J Environ Health Sci, 2011: 37(4): 289-297
가축 분변 유래 지표미생물 분포 및 항생제 내성 균주의 동정
김종규*·이장훈**·권혁구†
호서대학교 융합기술연구소, *가천의과학대학교 보건행정학과, **호서대학교 환경공학과
The Distribution of Indicator Microorganisms and Identification of Antibiotic Resistant Strains in Domestic Animal Feces
Jong Geu Kim*, Jang Hoon Lee**, and Hyuk Ku Kwon†
Institute of Fusion Technology, Hoseo University, Asan, Korea
*Department of Public Health Administration, Gachon University of Medicine & Science, Incheon, Korea
**Department of Environmental Engineering, Hoseo University, Asan, Korea
ABSTRACT
Objectives: To estimate the microbial contaminant load discharged from livestock farms, we randomly selected livestock farmers of cattle, swine, and fowl and collected bacterial strains from domestic animals’ feces and compost samples. Recently, as multi-antibiotic-resistant bacteria and super bacteria showing resistance to a variety of antibiotics have been reported one after another, the ecological and health hazard of antibiotic-resistant bacteria is emerging as an important issue.
Methods: Monitored indicator microorganism constituents were totak coliform (TC), fecal coliform (FC), and aerobic bacteria. The multi-antibiotic-resistant bacteria were identified from investigated indicator microorganisms by 16S rRNA sequencing.
Results: By microbiological analysis, the largest population of aerobic bacteria (1.5 × 10
5CFU/g) was found in cattle fecal compost, and total coliforms (1.1 × 10
7CFU/g) and fecal coliforms (1.0 × 10
5CFU/g) were found primarily in swine fecal compost, while the lowest population was found in fowl fecal compost. Among the 67 strains separated from aerobic bacteria, five strains expressing high antibiotic resistance were selected in each sample. We found the multi-antibiotic resistant strains to be
Shigella boydii,
Staphylococcus lentus,
Acinetobactersp. and
Brevibacterium luteolum.
Conclusions: These results suggest that increasing numbers of multi-antibiotic-resistant bacteria in the environment have a close relation to the reckless use of antibiotics with livestock.
Key words: Livestock, Antibiotic resistant bacteria, Coliforms, 16S rRNA
I. 서 론
산업의 발달과 인구의 증가 등에 의해 가중되는 수계의유무기질유입은심각한 수질오염을야기하 고있다
.
특히사람과가축의배설물이유입되어나 타나는배설물오염(
분원성오염,
분변성오염)
은수인성질병의원인이 되어인간의건강에커다란문 제로대두되었다
.
지표수는미생물오염이가지고있는잠재적위험 성때문에인간또는동물의배설물로부터오염되지 않아야한다
.
이러한병원성미생물은다양한점원,
비점오염원을통해수체로유입하게된다
.
대표적인†
Corresponding author: Institute of Fusion Technology, Hoseo University, Asan 336-795, Korea, Tel: +82-41-540-9625, Fax: +82-41-540-5748, E-mail : [email protected]
Received: 1 April 2011, Revised: 13 August 2011, Accepted: 17 August 2011
[ 원 저 ]
점오염원에는 하수처리장 방류수
,
하수관거의 월류수 등이있고
,
비점오염원에는불법방류,
야행동물,
부패조
,
가축시설,
매립지,
목초지등을들수있다.
1,2)대표적인지표미생물로서대장균군
,
분원성대장균 군,
대장균,
분원성연쇄상구균 등이있다.
3) 장내세 균의한종류로존재하는대장균군(coliform bacteria)
의분포상황을파악함으로써배설물오염에의한병 원성미생물의존재가능성을확률적으로나타낼수 있다
.
최근소독제및항균제내성균에대한
2
차감염이 사회적인문제로 대두되고있다.
소독제내성 균주 를사용하여항생제내성을확인한결과30%
의내 성빈도를나타내었다고보고되어지고있으며,
그정 도에차이는있으나많은병원성미생물이소독제와 항생제에내성을나타내고있는 것이현실이다.
4)고농도항생제의환경에의 노출은강력한 항생제 내성미생물의출현을야기할뿐만아니라그보다는
항생제 내성 유전자의 수평이동
(Antibiotic Gene
Horizontal Transfer)
으로인하여축산분뇨내의병원성미생물이항생제내성을나타내는것이문제이다
.
5,6)항생제는의료기관에서환자치료목적으로사용 하는것 이외에도
,
동물의 사료에 첨가되기도하고 많은생활용품에서항생물질첨가상품이나오는등 다양하게사용되고있다.
특히낙농을많이하는유 럽국가에서는성장 촉진제로서많은 양의항생제가 동물의사료에첨가되고있다.
이경우동물의장기내유해미생물의번식을억제하고사료의영양성분 이잘흡수되도록도와주어가축의체중을증가시킨 다고알려져있어사용량이증가하고있다
.
7)최근각종항생제에내성을 보이는약제 다제 내 성균및슈퍼박테리아가잇따라등장하여항생제내 성균에 의한 생태유해성이나 보건위해성이 중요한 문제로대두되고있다
.
8)전세계적으로세균의항생제내성이문제 되고있으며국내에서도항생제내 성률이세계적으로손꼽을정도로높은실정이어
,
내 성균문제는심각한상황으로발전될가능성을지니 고 있다.
9) 지표미생물은지표수의 수질을결정하는 중요한 기준이지만,
축분에서발생하는 지표미생물의특성에관한 자료가많지 않다
.
이에본연구에서는소
,
돼지,
닭을사육하는축산 농가를무작위로선정하여가축의분변및퇴비에서 채취한 검체로부터 지표수 수질에 영향을 미칠 수있는축분 유래지표미생물의 분포 현황을 조사하 고
,
분리한 항생제 다재 내성균을 대상으로16S
rRNA Sequencing
으로동정하여지표수수질관리에필요한자료를얻고자하였다
. II. 실험재료 및 방법 1.
시료 채취충남
A
지역축산농가의주요축종인소,
돼지,
닭 농가를무작위로선택하여각각의농가로부터돈분,
우분
,
계분의샘플을무균팩에각각약300 g
씩채 취하였으며,
퇴비는 각 지역에서 생산된 돈분퇴비,
우분퇴비
,
계분퇴비의샘플을채취하였다.
채취된시 료는무균 팩에담아냉장상태로 보관하여 실험실 로운반한후,
냉장보관하면서24
시간이내에 시험 하였다.
10,11)2.
균주의 분리 동정1)
균주의분리채취한각각의시료
1 mg
를멸균생리식염수(0.85%
NaCl)
에 넣고충분히 교반 후 상등액을 멸균된희석수에
10
배수로 희석한후각단계별 1 m l를 N/A (Difco BactoTM Nutrient Agar)
배지에접종하여 35
oC
에서
24
시간배양후,
각시료별15~20
개의특정집 락을선별한후각집락별로3
차에걸쳐계대 배양 을반복하여순수 분리하였다.
12)순수 분리된 균주는
Nutrient Broth(Difco, USA)
에서
2
일간배양한후Genomic DNA
를분리하였다.
2)
선택적균주의분리총 대장균군 시험은 시료
100 m l를 Membrane Filter(Diameter 47 mm, Pore Size 0.45
µm)
로 여과
한 다음,
여과지를 m-Endo Agar LES(Difco)
배지
에접종하여
35
±0.5
oC
에서24
±2
시간 동안 배양한 다음암적색의금속광택을발하는집락을계수(CFU/
g)
하였다.
분원성대장균 시험은 시료
100 m l를 Membrane Filter(Diameter 47 mm, Pore Size 0.45
µm)
로 여과
한다음, m-FC Agar(Difco)
배지에접종후배양온
도에미치는실험실의공기의영향을최소화하기위 하여방수되는플라스틱백에밀봉하여
44.5
±0.2
oC
의
water bath
에서24
±2
시간동안 배양한 후에짙은푸른색을띠는집락을 계수
(CFU/g)
하였다.
13)대장균 시험은 시료
100 m l를 Membrane Filter (Diameter 47 mm, Pore Size 0.45
µm)
로여과한다
음 여과지를 MacConkey Agar(Difco)
배지에 접종
하여 35
±1
oC
에서 24~48
시간동안 배양한 후적갈
색또는 핑크색의집락을 계수(CFU/g)
하였다.
14-16)
대장균의 분리는 적갈색 또는 핑크색의 집락을
Durham Tube
가 포함된 유당배지(Lactose Broth)
에접종하여
35
±1
oC
에서48
±3
시간 동안 배양 후 가스 발생이 확인되는 균주에 대해
Gram
염색 결과에 따라
Gram(
−),
무아포성 간균이 증명되면완전 시험을 통해최종확인하였다.
균주의 분리과정및방법을
Fig. 1
과Fig. 2
에나타내었다.
3)
균주의16S rRNA(Ribosomal RNA) Sequencing 1. PCR(Polymerase Chain Reaction) Amplification
멸균된
1.5 m l원심분리튜브에 0.5 m l의 멸균생
리식염수를넣고 각각의검체에서분리한호기성균
주중항생제(Amoxicillin, Ampicillin, Ciprofloxacin, Erythromycin, Gentamicin, Streptomycin, Tetracycline,
(Amoxicillin, Ampicillin, Ciprofloxacin, Erythromycin, Gentamicin, Streptomycin, Tetracycline,
Vancomycin)
에 다재 내성을 보이는 균주를 멸균된백금이를이용하여순수 집락을취하여혼합하였다
.
혼합된
1.5 m l 원심분리 튜브를 10,000 rpm
으로
10
분간 원심분리하고 상등액을 제거한 후0.5 m l InstaGene Matrix(Bio-Rad, USA)
를 첨가하여56
oC
에서
15
분간 배양하고100
oC
에서10
분간가열하였다
.
가열이끝난후Template DNA
가포함된 상등액을
PCR
증폭을위한시료로사용하였다.
PCR
증폭은20
µl PCR 반응용액에 Template DNA 1
µl
를첨가하여 MJ Reserch PTC-225 Peltier Thermal Cycler PCR Machine
을사용하였으며,
증
폭을 위해 Universal Primer 27F(5'-AGAGTTTG ATCMTGGCTCAG-3')
와 1492R(5'-TACGGYTAC- CTTGTTACGAC TT-3')
을사용하였다.
2) 16S rRNA
염기서열분석PCR
반응에 참여하지 않은 반응물과dNTPs
는Montage PCR Clean Up Kit(Millipore)
를이용하여정제하고
, Big Dye Terminator Cycle Sequencing Kits(Applied Biosystems, Forster City, CA, USA)
를 이용하여Sequencing
반응을실시하였다.
반응에 사용한
Universal Primer
는518F(5'-CCA- GCAGCCGCGGTAATACG-3')
와800R(5'-TACCA- GGGTATCTAATCC-3')
이며,
염기서열분석에는ABI Prism 3730XL Analyzer(96 Capillary Type)
를이용하였다
.
염기서열분석결과는
National Center For Biotech- nology Information(NCBI)
의Basic Local Alignment Search Tool(BLAST)
을이용하여16S rRNA Database
정보와유사한염기서열을비교하였고 각각계통분 류학적위치를계
(Domain)>
문(Phylum)>
강(Class) >
목
(Order) >
과(Family)
단계에이은‘
속(Genus)’
단 계에서해당 미생물을판단하였다.
이때Sequence Matching
비율은97%
이상으로적용하였다.
Fig. 1. Isolation procedure the membrane filtration method.
Fig. 2. Isolation procedure of
Escherichia coli.
III. 결 과 1. 축산농가의가축사육 현황
Table 1
은충남A
지역의축산농가의가축사육두수를 나타낸 것이다
. A
지역의 축산농가에서는 주로 가금류와 돼지가 젖소나 한우에 비해 많은 분포를 보이고 있는것이특징이며,
가금류중닭의분포가가장높은것으로조사되었다
. 2.
미생물학적분석 결과1)
호기성세균(Aerobic Bacteria)
각각의가축분변및 퇴비 시료에서호기성세균의 분포정도를 조사한 결과 최소
1.0
×10
4CFU/g
에서 최대1.5
×10
5CFU/g
의 분포를 나타내었다.
분포정 도를살펴보면가장많은개체수를나타낸것은우 분퇴비이며,
가장 적은개체수를 나타낸것은 계분 퇴비이었다.
분변과 퇴비에서의 호기성세균수를 비 교하면우분과돈분은퇴비에서,
계분의경우에는분 변에서각기더높은개체수분포를보였다.
분석결과는
Table 2
에나타내었다.
2)
총대장균군(TC : Total Coliform)
각각의가축분변및퇴비시료에서총대장균군의
개체수분포정도를조사한결과는계분퇴비가
1.0
×10
4CFU/g
로 가장 적었으며,
돈분 분변에서1.1
×10
7CFU/g
으로가장높은개체수를나타내었다.
분석결과를
Table 2
에 나타내었다.
분변과 퇴비를 비교했 을때모두분변이퇴비보다높은개체수를보이고 있다.
3)
분원성대장균(FC : Fecal Coliform)
각각의 가축분변및 퇴비 시료에서분원성대장균 의분포정도를조사한결과돈분에서최대
1.0
×10
5CFU/g
로조사되었고,
계분퇴비에서1.0
×10
3CFU/
g
로 가장낮은 분포를 보였다.
분변과퇴비를 비교했을때총대장균군에서와마찬가지로퇴비보다분 변에서모두 높은 개체수를보였다
.
전체분석결과 를Table 2
에나타내었다.
3)
균분리및동정가축분변유래항생제 내성균 분포를조사하기위 하여축산농가에서채취한각각의돼지
,
소,
닭의분변시료 중의 호기성세균
(Aerobic Bacteria)
을 분리하였고
,
총대장균군(Total Coliform : TC)
과분원성 대장균군(Fecal Coliform : FC)
을 조사하여TC
와FC
에서 대장균 균주를 분리하였다.
분리 균주수는 호기성세균67
균주,
대장균34
균주이었다.
돈분에서는 호기성세균
11
균주,
대장균8
균주,
돈 분퇴비에서는호기성세균12
균주,
대장균12
균주를분리하였고
,
우분에서는호기성세균15
균주,
대장균1
균주,
우분퇴비에서는 호기성세균16
균주,
대장균1
균주를분리하였다.
계분에서는호기성세균13
균주,
대장균
1
균주,
계분퇴비에서는 대장균11
균주를분 리하였다.
그요약을Table 3
에나타내었다.
Table 1. Distribution of livestock in Chungnam A area (unit : Number of Livestock) Years Native
cattle Dairy
cattle Swine Fowl 2005 9,463 12,231 152,378 4,430,474 2006 10,667 9,556 128,328 1,959,527 2007 12,182 9,496 129,609 1,805,280
Table 2. Detection of aerobic bacteria, total coliform and fecal coliform from livestock feces and compost Samples Aerobic
bacteria Total
coliform Fecal coliform CFU/g
Swine feces 1.1×10
51.1×10
71.0×10
5Swine compost 1.2×10
51.6×10
51.1×10
4Cattle feces 1.3×10
53.7×10
55.0×10
3Cattle compost 1.5×10
51.0×10
52.0×10
3Fowl feces 1.4×10
62.0×10
53.0×10
3Fowl compost 1.0×10
41.0×10
41.0×10
3Table 3. Number of isolates to aerobic bacteria and
E. colifrom feces and compost of farm animals Sample list No. of isolates
Aerobic bacteria
Total (n = 67)
Escherichia coliTotal (n = 34)
Swine feces 11 8
Swine compost 12 12
Cattle feces 15 1
Cattle compost 16 1
Fowl feces 13 1
Fowl compost - 11
각각의검체에서분리한호기성균주중다제내성 균
5
종을선별하여, FF-8, SF-5, SC-2, CC-9A, CF- 5
로명명하였다.
분리된균주의형태적특성을확인하기위하여그 람염색을하였으며
,
광학현미경(Olympus BX50)
을 이용하여관찰한결과Gram(
−)
구균, Gram(
−)
간균 등으로확인되었다.
4. 16S rRNA(Ribosomal RNA) Sequencing
분리된
FF-8, SF-5, SC-2, CC-9-A, CF-5
의16S rRNA Sequencing
의염기서열을BLAST(Basic Local Alignment Search Tool)
를이용하여RDP(Ribosomal Database Project II)
와ERRD(The European Ribosomal RNA Database)
에서확인한결과SF-5
는Shigella boydii
와98.2%, CF-5
는Acinetobacter sp.
와
98.8%, FF-8
은Staphylococcus lentus
와99.0%, SC-2
는Brevibacterium luteolum
과81.7%, CC-9A
는
Acinetobacter sp.와 99.8%
각각일치하는것으
로 판별되었다. Fig. 3-7
에 염기서열 결과를 나타
내었다
.
IV. 고 찰
총 대장균군과 분원성대장균분포분석결과분변 과퇴비를비교했을때모두퇴비보다분변에서높 은개체수를 보였다
.
이는 퇴비화과정에서의 온도 관련살균효과에 기인한것으로판단된다.
16S rRNA Sequencing
의 염기서열 분석에 의해SF-5
의경우Shigella
로Shigella sp.는 이질을일으
킬수있는균주로알려져있고
Lipopolysaccharide
(LPS)
층에 있는O-
다당질고리의면역원성에따라Shigella flexneri, Shigella sonnei, Shigella bodyii, Shigella dysenteriae
의4
종으로 나뉘며,
17,18) 이들세 균은모두이질균증(Shigellosis)
의원인균이되는것 으로알려져있다.
19)CF-5
와CC-9A
의경우Acinetobacter
로‘Acinetobacter’
균은혈액감염을 유발하고상처감염과 폐렴을유발 하며
,
건강한사람의피부에잠복하다위생상태가불 결한손을통해전염될수있는것으로알려져있다. Acinetobacter
균은일반적인항생제치료에는저항을보이나특수항생제로는치료될수있으며건강
Fig. 3. The partial nucleotide sequence of 16S rRNA sequence isolated from swine feces.
Fig. 5. The partial nucleotide sequence of 16S rRNA sequence isolated from fowl feces.
Fig. 4. The partial nucleotide sequence of 16S rRNA sequence isolated from cattle feces.
Fig. 7. The partial nucleotide sequence of 16S rRNA sequence isolated from cattle compost.
Fig. 6. The partial nucleotide sequence of 16S rRNA sequence isolated from swine compost.
한 사람에게는 큰 위협이 되지않는다
.
다만,
면역기능이저하된중증환자에서는감염을일으킬수있
는균으로알려져있다
.
20,21)FF-8
은Staphylococcus
로‘
포도상구균’
은인수공통 질환을일으키며,
자연계에널리분포하고사람과동 물의피부,
비인후등에 상재균으로서알려져있으 며 본 균 속에는화농의 원인 외에식중독의원인 이 되는‘
황색포도상구균’
이있으며,
주요 전파경로는의료진의손이나사람과사람의직접접촉에의 한것으로알려져있다
.
22)Staphylococcus aureus
도 인수공통질환을 일으키 는 병원성미생물로분류되고 있으며,
국내식중독 발생의대표적인균중하나이다.
식약청(2006
년)
에 서발표한집단식중독발생현황을보면,
노로바이러 스(30.81%)
와병원성대장균(26.14%)
에이어 식중독 발생사고의원인균의17.76%
를차지하고있다.
23)V. 결 론
본연구에서는지표수의잠재적위험성을갖고있 는가축분변에대한생태유해성이나공중보건위해성 의 측면에서 지표미생물의 분리 동정 및 가축분변 및퇴비중의항생제다재내성균의오염실태를조사 하여다음과같은결론을 도출하였다
.
1.
가축분변의미생물학적 분석결과호기성세균의 경우우분퇴비에서1.5
×10
5CFU/g
로가장많은개체수를나타내었다
.
개체수분포정도는우분퇴비,
돈분퇴비
,
계분퇴비의 순이였으며,
우분과돈분은퇴 비에서,
계분은 분변에서각기 더높았다.
2.
총 대장균의경우는 돈분에서1.1
×10
7CFU/g
로 가장 많은개체수를보였고
,
계분퇴비에서각각1.0
×10
4CFU/g
로가장적은 개체수를나타내었다. 3.
분원성대장균은돈분에서1.0
×10
5CFU/g
로가장 많은 개체수를 보였고
,
계분퇴비에서1.0
×10
3CFU/g
로 가장 적은 개체수를나타내었으며,
총 대장균과분원성대장균분포가퇴비에서보다모든분 변시료에서높은개체수를보였다
.
4.
호기성세균에서분리된67
종의균주중시료별 로항생제내성률이높은다제내성균주의16S rRNA Sequencing
결과Shigella boydii, Staphylococcus lentus, Acinetobacter sp., Brevibacterium luteolum
등으로판별되었다.
참고문헌
1. Doran JW, Schepers JS, Swanson NP. Chemical and bacteriological quality of pasture runoff.
J Soil Water Conserv.1981; 36(3): 166-171.
2. Murray KS, Fisher LE, Therrien J, George B, Gillespie J. Assessment and use of indicator bacte- ria to determine sources of pollution to an urban river.
J Great Lakes Res.2001; 27(2): 220-229.
3. Baudisova, D. Evaluation of
Escherichia colias the main indicator of fecal pollution.
Water Sci Tech- nol.1997; 35(11-12): 333-336.
4. Kim HN, Park JY, Kim SW, Jun HK. Growth Inhi- bitions of Strains Exhibiting Resistances against General Disinfectants and Antibiotics by MBT- 01108 Material.
J Life Sci. 2007; 17(9): 1278-1283.
5. Jindal, A, Kocherginskaya S, Mehboob A, Robert M, Mackie RI, Raskin L, Zilles1 JL, et al. Antimi- crobial use and resistance in swine waste treatment systems.
Appl Environ Microbiol. 2006; 72(12):
7813-7820.
6. Dzidic S, Bedekovic V. Horizontal gene transfer emerging multidrug resistance in hospital bacteria.
Acta Pharmacol Sin