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박테리아
박테리아는 Monera계(kingdom)에 속하는 생물로서, 지구 환경 어디에서나 살고 있는 매우 작고 가장 많이 번성한 생명체이다. 땅, 물, 공기와 같은 외부환경 뿐만 아니라 사람의 장이나 위 등 다른 생물체의 안에서 기생하여, 발효나 부패를 일으키고 병원체가 되기도 하는 아주 작은 단세포 생물이다. 가장 간단한 식물로서 엽록소가 없기 때문에 탄소동화작용을 못하므로 용해된 유기물을 섭취한다. 박테리아의 크기는 0.5μm-0.5mm까지 다양한 크기로 존재하며, 이것들은 식물세포나 곰팡이 세포와 마찬가지로 세포벽을 갖고 있으나, 셀룰로스가 아닌 펩티도글리칸이 주성분인 점이 다르다.
개요
박테리아 또는 세균(細菌)은 생물의 주요 분류군이다. 세포소기관을 가지지 않은 대부분의 원핵생물이 여기에 속한다. 원핵생물 중에서 고균이 세균과 다른 계를 이루고 있다는 것이 최근에 밝혀졌다. 이를 엄밀하게 구분하기 위해 진정세균(眞正細菌, eubacteria)이라는 말을 쓰기도 한다. 세포벽은 펩티도글리칸 구조이며 세포벽의 형태에 따라 그람 양성세균과 그람 음성세균으로 구분한다. 박테리아라는 이름은, 우측 사진에 있는 바실러스 박테리아의 모양을 보면 쉽게 이해할 수 있듯, '작은 막대기'라는 뜻의 고대 그리스어 박테리온(그리스어: baktērion)에서 비롯되었다. 박테리아는 현미경을 발명한 네덜란드의 안톤 판 레이우엔훅(대한민국에서는 '레벤후크'라는 이름으로 더 널리 알려져 있다)이 1676년에 처음으로 관찰한 것으로 알려져 있다.
구조
- 내부 구조
세균 세포는 원형질막으로 감싸져 있다. 이 막은 세포의 기관들을 에워싸고 세포질에 있는 양분, 단백질과 다른 여러 필수적 요소들이 빠져나가지 못하게 하기 위한 하나의 벽으로써도 작용을 한다. 원핵생물이기 때문에, 세균은 세포질에 막으로 감싸진 기관들을 갖지 않으며, 크기는 크지만 적은 숫자의 세포내 구조들을 가지고 있다. 또한, 진핵 생물과 반대로 핵막과 미토콘드리아, 엽록체 같은 세포 기관도 갖지 않는다. 세균은 한 때 단순히 다량의 세포질이 뭉쳐 있는 것이라 인식되었으나, 원핵세포골격 같은 구조물과 세균이 복잡한 특징을 갖게 해주고 특정 세포질 내 공간에 있는 단백질들의 위치를 확인함으로써 그렇지 않음을 알게 되었다. 이러한 세포 이하 수준의 조직을 세균하이퍼스트럭쳐(bacterial hyperstructure)라 일컫는다.
카르복시솜과 같은 세균미소구획은 더 높은 수준의 조직을 제공한다. 이는 다면체의 단백질 껍질에 둘러싸여진 하나의 구조다. 이러한 다면체 세포 기관들은 세균의 물질대사를 다른 조직에 영향을 주지 않도록 구분시키고 국한시킨다.
많은 필수적 생화학 반응들은 세포막을 넘어서 농도 기울기를 이용해 일어난다. 세균은 에너지를 세포막에서 얻는데, 이 막에 전자전달계에 존재하는 ATP 합성효소가 존재한다. 그리고 대부분의 광합성 세균에서 원형질막은 빈틈없이 감싸져있고 빛을 흡수하는 세포막 층과 함께 대부분의 세포 공간을 차지한다. 이러한 광흡수 구조들은 녹색 유황 세균의 클로로솜과 같이 지질로 둘러싸인 구조를 형성할 수 있다. 다른 단백질들은 세포막을 건너 양분을 가져오거나 세포질에 필요없는 분자들을 밖으로 배출시킨다.
분류
박테리아는 다양한 방식으로 분류해 볼 수 있습니다.
- 학명: 박테리아는 다른 생물체들과 마찬가지로 속에 따라 분류(하나의 특성 또는 여러 개의 유사 특성 보유 여부)되며 속의 기준 내에서도 종에 따라 분류된다. 박테리아의 학명은 속과 종의 합성어이다(예: 클로스트리듐 보툴리눔). 하나의 종 중에도 다양한 유형이 존재할 수 있으며, 이것을 계통이라고 부흔다. 계통은 유전자 구성과 화학 성분에 따라 다르다. 때로는 특정 약물과 백신이 특정 계통에만 효과를 나타내기도 한다.
- 계통 분류: 박테리아는 특정 화학물질(염색)을 박테리아에 첨가했을 때 박테리아가 나타내는 색상으로 분류할 수도 있다. 그램 염색은 일반적으로 사용되는 염색 프로세스이다. 일부 박테리아는 파란색으로 염색된다. 이러한 박테리아는 그램 양성이라고 한다. 다른 박테리아는 빨간색으로 염색된다. 이러한 박테리아는 그램 음성이라고 한다. 그램 양성 박테리아와 그램 음성 박테리아는 세포벽이 다르기 때문에 다른 색으로 염색된다. 또한 이 박테리아들은 감염 유형과 유효한 항생제도 서로 다르다.
- 모양: 모든 박테리아는 구 모양(구균), 막대 모양(세균) 및 나선 모양(스피로헤타)으로 나뉜다.
- 산소 필요 박테리아: 또한 박테리아는 산소를 필요로 하는 박테리아와 산소가 필요하지 않은 박테리아로 분류된다. 산소를 필요로 하는 박테리아는 호기성 세균이라고 한다. 그와 반대로 산소가 존재할 때 생존 또는 증식이 어려워지는 박테리아는 혐기성 세균이라고 한다. 조건적 박테리아라고 불리는 일부 박테리아들은 산소가 있을 때에도 산소가 없을 때에도 생존과 증식이 가능하다.
- 유전자 구성: 특수 검사는 박테리아의 유전자 구성(유전자형)의 차이를 밝혀낼 수 있다.
특성
현재의 세균류는 지구상에 2번째로 번성한 생물군이 살아남은 것이라고 할 수 있는데, 약 40억 년 전 것으로 보이는 세균류의 화석은 이 사실을 더욱 확실히 해 준다. 한편, 세균류는 처음 지구에 출현한 후 몇 억 년 동안 환경 변화에 적응하면서 생화학적 진화를 계속하였다(진화론적 추측) 오늘날 세균류가 다양한 작용을 하는 것은 이러한 생화학적 진화 결과라고 할 수 있다. 세균의 세포벽은 탄수화물과 아미노산으로 이루어진 매우 얇은 막이다. 세포핵은 없지만 핵 부위라고 부르는 부분에 핵물질이 들어 있는 것도 있다. 이 부분은 보통 생물의 세포핵과 구조적인 차이를 보이므로 '핵양체'라고 한다. 특히, 대장균(E. coli) 등에서는 DNA 사슬이 둥근 고리로 존재하는데, 이것은 1개 염색체에 해당되며, 여기에는 일반 염색체에서 볼 수 있는 히스톤과 같은 단백질이 없다.
세균의 몸은 단세포이며 길이는 1μ(1/1000mm) 정도, 넓이는 이것의 1/2~1/7정도이다. 종류는 길쭉한 막대 모양의 간균, 둥근 모양의 구균, 그리고 나선형의 나선균 등이 있다. 크기가 작을 뿐만 아니라 세포 구조도 원시적이어서, 보통 생물체 세포에서 볼 수 있는 막으로 둘러싸인 핵·미토콘드리아·골지체, 그 밖의 색소체나 액포 등은 존재하지 않는다. 그러나 성장이 빠르고 생화학적인 역할이 다양하며, 환경에도 잘 적응할 수 있다. 세균류는 지구상의 어느 곳에서든지 기생·공생 또는 독립 생활을 하며 살아가고 있다. 이 중 다른 생물체나 그 생산물에 의지하여 생활하는 경우에는 복잡한 유기물 분해에 의해서 생활에 필요한 에너지를 얻는데, 즉 분해자로서 자연 생태계를 유지하는 데 중요한 역할을 한다.
한편, 기생하는 것에는 동식물체에 병을 일으키는 종류도 있다. 자연계에 무균 상태의 동식물은 없다고 추측되며, 세균류는 동식물의 생활과 진화에 밀접한 관계를 가져왔다고 여겨진다.
박테리아 배터리
생물학자들은 21세기는 박테리아가 인류의 이익을 위해 전기를 생산하는 시대가 될 것이라고 예측한다. 1910년으로 거슬러 올라가는 박테리아 발전에 대해 영국의 식물학자들은 세계 최초의 박테리아 배터리를 성공적으로 제조하기 위해 대장균 배양에서 전극으로 백금을 사용했다. 1984년 미국 과학자들은 우주비행사의 소변 박테리아와 살아있는 박테리아를 가진 우주선을 위한 박테리아 배터리를 설계했다. 그러나 당시의 박테리아 배터리는 덜 효율적이었다. 1980년대 말에는 박테리아 발전에 큰 발전이 있었다. 영국의 화학자들은 박테리아가 배터리의 분자를 분해하여 전자를 양극으로 방출하여 전기를 생성할 수 있게 했다. 이 방법은 생물학적 시스템이 전자를 수송하는 능력을 향상시키기 위해 희석재로서 당 액체에 염료와 같은 방향족 화합물을 첨가하는 것이다. 박테리아의 발전 동안, 또한 박테리아 배양 용액과 산화 물질의 혼합물을 교반하기 위해 배터리 내로 연속적으로 팽창된다. 이 박테리아 배터리를 사용하면 설탕 100g 당 1,352,930 쿨롱의 전기를 얻을 수 있으며 효율은 40%에 도달 할 수 있다. 이는 현재 사용되는 배터리의 효율보다 훨씬 높으며 10%의 잠재력이 있다. 배터리에 설탕을 계속 넣는 한 몇 개월 동안 지속되는 2A의 전류를 얻을 수 있었다.
박테리아 발전소는 박테리아 배터리의 원리를 사용하여 구축할 수도 있다. 10m 정방형 큐브 컨테이너에 박테리아 배양액을 채워 1,000kW의 박테리아 발전소를 만들 수 있다. 시간당 에너지 소비는 200kg이고 발전 비용은 더 높지만 이것은 일종의 오염이다. 톱밥, 벼짚 및 잎과 같은 폐유기물의 가수 분해물의 사용은 말할 것도 없이 "녹색" 발전소는 설탕 액체를 대체할 수 있다. 따라서 박테리아 발전의 전망은 매우 매력적이다.
오늘날 8개의 불멸 자와 같은 모든 선진국은 바다를 가로 질러 각각의 힘을 보여준다. 햇빛을 사용하여 박테리아가 설탕을 사용하여 전기를 생산하게 한다. 일본은 두 종류의 박테리아를 배터리의 특수 시럽에 넣는다. 하나는 시럽을 삼키면 아세트산과 유기산이 생성되고 다른 하나는 수소에서 인산 연료 전지로 산이 수소로 변환된다. 배터리 액체로서 메탄올을 사용하고 전극으로서 알코올 탈수소 효소 백금을 사용하는 박테리아 배터리가 발명되었다.
박테리아는 또한 태양에너지를 포획하여 전기에너지로 직접 변환하는 특수 기능을 가지고 있다는 것도 놀랍게도 밝혀졌다. 최근 미국 과학자들은 사해와 그레이트 솔트 레이크(Great Salt Lake)에서 햇볕의 약 10%를 화학물질로 전환할 때 전기를 생산하는 자주색 안료가 포함된 할로 필릭 박테리아를 발견했다. 과학자들은 이를 사용하여 할로겐이 적은 박테리아로 전기를 생산할 수 있는 작은 실험용 태양전지 배터리를 만들었으며 설탕 대신 소금을 사용하여 비용이 크게 줄었다.[1]
각주
- ↑ 〈박테리아 배터리의 장점은 무엇입니까?〉, Linkage, 2019-08-09
참고자료
- 〈박테리아〉, 《물백과사전》
- Larry M. Bush , 〈박테리아 개요〉, 《MSD 매뉴얼》, 2020-09-03
- 〈세균〉, 《위키백과》
- 〈박테리아 배터리의 장점은 무엇입니까?〉, Linkage, 2019-08-09
같이 보기
