미생물의 영양과 생장 Microbial Nutrition & Growth http://bioenv.sunchon.ac.kr

미생물 세포의 성분(대장균) % total weight % dry weight __________________________________________________ 물 70 유기물 29 단백질(proteins) 15 50 핵산(nucleic acids) RNA 6 20 DNA 1 3 탄수화물(carbohydrates) 3 10 지방(lipids) 2 N.D. 기타 유기물 2 N.D. 무기물 1 3 __________________________________________________

미생물 세포의 성분(대장균) 원소 % dry weight ________________________________________ 탄소 (C, carbon) 50 산소 (O, oxygen) 20 질소 (N, nitrogen) 14 수소 (H, hydrogen) 8 인 (P, phosphorous) 3 황 (S, sulfur) 1 칼륨 (K, potassium) 1 나트륨 (Na, sodium) 1 칼슘 (Ca, calcium) 0.5 마그네슘 (Mg, magnesium) 0.5 염소 (Cl, chloride) 0.5 철 (Fe, iron) 0.2 기타 (Mn, Zn, Mo, Cu, Co, …) 0.3 ____________________________________________

영양요구성에 따른 미생물의 분류 에너지원 요구성 전자를 얻는 방법에 따라 : 무기화합물 (chemolithotroph) 광영양 (phototroph) 화학영양 (chemotroph) 전자를 얻는 방법에 따라 : 무기화합물 (chemolithotroph) 유기화합물 (chemoorganotroph) 탄소원 요구성 독립영양(autotroph) : 무기탄소화합물 (CO2) 종속영양(heterotroph) : 유기탄소화합물 (탄수화물, 지질, 단백질)

에너지원과 탄소원에 따른 미생물의 분류 광합성 독립영양 (photoautotroph) 조류, 광합성세균, (식물) 광합성 종속영양 (photoheterotroph) - 홍색세균, 녹색세균 화학합성 독립영양 (chemoautotroph, chemolithotroph) 철세균, 황세균, 수소세균, 질화세균 화학합성 종속영양 (chemoheterotroph) 대부분의 미생물, (동물)

미생물 배지(culture medium) 배지의 성분 * 물 - 에너지원 (Energy source) - 탄소원 (Carbon source) - 질소원 (Nitrogen source) - 무기염류 (Mineral salts) - 생육인자 (생장소, Growth factors)

생육인자(생장소, growth factor) 유기화합물은 에너지원/탄소원/질소원으로 동시에 이용될 수 있음 미생물들은 무기화합물을 질소원으로 이용할 수 있음 예) 암모니아 가스, 질산염 등 생육인자(생장소, growth factor) 아미노산, 비타민, 지방산, 핵산물질 원영양균 (prototroph) 영양요구균 (auxotroph) 최소배지 (minimal medium) 영양소 이외의 요소 pH, 이온강도(삼투압)

미생물 배지(culture medium) 액체배지(broth, liquid medium) 고체배지(agar, solid medium) 선택배지(selective medium) 분별배지(differential medium) 농화배양배지(집적배양배지, enrichment medium) 접종 (inoculation) inoculum (inocula) 배양 (culture, incubation) incubator : 온도, 산소(이산화탄소), 빛

미생물의 생장과 증식 방법 세균 (bacteria) 곰팡이(mold) 유성생식 없음 이분법 (binary fission) 내생포자 (endospore) 곰팡이(mold) 무성증식 : 균사의 정점생장 (apical growth of hyphae) 무성포자 형성 (asexual spores) 분생포자, 포자낭포자, 후막포자, 분절포자, 출아포자 유성생식 : 유성포자 형성 (sexual spores) 난포자, 접합포자, 자낭포자, 담자포자

효모(yeast) 바이러스 - 무성증식 : 대부분 출아(budding) 분열(fission), 출아분열(bud fission) - 유성생식 : 유성포자 형성 (sexual spores) 자낭포자, 사출포자 바이러스 - 숙주세포의 기능을 이용 증식함(절대기생성) - 조립과 포장 (assembly and packaging)

미생물의 생장곡선 생장 (growth) 증식 (multiplication) 개체 생장 (individual growth) 집단(개체군) 생장 (population growth) 미생물의 생장곡선 (microbial growth curve) 세균, 효모 액체배양, 회분식 배양 시간 vs 미생물의 생장 (세포수, 세포질량, 흡광도, … ) Semi-log scale (시간 vs Log N)

미생물의 생장곡선 (Microbial growth curve) 유도기 – 대수증식기 – 정체기 - 사멸기

증식 단계별 특성 유도기 (Lag phase) (휴면기, 휴지기) 미생물의 종류 세포 수의 증가 없음 세포의 부피(질량) 증가 새로운 환경에 적응하는 시기 (분열준비기) 활발한 대사활동 : RNA, 효소 및 기타 물질의 합성 유도기의 길이에 영향을 미치는 인자들 미생물의 종류 접종원의 역사 (보관방법, 보관기간, 상해 정도 등) 배지의 특성

대수(지수) 증식기 (logarithmic growth phase, exponential growth phase) 활발한 세포 증식 수 또는 질량이 대수함수적으로 증가 Semi-log scale graph에서 직선으로 나타남 - 이 시기의 세포가 가장 민감함 세대시간 (g, generation time) = 평균배가시간(td, mean doubling time) 세포가 한 번 분열하는데 걸리는 시간 집단의 수가 2배로 되는데 걸리는 시간 짧을수록 증식속도가 빠름 * 증식속도상수 (k), 비증식속도 (μ)

정체기 (정지기, 정상기, 안정기, stationary phase) 외관상 수의 증가 없음 (증식속도 = 사멸속도) 이유 : 영양소 고갈 생육저해물질의 축적 공간적 제한 대수기의 세포보다 크기는 작으나 저항성이 강함 이 시기에 내생포자의 형성 세포외 효소(Extracellular enzyme)의 분비 2차 대사산물의 합성 (항생물질 등)

사멸기 (death phase) 세포 수의 감소 : 대수함수적 원인 : 세포 내부 에너지의 고갈 세포의 구조의 파괴, 물질의 분해 효소의 불활성화 Autolysin (자가소화효소)

증식에 영향을 미치는 환경 인자들 물리적 인자 (physical factors) 화학적 인자 (chemical factors) 온도, 압력, 광선 화학적 인자 (chemical factors) 물, 영양소, pH, 산소, 이산화탄소 생육저해물질, 생육촉진물질 생물학적 인자 미생물과 환경인자는 상호 의존적 (inter-dependent) 환경인자들은 상호 영향을 미침 (inter-active) 미소환경(microenvironment)이 중요함

물 (H2O) 물의 역할 영양소와 노폐물의 운반 가수분해 : 탄수화물 (glycosidic bond) 단백질 (peptide bond) 지방 (ester bond) pH 조절 : H+, OH- 온도 조절 윤활 작용

수분활성도 (aw, water activity) 이용 가능한 물의 양을 나타내는 척도 자유수(free water) vs 결합수(bound water) 평형상대습도 (ERH : equilibrium relative humidity) aw = 0.01 x ERH 0 ∼ 1.0 (순수한 물의 aw = 1.0) 최적 수분활성도 최고 수분활성도 최저(제한) 수분활성도

최저(제한, minimum, limiting) 수분활성도 - 생육 : 세균 > 효모 > 곰팡이 세균 : 0.90 ∼ 0.91 효모 : 0.87 ∼ 0.94 곰팡이 : 0.70 ∼ 0.80 호염성 세균 (halophilic bacteria) : 0.75 내삼투압성 효모(osmophilic yeast) : 0.60 ∼ 0.78 내건성 곰팡이(xerophilic mold) : 0.60 ∼ 0.70 생육, 포자형성, 발아, 독소생성에 필요한 최저 수분활성도는 다를 수 있음 - 최저 수분활성도 이하에서는 사멸?

영양소(Nutrients) 제한영양소 (limiting nutrient) 제한영양소의 농도 vs 생장속도 상대적인 농도가 중요함 (존재량/필요량) 제한영양소의 농도 vs 생장속도 매우 낮은 농도 : 농도증가 → 증식속도 증가 그 이상의 농도 : 농도증가 → 증식속도 증가하지 않음

온도 (Temperature) 온도의 영향 아레니우스 식(Arrhenius equation) 효소의 반응속도 단백질의 변성 : 3차원적 구조의 변화 물의 이용성 : 생육에 액체 상태의 물을 필요로 함 Upper limit : boiling point Lower limit : freezing point 아레니우스 식(Arrhenius equation) 화학반응의 속도는 온도에 비례함 A) 온도 증가 → 효소 반응속도 증가 → 증식속도 증가 B) 온도 증가 → 단백질 변성 증가 → 증식속도 감소 - 증식속도 = A - B

최저, 최적, 최고온도

생육온도에 따른 미생물의 분류 저온균 (Psychrophiles) 호냉성균 (Psychrotrophs) 중온균 (Mesophiles) 고온균 (Thermophiles) 초고온균 (Hyperthermophiles) 냉장고의 식품은 안전한가?

생육온도에 따른 미생물의 분류

Snow algae (Sierra Nevada, CA)

Thermophilic cyanobacteria (Hot springs in Yellow Stone National Park)

Deep Sea Thermal Vent Bacteria

생장 최고온도는 절대적이 아님 영양배지 : 45oC Escherichia coli 최소배지 : 42oC 최소배지 + methionine : 45oC * methionine 합성 효소 : 열에 민감함

산소 (Oxygen) 산소 : 용존산소 (DO, dissolved oxygen)를 이용함 산소 이용성에 의한 미생물의 분류 호기성균의 호흡에 필요함 이용 과정에서 독성물질이 생산됨 용존산소 (DO, dissolved oxygen)를 이용함 산소 이용성에 의한 미생물의 분류 절대호기성 (Strict aerobic, obligate aerobic) 통성혐기성 (Facultative anaerobic) 미소호기성 (Microaerophilic, 미세호기성) 내산소성 혐기성 (Aerotolerant anaerobic) 절대혐기성 (Strict anaerobic, obligate anaerobic)

용존산소 농도와 미생물의 증식

산도 (pH) pH = - log [H+] = log 1/[H+] pH의 영향 단백질의 변성 금속 이온의 이용성 Mg, P : 높은 pH에서 불용성 복합체 형성 Fe, Zn, Ca : 알칼리성 용액에 불용 세포의 투과성 높은 pH : 세포막이 OH-으로 포화 – 음이온 통과 못함 낮은 pH : 세포막이 H+으로 포화 – 양이온 통과 못함

호산성균(acidophile) : Helicobacter pyroli 호알칼리성균(alkalophile) 일반적으로 진균이 세균보다 내산성이 강함 최적 pH 세균 : 7.0 – 7.5 진균 : 5.0 – 6.5 호산성균(acidophile) : Helicobacter pyroli 호알칼리성균(alkalophile) 생육 최적 pH는 세포 밖 환경의 pH 세포 내부 의 pH는 중성 유지

호염성 미생물 (Halophile) 호압성 미생물 (Barophiles) Extremophiles : 극한 환경에서 서식하는 미생물 고세균이 많음