영국 케임브리지 대학(University of Cambridge)이 주도하는 국제 연구팀은 광합성 해양 시아노박테리아(photosynthetic marine cyanobacteria)가 해양에서 매년 엄청난 양의 탄화수소를 생성하는 것으로 추정했다. 해양 시아노박테리아는 탄화수소를 먹이로 섭취하는 또 다른 박테리아 개체의 서식을 지탱해 준다.
이 연구는 PNAS(Proceedings of the National Academy of Sciences)에 발표됐으며, 연구팀은 실험실에서 성장한 시아노박테리아에서 많은 양의 탄화수소를 측정하여 해양에서 생성된 양을 추정하는 자료로 사용했다.
비록 각각의 개별적인 세포가 극소량의 탄화수소를 함유한다고 할지라도, 연구진은 전 세계적으로 가장 풍부한 시아노박테리아인 프로클로로코커스(Prochlorococcus)와 시네코코커스(Synechococcus)에 의해 생성되는 양이 해양에서 특정 시간에 2백만 톤 이상이라고 추정했다. 이 결과는 두 가지 집단만으로 연간 약 3억 800만~7억 770만 톤의 탄화수소를 생성하고 있으며, 해양에서 오염되지 않은 지역에서 특정 시간의 농도는 시아노박테리아가 생산한 탄화수소를 다른 박테리아가 분해하기 때문임을 암시한다.
탄화수소는 미량의 원유 오염이 있는 지역의 해양에서조차 산재하는 물질이지만, 현재까지 살아있는 해양 유기체에 의해 지속적으로 생성되는 양은 인식되지 않았다. 실험실 연구를 기반으로 연구팀은 최소 2가지 시아노박테리아 그룹이 탄화수소의 대량 생산에 책임이 있으며, 이렇게 생산된 탄화수소를 다른 박테리아가 분해하여 섭취한다고 이 연구의 선임 저자인 Christopher Howe 교수는 밝혔다.
2010년 딥워터 호라이즌 오일 유출 사건이 발생한 후, 멕시코만에 서식하는 미생물은 깊은 해수 유정에서 뿜어나와 배출되는 탄화수소의 상당한 양을 집어삼킬 듯이 흡수했다. 새로운 연구는 이와 같은 미생물이 어떤 이유로 광합성 시아노박테리아에 의해 생성된 알칸인 대량의 오일 유출(oil spills)이 없는 상태에서 서식할 수 있는지에 대한 설명을 제공했다.
인간은 박테리아가 오일 유출을 분해하는데 상당한 역할을 하는 것으로 알고 있다고 이 연구를 주도한 영국 케임브리지 대학 소속의 David Lea-Smith는 밝혔다. 녹조류로 알려진 시아노박테리아(cyanobacteria)가 탄화수소(hydrocarbon)를 합성할 수 있다는 사실 역시 알려져 있다. 새로운 연구에서 Lea-Smith와 워릭 대학(University of Warwick) 소속의 연구진과 MIT(Massachusetts Institute of Technology) 소속의 동료 연구진으로 구성된 연구팀은 미생물의 전 세계 탄화수소 생산(global hydrocarbon production)을 추정했다.
연구진은 해양에서 가장 풍부한 2가지 시아노박테리인 프로클로로코커스(Prochlorococcus)와 시네코코커스(Synechococcus) 등의 유전자를 배양한 후 세포 당 생산된 탄화수소의 양을 측정했다. 시아노박테리아는 주로 직쇄 탄화수소, 펜타데칸(pentadecane), 헵타데칸(heptadecane) 및 8-헵타데센(8-heptadecene) 등을 생성했다.
프로클로로코커스와 시네코코커스에 대한 해양 개체수 자료를 이용하여, 연구팀은 시아노박테리아가 매년 8억 톤에 이르는 탄화수소를 생산한다고 추정했다. 이와 비교해서, 미국은 2014년 약 7억 톤의 석유를 생산했다고 미국 에너지정보국(Energy Information Administration)은 밝혔다.
또 연구진은 탄화수소 분해 박테리아가 낮은 수준의 헵타데칸 존재 조건에서 서식 및 성장할 수 있다는 것을 증명했으며, 이러한 증명을 토대로 과학자들은 이 미생물이 시아노박테리아에 의해 생성된 알칸으로 생존할 수 있다고 제안했다.
딥워터 호라이즌 사전이 발생한 동안 오일의 생물분해를 연구했던 미국 캘리포니아 대학 산타바바라 캠퍼스 소속의 생물지구화학자인 David L. Valentine은 이 연구의 결과가 흥미롭다고 밝혔다. 그러나 그는 오일 분해 박테리아가 오일에 함유되어 있는 방향성 화합물과 고리형 화합물과 같은 복잡한 유형의 탄화수소를 분해할 수 있다고 지적했다.
과학자들은 시아노박테리아가 단기 탄화수소 순환으로 언급되는 생물지구화학적 순환(biogeochemical cycle)에 중요한 핵심 역할자라고 주장하고 있다. 이 연구는 시아노박테리아에 의해 생산된 탄화수소의 양이 사고로 기인한 오일 유출 또는 자연적인 누출에 의해 해수로 배출된 원유의 양을 축소한다고 제안했다.
이 연구는 해양 탄화수소 순환(hydrocarbon cycle)에서 시아노박테리아의 역할을 증명했으며, 이러한 공정이 대규모로 일어난다는 것을 규명했다. 담수, 해양 및 육상 환경 등에 시아노박테리아의 확산된 분포와 탄화수소를 분해하는 박테리아는 탄화수소 순환이 수많은 자연적인 생태계에 만연해 있다는 사실을 제안했다.
그러나 시아노박테리아에 의해 생성된 탄화수소는 다른 박테리아에 의해 지속적으로 분해되어 전체적인 농도는 낮은 수준으로 유지되고 있다. 오일 유출과 같은 사건이 일어날 때, 탄화수소를 분해하는 박테리아는 주요 에너지 공급원의 급작스러운 지역적인 증가로 추진된 급속한 개체수 확대와 함께 갑자기 행동을 개시하는 것으로 알려져 있다.
오일 유출은 확산된 피해를 유발하지만, 해양 환경의 일부는 다른 부분보다 훨씬 더 빠르게 회복된다. 이러한 순환은 탄화수소 생성과 탄화수소 분해 박테리아가 서로서로 평형을 이루고 존재하며, 오일 유출이 발생할 때 탄화수소 분해 박테리아가 증식된다는 것을 의미한다. 그러나 이러한 박테리아는 오일 유출로 인한 생태계에 초래된 피해를 복구할 수는 없다.
연구진은 이 연구 결과가 해양에서 성장하는 시아노박테리아에 대한 직접적인 측정을 통해 뒷받침될 수 있는 테스트가 필요하다고 강조했다. 또 연구팀은 매우 초기 단계이긴 하지만 미래 가능한 연료 공급원으로 산업적으로 시아노박테리아의 탄화수소 생산 가능성을 이용할 수 있는 기회에 관심을 가지고 있다.
Marine cyanobacteria produce 100s of millions of tonnes of hydrocarbons annually
An international team of researchers, led by the University of Cambridge, has estimated that photosynthetic marine cyanobacteria annually produce hundreds of millions of tonnes of hydrocarbons in the oceans. These organisms in turn support another population of bacteria that feed on these compounds.
In the study, conducted in collaboration with researchers from the University of Warwick and MIT, and published in Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), the scientists measured the amount of hydrocarbons in a range of laboratory-grown cyanobacteria and used the data to estimate the amount produced in the oceans.
Although each individual cell contains minuscule quantities of hydrocarbons, the researchers estimated that the amount produced by two of the most abundant cyanobacteria in the world—Prochlorococcus and Synechococcus—is more than two million tonnes in the ocean at any one time. This indicates that these two groups alone produce between approximately 308 and 771 million tonnes of hydrocarbons per year, yet the concentration at any time in unpolluted areas of the oceans is tiny, thanks to other bacteria that break down the hydrocarbons as they are produced.
Hydrocarbons are ubiquitous in the oceans, even in areas with minimal crude oil pollution, but what hadn’t been recognized until now is the likely quantity produced continually by living oceanic organisms. Based on our laboratory studies, we believe that at least two groups of cyanobacteria are responsible for the production of massive amounts of hydrocarbons, and this supports other bacteria that break down the hydrocarbons as they are produced.
—Professor Christopher Howe, senior author
The scientists argue that the cyanobacteria are key players in an important biogeochemical cycle, which they refer to as the short-term hydrocarbon cycle. The study suggests that the amount of hydrocarbons produced by cyanobacteria dwarfs the amount of crude oil released into the seas by natural seepage or accidental oil spills.
Our study demonstrates the role cyanobacteria play in the ocean ‟hydrocarbon cycle” and reveals the massive scale of this process. The widespread distribution of cyanobacteria and hydrocarbon-degrading bacteria in freshwater, marine, and terrestrial environments suggests the hydrocarbon cycle is pervasive in many natural ecosystems.
—Lea-Smith et al.
However, the hydrocarbons produced by cyanobacteria are continually broken down by other bacteria, keeping the overall concentrations low. When an event such as an oil spill occurs, hydrocarbon-degrading bacteria are known to spring into action, with their numbers rapidly expanding, fueled by the sudden local increase in their primary source of energy.
The researchers caution that their results do not in any way diminish the enormous harm caused by oil spills. Although some microorganisms are known to break down hydrocarbons in oil spills, they cannot repair the damage done to marine life, seabirds and coastal ecosystems.
Oil spills cause widespread damage, but some parts of the marine environment recover faster than others. This cycle is like an insurance policy—the hydrocarbon-producing and hydrocarbon-degrading bacteria exist in equilibrium with each other, and the latter multiply if and when an oil spill happens. However, these bacteria cannot reverse the damage to ecosystems which oil spills cause.
—Dr. David Lea-Smith, lead author
The researchers stress the need to test if their findings are supported by direct measurements on cyanobacteria growing in the oceans. They are also interested in the possibility of harnessing the hydrocarbon production potential of cyanobacteria industrially as a possible source of fuel in the future, although such work is at a very early stage.
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