1. 미생물의영양 1-1 영양소요구 1) 필수영양소 - 대량원소 (macronutrient): 미생물생장에많은양으로필요 (95% 이상 ) -> C, H, O, N, S, P, K, Ca, Mg, Fe -> C H O N S P: 탄수화물, 지질, 단백질, 핵산의구성성분 -> K: 효소활성 -> Ca: 다양한기능, 내생포자의내열성 -> Mg: 효소의조효소, 리보솜, 세포막의안정화 -> Fe: 시토크롬구성성분, 조효소 - 미량원소 (trace element, micronutrient): 소량필요, 생체반응촉매, 단백질구조유지 -> Mn, Zn, Co, Mo, Ni, Cu - 영양분의균형중요 - 필수영양소결핍 -> 타영양소의농도에관계없이생장제한 1
2) C,H,O 의필요성 ( 탄소원공급 ) - 에너지공급, 전자전달체, 유기분자골격형성 - 유기분자-> 환원된상태 -> 에너지원과탄소원동시공급 Autotroph( 독립영양생물 ): -> CO 2 를주된탄소원으로사용하는생물 -> 광합성에의한빛에너지이용 ( 대부분 ), 무기물산화로에너지획득 ( 일부 ) Heterotroph( t 종속영양생물 ) -> 유기분자를탄소원으로이용 (glucose) -> 탄소원및에너지동시공급 - 다양한탄소원이용가능 : 미생물의특징 -> 다양성, 이용성 -> 알코올, 파라핀, 고무, 유기용매 ( 메탄, 메탄올 ), 난분해성인공물질 ( 살충제 ) 3) 영양물질흡수방법에따른미생물분류 - 에너지형태 Phototroph( 광영양생물 ): 빛을에너지원으로사용 ( 광합성 ) Chemotroph( 화학영양생물 ): 유기물의산화 - 전자를취하는방법 Lithotroph( 무기영양생물 ): 무기물로부터전자획득 Organotroph( 유기영양생물 ): 유기물로부터 - 탄소, 에너지, 전자복합 2
미생물종류광무기독립영양 Photolithotrophic autotroph 광유기종속영양 Photoorganotrophic heterotroph 화학무기독립영양 Chemolithotrophic autotroph 화학유기종속영양 Chemoorganotrophic heterotroph Mixotroph ( 혼합영양 ) 에너지-전자-탄소원빛, 무기물, CO 2 빛, 유기수소공여체, 유기탄소원화학무기물, 무기수소, CO 2 화학유기물, 유기수소공여체, 유기탄소원환경요인에따라대사양상변화 3
4) N, P, S 의필요성 - 질소 : -> 아미노산, 퓨린, 피리미딘, 탄수화물, 지질, 효소등생체구성분자합성 -> 아미노산, 암모니아 (NH 4 ), 질산 (NO 3 ) 에서얻음 - 인 : -> 핵산, 인지질, 보조인자, 단백질구성성분 -> 무기인산 (PO 4 ) 이주공급원 - 황 : -> 아미노산 ( 시스테인, 메티오닌 ), 바이오틴, thiamine 의합성 -> 황산염 (SO 4 ) 의환원으로부터공급 5) Growth factor( 생장인자 ) - 미생물생장에필수적으로요구되나자체로합성하지못하는물질 - 미생물에따라요구종류와정도가다름 - 1) 아미노산 : 단백질합성 - 2) 퓨린과피리미딘 : 핵산합성 - 3) 비타민 : 효소보조인자 - 기타헴, 콜레스테롤등 4
1-2 영양물질흡수 - 기질특이성 -> 불필요한물질흡수금지 - 능동적수송 -> 주위낮은농도의영양소를세포내로흡수 - 세포막통과필요 1) Diffusion( 확산 ) - Passive diffusion( 수동확산 ): -> 고농도에서저농도로무작위적이동 -> 큰농도차필요 -> 영양물질흡수에따라흡수율감소 -> 물, 산소, 이산화탄소 - Facilitated diffusion( 촉진확산 ) -> 농도차이이용 -> 수송단백질 (permease) 관여 -> 글리세롤, 당류 수동확산과촉진확산 5
촉진확산의모형 6
능동수송 2) Active transport( 능동수송 ) - 농도구배에역행하여수송 - 대사에너지필요 -> ABC transporter t (ATP-Binding Casette) - 수송단백질관여 - Symport( 공동수송 ): 두물질을동일한방향으로 - Antiport( 역수송 ): 두물질을서로다른방향으로 ABC 수송체 7
3) Group translocation( 작용기전달 ) - 물질이수송되면서화학적으로변형 - PTS (phosphotransferase system) - 여러종류의당류가 PEP (phosphoenolpyruvate) 를인산공여체로이용 Group translocation 8
1-3 배지 - 미생물성장에필요한영양분함유 - 미생물분리동정가능 - 항생제감수성측정 - 조성은미생물마다다름 1) 제한배지 (defined medium), 합성배지 (synthetic medium) - 미생물의영양요구성을알고있을때 - C,N,S,P, 무기질을포함한간단한조성 - 배지의조성을알고있음 2) 복합배지 (complex medium) - 특정미생물의영양요구성을모를때 - 화학조성을모르는성분포함 - peptone(tryptone), yeast extract, malt extract 포함 3) 선택배지 (selective medium) - 특별한영양물질포함 ( 항생제, 염료, 탄소원 ) - 특정의미생물만생육 4) 분별배지 (differential medium) - 서로다른종류의미생물을구별 9
1-4 순수배양 (pure culture) - 혼합집단미생물군에서단일세포군분리배양 - 선택배지이용 -> 특정미생물의영양요구성을알고있을때 - 희석법 -> 희석된상태에서 colony 형성유도 - 도말평판법 (splead plate) -> 희석미생물혼합액을 agar plate에도말 - 획선평판법 (streak plate) -> agar plate 상에서백금선으로순차적희석 - 혼합평판법 (pour plate) -> 희석미생물액을액상 agar 배지와혼합후굳힘 Streaking Pouring 10
Colony 형태에따른분류 11
2. 미생물의생장 2-1 생장곡선 (growth curve) * 생장 (growth): 세포의크기나수의증가 * 회분배양 (batch culture): 일정한양의배양액이담긴배양기내에서배양 -> 영양물질감소, 노폐물증가 * 생장곡선 : batch culture 내에서생균수에대수를취해얻음 12
1) Lag phase( 유도기 ) - 처음배양액에접종후적응시기 - 세포수증가없음 - 새로운구성성분의합성 -> 신규영양물질사용에필요한효소합성 -> 손상회복 - 오래된배지에서배양후 - 냉장보관후 -> 시간길어짐 - 배지의화학조성이바뀐경우 - 같은조성의배지 -> 짧거나없음 2) Log phase(exponential phase, 대수기 ) - 최고속도로성장분열 - 세포의화학적생리적특징이균일 -> 평형생장 (balanced growth) - 영양물질농도에따라성장속도증가 3) Stationary phase( 정체기 ) - 미생물생장정지 -> 10 9 /ml 정도에서미생물총균수일정 -> 성장사멸의평형 - 발생원인 -> 영양물질부족, 독성노폐물축적, 집단의임계밀도 4) Death phase( 사멸기 ) - 생균수감소 -> 대수적으로감소 13
영양물질농도와생장 임계농도 임계성장속도 14
* Doubling time(generation time) 결정 - 대수기에서이분법으로분열하는세포수의 2 배증가시간 N o = 초기의세포수 N t = 시간 t 에서의세포수 n = t 시간동안의세대수 N t = N o x 2 n 양변에 log 를취하면 -> logn t =logn o + n log2 Log N n = t - log N o Log N = t - log N o = Log 2 0.301 Log N t /N o 0.301 평균생장율상수 K = n/t ( 단위시간당세대수 ) K = Log N t /N o 0.301t Doubling time -> N t = 2N o 일때의시간g로표현 Log 2 K = = 1/g g = 1/K 0.301g ex) 10 시간동안 10 3 에서 10 9 으로증가한경우 g 값은? K = Log N t - log N o 0.301t Log 10 9 - log 10 3 = = 2.0세대 /hr (0.301)(10hr) g = 1/k = hr/2.0 세대 = 30min/ 세대 15
2-2 생장의측정 1) 세포수직접측정 - hemacytometer 이용법 - 고체배지이용법 -> 형성된 colony에희석배율곱함 * CFU(colony forming unit) -> 생균수만을측정 2) 세포의질량측정 - 건조중량측정 - 흡광도측정 16
평판배지생균수측정 17
2-3 생장영향요인 1) 용질및수분활성도 : - 세포내의충분한수분을유지해야함 - Osmotolerant( 내삼투성 ): 수분활성도가낮은환경에서견딤 - Halophile( 호염성 ): 염분농도가높은고장액에서서식 2) ph - 생장에최적인 ph 값을가짐 Halophiles - 세포내의 ph 값은중성을유지 -> 별도의유지기작이필요함 - Acidophile( 호산성미생물 ): ph 0-5.5 - Neutrophile( 호중성미생물 ): ph 5.55-80 8.0 - Alkalophile( 호염기성미생물 ): ph 8.5-11.5 - Extreme alkalophile( 극호염기성 ): ph 10.0 이상 Acidophile, Streptococcus 18 lactis
3) 온도 - 외부온도에따라내부온도같이변화 - 높은온도 -> 세포의기능과구조변화 -> 효소구조변형 - 낮은온도 -> 세포의기능저해 -> 효소활성감소 - 최저온도, 최적온도, 최고온도로구분 - 저온미생물 (psychrophile): 0 C 에서자라고최적온도는 15 C 이하 - 내저온성 (psychrotroph):0-7 C 에서생장가능, 20-30 C 최적, 35 C 최고 Hot spring - 중온성 (mesophile): 20-45 C 최적, 15-20 C 최저, 45 C 최고 -> 대부분 - 고온성 (thermophile): 55 C 이상에서생장가능, 45 C 최저, 55-65 C 최적 - 초고온성 (hyperthermophile): 80-113 C 최적, 55 C 이하에서생존못함 19
미생물의생장최적온도 20
4) 산소 - 전자전달계의최종전자수용체의역할 - aerobe( 호기성 ): 산소가있는대기에서생장 - obligate aerobe( 절대호기성 ): 반드시산소가필요 - anaerobe( 혐기성 ): 산소가없는곳에서자람 - facultative anaerobe( 조건부혐기성 ): 산소가필수적이지않으나산소가있으면더잘자람 - aerotolerant anaerobe( 내기성혐기성 ): 산소를이용하지않으나있어도무방 - obligate anaerobe( 절대혐기성 ): 산소가있으면사멸 - microaerophile( 미호기성 ): 높은산소분압 (20%) 에서는생장못하나낮은경우 (2-10%) 생장 21