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미생물이야기 미생물의 산소(O2) 및 산화환원전위(ORP)
2013-08-07 13:56:35
이엠생명과학연구원

산소(O2) 및 산화환원전위(ORP)

 
  1. 생육과 산소
 
  • 편성호기성균(obligate aerobes, strict aerobes)
    • 유리산소가 없으면 생육 불가능
    • 호흡(산화적 대사)에 의해서 산소분자는 최종 전자수용체가 되고 에너지를 획득
    • 산소는 sterol이나 불포화지방산의 생합성에도 필요
    • 일반적인 곰팡이, 산막효모, Acetobacter, Pseudomonas, Micrococcus의 대부분, Bacillus, Sarcina. Achromobacfer, Flavobacterium. Brevibacterium의 일부
  • 통성혐기성균(facultative anaerobes)
    • 유리산소의 유무에 관계없이 생육 가능
    • 호기적 상태에서는 산화적 대사, 혐기적 상태에서는 발효로 에너지를 획득
    • 혐기적 조건에서 생장할 때는 cyochrome 등의 호흡계는 퇴화하거나 없어지지만 호기적 조건이 되면 급속히 호흡계가 다시 형성된다.
    • 대부분의 효모, 대부분의 세균(Enterobacteriaceae, Staphylococcus, Aeromonas, Bacillus의 일부)
  • 미호기성균(microaerophiles)
    • 산소를 요구하지만 대기압보다 낮은 산소분압에서 생육이 좋다.
    • 편성호기성과 같이 O2를 최종 전자수용체로 하는 산소호흡에 의한 산화적 인산화로 에너지를 획득
    • 젖산균
  • 편성혐기성균(aerophobic anaerobes, obligate anaerobes)
    • 유리 산소가 있으면 생육 불가능
    • 발효나 광합성에 의해서 energy를 획득하고 SO42-, S2O32-, CO2 등을 최종 전자수용체로 이용
    • Cytochrome계 효소가 없으므로 최종 전자수용체로 산소를 이용할 수 없다.
    • flavin계 산화효소에 의해 산소로부터 생성되는 독성이 강한 superoxide나 과산화수소(H2O2)가 superoxide dismutase나 catalase의 결핍으로 분해되지 않아서 사멸한다.
    • Clostridium, Bacteroides, Methanococcus
  • 한천배지에 있어서 각종 세균의 생육상태
    • <img src="http://www2.andong.ac.kr/~hysohn/8-28.gif" id="userImg6041237" style="width: 186px;" />
  2. 산소의 독성
 
  1. <font size="2"></font>
  2. 화학적 기작
    • 모든 세균은 O2가 반응하는데 관여하는 효소의 종류와 수에 따라 산소에 대한 생리적 관계가 결정된다.
    • O2는 Flavin 효소에 의해 세포에 독성을 나타내는 H2O2나 유리 반응기인 superoxide(O2-)를 생성한다.
      • O2 + e- → O2-(superoxide)
        O2- + e- + 2H+ → H2O2(hydrogen peroxide)
        H2O2 + e- + H+ → H2O + OH*(hydroxyl radical)
        OH* + e- + H+ → H2O(water)
    • 호기성균이나 내기성 혐기성균에서는 superoxide dismutase가 superoxide를 산소와 H2O로 분해하는 반응을 촉매하고 있어 치사량까지 축적되는 일은 없다.
      • O<sub>2</sub><sup>-</sup> + O<sub>2</sub><sup>- </sup>+ 2H<sup>+</sup> → H<sub>2</sub>O + O<sub>2</sub>
    • 호기성균이나 내기성 혐기성균은 H2O2를 O2와 H2O로 분해하는 catalase도 함께 가지고 있다.
      • H<sub>2</sub>O<sub>2</sub> + H<sub>2</sub>O<sub>2</sub> → 2H<sub>2</sub>O + O<sub>2</sub>
    • 산소 존재하에 생존할 수 있는 젖산균 등은 catalase를 가지고 있지 않으나 H2O2는 대부분 peroxidase에 의해서 유기화합물을 산화하는 동시에 환원되어 H2O로 되기 때문에 축적되지 않는다.
      • H<sub>2</sub>O<sub>2</sub> + NADH + H<sup>+</sup> → 2H<sub>2</sub>O + NAD<sup>+</sup>
    • superoxide dismutase, catalase, peroxidase는 모두 산소대사의 결과로 생성되는 유해물질로부터 세포를 보호하는 역할을 한다.
    • 산소요구성이 다른 세균에서 superoxide dismutase와 catalase의 분포
      세 균 함유효소
      Superoxide dismutase Catalase
      호기성균 또는
      통성혐기성균
      Escherichia coli
      Pseudomonas spp.
      Micrococcus radiodurans
      +
      +
      +
      +
      +
      +
      내기성균 Butrybacterium rettgeri
      Streptococcus faecalis
      Streptococcus lactis
      +
      +
      +
      -
      -
      -
      편성혐기성균 Clostridium pasteurianum
      Clostridium acetobutylicum
      -
      -
      -
      -
  3. 광산화적 효과
    • 공기와 광감작제(photosensitizer; cytochrome, flavin, chlorophyll 등 빛을 흡수하는 색소)가 존재할 때 세포를 가시광선에 노출시키면 미생물에 대한 산소의 독성이 강해진다.
    • 광감작제(S)는 빛에 의해서 여기(excitation)된 일중항(singlet)의 1S*으로 변하고 이어서 고도의 반응성인 삼중항 상태(triplet state)로 변화한다. 여기상태의 삼중항 감작물질 3S*은 안정된 상태의 O2와의 2차반응으로 일중항 상태의 산소 1O2*를 만든다.
      • <sup>1</sup>S<sup>*</sup> → <sup>3</sup>S<sup>*</sup>(intersystem crossing)
        <sup>3</sup>S<sup>* </sup>+ 3O<sub>2</sub> → S + <sup>1</sup>O<sub>2</sub><sup>*</sup>
    • 일중항 상태의 산소는 매우 강력한 산화제이어서 생명활동에 필수적인 세포 구성화합물을 산화하여 급속한 치사효과를 나타낸다.
    • 일부 미생물은 일중항의 산소 1O2를 포착(quenching)하는 물질(carotenoid 등)을 가지고 있으며 carotenoid는 일중항 산소분자의 전자 spin을 바꾸어 기저상태(ground state)로 되돌아가게 한다.
  3. 산화환원전위
 
  • 생물학적으로 호기적 또는 혐기적이란 용어는 산소농도에 따라 명확하게 구분되어 있는 것은 아니므로 산화능이나 환원능은 산소농도보다 산화환원전위 (oxidation-reduction potential, ORP)(Eh또는 γH)로 나타내는 것이 합리적이다.
  • 미생물의 증식에 미치는 산화환원환경 및 O2의 영향과 에너지획득법
    산소와의 관계에 따른 분류 환경 O2 효과 에너지 획득법
    산화 환원
    편성호기성균 증식 증식 않음 필요 호흡
    통성호기성균 증식 증식 불필요, 02 존재하에서 증식이 좋다. 호흡(02, NO3-) 또는 발효
    내기성균 증식 증식 불필요, 02 존재하에서 증식이 저하된다. 발효
    편성혐기성균 사멸 증식 유해 호흡(SO42-, CO2, fumaric acid 등) 또는 발효
    미호기성균 산화 정도가 너무 높지 않으면 증식 산화 정도가 너무 낮지 않으면 증식 필요(0.2기압 이하) 호흡
  • Eh 값
    • 최고치 : 산소가 대량 존재하는 환경에서 +0.82V(pH 7)
    • 최하치 : 수소가 대량 존재하는 환경에서 -0.42V(pH 7)
  • 미생물이 생육을 시작할 수 있는 한계전위에 따라 호기성균과 혐기성균으로 구별할 수 있다.
    • 호기성균 : 배지의 Eh가 +200mV 이상(보통 +300mV(pH 7.0))에서 생육
    • 혐기성균 : 배지의 Eh가 -200mV 이하에서 생육
  • 배지에 간장(liver), Na-thioglycollate, ascorbic acid, H2S, SH 유기화합물(cysteine) 등 환원제를 첨가하여 ORP를 낮추면 호기적 상태에서도 혐기성균의 생육이 가능해진다.



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