14. 미생물과 환경 -1(영양원의 영향)

미생물의 생육, 증식(growth), 대사(metabolism)와 같은 생리적 특성은 다양한 환경 요인에 의해 크게 촉진되거나 억제됩니다. 미생물 배양 공학에서 중요한 문제는 미생물 반응을 극대화하기 위해 환경 요인을 제어하는 것이라고 할 수 있습니다.
미생물 성장에 영향을 미치는 환경 요인에는 영양소(nutrients), 배양 온도, 배양 pH, 용존 산소 농도, 습도(습도 함량), 염분 농도 또는 당 농도(삼투압), 압력, 빛(광선) 등이 있습니다. 따라서 이러한 요인으로 인한 미생물의 특성을 살펴보겠습니다.

 

A. 영양 요구 사항에 따른 미생물 분류

미생물이 증식하기 위해서는 세포 물질을 합성하는 데 필요한 물질을 얻고 환경에서 에너지를 획득해야 합니다. 이러한 물질을 영양 공급원 또는 영양소(nutrients)라고 합니다.
미생물 성장에 필요한 영양소의 주요 구분은 에너지원, 탄소원, 질소원, 무기염, 미량 원소 또는 비타민과 같은 성장 인자(growth factor)로 나뉩니다. 미생물의 종류에 따라 에너지원, 질소원 등에 사용되는 물질의 종류는 다양합니다. 일반적으로 미생물은 영양 요구성(nutritional requirement)과 에너지원(energy source)의 차이에 따라 분류할 수 있으며, 이는 모든 생물 분류 기준과 동일합니다.
미생물을 나눌 때, 크게 빛을 에너지원으로 사용하는 광합성 미생물(phototroph)과 화학 에너지원에 의존하는 화학합성 미생물(chemotroph)로 나뉩니다.
CO2를 주요 탄소원으로 사용할 수 있는 미생물을 독립영양균(autotroph)이라고 하며 유기 탄소원에 의존하는 종속영양균(heterotroph)으로 분류합니다. 두 가지 모두에 사용할 수 있는 미생물을 혼합영양 균(mixotroph)이라고도 합니다.
이 분류는 엄격하지 않으며 영양 다양성의 유무에 따라 편성(性, obligate) 또는 통성(通性, facultative)의 용어를 사용합니다. 즉, 빛을 에너지원으로 사용하고 CO2를 주요 탄소원으로 의존하는 미생물을 편성 광합성 독립영양생물(obligate photoautotroph)이라고 합니다. 통성 광합성 독립영양생물(facultative photo autotroph)의 영양 요구 사항은 그렇게 엄격하지 않습니다.
주요 탄소원, 질소원, 무기염과 같은 기본 영양소가 충분히 성장할 수 있는 경우를 원영양균(prototroph)이라고 하고, 기본 영양소 외에 하나 이상의 유기 영양소가 필요한 유기체를 영양요구균(auxotroph)이라고 합니다. 영양요구균은 특정 성분을 합성하는 능력이 부족하기 때문에 외부에서 공급하지 않으면 성장할 수 없습니다.

 

※영양 요구 사항에 따른 미생물 분류※

ⓛ 광합성 독립 영양미생물(photoautotroph)
조류, 적색 유황 박테리아, 녹색 유황 박테리아, 광합성 박테리아 등은 빛을 에너지원으로 사용하는 미생물, 특히 CO2를 탄소원으로 사용하는 미생물로 여기에 속합니다.
② 광합성 종속영양미생물(photoheterotroph)
녹색 비유황 미생물과 홍색 비유황 미생물은 빛을 에너지원으로 사용하고 유기 화합물을 탄소원으로 사용하는 미생물로 여기에 속합니다.
③ 화학합성 독립 영양미생물(chemoautotroph)
환원형 무기 화합물인 NH3, NO2, H2, H2S, S, SO, Fe²의 산화에 의해 화학 물질을 에너지원으로 활용하고 CO2를 주 탄소원으로 활용하는 미생물로 이러한 특성으로 인해 암소(暗所) 및 무기 배지에서도 증식이 가능합니다. 질산염 박테리아, 황산화 박테리아, 철산화 박테리아, 수소 박테리아, 일산화탄소 박테리아 등이 여기에 속합니다.
④ 화학합성 종속영양미생물(chemoheterotroph)
일반적으로 화학 물질을 에너지원으로 사용하고 유기 화합물을 주요 탄소원으로 사용하여 미생물로서 탄소와 에너지는 하나의 유기 화합물을 대사함으로써 얻습니다. 대부분의 효모, 곰팡이, 박테리아 등이 여기에 속합니다.

B. 배지 유형

미생물 배양에 필요한 영양원을 포함하는 수용액을 배지(地, medium) 또는 배양기(培養基, culture medium)라고 합니다. 화학적 조성과 성질이 알려진 영양원만 포함하는 배지를 합성 배지(synthetic medium)라고 하며, 화학적 조성이 불분명한 성분을 포함하는 배지를 복합 배지(complex medium)라고 합니다. 합성 배지에서 단일 탄소원과 무기 물질로만 구성된 배지를 최소 배지(minimal medium)라고 합니다. 최소 배지에서 미생물 성장을 촉진하는 비타민, 아미노산, 미량 원소를 포함하는 배지를 완전 배지(complete medium)라고 합니다.
복합 배지에서는 꿀, 맥아즙, 효모 추출물, 펩톤, 육류 추출물, 옥수수 침지액(corn steep liquor, CSL) 등 천연물로만 만든 배지를 천연 배지(natural medium)라고 합니다. 그런 다음 천연 배지와 합성 배지를 결합하여 만든 배지를 반합성 배지(semisynthetic medium)로 분류합니다.

 

생물공학 생산물 대량 생산을 위한 첫 번째 과제 중 하나는 미생물의 배양 조건을 명확하게 확인하고 미생물이 잘 자라는 환경을 조성하는 것인 것으로 나타났습니다. 이 글을 통해 다양한 환경 조건 중 영양 공급원을 먼저 확인할 수 있으며, 다음 포스팅에서는 다양한 환경 조건에 대해 추가로 살펴보겠습니다.