미생물의 성장과 열역하적해석

목차

세포의 대사는 크게 동화(anabolism)와 이화(catabolism)로 구분될 수 있음을 앞장에서 살펴보았다. 지금부터 열역학적인 관점에서 동화와 이화에 관련된 에너지의 흐름을 살펴보고자 한다. 이 장에서는 종속영양체(heterotroph)와 자가영양체(autotroph)의 성장을 구분하여 해석해 보기로 하자. 열역학적 해석을 시도하기 위해 기본적으로 미생물의 화학적 구조식을 이해할 필요가 있는데 이는 미생물을 건조한 형태로서 구성성분을 분석하면 5몰의 탄소와 7몰의 수소, 2몰의 산소와 1몰의 질소로 구성되어 있음을 알 수 있다(C5H7O2N). 대부분의 박테리아는 공통적으로 이 성분비로 인식되어 있다.


3.1 종속영양체의 열역학적 해석

종속영양체란 유기물을 탄소원 및 에너지원으로 사용하여 성장을 이루는 형태로 미생물의 구조식, C5H7O2N,을 고려할 때 탄소원 및 질소원 그리고 에너지원이 필요하다. 에너지원(전자주게와 전자받게)의 산화 및 환원으로 생성된 자유에너지의 값, ΔGR,의 일정부분, k, 만큼이 에너지 저장소로 이동하고 이 에너지 저장소에서 세포합성에 필요한 에너지의 전달이 이루어 지게된다. 종속영양에서 탄소원은 에너지원의 전자주게(E.D.)와 동일하게 된다. 이 에너지원의 전자주게가 종속영양에서 사용될 때 탄소원으로 명명하였다. 이 탄소원은 해당과정을 통하여 피루브산(pyruvate)으로 전환되는데 이 때 필요한 에너지의 값은 ΔGP라고 하자. 피루브산으로 전환된 탄소원은 다시 변환과정을 톤해 세포의 일부분으로 자리잡게 되는데 이 과정에 필요한 에너지를 ΔGC로 그림 3.1에 표시하였다. 질소원은 암모니아로 변환 되게 되는데 암모니아에서 세포의 일부분으로 변환되는 과정은 에너지의 변화가 없으나 아질산 또는 질산이온이 암모니아로 변환되는데 에는 얼마만큼의 에너지가 요구되어진다. 이렇게 질소화합물이 암모니아로 변환될 때 요구되는 에너지의 값은 ΔGN으로 표시하였다. 여기에서 표시되는 자유에너지 값은 모두 1몰의 전자 당 자유에너지의 값으로 나타낸다.

본문내용

완전한 화학반응식(overall equation)을 완성하기 위해 다음과 같은 식이 필요하다.
Overall equation= A(에너지 산화환원식) + (합성식)
에너지 산화환원식이란 ΔGR 계산과정에서 이용한 화학식을 의미하고 합성식은 탄소원이 질소원식에 포함되어 있으므로 질소원으로 이용한 반응식을 이용하여 합성식을 구해보면
탄소원
질소원
+
1/2 H2O ↔ 1/4 O2+H++e-
5/26CO2+27/26H++1/26NO2-+e-↔1/26 C5H7O2N+10/26H2O
합성식
=
1/26H++5/26CO2+1/26NO2-+3/26H2O↔1/4O2+1/26C5H7O2N
따라서 Overall equation은 다음과 같이 계산된다.
에너지
합성식
=
3.975×(1/4 O2 + 1/8 CH4 ↔ 1/4 H2O+1/8CO2)
1/26H++5/26CO2+1/26NO2-+3/26H2O↔1/4O2+1/26C5H7O2N
Overall
Equation
0.497CH4+0.744O2+0.038H++0.038NO2-↔
0.304CO2+0.038C5H7O2N+0.878H2O
마지막으로 계산된 overall equation의 좌우 원소 수지를 살펴보고 소수점 2자리까지 같을 경우 유사한 것으로 인정한다.
원 소
좌 변
우 변
탄 소
수 소
산 소
질 소
0.497
2.026
1.564
0.038
0.494
2.022
1.562
0.038
이로서 호기성조건에서 메탄을 에너지원으로 하고 아질산이온을 질소원으로 하는 자가영양체에 대한 화학적 해석을 자유에너지를 이용할 수 있음을 보여 주었다. 위에서 산출된 완전화학반응식을 이용하여 메탄 몰당 필요한 산소와 질소의 양과 생성되는 미생물의 몰수 등을 계산할 수 있다. 특히 사용된 에너지원(메탄) 당 생산된 세포의 양을 세포수율, Y,로 나타낸다. 예로 계산된 메탄의 경우 세포수율은 다음과 같다.
Ymethanol = 0.038mol C5H7O2N/0.497mol CH3OH = 0.076mol C5H7O2N/mol CH3OH
=0.076×113 g cell/16 g CH4=0.54 g cell growth /g CH4
여기까지 계산된 자가영양체에서 세포수율 계산과정을 표 3.4에 정리 요약하면 다음과 같다.
표 3.4 Energetic calculation for Autotroph
STEP 1. 에너지원(E.D.와 E.A.), 탄소원, 질소원을 결정한다.
STEP 2. 에너지원의 반쪽반응식을 이용하여 ΔGR을 결정한다.
STEP 3. 에너지원의 반쪽반응식을 이용하여 에너지반응식을 만든다.
STEP 4. 물과 피부르산 반쪽반응을 이용하여 ΔGP를결정한다.
STEP 5. 표를 이용하여 ΔGP을 구한다.
STEP 6. ΔGC는 7.5 Kcal/mol을 이용한다.
STEP 7. ΔGR,ΔGP,ΔGP,ΔGC 값을 이용하여 A를 계산한다.
STEP 8. 물과 질소원 반쪽반응식을 이용하여 합성식을 만든다.
STEP 9. 에너지반응식×A+합성식으로 완전화학반응식(Overall
Equation)을 만든다.
STEP 10. Overall equation 좌변과 우변의 원소수지를 확인한다.
STEP 11. 세포수율 및 요구영양물질을 계산한다.
예제 3-2) 에너지원으로 제1철(Fe++)을 이용하고 질소원으로 암모니아를 이용하는 호기성 자가영양체의 세포수율(g cell/ g E.D.)을 계산하라.
3.2 미생물의 최대성장률
앞 장에서 종속영양체와 자가영양체를 구분하여 자유에너지를 이용한 세포수율을 결정하는 방법에 대해 살펴보았다. 이제 우리는 이 세포수율을 이용하여 최대 비성장률,μm, 과 기질이용률, Km,을 결정 하고자 한다. 최대 비성장률은 기질이용률과 세포수율의 곱으로 나타낼 수 있으므로 그 상관관계는 다음과 같다.
μm =Km×Y
3.2.1 최대 비성장률(maximum specific growth rate)의 계산
비성장률이란 반응을 매개하는 조안에 있는 미생물 당 첨가된 기질에 의해 생장한 미생물의 양, g cell growth/g cell present,을 나타내는 것으로 이는 일일 g 세포에 의해 생성된 e-mol수, k,와 에너지원 e-mol당 생성된 세포의 수의 곱으로 정의할 수 있는데 이 식은 아래와 같다.
μm=
k×{(g~cell~growth/e-mol~cell)} over A
여기서 k의 단위는 e-mol energy/g cell present·day 이고 실험적으로 1-2의 값을 가지나 통상적으로 약 2라고 본다. 따라서 앞 절에서 언급한 종속영양의 경우 A는
0.437 {e-mol~energy}over{e-mol~cell}
이고 전자 1몰당 세포의 성장이
{113~g~cell~growth}over {20~e-mol~cell}
이며 k값은
2 {e~mol~energy} over{g~cell~present·day}
이므로
μm=
2 {e~mol~energy} over{g~cell~present·day}
×
{113~g~cell~growth}over {20~e-mol~cell}
/
0.437 {e-mol~energy}over{e-mol~cell}
= 25.86
{g~cell~growth} over {g~cell~present·day}
이 된다.
3.2.2 최대 기질이용률(maximum substrate utilization rate)의 계산
최대 기질 이용률은 일당 미생물에 의해 사용된 에너지원의 양을 나타내는 것으로 그의 계산은 Km=μm/Y으로 나타낼 수 있으므로 앞 절의 종속 영양의 경우
Km= 25.86
{g~cell~growth} over {g~cell~present·day}
/0.74
{g~cell~growth} over {g~MeOH}
= 34.95
{g~MeOH} over {g~cell~present·day}
으로 계산 될 수 있다.
예제 3-3) 앞 절에서 계산된 자가영양체의 Y값과 A값을 이용하여 최대 비생장률, μm,과 최대기질이용률, Km,을 구하라.
참고문헌: McCarty, Energetics and Bacterial Growth, Marcel Dekker, (1971)

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미생물,   열역하적 해석