary focus of the PLOS ONE study was to determine the nature of this stalling during the TCE-to-ethene reaction. Earlier studies had proposed that Dehalococcoides at a given bioremediation site lacked the necessary machinery required to complete the full breakdown of TCE into ethene. An alternate explanation suggested that Dehalococcoides was somehow inhibited during the process.
Delgado's work points to another explanation and a plausible means for rectifying the stalling problem. Dehalococcoides require hydrogen (H2) as an electron donor for their respiratory cycle. The current experiments proved that in some cases, Dehalococcoides are out-competed for hydrogen by a variety of other microorganisms present in the soil or sediment.
Samples of soil and sediment from three sites (Romania, Puerto Rico and South Carolina) were examined. The first two samples were uncontaminated while the third was extracted from a military base in Parris Island, South Carolina – a site contaminated with PCE, a chlorinated chemical similar to TCE.
All three samples were used in microcosm studies where general environmental conditions of a given site are replicated in a sample bottle and remediation effects can be acutely analyzed. The studies demonstrated that sites bearing wide microbial diversity (such as the uncontaminated Romanian and Puerto Rican samples) contained large numbers of bacteria capable of out-competing Dehalococcoides for essential hydrogen, thereby causing the breakdown of chlorinated chemicals to stall at the cis-DCE phase.
In the case of the contaminated sample from South Carolina, Dehalococcoides was successful in the full reduction of chlorinated chemical to ethene. The authors speculate that the toxic contaminant in the sediment likely acted to limit microbial diversity, allowing Dehalococcoides better access to hydrogen.
In the Romanian and Puerto Rican soil samples, conditions for Dehalococcoides to thrive were created by removing the soil with the competing microbes and their respective electron acceptors (presumably present in the solid phase). Thus, the mid-stage stalling was overcome and the reaction from TCE to ethene was successful. The same outcome was also obtained by enriching microcosms with additional Dehalococcoides from a mixed microbial culture.
A further discovery of the new research is that carbonate minerals naturally present in water and soil act as electron acceptors for competing microbes like methanogens and acetogens, helping them grow and outcompete Dehalococcoides for hydrogen. This was also systematically demonstrated in Delgado's previous study. Limiting the addition of carbonates (commonly used to raise the aquifer pH) in contaminated sites should also enhance the ability of Dehalococcoides to fully reduce TCE to ethene.
Delgado and her colleagues used the knowledge gathered in these two studies to grow biodegrading cultures in continuous bioreactor experiments, demonstrating that Dehalococcoides could be grown at high density and perform reductive dechlorination at faster rates under conditions where bicarbonate was finely adjusted to optimum values, depriving competitors (paper). Currently, Delgado and Krajmalnik-Brown are contacting bioremediation companies to test these optimized Dehalococcoides-containing cultures at contaminated sites.
"One of the implications of this study that we consider important is understanding your contaminated site – linking the chemistry and microbiology from the very beginning is very important," Delgado says. The stakes for human health are enormous, as effective cleanup of innumerable sites around the world contaminated with chlorinated chemicals remains a daunting societal challenge.
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염소로 치환된 화학물질은 사회 전체에 미치는 유용한 기능의 호스트로 작용하지만, 어두운 이면을 가지고 있다. 이러한 물질이 일단 수명을 다한 후 종종 환경 오염물질이 되어 생물학적 환경정화(bioremediation)에 저항하기 때문이다. 
