환경미생물학

환경미생물이란? 환경미생물 환경과학과 환경공학 환경오염과 관련된 미생물 환경오염을 유발시키는 미생물 환경오염을 제어하는 미생물 환경과학은 환경오염의 발생원인과 자연계에서의 운명에 대한 연구 (환경물리학, 환경화학, 환경미생물학, 환경생태학 등) 환경공학은 오염의 처리기술에 치중

왜 미생물이 필요한가? 미생물은 어디에나 존재한다. 미생물은 생리적 기능이 다양하다. 미생물은 환경에 빠르게 적응한다. 강물, 토양, 바다, 공기, 온천, 화산 미생물은 생리적 기능이 다양하다. 지구상에 가장 많은 종 수를 차지하는 곤충에 비해 1,000배 이상의 종 모든 물질은 미생물에 의해 분해 가능하다. 미생물은 환경에 빠르게 적응한다. 돌연변이에 의한 유전적 변화와 진화가 쉽다. 새로운 합성물질을 분해하는 미생물의 출현이 가능

미생물을 이용한 환경오염 정화 자연 미생물의 이용 생물공학적 응용 활성슬러지를 이용한 하수, 폐수의 처리 영양염류의 미생물학적 전환과 부영양화 예방 합성 오염물질, 독성물질의 분해 자원 생산을 통한 에너지문제 해결 생물공학적 응용 유전자 변형을 통한 고효율 미생물의 개발 난분해성 오염물질의 분해 미생물 개발 병원성 미생물의 제어

세포로서의 미생물 세포(Cell) 세포의 특성 세포막(cell membrane) 또는 세포벽(cell wall)에 의해 분리되고 생명활동을 하는 기본단위 세포의 특성 영양섭취(nutrition) = 대사(metabolism) 생장(growth) = 자기복제(self-replication) 분화(differentiation) 화학적 신호전달(chemical signaling) 진화(evolution)

세포의 물질대사(metabolism) 살아있는 세포에서 일어나는 화학반응 효소(enzyme)-세포의 대사를 일으키는 촉매 효소의 특징 ; 촉매작용, 반응특이성, 기질특이성, pH, 온도 효소의 성분 = 단백질(아미노산의 중합체) 특이한 입체구조(아미노산 순서에 의해 결정) 유전정보 물질인 DNA로부터 생성됨

효소와 활성화 에너지 효소는 화학반응의 활성화 에너지를 낮추어 주어 반응을 빠르게 한다. 효소가 없을 때의 활성화에너지

효소의 특성-온도, pH 체외 : 고온의 일시적 반응 체내 (효소 관여) : 단계적으로 효소의 촉매가 이루어 지는 반응

대사특성에 따른 미생물의 구분 탄소원에 따라 에너지원(原)에 따라 독립영양 미생물 종속영양 미생물 광합성 미생물 화학합성 미생물

광합성 독립영양 광합성 종속영양 화학합성 독립영양 화학합성 종속영양 빛 에너지 이용, CO2 고정 녹색 광합성 세균 (시아노 박테리아) 광합성 종속영양 빛 에너지 이용, 유기물이 전자공여체로서 필요 혐기성광합성 세균 화학합성 독립영양 화학에너지 이용, CO2 고정 질소산화세균 화학합성 종속영양 대부분의 세균

용존산소와의 관계 온도와의 관계 호기성 (aerobic) 혐기성 (anaerobic) 임의성 (facultative) 친냉성 미생물 (psychrophilic microbes) 친온성 미생물 (mesophilic microbes) 친열성 미생물 (thermophilic microbes)

미생물의 성장 미생물의 성장 곡선 지체기 대수증식기 정체기 사멸기 환경에 적응하는 시기 세포수가 지수적으로 증가 신생 세포수=사멸 세포수 사멸기 사멸세포수가 증가 지체기 미생물 수 대수증식기 정체기 사멸기 시간

미생물학의 연구대상 바이러스 원핵생물(Prokayote) 진핵생물(Eukaryote) 세균(Bacteria) 균류(Fungi) 조류(Algae) 원생동물(Protozoa) 후생동물(Metazoa)

바이러스

원핵생물과 진핵생물의 차이점

Bacteria 0.8 – 5 ㎛, 분자식 : C5H7O2N or C60H87O23N12P 폐수처리에 가장 중요한 역할

구균 간균 나선균

Fungi 탄소동화작용 않음 대부분이 호기성 사상균(絲狀菌)으로 낮은 pH에서도 잘 성장 Sludge Bulking과 관계

Algae 엽록소를 가지는 단세포 또는 다세포 식물 탄소동화작용, 무기물 섭취 물에 맛과 냄새 발생

Protozoa 탄소동화작용 않음 호기성 Bacteria 섭취 Sarcodina (아메바류) Matisgophora (편모충류) Ciliates (섬모충류) 등

원생생물 (1)

► Sarcodina (아메바류)

► Matisgophora (편모충류) Peranema

► Ciliates (섬모충류) Paramecium Vorticella

Sludge Worm 폐수처리 관련 미생물 먹이사슬의 최상위에 위치 Bacteria와 Protozoa 섭취 Rotifer (윤충류), Crustaceans(갑각류) 등

► Rotifer (윤충류) Collotheca Rotifer Brachionus plicatilis

► Crustaceans Chydoridae Hyalellidae

생장과 제한요인 환경에서의 제약 = 제한요인(limiting factor) 제한요인의 조절을 통한 적절 생장 유도 온도의 경우; 온도의 증가는 일반적으로 생장을 촉진 일정온도 이상에서는 단백질의 변성으로 사멸 미생물마다 최저, 최고, 최적 온도가 존재

미생물에 의한 탄소순환

질소의 순환 질소: 단백질,핵산, 클로로필, 조효소 등의 중요한 구성요소 건조한 대기 가스의 약 78%가 질소분자로 구성 (가장 큰 질소 저장소) 질소고정박테리아를 제외한 모든 생물은 대기속의 질소를 직접 이용할 수 없음 식물과 거의 모든 생산자는 질산염이온 (NO3-)형태로 질소 흡수 -> 질산염 이온은 질산화 작용(nitrification)과 질소고정(nitrogen fixation)에 의해 형성

생산자부터 분해자까지 생산자(식물)에 의해 질산염 이온 흡수  식물 단백질 형성 소비자와 분해자 영역으로 이동 소비자-약간의 동물 단백질 형성(나머지는 대사작용으로 변화되고 질소노폐물은 다양한 형태로 배설(요소,요산,암모니아)) 분해자-여러 단계의 분해과정 통해 단백질과 질소노폐물 재순환 유기노폐물을 분해하여 암모니아, 물, 이산환탄소 생성 (암모니아는 물에 쉽게 이온화되고 암모니아 이온(NH4+)형성

암모니아 박테리아->질화박테리아 교환풀로 이동(순환하여 다시 식물에 흡수) 독립영양을 하는 Nitrosomonas와 같은 박테이아에 의해 암모니아 이온은 아질산염(NO2-)형태로 전환 (질산화 작용, nitrification) Nitrobacter 박테리아에 의해 아질산염은 질산염 (NO3-)으로 전환 교환풀로 이동(순환하여 다시 식물에 흡수) 교환풀에서의 손실:가용성 질소 함유 이온들이 물과 함께 토양에서 씻겨 내려가 유실 혐기성 조건 형성->혐기성 토양 박테리아(Pseudomonas denitrificans)에 의해 아질산염과 질산염이 질소산화물(N2O)과 질소가스로 전환

대기 저장소로 이동 탈질화 박테리아(Pseudomonas denitrificans) 질소원 손실(아질산염, 질산염질소산화물, 질소가스) 질소고정자 질소 고정 박테리아와 남조 박테리아에 의해 대기 질소 고정 암모니아를 만들기 위해 복잡한 생화학 경로를 통해 질소와 수소 결합 초과분은 토양과 물로 다시 방출->질화박테리아에 의해 아질산염과 질산염으로 전환

미생물에 의한 질소순환

환경오염문제와 미생물

용존산소, BOD와 유기물 유기물의 분해-미생물에 의한 산소의 소모 생화학적 산소요구량(BOD) 물속의 용존산소(DO)에는 한계가 존재함 용존산소의 감소  물속 생물의 사멸 생화학적 산소요구량(BOD) 물속의 유기물을 분해하는데 필요한 산소의 양 높은 BOD=높은 유기물 농도 하천수의 수질기준 1급수 (1ppm), 2급수 (3ppm), 3급수 (6ppm), 4급수 (8ppm), 5급수 (10ppm)

생태계의 자정작용 자정(Self-Purification) 자정작용에 영향을 주는 요소들 환경용량 이내의 오염물질은 자연적으로 정화됨 미생물에 의한 유기물질의 분해과정 환경용량을 벗어나면 오염이 심화됨 미생물에 의한 산소의 제거 자정작용에 영향을 주는 요소들 수체의 혼합에 의한 용존산소의 지속적 공급 오염물질의 유입속도 존재하는 미생물의 숫자 및 종류

수인성 질병과 미생물 수인성 질병 세균: 장티푸스, 콜레라, 세균성이질, 급성폐렴, 위장염 바이러스: A형 간염, 소아마비, 장염, 뇌수막염 원생동물: 급성설사, 아메바성 이질, 뇌척수막염

병원성 원생동물 Cryptosporidium & Giardia 하수에서 염소소독 된 수돗물까지 거의 모든 환경수 중에 존재 가능 미국, 영국, 일본 등 매년 발병사고 속출 약10년 동안 50만 명 이상의 감염자 발생 모래여과 공정이 원생동물 제거에 어느 정도는 효과가 있다는 연구가 발표 Giardia lamblia (정면) Giardia lamblia (측면) Giardia cyst C. Parvum 4.5-5.5 μm C. Muris 6 - 8 μm

부영양화와 미생물 물속에서의 광합성은 질소와 인에 의해 제한 적절하게 처리되지 못한 하수= 질소, 인 공급원 광합성 생물의 번식 원핵성 광합성생물 (시아노 박테리아)가 유리 호수인 경우 녹색의 시아노 박테리아가 번성함 독소의 분비(신경독소) 정수처리시 여과효율을 떨어뜨림 악취발생, 유기물증가로 용존 산소의 고갈

미생물의 응용

유용한 금속의 추출-미생물 제련 금속 함유량이 낮은 저품위 광석으로 부터 금속을 회수 불용성의 금속을 미생물을 이용하여 가용성으로 변환 저품위 구리 또는 우라늄 광석에 응용

미생물 농약 개발 (예:솔잎혹파리백강균) 원유 회수 경제성이 없는 유전으로부터 원유회수 미생물이 생산하는 계면활성제를 이용 연료의 생산 목재폐기물, 슬러지 등으로부터 알코올(에탄올) 생산 메탄가스의 생산으로 에너지원 대체 수소발생세균: 미래의 대체 에너지원 기타 단백질의 공급 미생물 농약 개발 (예:솔잎혹파리백강균)