15. 미생물과 환경 -2

이전 포스팅에 이어, 미생물의 생육 및 증식에 영향을 미치는 환경적 요인으로서 온도, pH, 산소 등을 살펴보겠습니다.

 

A. 온도의 영향

미생물의 성장은 온도에 매우 민감하며, 균주가 인식하는 최고 온도와 최저 온도 사이의 온도 범위를 기본적 온도(cardinal temperature)라고 합니다. 또한 미생물의 종류에 따라 증식할 수 있는 최소 온도, 최적 온도, 최고 온도로 나뉩니다.
고온에서 미생물 성장이 급격히 감소하는 것은 단백질 변성으로 인한 세포 구조의 열변성 때문입니다. 일반적으로 최고 온도는 최적 온도보다 약 3~5°C 높습니다. 지금까지 알려진 고온 미생물 중 성장할 수 있는 온도는 약 95℃, 최저 온도는 약 -5℃입니다. 대부분의 해양 미생물은 저온균에 속하며, 저온에서 식품을 보관할 때 문제를 일으키는 부패균에는 저온균이 많이 포함됩니다. 고온균중 하나인 Bacillus stearothermophilus은 통조림 식품을 살균할 때 통조림 식품의 살균 정도를 판단하는 지표로 사용되며 고온 박테리아는 대부분 내열성 포자를 형성하는 균입니다. 일반적으로 발효 산업에서 산업적으로 사용되는 균주는 대부분 중온균으로 적절한 성장 온도에 해당하는 20~40℃ 범위에서 발효됩니다.

 

B. pH의 영향

미생물의 성장은 pH의 영향을 크게 받으며, 각 유형의 미생물은 고유한 최적 pH(optimum pH)를 가지고 있습니다. 미생물 성장률은 최적 pH를 중심으로 종(bell) 유형으로 대칭형을 형성합니다. 최대 성장률을 나타내는 범위는 1~2pH 단위로 좁은 구간이며, 좌우 측면에서 2~5pH 단위로 곱할 수 있습니다.
최적의 pH는 미생물의 종류와 균주에 따라 달라집니다. 예를 들어 유산균이나 초산균과 같이 유기산을 생산하는 내산성(耐酸性) 박테리아는 낮은 pH 범위에서도 산에 대한 내성을 가지고 있기 때문에 증식합니다. 또한 미생물 정련(bacteria leaching)에 사용되는 박테리아는 pH 1.0~4.0 범위에서 잘 자라며 중성 pH에서는 증식하지 않습니다.

 

C. 산소의 영향

일반적으로 미생물 성장에 필요한 산소 요구량과 강도의 유무에 따라 분류됩니다. 산소를 사용하는 대부분의 미생물은 물에 용해된 용존 산소(dissolved oxygen, DO)를 사용합니다.
시험관에서 고체 배양을 할 경우, 미생물 성장 상태는 산소의 유무에 따라 성장이 일어나는 인큐베이터 내 위치가 미생물의 종류에 따라 달라진다는 것을 보여줍니다.

 

※미생물과 산소의 관계※
① 편성 혐기성균(obligate anaerobe)
절대 혐기성 박테리아라고도 알려졌으며, 산소를 사용할 수 없을 뿐만 아니라 균체에 유독합니다. Clostridium, Methanobacterium 속이 이에 속합니다.
② 내성 혐기성균(aerotolerant anaerobe)
산소가 있는 환경에서는 자랄 수 없지만, 생존할 수 있거나 호기성인 환경에서는 약간 자랄 수 있습니다.
③ 통성 혐기성균(facultative anaerobe)
산소 없이도 증식할 수 있습니다. 산소가 있는 경우 더 잘 자랍니다. 대장균, 효모 등이 있습니다.
④ 미호기성균(microaerobe)
대기 중 산소 농도(2-10%)보다 낮은 농도의 산소가 필요하며, 더 높은 산소 농도에서는 증식하지 않습니다. 수소 산화 박테리아 등이 있습니다.
⑤ 편성 호기성균(obligate aerobe)
증식에 산소가 필요한 미생물이며, 곰팡이가 여기에 속합니다.

D. 기타

미생물은 위에서 언급한 다양한 영양 공급원, 배양 온도, 배양 pH, 산소 외에도 수분, 삼투압, 빛과 같은 환경적 요인의 영향을 받습니다. 미생물은 물만 있으면 성장할 수 있으며, 배지의 수분 함량의 경우 대부분의 박테리아는 평형 상대 습도(equilibrium relative humidity, ERH) 95% 이상, 곰팡이 75~95% 이상이어야만 성장할 수 있습니다.
일반적으로 식품의 수분 함량을 표현할 때 수분 활성도(water activity, Aw)는 식품 내 수증기압(P)의 값을 같은 온도의 순수 수증기압(Po)으로 나눈 값(P/Po)입니다. 염분 저항성 또는 삼투성 미생물을 제외한 일반 미생물의 성장에 필요한 최소 수분 활성도는 세균이 0.90, 효모가 0.88, 곰팡이가 0.80이며, 이를 더 증식하려면 더 많은 수분이 필요합니다. 삼투압(osmotic pressure)은 미생물의 성장에도 영향을 미칩니다. 균주에 따라 염분 농도가 30% 이상인 곳에서 성장하는 곰팡이와 당 농도가 70% 이상인 곳에서 성장하는 효모가 있습니다.
고농도의 당분이나 염분이 존재하는 환경에서는 잘 자라는 호삼투압성균(osmophiles), 호염균(halophiles), 호당성균(saccharophiles)이 있지만 일반 미생물의 성장은 억제합니다. 이는 배지에 포함된 염분이나 설탕에 의해 수분 활동을 감소시키고 미생물의 성장을 억제하는 것으로 알려져 있습니다. 적색 또는 녹색 박테리아와 녹조류는 광합성을 위해 광선이 필요하지만, 일반 미생물은 밝은 곳보다 어두운 곳에서 더 잘 자라서 햇빛이 해롭습니다.

 

위에서 언급한 미생물의 생육 및 증식에 대한 환경적 요인 외에도 생산 속도에 대한 환경적 요인은 미생물 반응 시스템에 미치는 영향을 고려해야 합니다. 배양의 목적은 생성물을 최대화하는 조건을 설정하는 것이며, 미생물 성장을 위한 최적의 환경 조건이 반드시 미생물 반응을 위한 최적의 조건이라고 할 수 없습니다. 예를 들어, 일반적으로 통성 혐기성균은 혐기성 조건보다 호기성 조건에서 박테리아 수율이 훨씬 높습니다. 일반적인 통성 혐기성균을 이용한 회분 배양의 경우, 발효 초기에 호기적 조건에서 박테리아를 대량 배양하고 그 이후에 혐기성 조건을 조성함으로써 처음부터 혐기적 조건에서 배양하는 것보다 생성물을 더 많이 얻을 수 있는 기회를 만들 수 있습니다. 따라서 제품을 극대화하기 위해 미생물의 종류에 따라 배양 중 환경 조건을 변경하는 방법을 사용할 수 있습니다. 

다음 포스팅에서는 바이오산업 소재로서 미생물의 특성을 살펴보고 유용한 미생물의 선별과 육종에 대해 살펴보겠습니다.