상단여백
HOME 오피니언 윤복근교수 칼럼
[윤복근교수 칼럼] 반추위 발효 및 세균총에 대한 포스트바이오틱스 시험관 내 연구
  • 일간투데이
  • 승인 2019.12.16 14:47
  • 19면
이 기사를 공유합니다
페이스북
트위터
카카오스토리
구글+
네이버 밴드
네이버 블로그
네이버 폴라
핀터레스트
URL 복사
   
▲ 사진=윤복근 교수

동물 사육과정에서 항생제 과다사용은 항생제 내성 박테리아 출현으로 인해 가축과 인간 모두에게 심각한 위험을 초래한다.

반추동물의 섬유질사료 섭취 개선을 위한 항생제 사용을 통한 미생물 생태계 조작은 독성, 잠재적 알레르기 및 가축의 잔류물과 같은 몇 가지 단점들로 인해 권장되지 않았다.

"자연 발생 미생물의 공급원"으로 정의되는 복합생균제(DFM, Direct-Fed Microbe) 또는 probiotics는 현재 반추동물의 보충제로 사용되고 있다.

젖산 박테리아는 probiotics로써 유익한 마이크로플로라(microflora) 개체군을 향상시키기 위해 반추동물에 사용되어 병원성 미생물 정착을 방지할 수 있다.

이들은 어린 송아지의 자연 위장 미생물을 성장시키고 위장 시스템에서 미생물 그룹들의 평형에 기여함으로써 미생물 생태계에 긍정적으로 영향을 미친다.

Probiotics의 유익한 효과는 논란의 여지가 없지만 때로는 숙주에게 위협이 될 수 있다. 일부 probiotics에는 항생제 내성 유전자, 특히 플라스미드(plasmid) 암호화 박테리아가 있어 유기체(organism)간에 전염이 될 수 있다.

이런 맥락에서, 젖산 박테리아로부터 생성된 postbiotics는 살아있는 세포를 포함하지 않으며, 가축 및 가금류 생산에서 잠재적 사료 첨가제로 여겨진다.

Postbiotics는 Lactobacillus sp. 대사에 중간체 또는 최종 산물, 주로 박테리오신으로 알려진 젖산, 아세트산 및 항균성 펩타이드를 포함한다.

Postbiotics는 장내 pH를 낮추고 젖산균 개체수를 증가시키며, 장내 세균 개체수를 감소시키는 probiotics 효과를 나타낸다. 또한 영계, 산란계, 암탉 및 새끼 돼지의 성장성을 높이고 장 융모 길이를 높이며 대변의 장내 유해균의 수를 감소시킨다.

단위 농장 동물에서 postbiotics 사용은 이미 널리 퍼져있다. 그러나 반추동물 식단에서 postbiotics 사용에 대한 정보는 제한적이다. 반추동물에서 Lactobacilli와 같은 직접 공급 미생물(DFM)은 동물 건강 및 능력을 개선하기 위한 사료 첨가제로 사용되어왔다.

박테리오신과 같은 항균물질의 존재로 인한 반추위 발효(rumen fermentation , 反芻胃醱酵) 및 유해 미생물 억제를 향상시키기 위한 젖산균과 반추위 미생물의 상호작용은 Weinberg 외 연구자들이(2003)이 제안했던 것으로, 젖산균이 반추위에 미치는 작용방식을 나타낸다.

젖산을 생산하는 박테리아는 반추위에 꾸준한 젖산을 생성하고, 미생물이 젖산 축적에 익숙해지도록 하며, 젖산 사용 박테리아 기능을 향상시키고, 반추위 pH를 안정화시킨다.

그러므로 Postbiotics를 사료 첨가제로 보충하여 유사한 효과를 얻을 수 있다. 따라서 Lactobacillus plantarum에 의해 생성된 postbiotics가 반추위 발효 및 시험 관 내 미생물 집단에 미치는 영향은 다음과 같다.

시험관 내 가스 생산 및 생체 내 사료 소화율은 밀접하게 관련되어 있으며, 가스 생산은 사료내 영양소의 발효결과이다. 이전의 연구들은 유산균이 반추위에서 생존하고, 시험관내 반추위 발효의 매개변수를 변경하고, 반추위 마이크로플로라에 미치는 영향이 보고되었다.

그 결과는 postbiotics의 증가가 반추위 발효 동역학 및 OMD(organic matter digestibility)를 상승시켜 반추위의 발효속도 향상을 나타낸다. 시험관 내 가스 생산 측정은 사료의 가용성 및 불용성 분획의 소화 동역학에 대한 유용한 정보를 제공한다.

가용성 분획에 의한 유해가스 생성은 미생물 집략형성(colonization) 지연 또는 세포벽 발효 전 가용성 분획의 분해 후에 생기는 늦어짐으로 인해 발효 지연으로 유발되었다.

순 가스 생성 증가, 불용성 분획으로 생성된 가스 부피 및 잠재적 가스 생성가능성은 기질의 소화성 및 섬유 분해 미생물의 활성이 증가함을 나타낸다.

소리아노(Soriano) 외 연구자들(2014)은 Lactobacillus mucosae 상청액의 1 %가 전체 가스 생산, 가스 생산 동역학 및 OMD에서 유의한 차이를 보이지 않았음을 보고했다.

젖산균의 여러 균주와 다양한 내포 수치는 반추위 발효에 여러 영향을 미칠 수 있다. 가용성 및 불용성 분획의 소화과정에서 나타나는 박테리아와 원생동물문(protozoa)을 포함한 반추위 미생물의 역할은 잘 알려져 있다.

그러므로 postbiotics 포함으로 인한 가스 생산 동역학, OMD 및 VFA(Volatile fatty acids)의 개선은 주요 미생물 집단의 개선에 의해 설명 될 수 있다.

Postbiotics의 첨가는 pH 수준에 영향을 미치지 않지만, 반추위액 내 전체 및 개별 VFA 생성을 유의하게 증가시켰다. 아세트산 대 프로피온산의 비율 또한 postbiotics 함유 수준이 증가함에 따라 증가하였다.

식물의 섬유질 성분은 반추동물들의 주요 탄수화물 공급원으로, 반추위 미생물에 의해 발효되어 VFA를 생성한 후, 반추위 벽에 흡수되어 숙주동물에게 주요 에너지원으로 제공된다.

시험관 내 기질의 영양 성분이 발효되어 VFA 및 가스(주로 CO2 및 CH4)가 생산되고, 미생물 세포 성장이 이루어진다. Postbiotics 추가를 통한 기질 소화의 개선은 VFA의 생산 증가에 기여했다.

이 발견은 Soriano 외 연구자들이(2014) 48시간에 걸쳐 시험관 내 배양에서 L. mucosae의 상등액 1%를 포함시킴으로써 개별 및 총 VFA 농도의 현저한 개선을 보고한 결과와 일치한다.

반대로 O'Brien 외 연구자들은(2013) L. plantarum TUA1490L의 상등액의 5 %(v/v)가 개별 및 총 VFA 수준을 감소시켰음을 발견했다.

이들은 이 결과가 상등액 내 고농도의 과산화수소가 존재하기 때문이라고 제안했다. 이런 결과 불일치는 사용된 박테리아 균주의 차이와 상등액 포함 수치가 다르기 때문일 수 있다.

또한 최대 1.2 %의 postbiotic 수치는 VFA의 유의한 감소를 유발하지 않았다.

오브라이언 외 연구자들은(2013) L. plantarum 배양에서 채취된 상등액에서 높은 농도의 과산화수소가 VFA 수준을 낮추는데 기여 할 수 있다고 주장했다. 그러나, 과산화수소는 postbiotics에서 검출되지 않았다.

체외 반추위 발효에서 postbiotics가 미생물 집단에 미치는 효과를 조명해보면, postbiotics 포함은 전체 박테리아, 섬유소 분해 박테리아(cellulolytic bacteria) 및 전체 원생 동물의 수를 증가시켰다.

아세트산의 몰농도 및 아세트산 대 프로피온산 비율의 증가는 섬유소 분해 박테리아의 활성이 높을수록 생성되는 아세트산의 몰농도가 높아짐에 따라 반추액에서 셀룰로오스 분해 박테리아의 활성이 증가함을 나타낸다.

Fibrobacter, Ruminococcus 및 Butyrivibrio는 VFA를 생성하기 위해 식물 세포벽의 섬유를 분해하는 반추위의 주요한 섬유소 분해 박테리아다.

따라서 섬유소 분해 박테리아 개체군의 증가는 OMD 및 VFA 와 같은 가스 생산증가를 설명할 수 있고, postbiotics는 살아있는 세포 없이도 probiotics 효과를 나타낼 수 있는 것으로 알려져 있다.

반추위 미생물을 조절하는데 있어서 젖산균의 메커니즘은 여전히 불분명하다. 현재까지의 연구들은 전체 박테리아 및 섬유소 분해 박테리아의 개선이 젖산균의 대사산물을 함유하는 postbiotics와 반추위 미생물의 상호작용에 기인한다고 보인다.

와인버그 (Winberg)외 연구자들은(2003) 젖산균에 의한 박테리오신과 같은 항균물질의 존재로 인해, 젖산균과 반추위 미생물의 상호작용이 반추위 발효 및 유해 미생물의 억제를 향상시킴을 제안했다.

Yoon and Stern(1995)은 미생물 성장의 자극, 반추위 내 발효 패턴의 변화 및 소화율의 개선이 반추동물 식단에 보충되는 probiotics의 작용방식이라고 보고했다.

Probiotics 보충은 젖산에 대한 반추위 미생물의 적응을 향상시키거나, 아세트산으로의 젖산분해에 의한 반추위 젖산축적을 방해하는 것으로 알려졌다.

Jiao 외 연구자들은(2017) 이런 조건들이 섬유소 분해 박테리아의 활성을 선호하고, 섬유질 사료의 미생물 소화를 증가시킨다고 보고했다.

이 결과는 postbiotics가 전체 박테리아 및 섬유 분해 박테리아의 증가가 OMD 수치를 개선한다는 보고들과 일치한다.

아직까지 반추 원생동물을 포함한 반추위 미생물 집단에 미치는 postbiotics의 영향에 대한 정보는 드물다.

반추위 내 원생동물의 역할은 아직 불분명하지만, 한 연구는 원생동물 제거(defaunation)가 미생물 단백질 공급 증가와 메탄 생산 감소로 이어진다고 보고했다.

그러나 원생동물의 수가 증가한 것은 postbiotics 내에 젖산이 존재하기 때문일 수도 있다.

원생동물은 박테리아보다 젖산을 더 빨리 소비하기 때문에, 기생충 제거 동물(defaunated animals)에서는 더 높은 젖산 수치가 기록된다.

결론적으로 반추동물의 사료보충제에 postbiotics 포함은 시험관 내 발효 매개변수에 긍정적인 영향을 미친다. F. succinogenes, R. albus, R. flavefaciens 및 원생동물과 같은 섬유소 분해 박테리아의 개체수는 postbiotics 처리로 인해 증가한다. 이것은 더 높은 섬유소 소화를 나타내며, 이는 반추위 발효 증가에 기여할 수 있다.


<저작권자 © 일간투데이, 무단 전재 및 재배포 금지>

여백
여백
여백
여백
Back to Top