3. 미생물의 영양 및 생장

1. 미생물의 영양

1-1. 영양소 요구

1-1-1. 필수 영양소

대량원소 Macronutrient	- 미생물 생장에 많은 양으로 필요 - 구조 ptn, 지질 등을 이루는 것 - C, H, O, N, S, P, K, Ca, Mg, Fe: 탄수화물, 지질, 단백질, 핵산의 구성 성분 - K: 효소 활성 - Ca: 다양한 기능, 내생 포자의 내열성 - Mg: 효소의 조효소, 리보솜, 세포막의 안정화 - Fe: 시토크롬 구성성분, 조효소
미량원소 Trace nutrient Micronutrient	- 효소의 cofactor, 생체반응 촉매 - 소량 필요 - 단밸질 구조 유지: Mn, Zn, Co, Mo, Ni, Cu

- 필수 영양소 결핍 시, 타 영양소의 농도에 관계없이 생장 제한

 

1-1-2. CHO의 필요성 (탄소원 공급)

- 에너지 공급, 전자 전달체, 유기 분자 골격 형성

- 유기 분자 ➝ 환원된 상태 ➝ 에너지원과 탄소원  동시 공급 ➝ 산화된 상태로 바뀜

Autotroph 독립영양생물	- 탄소원 = CO2 - 광합성에 의한 빛 에너지 이용
Heterotroph 종속영양생물	- 탄소원 = 다른 개체들이 만들어 낸 유기 분자 (glucose) - 다양한 탄소원 이용 가능 ➝ 다양성, 이용성

 

1-1-3. 영양물질 흡수 방법에 따른 미생물의 분류

- 에너지의 형태

•        Phototroph : 빛 (광합성)

•        Chemotroph : 유기물의 산화

- 전자

•        Lithotroph : 무기물로부터

•        Organotroph : 유기물로부터

- 탄소원

•        Autotroph : CO2

•        Heterotroph : 유기 탄소원

 

1-1-4. N, P, S의 필요성

N	- 아미노산, 퓨린, 피리미딘, 탄수화물, 지질, 효소 등 생체 구성 분자 합성 Peptidoglycan의 NAG, NAM.  스핑고 lipid - 아미노산, 암모니아(NH4), 질산(NO3)에서 얻음
P	- 핵산, 인지질, 보조인자, 단백질 구성성분 - 무기인산(PO4)이 주 공급원
S	- 아미노산(Cys, Met), 바이오친, Thiamine의 합성 - SO4의 환원으로부터 공급

 

1-1-5. Growth factor

- 미생물 생장에 필수적으로 요구되나 자체적으로  합성하지 못하는 물질

- 미생물에 따라 요구 종류와 정도가 다름

- 미생물에 따라 Growth factor로 작용할 수 있다.

•        아미노산 ➝ 단백질 합성

•        퓨린, 피리미딘 ➝ 핵산 합성

•        비타민 ➝ 효소 보조 인자

 

 

 

1-2. 영양물질 흡수

- 기질 특이성: 불필요한 물질 흡수 금지

- 능동적 수송: 주위 낮은 농도 ➝ 높은 농도

                                  (농도 구배 역행)

- 세포막 통과 필요

 

1-2-1. Diffusion (확산)

Passive diffusion 수동 확산	- 고농도 ➝ 저농도 - 세포막을 통과함 - 물, 산소, CO2등 분자량 ↓
Facilitated diffusion 촉진 확산	- 농도 차이 이용 - 수송 단백질 관여 - 글리세롤, 당류 등 분자량 ↑

1-2-2. Active transport (능동수송)

- 농도 구배에 역행하여 수송

- 대사 에너지 필요: ABC transport

                ATP-Binding Casette

- 수송 단백질 관여, 구조 변화 일어남

- Symport: 두 물질을 한 방향으로

- Antiport: 두 물질을 서로 다른 방향으로

 

1-2-3. Group translocation (작용기 전달)

- 물질이 수송되면서 화학적으로 변형

- Functional group이 수송되는 물질에 붙음

- Phosphotransferase system

- 여러 종류의 당류가 PEP를 인상 공여체로 이용

 

 

 

1-3. Medium 배지

- 미생물 성장에 필요한 영양분 함유

- 배지에 따라 미생물 분리 동정 가능

- 항생제 감수성 측정

- 조성은 미생물마다 다름.

Defined 제한배지, Synthetic 합성배지	- 미생물의 영양요구성을 알고 있을 때 - 꼭 필요한 것만 넣으면 됨 ➝ C, N, S, P, 무기질을 포함한 간단한 조성 - 배지의 조성을 알고 있음
Complex 복합배지	- 특정 미생물의 영양요구성을 모를 때 - 화학 조성을 모르는 성분 포함 - peptone(tryptone), yeast extract, malt extract 포함
Selective 선택배지	- 특별한 영양 물질 포함 (항생제, 염료, 탄소원 등 다양함) - 특정의 미생물만 생육
Differential 분별배지	- 서로 다른 종류의 미생물을 구별

 

1-4. Pure culture 순수 배양

- 혼합 집단 미생물군에서 단일 세포군 분리 배양

- 선택 배지 이용: 특정 미생물의 영양요구성을 앎

- 희석법: 희석된 상태에서 colony 형성 유도

- 도말 평판법 (Splead plate): 희석 미생물 혼합액을 agar plate에 도말

- 획선 평판법 (Streak plate): agar plate 상에서  백금선으로 순차적 희선

- 혼합 평판법 (Pour plate): 희석 미생물액을 액산 agar 배지와 혼합 후 굳힘

 

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2. 미생물의 생장

2-1. 생장 곡선 (growth curve)

세포의 크기나 수의 증가

- 회분 배양 (batch culture): 일정한 양의 배양액이 담긴

 배양기 내에서 배양 ➝ 영양 물질↓, 노폐물↑

- graph는 생균수 (CFU) 를 나타냄.

 

lag phase	- 유도기 - 적응 시기, 세포 수 증가X
log phase	- Exponential phase, 대수기 - 최고 속도로 성장 분열 - 화학적, 생리적 특징 균일 ➝ 평행생장 (balanced growth) - 영양물질 농도에 따라 성장 속도 변화
stationary phase	- 정체기 - 미생물 생장 정지: 109/ml (임계밀도) 에서 미생물 총균수 일정
death phase	- 사멸기 - 생균수 감소

 

* Doubling time (generation time) 결정

N0 = 초기의 세포 수 Nt = 시간t에서의 세포 수 n = t시간 동안의 세대 수

Nt = N0 x 2n

Log Nt = log N0 + n log 2

 

2-2. 생장의 측정

세포수 직접 측정	- hemacytometer이용법 - 고체 배지 이용법
세포의 질량 측정	- 건조 중량 측정 - 흡광도 측정

 

 

 

2-3. 생장 영향 요인

 

2-3-1. 용질 및 수분활성도

- 세포 내의 충분한 수분 유지 필수

- Osmotolerant (내삼투성) : 수분 활성도가 낮은 환경에서 견딤

- Halophile (호염성) : 염분 농도가 높은 고장액에서  서식

 

2-3-2. pH

- 생장에 최적인 pH값을 가짐

- 세포 내의 pH값은 중성임

- Acidophile (호산성 미생물) : pH 0 ~ 5.5

- Neutrophile (호중성 미생물) : pH 5.5 ~ 8.0

- Alkalophile (호염기성 미생물) : pH 8.0~11.5

- Extreme alkalophile (극호염기성) : pH 10 이상

 

2-3-3. 온도

- 외부 온도에 따라 내부 온도 같이 변화

- 고온: 세포의 기능과 구조 변화, 효소 구조 변형

- 저온: 세포의 기능 저해, 효소 활성 감소

- 대부분 Mesophile

 

 

2-3-4. 산소

- 전자 전달계의 최종 전자 수용체 역할

- Aerobe (호기성) : 산소가 있는 대기에서 생장

- Obligate aerobe (절대 호기성) : 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 (절대 혐기성) : 산소가 있으면 사멸

- Microaerophile (미호기성) : 높은 산소 분압에서는 생장  못 하나 낮은 경우 생장