본문내용
1. 서론
1.1. 미생물의 역사와 발전
미생물의 발견은 인류 역사에 있어 매우 중요한 사건이었다. 레벤후크가 현미경으로 미생물을 처음 관찰하게 된 것이다. 그 이전에는 자연발생설과 생물속생설이 대립하고 있었는데, 레벤후크의 발견으로 인해 생물속생설이 확립되었다. 이후 리스터가 희석법, 코흐가 도말법, 린트너가 소적배양법, 헤세가 한천 고체배지를 개발하면서 미생물 배양 기술이 발전하였다. 이를 통해 미생물 순수 배양이 가능해졌고, 한센에 의해 초산균과 맥주효모가 분리되었다. 이처럼 미생물의 발견과 배양 기술의 발전은 미생물학 발전의 근간이 되었다. 식품 산업에서도 미생물은 매우 중요한 역할을 하고 있으며, 간장, 된장, 청국장, 고추장, 술, 치즈, 요구르트 등 다양한 발효 식품의 제조에 핵심적으로 이용되고 있다. 또한 최근에는 유전공학 기술의 발달로 미생물을 이용한 산업용 균주 개발이 활발히 이루어지고 있다. 이처럼 미생물의 발견과 배양 기술의 발전, 식품 산업에서의 활용, 유전공학 기술을 통한 응용 등 미생물학의 역사는 매우 중요하다고 할 수 있다.
1.2. 미생물의 명명 및 분류
미생물은 다양한 기준에 따라 명명되고 분류된다. 생물계에서 미생물은 동물계, 식물계와 더불어 중요한 생물학적 위치를 차지한다. 미생물의 명명과 분류는 그들의 생물학적 특성을 이해하고 체계화하는 데 매우 중요하다.
먼저 미생물의 명명은 일반적으로 이명법(binomial nomenclature)을 따른다. 이명법은 생물의 학명을 속명(genus)과 종명(species)으로 구성하는 방식이다. 속명은 대문자로 시작하고 종명은 소문자로 작성하며, 이탤릭체로 표기한다. 예를 들어 우리에게 잘 알려진 대장균의 학명은 Escherichia coli이다.
미생물의 분류는 형태학적, 생리학적, 생화학적, 유전학적 특성 등을 종합적으로 고려하여 이루어진다. 분류의 위계는 크게 영역(domain), 계(kingdom), 문(phylum), 강(class), 목(order), 과(family), 속(genus), 종(species) 순으로 구분된다. 영역은 미생물을 세균계, 고세균계, 진핵생물계로 나누고, 계는 세균, 고세균, 진균, 원생동물, 식물, 동물 등으로 구분한다.
이러한 미생물의 분류 체계는 진화적 유연관계를 반영하며, 미생물의 기원, 생리, 생태, 유전 등 다양한 특성을 고려하여 정립되었다. 최근에는 분자생물학적 기법을 활용한 유전체 분석 등으로 미생물 분류가 더욱 정교화되고 있다. 이를 통해 미생물의 계통관계와 진화과정을 보다 심도 있게 이해할 수 있게 되었다.
미생물 명명과 분류의 정립은 미생물 연구와 응용 분야에 중요한 기반을 제공한다. 이를 통해 미생물의 특성을 체계적으로 이해하고 활용할 수 있게 되었다.
1.3. 미생물 세포의 구조와 기능
미생물은 매우 다양한 크기와 형태로 존재한다. 그중에서도 원핵세포와 진핵세포는 미생물 세포 구조의 가장 두드러진 특징이다. 원핵세포는 핵막이 없고 고리형 단일 DNA 분자를 가지며, 진핵세포는 핵막과 다양한 세포소기관을 가지고 있다.
원핵세포에는 세포벽, 세포막, 세포질, 리보솜, 핵양체(핵영역), 내생포자 등의 구조가 있다. 세포벽은 펩티도글리칸으로 구성되어 단단하며, 그람양성균과 그람음성균에 따라 구조와 화학 성분이 다르다. 세포막은 인지질 이중층으로 이루어져 있으며, 물질 선택적 투과성을 가진다. 세포질에는 단백질, 탄수화물, 지방, 무기질 등이 용해되어 있는 콜로이드 상태이다. 리보솜은 단백질 합성에 관여하며, 핵양체(핵영역)에는 원핵세포의 유전물질인 DNA가 불규칙한 경계로 존재한다. 일부 세균은 열, 건조, 자외선 등에 저항성이 강한 내생포자를 형성하기도 한다.
진핵세포에는 세포벽, 세포막, 세포질, 핵, 엽록체, 소포체, 골지체, 미토콘드리아, 리소좀 등의 구조가 있다. 세포벽은 펩티도글리칸이나 키틴 등으로 구성되어 있다. 세포막은 인지질 이중층으로 이루어져 있으며, 선택적 투과성을 가진다. 세포질에는 다양한 세포소기관들이 분포하며, 단백질, 탄수화물, 지방, 무기질 등이 존재한다. 핵은 이중막으로 싸여 있어 세포질과 구별되며, 유전물질인 DNA가 염색체 형태로 존재한다. 엽록체에서는 광합성이 일어나고, 소포체와 골지체는 단백질 합성과 분비에 관여한다. 미토콘드리아는 세포의 에너지 생산 기관이며, 리소좀에는 분해 효소가 존재한다.
이처럼 미생물 세포는 세포 구조와 기능 면에서 매우 다양한 특징을 가지고 있다. 이러한 특성은 미생물의 생육과 활동, 그리고 인간 생활과의 관계를 이해하는 데 중요한 역할을 한다.
2. 미생물의 특성
2.1. 세균과 방선균
그람양성구균인 연쇄상구균은 물, 공기, 우유, 배설물에 널리 분포하며 중온균이다. 대표적인 예로는 Streptococcus lactis, Streptococcus cremoris, Streptococcus thermophilus가 있으며 이들은 유제품 발효에 관여한다. 락토코커스속 균주인 Lactococcus lactis lactis, Lactococcus lactis cremoris는 치즈와 요구르트 제조에 이용된다. 또한 Lactococcus lactis는 프로바이오틱스 생산에 이용되는 니신을 생성한다.
류코노스톡속 균주인 Leuconostoc mesenteroides는 야채와 과일에서 분리되며 이상젖산발효균으로 알려져 있다. 젖산, 초산, 에탄올, 이산화탄소를 생성한다. 페디오코커스속 균주는 정상젖산발효균으로 장류와 침채류 숙성에 관여한다.
그 외에도 화농균인 스타필로코커스속 균주와 식품오염지표균인 엔테로코커스속 균주, 식물성 식품 부패균인 사시나속 균주 등이 존재한다.
그람양성 내생포자간균인 바실러스속 균주는 생육온도 범위와 pH 범위가 넓어 장류 발효 식품, 프로테아제와 아밀라아제 생산에 이용된다. 바실러스 cereus는 곡류에서 발견되며, 바실러스 subtilis와 바실러스 폴리믹사는 항생물질 생산에 이용된다.
클로스트리디움속 균주는 단백질 분해력이 강해 어류와 육류 부패에 관여하며, 클로스트리디움 보툴리늄은 강력한 신경독소를 생성한다.
그람양성 무포자 간균인 락토바실러스속 균주는 유기산 생산과 유해세균 생육 억제 능력이 있어 요구르트와 김치 발효, 장내 정장작용에 관여한다. 리스테리아속 균주는 사람에게 수막염과 패혈증을 유발하는 리스테리아증 원인균이다.
코리네박테리움속 균주는 호기성, 통성혐기성 간균으로 운동성이 없으며 토양에 분포한다. 그 중 코리네박테리움 글루타미컴은 글루탐산 생산에 이용되며, 코리네박테리움 디프테리아는 디프테리아 원인균이다. 브레비박테리움속 균주는 구형가까운 단간균이며 비운동성이고, 젖색 색소 형성과 치즈 숙성에 이용된다. 프로피오니박테리움속 균주는 단간균, 구균, 비운동성으로 당류와 젖산을 발효해 프로피온산을 생성하며 스위스 치즈 숙성에 관여한다. 비피도박테리움속 균주는 영아 장내에 존재하며 이상젖산발효균으로 알려져 있어 요구르트 제조와 정장제, 사료첨가제에 이용된다.
스트렙토마이세스속 균주는 대표적인 방선균으로 토양에 널리 분포하며 항생물질과 생리활성물질, 효소를 생산한다. 노카디아속 균주 역시 호기성 방선균으로 오염물질 분해에 관여한다.
그람음성 호기성 간균과 구균에는 슈도모나스속, 젠토모나스속, 아세토박터속, 글루코노박터속 등이 있다. 슈도모나스속 균주는 어패류 품질을 손상시키며 저온성 부패균으로 알려져 있다. 그 외에도 젠토모나스속 균주는 과일과 야채 부패에 관여하고, 아세토박터속은 에탄올을 초산으로 산화시키며, 글루코노박터속은 소비톨을 소르보스로 산화시켜 비타민C 합성에 이용된다.
그람음성 통성혐기성 간균에는 에셰리히아속, 프로테우스속, 살모넬라속, 비브리오속 등이 있다. 에셰리히아 콜라이는 장내세균이자 식품위생지표 미생물이며, 프로테우스속 균주는 강한 단백질 분해능을 가진 호기성 부패균이다. 살모넬라속 균주는 장티푸스, 파라티푸스, 식중독 등을 유발하고, 비브리오속 균주는 장염비브리오 식중독 등을 일으킨다.
그람음성 호기성, 미호기성, 운동성 나선균에는 캄필로박터속과 헬리코박터속이 있다. 캄필로박터 제주니와 캄필로박터 콜리 등은 식중독을 유발하며, 헬리코박터 필로리는 위염과 위궤양을 발병시킨다.
2.2. 효모
사카로마이세스 속(Saccharomyces)은 알코올 발효 효모이다. 다양한 종류의 효모 중 가장 중요하고 널리 이용되고 있는 대표적인 효모이다. 사카로마이세스 세레비시애(Saccharomyces cerevisiae)는 막걸리, 맥주, 포도주, 알코올 주정, 빵 등의 제조에 이용된다. 사카로마이세스 칼스버젠시스(Saccharomyces carlsbergensis)는 맥주 제조에 사용된다. 사카로마이세스 사케(Saccharomyces sake)는 청주 제조에 이용되며, 사카로마이세스 엘리프소이데우스(Saccharomyces ellipsoideus)는 포도주 제조에 이용된다. 사카로마이세스 루우크시는 간장 발효에도 사용된다. 사카로마이세스 로세이(Saccharomyces rosei)와 사카로마이세스 엑스그우스(Saccharomyces exiquus)는 빵 제조에 이용된다.
피치아 속(Pichia)은 당 발효성이 거의 없지만 피막을 형성하는 산막 효모이다. 피치아 메브라나이퍼시엔스(Pichia membranaefaciens)는 맥주 양조 시 유해균으로 취급된다.
한세눌라 속(Hansenula)은 영양세포가 공 모양이며 다극 출아로 번식하는 산막 효모이다. 한세눌라 아노말라(Hansenula anomala)는 양조류, 오이지, 묵은 김치 등에서 발견되며 청주 발효 시 향기 생성에 관여한다.
토룰롭시스 속(Torulopsis)은 무포자 효모로 공 모양 또는 달걀 모양의 영양세포를 가지고 있다. 토룰롭시스 베르사틸리스(Torulopsis versatilis)는 내염성이 있어 간장 발효...
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17