세포의 유지 작용과 혼합 배양

8.4.1절에서 생장 수율(Y)은 회분식 배양의 경우 모든 생장 단계에서 일정하다고 하였다. 그러나 연속 배양에서는 매우 낮은 희석률에서 생물량 농도가 주어진 [S] 값에서 추측할 수 있는 것보다 작을 수 있다. Y가 일정하다는 가정은 기질의 일정 비율이 항상 생장 과정에 이용되거나 모든 기질이 일정한 효율로 이용된다는 것을 암시한다.

 

그러나 이용된 기질의 일부가 세 포의 생장과 분열에 직접적으로 기여하지 않는 과정들, 예를 들어 손상받거나 변성 된 구성 성분의 회복 등에 이용되어야만 한다고 추측하는 것이 타당한 것으로 보인다. 이런 유지 (maintenance) 과정들로 돌려지는 기질의 양은 생장에 이용될 수 없다. 회분식 배양에서 세포 유지에 필요한 요구는 최대 정지기 직후에 보인다. 생물량 농도의 초기 감소 기는 지속적인 산소의 이용과 계속적인 생존력의 유지를 동반한다.

 

이것은 내생호흡(endogenous respiration)이라고 하며 외부로부터의 기질 공급이 없을 때 세포가 유지 작용의 목적으로 자신의 세포 물질의 일부를 이용하는 현상이다. 따라서 그것은 자기 산화(auto-oxidation)의 형태로 간주될 수 있다. 심지어 외부로부터의 기질 공급이 있을 때에도 세포 기능 손상을 상쇄하기 위해 유지 작용을 여전히 요구하게 된다. 연속 배양에서 낮은 기질 이용률과 매우 낮은 생장률을 보일 때에는 높은 생장률에서보다 기질 전환의 더 많은 부분이 유지 작용에 요구되는 것처럼 보이며 분명히 세포 수율이 감소하게 된다.

 

유지 작용, 내생호흡 등과 관련된 생물량 농도를 감소시키는 모든 현상들은 사멸 상수(specific decay rate, b)라는 한 가지 용어로 취급할 수 있다. 이것은 다음의 방정식 (8.15)와 (8.17)의 변형식을 만들기 위해 세포와 기질의 물질 수지(mass balance)에 집어넣을 수 있다. 안정 상태에서 ; 유지 작용의 요구를 g 기질/g 생물량/시간(h)으로 나타낸 Atkinson과 Mavituna (1983)에 따르면 호기적이나 혐기적으로 여러 가지 탄소와 에너지원을 이용하는 여러 다른 생물체들에서 b 값이 상당히 다르다. 전형적인 탄소가 제한된 배양에서 b는 max보다 1/10에서 1/100 낮은 사이에 있는 것으로 예상된다.

 

X와 [S]에 미치는 b의 영향의 크기를 D로 나타낸 것이 그림 8.7에 보이는데 b는 0.02 L 정도이다. 낮은 생장률의 연속 배양의 동태에 b가 가장 크게 영향을 미치는 것이 분명한데 그런 상태는 생물학적 폐수처리 과정이 전형적인 예이다. 이 러한 b의 중요한 영향은 나중에 좀 더 자세히 설명하기로 하겠다.

 

8.6 두 가지 기질을 이용한 생장 현상들은 사멸 이것은 다음의 수지(mass bal 세균 생장에 관한 많은 연구에서 Monod는 탄소와 에너지원으로 모두 작용하는 22 가지 제한된 기질이 공급되는 회분식 배양에서 많은 경우에 하나의 기질이 우선적으로 이용되고 두 번째 기질을 이용한 생장은 첫 번째 기질이 고갈된 후에야 시작돼 는데 보통 짧은 유도기 후에 나타난다는 것을 발견하였다. 이런 현상은 이원영 양 생장(diauxie)이라 하며 이로 인한 생장 곡선의 형태는 그림 8.8에서 보는 바와 같다. Monod는 이런 효과를 Bacillus subtilis와 Escherichia coli에 여러 가지 당과 당알 콜(sugar alcohol)을 공급하여 실험하였으며 포도당이 빈번히 먼저 이용되는 기질인 것을 알아냈다.

 

Diauxie는 2 가지 요소의 조합에 의해 일어난다. 첫 번째로는 먼저 이용되는 기질 의 흡수와 대사에 관여하는 효소 또는 효소들이 구성 효소(constitutive enzyme)가며 두 번째 기질을 산화하는 효소는 유도 효소(inducible enzyme)이다. 그러나 두 번째 기질 이용 전의 유도기가 첫 번째 기질을 이용한 생장이 정지기에 이르는데 걸린 시간보다 길지 않은 한 이 첫 번째 요인 하나만으로는 diauxie를 일으키는데 충분하 지 않다.

 

두 번째 요인은 첫 번째 기질이 고갈될 때까지 두 번째 기질의 대사에 관여하는 효소의 유도를 효율적으로 억제하는 것으로 효소 합성 전에 유도 외의 별도의 기작이 활성화되어야만 한다. 이 기작은 특정한 대사 물질이 충분한 농도로 존재하 면 필요한 효소들에 대한 정보를 갖고 있는 DNA 부분의 전사(transcription)를 비로서 활성화시키는 촉진 유전자(promoter gene)를 포함하고 있는데 이 대사 물질 이 첫 번째 기질의 대사 중에는 낮은 농도로만 유지된다는 것이 발견되었다.

 

연속 배양에서는 안정 상태 기질 농도가 일정하며 세포들은 그것을 계속적으로 대사 하기 때문에 두번째 기질의 이용이 결코 일어나지 않을 것이라는 것을 직관적으로 예상할 수 있다. 이것은 우선적으로 이용되는 기질의 [S]과 [S] 사이의 관계 가 방정식(8.17)을 따르고 두 번째 기질은 [S]=[S]를 보이는 높은 희석률이 유지되는 경우에 실제로 나타난다.

 

그러나 매우 낮은 희석율에서는 기질들이 동시에 이 용 될 수도 있다. 매우 낮은 희석률에서 [S] 또한 매우 낮으며 두 번째 기질의 대사에 필요한 효소 합성의 저해가 어떤 수준 이하의 [S] 값에서는 일어나지 않는 것처럼 보인다. 8.7 단일 개체군의 생장 대부분의 자연환경에서 미생물은 단일 개체로 거의 존재하지 않고 개체군으로 존 재하며 이런 개체군들이 많이 섞여 있는 생물군집을 형성하고 있다.

 

군집 내에 존재할 때 각 개체군들은 여러 가지 상호작용을 하게 되는데 경우에 따라서는 이로울 수도 있고 또한 해로울 수도 있다. 이러한 원리는 단일 미생물 집단에서도 동일하 게 적용될 수 있다. 단일 미생물 집단에서의 생장은 밀도에 의해 영향을 받을 수 있다. 단일 개체군 내에서 개체들 간에 긍정적인 상호작용(positive interaction)은 개체군의 밀도가 낮을 때 보통 일어나게 된다. 긍정적인 상호작용이 일어나면 개체군의 생장률은 증가한다. 그러나 어느 정도 이상의 밀도가 되면 부정적인 상호작용(negative interac tion)이 일어나게 되어 생장률은 감소하게 된다.

 

자연환경에서 소수의 개 체가 새로운 환경에서 집락을 형성하는 것은 용이하지 않으나 어느 정도의 밀도를 갖는 집단은 집락을 형성하기 용이한데 병원성 미생물이 최소 감염량(minimum infectious dose) 이상 되어야 감염을 할 수 있다는 사실이 대표적인 예가 된다. 개체 가 세포외 효소(extracellular enzyme)를 준비할 때에도 협동이 일어나는데 섬유소 등의 고분자 물질은 세포 내로 투과되지 못하므로 세포외 효소를 분비해서 분해된 산물을 세포 내로 이동시켜 이용하게 된다.

 

낮은 개체군 밀도에서는 분비된 효소의 농도도 낮으며 분해 산물의 희석 때문에 미생물들이 기질을 잘 이용하지 못하지만 개체군 밀도가 높을 때에는 희석이 일어나지 않으므로 효소 농도가 높아지며 분해 산물을 효율적으로 이용할 수 있게 된다. 개체군 밀도가 높으면 유전물질의 교환도 보다 쉽게 일어날 수 있다. 무성생식을 하는 미생물의 경우에는 유전물질의 교환을 통해 새로운 형질을 획득하게 되어 여러 가지 환경 변화에 대응하게 되는데 이런 기작에는 형질전환(transformation), 형 질 도입(transduction), 접합(conjugation), 유성 포자 형성(sexual spore formation)이 있다.

 

이런 유전물질의 교환이 일어나려면 개체군 밀도가 높아야하는데 예를 들면 세균에서 접합이 일어나기 위해서 106마리/ml 이상의 밀도가 필요하다. 개체들 사이에서는 경쟁 (competition)도 일어나는데 밀도가 어느 정도 이상으로 증가하면 경쟁에 의해 생장률이 감소하게 된다. 단일 미생물 집단에서는 모든 개체들이 동일한 것을 요구하기 때문에 기질, 전자 수용체, 생장인자(growth factor) 등 이용하는 물질뿐만 아니라 심지어 서식 공간에 대한 경쟁도 일어난다.

 

밀도가 높아지면 이용하는 물질의 고갈과 더불어 유해한 대사산물의 축적에 의해서 생장율이 감소할 수 있다. 많은 미생물들이 유기산을 비롯한 여러 가지 유해한 산물을 준비하는데 밀도가 높아지면 이런 유해 물질이 축적되어 개체군 자신을 저해하게 된다. 실제로 영양물 농도가 높은 배지에서 기질 등이 많이 남아 있는데도 생장이 정지되는 경우가 흔한데 이런 현상이 유해물질 축적의 대표적인 예가 된다.

 

8.8 

 

특별한 산업적 응용을 제외하고는 순수 미생물 배양은 실험실 밖에서는 거의 존 재하지 않는다. 대부분의 자연 환경은 계속적으로 매우 다양한 미생물의 침투가 일 어나고 있으며 그 결과 혼합된 개체군의 생장을 유지하게 된다. 혼합 개체 군내로 들어오는 모든 종들이 생존하여 그 체제의 안정된 구성 요소가 되는 것은 아니다. 그것들의 생존과 생장은 존재하는 다른 종들과의 관계의 성질과 정도, 필수 영양물 질의 가용 여부 그리고 개체군의 다른 구성원들에 의해 기질 농도가 영향을 받는 방식 등에 의해 결정된다.

 

혼합 배양내의 다른 종들 사이에 일어날 수 있는 관계의 종류는 표 8.2에 요약되어 있다. 혼합배양에서 중립(neutralism)을 나타내는 경우는 매우 드물다. 비록 다른 종들 이 종종 다른 주된 탄소원으로 이용할 수 있어도 어떤 조건하에서 그것들이 인, 질소 또는 미량 요소와 같은 제한 요인(limiting factors)을 공통적으로 요구할 수 있으며 심지어 미생물들이 고체 표면에 막을 형성하여 자라는 경우에는 적당한 부착 장소를 같이 필요로 한다. 따라서 자연환경에서 중립은 동일한 또는 중복되는 생태적 지위 (niche)를 차지하고 있는 개체군 사이에서는 일어날 수 없으나 개체군 사이의 상호작용의 중요성이 매우 적은 경우 중립 관계로 인정하기도 한다.

 

중립이 일어날 수 있는 상황으로는 한 서식지 내에서도 공간적으로 떨어져 있을 경우, 매우 낮은 개체군 밀도를 유지할 경우, 그리고 고유의 서식지에 존재하지 않거나 환경 조건이 나빠서 활발한 생장이 일어나지 못할 경우 등을 들 수 있다. 자연 생태계에서 흔히 일어날 수 있는 관계중에 편리 공생(commensalism)이 있다. 이것은 한 종이 다른 종에 도움을 주지만 도움을 받는 종은 상대편에 아무런 작용도 하지 않는 관계이다. 편리 공생은 영향을 받지 않는 개체군이 정상적인 생장을 하는 과정에서 다른 개체군에 유리하게 작용할 수 있는 방식으로 서식지를 변형시킬 때 일어날 수 있다.

 

예를 들면 통성혐기성 세균(facultative anaerobe)이 산소를 소모하여 혐기성 상태로 만들면 절대혐기성 세균(obligate anaerobe)이 자랄 수 있게 된다. 미생물 개체군 사이에서의 편리 공생 관계는 한 집단에 의한 성장 인자의 생성, 분비와 다른 집단에 의한 이용의 경우가 많다.

 

예를 들면 섬유소 분해 균류가 세포외 효소를 분비하여 섬유소를 분해하면 주위에 있던 섬유소를 이 용하지 못하던 미생물들이 이를 이용할 수 있다. 난분해성 유기물의 분해에 크게 기여하는 공동대사 (cometabolism)도 편리공생의 한 예가 될 수 있다. 편리 공생과는 달리 두 집단 모두 서로에게 도움을 주는 관계가 상조 공생(synergism)이다. 그러나 이 관계는 서로에게 반드시 필요한 의무적인 관계는 아니다. 상조 공생은 서로에게 필요한 물질을 제공하는 경우에 흔히 나타날 수 있는데 이런 관 계를 영양 공생(syntrophism)이라 하며 대표적인 예가 그림 8.12에 나와 있다.

 

한 미 생물 집단만으로는 분해가 되지 않는 난분해성 물질이나 독성물질이 상조공생에 의 해 분해가 되는 경우도 있으며 상조 공생의 경우에 효소의 생성이 가능해지는 예도 있다. 두 집단 모두에게 도움을 주는 의무적인 관계가 상리공생(mutualism)이다. 두 종 간의 관계는 매우 특수해서 오로지 정해진 두 집단 만이 공생관계를 맺을 수 있으며 공생이 일어나면 각 집단 단독으로는 생존하지 못하는 환경조건에서 서식이 가능해진다.

 

이런 상리공생의 예로는 지의류(lichen)가 있다. 지의류는 조류와 균류의 공생체로서 조류공생자(phycobiont)가 광합성을 하여 균류에 유기물을 제공하고 균 류 공생자(mycobiont)는 조류 공생자를 보호하고 무기 영양염류나 생장인자를 공급한 다. 조류 공생자에는 cyanobacteria와 녹조류 등이 있으며 균류 공생자는 주로 자낭균 류로 구성되어 있다. 지의류는 매우 느리게 성장하지만 건조와 온도 변화 등에 저항 성이 크다. 대기 중의 아황산가스(sulfur dioxide)는 조류 공생자의 엽록소를 파괴하며 · 조류 공생자가 파괴되면 균류 단독으로는 그 서식지에서 생존할 수 없게 된다. 이러 한 이유로 지의류가 대기 오염의 지표생물(indicator organism) 역할을 할 수 있다.

 

상리공생의 또 다른 예로는 원생동물의 내부에 다른 미생물들이 내부공생 (endosymbiosis)을 하는 경우인데 조류 또는 세균이 내부 공생자(endosymbiont)로 존재할 수 있다. 한 종이 다른 종을 저해하여 그 종은 그로 인해 아무런 영향을 받지 않거나 또는 상대 종의 저해에 따른 반사 이득을 얻기도 하는 관계를 편해 작용(amensalism)이 라 한다. 편해 작용은 항생물질, 유기산, 알코올 등 다른 집단을 저해하는 물질을 생 성하는 경우에 주로 나타난다.

 

이렇게 알려져 있는 저해물질에 의한 항생작용(antibi osis) 외에 자연 환경에서는 해수에 존재하는 바이러스를 죽이는 인자(virucidal fac tor)와 토양에서 균류 포자의 발아를 억제하는 물질에 의한 fungistasis와 같이 아직 정확하게 밝혀지지 않은 복잡한 편해 작용의 예들이 많이 존재한다.

 

오직 하나의 세균 종으로 구성된 자연적 개체군이 드문 것과 동일한 이유로 혼합 개체군에서는 고등한 생물종들도 존재할 수 있다. 공중보건 공학의 관점에서 원생 동물(protozoa), 특히 편모 충류(Mastigophora), 섬모충류(Ciliata)와 육질 충류 (Sarcodina)는 아마도 가장 중요한 종류가 될 것인데 그 이유는 그것들이 영양원으 로 세균을 섭취하기 때문이다. 원생동물 같이 큰 포식자(predator)가 세균 같은 작은 피식자(prey)를 잡아먹는 관계를 포식(predation)이라 한다.

 

일반적으로 포식에 의 해 피식자의 개체수가 감소하게 되는데 많은 포식성 원생동물과 세균의 혼합 연속 배양에서 종종 두 종은 같이 생존할 수 있다. 이것은 아마 포식자에 의한 세균의 섭취가 포식자 개체군이 더 이상 유지되지 못할 정도의 수준으로 세균 개체수를 감 소시키기 때문이다. 이것은 포식자의 수의 감소를 일으키며 포식률의 저하에 따라 세균 개체군은 다시 한번 증가하게 된다. 따라서 그림 8.13에서 보는 것과 같이 시 간에 따라 포식자와 피식자 간의 주기적인 증감 현상이 나타날 수 있다.

 

이렇게 원 생동물에 의한 포식은 서식지에서 세균집단을 비교적 안정적으로 유지시키기도 한다. 기생(parasitism)은 일반적으로 작은 기생물(parasite)이 큰 숙주(host)로부터 영 양물을 얻으며 살아가는 관계인데 기생물은 숙주의 내부에 존재할 수 있으며(endo parasite), 외부에 존재하기도 한다(ectoparasite). 기생물-숙주 관계는 매우 특수해서 기생물이 특정한 숙주에만 기생할 수 있는데 이런 현상을 숙주 특이성 (host specificity)이라 한다. 숙주 특이성은 보통 물리적인 부착이 가능한 생물체 세포의 표면 특성에 의해 일어난다.

 

기생을 하는 대표적인 종류로 바이러스가 있는데 바이러스 는 세균, 균류, 조류, 원생동물 모두에 기생할 수 있으며 어떤 경우에는 서식지의 미생물 집단의 감소나 소멸의 원인이 되기도 한다. 기생의 다른 예로 Bdellovibrio라는 세균이 다른 그람 음성 세균에 기생하는 경우가 있다. 이 종류들은 강한 회전으로 세균의 세포벽을 뚫고 들어가 세포벽과 세포막 사이 (periplasmic space)에서 자 라나는 특이한 종류의 세균이다.