제 1 부 미생물의 세계

Chapter 1.

수집가와 분류학자가 바라본 미생물

Introduction

린네 (Carl von Linne)-1750 년대에 지구상의 생물체에 명명

헥켈 (Ernst H. Haeckel)-미생물도 고유한 계가 있어야 한다고 주장

위태커(Robert H. Whittaker)- 5 개 분류체계 제안

우스 (Carl Wose)-3 개 영역의 분류체계 제안

생물권에서의 미생물원핵생물 (Procaryote) 과 진핵생물 (Eucaryote)

표 2.1 원핵생물과 진핵생물의 비교

다섯 계에 의한 분류 체계위태커(Robert H. Whittaker)

분류체계에 Virus 가 포함되지 않음 : 세포성 독립체가 아니므로 .

3 개 영역에 의한 분류 체계칼 우스 (Carl Wose): 미국 일리노이대학교

진정세균 영역 원시세균 영역 진핵생물 영역

미생물의 명명과 측정

종 (Species)

속 (Genus)

과 (Family)

목 (Order)

강 (Class)

류 ( 類 , Division)

계 (Kingdom)

영역(Domain)

이명법적 명칭과 일반적 명칭

미생물의 명명법

Carolus Linnaeus (1707-1778) : 이명법 (Binomial nomenclature) 을 제안

Saccharomyces cerevisiae(효모 ) genus ( 속 ) species( 종 ) 대문자로 시작 소문자 이탤릭체 이탤릭체

Basis for name ① 이용되는 기질 Saccharomyces cerevisiae (sugar fungus)② 생산되는 기질 Clostridium acetobutylicum (acetone 과 butanol) Acetobacter aceti (veniger) ③ 적정 생육온도 Streptococcus thermophilus ( 고온에서 생육 ) ④ Color Aspergilus niger ( 색이 검다 )⑤ Size Bacillus megaterium ( 균이 크다 )⑥ 발견자 Trichodima reesei (Reese 가 발견 ) ⑦ Geographic location Lactobacillus sanfrancisco

세균과 방선균은 국제세균명명규약 (International Code of Nomenclature of bacteria) 에 따라 명명 .

효모와 곰팡이는 국제식물명명규약 (International Code of Botanical nomenclature) 에 따라 명명한다 .

미생물의 학명 (scientific name) 은 속명과 종명을 조합한 2명명법 ( 二命名法 ) 을 사용하고 , 발명자의 이름을 끝에 붙이기도 한다 .

모든 생물명은 라틴어나 라틴어화한 말을 사용한다 .

속명과 종명을 인쇄체로 표시할 때는 이탤릭체로 한다 .

이탤릭체를 사용하기 어려운 경우에는 밑줄 (underline) 을 긋는다 .

Woese 의 미생물 분류 (1977 년 ) 원핵세포 16S ribosomal RNA 및 진핵세포 18S ribosomal RNA

염기배열에 따른 생물의 계통관계로 원핵세포 및 진핵세포의 2 계 분류설을

수정시킴 .

Three domain•1. 고세균 (archaebacteria, archaea):

methanogenes, extreme thermophiles, extreme

halophiles,

•2. 진정세균 (eubacteria, bacteria):

세균 , 방사선균 , cyanobacteria

•3. 진핵생물 (eucaryotes, eucarya):

곰팡이 효모 , 버섯 , 조류 , 원생동물 (protozoa)

미생물의 분류법

1. 자연 분류법 미생물의 계통발생을 기초로 한 유연관계에 따라서 분류하는 방법이다 . 계통적 분류법이라고도 한다 . 주로 곰팡이는 자연 분류법에 따른다 .

2. 인공 분류법 미생물의 유연 관계 등의 계통을 고려하지 않고 형태학적 특징을 기초로 하는 인위적인 분류방법이다 . 이와 같은 인위적인 방법으로 설정된 속은 전형적 속 (form genus)이다 .

3. 분자 생물학적 분류법

각 균종이 가지는 DNA 를 구성하는 nucleotide 배열의 차이에 따라 분류하는 방법이다 .

4. 생화학적 분류법 미생물의 생화학적 특성 , 즉 세포벽의 조성 , cytochrome 조성 , 탄수화물 대사에 관여되는 여러 효소 , lysine 합성경로 등의 차이의 성질에 따라 분류하는 방법이다 .

5. 혈청학적 분류 미생물의 organelle 및 효소 단백질 등의 화학적 조성 , 항원 , 항체 반응으로 분석하여 항원 parameter 에 기초를 두고 분류하는 방법이다 .

6. 수치적 분류법 균종 간의 여러 성질에 대한 유사성을 통계적으로 전체의 유사성이 가장 높은 것을 순차를 모아서 분류하는 방법이다 .

미생물 동정 기준

1. 형태학적 특징현미경 : 모양 , 크기 , 배열 , 포자 형성의 유무와 모양 , 그램 염색성 육 안 : 배양 성상 ( 고체배지에서의 colony)

2. 생리학적 특징 에너지 발생 양식 , 발육 온도 , 산소 요구도

3. 생화학적 특징

당류의 분해와 발효 , indole 생성 , H2S 생성 , 질산염 환원 , oxidase 의 작용 , 녹말의 가수분해 , gelatin 의 가수분해 , 혼합 산 생 성 (methyl red 시 험 ), acetylmethyl carbinol 생 성(Voges-Prokauer 시험 ), 세포벽 성분 , 효소 단백질 생성

4. 생태학적 특징 생식 장소 , 기생성 , 병원성

5. 혈청학적 특성세포 표층 물질 및 부속 기관 ( 세포벽 , 협막 , 편모 ) 의 입체 화학적 특징을 혈청 반응에 따라 항원이라는 parameter 로 나타내는 것이다 .

6. 분자 유전학적 특징

미생물 유전자의 nucleotide 배열에 기초를 둔 것이다 . 그러나 물 리 화 학 적 으 로 nucleotide 배 열 의 전 모 를 알 기 에 는 불가능하므로 , 분자생물학적 해석법으로는 DNA 의 평균 조성 , DNA 의 염기 배열 상동성 또는 유전 물질의 전달 효율의 비교로서 계통 분류 , 해석된다 .

미생물의 측정

현미경 : 보이지 않는 세계를 보다광학현미경

현미경 : 보이지 않는 세계를 보다다른종류의 현미경 - 전자현미경

투과 전자현미경 (Transmission Electron Microscope, TEM)

- 약 2000 만배 주사 전자현미경 (Scanning Electron Microscope, SEM)

- 약 10 만배

세포를 이루는 기본 물질들

- 수분 (water)

- 단백질 (proteins)

- 지질 (lipids)

- 탄수화물 (carbohydrates)

- 핵산 (nucleic acids)

- 기타

미생물을 형성하는 분자 탄수화물 (Carbohydrates)

미생물을 형성하는 분자지질 (Lipids)

미생물을 형성하는 분자 단백질 (Proteins)

아미노산이 펩타이드 결합으로 연결되어 일정한 구조를 지니는 고분자 물질

1. 탄소 (C), 수소 (H), 산소 (O), 질소 (N) 구성되어있으며 황 (S) 을 함유하기도

한다 .

2. 세포막 등의 세포기관을 구성하며 효소 , 호르몬 등의 성분으로 생체 내 각종

화학반응 , 생리기능 조절 , 근육 , 헤모글로빈 및 항체를 구성한다 .

3. 에너지원으로써 1g 당 4kcal 의 열량을 가진다 .

미생물을 형성하는 분자아미노산 (Amino acid)

단백질 (Proteins) 의 구조

(1) 1 차 구조 : 아미노산의 서열

(2) 2 차 구조 : 가까운 아미노산들이 규칙적으로 수소결합에 의해 생성 ex) 미오신 , 케라틴 , 피브로인 .

펩티드결합 c=o 와다음 4 번째N-H 의수소결합 _α- 나선구조

두 가닥의 접한 폴리펩티드 결합사슬에서 펩티드결합간의 수소결합 _β- 병풍구조

단백질 (Proteins) 의 구조

(3) 3 차 구조 : • 폴리펩티드가 규칙적으로 꼬여 이뤄진 입체구조로

구조 내에 2 차 구조가 존재한다 .

• 펩티드의 R 기간의 상호결합 ( 이온결합 , 수소결

합 , 이황화 공유결합 , 반데르발스의 힘 ) 에 의해

유지 .

ex) 미오글로빈 , 리소자임 , 콜라겐 .

(4) 4 차 구조 : • 3 차 구조의 단백질분자가 몇 개 모여 입체

구조를 가진다 .

• 폴리펩티드 사슬 R 기 사이의 약한 상호작용과

3 차 단백질사이의 반데르발스의 힘에 의해 유지 .

ex) 헤모글로빈

헤모글로빈 단백질

미생물을 형성하는 분자핵산

(Nucleic acids)

DNARNA

영양소 요구

1) 필수영양소 - 대량원소 (macronutrient): 미생물생장에 많은 양으로 필요 (95%

이상 )

-> C, H, O, N, S, P, K, Ca, Mg, Fe

-> C H O N S P: 탄수화물 , 지질 , 단백질 , 핵산의 구성성분 -> K: 효소활성 -> Ca: 다양한 기능 , 내생포자의 내열성 -> Mg: 효소의 조효소 , 리보솜 ,세포막의 안정화 -> Fe: cytochrome 구성성분 , 조효소 - 미량원소 (trace element, micronutrient): 소량필요 , 생체반응 촉매 ,

단백질구조 유지 -> Mn, Zn, Co, Mo, Ni, Cu

- 영양분의 균형 중요 - 필수영양소 결핍 -> 타 영양소의 농도에 관계없이 생장제한

2) C,H,O 의 필요성

- 에너지공급 , 전자전달체 , 유기분자골격형성

- 유기분자 -> 환원된 상태 -> 에너지원과 탄소원 동시공급

Autotroph( 독립영양생물 ):

-> CO2 를 주된 탄소원으로 사용하는 생물

-> 광합성에 의한 빛 에너지 이용 ( 대부분 ), 무기물산화로 에너지획득 (

일부 )

Heterotroph( 종속영양생물 )

-> 유기분자를 탄소원으로 이용 (glucose)

-> 탄소원 및 에너지 동시 공급

다양한 탄소원 이용가능 : 미생물의 특징 -> 다양성 , 이용성

-> 알코올 , 파라핀 , 고무 , 유기용매 ( 메탄 , 메탄올 ), 난분해성 인공물질

( 살충제 )

3) 영양물질 흡수방법에 따른 미생물 분류

- 에너지형태 Phototroph( 광영양생물 ): 빛을 에너지원으로 사용 ( 광합

성 ) Chemotroph( 화학영양생물 ): 유기물의 산화 - 전자를 취하는 방법 Lithotroph( 무기영양생물 ): 무기물환원으로 전자획득 Organotroph( 유기영양생물 ): 유기물로부터 - 탄소 , 에너지 , 전자 복합

미생물종류 에너지 ,전자 ,탄소원

광무기독립영양Photolithotrophic autotroph

빛 ,무기물 , CO2

광유기종속영양Photoorganotrophic heterotroph

빛 , 유기수소공여체 , 유기탄소원

화학무기독립영양Chemolithotrophic autotroph

화학무기물 , 무기수소 , CO2

화학유기종속영양Chemoorganotrophic heterotroph

화학유기물 , 유기수소공여체 , 유기탄소원

Mixotroph ( 혼합영양 ) 환경요인에 따라 대사양상변화

4) N, P, S 의 필요성 - 질소 :

-> 아미노산 , 퓨린 , 피리미딘 , 탄수화물 , 지질 , 효소 등 생체구성분자합성

-> 아미노산 , 암모니아 (NH4), 질산 (NO3) 에서 얻음

- 인 :

-> 핵산 , 인지질 , 보조인자 , 단백질 구성성분

-> 무기인산 (PO4) 이 주공급원

- 황 :

-> 아미노산 ( 시스테인 , 메티오닌 ), 바이오틴 , thiamine 의 합성

-> 황산염 (SO4) 의 환원으로부터 공급

5) Growth factor( 생장인자 )

- 미생물생장에 필수적으로 요구되나 자체로 합성하지 못하는 물질 - 미생물에 따라 요구종류와 정도가 다름 - 1) 아미노산 : 단백질합성 - 2) 퓨린과 피리미딘 : 핵산합성 - 3) 비타민 : 효소보조인자 - 기타 헴 , 콜레스테롤 등

미생물의 배양1. 순수배양 (pure culture)

- 혼합집단 미생물군에서 단일세포군 분리배양 - 선택배지이용 -> 특정미생물의 영양요구성을 알고 있을 때 - 희석법 -> 희석된 상태에서 colony 형성유도 - 도말평판법 (splead plate) -> 희석 미생물혼합액을 agar plate 에 도말 - 획선평판법 (streak plate) -> agar plate 상에서 백금선으로 순차적 희석 - 혼합평판법 (pour plate) -> 희석 미생물액을 액상 agar 배지와 혼합 후 굳힘

Clean Bench (Laminar Flow)

2. 배지 (Difco manual 참조 ) - 미생물 성장에 필요한 영양분 함유 - 미생물 분리동정 가능 - 항생제 감수성 측정 - 조성은 미생물마다 다름

1) 제한배지 (defined medium), 합성배지 (synthetic medium)

- 미생물의 영양요구성을 알고 있을 때 - C,N,S,P, 무기질을 포함한 간단한 조성 - 배지의 조성을 알고 있음

2) 복합배지 (complex medium) - 특정미생물의 영양요구성을 모를 때 - 화학조성을 모르는 성분 포함 - peptone, yeast extract, malt extract 포함

3) 선택배지 (selective medium) - 특별한 영양물질 포함 ( 항생제 , 염료 , 탄소원 ) - 특정의 미생물만 생육

4) 분별배지 (differential medium) - 서로 다른 종류의 미생물을 구별

가열멸균 건열

Oven중에서 1700C 로 90 분 유리 등 열에 안정한 기구의 멸균

습열 1200C, 2 기압에서 20 분 배지 등 열에 안정한 수용액의 멸균

화학적 처리 열에 불안정한 기구의 살균

CH2 CH2 + H-OH CH2 CH2

O OH OH

여과법 열에 불안정한 수용액의 멸균

광선 UV, 방사선 등

Ethylene oxide Ethylene glycol

FiltrationFiltration

미생물 순수배양 (Pure culture)미생물 순수배양 (Pure culture)

Quadrant Streak

Radiant Streak

“T” Streak

Continuous Streak

Pure Culture TechniquesPure Culture Techniques

순차적인 희석

희석법에 의한 미생물의 분리

잘못된 접종의 예

오염된 배지를 사용한 경우 균의 분리가 잘 안되는 경우

균의 분리가 잘 안되는 경우 물기있는 배지를 사용한 경우

Colony 형태에 따른 분류

세균 집락을 주사전자현미경으로 관찰한 모습

a. 한천배지에서 자라는 Micrococcus, b. Clostridium 균 , c. Mycoplasma, d. E. coli

제 1 부 미생물의 세계

Chapter 2.

미생물의 영양분 흡수

생체막에 의한 물질수송

세포막의 기능 : 장벽 지질 이중층 물질수송 막 수송 단백질

막수송 단백질 특성 : 물질 특이성 / 선택적 수송 종류 :

운반 단백질 (carrier protein)

• 용질과 결합 운반 단백질의 입체 구조의 변화 반대쪽으로 열림 친화도 감소 방출 • 작은 유기물분자 , 무기 이온 수송

통로 단백질 (channel protein) : 이온통로 (ion channel)

• 리간드의 결합 또는 전압감지 통로 단백질의 입체 구조 변화 친수성 통로 개방 확산에 의한 무기이온 이동

• 세포 안과 밖의 이온농도 세포는 삼투평형을 취하는 대신 , 전기적 평형을 포기하여 휴지전위를 가진다 이는 세포의 흥분성 , ATP 생산 , 물질 수송 등에 필수적임

M

미생물의 영양

1. 영양물질 흡수

- 기질특이성 -> 불필요한 물질 흡수 금지 - 능동적 수송 -> 주위 낮은 농도의 영양소를 세포내로 흡수 - 세포막 통과 필요

1) Diffusion(확산 )

- Passive diffusion( 수동확산 ): -> 고농도에서 저농도로 무작위적 이동 -> 큰 농도차 필요 -> 영양물질 흡수에 따라 흡수율 감소 -> 물 , 산소 , 이산화탄소 운반체가 없고 , 농도차가 클수록 확산 속도가 빨라짐

- Facilitated diffusion(촉진확산 ) -> 농도차이 이용 -> 수송단백질 (permease) 관여 -> 글리세롤 (glycerol), 당류 (sugar) 운반체가 있고 , 운반체가 포화되면 더 이상 확산은 일어나지 않음

촉진확산의 모형

(1) 수동수송 (passive transport): 농도 구배에 따라 수동적 물질수송 촉진확산 (Facilitated diffusion): 수송체에 의한 수송 ; 선택성 , 포화특성 수송체 단백질 (carrier): 구조적 선택성 , Glucose transporter

통로단백질 (channel): 크기 및 전하 선택성 , Na+, K+, Cl-, Ca2+-gated

channel

(2) 능동수송 (active transport): 에너지 소모 , 농도 구배에 역행해서 물질수송 운반단백질 : Na+ - K+ ATPase (pump)

운반단백질과 그 기능

2) Active transport( 능동수송 )

- 농도구배에 역행하여 수송할 수 있음 - 대사에너지 필요 -> ABC transporter(ATP-binding casette) - 수송단백질 관여 - Symport( 공동수송 ): 두 물질을 동일한 방향으로 이송 - Antiport( 역수송 ): 두 물질을 서로 다른 방향으로 이송

능동수송

(1) 연계 수송체 (coupled transporter)

막을 가로지르는 오르막 수송이 , 다른 용질의 내리막 수송과 연계(2) ATP 의존적 펌프 (ATP-depnedent pump)

ATP 가수분해를 이용 , 농도구배에 역행하는 수송 Na+-K+ ATPase Ca2+ ATPase H+ ATPase

능동수송

3) Group translocation( 작용기 전달 ) - 물질이 수송되면서 화학적으로 변형 - PTS (phosphotransferase system; 당인산기 전이체제 ) - 여러 종류의 당류가 PEP(phosphoenolpyruvate) 를 인산공여체로 이용

철분 흡수

-시토크롬 ( 전자전달체 ) 과 다른 효소의 활성에 필요-Siderophore : 철과 같은 중금속에 대해서 대사적으로 대응하기 위한 물질로필수원소가 매우 부족하여 이러한 물질을 저장하고 흡수하기 위해서 세포밖으로 분비되고 다시 흡수되는 저분자 물질 ,  Siderophore 의 경우 철은 미생물의 대사과정에서 필수원소이고 자연계에서는  Fe3+ 로 충분히

존재하지만 중성인 조건에서 대부분이 난용성인  Fe(OH)3 로 존재하기 때문에

상당히 낮은 농도의 철만이 미생물이 이용할 수 있다 .  따라서 이러한 물질은 세포밖으로 분비되어 저농도의 철과 결합하여 다시 흡수된다 . 

제 2 부 유류의 생 분해

Chapter 1.

BIODEGRADATION of

HYDROCARBON

1. 원유 (Crude Oil) 란 ? 원유는 통상적인 처리를 통해 수분과 가스분을 제거한 석유를 말하며 , 수천가지의 다양한 탄화수소 성분 (hydrocarbons, >75%) 과 황화합물 (Sulfuric compounds, 4%), 산소화합물 (oxygenic compounds, 2%), 질소화합물 (nitrogenic compounds, 1%), 그리고 미량의 금속화합물(V, Fe, Ni, Cu, K, Na, Ca, As, Si) 인 비탄화수소가 주로 포함되어 있다 .

표 . 원유 및 석유제품의 일반적인 조성unit : percent, except for metals(ppm)

GroupCompound

ClassGasoline Diesel Light Crude

Heavy

CrudeBunker C

Saturates

Alkanes 45-55 35-45 - - -

Cyclo

alkanes5 30-50 - - -

Waxes - 0-1 0-20 0-10 5-15

Total 50-60 65-95 55-90 25-80 20-30

Aromatics

BTEX 15-25 0.5-2 0.1-2.5 0.01-2 0-1

PAHs - 0-5 10-35 15-40 30-50

Total 25-40 5-25 10-35 15-40 30-50

Resins - 0-2 0-10 2-25 10-20

Asphaltene

s- - 0-10 0-20 5-20

Metals - - 30-250 100-500 100-2000

Sulfur 0.02 0.1-0.5 0-2 0-5 2-4

2. Biodegradation :

미생물에 의한 유류분해 , Biodegradation 이란 유류의 탄소성분의 흐름 (Carbon Flux) 으로

미생물의 성장 , 광물화 (Mineralization; CO2 & H2O), 대사산물 (Biotransformation) 로의 전환

등을 총칭하여 생물분해라 한다 .

이 과정에서 중요한 것이 , 바로 대사산물로 이는 유류의 풍화과정에서 생성되는 것과 마찬가지 개념으로 이해할 수 있으며 , 이는 미생물 입장에서 보면 폐기물과 같은 개념으로 자신의 활동에 의한 산물로 자기자신이 이 폐기물에 의해 역으로 피해를 보게 된다 (Feedback Inhibition).

따라서 , 이 폐기물의 생성은 환경적으로도 신중히 검토되어야 하며 , 유류분해 활동의 촉진을 위해서도 반드시 제거하여야 한다 ( 폐기물 처리 필요 ).

이는 대사산물 분해 미생물이 유류분해에 있어 필수적이라는 것을 역설적으로 설명하는 이유가 된다 .

HC + O2

+ N/P + 미생물

HC + O2

+ N/P + 미생물

Residues

( 난분해성 :Cyclics, PAHs..)

Residues

( 난분해성 :Cyclics, PAHs..)

Mineralization

CO2 + H2O

Mineralization

CO2 + H2OBiomassBiomass

FeedbackInhibition

Biotransformationor 대사산물(Acids, Ketons,Alcohols..)

Biotransformationor 대사산물(Acids, Ketons,Alcohols..)

Carbon Flux byBiodegradation

유류 성분은 현재까지 약 2000 여 종이 알려져 있으나 이는 극히 일부분일 정도로 다양함 . 알려진 성분도 그 종류가 다양하고 , 분해과정 중에 다시 복잡 다양한 물질로 전환되기 때문에 단일 종의 미생물로 모든 유류를 완전히 분해하는 것은 불가능함

Hydrocarbon 구분 구조 예 Key enzyme 분해 미생물 예

Aliphatics(Alkanes)

n-

Mono-Oxygenase

PseudomonasNocardiaAcinetobacter CorynebacteriumRhodococcus Candida, Yarrowia

iso-

cyclo-

Aromatics

mono-

Di-Oxygenase

Pseudomonas Nocardia Aeromonas Alcaligenes Micrococcus Mycobacterium Sphingomonas

Di-

PAHs

CH3 (CH2)n CH3

-CH

CH3CH3

CH3CH3 -CH--(CH2)n

※ 유류분해 미생물 제제는 대부분 1단계 분해과정인 oxygenase enzyme 을 보유하고 있는 미생물들로 구성됨

3. Hydrocarbon Uptake Mode :

탄화수소를 물에 용해시켜 탄화수소를 섭취

탄화수소

Direct contact

소수성 높은 미생물

유화도 높은 미생물biosurfactant

용해 탄화수소 섭취 (Pseudosolubilized oil)H2O

경쟁

H2O

H2O

탄화수소 먹이에 직접 부착되어 탄화수소를 섭취

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

0 20 40 60 80 100

Hydrophobicity (%)

Em

uls

ifyin

g A

ctiv

ity (

OD

at

61

0n

m)

WL-1

WLH-1WLH-2

WLH-3

WL-2

DJ-1

DJ-3

CL180

KH3-2

DJ-2

YS-7

IC-10

분 류 Strains 특 성 Uptake Mode

Group 1WLH-2,3

DJ-3EA , HP

Pseudo-solubilize

d

Group 2 WL-1, 2 EA , HP Direct Contact

Group 3 KH3-2, DJ-2 EA , HP Solubilized

Group 4WLH-1, DJ-1CL180, IC-10

YS-7MIXED MIXED

EA : Emulsifying ActivityHP : Hydrophobicity

Main principle of aerobic degradation of hydrocarbons:growth associated processes.(1)Metabolic processes for optimizing the

contact between the microbial cells and the organic pollutants. The chemicals must be accessible to the organisms having biodegrading activities. For example, hydrocarbons are water-insoluble and their degradation requires the production of biosurfactants.

(2)The initial intracellular attack of organic pollutants is an oxidative process, the activation and incorporation of oxygen is the enzymatic key reaction catalyzed by oxygenases and peroxidases.

(3)Peripheral degradation pathways convert organic pollutants step by step into intermediates of the central intermediary metabolism, e.g., the tricarboxylic acid cycle.

(4)Biosynthesis of cell biomass from the central precursor metabolites, e.g., acetyl-CoA, succinate, pyruvate, Sugars required for various biosyntheses and growth must be synthesized by gluconeogenesis.

Initial attack on xenobiotics by oxygenases

Growth-Associated Degradation of Aliphatics

Fig. Peripheral pathways of alkane degradation. The main pathway is the terminal oxidation to fatty acids catalyzed by ①n-alkane monoxygenase, ②alcohol dehydrogenase and ③ aldehyde dehydrogenase.

Round

Dehydrogenase

Hydratase

Dehydrogenase

Acyl Transferase

FAD

H2O

NAD+

CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH2C~S-CoA

O

-C=C-C~S-CoAH

H

-C- CH2-C~S-CoA

-C- CH2-C~S-CoAH

HO

-C…...CH3-C~S-CoAR

S-CoA

MECHANISM

TRANS

L-

Cofactor or Substrate

HS-CoAO

O

O

O

O

O

Growth-Associated Degradation of

iso-alkanes

(α,ω-Oxidation)

Degradation of a broad spectrum of aromatic natural and xenobiotic compounds into two central intermediates:Catechol and protocatechuate.

CH2CH2CH2COO CH2CH2COO

OCH2CO COO

Diet

Urine

(even chain) (odd chain)

Phenylpyruvate Benzoate

Knoop’s Experiment

Phenylacetate Benzoate

FA~CoA

FA~Carnitine

Acyl transferase I

FA~Carnitine Carnitine

Acyl transferase II

Translocase

HS-CoA

FA~CoA

HS-CoA

Carnitine

+N(CH3)3

CH2

H-C-OH

COO-

CH2

Carnitine

Transport into Mitochondria depends on Carnitine

THE ENERGY STORYPART I

C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O Ho = -2,813 kJ/mol = - 672 Cal/mol = 3.74 Cal/gram

Glucose

C18H36O2 + 26O2 18CO2 + 18 H2O Ho = -11,441 kJ/mol = - 2,737 Cal/mol = 9.64 Cal/gram

Stearic Acid

On a per mole basis a typical fatty acid is 4 times more energy rich that a typical hexose

Energy Story Part II1.0 g glucose = 3.7 kcal (15.5 kJ)1.0 g stearic acid = 9.7 kcal (40.5 kJ)

ENERGY CONSERVATIONStearic Acid (C18 satd)9 Acetyl CoA = 108 ATP

8 FADH2 = 16 ATP

8 NADH = 24 ATP

= 148 ATP- 1 ATP

147 ATP

Palmitoyl-CoA + 7CoA + 7FAD + 7NAD+ + 7H2O

8 Acetyl-CoA 80 ATP

7 FADH2 10.5 ATP7 NADH + 7H+ 17.5 ATP

108 ATP

CH3CH2 CH2CH2 CH2CH2 CH2CO~SCoA

HS-CoA

FADNAD+

R-1R-2R-3

HS-CoA

FADNAD+

HS-CoA

FADNAD+

Octoyl-CoA + 3HSCoA + 3FAD + 3NAD+ + 7H2O

4 Acetyl-CoA 40 ATP

3 FADH2 4.5 ATP3 NADH + 3H+ 7.5 ATP

52 ATP

CH3CH2 CH2CH2 CH2CH2 CH2CO~SCoA

CH3CH2 CH2CH2 CH2CO~SCoA

CH3CH2 CH2CO~SCoA

CH3CO~SCoA CH3CO~SCoA

FADNAD

HSCoA

FADNAD

HSCoA

FADNAD

HSCoA

123

Hexanoic acid (C6H12O2) Glucose (C6H12O6)

Hexanoic acid

Hexanoyl-CoA -1 ATP

Glucose

2 pyruvates 2 ATP

Hexanoyl-CoA

3 Acetyl-CoA 30 ATP

2 pyruvates

2 Acetyl-CoA 20 ATP

2 FADH2 3 ATP 2 NADH + H+

2 NADH + H+ 5 ATP

5 ATP

37 ATP 32 ATP

2 NADH + H+ 5 ATP

Mwt = 116 Mwt = 180

ATP per Gram = 0.32 ATP per Gram = 0.17

Table. Comparison of experimental molar growth yield with theoretical molar growth yield predicted on the basis of available electrons for selected organic compounds.

a. Av. e2 is the number of available electrons mol21 substrate.b. Ym exp is the molar yield determined experimentally.c. Yav.eexp is the equivalent electron yield calculated according to the Payne relation (Yav.eexp. Ym exp/av. e2). It is expressed as g of dry cell weight per available electron.d. Ytheo m is the theoretical molar yield determined using theoretical values of Yav.e-.e. The energy discrepancy index (de) is the ratio giving theoretical values to the experimental values (de . Ytheo m /Ym exp . Yav. e-/Yav. eexp). A de value .1 indicates that energy is dissipated during the metabolism.f. From Payne (1970).g. For regular substrates, Yav.e- . 3.07 gdw e2 av.21 (Payne and Wiebe, 1978).h. From Johnson (1967).i. For hydrocarbons, Yav.e- . 2.08 gdw e2 av.21 (Payne, 1978).j. From Tidswell et al. (1996).k. This study.l. From Hanson et al. (1999). MEGDE, monoethylene glycol dodecyl ether; DEGDE, diethylene glycol dodecyl ether; TEGDE, triethylene glycol dodecyl ether; OEGDE, octaethylene glycol dodecyl ether. ND, not determined.

1) 복원 조건- 오염토량 부피 : 4,410 m3 - 최적 C:N:P 비율 = 100:10:1

- 초기 오염 농도 (ppm) : 5,000 ppm- 처리 목표 농도 (ppm) : 1,500 ppm

2) 미생물 공급- 목표토양 미생물 수 (MPN) Ma (MPN/g) 1.E+06- 처리 오염토량 Q (m3) 4410- 전체 오염토 처리 MPN Mb=MaXQX1.8X1000000 7.938E+15- 미생물 공급단위 ( 액상 ) L (MPN/kg) 6.E+11- 공급물량 W = Mb/L (kg) 13,230 3) 양분 공급- 처리 오염토양 Q (m3) 4410- 처리전 평균오염량 C1(ton) 31.51 - 처리후 복원목표오염농도 C2(ton) 11.91 - 탄화수소 제거량 S(ton) 19.60 오염토양의 대표 오염유종을 경유로 가정- 대표 분자량 (C16H34) Mbe (mol)= (12x16+1x34) 226.00 - 소모되는 경유의 몰수 Abe(kg-mol) = S / Mbe 86.72 - 소모되는 탄소의 몰수 Ac = Abe x 16( 경유탄소수 ) 1387.53 4) N 공급- 최적 C:N:P 함량 100:10:1(몰비 )- 탄소에 대한 질소의 몰비 R 0.10 - 필요 질소의 몰수 N(kg-mol) = Ac x R 138.75 - 질소 공급원 (NH4)2SO4 의 몰수 Na(kg-mol) = N/2 69.38 - (NH4)2SO4 의 분자량 Mam = ((14+1x4)x2+32+16x4) 131.00 - (NH4)2SO4 의 공급량 Sa (kg) = Na x Mam 9088.35 5) P 공급- 탄소에 대한 인의 몰비 R2 0.01 - 필요한 인의 몰수 P (kg-mol) = Ac x R2 13.88 - 인 공급원 KH2PO4 의 몰수 Pp (kg-mol) = P/1 13.88 - KH2PO4 의 분자량 Mp = (39+2+31+16x4) 136.00 - KH2PO4 의 공급량 Sp (kg) = Pp x Mp 1887.05

2. C6H12O6(Glucose) + αO2 → βCO2 + γH2O - α, β, γ, 의 값은 ? - Respiration coefficient (RQ = CO2 eliminated / O2 consumed) ?

1. 대장균 1 마리의 부피가 1㎛ 3 이라고 할 때 배양액 1㎖에 존재할 수 있는 대장균의 최대 개체 수는 ?

3. C6H34(Hexadecane) + αO2 → βCO2 + γH2O - α, β, γ, 의 값은 ? - Respiration coefficient (RQ = CO2 eliminated / O2 consumed) ? 4. C6H12O6(Glucose) + αNH3 + βO2 → γCH1.74N0.2O0.45(Biomass) + δCO2 + εH2O - α, β, γ, δ, ε 의 값은 ? - Glucose 에 대한 Biomass 의 수율 (g Biomass / g Glucose) ? Biomass (23.74 g/mol)5. C6H34(Hexadecane) + αNH3 + βO2 → γCH1.74N0.2O0.45(Biomass) + δCO2 + εH2O - α, β, γ, δ, ε 의 값은 ? - Biomass 의 수율 (g Biomass / g Hexadecane) ? Biomass (23.74 g/mol)

6. C6H12O6(Glucose) + αNH3 ( 질 소 원 ) → βCH1.74N0.2O0.45(Biomass) + 0.43 C3H8O3(Glycerol) + 1.54 CO2 + 1.3 C2H5OH(Ethanol) + γ H2O - α, β, γ 의 값은 ? - Glucose 에 대한 Biomass 의 수율 (g Biomass / g Glucose) 과 Ethanol 의 수율 (g Ethanol / g Glucose) ? Biomass (23.74 g/mol)

7. 구미의 한 주유소 부지가 경유로 다음과 같이 오염되어 있다고 가정하자 .

- 오염토 량 : 2,000 ㎥

- 평균 오염농도 : 5,000 ppm (TPH : Total Petroleum Hydrocarbon (총석유계탄화수소 )

이와 같은 상황에서 오염된 토양을 모두 굴착하여 생물학적 정화방법 중 토양경작 (Landfarming)

으로

처리하여 토양환경보전법 상 “ 3”지역 기준인 TPH 2,000 ppm 이하로 낮추고자 한다 .

이때 , 필요한 유류분해 미생물제제 및 영양염 (N, P source) 의 투여량을 산출하라 .

기본정보

- 토양의 비중 : 1.4 ( 가정 )

- 토양경작에 필요한 유류분해 미생물 개체 수 : 106 CFU/g soil

- 투여할 유류분해 미생물제제 제품내의 균수 : 108 CFU/ml ( 비중 1로 가정 )

- 경유의 분자식 : C16H34 ( 가정 ) (MW : 226)

- 영양염 투여 비율 : 탄소 (C)/ 질소 (N)/ 인 (P) = 100/10/3

- 투여할 영양염제 종류

질소원 : (NH4)2SO4(MW : 131)

인 원 : KH2PO4 (MW : 136)

유류분해 미생물제제 투여량 ?

(NH4)2SO4 투여량 ?

KH2PO4 투여량 ?