2012년 4월 10일 주제 대화방의 주제는 "바이오필름(Bio film)"

(세균이 살아가기 위한 전략) 전문연구위원 차성기 1. 개 요     □ 급배수배관이나, 폐수처리설비에서 미생물의 집합체인 바이오필름을 흔히 볼 수 있는데, 우리에게 해로운 측면이 많으나 이로운 면도 있다.    □ 바이오필름에 대한 생성 메커니즘과 구조, 기능 그리고 주변의 사례를 소개한다.     2. 내 용   □ 배경     ○ 미생물은 단독으로 부유 분산하는 경우는 매우 드물며, 대부분은 자신이 만드는 세포의 폴리머에 의해 고체표면에 부착해서(바이오 필름) 복잡한 미생물 커뮤니티(공동체)로서 존재한다.     ○ 바이오필름 내에 존재하는 세균은 공생관계를 유지하면서 살아가며, 다양한 물질의 표면에 부착하여 바이오필름을 형성하는데, 활성오니나 상승류 혐기성오니 조 에는 FLOC이나 GRANULE을 형성해서 존재하나 모두 바이오필름의 한 형태로서, 바이오필름은 미생물이 집합체를 형성해서 고체표면에 부착하여 서식하는 것이라 정의한다.     □ 바이오필름을 형성하는 이유     ○ 미생물은 세포사이에 상호 커뮤니케이션을 해서 자기기능을 제어하여 환경변화에 적응하는 본능을 가지고 있는데, 영양조건 등 특정의 환경요인 변화에 따라 바이오필름의 형성을 시작하며, 요인은 다양해서 그람 음성세균은 부영양 조건에서 바이오필름을 형성하고 신선한 영양이 공급되는 한 성장을 계속하다가, 영양상태가 결핍되면 일부가 부유 상태로 되어 좋은 환경을 찾아서 이동한다.     ○ 더욱이 생리 생태학적 특징이 다른데도 불구하고 모든 세균이 바이오필름을 형성할 수 있는데, 이는 세포표면의 친수성이나 전하(電荷) 때문인 것으로 알려졌다.     ○ 세균이 극한 환경 등 생물권 전체에 생존할 수 있는 이유는 다양한 물질대사 경로와 유전학적 형질의 유연함 때문인데, 이러한 적응능력의 중요요소 중 하나는 편모운동이나 고체표면에 간단하게 수축하거나 활주함으로서 증식에 적합한 장소로 이동하여 안착하는 메커니즘과 또 하나는 응집과 부착메커니즘으로 세포가 응집하여 침강율과 세포 간 상호작용이 증진되고 부착에 의해 고체표면에 정착하고 커뮤니티를 형성해서 집단으로 생리생태학적 다양성을 얻게 된다.     ○ 미생물은 단독으로 존재할 수도 있으나, 대부분은 바이오필름의 존재형태인데 이는 세균에게 가장 효율적인 서식 형태이며, 집단 형성에 의해서 화학물질 매개의 커뮤니케이션 뿐 아니라, 접촉함으로서 주변 환경을 인지하고 유전자 발현이나 대사 활성을 제어하여 커뮤니티로서 개개 세균의 역할을 부여하고 있다.     □ 바이오필름 형성 사이클     ○ 먼저 부유 상태의 미생물이 고체 표면에 부착하여 시작되는데, 미소 콜로니(군락)를 형성하고 이것이 서서히 성장하여 세포의 폴리머(EPS)에 의해 덮힌 바이오필름을 형성하고 일부 세포가 이를 떠나 다른 장소에서 환경 인자를 감지하여 반복하여 바이오필름을 만드는데, 바이오필름의 유도인자로는 영양상태, 침투압, pH, 이온강도, 산소분압, 온도 등이 있다.     ○ 표면에 부착하면 EPS의 합성을 촉진시켜서 항생물질에 대한 내성을 강화시켜 자신을 보호하고, 유전자 치환에 의해 UV 내성도 얻으면서 성숙한 바이오필름이 되며, 바이오필름은 버섯 같은 입체구조를 가지고 있어서 생태계에 큰 영향을 주고 있는바, 내부에 기아상태가 되면 바이오필름에서 세포는 이탈하게 된다.       □ 바이오필름의 구조와 기능     ○ 3차원 입체 조를 보면, 순수 균으로 형성된 것이나 자연계의 복합 바이오필름 모두 비슷하며, EPS 매트릭스 중에 미소콜로니가 있어서 세균밀도 분포가 불균일하고 미소콜로니 사이엔 물이 흐를 수 있는 수로(Water Channel)가 있는데, 이러한 미소콜로니는 단일 종 또는 복수 종류의 세균으로 형성되며, 서식 환경조건이나 구성세균에 따라 변한다.     ○ 바이오필름 구조는 표면의 성질, 농도, 종류, 미생물 종류와 수리학적 전단력 등의 조건에 따라 영향을 받고 있으며, 특히 수류의 영향이 커서 층류상태 에선 간격이 많이 있으나, 난류가 되면 떠다니는 스트리머(Streamer)라는 실 상태의 구조를 가지게 되고, 이외에 상승류 혐기성오니 반응기에 있는 바이오필름은 복잡한 미생물이 형성한 입자상의 GRANULE 형태로 존재한다.     ○ 입체 구조 가운데 수로의 존재는 매우 중요해서 바이오필름의 생명선으로, 이에 의해 액 본체에서 기질이 수송되고 대신 대사 산물이 배출되는 등 바이오필름의 구조와 생태학적 기능을 유지하는데 필요 불가결하다.     □ 바이오필름의 구조형성에 의한 EPS의 역할     ○ 바이오필름 내 세포의 폴리머(EPS)는 다양한 외적 스트레스로부터 세균을 보호하며, 대부분의 세균은 EPS 합성능력을 가지고 있고, 생성된 EPS는 세포 외 또는 환경 증으로 배출되어 바이오필름이나 GRANULE의 구조 유지나 기능 발현에 매우 중요한 역할을 하며, 미생물 상이나 환경이 변하면 EPS의 역할도 달라지며, 다양한 용해성 유기물을 흡착하기도 하고 항생물질 침투를 방지하기도 한다.     □ 환경 중의 바이오필름     ○ 폐수처리계와 같이 비교적 유기물 농도가 높은 환경에서도 배양 가능한 미생물은 전 미생물의 10%이하이며, 수 ㎜에 불과한 바이오필름의 표층과 저층은 생육환경이 매우 달라서, 호기성 환경의 바이오필름도 산소의 침투깊이는 표층의 수백 미크론에 불과하고 그 아래층은 무 산소 상태가 되는 등, 바이오필름의 수직 방향으로 O2, NO3-, SO42－등을 전자 수용체로 한 일련의 호흡 활성이 ZONE화 되어 있다.     ○ 생물학적 하수처리에서 혐기성으로 알려진 황산염 환원세균(SRB)에 의해 생성된 황화수소는 황산염 환원반응으로 하수처리의 유기물 제거에 크게 기여(50%이상) 하고 있는데, SRB의 수직분포를 보면 황화수소가 무 산소 영역에서 주로 미소콜로니를 형성하고 있으며, 이는 활성오니 조, 혐기 조, 무 산소 조, 호기 조의 오니에서 모두 볼 수 있어서 계통학적 그룹이 다른 SRB가 특정의 유기물 분해에 관여하고 있는 것이다.     □ 바이오필름과 금속 부식     ○ 금속부식은 높은 자유에너지에서 낮은 자유에너지 상태로의 가장 안정된 존재 형태로 이행되는데, 이는 전위차에 의해 생기는바, 생태학적 부식은 미생물이 표면에 부착하여 대사산물을 생성함으로서 부식을 촉진시키는 형상인데, 바이오필름이 금속 표면에 부착되면 세균의 호흡으로 산소를 소비하여 바이오필름 내는 무 산소 상태가 되어서 바이오필름이 부착되지 않은 곳과 금속 표면에서의 산소분압이 국부적으로 달라지므로 전위차가 생겨서 부식이 진행된다.     ○ 미생물 중에는 산이나 수소가스 등 부식성 가스를 배출하기도 하는데, 위의 SRB는 황화수소를 생성하기 때문에 금속이나 콘크리트를 부식시키며, 배관 내에서 흐름이 정체되는 접속부분이나 굴곡부분에 바이오필름이 형성되어 부식을 일으키므로 특히 문제가 되는 바, 이에 대한 대책은 인, 질소, 유황 등 SRB의 영양원을 제거하는 방법이 있다.     □ 바이오필름을 이용한 폐수처리     ○ 하수처리 분야에 바이오필름 프로세스가 많이 이용되고 있는데, 질화 프로세스는 계통학적으로 다른 암모니아 산화세균과 아질산 산화세균에 의해 달성되어 살수여과조의 바이오필름 호기성 영역에는 암모니아 산화세균의 구상 클러스터와 이를 둘러싼 아질산 산화세균의 클러스터가 존재하며, 유동상형 질화 조 내에도 이러한 세균들이 고밀도의 클러스터를 형성하고 있고, 도시 하수에서도 보이고 있다.     ○ 또, 유기물의 호기성 소화로 알코올 등 중간 생성물을 만들고, 이를 초산 생성세균이 수소나 의산으로 만들며, 이를 메탄생성 고 세균이 메탄으로 변환시켜서 제거하고 황산염이 있는 경우도 황산염 환원세균이 수소나 의산 농도에 관계없이 프로피온산과 황산염을 초산과 황화수소로 변환시킨다.     □ 바이오필름과 식물     ○ 식물은 뿌리에 의해 미생물에 산소나 물질을 공급하고 있고, 세균은 뿌리에 부착 서식하면서 세포막 외 단백질이나 피막으로서의 다당, 리보다당류, 세포표면의 응집성이 관여되는데, 이는 토양의 응집을 촉진해서 물의 안정성 향상으로 식물의 성장에도 좋은 영향을 주고 있다.     ○ 식물은 뿌리로서 직접 양분을 흡수하나, 직접 이용할 수 없는 토양 중 물질은 식물과 미생물의 공동작업으로 이용 가능한 형태로 변화시키기도 한다.     □ 바이오필름과 의료     ○ 체내에서도 이물감염이나 만성감염에 바이오필름이 관여하고 있어서, 요로나 충치 등에 존재하고 있는데, 바이오필름 내의 세균은 부유 상태보다 항생물질에 대한 내성이 1,000배 이상이 되어 문제가 되는바, 이는 세균의 형질이 변해서 세포외 다당 이나 산소에 의해 항생물질이 불활성화 되거나, 바이오필름 형성으로 빈 영양상태가 되어 성장속도를 늦추어 내성을 얻는 것으로 보고 있다.     ○ 바이오필름에 의한 감염증은 폐 감염증, 중이염, 치주염 등이 있으며, 콘택트렌즈 등 체내 삽입, 이식하는 의료기구에도 바이오필름이 형성 가능성이 있다.     □ 유전자의 수평 전파     ○ 바이오필름 내에서 유전자의 수평전파가 생기는 빈도가 높다고 알려지고 있어서, 미생물의 진화와 유전자 다양성 관점에서 바이오필름의 형성이 매우 중요해지고 있다.   3. 결 론   □ 세균은 게놈에 새겨진 다양한 유전적 형질을 발현시켜서, 다른 미생물이나 외적 환경 인자에 대해 반응 및 순응하면서 바이오필름을 형성하여 서식하는데, 커뮤니티의 일원으로서 가장 효율적인 전략이다.   □ 이는 세포 내에서의 화학적 신호에 의해 주변 환경을 감지해서 주위 세포와 커뮤니케이션을 하면서 대사 및 행동을 제어하게 되는바, 이러한 메커니즘의 해명과 신호물질의 규명이 기대된다. <DIV class=autosourcing-stub> <A href="http://blog.naver.com/chapc1" target=_blank></A> </DIV>