지표세균

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지표세균(indicator bacteria)은 식품 또는 환경에서 분변오염과 병원성세균 오염을 탐지하고 추정하는데 사용되는 세균 유형을 일컫는다. 인간의 배설물 1 g에는 약 1.0 x 10¹¹ 마리 이상의 세균이 존재하고 살모넬라(Salmonella)나 캄필로박터(Campylobacter)와 같은 인체건강을 위협할 수 있는 병원성세균(pathogenic bacteria)이 포함되어 있을 수 있다¹⁾. 인간이나 동물의 배설물은 폐수처리시설, 가축과 가금류의 분뇨, 쓰레기 매립지, 정화조 시스템, 슬러지, 애완동물 및 야생동물을 통해 환경으로 유입될 수 있고 분변에 포함되어있는 병원성세균에 인체에 노출되었을 때는 질병이 유발되기도 한다. 병원성세균의 종류가 많아 이를 개별적으로 검사하는 데는 시간, 비용, 노동이 많이 소모되므로 병원성세균과 공존가능성이 높고, 검출이 쉬우며, 구별이 용이한 세균을 우선 검사한다. 병원성세균의 오염여부를 간접적으로 파악하여 위생 안정성을 판단하기 위한 목적으로 지표세균은 다음과 같은 특징을 갖추고 있어야 한다.

일반적으로 널리 사용되는 지표세균에는 장내세균의 하나인 대장균군(Coliform bacteria)과 분변성대장균(fecal coliforms)이 있다. 대장균군 이외에도 장구균(Enterococcus, 특히 Streptococcus faecalis)이나 클로스트리듐 웰치(Clostridium welchii)와 같은 세균이 지표세균으로 사용되고 있다.

총대장균군이란 세균 분류상 학명은 아니며 젖당(lactose)를 분해하여 부산물로 산과 가스를 생성하는 그람음성세균(Gram-negative bacteria)으로서 포자를 형성하지 않는 호기성 또는 통성혐기성인 간균을 총칭한다. 대장균군에는 대장균(Escherichia) 속을 포함하여 엔테로박터(Enterobacter) 속, 시트로박터(Citrobacter) 속 및 클렙시엘라(Klebsiella) 속 등 많은 장내세균과(family Enterobacteriaceae)에 속하는 세균이 포함된다. 대장균군의 검출은 같은 Enterobacteriaceae 과에 속하면서 병원성을 갖는 살모넬라(Salmonella)나 시겔라(Shigella)와 같은 세균의 존재 가능성을 나타내기 때문에 병원성 세균 오염에 대한 지표세균으로 활용할 수 있다. 그러나 유사한 생리적 특징을 가진 세균은 자연계에서도 널리 분포하고 있기 때문에 대장균군이 검출되었다고 반드시 분변에 오염되었다는 것을 의미하지는 않는다.

대장균군중에서 35~37°C에서 증식하는 대부분의 대장균군과 다르게, 44~46°C에서 배양되어 검출되는 균을 특히 분변성 대장균군/분원성 대장균군 혹은 ‘열내성 대장균군’이라 한다. 분변성 대장균군은 대장균군에 비해 일반 자연환경보다는 사람 및 동물의 분변에서 유래할 가능성이 높아 분변오염의 지표로 더 유력하게 사용된다²⁾. 대표적인 세균은 대장균(Escherichia coli)으로 분변오염의 지표세균이다.

장구균은 Enterococcus라 부르며 연쇄상 혹은 쌍구균 형상을 나타내며 그람양성균(Gram-positive bacteria)이다. 장구균군에 속하는 대표적인 세균으로는 Enterococcus faecalis, Enterococcus facium, Enterococcus hirae, Enterococcus durans 등 13종이 있으며 대장균군과 마찬가지로 단일 세균 종을 가리키는 것이 아니고 한 그룹의 세균을 총칭하는 것이다. 사람과 동물의 장관 내에 상존하고 분변으로 외부로 배출되어 환경에 널리 분포하고 있지만 영양요구가 엄격하기 때문에 증식이 제한적이다. 장구균군은 분변에서 대장균군보다 수가 적으나 건조, 고온, 저온 등 적대적 환경에 대한 저항성이 크고 생존력이 강하기 때문에 장구균이 분변오염 지표세균으로 최근에는 더 주목을 받고 있다. 더욱이 사람이나 동물의 종류에 따라 상재하는 장구균의 종류가 다르므로 사람, 가축 또는 야생동물 등 유래가 다른 분변으로부터의 오염을 구별하여 검출하는 오염원 추적(source tracking)도 가능하다.

지표세균만을 선택적으로 분리하고 배양하기 위해서는 목적하는 미생물의 생장을 증진시키고 다른 미생물의 생장을 억제하는 선택배지(selective medium)를 이용한다. 선택배지는 중금속이나 화학약품, 항균제 등원하지 않는 세균의 증식을 억제하는 물질을 포함하고 있어 지표세균만 증식할 수 있도록 고안되었다. 또한 배지 내의 기질 분해에 따른 pH 변화를 나타내는 지시약이나 특정 세균의 효소나 대사산물과 반응하여 발색을 나타내는 발색물질을 첨가하여 쉽고 빠르게 탐지가 가능한 발색물질을 이용한 검출법도 사용되고 있다(그림 1)³⁾ .

그림 1. 대표적인 지표세균의 선택배지를 이용한 배양사진. A 대장균(Escherichia coli), B. BEA(bile esculin agar) 배지에서 배양한 장구균(Streptococcus faecalis), C. 가스괴저(gas gangrene)를 유발하는 클로스트리듐 웰치(Clostridium welchii)의 Columbia blood agar 배지에서의 배양모습 (출처: GettyimagesKorea)

유전자염기서열을 이용한 중합효소연쇄반응(PCR)과 형광물질로 표지된 DNA를 표적 세균의 유전자에 결합시켜 추적하는 FISH (fluorescence in situ hybridization, 형광현장혼성화법) 방법은 지표세균 중 특정 종류의 세균을 검출하는 데 사용되는 유전자서열 기반 방법이며 단일클론항체(monoclonal antibody)를 이용한 단백질 기반의 면역학적 검출방법도 사용한다.

지표세균을 검출하기 위한 시험방법에는 지표세균의 존재 여부만을 검사하는 정성시험(qualitative test)과 세균수까지 측정하는 정량시험(quantitative test)이 있다. 정성시험은 추정시험(presumtive test), 확정시험(confirmed test) 및 완전시험(completed test)의 3단계로 이루어지며, 정량시험에는 세균수가 높을 때 사용하는 최적확수법(MPN, most probable number)과 세균수가 낮을 때 사용하는 막여과법(membrane filtration)이 있다.

조장천/인하대학교

석영재/서울대학교

1. Sadowsky MJ, Whitman RL. 2010. The fecal bacteria. American Society for Microbiology Press.
2. 1.  Doyle MP, Erickson MC. 2006. The fecal coliform assay, the results of which have led to numerous misinterpretations over the years, may have outlived its usefulness. Microbe 4: 162-163.
3. Bartram J, Ballance R. 1996. Water quality monitoring: a practical guide to the design and implementation of freshwater quality studies and monitoring programmes. CRC Press.