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미생물이야기 환경미생물배양을 이용하는 다양한 방법
2013-08-07 12:37:59
이엠생명과학연구원

1. 경쟁 및 편해

경쟁(competition)은 생존과 생장의 측면에서 불리하게 영향을 받는 두 집단 사이의 부정적인 관계이다. 경쟁이 있으면 세포의 최대 밀도(maximal density) 및 생장률이 낮아진다. 경쟁은 하나의 공간이나 제한된 영양소(탄소, 질소, 인, 산소, 물 등)를 두 집단이 같이 이용하고 있을 때 발생한다. 경쟁적 배제(competitive exclusion)란 한 집단은 경쟁에서 이기고 다른 집단은 제거되기 때문에 두 집단이 생태적으로 분리되는 것을 말한다.

한 미생물 집단이 경쟁관계에 있는 다른 집단에게 유독한 물질을 생성할 수 있을 때 집단 사이의 관계를 편해(amensalism)라 한다. 이때 저해물질을 생성하는 집단은 이 물질에 의해 아무런 영향을 받지 않거나 또는 다른 집단이 저해되기 때문에 반사 이득을 얻는다. 항생작용(antibiosis)과 상대독성(allelopathy) 등이 화학물질 저해의 주된 작용이다. 예를 들어 젖산 등 저분자량의 지방산 생성 및 항생물질 생산은 많은 세균집단에 저해작용을 나타낸다.

 

2. 기생 및 포식

일반적으로 작은 기생물(parasite)이 큰 숙주(host)로부터 영양물을 얻으며 살아가는 관계를 기생이라고 하는 데 기생물은 숙주의 내부(endoparasite) 또는 외부에(ectoparasite) 존재한다. 기생물-숙주 관계는 매우 특수해서 기생물이 특정한 숙주에만 기생할 수 있는데 이러한 현상을 숙주특이성(host specificity)이라 한다. 숙주특이성은 보통 물리적인 부착이 가능한 생물체 세포의 표면특성에 의해 일어난다. 기생을 하는 대표적인 것으로 바이러스가 있는데 바이러스는 박테리아, 균류, 조류, 원생동물 모두에 기생할 수 있다. 기생의 다른 예로 Bdellovibrio라는 박테리아가 다른 그람음성 박테리아에 기생하는 경우가 있다. 이 박테리아들은 강한 회전으로 다른 박테리아의 세포벽을 뚫고 들어가 세포벽과 세포막 사이(periplasmic space)에서 자라나는 특이한 종류이다.

미생물 세계에서는 기생과 포식(predation) 사이의 구분이 명확하지 않다. 예를 들면, Bdellovibrio와 감수성이 있는 그람음성 세균 사이의 상호작용을 기생관계로 보기도 하고 포식의 관계로 보기도 한다. 포식은 먹는자(포식자:predator)인 한 생물이 먹히는자(피식자:prey)인 다른 생물을 섭취하여 소화시킬 때 전형적으로 일어난다.

포식자와 피식자는 상호작용에 의해서 그 수가 정기적으로 순환적인 변동을 한다. 각 순환에서 피식자 집단이 증가함에 따라 포식자의 집단도 증가하다가 피식자의 증가율을 추월하면 피식자가 감소한다. 이러한 감소는 포식자의 수효가 피식자 집단이 다시 증가할 수 있는 수준으로 떨어질 때까지 계속되며, 피식자 집단이 증가하기 시작하면 포식자도 다시 증가한다. 이론적으로 이러한 포식자-피식자 집단은 순환을 계속한다.

편모충류 원생동물에 의한 포식은 수계에서 박테리아 집단을 비교적 안정적으로 유지하는 데 필수적이다. 이러한 섭식활동은 먹이사슬 내에 탄소를 유지시키는 작용을 한다. Paramecium, Vorticella, Stentor와 같은 섬모충류 원생동물은 Enterobacter aerogenes와 같은 평균적인 피식자인 박테리아보다 103~104배의 세포질량을 나타낸다.

3. 혼합배양의 산업적 이용

식품생산에 혼합배양이 사용되는 대표적인 예는 치즈 제조이다. 저온 살균된 신선한 우유에 정의된(defined) 젖산균의 혼합물을 접종함으로써 다양한 형태의 치즈가 생산된다. 젖산생산에 사용되는 박테리아는 혼합배양되는 StreptococcusLactobacillus의 여러 가지 종들이다. 맛과 향을 내기 위해서 이용되는 미생물로 Brevibacterium linens, Propionibacterium shermanii, Leuconostoc종, Streptococcus diacetlactise 등이 있다.

옥수수와 완두콩 폐기물은 Trichoderma virideGeotrichium종의 혼합배양에 의해 처리된다. 여기서 두 균주는 아밀레이즈를 생산하는 데 T. viride는 셀룰로오스를 환원당 분자로 분해하고, Geotrichium은 녹말을 환원당(reduced sugar) 분자들로 쪼갠다.

Pseudomonas의 어떤 종(species)은 메탄을 메탄올로 산화시킨다. 이때 Hyphomicrobium같은 메탄올을 사용하는 박테리아를 생장배지에 포함시키면 Pseudomonas가 메탄올에 의해 저해 받는 문제점을 제거할 수 있다. 이와 같은 상호관계는 PseudomonasHyphomicrobium에게 탄소원(메탄올)을 제공하고 HyphomicrobiumPseudomonas의 생장 저해물질(메탄올)을 제거해 준다는 의미에서 상리적이다.

혼합배양의 가장 일반적인 경우는 바이오필터(biofilter)를 이용한 대기 중의 휘발성 무기 및 유기화합물 처리, 활성 오니 반응조를 이용한 폐수 내의 유기물과 난분해성 화합물의 처리, 음식물 쓰레기의 퇴비화 등이라고 할 수 있다. 이러한 혼합배양에 사용되는 미생물들은 그 종류가 명확히 정의(defined)되어 있지 않은 혼합체이다.

12.3 환경 미생물의 응용

환경 미생물이 응용되는 분야는 오염물질의 처리와 유용물질의 생성이다. 오염물질의 처리는 대기오염, 수질오염, 토양오염 및 고체폐기물의 처리이다. 유용물질의 생산은 연료 및 생분해성 플라스틱의 생산, 원유 및 금속의 회수 등이 있다.




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