[미생물학실험]세포의 관찰 1부

실험 목적

세균(박테리아)와 효모의 구조와 형태를 보고 비교해본다.

실험 이론 및 원리 - 1

1. 세균

세균(細菌) 또는 박테리아(라틴어: bacteria 단수형: bacterium)는 생물의 주요 분류군이다. 세포소기관을 가지지 않은 대부분의 원핵생물이 여기에 속한다. 원핵생물 중에서 고세균이 세균과 다른 계를 이루고 있다는 것이 최근에 밝혀졌다. 이를 엄밀하게 구분하기 위해 진정세균(眞正細菌, eubacteria)이라는 말을 쓰기도 한다.

세포벽은 펩티도글리칸 구조이며 세포벽의 형태에 따라 그람 양성세균과 그람 음성세균으로 구분한다. 박테리아라는 이름은, 우측 사진에 있는 바실러스 박테리아의 모양을 보면 쉽게 이해할 수 있듯, '작은 막대기'라는 뜻의 고대 그리스어 박테리온(그리스어: baktērion)에 비롯되었다. 박테리아는 현미경을 발명한 네덜란드의 안톤 판 레이우엔훅(대한민국에서는 '레벤후크'라는 이름으로 더 널리 알려져 있다)이 1676년에 처음으로 관찰한 것으로 알려져 있다.

 

2. 세균의 특성

세균은 폭이 1μ 이하의 극히 작은 단세포생물이고 대부분은 세포분열에 의하여 증식하며, 핵은 원시핵으로서 핵막을 갖지 않는다. 하등미생물의 분열균류에 해당하며 이 중에는 편모운동이나 활주운동을 하는 것이 있다. 또 물질대사면에서 엽록소와 유사한 물질을 갖고 광합성을 행하는 것, 무기질소와 질소를 이용하는 것, 60℃ 이상의 고온에서 생육하는 것 등 그 성질이 다양하다.

세균은 토양과 담수, 해수 및 동·식물체 등 모든 곳에서 발견되며, 식품제조 등에 이용되기도 하고 질병의 원인균이 되기도 한다. 따라서 세균의 종류는 극히 많으며 제각기의 형태와 크기 또는 생리작용에 의해서 분류되고 있다.

세균의 형태는 미세한 단세포의 생활체로서 그 모양은 고정된 것이 아니며 배양의 신구, 기타 배양조건에 따라 달라진다. 세균의 기본형태는 보통 적당한 배지에서 20~24시간 배양한 것을 가지고 관찰 분류한다. 구형이나 타원형을 나타내는 세균을 구균, 원통형이거나 막대기 모양으로 길쭉한 세균을 간균, 나선형을 하고 있는 세균을 나선균이하고 한다. 대개 세균세포 1개의 중량은 10-12g이기 때문에 세계 인구의 200배가 넘는 1조 개체의 세균을 한 곳에 모으더라도 그 중량은 1g이며, 그들이 차지하는 공간은 1cc에 불과하다.

 

3. 세균 분류방법

초기의 세균분류는 세포의 형태에 크게 의존하였으며 그 후 생리적 특성을 첨가하여 주로 이루어졌다. 이러한 고전적인 방법은 그람염색, 세포모양, 콜로니의 색깔, 운동성, 당 분해산물, 호흡효소의 특성 등 특정 형질에 가중치를 두어 분류의 주안점으로 사용하고 있다. 최근에는 많은 정보의 처리가 가능한 컴퓨터의 발달로 수리학적 분류가 행하여지고 있으며 또한 분자생물학과 면역학 등의 발달로 유전물질의 유사성과 면역학적 상관관계 등에 의해 진화학적 분류체계를 논하는 방법도 개발되고 있다.

 

4. 형태에 따른 세균분류

1) 간균 [桿菌, bacillus]

간균은 막대기 모양 또는 원통형 세균으로 그 크기와 길이는 다양하고 양 끝의 모양도 일정하지 않으며 편모나 포자를 가지고 있기도 하다. 녹농균과 같이 균체의 한끝에 1∼3개, 또는 장티푸스균과 같이 균체의 주위에 다수의 편모가 있어 운동할 수 있는 것도 있고, 파상풍균이나 탄저균 등과 같이 균체의 한 끝 또는 중앙부에 포자를 가지고 있는 간균도 있다.

세균의 포자는 세균 균체가 휴식상태에 있는 부분으로 생활현상은 영위하지 않지만, 외부 환경의 영향에 대해서는 저항력이 강하다. 따라서 나쁜 생활조건 아래서도 오래 생존할 수 있고, 적당한 환경에서는 발아해서 고유의 세균 균체로 된다. 즉, 세균의 포자는 세균의 종자와 같은 것이다. 각 간균의 명칭은 디프테리아균·결핵균 등과 같이 보통 그 간균에 의해서 일어나는 병명을 붙여서 명명한다.

 

간균은 길이와 폭의 비율이 종류에 따라 다르므로 다음과 같이 분류한다.

① 구형간균(단간균, Coccobacillus) : 길이가 짧고 폭이 넓은 형태로 구균과 비슷한 형태를 보인다.

② 장간균(Filamentous bacillus) : 길이가 길다.

③ 방추간균(Fusiform bacillus) : 양 끝이 뾰족하다.

④ 콤마간균(Comma shaped bacillus) : 몸이 휘어져서 문장 부호 중 콤마와 같은 형태를 하고 있다.

⑤ 원주간균(Squared end bacillus) : 양 끝이 곧은 원주상 모양을 하고 있다.

⑥ 양단둔원간균(Rounded end bacillus) : 간균의 양 끝이 둥근 모양을 하고 있다.

⑦ 연쇄간균(Streptobacillus) : 간균이 분열한 다음 양끝이 서로 붙어 있어 긴 사슬 모양으로 보인다.

 

2) 구균 [球菌, coccus]

둥근 모양으로 생긴 세균을 통틀어 이르는 말이다. 그 배열에 따라 쌍구균, 포도상구균, 연쇄상구균 등으로 나눈다. 구균에 속하는 많은 종(種)들은 그 균을 동정(同定)하는 데 필요한 특징적 배열양식을 갖고 있다. 구균이 쌍을 이루면 쌍구균(diplococci)이라 하고, 그러한 균들이 열을 지어 배열하거나 사슬처럼 연결되어 있을 때는 연쇄상구균(連鎖狀球菌 streptococci)이라 부른다. 

포도송이 같이 덩어리진 균을 포도상구균(葡萄狀球菌 staphylococci), 8개 이상의 세포가 한 묶음으로 된 균을 사르시나(sarcinae), 4개의 세포들이 정사각형의 구조로 배열된 무리를 테트라드(tetrad)라 한다. 이런 독특한 배열들은 세균의 생식과정에서 생기는 결과이다.

구균의 대부분은 그람양성균이며, 폐렴쌍구균을 제외한 쌍구균은 거의 그람음성균이다. 균주 배열의 특징은 균종 간의 감별에 도움이 된다. 병원성을 지닌 구균은 감염되면 염증과 화농을 일으키는데, 술파제나 각종 항생물질을 사용하면 치료 효과가 있다. 다만, 포도상구균 감염은 임상적인 치료가 곤란하다.

 

콘은 세균을 형태에 따라 구균·간균(桿菌)·나선균(螺旋菌)의 3기본형으로 분류를 하였다. 구균은 대개 구슬처럼 둥글고 간균은 막대 모양이며, 나선균은 나선처럼 돌돌 말린 모양이다. 구균 중에도 타원형이나 누에콩처럼 구형에 가까운 것, 그리고 한쪽 끝이 약간 뾰족한 것도 있다.

 

포도상구균은 마이크로코쿠스과의 한 속인 세균이며 그람양성균이다. 지름 0.8∼1.0㎛의 공 모양이고 보통 배지에서 쉽게 배양된다. 비운동성·아포비형성성의 통성 혐기성세균으로 고체 배지상에서는 무차별한 공간방향으로 분열∙증식하여 포도알 모양으로 배열하므로 이 이름이 붙여졌다. 일부는 쌍구균모양이나 짧은 사슬모양으로 배열하는 것도 있다.

 

연쇄상구균은 그람양성의 구균인데 연쇄상으로 되는 경향이 강하며, 때로는 단구균 또는 쌍구균모양을 나타내는 경우도 있다. 일반적으로 편모를 가지지 않으며 운동성도 없다. 포자는 형성되지 않으며 대부분은 통성혐기성(通性嫌氣性)이지만 편성혐기성(偏性嫌氣性)인 것도 있다. 보통 한천에서는 생육이 나쁘지만 혈액이나 포도당 등을 첨가하면 생육이 잘 된다.

 

간균의 크기와 길이는 다양하고 양 끝의 모양도 일정하지 않다. 간균은 보통 흩어져 있는데, 두크레이간균과 같은 것은 여러 개가 양 끝이 서로 이어져서 사슬처럼 보이므로 연쇄간균이라 한다.

 

3) 나선균 [螺旋菌, Spirilla]

길이 1∼50μmm로서 긴 나선형을 이루고 있으며, 그 중에는 50° 내외로 회전을 하는 것도 있다. 세포의 끝에 실모양의 편모가 있어서 빠르게 이동할 수 있다. 호기성 세균이어서 보통의 배양기에서 잘 성장한다. 부패한 물, 또는 괸 물 ·짠물에서 분리된 것도 많으며 토양성인 것도 있다. 병원성 나선균에는 콜레라균, 매독균 등이 속하며, 한국인에게 가장 많이 발생하는 위암의 주요 원인인 헬리코박터피로리도 나선균에 속한다.

 

5. 세균의 종류

세균은 모두 원핵세포로 구성되어 있으며 일반적인 분류는 ‘bergey's manual of systematic bacteriology’를 기준으로 하고 있다. 이 지침서는 4권으로 구성되어 있고 이를 기준으로 한 세균의 분류군에 대하여 간단히 살펴보면 다음과 같다.

주요 그람음성세균

1) 스피로헤타(spirochetes) : 길다란 나선형으로 꼬여 있는 세균으로 보통 세포벽과 외막 사이에 있는 축섬유의 운동에 의해 점도가 높은 용액에서도 대단히 빠른 이동성을 나타낸다. 일부 종은 동물에 기생하기도 한다.

 

2) 호기성/미호기성, 운동성, 나선형/비브리오형 그람음성세균 : 나선형이거나 비브리오형으로 휘어져 있으나 스피로헤타와는 달리 중심의 축성유에 의하여 운동을 하지 않고 극성편모에 의하여 운동성을 갖는다는 점이 특징이다. 일부 종은 질소고정능을 가지기도 한다. 이들은 다른 세균에 비햐여 크기가 매우 작으며 운동성을 지니고 있어 분포범위가 토양, 폐수, 수계 등 상당히 넓다. 대표적인 종류로는 나선형인 spirillum과 비브리오형인 bdellovibrio 와 campylobacter 가 있다. bdellovibrio는 그람 음성세균에 세포벽과 세포막 사이에 기생하는 소위 외부기생을 하면서 숙주세포를 분해시킨다.

3) 비운동성 굽은 그람움성세균 : 용수철과 같은 형태의 곡선 세균으로서 토양 담수 및 해수에서 부유생활을 한다. 가장 많이 연구된 속은 Mycrocyclus 이다.

4) 그람음성 호기성 간균 및 구균 : 여기에는 8개의 과(family) 외에 별도로 16개의 속(genus)이 포함되는데 자연계에서 가장 흔히 존재하는 대부분의 세균이 이 범주에 속한다.

 

Pseudomonas는 서식지와 대사능이 가장 다양한 종류이며, 식물체에 병을 유발하는 Xanthomonas를 비롯하여 활성슬러지에 많이 나타나는 Zoogloea도 이과에 속한다. Azotobacteraceae에 속하는 Azotobacter와 별도의 속으로 분류되는 Beijerinckia는 토양에 주로 분포하면서 질소 고정능을 가진다. Rhizobiaceae에 속하는 Rhizobium은 질소고정능을 가지고 있어 콩과식물의 뿌리에서 공생한다. Methylococcaceae에 속하는 Methyiomonas는 메탄, 일산화탄소, 메탄올과 같은 c-1 화합물을 산화하여 탄소와 에너지를 얻는다. 8개 과에 속하지 않는 주요 속으로는 Flavobacterium, alcaligens, Brucella, Bordetella 등이 있다.

 

5) 통성 혐기성 그람음성 간균 : 운동성이 없거나 주모성 편모에 의하여 이동하는 장내세균집단인 Enterobacteriaceae, 운동성이 없거나 극성 편모에 의하여 이동하는 Vibrionaceae, 구형에서 간균에 이르기까지 형태가 다양하게 변화하고 비운동성의 Pasteutellaceae의 3개 과와 7개의 별도의 속이 이 범주의 세균에 속한다. Enterobacteriaceae에는 14개의 속과 여기에 추가로 6개의 속이 포함된다. 인간의 장에 많이 분포하는 Escherichia가 있으며 특히 E.coli는 분변성 오염의 지표 미생물로 많이 사용된다.

 

6) 혐기성 그람음성 간균 : 동물체내 혐기성 서식지의 미생물 군집중 중요한 위치를 차지하는 Bacteroidaceae가 유일한 과이며 이들은 사람과 동물의 구강 및 장, 그리고 반추동물의 반추위에서 서식하고 있다. 가장 대표적인 속은 Bacteroides로서 사람의 배설물에서 발견되는 세균의 30% 정도를 차지하고 있어 최근 분변성 오염의 지표미생물로서 연구되고 있다.

 

7) 혐기성 그람음성 구균 : Veillonellaceae의 1개가 여기에 속하며 이들 세균은 복잡한 영양요구성을 보인다. 이들은 온혈동물에 기생 생활을 하고 있는데 구강, 장, 비뇨기, 질 등의 정상 서식균으로 발견된다.

 

8) 리켓챠(Rickettsias) 및 클라미디아(chamydias) : 이 두 세균은 목(order)으로 분류되어 Rickettsiales와 Chlamydiales로 명명된다. 리켓챠는 절댁생성으로서 지름이 0.3~0.5마이크로미터,길이가 0.8~2.0마이크로미터인 매우작은 간균이다. Rickettsia typhus는 사람에게 기생항 티푸스를 일으키는 병원균이다. 클라미디아도 역시 절대기생성으로서 대사가 극히 빈약하여 숙주세포의 세퐂ㄹ내 액포에서만 증식함으로써 가끔 큰 바이러스로 취급되기도 하지만 그람음성세균임에 틀림이 없다.

 

9) 마이코플라스마 : 세포벽이 없고 세포막만 가져 형태가 일정하지 않은 세균이며 스스로 증식할 수 있는 가장 작은 생물체이다. 대부분의 Mycoplasma와 Spiroplasma는 동물과 식물의 질병을 유발한다. 또한 이들은 세포 배양시 흔히 오염균으로 발견되며 한천배지에서 ‘fried egg’ 의 콜로니를 나타낸다.

 

6. 세균의 번식

세균은 환경이 적절하면 매우 빠르게 번식한다. 대부분 이분법으로 번식하며 1~3시간마다 한 번씩 분열하지만 일부는 최적조건에서 20분만에 한 번씩 분열하는 것도 있다. 그러나 세균은 개체수가 늘어남에 따라 결국 영양분을 모두 소모하고 대사 노폐물로 스스로를 중독시키며, 다른 생물에게 잡아먹히기 때문에 무한정 늘어나지는 않는다. 또한 자연상태에서의 다른 생물과 경쟁해야하고 많은 종류의 미생물이 세균의 번식을 억제하는 항생물질을 생산하기 때문에 개체수가 증가할수록 생장속도는 점차 더뎌진다. 

어떤 세균은 필수 영양물질이 고갈되면 내생포자(endospore)를 형성하기도 한다. 내생포자는 원래의 세포에 들어있던 염색체가 복제되면서 단단한 벽으로 둘러싸여 형성된다. 내생포자가 형성될 때 수분은 거의 제거되고 물질대사는 중단된다. 세포의 나머지 부분은 분해되어 내생포자만 남겨진다. 대부분의 내생포자는 아주 견고해서 끓는 물에서도 생존할 수 있다. 내생포자를 제거하기 위해 실험실에서는 압력을 높여 121℃까지 온도를 올릴 수 있는 고압멸균기를 사용한다. 이보다는 덜 적대적인 환경에서 내생포자는 수백 년 이상 휴면 상태로 살아남을 수 있다. 이러다가 환경 조건이 좋아지면 다시 물을 흡수해서 물질대사를 시작할 수 있다.

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