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미생물이야기 미생물 농업에 활용 미생물을 어떻게 평가하고 활용할 것인가?
2013-07-30 15:15:30
이엠생명과학연구원

미생물, 농업에의 활용


미생물을 농업에 활용하고자 하는 열의는 매우 높지만 많은 시도에도 불구하고 그 효과가 기대에 미치지 못하고 있는 게 현실이다. 이러한 문제점은 미생물에 대한 인식이 충분하지 못하고 미생물의 생리적인 특성에 대한 올바른 지식이 부족하기 때문이라 하겠다.


여기서는 지금까지 다뤄 왔던 미생물의 좋은 점 특히 이용할 때의 장점에 대해서가 아니라 우리가 지금까지 간과해 왔던 미생물의 숨은 면을 현실적으로 가장 접근하기 쉬운 부분에 대해서 설명하고자 한다.


세균은 분류학상 세포 모양, 크기 등의 형태적 특성과 물질을 이용하는 생리적 특성 등에 따라 속, 종으로 분류 동정되고 있으나, 여기서는 세균을 탄소원 이용 및 에너지 취득 방법, 산소 이용성, 생육온도 및 산도(pH)등의 영역에서 설명하고자 한다.


이는 세균을 쉽게 이해 할 수 있을 뿐만 아니라 생리적 특성을 효율적으로 이용할 수 있는 방법이 되기 때문이다. 여기서 설명되는 내용은 세균이외의 미생물의 일반적인 특성에도 적용할 수 있다.

 


세균은 어떻게 에너지를 취하는가.


세균은 에너지 취득 방식에 따라 햇빛을 이용하는 광합성 세균과 화합물의 산화에 의해 에너지를 얻는 화학합성 세균으로 구분된다. 그리고 이용하는 방식에 따라 햇빛을 이용하는 광합성 세균과 화합물의 산화에 의해 에너지를 얻는 화학합성 세균으로 구분된다.


그리고 이용하는 탄소원의 종류에 의해서 무기태 탄소를 이용하는 독립영양균과 유기태 탄소 화합물을 이용하는 종속영양균으로 분류한다. 이러한 특성을 종합하여 세균은 광합성 독립영양균(photoautotroph), 광합성 종속영양균(photoheterotroph), 화학합성 독립영양균(chemoautotroph) 및 화학합성 종속영양균(chemoheterotroph)등으로 분류할 수 있다.


광합성 독립영양균에는 남조류(Bluegreen algae, Cyanobacteria), 광합성 종속영양균에는 홍색세균등이 있으며 보통 이들을 광합성 세균이라 한다.


화학합성 독립영양균에는 암모니아, 질산염, 황등과 같은 무기화합물을 산화하여 에너지를 얻는 미생물로 여기에는 Nitrosomonas속과 같은 암모니아 산화균등이 있다. 이와 같이 무기원소를 이용하는 특성 때문에 이들 균을 무기영양균이라 한다.


화학합성 종속영양균에는 Bacillus속, Rhizobium속, Pseudomonas속, Lactobacillus속 등과 같은 세균이 속해 있다. 이들 세균은 육즙, 펩톤 등 유기영양원을 이용하기 때문에 유기. 영양균이라고 도 부른다.


이와 같이 분류하는 이유는 이들 세균이 생육하는 데 필요한 영양원과 분비하는 산물을 세균의 특성별로 쉽게 파악할 수 있기 때문이다 . 예를 들어 가축분 부숙과정에서 다량 발생되는 암모니아를 효율적으로 처리하기 위해서는 앞에서 예를 든 암모니아 산화능이 있는 화학합성 독립영양균인 암모니아 산화균을 이용하는 방법을 쉽게 찾을 수 있다.


이 미생물이 암모니아를 산화시키기 위해서는 많은 양의 산소를 이용하여 암모니아를 산화시켜 에너지를 얻어 증식하기 때문이다. 물론 여기에는 이들 균을 제어하는 시스템이 추가되어야 하는 점을 배제할 수 없다.


그 이유는 세균의 자연적인 대사 기능을 가지고는 대량으로 처리할 수 없기 때문이다. 한편 탄수화물을 발효시켜 요구르트와 같은 발효식품을 만들고자 할 때는 화학합성 종속영양균인 Lactobacillus속을 이용하는 것이 적합하다.


왜냐하면 이 균은 혐기적 조건하에서 유기태 탄소를 이용하여 발효산물을 생산하기 때문이다. 이와 같이 세균을 이용하고자 할 때는 이용되는 분야의 제반 특성과 세균의 생리적 기작을 일치시켜야 하다.


한편 생태학적으로 세균과 유사하지만 새롭게 분류되고 있는 종류가 있다. 이들 세균을 Archaebacteria(古세균)라 하는데 여기에는 생리적으로 3그룹이 있다. 물론 이와 같이 세균을 분류하는 용어는 일반인들에게는 어렵게 느껴질 수 있지만 미생물에 관심이 있고, 미생물을 올바로 이용하기 위해서는 미생물이 살아가는 가장 기본적인 요건인 에너지 대사 방법을 알고 있어야 한다.


세균은 산소만 호흡하는가.


세균 분류에 있어 중요한 지표가 되는 것은 산소이용성이다. 산소이용성에 의해 세균을 분류해 보면 생육에 산소가 반드시 필요한 호기성세균(aerobes), 산소존재 유무에 관계없이 생육하는 통성혐기성 세균 (facultatives), 산소가 있으면 생육할 수 없는 혐기성 세균(anaerobes)등으로 구분할 수 있다. 물론 사상균과 방선균은 절대 호기성 미생물이다.


호기성 세균에는 Pseudomonas속, Bacillus속, Azotobacter속, Rhizobium속, Azospirillums속 등이 있으며, 통성 혐기성균에는 E. coli 등 대장균류가 속한다. 한편 혐기성균에는 Clostridium속, 황환원균 등이 있다.


미생물인 세균의 생육에는 산소 종류에 따라서 저해작용을 하므로, 세균을 이용하고자 할 때는 세균의 호흡능에 따라 적절히 선택하여야 한다. 그러므로 어떤 세균의 최대 효율을 유지하기 위해서는 산소 혹은 이산화탄소 등을 적정농도가 될 수 있게 공급하여야 한다.


집적배양기 (bioreactor)와 같이 유입량을 인위적으로 조절할 수 있는 장치에서는 큰 문제가 되지 않지만 토양내에서는 매우 어렵다. 아무리 좋은 호기성 세균을 대량 접종한다 해도 토양내에는 산소량이 한정되어 있기 때문에 짧은 시간 안에 산소가 고갈되어 토양은 생물적으로 산소 결핍상태가 된다.


이렇게 되면 혐기성 세균이 급속히 증식하게 되며, 인위적으로 접종된 호기성 미생물은 휴면상태가 되거나 사멸하여 단지 유기물원이 되어 버리게 된다.


세균의 생육은 온도와는 무관한가.


세균은 적정한 영양원이 있으면 증식하지만 각 세균은 종류별로 생육적온이 있어 증식속도가 달라진다. 왜냐하면 세균의 중식에는 효소 등의 작용에 의해 대사가 일어나며 이들 작용은 적정온도에서 최대 효율을 나타내기 때문이다. 세균은 생육적온에 의해 저온성 세균(psychrophiles), 중온성 세균 (mesophiles) 및 고온성 세균(thermophiles)으로 구분할 수 있다.

현재 검정 및 활용되고 있는 많은 세균이 중온성 세균이지만, 퇴비부숙 과정과 같이 온도가 60℃이상 오르는 곳에서는 고온성 세균이 중점적으로 증식하게 된다. 고온성 세균에는 Bacillus stearothermophilus, Clostridium thermocellum등이 있다.


이처럼 생육적온이 상이하다는 점은 계절 및 하루 중에도 기온 차가 큰 자연상태에서는 어떤 특수한 균 몇 종류만이 증식하는 것이 아니라, 각각의 특성을 가진 세균들이 상호 완적으로 지역 및 기후적인 특성에 많게 서식하여 각종 생물학적 대사를 계속적으로 수행하여 살아 있는 자연환경을 유지하고 있음을 뜻한다.


세균과 pH는 어떠한 관계가 있는가


세균의 생리를 지배하는 또 다른 요인은 산도인 pH이다. 세균의 생육적정 pH범위는 중성 부근이지만 종류에 따라서는 호산성균 및 pH 10부근에서도 생육하는 호알카리성균 등이 있다.


단일 균주의 생육을 위해서는 산도를 일정하게 유지시켜주면 되지만, 토양 중에서는 상이한 현상이 벌어진다. 전체적인 토양산도가 일정한 수준을 유지한다 하여도 미소부위별로 산도가 다르기 때문에 서식하는 미생물의 종류가 다르다.


이러한 현상 때문에 전체적으로 중성 혹은 산성토양에서도 호알카리성 세균이 증식하게 된다. 이러한 이유는 호알카리성 세균이 주변환경의 pH를 변화시키는 적극적인 기작이 있기 때문이다.


또다른 기작으로는 여러 미생물의 작용에 의한 것으로, 만약 토양환경내의 미소부위가 pH 5일 때는 생육적정 pH가 4∼5 부근인 Aspergillus속과 같은 사상균이 생육한 후 성장이 멈추면 주변 pH는 Aspergillus속의 자가분해에 의해 중성 부근이 된다.


이렇게 되면 생육적정 pH가 6∼8인 Bacillus circulans와 같은 세균이 증식하면서 분비하는 사상균 세표벽 용해효소에 의해 사상균체가 분해되면 pH는 8부근이 된다.


이렇게 되면 호알카리성 세균이 증식하게 된다. 이와 같이 세균 뿐만 아니라 모든 미생물은 상호 연계되어 작용하고 있기 때문에 다양한 미생물이 서식하는 자연계에서 어떤 특수한 기작만을 선별적으로 발휘시키기는 매우 어렵다.


만약 하나의 목적을 위하여 일정균을 자연에 다량 가하거나, 특정 세균의 증식만을 위해 많은 양의 유기 영양원을 가하게 되면 미생물간의 균형이 파괴되어 각각의 미생물이 가지고 있는 견제력 및 상호보완의 기능이 상실된다.


미생물을 어떻게 평가하고 활용할 것인가


미생물 이용방법은 그 적용대상에 따라 다르지만, 기본적인 목적은 미생물의 고유 특성을 인공적인 방법으로 원하는 최대의 효과를 획득하는 것이라 할 수 있다.


그러므로 지금까지 설명하여 온 제반 특성을 참조하여 대상으로 하는 미생물의 기작 및 생육조건을 구명하는 것이 필수적이다. 실험실적으로 이에 대한 효과검정이 완료되었다 하여도 실제 자연에서의 발현 유무 및 효율성이 다양한 각도에서 평가되어져야 한다.


그렇다면 미생물은 어떠한 방법으로 평가되어져야 하는가? 여기에는 미생물수 (cell forming unit), 미생물체량(microbial biomass) 및 미생물 활성 (microbial activity)등이 고려되어야 할 것이다.


미생물수는 토양종류 특히 동일 토양내에서도 매우 상이하다. 세균은 다른 미생물에 비해 가장 많은 수로 분포되어 있지만 세포 크기는 수 ㎛에 불과하다, 사상균의 수는 적지만 많은 토양에서 다른 미생물과 동일한 혹은 그 이상의 중요성을 가지고 있다.

그러므로 미생물수 측정이 완전한 의미에서의 미생물 평가 방법이라고 할 수 없다.


미생물도 생육을 하기 위해서는 영양분을 흡수한다. 이들 물질은 분자적 특성에 의해 일부분은 용탈등의 작용에 의해 손실되고 나머지는 미생물과 작물에 의해 흡수된다. 용탈등에 의해 손실되는 양분이 미생물에 흡수되어 새로운 유기물 형태로 보존된다는 것은 유기물 자원 확보 및 토양 생태계 유지 측면에서 유익한 현상이라고 할 수 있다.


또한 미생물 공학에서도 동일한 조건에서 최대의 회수율을 올리기 위한 방법이 시도되고 있는 바와 같이 미생물체량이 갖는 의미는 크다. 토양 미생물체 측정에는 많은 방법이 있으나 현재 이용되고 있는 방법은 클로로포름에 의한 추출법이다.


이 방법에 의해 알 수 있는 것은 미생물체가 가지고 있는 탄소(biomass C) 및 질소 (biomass N) 뿐만 아니라 총 미생물체량을 파악할 수 있다.


미생물 활성이란 엄밀한 의미로 말해 미생물 대사기작에 필수적인 효소의 활성이라 할 수 있다. 왜냐하면 미생물이 영양원을 섭취하여 증식하기 위해서는 많은 단계를 거쳐 물질을 순화시켜야 하는데 여기에 작용하는 것이 효소이기 때문이다. 관련된 효소에는 Cellulase, Protease, Amylase등 수많은 종류가 있으며 이들 효소가 연쇄적으로 작용하여 미생물의 생활사를 유지한다.


미생물도 동식물과 같은 생명체이기 때문에 환경에 지배를 받는다. 환경에는 미생물의 물리적 생육조건, 영양원의 유무, 타 생물간의 관계등 많은 요인이 포함되어 있다. 이는 어느 한 종류의 미생물이 자연계에서 생존, 증식하기 위해서는 고유 특성에 맞는 환경이 정되어야 한다는 것으로 이러한 미생물 특성을 이용하는 것이 미생물활용 방법이라 할 수 있다.


미생물의 작용은 병해경감, 생육촉진 등 기능을 복합적으로 가지고 있는 경우가 많아 작용기작을 정확히 구분할 수는 없지만 적용 영역은 길항 및 천적 미생물에 의한 작물 병해충 방제, 미생물에 의한 잡초제어, 작물생육촉진, 미생물에 의한 유무기 원소공급, 폐자원 재활용, 중금속의 생물학적 불 활성화 등 매우 광범위하다.


제한된 조건에서 선별적 기능만 이용된다


미생물 이용시 가장 중요한 점은 아무리 우수한 기능을 가진 미생물이라 하여도 독단적으로 모든 환경에서 배타적인 기능을 수행할 수 없다는 것이다. 이는 제한된 조건에서 미생물의 선별적인 기능만이 이용될 수 있다는 것이다. 또한 미생물이 인공적으로 이용되기 위해서는 해당 영역의 생물외적 영향 평가가 필요하다.


즉 대상지역의 환경, 경제성 또는 경보전적인 기능등이다.

건전하다는 것은 다른 것에 의해 오염되지 않아 극단적인 처리가 불필요하다는 것이며, 건전한 토양에는 다양한 특성을 가진 수많은 미생물이 상호 보완 및 견제를 하면서 서식하고 있다는 점을 항상 기억하여야 하겠다. 




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