축산용 생균제와 사용방법

1. 생균제란?

생균제는 “for life"란 의미로 Probiotics라 한다. 생균제는 1989년 Fuller는 『장내균종을 개선시켜 줌으로써 숙주동물에게 유익한 영향을 주는 것』이라 하였고, 1991년 Huis In't Veld와 Havenear는 『사람 또는 동물 장내 미생물의 균형을 개선시켜 숙주에 효과를 주는 살아있는 미생물 단독 또는 혼합배양물』이라 하여 혼합배양물을 생균제에 포함시켰으며, 1999년 Salminen은 『숙주에 유익한 작용을 갖는 미생물제제 또는 미생물의 성분』으로 정의하여 살아있는 미생물만 한정하는 것이 아니라 미생물의 구성성분 또는 대사산물을 생균제에 포함시켰다.

2. 생균제의 필요성

가축의 육종사업, 사료산업의 발전과 항생제를 질병치료 뿐만 아니라 질병의 예방과 성장촉진 목적으로 사용되면서 가축생산성이 크게 발전하였고, 대규모사양 방식으로 전환이 가능하였다. 그러나 생산성위주의 육종으로 가축은 스트레스 감수성이 증가하였고, 시대의 흐름이 항생제사용을 규제하면서 항생제의 대체물질 개발에 대한 중요성이 강조되었다. 특히, 2006년 이후 항생제는 치료목적으로 사용되어야 하고, 가축의 성장촉진 목적으로 사용할 수 없게 됨에 따라 생균제의 필요성이 더욱 강조되고 있다. 더 나아가 최근 국민의식의 변화, 안전축산물의 요구, 고급축산물 또는 브랜드화 요구 및 축산환경개선, 질병의 예방 측면에서 생균제의 중요성이 다시 부각되고 있다.

3. 생균제의 조건

생균제로 이용되는 미생물은 Bacillus, Clostridium, Lactic acid bacteria, Yeast, Fungi 등이 이용되고 있는데, 이들 미생물이 생균제로 이용될 수 있기 위해서는 다음과 같은 조건이 충족되어야 한다.

생균제로 이용되는 미생물은 병원성이 없어야 한다. 병원성 유무를 파악하기 위해서는 미생물의 동정을 완벽하게 조사하여야 한다. 또한, 생균을 생산하는 시설에서 배양이 수월하여야 하고, 숙주동물의 장내에서 단시간 내에 증식이 가능하며 숙주동물에 유익한 효과(성장촉진, 질병예방 등)를 줄 수 있어야 한다. 또한 유해세균이나 병원균과의 경합에서 이길 수 있는 유기산이나 항균물질을 생산할 수 있어야 하며유전적으로 병원체와 교잡 가능성이 없고, 실온에서도 생균사멸이 적고 사료에 손쉽게 사용할 수 있는 미생물이 생균제로 이용될 수 있다. 이에 덧붙여 환경개선용 생균제의 경우 일정기간 장내 생존(위산에 견디는 균)하다가 분변을 통해 배출되어 악취제거와 파리감소 및 분뇨의 발효촉진 효과가 있어야 한다.

5. 주요 생균의 분류와 특성

가. 유산균

생균으로 이용되는 미생물의 종류와 특징을 분류해 보면 가장 대표적인 생균은 유산균(Lactic acid bacteria)이다. 일반적으로 유산균의 경우 동물이나 사람에게 특이한 병원성을 주지 않기 때문에 특별한 경우를 제외하고 생균으로 사용하는데 큰 문제가 없는 안전한 균이다. 유산균이 생균으로 사용되는 속으로 분류하면

첫 번째, Pediococcus Enterococcus와 같은 구균과 Lactobacillus 같은 간균 및 Bifidobacteria 같은 무정형 형태로 나뉜다. 많은 경우는 아니지만 Pediococcus는 김치, 피클(동.서양 담금식품)에서 검출되는 것으로 Pediococcus acidilacticii의 경우 산 생성능력이 우수한 균이며 박테리오신 생산능력이 있다고 알려져 있다.

두 번째로 Enterococcus는 연쇄구균으로 이전에는 Streptococcus 속으로 분류되어 있었는데 대부분의 Streptococcus는 폐렴이나 병원성이 높은 균으로 분류하고 있기 때문에 최근 Streptococcus 속 중 유산균

의 경우 Enterococcus라 바꿔 명명하고 있다. 따라서 엔테로코커스의 경우 E. faecium E. faecalis가 생균으로 사용되는데 이 유산균은 포도당을 분해하여 유산을 생산하는 homofermentative 성격을 갖고 있으며 유제품 발효, 사일레지 발효용 등의 생균제로 사용된다.

세 번째로 Lactobacillus 속의 유산균은 생균제의 대명사로 알려져 있는데, 그람양성의 유산간균으로 동물의 장내 대표적인 우점균이다. 건강한 동물에서는 이 균수가 높게 검출되고, 병약한 동물에서는 적게 검출되는 것으로 보아 락토바실러스는 동물의 건강에 매우 중요한 역할을 하는 미생물이라 추정된다. 락토바실러스 속의 유산균은 종에 따라 포도당을 분해하여 유산을 생산하는 homofermentative type의 발효를 하는 것이 있고, 포도당을 분해하여 유산과 초산을 생산하는 heterofermentative 형식의 발효균으로 분류된다. 특히, 락토바실러스는 유해균을 사멸시키는 능력이 있는 유산, 초산을 생산할 뿐만 아니라 과산화수소(hydrogen peroxide), diacetyl, bacteriocin 등을 생산하는 것으로 알려져 있으며, 최근에 phenyllactic acid, indolelactic acid methylvaleric acid 등 다양한 형태의 유기산이 생산되고, 이 생산능력에 따라 유해한 병원균 억제능력이 크게 좌우되는 것으로 알려졌다. 락토바실러스 속의 유산균 중 생균제로 이용되는 것은 L. acidophilus, L. salivarius, L. reuterii 및 L. plantarum 등이 잘 알려 져 있다.

마지막으로 Bifidobacteria의 경우 여러 가지 모양을 갖고 있기 때문에 정형화된 모양이 없다고 하여 무정형의 유산균이라 하고, 편성혐기성의 균으로 산소가 있는 경우 성장하지 못한다. 이 균은 포도당을 분해하여 유산과 초산 및 에탄올을 생산한다. 비피도박테리아는 락토바실러스에 비해 연구가 덜 되었으나 그 중요성이 밝혀지면서 최근에 생균제로 많이 이용되는 균이다. 전바넉으로 유산균은 포자를 형성하지 못하는 단점이 있어 stability(안정성)가 문제가 있어 앞으로 이를 극복하는 기술 또한 매우 중요하다.

나. 바실러스(고초)균

일반적으로 고초균속(Bcillus sp.)은 다른 속의 세균과 그 생리적 특성이 매우 다르며, 여러 가지 가수분해 효소와 항생물질을 산생하며, 곤충에서는 병원성을 나타내지만 인체에는 비병원성이므로 유용한 세균이다. Bacillus sp.는 많은 종류의 기질에서 잘 생육할 뿐만 아니라 증식 속도가 빨라서 배양학적 특성도 다른 세균보다 우수한 그람양성 세균이다.

특히, Bacillus subtilis는 강력한 세포의 프로테아제를 생산하므로 대두 발효식품인 간장과 된장 등의 제조용 유용세균이다.

가축의 소화관내에서 거주하는 상재하는 균총을 구성하는 상재균이 아니라, 섭취되도 일정한 작용을 한 뒤에 통과해 버리는 통과균인 Bacillus subtilis 및 Bacillus sp.는 일반적으로 전통 식품에서 유래한 균으로 성장속도가 뛰어나고 특히 amylase, protease activity가 뛰어나다. 이 가운데 protease는 단백질을 펩타이드 또는 아미노산으로 분해하는 능력이 매우 뛰어나 사료를 구성하는 많은 단백질을 쉽게 분해하므로 단백질 이용률을 크게 증가시킨다. 이 균은 아포를 형성할 수 있어 장내를 무사히 통과할 수 있기 때문에 동물의 분변으로 빠져나와 채 분해되지 않은 유기성분을 이용하며 성장하면서 부패균의 성장을 억제시키기 때문에 분변의 악취를 크게 줄일 수 있으며, 더 나아가 뛰어난 유기물의 동화능력으로 유기물로 인한 축산 환경문제를 크게 줄일 수 있다.

이 균에서 유래한 유용물질과 효소는 사료효율을 증가시키며 동시에 장내 세균총에게 영양분을 공급해 주며, 체외로 배설되어서는 환경문제를 해소해 주는 특성이 있는 것이다. 이들 균은 4-5종의 복합균으로 구성되어 있어 1-2종은 장내에서도 성장이 가능하고 효소생산이 가능하나 그 기능은 크게 기대되지 않는다.

이균중 Bacillus subtilis는 돈분중의 Bifidobacterium과 Lactobacilli를 증가시킴은 물론 단백질성 항생물질인 subtilin을 생산하여 유해세균의 생육을 억제하며 사료의 오염을 줄일 수 있다. 또한, Bacillus subtilis가 생산하는 길항물질에 의해 아플라톡신의 생성 및 곰팡이균 성장을 억제하는 기능이 있는 것으로 밝혀지고 있어 사료에서 곰팡이독소의 오염을 줄일 수 있는 가능성과 축사내외의 곰팡이 오염을 줄일 수 있는 가능성이 제기되고 있다.

Bacillus licheniforms 연쇄상 그람 양성균이고 강력한 탈질소 세균이므로 질산의 존재하에서는 비발효성 유기기질을 이용하여 혐기적으로 생장할 수 있는 아포형성균이다. Bacillus 속에서 이 능력을 가진 것은 이 세균 뿐이다. 이 균은 GRAS에 등록된 균으로서 제 16차 IPVS proceedings(2000)과 Research in Veterinary Science(1999)에도 이유후 자돈과 육성･비육돈에 대한 효능이 입증되는 눈문이 게재되고 있다.

다. 낙산균

낙산균으로 분류되는 Clostridium butyricum의 경우는 매우 예외적인 균이다. 대부분의 클로스트리듐 균은 강력한 독성을 갖은 미생물로 분류된다. Clostridium botulinum이 생산하는 독소 1g이면 사람 수 백명을 괴사시킬 수 있는 강력한 독성을 갖고 있는 것으로 알려져 있다. 그런데 유일하게도 C. butyricum 균은 독성이 없고 유기물분해가 뛰어나며 포도당을 분해하여 초산과 낙산을 생산하는 그람양성의 편성혐기성균이다. 이 균은 초산과 낙산 생산능력이 우수하여 높은 전위차를 유발시키기 때문에 유해균 성장을 크게 억제하는 균이다. 실제로 일본에서 E. coli 0157 문제가 발생하였을 때 이 균의 사용으로 큰 효과를 얻었다는 보고가 있다. 또한 내생포자를 형성하여 생존율이 우수하고 포자를 형성한 경우 열에 강하고 장기간 생존이 유지되는 특징이 있다.

C. butyricum 균은 장내 유익한 균으로 유산균과의 공생이 가능하고 많은 종류의 비타민 B군 등을 생산하여 유산균이 이용할 수 있게 한다. 대부분의 Lactobacillus 균은 비타민이 성장에 꼭 필요한 성분으로 요구하는데 비타민 공급이 적으면 유산균의 증식에 장애가 일어난다. 또한 C. butyricum이 생산한 유기산인 초산과 낙산은 장관상피세포로 흡수되어 상피세포에서 에너지원으로 사용되어 상피세포의 성장을 촉진하는 역할을 한다. 장관 상피세포의 발달은 분해된 사료의 흡수면적을 증가시켜 사료효율이 향상되는 긍정적인 효과를 얻게 된다. 반대로 항생제를 지속적으로 사용하면 장내 세균총이 감소하게 되어 세균총에서 유기산 공급량이 줄어들기 때문에 장관 상피세포가 위축되어 작게 되고 결국은 사료효율 저하원인이 된다고 추정하고 있다.

라. 곰팡이균

Aspergillus niger, Aspergillus oryzae는 전통적으로 장류(메주) 발효나 효소생산을 목적으로 사용된 균이다. 전통적으로 메주를 발효할 때 볏짚을 사용하여 바실러스와 아스퍼질러스 곰팡이의 접종효과를 얻는 선조들의 지혜가 있었는데, 적당히 건조된 볏짚은 곰팡이 성장에 바람직한 환경이 되어 볏짚의 분해가 많았을 것으로 추정된다. 예로부터 볏짚을 사료로 사용하여 한우를 육성한 사례가 이들 곰팡이의 역할이 큰 기여를 했을 것이라 추정된다. 이와 같이 아스퍼질러스 균은 예로부터 국균으로 불리어져 사용되어온 안전한 균이다. 세균과는 달리 균사(mycelium) 형태로 증식하며 외생포자를 형성하는 단계마다 백국균, 황국균, 흑국균 등으로 불리었다. 이 곰팡이는 전분분해력과 섬유소 분해능력이 우수하며 이를 분해하는 효소 생산능력이 뛰어나다. 또한, 이들 곰팡이에서 생산되는 효소는 pH가 낮은 조건에서도 효소작용이 우수하여 그 기능을 잘 발휘한다. 따라서 아스퍼질러스 균 배양물은 반추위에서 그 역할을 잘 발휘하면서 곰팡이 균체는 반추미생물 영양소로 작용한다. 따라서 곰팡이 공급은 반추위 활성화에 큰 기여효과가 있어 널리 사용된다고 생각할 수 있다.

그러나 아스퍼질러스 속의 곰팡이 중 이와 같이 유익한 곰팡이가 있는 반면, 매우 유해하고 강력한 독소를 생산하는 종류가 많이 있다. 대표적으로 Aspergillus flavus 경우 아플라독소를 생산하는 균으로 육안으로 쉽게 구별하기가 어렵다. 따라서 곰팡이 아스퍼질러스 생산은 엄격한 균 관리가 필요하고, 고체배양생산 환경이 철저한 관리가 유지되어야 한다. 곰팡이 아스퍼질러스 균의 경우 액체배양으로써 외생포자를 다량으로 생산하기가 어렵다. 따라서 고체배양으로 생산하여야 하기 때문에 다른 종의 곰팡이가 오염되지 않도록 주의를

해야 한다.

마. 효모균

효모균은 전통적으로 빵, 주정발효 등에 사용되는 균으로 특히 Saccharomyces cerevisiae는 인류의 역사와 공존한 균으로 안전한 균이다. 효모균은 출아식으로 증식하므로 세균이 이분분열법으로 증식하는 것과는 증식형태가 다르다. 세균은 영양조건이 좋은 상태에서 끊임없이 이분분열을 하기 때문에 모세포는 끊임없이 분열할 수 있지만 효모 모세포는 출아식이기 때문에 1개의 모세포가 6～9개의 딸세포를 낳고 난후는 더 이상 자식을 낳을 수 없는 불임의 상태 또는 사멸로 진행된다. 효모균은 곰팡이와 마찬가지로 세균(원핵생물)과는 달리 진핵생물로 세포가 크고, 핵막이 있으면서 미토콘드리아에서 에너지 생산이 되는 동물세포의 구성과 매우 흡사하다.

또한, 세균보다 큰 효모세포의 구성성분은 곧 동물이 그대로 이용할 수 있는 소재이며 많은 비타민을 생산하고 미량광물을 잘 결합하는 효모는 말 그대로 동물세포의 영양소이다. 효모균은 호기적인 상태에서 성장을 잘하고, 산소가 없는 혐기적인 상태에서 알코올을 생산하는 발효를 한다. 그런데 효모가 혐기적인 상태에서 발효를 할 수 있지만 소화관 내 혐기적인 상태에서는 발효를 잘 할 수는 없다. 이는 소화관내 세균들과 경합에서 뒤지고, 높은 산도에서 발효가 잘 일어나지 않기 때문이다. 따라서 소화관에 유입된 효모는 점차적으로 분해 되는 경향으로 진행되어 영양소공급 역할을 맡게 된다.

그 외 Candida 와 Torula 효모의 경우는 식용단백질 생산을 목적으로 한 균인데 Saccharamyces 속의 균이 단백질 함량이 40% 정도라면 이들 균은 50～60% 정도의 단백질을 생산할 수 있고 탄화수소(석유화합물)을 사용하여 생산할 수 있다. 이들 효모들은 많은 양의 RNA을 함유하고 구성 단백질 중 1% 정도의 글루탐산을 함유하여 맛을 증진하는 효과가 있어 가축의 기호성 향상에도 큰 도움이 된다.

바. 광합성세균

광합성세균은 2007년 4월부터 사료관리법의 개정으로 인하여 보조사료중 생균제로의 등록이 가능하여 경구투여 및 살포시의 효과를 정리하였다.

(1) 광합성세균의 종류

광합성 세균은 자연환경에서 폭 넓게 존재하는 토양과 해양 미생물 중의 하나로써 동식물의 먹이 사슬에 있어서 매우 중요한 역할을 합니다. 이러한 광합성세균은 크게 홍색 유황세균(Purple sulfur bacteria), 홍색 비유황세균(Purple non-sulfur bacteria), 녹색 유황세균(Green Sulfur Bacteria )의 3 종류로 분류되며 Bacterio-

Chlorophyll을 이용하여 태양에 너지를 받아 Carotenoids 색소를 만들며, 질소를 고정화 하여 동식물에게 영양분을 공급할 뿐만 아니라 균체 내에 아미노산과 핵산, 호르몬, 보조효소, 비타민을 풍부하게 함유 하고 있다. 이 중 축산업에 이용되는 광합성세균은 호기성 조건과 혐기성 조건에서도 성장이 가능한 홍색 비유황세균 인 Rhodobacter capsulatus가 주종이며 활용 분야로서는 장내 미생물 활성, 축사 내 환경 개선, 그리고 육성율 증진 및 사료 효율 증가를 위한 영양 보충제로서 사용이 됩니다.

(2) 광합성 세균의 주요대사기능

(가) 광합성세균은 Bacterial chlorophyll a 와 b를 가지고 있어 광합성작용을 하여 탄수화물을 만들어 스스로 살아간다. 이들은 질소고정작용(Nitrogen fixation)을 하여 유기태질소를 합성하고 이를 이용하여 질소화합물인 아미노산이나 핵산, 비타민 등을 합성한다. 이들은 생장하면서 당류, 질소화합물, 생리활성물질 등을 분비하여 장내 유효 미생물들인 방선균, 유산균 등의 생장을 유도하는 역할을 한다.

(나) 광합성 세균의 사체는 각종 아미노산, 각종 미네랄, 비타민, 카로티노이드(Carotinoids : rhodovibrin과 spirilloxanthin), 효소(Enzyme), 생장촉진물질, 당류, 지방산 등을 포함하고 있기 때문에 건강식품, 동물 및 양어사료로 사용하기도 하고, 농업용 Biofertilizer로서 토양 속에서 각종 유기영양소를 공급하는 역할을 하여 식물의 생장에도 크게 기여한다.

(다) 이들은 또한 각종 악취와 독성 물질의 근원인 H2S, Mercaptane, chlorinecompounds, Diamine derivatives 등을 제거하거나 무독화 시키는 작용을 하기 때문에 축산분뇨나 하수오니를 제거하는데도 요긴하게 사용된다.

(3) 축산업에서의 광합성 세균의 이용

(가) 악취 및 유해 가스 제거

1) PSB는 가축의 장내에서 발생되는 유해가스나 분뇨의 악취 물질인 탄산, 질소,유황 화합물의 악취 가스를 먹이로 사용하여 증식합니다. 따라서 축사 내에 광합성 세균을 뿌려주면 초산, 프로피온산, 낙산, 길초산 등을 급속히 제거합니다. 또한 불쾌도가 높고 맹독성을 지닌 2급 아민 화합물과 hydrogen sulfide, Mercaptan류도 제거하여 쾌적한 환경을 유지 시켜 질병의 발생을 억제하고 스트레스를 줄임으로써 고밀도 사육에서도 가축을 건강하게 키울수 있습니다.

2) Rhodobacter capsulatus 균주는 암모니아 성분 및 VOC를 제거하는 능력이 뛰어나 악취제거를 위한 Biofilter system에 부착 미생물로 많이 사용 됩니다.

(나) 유용 미생물 강화 효과와 항 바이러스 효과

1) 유용미생물 증식

광합성세균의 증식과정에서 나오는 각종 대사산물은 가축의 장내에서 유산균, 방선균, 납두균 등의 유익 미생물을 증식 시켜 병원성 미생물을 제거 내지 경감시킵니다. 특히 납두균은 병원성미생물을 죽여 정장작용을 하는 능력이 뛰어나 가축의 면역력을 증가시켜 백신이나 항생제의 사용을 줄여도 질병에 감염 없이 건강하게 자라게 합니다

2) 광합성 세균의 항 바이러스 효과

광합성세균은 항바이러스 활성 물질을 갖고 있어 각종 병원균의 성장을 억제 시켜 각종 전염병을 예방합니다.

(다) 분뇨처리 및 재 자원화.

분뇨처리시 발생하는 각종 악취의 원인이 되는 휘발성 저급지방산 및 암모니아를 신속하게 처리하여 악취 발생을 현저하게 줄여 줍니다.

고농도 유기물질 분해 능력이 뛰어나 분뇨 막힘 현상을 해소하며 고농도 분뇨 처리가 용이하여 폐수처리 비용의 절감 효과를 가져 다 줍니다. 또한 파리 및 모기등의 해충 발생을 억제 하여 쾌적한 환경을 유지 시켜 줍니다.

광합성미생물은 토지개량제로도 사용할 정도로 비료로서의 효과도 뛰어납니다. 따라서 광합성미생물로 발효시킨 액비는 비료로서의 효과도 매우 뛰어납니다.