3. 미생물의 영양 및 생장 1. 미생물의 영양 1-1 영양소 요구 1) 필수영양소 - 대량원소 (macronutrient): 미생물생장에 많은 양으로 필요 (95% 이상 ) -> C, H, O, N, S, P, K, Ca, Mg, Fe -> C H O N S P: 탄수화물,

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1 3. 미생물의 영양 및 생장 1. 미생물의 영양 1-1 영양소 요구 1) 필수영양소 - 대량원소 (macronutrient): 미생물생장에 많은 양으로 필요 (95% 이상 ) -> C, H, O, N, S, P, K, Ca, Mg, Fe -> C H O N S P: 탄수화물, 지질, 단백질, 핵산의 구성성분 -> K: 효소활성 -> Ca: 다양한 기능, 내생포자의 내열성 -> Mg: 효소의 조효소, 리보솜, 세포막의 안정화 -> Fe: 시토크롬 구성성분, 조효소 - 미량원소 (trace element, micronutrient): 소량필요, 생체반응 촉매, 단백질구조 유지 -> Mn, Zn, Co, Mo, Ni, Cu - 영양분의 균형 중요 - 필수영양소 결핍 -> 타 영양소의 농도에 관계없이 생장제한

2 3. 미생물의 영양 및 생장 2) C,H,O 의 필요성 ( 탄소원 공급 ) - 에너지공급, 전자전달체, 유기분자골격형성 - 유기분자 -> 환원된 상태 -> 에너지원과 탄소원 동시공급 Autotroph( 독립영양생물 ): -> CO 2 를 주된 탄소원으로 사용하는 생물 -> 광합성에 의한 빛 에너지 이용 ( 대부분 ), 무기물산화로 에너지획득 ( 일부 ) Heterotroph( 종속영양생물 ) -> 유기분자를 탄소원으로 이용 (glucose) -> 탄소원 및 에너지 동시 공급 - 다양한 탄소원 이용가능 : 미생물의 특징 -> 다양성, 이용성 -> 알코올, 파라핀, 고무, 유기용매 ( 메탄, 메탄올 ), 난분해성 인공물질 ( 살충제 ) 3) 영양물질 흡수방법에 따른 미생물 분류 - 에너지형태 Phototroph( 광영양생물 ): 빛을 에너지원으로 사용 ( 광합성 ) Chemotroph( 화학영양생물 ): 유기물의 산화 - 전자를 취하는 방법 Lithotroph( 무기영양생물 ): 무기물환원으로 전자획득 Organotroph( 유기영양생물 ): 유기물로부터 - 탄소, 에너지, 전자 복합

3 3. 미생물의 영양 및 생장 미생물종류에너지 - 전자 - 탄소원 광무기독립영양 Photolithotrophic autotroph 빛, 무기물, CO 2 광유기종속영양 Photoorganotrophic heterotroph 빛, 유기수소공여체, 유기탄소원 화학무기독립영양 Chemolithotrophic autotroph 화학무기물, 무기수소, CO 2 화학유기종속영양 Chemoorganotrophic heterotroph 화학유기물, 유기수소공여체, 유기 탄소원 Mixotroph ( 혼합영양 ) 환경요인에 따라 대사양상변화

4 3. 미생물의 영양 및 생장 4) N, P, S 의 필요성 - 질소 : -> 아미노산, 퓨린, 피리미딘, 탄수화물, 지질, 효소 등 생체구성분자합성 -> 아미노산, 암모니아 (NH 4 ), 질산 (NO 3 ) 에서 얻음 - 인 : -> 핵산, 인지질, 보조인자, 단백질 구성성분 -> 무기인산 (PO 4 ) 이 주공급원 - 황 : -> 아미노산 ( 시스테인, 메티오닌 ), 바이오틴, thiamine 의 합성 -> 황산염 (SO 4 ) 의 환원으로부터 공급 5) Growth factor( 생장인자 ) - 미생물생장에 필수적으로 요구되나 자체로 합성하지 못하는 물질 - 미생물에 따라 요구종류와 정도가 다름 - 1) 아미노산 : 단백질합성 - 2) 퓨린과 피리미딘 : 핵산합성 - 3) 비타민 : 효소보조인자 - 기타 헴, 콜레스테롤 등

5 3. 미생물의 영양 및 생장 1-2 영양물질 흡수 - 기질특이성 -> 불필요한 물질 흡수 금지 - 능동적 수송 -> 주위 낮은 농도의 영양소를 세포내로 흡수 - 세포막 통과 필요 1) Diffusion( 확산 ) - Passive diffusion( 수동확산 ): -> 고농도에서 저농도로 무작위적 이동 -> 큰 농도차 필요 -> 영양물질 흡수에 따라 흡수율 감소 -> 물, 산소, 이산화탄소 - Facilitated diffusion( 촉진확산 ) -> 농도차이 이용 -> 수송단백질 (permease) 관여 -> 글리세롤, 당류 수동확산과 촉진확산

6 촉진확산의 모형

7 3. 미생물의 영양 및 생장 2) Active transport( 능동수송 ) - 농도구배에 역행하여 수송 - 대사에너지 필요 -> ABC transporter (ATP-Binding Casette) - 수송단백질 관여 - Symport( 공동수송 ): 두 물질을 동일한 방향으로 - Antiport( 역수송 ): 두 물질을 서로 다른 방향으로 ABC 수송체 능동수송

8 3. 미생물의 영양 및 생장 3) Group translocation( 작용기 전달 ) - 물질이 수송되면서 화학적으로 변형 - PTS (phosphotransferase system) - 여러 종류의 당류가 PEP (phosphoenolpyruvate) 를 인산공여체로 이용 Group translocation

9 3. 미생물의 영양 및 생장 1-3 배지 - 미생물 성장에 필요한 영양분 함유 - 미생물 분리동정 가능 - 항생제 감수성 측정 - 조성은 미생물마다 다름 1) 제한배지 (defined medium), 합성배지 (synthetic medium) - 미생물의 영양요구성을 알고 있을 때 - C,N,S,P, 무기질을 포함한 간단한 조성 - 배지의 조성을 알고 있음 2) 복합배지 (complex medium) - 특정미생물의 영양요구성을 모를 때 - 화학조성을 모르는 성분 포함 - peptone, yeast extract, malt extract 포함 3) 선택배지 (selective medium) - 특별한 영양물질 포함 ( 항생제, 염료, 탄소원 ) - 특정의 미생물만 생육 4) 분별배지 (differential medium) - 서로 다른 종류의 미생물을 구별

10 3. 미생물의 영양 및 생장 1-4 순수배양 (pure culture) - 혼합집단 미생물군에서 단일세포군 분리배양 - 선택배지이용 -> 특정미생물의 영양요구성을 알고 있을 때 - 희석법 -> 희석된 상태에서 colony 형성유도 - 도말평판법 (splead plate) -> 희석 미생물혼합액을 agar plate 에 도말 - 획선평판법 (streak plate) -> agar plate 상에서 백금선으로 순차적 희석 - 혼합평판법 (pour plate) -> 희석 미생물액을 액상 agar 배지와 혼합 후 굳힘 StreakingPouring

11 Colony 형태에 따른 분류

12 3. 미생물의 영양 및 생장 2. 미생물의 생장 2-1 생장곡선 (growth curve) * 생장 (growth): 세포의 크기나 수의 증가 * 회분배양 (batch culture): 일정한 양의 배양액이 담긴 배양기 내에서 배양 -> 영양물질 감소, 노폐물 증가 * 생장곡선 : batch culture 내에서 생균수에 대수를 취해 얻음

13 3. 미생물의 영양 및 생장 1) Lag phase( 유도기 ) - 처음 배양액에 접종 후 적응시기 - 세포수 증가 없음 - 새로운 구성성분의 합성 -> 신규 영양물질 사용에 필요한 효소 합성 -> 손상회복 - 오래된 배지에 서 배양 후 - 냉장보관 후 -> 시간 길어짐 - 배지의 화학조성이 바뀐 경우 - 같은 조성의 배지 -> 짧거나 없음 2) Log phase(exponential phase, 대수기 ) - 최고속도로 성장분열 - 세포의 화학적 생리적 특징이 균일 -> 평형생장 (balanced growth) - 영양물질 농도에 따라 성장속도 증가 3) Stationary phase( 정체기 ) - 미생물생장 정지 -> 10 9 /ml 정도에서 미생물 총균수 일정 -> 성장사멸의 평형 - 발생원인 -> 영양물질 부족, 독성노폐물 축적, 집단의 임계밀도 4) Death phase( 사멸기 ) - 생균수 감소 -> 대수적으로 감소

14 영양물질 농도와 생장 임계농도 임계성장속도

15 3. 미생물의 영양 및 생장 * Doubling time(generation time) 결정 - 대수기에서 이분법으로 분열하는 세포수의 2 배 증가 시간 N o = 초기의 세포수 N t = 시간 t 에서의 세포수 N t = N o x 2 n n = t 시간 동안의 세대수 양변에 log 를 취하면 -> log N t = log N o + n log2 n = = = 평균생장율상수 K = n/t ( 단위시간당 세대수 ) ex) 10 시간 동안 10 3 에서 10 9 으로 증가 한 경우 g 값은 ? Log N t - log N o Log 2 Log N t - log N o 0.301 Log N t /N o 0.301 Doubling time -> N t = 2N o 일 때의 시간 g 로 표현 Log 2 0.301g K = = 1/g g = 1/K Log N t /N o 0.301t K = Log N t - log N o 0.301t Log 10 9 - log 10 3 (0.301)(10hr) = = 2.0 세대 /hr g = 1/k = hr/2.0 세대 = 30min/ 세대

16 3. 미생물의 영양 및 생장 2-2 생장의 측정 1) 세포수 직접 측정 - hemacytometer 이용법 - 고체배지이용법 -> 형성된 colony 에 희석배율 곱함 * CFU(colony forming unit) -> 생균수만을 측정 2) 세포의 질량 측정 - 건조중량 측정 - 흡광도 측정

17 3. 미생물의 영양 및 생장 2-3 생장영향요인 1) 용질 및 수분활성도 : - 세포내의 충분한 수분을 유지해야 함 - Osmotolerant( 내삼투성 ): 수분활성도가 낮은 환경에서 견딤 - Halophile( 호염성 ): 염분 농도가 높은 고장액에서 서식 2) pH - 생장에 최적인 pH 값을 가짐 - 세포내의 pH 값은 중성을 유지 -> 별도의 유지기작이 필요함 - Acidophile( 호산성미생물 ): pH 0 - 5.5 - Neutrophile( 호중성미생물 ): pH 5.5 - 8.0 - Alkalophile( 호염기성미생물 ): pH 8.5 - 11.5 - Extreme alkalophile( 극호염기성 ): pH 10.0 이상 Acidophile, Streptococcus lactis Halophiles

18 3. 미생물의 영양 및 생장 3) 온도 - 외부온도에 따라 내부온도 같이 변화 - 높은 온도 -> 세포의 기능과 구조변화 -> 효소구조변형 - 낮은 온도 -> 세포의 기능저해 -> 효소활성 감소 - 최저온도, 최적온도, 최고온도로 구분 - 저온미생물 (psychrophile): 0 ° C 에서 자라고 최적 온도는 15 ° C 이하 - 내저온성 (psychrotroph):0-7 ° C 에서 생장가능, 20-30 ° C 최적, 35 ° C 최고 - 중온성 (mesophile): 20-45 ° C 최적, 15-20 ° C 최저, 45 ° C 최고 -> 대부분 - 고온성 (thermophile): 55 ° C 이상에서 생장가능, 45 ° C 최저, 55-65 ° C 최적 - 초고온성 (hyperthermophile): 80-113 ° C 최적, 55 ° C 이하에서 생존 못함 Hot spring

19 미생물의 생장최적온도

20 3. 미생물의 영양 및 생장 4) 산소 - 전자전달계의 최종전자수용체의 역할 - aerobe( 호기성 ): 산소가 있는 대기에서 생장 - obligate aerobe( 절대호기성 ): 반드시 산소가 필요 - anaerobe( 혐기성 ): 산소가 없는 곳에서 자람 - facultative anaerobe( 조건부 혐기성 ): 산소가 필수적이지 않으나 산소가 있으면 더 잘 자람 - aerotolerant anaerobe( 내기성 혐기성 ): 산소를 이용하지 않으나 있어도 무방 - obligate anaerobe( 절대혐기성 ): 산소가 있으면 사멸 - microaerophile( 미호기성 ): 높은 산소분압 (20%) 에서는 생장 못하나 낮은 경우 (2-10%) 생장