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물 한 컵으로 그 강에 사는 생물을 알 수 있을까? 퇴적물 속 미생물에서 공기까지, 환경 DNA(eDNA) 이야기

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📌 이 글에서 알 수 있는 것

  • 물이나 공기에서 어떻게 생물의 DNA를 걸러 읽는지
  • 미생물 연구에서 공기 속 DNA까지, 환경 DNA 연구가 걸어온 길
  • “eDNA로 검출됐다"는 결과를 어디까지 믿어야 하는지

💧 생물은 어디에나 DNA를 흘린다

물고기는 비늘과 점액을, 개구리는 허물과 배설물을 남깁니다. 그 속의 세포와 DNA 조각은 물에 섞여 떠다닙니다. 이렇게 생물체의 뚜렷한 흔적 없이 물·흙·퇴적물 같은 환경 시료에서 직접 얻은 유전 물질을 환경 DNA(eDNA, environmental DNA)라고 부릅니다1.

원리는 단순합니다. 물을 떠서 필터로 거르고, 필터에 걸린 DNA를 뽑아, 종마다 다른 짧은 구간을 읽은 뒤 이미 알려진 서열과 맞춰 봅니다(그림 1). 어려운 것은 단계마다 생기는 오류를 가려내는 일입니다.

환경 DNA 분석 흐름: 물·공기 시료는 필터로 거르고(흙은 바로 추출), DNA를 추출해, 여러 종에 공통인 프라이머로 짧은 구간을 PCR로 늘리는 메타바코딩을 한 뒤, 시퀀싱하고, 참조 데이터베이스와 맞춰 종 목록을 만든다. 오른쪽에는 위양성(실험실·장비 오염, 상류나 다른 곳에서 옮겨 온 DNA, 잘못 등록된 참조 서열로 인한 오동정)과 위음성(DNA 분해, 적은 양과 PCR 억제, 프라이머가 잘 붙지 않는 종, 참조 서열 없음)이 생기는 단계를 표시했다.
그림 1. 환경 DNA 메타바코딩의 흐름과, 단계별로 위양성·위음성이 생기는 곳.

🦠 1987년: 퇴적물 속 미생물 DNA에서 시작하다

eDNA 연구는 미생물학에서 시작됐습니다. 배양할 수 있는 미생물만 세는 방법으로는 자연의 미생물 다양성을 크게 잘못 보게 된다는 인식이 출발점이었습니다1. 1987년 미국의 앤드루 오그럼(Andrew Ogram) 연구팀은 퇴적물 안에서 세포를 바로 깨뜨려 DNA를 뽑고 정제하는 방법을 발표했습니다. 이 방법으로 퇴적물 1 g에서 세포 안 DNA 약 26 μg과 세포 밖 DNA 약 1 μg을 얻었습니다2.

흙 속에서 동식물 DNA를 읽는 연구는 그 뒤에 나왔습니다. 2003년 에스케 빌레르슬레우(Eske Willerslev) 연구팀은 시베리아 영구동토층 코어 5개(약 40만~1만 년 전)에서 식물 19개 이상 분류군과 매머드·들소·말의 DNA 서열을 찾았습니다. 뚜렷한 화석이 없는 흙에서도 DNA가 남아 있었습니다3.

🐸 2008년: 연못 물로 황소개구리를 찾다

물속 동물로 눈을 돌린 연구로는 2008년 프랑스 연구팀의 실험이 있습니다. 대상은 북미 원산으로 세계 곳곳에 들어가 퍼진 침입종인 미국황소개구리였습니다4.

  • 수조 실험: 3 L 수조에 올챙이를 0·1·5·10마리씩 넣고(각 6개) 하루 뒤 물을 떴습니다. 올챙이가 있던 18개 수조에서는 모두 황소개구리 DNA가 나왔고, 없던 수조에서는 나오지 않았습니다.
  • 야외 연못: 프랑스 연못 9곳(황소개구리 저밀도 3곳, 고밀도 3곳, 없는 곳 3곳)에서 15 mL짜리 물 시료를 3개씩 떴습니다. 서식 연못은 모두 1개 이상 시료에서 검출됐고, 없는 연못에서는 한 번도 검출되지 않았습니다.
  • 반복이 필요했습니다: 연못마다 물 시료 3개를 각각 여러 번 PCR(특정 DNA 구간을 수백만 배로 늘리는 반응)로 검사했더니, 서식 연못 6곳의 양성 반응 비율은 22~89%였습니다. 저밀도 연못 3곳의 평균은 37%(고밀도 79%)였고, 그중 2곳에서는 시료 3개 중 1개가 음성이었습니다. 한두 번의 음성으로는 “없다"고 말하기 어렵다는 뜻입니다.

연구진은 79 bp(염기쌍)짜리 짧은 미토콘드리아 DNA(mtDNA) 구간만 늘리는 황소개구리 전용 프라이머(PCR의 시작점이 되는 짧은 DNA)를 썼고, DNA가 환경에 오래 남지 않는다는 점을 이 방법의 바탕으로 삼았습니다. 논문은 “환경은 거기 사는 종의 분자 흔적을 간직할 수 있다"고 썼습니다4.

🐟 2012~2015년: 한 번에 여러 종을 읽는 메타바코딩

황소개구리 실험은 한 종만 겨냥한 PCR이었습니다. 차세대 시퀀싱(NGS)이 퍼지자 연구자들은 시료 하나에서 여러 종을 한꺼번에 읽기 시작했습니다. 황소개구리 논문의 공저자이기도 한 피에르 타베를레(Pierre Taberlet) 등은 2012년 이 방식을 DNA 메타바코딩, 곧 여러 생물을 통째로 모은 시료나 흙·물·배설물 같은 환경 시료에서 여러 종을 자동으로 동정(종 이름 확인)하는 방법으로 정리했습니다. 이들은 PCR에 의존한다는 점과, 비교할 참조 서열 목록(참조 라이브러리)을 만드는 데 드는 큰 비용을 한계로 꼽았습니다5.

어류용으로는 2015년 일본 연구팀이 내놓은 MiFish 프라이머가 대표적인 예입니다. 연구팀은 어류 880종의 미토콘드리아 유전체를 비교해, 12S rRNA 유전자에서 종마다 차이가 큰 163~185 bp 구간을 여러 어류에 공통으로 늘리는 프라이머를 설계했습니다. 오키나와 수족관 수조 4개의 물로 시험하자, 참조 서열이 있는 180종 가운데 168종(93.3%)이 검출됐습니다. 주변 산호초 바닷물까지 더하면 모두 232종이었습니다6.

섞인 DNA에서 출처를 가려낸다는 점은 환자 시료 속 병원체를 찾는 메타게놈 시퀀싱(mNGS) 검사와 닮았지만, 메타바코딩은 정한 구간만 PCR로 늘린다는 점이 다릅니다.

🌬️ 2022년: 공기와 200만 년 전 퇴적층까지

물에서 성공하자, 지금 땅 위에 사는 동물도 공기로 찾을 수 있을지로 질문이 넓어졌습니다. 2022년 같은 학술지 같은 호에 동물원 공기를 거른 두 연구가 실렸습니다. 영국 연구팀은 한 동물원의 공기에서 포유류·조류 25종의 DNA를 찾았고, 그중 17종이 동물원에서 기르는 종이었습니다. 동물원 주변에 사는 유럽고슴도치 DNA도 나왔습니다7. 덴마크 연구팀은 코펜하겐 동물원 안 세 곳의 공기에서 척추동물 49종을 검출했고, 채집기와 가깝고 생물량(그 동물 무리의 총무게)이 클수록 검출 확률이 높았습니다8.

같은 해 말에는 시간을 거슬러 올라간 기록도 나왔습니다. 북그린란드의 약 200만 년 된 퇴적층에서 eDNA를 읽어, 포플러·자작나무 숲과 마스토돈·순록·거위가 살던 생태계를 복원한 연구입니다. 연구진은 DNA가 광물 표면에 붙어 보존됐을 것으로 추정했습니다9. 동굴 흙에서 고인류 DNA를 찾은 연구는 고대 DNA 이야기에서 다뤘습니다.

🔍 검출 결과는 무엇을 말해 줄까

eDNA가 답하는 질문은 “최근 이 근처에 이 종의 DNA가 있었나"입니다. 개체가 지금 거기 사는지, 몇 마리인지는 다른 정보가 필요합니다.

  • DNA는 흘러갑니다. 호수에서 흘러나오는 한 강을 조사한 연구에서, 호수에 사는 물벼룩 DNA는 조사한 하류 12.3 km 지점까지 모두 검출됐고, 조개 DNA는 9.1 km 지점 이후로 검출되지 않았습니다10. 강 하류의 검출은 상류에서 내려온 DNA일 수 있습니다.
  • DNA는 사라집니다. 도시 가까운 연안과 외해에서 떠 온 바닷물을 실험실 수조에 담아 분해 속도를 잰 연구에서, eDNA는 연안 바닷물에서 외해 바닷물보다 1.6배 빨리 분해됐습니다. 연구진은 이 분해 속도와 자연 농도로 따져, 연안에서는 약 48시간 동안 검출될 수 있다고 추정했습니다11.
  • 양은 개체 수가 아닙니다. 2012~2020년 연구 63편을 검토한 결과 90%에서 eDNA 농도와 물고기 개체 수·생물량 사이에 양의 관계가 있었지만, 종·몸 크기·번식·물 흐름·수온에 따라 관계가 크게 달라졌습니다12.
  • 참조 서열이 없으면 이름을 못 붙입니다. 공공 데이터베이스의 종 서열 부족은 eDNA를 넓게 쓰는 데 주요 한계로 꼽히며, 어류에서는 이 빈틈이 종이 많고 멸종위기종이 많은 열대로 갈수록 커졌습니다13.
  • 민감한 만큼 오염에 약합니다. 아주 적은 DNA도 늘리기 때문에 품질관리 절차에 특히 주의해야 합니다14. 그래서 현장 블랭크(깨끗한 물을 같은 장비로 거른 것), 추출 블랭크(시료 없이 추출 과정만 거친 것), PCR 음성 대조(DNA 대신 물을 넣은 반응)를 함께 돌립니다. 이 대조군들에 나온 서열은 오염 신호로 보고 걸러 내며, 시료에 PCR 억제 물질이 있는지도 따로 검사합니다. 사람 유전체 분석에서도 시료 사이 오염률을 통과 기준으로 두는데, 그 수치는 WGS 품질관리 글에서 정리했습니다.

⚠️ 한계와 주의

  • 검출 ≠ 살아 있는 집단: DNA는 상류에서 흘러온 것 말고도, 그 종을 먹은 포식자의 배설물이나 죽은 개체에서 올 수 있습니다. 검출 지점에 개체가 산다는 뜻으로 바로 읽으면 안 됩니다.
  • 음성 ≠ 없음: 황소개구리 실험에서도 시료·PCR을 반복해야 저밀도 연못을 놓치지 않았습니다4. 참조 서열이 없어 이름이 안 나오는 종뿐 아니라, 공통 프라이머가 잘 붙지 않아 참조 서열이 있는데도 놓치는 종도 생깁니다. 담수 무척추동물을 통째로 모은 시료 실험에서는 비슷한 양을 넣은 52개 분류군 가운데 83%만 안정적으로 검출됐습니다15.
  • 서열 수 ≠ 양: 같은 실험에서 분류군마다 비슷한 생물량을 넣었는데도 서열 수는 최대 약 1만 배(네 자릿수)까지 차이 났습니다. 저자들은 메타바코딩 결과를 양보다 있음·없음으로 읽어야 한다고 결론지었습니다15.
  • 이 글은 성공한 연구 위주입니다: 여기서는 지금으로 이어진 장면만 골랐고, 위양성 논란이나 재현되지 않은 결과는 생략했습니다.

🏛️ 지금 어디까지 왔나

  • 표준: 유럽에서는 2023년 EN 17805가 먼저 나왔고, 물에서 eDNA를 채취·포집·보존하는 국제표준 ISO 17805가 2026년 7월 발행됐습니다. 오염 방지와 장비·메타데이터 보고를 다루며, 퇴적물·생물막 시료, 수동 채집, 조사 설계는 범위에서 뺐습니다16.
  • 기존 방법과 비교: 215개 데이터셋을 모은 2022년 수생 생물 메타바코딩 메타분석에서 어류 종 목록은 기존 조사와 잘 맞았지만, 플랑크톤·대형 무척추동물 등은 놓치는 종과 새로 찾는 종이 함께 있었습니다. 저자들은 어류 군집 연구에서는 생물을 잡아야 하는 더 침습적인 기존 방법을 대신할 만하다고 봤습니다17.
  • 공기 측정망 활용: 영국 대기질 측정소가 이미 모으던 먼지 시료에서 180개 넘는 분류군의 DNA가 나왔고18, 2025년 영국 전국 측정망 분석에서는 1,100개 넘는 분류군이 검출됐습니다. 신호는 대체로 80 km 안쪽의 국지적인 것이었습니다19.
  • 제도 속 쓰임: 영국 정부의 개발 인허가 지침은 보호종인 큰볏영원(great crested newt)의 존재·부재 조사에 eDNA 시료 채취를 포함할 수 있다고 적고 있습니다20. 이 지침은 eDNA 결과의 해석을 직접 정하지 않고, 조사가 업계 표준을 따르도록 했습니다.
  • 한국: 2023년 국내 연구는 지뢰 때문에 조사가 제한되는 민간인통제구역 하천에서, 직접 조사로 확인한 어종의 약 69%를 eDNA로도 검출하고, 이 방법을 접근이 어려운 곳의 보완 수단으로 제시했습니다. 일부 종에서는 오동정(종을 잘못 판정)이나 데이터베이스에 등록된 서열의 오류 가능성도 지적했습니다21. 보도에 따르면 국립낙동강생물자원관은 수서곤충 eDNA 분석법을 개발해, 경남 함양 남강에서 직접 채집한 종의 약 78%를 eDNA로도 확인했습니다22. 정부 공식 조사 지침이나 고시에 eDNA가 정식 방법으로 들어갔는지는 확인하지 못했습니다.

❓ 자주 묻는 질문

Q. eDNA로 멸종위기종을 찾을 수 있나요? A. 잡거나 보기 어려운 종을 찾는 데 쓰이고 있습니다. 다만 그 종의 참조 서열이 데이터베이스에 있어야 하고, 멸종위기종이 많은 지역일수록 이 빈틈이 크다는 분석이 있습니다13. 음성 결과는 시료와 분석을 반복해야 의미가 생깁니다.

Q. 공기에서도 DNA를 읽을 수 있나요? A. 네. 2022년 동물원 연구들이 공기를 걸러 포유류·조류 DNA를 검출했습니다78. 다만 채집기와의 거리, 동물의 생물량에 따라 검출 확률이 달라졌습니다8.

Q. 검출되면 지금 거기 산다는 뜻인가요? A. 그렇지는 않습니다. 강에서는 호수에서 12 km 넘게 떨어진 하류에서도 DNA가 검출된 기록이 있고10, 연안 바닷물에서는 eDNA가 약 48시간 정도 검출될 수 있다는 실험 추정이 있습니다11. 검출은 “최근 근처에 DNA가 있었다"는 신호로 읽고, 직접 조사로 확인하는 편이 안전합니다.

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참고

  1. Thomsen PF, Willerslev E. Environmental DNA – An emerging tool in conservation for monitoring past and present biodiversity. Biol Conserv 2015;183:4-18. doi:10.1016/j.biocon.2014.11.019 ↩︎ ↩︎

  2. Ogram A 외. The extraction and purification of microbial DNA from sediments. J Microbiol Methods 1987;7:57-66. doi:10.1016/0167-7012(87)90025-X ↩︎

  3. Willerslev E 외. Diverse plant and animal genetic records from Holocene and Pleistocene sediments. Science 2003;300:791-5. doi:10.1126/science.1084114 ↩︎

  4. Ficetola GF 외. Species detection using environmental DNA from water samples. Biol Lett 2008;4:423-5. doi:10.1098/rsbl.2008.0118 ↩︎ ↩︎ ↩︎

  5. Taberlet P 외. Towards next-generation biodiversity assessment using DNA metabarcoding. Mol Ecol 2012;21:2045-50. doi:10.1111/j.1365-294X.2012.05470.x ↩︎

  6. Miya M 외. MiFish, a set of universal PCR primers for metabarcoding environmental DNA from fishes: detection of more than 230 subtropical marine species. R Soc Open Sci 2015;2:150088. doi:10.1098/rsos.150088 ↩︎

  7. Clare EL 외. Measuring biodiversity from DNA in the air. Curr Biol 2022;32:693-700.e5. doi:10.1016/j.cub.2021.11.064 ↩︎ ↩︎

  8. Lynggaard C 외. Airborne environmental DNA for terrestrial vertebrate community monitoring. Curr Biol 2022;32:701-7.e5. doi:10.1016/j.cub.2021.12.014 ↩︎ ↩︎ ↩︎

  9. Kjær KH 외. A 2-million-year-old ecosystem in Greenland uncovered by environmental DNA. Nature 2022;612:283-91. doi:10.1038/s41586-022-05453-y ↩︎

  10. Deiner K, Altermatt F. Transport distance of invertebrate environmental DNA in a natural river. PLoS One 2014;9:e88786. doi:10.1371/journal.pone.0088786 ↩︎ ↩︎

  11. Collins RA 외. Persistence of environmental DNA in marine systems. Commun Biol 2018;1:185. doi:10.1038/s42003-018-0192-6 ↩︎ ↩︎

  12. Rourke ML 외. Environmental DNA (eDNA) as a tool for assessing fish biomass: A review of approaches and future considerations for resource surveys. Environ DNA 2022;4:9-33. doi:10.1002/edn3.185 ↩︎

  13. Marques V 외. GAPeDNA: Assessing and mapping global species gaps in genetic databases for eDNA metabarcoding. Divers Distrib 2021;27:1880-92. doi:10.1111/ddi.13142 ↩︎ ↩︎

  14. Goldberg CS 외. Critical considerations for the application of environmental DNA methods to detect aquatic species. Methods Ecol Evol 2016;7:1299-307. doi:10.1111/2041-210X.12595 ↩︎

  15. Elbrecht V, Leese F. Can DNA-based ecosystem assessments quantify species abundance? Testing primer bias and biomass—sequence relationships with an innovative metabarcoding protocol. PLoS One 2015;10:e0130324. doi:10.1371/journal.pone.0130324 ↩︎ ↩︎

  16. ISO. ISO 17805:2026 Water quality — Sampling, capture and preservation of environmental DNA from water (2026.7.3. 발행, ISO/TC 147/SC 5) — iso.org ↩︎

  17. Keck F 외. Meta-analysis shows both congruence and complementarity of DNA and eDNA metabarcoding to traditional methods for biological community assessment. Mol Ecol 2022;31:1820-35. doi:10.1111/mec.16364 ↩︎

  18. Littlefair JE 외. Air-quality networks collect environmental DNA with the potential to measure biodiversity at continental scales. Curr Biol 2023;33:R426-8. doi:10.1016/j.cub.2023.04.036 ↩︎

  19. Tournayre O 외. First national survey of terrestrial biodiversity using airborne eDNA. Sci Rep 2025;15:19247. doi:10.1038/s41598-025-03650-z ↩︎

  20. Natural England, Department for Environment, Food & Rural Affairs. Great crested newts: advice for making planning decisions (2025.4.7. 갱신) — gov.uk ↩︎

  21. 엄순재 외. Comparative Analysis of Freshwater Fish Species in Civilian Control Zone in South Korea: A Comparison between Direct Survey Results and Indirect Assessment via eDNA. 한국어류학회지 2023;35:224-35. doi:10.35399/ISK.35.4.2 ↩︎

  22. 경북매일. 수서곤충 존재 직접 채집 안해도 환경유전자로 확인 가능 (2025.6.19.) — kbmaeil.com ↩︎

#생태·고생물#유전체분석#기후·환경#환경DNA#메타바코딩

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