1) 온도의 영향
온도는 미생물의 생존과 생육에 중요한 환경요인이다. 세포내에서 일어나는 화학반응에 의해 생장 및 생명작용이 가능하기에 생장에 미치는 온도의 영향을 화학반을에 미치는 온도의 영향과 같다. 화학반응속도는 온도에 의해 조절되어 그 관게는 다음식과 같다.
logV =
V : 반응속도, ΔH : 반응의 활성에 필요한 에너지
R : 기체 상수 T : Kevin 온도, C : 상수
이와 같이 화학반응속도나 미생물의 성장은 온도와 직접 상관성을 갖고 있는데 미생물으 경우 생장을 허용하는 온도의 범위가 정해져 있다.
일반적으로 어떤 미생물에게 적정한 온도까지는 온도가 상승함에 따라 세포 내 효소작용이 더욱 빠르게 진행되어 생육속도가 가속화된다. 그러나 온도가 더욱 높아지면 단백질, 핵산, 그 외의 세포성분은 높은 온도에서 비가역적으로 불활성화 되어 버린다.
백질, 핵산. 그 외의 세포성분은 높은 온도에서 비가역적으로 불활성화되어 버린다.
미생물은 종류에 따라 그 균의 생육에 알맞는 최적온도와 최적온도, 최고 온도가 있다.
<미생물의 생육온도>
미생물은 그 생육 최적온도에 의해서 고온성균, 중온균, 저온균의 세 무리로 나눌 수있다.
<미생물의 생육최적온도 및 분류>
응용미생물 공업에서 항생물질, 유기산, 아미노산, 효모 등의 생산은 그 생산균주와 생육온도(20~30℃)에서 이루어지나 맥주등의 양조공업에서는 이른바 저온발효로 20℃ 이하의 저온에서 발효시킨다.
식품의 부패방지, 배양기의 살균 등에서 미생물의 내열성과 내한성을 충분히 고려하여야 한다.
(1) 저온환경
저온환경 하에서 생육할 수 생육할 수 있는 미생물을 저온미생물이라 하며, 증식 가능온도는 0℃~25℃이나, 이들의 초적 온도는 10℃~20℃이다. 식품저장에는 저온을 많이 이용하고 있으며, 이것은 저온에 의해서 미생물의 생육이 저지되고 동시에 그 식품자체가 갖는 효소의 작용이 억제되기 때문이다. 일반적으로 0℃~10℃로 보존하는 것을 냉장이라고 하며, 0℃이하로 동결시켜서 보존하는 경우를 냉동이라고 한다.
미생물의 생육증식은 저온이 될수록 느리게 되나, 0℃ 이상에서 10℃까지의 이른바 냉장온도에서도 여러 균주가 생육할 수 있으므로 3~5일 후에는 식품이 부패되는 경우가 많다.
0℃ 또는 그 이하의 저온에서도 Achromobacter, Flavobacterium, Pseudomonas, Micrococcus속 등의 저온성세균과 Penicillium, Cladosporium, Mucor속의 곰팡이와 Torulipsis 와 Candida 속의 효모는 생육을 한다. 0℃에서 이들 저온성세균의 생육속도는 의외로 빠르고 생육균체량이 고온일 때보다 많은 경우도 있다.
미생물생육의 초저온도는 온도 외에도 수분의 빙결여하가 중요한 인자가 된다. 기질에서 수분이 결빙되어 밖으로 나가게 되면 남는 부분의 삼투압이 높아져 세균류는 생육하기 어려워진다. 그러나 곰팡이나 효모는 내삼투압성이 있으므로 생육되기도 한다. 여러실험의 결과로 -10℃이하에서 미생물은 생육을 하지 못하는 것으로 알려져 있다. 그러나 0℃이하의 저온도 미생물의 생육이 억제될 뿐이지 살균의 효과는 거의 없다. 티푸스균은 동결탈기 중에서도 6개월이나 생존하며 결핵균은 액체공기(-193℃)와 같은 극저온에 40시간 두어도 생존한다고 한다. 비병원성 세균이나 세균포자의 저온에 대한 저항력은 더 강하다. 냉동조건은 미생물을 사멸시키는 것이 아니라 생육을 억제하기 때문에 많은 미생물 보존법으로 광범위하게 사용된다. 냉동상태에서 미생물이 사멸하는 것은 세포질에 형성된 얼음결정이 세포구조물을 파괴하기 때문이다. 동결식품이라도 가공중의 처리가 나쁘면 장기간 보존할 수 없는 것이며 위생적으로 절대 안전하다고 할 수 없다. 식품의 보존에 사용되는 얼음 중의 세균수나 냉동식품 중의 세균수가 최근 식품위생상 문제가 되고 있다.
(2) 중온환경
15℃~55℃의 온도범위 내에서 증식가능한 미생물을 중온성미생물이라 하며, 이들의 최적온도는 25℃~40℃이다. 미생물에 가장 일반적인 중온환경은 조류나 포유동물과 같은 온혈 동물체이며 이들 동물은 종에 따라 체온이 일생을 통하여 일정하게 유지되는 것으로서 질병에 감염되었을 경우를 제외하고는 1℃이상 체온이 변화하는 경우가 드물다. 온혈동물 체내에서 생존하는 미생물의 최적온도는 그 숙주의 정상체온과 거의 같기 때문에 중온성미생물에 속하는 종류는 대부분이 병원성미생물과 그 유연미생물에 속한다.
(3) 고온환경
40℃~85℃의 온도범위 내에서 생육 가능한 미생물을 고온성미생물이라 부르며, 최적온도는 50~60℃이다. 자연상태에서 고온환경은 극히 한정된 지역에서만 발견되는데 여름철 한낮 태양열을 받은 토양은 50℃, 비교적 비옥한 토양은 70℃, 퇴비나 저장사료와 같은 발효중인 60℃~65℃까지 도달한다. 자연상태에서 가장 높은 고온환경은 화산지대와 온천이 된다. 일반적으로
① 원핵세포생물에 속하는 미생물은 진핵세포생물보다 더 높은 고온환경에서 생장할 수 있으며
② 비광합성 미생물은 광합성 미생물보다 더 높은 온도 조건하에서 생장이 가능하며
③ 생체구조의 단순한 종류는 좀더 복잡한 미생물보다 생장 허용온도가 높다.
2) 수분
대부분의 미생물은 수분이 있는 곳에서만 살 수 있다. 그러나 어떤 종류의 진균류는 공기중의 수분을 생육에 이용할 수 있다. 그들은 습한 열대지반의 대기중에서 아주 흔하게 발견되며, 의류나 피혁제품에 심한 부패작용을 일으킬 뿐만 아니라, 카메라나 광학기구의 렌즈에도 자주 손상을 주는 주요 원인이 되고 있다.
대부분의 미생물을 건조상태에 현저한 저항력을 가지는데, 일반적으로
① 작은 세포는 큰 세포보다
② 구균은 간균보다
③ 그람양상균과 같이 두꺼운 세포막을 가지는 종류는 엷은 세포막을 지닌 종류보다 더 저항력이 강하다. 매독의 원인균은 상당히 긴 나선형으로 매우 얇은 세포막을 가지고 있기 때문에 대기중에 노출되면 거의 순간적으로 사멸하는데 반하여, 두꺼운 지질로 둘러싸인 세포막을 가진 결핵균은 상당한 저항성을 가져 객담 속에서도 오랜 기간 생존한다. 세균의 아포, 조류나 진균류의 유성포자 원생동물의 포낭등은 영양세포보다 건조에 대한 저항성이 높다. 거조상태에서 저항성이 강한 미생물은 물질대사 조절을 잘하여 다른 외부영향이 미치지 않는 한 오랜 기간 생존할 수 있으며 수분이 충분해지면 급속히 재생 증식할 수 있다.
<수분 활성과 미생물의 성장>
수활성이 낮은 배지에서 성장하는 미생물은 물을 빼내기 위하여 많은 에너지를 소비하므로 성장 속도가 느린다. 미생물은 각각 다른 수활성치를 가지고 있다. 미생물에는 성장 가능한 수활성치가 각각 다르다.
대체적으로 미생물의 활성은 수활성 0.6~0.65에서 정지한다. 그러나 매독균 Treponema pallidum은 균체가 길고 박막이므로 박말이므로 건조에 약하기 때문에 공기에 노출되면 쉽게 죽는다. 결핵균 Mycobacterium tuberculosis은 두터운 지방막의 세포벽을 가지고 있어서 건조에 비교적 강하다. 또한 세균, 곰팡이의 포자와 아메바의 자낭은 영양세포보다 월등히 내성이 높다. 특히 매우 건조한 환경에서도 생육할 수 있는 미생물을 내건성균 xerophile이라고 한다.
건조는 식품을 보존하는 가장 오래된 방법이다. 또한 건조된 세포는 휴먼 상태에 있으므로 적당한 수분만이 휴면을 깨뜨릴 수 있다. 미생물 세포를 우유와 같은 보호제 중에서 동결 진공건조하면 미생물을 완전하게 건조 보존할 수 있다.
수활성 Aw과 생육 가능한 미생물(Brock, T.D. & Medigan, M.T.)
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water activityaw material some organisms growing at stated Aw |
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1.000 pure water Caulobacter, Spirillum 0.995 human blood Streptococcus, Escherichia 0.980 sea water Pseudomonas, Vibrio 0.950 bread most Gram + rod 0.900 maple syrup, ham Gram + cocci 0.850 salami Saccharomyces bailii, Penicillium 0.750 salt lake, salt fish Halobacterium, Halococcus 0.700 cereals, candy Xerophilic fungi dried fruit |
3) 삼투압의 영향
삼투 효과는 주로 고농도의 당 sugar이나 염분 salt이 있는 환경에서 중요하다. 바닷물은 약 3.5%(Aw 0.9800)의 소금 Nacl과 소량의 다른 무기염류 등을 함유하고 있다. 해양 미생물은 바닷물에 가까운 소금 NaCl 농도를 요구하지만, 염전에서 바닷물을 25%까지 농축하는데, 이 농도에서도 성장하는 미생물이 있다. 이렇게 높은 염도에서 성장할 수 있는 미생물을 고도 호염균이라 하며, 생육에 소디움을 필요로 한다. 바닷물정도의 수활성 상태에서 잘 자라는 미생물을 중등도 호염균이라고 하며, 해양 미생물은 중등도 호염균이다. 세포막의 안정성 유지와 효소 활성에 Na 이온이 요구 되는데, 이렇게 성장에 NaCl이 필요한 세균을 편성 호염균이라고 부르고, NaCl 용액에서 생육하지만 NaCl을 요구하지 않는 세균은 통성 호염균이라고 부른다. 또한 당이 높은 삼투압에서 잘 자라는 균을 호당성균이라고 한다. 보존 식품중에서, 고농도의 당이 첨가된 경우, 효모나 곰팡이 등이 번식하여 식품을 부패시키는데, 이런 미생물이 내당성이며, 이때 식품을 공기로부터 차단하면 호기성인 호모나 곰팡이를 막을 수 있으므로 변성이 방지된다.
어떤 용질은 세포질의 수활성을 조절하는데 해롭지 않은 용질이 있으며 이러한 용질을 경쟁적 용질이라고 한다. 예를 들면 Staphylococcus 와 같은 Gram 양성 구균의 경우, proline 이 있는 상태에서는 중등도의 수활성 환경에서 생육 할 수 있으며 이때 proline은 경쟁적 용질로서 작용한다. 그러므로 Staphylococcus의 중균 배양 enrichment culture에서는 6% NaCl이 함유된 배양액을 사용한다. 많은 Gram 음성균도 glutamate 가 경쟁적 용질로 작용하므로, 비교적 높은 염 농도에서도 생육 할 수도 있다. halobacterium halobium 과 같은 호염균은 염 농도가 매우 높은 호수에서 생육하는데, 이때 포타 주변 환경에서 포타시움을 집적 시켜 놓는다. 몇 종류의 내삼투압성 osmotolerant 효모는 당 농도나 염 농도가 높은 식품에서 생육하여, 시럽이나 간장과 같은 높은 삼투압을 가진 식품을 부패시킨다.
호염성 조류인 Dunaliella salina 는 증발에 의해서 염분이 극도로 많이 축적된 호수에서 사는 조류인데 이조류는 glycerol을 합성하여 경쟁적 용질로서 사용된다. 지의류 lichens 는 수활성이 낮은 대기 상태에서도 살 수 있으며, 이 생물은 대기의 수분을 이용하여 mannitol 등의 다가 알콜을 생성하여, 경쟁적 용지로 이용된다.
4) 수압의 영향
바다 밑이나 강물 밑에는 물의 중량 때문에 수압 hydrostatic pressue 이 걸린다. 수압은
물 기둥의 깊이와 비례하므로, 깊은 바다밑에는 높은 압력이 걸리게 된다.
마리애나 해구는 깊이가 10,860m 이며, 그 압력이 1,100기압이나 된다. 5,300m의 물 속에서 생육하는 세균이 밝혀졌으며, 이런 세균을 호압균이라고 한다. 도합성균은 대기압에서는 생존할 수 없으며, 일반적으로 대부분의 미생물은 혐압성이다.
5) 산소의 영향
대기 중에 20% 함유되어 있는 산소는 많은 미생물에 절대로 필요한 것이지만 어떤 미생물에게는 독성이 있는 유도체를 유발하기 때문에 필요하지 않은 경우도 있다.
산소는 호기성균에 있어서는 생명선이다. 미생물에 있어서 산소의 필요성은 미생물의 종륜에 따라 달라서 에너지를 얻기 위하여 산소를 필요로하는 것과, 에너지 생성에 산소가 전연 불필요한 것이 있다. 곰팡이와 효모는 일반적으로 생육에 산소를 필요로 하지만 세균중에는 산소를 필요로 하는 것과 필요로 하지 않는 것도 있다.
미생물의 생육에 필수적으로 산소를 요구하는 균을 편성 호기성균이라하고 산소를 절대적으로 기피하는 균, 즉 유리산소의 존재가 오히려 생육을 저해하며, 산소가 없는 환경에서만 생육하는 균을 편성 혐기성균이라 한다. 또 산소의 유무에 관계없이 생육하는 미생물을 통성 혐기성균이란 하며 대기압보다 낮은 분압의 산소를 요구하는 균을 미호기성균이라고 한다. 미호기성균은 산소의 분압이 0.2 기압 이하일 때 잘 자란다.
많은 세균은 세포막에 있는 전자전달계를 통해 전자를 산소에 전달하면서 에너지를 얻는다. 이렇게 전자가 전달전달계으 여러 조효소와 작용하여 전달될 때 O2-나 peroxide 같은 독성물질이 생성된다.
그러나 호기성균에는 이런 독성물질을 분해시킬 수 있는 효소가 있다.
즉,
그러나 동산소성균들은 superoxide dismutase 와 catalase 등이 결여되어 독성물질의 제거가 일어나지 못해 해를 입게 된다. 내산소 혐기성균은 superoxide dismutase를 갖고 있으며 catalases는 결여되어 있다. 그러나 호기성 젖산 박테리아는 catalase가 결여되어 있지만 대신 H2O2를 분해하는 peroxidase를 갖고 있기 때문에 H2O2의 독성을 면할 수 있다.
절대혐기성균에는 산소에 접하게 되면 즉시 파괴되는 효소들이 있다. 그러나 동성혐기성균으로 질소고정을 할 수 있는 균의 nitrogenase는 세포속에서도 산소에 의해 파괴되어 혐기성 환경에선만 질소고정이 가능하다.
O2-와 O2-2이외에도 산소의 유도체로 생체에 독성을 나타내는 것은 O2와 OH(free oadical)가 있다. 색소를 함유한 미생물에서는 보통 산소가 가시선과 반응하여 singlet 산소를 만들 수 있는데 singlet 산소는 에너지를 많이 갖고 있는 것이어서 생체에 해를 줄 수 있다.
6) PH의 영향
용액속의 수소이온농도의 역수의 대수값이 pHdlsep 용액의 산성도를 표시하는 단위이다.
pH =
용액의 수소이온농도가 10-7인 경우 pH=7.0이고 이때 용액 속의[H+]의 농도는 [OH-]의 농도와 같은 중성을 나타낸다. pH 값이 7이하 일 때를 산성, 7이상 일 때를 알칼리성이라고 한다.
미생물에 따라서 성장이 가능한 pH 범위와 최적 pH 값이 존재한다. 자연 환경은 보통 pH5~9 범위가 많으므로 이 범위내의 미생물이 보편적이다. pH2 이하 또는 10이상에서 성장하는 미생물도 있지만 그것은 특수한 종류이다.
많은 종류의 효모나 곰팡이는 pH5~6의 양산성 배지에서 잘 자란다. 남조류는 약 알칼리성 환경에서 잘 자라며, 다른 조류 algae는 약산성에서 비교적 내성을 가지며, 몇 종은 호산성인 것도 있다.
대분분의 세균은 중성 또는 약알칼리성에서 잘 자라지만, 호산성인 세균도 있으며, pH0 부근에서 잘 자라는 Thiobacillus thiooxdance 와 같은 편성 호산성균 obligate acidophile 도 있다. 대부분의 호산성균은 중성에서도 자랄 수 있으나, 편성 호산성균은 중성 상태에서는 자랄 수 없다. 이와 같은 호산성균에는 Thiobacillus, Sulfolobus, Thermoplasma 등이 있으며, 특히 Thiobacillus와 Sulfolobus는 sulfide를 산화하여 황산을 생성한다. 편성 호산성균이 중성 상태에 처하면 세포막이 터지게 된다. 그러므로 편성 호산성 세균은 세포막의 안정을 위하여 높은 수소 이온 농도가 필요 된다.
이와 같이 미생물은 폭넓은 pH 범위에서 자라고 있지만 미생물 세포 내의 pH는 대략 중성에 가깝다. 미생물은 pH 값을 중성으로 유지하기 위하여 세포 내로 들어오는 H+이온을 못들어오게 저지하든가 또는 들어온 H+를 급속히 세포 밖으로 배출한다. 엽록소나 DNA, ATP 등은 산성에서 분해되며, RNA나 인지질은 알카리성에서 분해된다. 세포질 내부의 효소들은 중성 부근에서 최적 활성을 나타낸다. 그러나 세포 외성효소 extra cellular enzyme나 주변 세포질 효소들은 주변 환경의 pH에 가까운 부근에서 최적 pH 값을 가진다.
pH는 배지 중의 유기물의 이온화에 간접적 영향을 미친다. ꎧ은 유기물은 이온화하지 않은 편이 이온화한 것에 비하여 세포 내로 투과하기 쉽다. 염기물지의 경우 이들 물질은 알칼리성 용액 중에서 세포 내로 물질이 쉽게 투과 한다.
미생물은 자기 자신의 활동을 통해서 환경의 pH를 변화 시킨다. 예를 들면 포도당을 방효하여 젖산을 생산하는 세균은 환겨으이 pH를 저하 시킨다. 효모는 H+이온을 활발하게 배지 중으로 방출하여 pH를 저하시킨다. 때에 따라서 pH가 상승하는 때도 있는데. 예를 들면 아미노산과 같은 함질소 화합물이 탈아미노 반응에 의해서 NH3를 배지로 내놓으면 환경의 pH가 상승한다. 환경 pH 변화는 미생물의 선택적 영양 섭취 작용에 의해서 일어난다.
즉 NH3 상태 질소로써 성장하는 미생물은 NH4+ 이온을 섭취하여 배지의 pH를 저하시킨다. 질산염에서 성장하는 미생물은 NO3-를 섭취하여 배지의 pH를 상승시킨다.