세균학: Anaerobic life의 발견(biogenesis)과 의의
혐기성 세균은 파스퇴르가 부티르산 발효에 간한 연구를 하던 중 기존의 이론과 다른 생명현상을 관찰하며 발견되었다. 파스퇴르가 발견한 것은, 유리 산소가 존재하지 않는 조건에서만 살 수 있는 생명체의 존재였다. 파스퇴르는 부티르산 발효가 일어나는 용액을 현미경 하에서 조사했을 때 커버글라스 끝의 공기방울과 인접한 세균들은 운동성을 잃어버렸지만, 공기방울의 중앙에 위치한 세균들은 운동성을 유지한다는 사실을 관찰하였다. 이러한 사실은 공기가 그 미생물에 대해 억제효과를 가진다는 것을 추정하게 하였는데, 파스퇴르는 또한 발효가 일어나는 용액에 공기를 공급하면 부티르산 발효가 지연되거나 때로는 완전히 중지됨을 관찰하였다. 이렇게 하여 파스퇴르는 어떤 미생물은 모든 생명에 필수적이라고 생각했던 산소가 존재하지 않을 때에만 살 수 있다고 결론지었다.
파스퇴르는 산소를 필요로 하는 세균과 필요로 하지 않는 생명체에 대해 각각 호기성, 혐기성이라는 용어를 사용하였다. 이 발견은 발효의 혐기적 특징을 이해하는 데 중요한 단서를 제공하였다. 호기성 호흡이라 알려진 산소와 연관된 생물학적 산화는 생명유지 및 증식에 요구되는 에너지를 공급한다. 파스퇴르는 산소가 존재하지 않는 조건에서의 유기화합물의 분해는 몇몇 생물체에서 에너지를 얻는 수단으로 이용될 수 있다는 것을 처음으로 인식하였다. 즉, 발효는 공기를 필요로 하지 않는 현상이라고 생각했다.
부티르산 세균과 같은 몇몇 절대 혐기성 세균들은 에너지를 얻기 위해 발효과정만을 필요로 한다. 반면, 효모를 포함하는 많은 종류의 미생물들은 조건에 따라 대체될 수 있는 2가지 에너지 합성경로를 가지는 조건적 혐기성 세균이다. 산소의 존재 하에 이들은 호기성 호흡을 하지만 산소가 존재하지 않을 때에는 발효를 통해 에너지를 얻는다. 이러한 사실은 파스퇴르가 효모를 이용한 실험에서 에너지원인 당이 산소가 있을 때에는 알코올이 소량 생성되거나 전혀 생성되지 않지만, 산소가 차단되면 대부분 알코올과 이산화탄소로 전환된다는 것을 밝힘으로써 명확하게 되었다.
광합성 세균은 광합성을 하여 당분을 만드는 세균으로서 혐기성 세균이다. 세균은 동화 색소를 가지고 있지 않으므로 광합성을 할 수 없지만, 홍색 황세균, 녹색 황세균은 박테리오클로로필(bacteriochlorophyll)을 가지고 있어 이산화탄소와 수소화합물을 재료로 광합성을 한다.
홍색황세균의 광합성에는 고등 식물이 환원 물질로 물을 사용하는 대신 황화수소 등을 사용하며, 발생하는 기체도 산소가 아니라 황이다.
식물과 광합성 세균의 탄소동화작용을 비교하면, 식물은 유기물을 합성할 때 물을 이용하지만, 황세균은 황화수소를, 홍색세균은 수소를, 아질산균, 질산균을 이용한다. 또한 식물은 빛에너지를 사용하지만, 아질산균, 질산균, 철산균은 화학에너지를 사용한다.
최초에 태양 에너지를 이용할 수 있는 색소를 가진 세포가 출현하였을 무렵, 지구의 대기 조성은 물 이외의 무기물이 수소의 공여체로서 이용되었을 가능성이 높다. 그러므로 세균형의 광합성은 진화의 역사에서 조류나 고등 식물의 광합성보다 오래된 형태이다.
광합성 세균의 역할은 다음과 같다.
1) 유기탄소 공급 : 광합성 세균은 다량의 carotinoid가 함유되어 있어 광합성 능력이 있으므로 식물에 유기 탄소를 공급한다.
2) 질소 고정 : 질소고정능력이 우수하여 식물에 유기태 질소를 공급함. 토양내 질소 공급량의 50%정도에 달하고 azotobacter의 수배량을 생산한다.
3) 기능성 물질 생산 : 아미노산, 핵산, 비타민, 생리 활성 물질 등을 분비하여 작물 생육을 촉진한다.
4) 유해 물질 제거 : 산소를 소비하지 않으면서 유기물을 분해하고, 암모니아, 황화수소, 퓨트레신, 메칠메르캅탄, 아민류 등의 가스 물질을 영양원으로 하여 아미노산, 핵산 등으로 전환함으로써 유해 물질 제거 효과가 있다.
5) 유해균 생장 억제 : 항균물질, 항바이러스 물질 등을 생산하여 유해균의 생장을 억제한다.
6) 토양 미생물상 개선 : 알칼리성 물질을 분비하여 산도 교정 등을 함으로써 토양 미생물상을 개선하여 유익균의 번식 조건을 조성한다.