[스크랩] 기능성 미생물 탐색과 농업적 이용

기능성 미생물 탐색과 농업적 이용

출처 : 디지털농업 2006 12월호 집중탐구(글 강위금/ 작물과학원 영남농업연구소, 농학박사

 작물 재배에서 미생물의 효과를 최대한 높이기 위해서는 기능성과 기능성 발현능력이 우수한 균주를 선발하는 과정을 거쳐야 한다. 이렇게 선발된 토양 미생물은 유기물 분해, 공중질소 공급, 인산․칼륨․규산의 가용화, 식물생장 촉진 등 농업에 다양하게 이용된다.

  식물에 대한 토양미생물의 이로운 작용은 앞에서 말한 바와 같이 식물의 뿌리발달과 양분흡수를 좋게 해 생장을 돕는 것과 식물의 병 발생을 억제해 온전한 생장을 돕는 것 등이다. 대부분의 미생물은 식물병원균이 아닌 한 직ㆍ간접으로 식물의 생장을 돕는다. 작물재배에서 미생물의 이러한 효과를 최대한 많이 보기 위해서는 토양에서 분리한 미생물을 대상으로 기능성과 기능성의 발현능력을 분석해 활용가치가 높은 우수균주를 선발해야 한다..

  논․밭토양의 환경은 산소공급이 가장 큰 차이점이다. 이에 따라

  토양 환경이 달라지게 되므로 호기성과 혐기성의 유기물 분해 미생물을

  적절히 혼합하여 사용해야 한다.

기능성 미생물의 우수균주 탐색

토양의 입단형성에 관여하는 토양미생물 미생물에 의한 토양의 입단형성은 주로 세균과 사상균이 분비하는 다당체 등의 점성물질과 사상균이 만들어 내는 균사에 의해서 이루어진다. 그리고 이들 미생물은 대부분이 유기물을 먹이로 이용하므로 유기물이 있는 조건에서 잘 생장한다. 그러므로 토양에 유기물이 많으면 미생물이 잘 증식해 이들이 분비하는 점성물질과 균사 생성량도 많아지게 되고, 그 만큼 토양의 입단형성도 촉진된다고 볼 수 있다. 이렇게 볼 때, 토양의 입단화를 돕는 좋은 미생물의 구비조건은 첫째로 유기물의 분해력이라 할수 있다. 

유기물분해균 식물은 토양에 있는 유기물 분해산물 또는 비료로 넣어 준 무기물질을 양분으로 흡수해 열매, 꽃, 줄기, 잎, 뿌리를 생산한다. 식물체의 조직은 토양으로부터 흡수한 온갖 양분으로 구성되어 있기 때문에 식물의 사체인 유기물은 곧 식물의 비료자원이 된다. 이러한 이유로 화학비료를 사용하지 않는 유기농법에서는 유기물이 작물생산에 필수적인 농자재로 중요시 된다. 그러나 유기물을 농경지에 넣으면 재배하려는 작물이 이들로부터 충분한 영양분을 섭취할 수 있어야 하는데, 이를 위해서는 여러 가지 환경조건에서도 유기물을 잘 분해할 수 있는 미생물의 기능을 잘 이용해야 한다. 일반적으로 특정한 미생물에 의해서만 분해되는 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌 등의 유기물은 질소에 비해 탄소의 함량이 매우 높기 때문에, 이들을 분해할 수 있는 특정 미생물을 중심으로 우수한 미생물의 탐색이 이루어지고 있다. 셀룰로오스의 분해에는 다양한 세균과 방선균, 사상균이 복합적으로 관여하며, 헤미셀룰로오스와 리그닌의 분해에는 세균과 사상균이 주된 역할을 한다. 특히 사상균은 균체의 탄소질소비율과 탄소동화율이 높기 때문에 리그닌의 분해에 큰 역할을 한다. 사상균의 탄소동화율은 30-40%에 달하지만 세균의 탄소동화율은 호기성균 5-10%, 혐기성균은 2-5%에 불과하다. 그리고 사상균은 산성에서도 잘 견디기 때문에 산성토양의 환경에 놓여있는 유기물의 분해에도 세균이나 방선균 보다 유리한 것으로 알려져 있다.

  퇴비장에서 유기물을 분해하고자 할 때에는 쌓아 놓은 유기물이 분해되는 과정에 미생물의 호흡활동에 의해서 많은 열이 발생한다. 우수미생물을 탐색할 때는 초기분해용으로서 실내온도 조건에서 활동하는 중온성균과 분해가 최고조에 달한 이후 40〜50℃ 이상에서  활동할 수 있는 고온성균을 구분해서 탐색하여야 한다. 농경지에서는 논, 밭의 이용상태에 따라 토양이 호기조건과 혐기조건으로 달라지기 때문에, 유기물을 넣은 농경지의 산화, 환원 상태에 따라서 호기성과 혐기성의 유기물 분해미생물을 적절히 혼합해 사용할 수 있도록 우수균주를 탐색해야 할 것이다.

 

공중질소고정균 지구상에서 공중질소를 고정하는 미생물은 100속 이상인 것으로 알려져 있다. 근류균의 우수균주 탐색과정을 간략히 살펴보면, 토양에서 균을 분리한 후 이들이 갖는 질소고정력 검정, 토착 근류균과의 근류형성 경합력 검정, 토양환경 적응력 검정의 3단계로 나누어 실시할 수 있다. 제 1단계인 질소고정력 검정은 기주식물의 다양한 품종을 대상으로 식물체 개화기의 질소함량 또는 뿌리혹의 아세틸렌 환원력을 분석해 평가하는 것이다. 제 2단계와 제 3단계의 탐색과정은 ‘미생물의 기능성 발현능력 검정’에서 알아본다.

  그리고 이러한 우수 근류균의 탐색작업은 근류균의 종류별로 공생관계가 성립되는 특정의 콩과식물을 재배하면서 수행해야 한다. 우리나라 농경지에는 콩 근류균 알팔파 근류균 등 많은 종의 근류균이 토양 1g당 100～10만 마리가량 서식하는데, 이들 중에는 질소고정력이 미국 농무부에서 추천하는 균주 보다 우수한 것도 많은 것으로 확인되었다.

 

인산가용화균 인산은 지금의 사용추세로 볼 때 100년 이내에 자원(인광석)이 고갈될 것으로 예상된다. 따라서 인산자원의 보존과 토양인산의 이용률 향상을 위해 난용성 인산염을 가용화시키는 미생물의 연구가 많이 이루어지고 있다. 인산가용화 미생물의 우수균주 탐색은 주로 인산 3석회를 직접 고체배지에 넣고 토양에서 분리한 균주를 배지위에 접종하였을 때 인산가용화균의 활성을  비교분석하는 방법으로 이뤄진다. 이같은 미생물의 인산가용화 작용에는 균주가 분비하는 구연산, 글루탐산, 숙신산, 수산, 젖산 같은 유기산이 결정적인 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 

칼리와 규산의 가용화균 칼리와 규산의 가용화에 관여하는 미생물의 우수균주 탐색은 방법론적으로 뚜렷이 알려진 바가 없으나 원리는 단위시간당 이들 무기양분의 가용화 능력으로 평가하여 선발하는 것이다. 규산은 볏과 작물과 토마토, 오이 등에서 필수원소로 밝혀져 있다. 식물이 규산을 흡수하면 잎이나 줄기의 피층세포에 규산이 축적되어 세포가 규질화 되면서 식물체는 물리적 강도가 높아져 쓰러짐에 강하면서 여러 가지 병해충의 침입에 대한 저항성을 갖게 된다. 이 때문에 주로 볏과작물에 많이 사용되던 규산이 최근에는 참외· 호박· 포도 등에서의 병해충 방제와 증수효과가 확인되면서 원예작물의 재배에도 이용되는 경향이다. 이러한 측면에서 규산의 식물체 흡수 촉진을 위한 규산가용화 미생물의 탐색과 이용이 기대된다.

식물의 뿌리생장 조장균 식물의 뿌리생장을 조장하는 미생물은 주로 식물호르몬을 분비하는 것들이다.식물의 뿌리생장 조장균의 탐색은 미생물을 다양한 농도로 접종한 다음, 무균조건에서 갓 발아시킨 무· 옥수수, 밀 등을 항온조건으로 보관한 후 이들 식물의 뿌리생장을 관찰해서 우수균주를 선발하는 것이다. 식물의 뿌리생장을 조장하는 미생물 중에는 접종농도가 높을수록 식물 뿌리의 생장을 억제하는 경우가 많다. 그래서 가급적이면 묽은 접종농도에서 뿌리의 생장을 조장하는 균주를 선발하는 것이 소량으로 넓은 면적에 접종할 수 있는 장점을 지니므로 실용성이 높다고 볼 수 있다.

식물의 병 발생 억제균 토양미생물 중에는 정도의 차이는 있으나 식물의 생장을 촉진하는 기능을 가지면서 식물의 병 발생을 억제시키는 효과를 갖는 것이 빈번히 발견된다. 최근에는 식물생장을 촉진하는 근권세균 중에 생물비료와 생물농약의 기능을 동시에 갖는 미생물이 알려지면서 이들에 대한 관심이 커지고 있다. 식물의 병 발생을 억제하는 토양미생물의 탐색은 일차적으로 미생물의 생육배지에서 병원균의 생장을 억제하는 정도를 조사하거나, 미생물이 병 억제관련 물질을 어느 정도 생성하는지를 분석하는 과정을 밟게 된다. 병원균 억제 미생물을 농작물 재배에 이용하려면 균주의 실용성 확보 차원에서 접종밀도가 낮아도 좋은 효과를 낼 수 있는 균주를 탐색해야 할 것이다.

  

균근균 사상균에 속하는 균근균은 식물뿌리에 감염하면 균사를 뿌리가 닿지 않는 곳의 흙에까지 뻗으면서 토양의 물리성 개량에서부터 식물의 양분공급, 병 발생억제, 불량환경에의 적응력 향상 등으로 식물의 생장에 많은 도움을 준다. 이러한 균근균은 90% 이상의 지상식물과 공생관계를 갖는다. 우리나라 농경지에 분포하는 균근균의 포자밀도는 토양 1g당 평균 10개 안팎인 것으로 알려져 있다. 이 때문에 균근균을 농작물에 접종할 때에는 토착 균근균과의 작물뿌리 감염 경합을 피하기 위해서 종자를 포장에 직접 파종하는 작물보다 묘를 길러서 포장에 이식하는 작물을 대상으로 하는 것이 효과면에서 유리하다. 따라서 균근균의 우수균주 탐색은 이식을 하는 작물의 접종용으로 이루어지고 있는 경향이다.

미생물의 기능성 발현능력 검정

근권 이동성 미생물의 근권이동성은 토착균주와의 경합력과 함께 농작물 접종효과를 가늠할 수 있는 중요한 요소다. 왜냐하면 토양에는 많은 미생물이 있고 이들은 먹이를 찾아서 식물의 근권으로 모여들게 되는데, 이 과정에서 접종균주가 토착균주보다 식물 근권에 늦게 도달하면 접종균주의 근권착생 가능성이 그만큼 줄어들기 때문에 당초 목적했던 접종효과를 충분히 기대할 수 없게 된다.

토착 균주와의 근권착생 경합력 토양에는 접종하고자 하는 미생물과 동일한 종의 균주를 포함해서 수많은 미생물이 서식하고 있기 때문에, 어떤 기능성 미생물의 농작물접종 효과를 최대로 얻기 위해서는 접종된 균주가 토착균주보다 근권의 공간을 보다 많이 차지해야 한다. 특히 근류균의 경우, 아무리 질소고정력이 우수하더라도 뿌리털 감염이 안 되면 뿌리혹을 만들 수 없기 때문에 토착 근류균과의 근류형성경합력이 중요시된다.

토양환경 적응력 인공적으로 배양한 미생물이 작물에 접종되어 토양에 들어가면 당장 물리, 화학적으로 새로운 서식환경에 놓이게 된다. 이 때 미생물이 생장에 좋은 물리, 화학, 기상적인 환경을 만나면 제 기능을 발휘할 수 있지만, 그렇지 않을 경우는 실험실에서 확인된 기능성을 충분히 발휘할 수 없다. 이에 따라 우수미생물의 탐색단계에서는 미생물의 생장환경에 대한 다각적인 검토가 필요하다. 토양 pH에 따른 미생물의 기능성 발현반응을 보면, 토양이 산성일 경우 유기물 분해는 사상균이 세균보다 유리하고, 근류균의 공중질소고정량은 근류균의 생장과 근류형성이 억제되면서 감소한다. 단, 생장이 느린 콩 근류균은 생장이 빠른 알팔파 근류균에 비해 산성조건에서 잘 견디므로 상대적으로 많은 질소고정을 할 수 있을 것이다. 미생물의 기능성은 토양 내 질소, 인산 등의 식물양분 함량에 따라서도 영향을 받는다. 토양에 질소가 많을 경우 콩과식물에 착생된 근류의 발달이 지연되고 근류균의 질소고정활성이 감소된다. 또한 균근균의 식물뿌리 감염도 질소에 의해 억제되는 경향이다. 인산과 칼리, 황 등은 근류균에 의한 콩과식물의 뿌리혹 형성을 촉진하지만, 인산은 농도가 높을수록 균근균의 식물뿌리 감염을 억제시키는 편이다. 이 외에도 미생물의 토양수분 반응과 미량원소에 대한 반응이 우수균주 탐색차원에서 검토될 수 있다.

토양미생물의 농업적 이용

토양의 입단형성과 유기물 분해 토양을 입단화 시키는 미생물의 이용은 별도의 미생물을 선발하여 이용하기보다 앞에서 언급한 바와 같이 유기물의 분해력이 우수한 미생물을 활용하는 편이 오히려 실용적일 것으로 생각된다. 이러한 용도의 토양미생물제제는 대개 다양한 특성을 지닌 여러 종류의 미생물로 구성되어 있는데 대표적인 것은 EM, 아제론 등이다. 국내에서 토양 입단화 및 유기물 분해용으로 유통되는 미생물제제는 15종 이상인 것으로 파악되고 있다.

농작물에 대한 공중질소 공급 공중질소를 고정하여 식물에 공급하는 질소고정미생물의 이용 사례는 주로 콩과식물, 사탕수수, 벼 등에서 찾아 볼 수 있다. 콩과식물에서는 1890년대부터 근류균의 실용화 연구가 시작되어 현재는 세계 57개 이상의 나라에서 근류균제가 이용되고 있다. 우리나라에서도 2004년‘그린비’라는 이름으로 근류균제가 개발되어 생산관련 기술이 산업체 이전되었다.

 국내 토양에서 근류균을 콩과식물에 접종 재배한 결과를 보면, 수량이 콩에서 6～21%(5개 지역), 땅콩에서 25～69%(12개 지역), 알팔파에서 123～179%(5개 지역) 증가된 것으로 분석되었다.

사탕수수에서는 브라질, 인도 등에서 근류균제가 이용되고 있다. 이들은 사탕수수가 필요로 하는 질소량의 20～60%를 충당하는 것으로 알려져 있으며, 브라질에서는 화석에너지의 대체자원인 바이오디젤의 생산에 이용되고 있다.

토양인산의 가용화 인산가용화 미생물이 농업에 이용되기 시작한 것은 1950년대에 러시아에서 이와 관련된 생물비료를 개발한 뒤부터다. 현재 미국에서는 인산가용화 미생물제제가 이용되고 있고, 우리나라에서도 미생물을 벼에 접종해 인산가용화 효과를 확인한 바 있다.

칼리와 규산의 가용화 미생물을 이용한 칼리와 규산의 가용화 사례는 우리나라를 비롯하여 일본과 중국에서 찾아볼 수 있다. 2000년도에 중국의 활용상황을 보면, 전국 260만 ha에서 벼, 밀, 콩, 감자, 고구마, 멜론, 사과, 포도 등의 재배에 사용하여 작물수량을 10〜25% 더 많이 얻은 것으로 알려졌다.

복합기능성 미생물을 이용한 작물재배

식물생장촉진 미생물의 이용 식물생장촉진 미생물은 식물뿌리 근처에서 서식하면서 식물의 생장에 도움을 주는 세균을 총칭하는 것으로, 이들 중에는 공중질소고정, 토양인산 가용화, 식물호르몬 분비, 식물의 병 발생 억제 등의 일부 또는 몇 가지 기능을 복합적으로 보유하는 것이 많다. 현재 국내외적으로 널리 이용되고 있는 미생물은 주로 바실러스 속과 슈도모나스 속 균주들이며, 이들은 미국, 캐나다, 유럽, 중국 등 많은 나라에서 이용되고 있다. 미국에서는 식물생장촉진 미생물을 밀, 유채, 감자, 사탕무 등의 재배에 이용하고 있고, 러시아 등지에서는 감자, 보리, 밀, 사탕무, 양배추, 당근, 상추, 양파 등의 재배에 이용하고 있다. 우리나라에서는 현재 55종 이상이 유통되고 있으며, 농촌진흥청과 대학을 중심으로 우수균주의 탐색 및 이용연구가 진행되고 있다.

  그리고 생물농약으로 유통되고 있는 제제는 다양하다. 국내의 미생물농약 등록현황을 보면 2006년 3월 현재 살균제가 11종, 살충제가 9종인데, 제품의 80%가 바실러스 속의 균주를 중심으로 제조된 경향이다.

균근균의 이용 균근균의 농업적 이용은 단일제제 또는 복합미생물제의 형태로 많은 나라에서 이용되고 있다. 우리나라에서 균근균의 이용결과를 보면, 고추재배에 사용했을 때 고추의 생체중이 증가하였고, 오이와 토마토에 사용했을 때는 과실수량이 오이에서 9(육묘 후 이식과 동시에 접종)〜21%(육묘용 종자 파종시 접종), 토마토에서는 5.1(육묘 후 이식과 동시에 접종)〜9.8%(육묘용 종자 파종시 접종) 증가되었다. 또 인삼의 묘삼에 균근균을 접종하여서 접종 16주 후 생육을 관찰한 결과, 초장과 지근, 엽면적, 엽록소함량이 모두 증가하였고 말리지 않은 뿌리의 무게는 84% 더 많았음을 확인하였다.

☎055-350-1257

    

출처 : 멋있는 세상!!

글쓴이 : 산사람 원글보기

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