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미생물이야기 미생물의 발효기능과 호흡기능 그리고 미생물의 작용
2013-07-30 16:13:03
이엠생명과학연구원

[ 식물의 생육환경과 미생물의 중요성 ]

 

 

 

 

우리의 환경에는 많은 균들이 존재하며, 그들 중에는 해로운 균과 유익한 균들이 있다. 이러한 균들 중에서 유익한 균들을 잘 이용하면 우리의 생활에 많은 도움을 준다. 특히 유익한 균들 중 발효균들은 우리생활에 여러 가지 용도로 활용되고 있다.

이러한 점을 고려할 때 '왜 토양에는 많은 균들이 존재하는가?'에 대한 대답을 만들 수 있다.
토양은 식물이 자라면서 생장에 필요한 수분과 양분을 공급해 주는 곳이다. 그러나, 식 물이 필요로 하는 양분은 화학적으로 최소단위인 원소단위 또는 작은 분자단위인데. 이 러한 최소단위로 모든 물질을 전환시켜주는 것이 미생물의 역할이다.
즉 미생물의 발효과정에서 생겨나는 유기산이 작물에게 필요한 물질로 분해시키면서, 식물이 흡수하기 쉽고 그리고 세포적 생리활동에 바로 활용할 수 있는 형태로 전환시켜 준다.

그렇다면 화학적으로도 식물 또는 작물에 충분한 원소 및 양분공급을 할 수 있는데 '왜 미생물의 역할을 강조하는가?"에 대한 질문을 남기는데 이는 화학제에만 의존할 경우 작물생육에 필요한 양에 대하여 투입과 산출이 평형을 이루는 점을 찾아낼 수 없다는 것 이 주된 답이다.

식물의 생육환경 중에서 토양은 매우 민감하다. 이 말은 화학적 측면에서 고찰할 때 토양 중에 존재하는 원소나 물질들은 이온화 경향에 따른 농도가 낮기 때문에 농도가 높은 화학적 제재나 물질을 투여할 경우와 비교하여 보면, 쉽게 그 완충능력 또는 평형을 파괴할 수 있는 것이다. 그러나 앞서 언급한 미생물의 발효과정에서 생겨나는 유기산은 아무리 농도가 높다해도 토양과의 생태계측면에서 쉽게 융화되고 작물의 생육에 충분한 양분을 공급하면서 지금까지 유지되어 올 수 있었다는 점을 강조할 수 있다.

 

 

[ 미생물의 발효능과 호흡능에 따른 분류 ]

 

 

미생물의 대사기작에 필요한 에너지 취득방법을 호흡과 발효라는 개념에 비교할 때 미생물을 분류할 수 있으며, 이는 농업용 미생물제재를 효과적으로 개발 및 응용하는데 도 움이 될 수 있다.

 

1. 발 효
발효란 산소가 없는 조건에서 미생물이 해당작용(glycolysis)을 통해서 유기물을 산화 하여 ATP라는 에너지를 합성하는 과정이다.
해당작용에서는 1몰(Mol.)의 포도당(Glucose)이 2몰의 이산화탄소(CO2)와 2몰의 에 탄올로 산화되는 과정으로, 여기서는 2몰의 ATP가 생성된다.

 

2. 호 흡
호흡이란 해당작용에서 만들어진 Pyruvic acid가 TCA cycle을 통해 1몰의 Glucose로 부터 6몰의 이산화탄소로 산화되는 과정에서 38몰의 ATP가 생성되는 과정이다. TCA cycle에서는 citric acid(구연산), succinic acid(호박산), fumaric acid, oxalic acid(수산)등이 생성되며 이 과정에서 발생되는 전자는 산소에 수용된다.
또한 이때 산소대신 질산이온(NO3-)이 관여되는 호흡방식도 있다. 이러한 호흡을 질산 호흡이라고 부르는데 질산이온은 대사가 진행됨에 따라 질소 혹은 산화질소가스로 환원 되어 대기 중으로 발산되기 때문에 이러한 작용을 탈질작용이라 한다.

 

호흡형태에 따른 미생물의 분류는 다음과 같다.

 

(1) 절대 혐기성균
미생물 생리상 산소가 독성으로 작용되어, 산소에 노출되면 사멸되는 미생물을 말한다.

 

(2) 통성 혐기성균
TCA cycle과 해당계를 모두 가지고 있는 미생물, 즉 산소가 없는 조건에서는 발효작용 을 , 산소가 있는 조건하에서는 호흡작용을 하여, 산소 유무에 관계없이 생활하는 미생 물을 말한다.

 

(3) 절대 호기성균
해당계를 가지고 있으면서도 발효작용은 하지 못하고 산소가 있는 조건하에서만 호흡을 하며 많은 양의 유기물을 산화 및 소모시키면서 생활하는 미생물이다.

 

(4) 혐기적 알콜발효균
혐기적 상태에서 해당작용을 통하여만들어진 Pyruvate를 가지고 2몰의 Ethanol과 2몰 의 CO2를 생성하는 미생물이다.

 

 


 

* 생리화학적인 면을 비교하면서 중간대사물질과 최종산물이 식물 또는 농작물의 생리에 어떤 연관성을 갖는지에 대해서 살펴보자.

 

[ 식물 영양원의 생성과 미생물의 작용]

 

 

 

 

미생물의 생리생화학적인 면을 앞서서 도표에 설명한 것처럼, 미생물은 생육에 필요한 에너지를 얻고 종의 번식을 위하여 각종 대사작용을 끓임없이 수행하여야 한다.
이러한 대사작용이 정상적으로 이루어지기 위해서는 질소, 탄소, 산소, 물 등 각종 영양원이 계속 공급되어야 한다. 이러한 면에서 '미생물은 어떻게 이들을 취하고 환경과 친화적인 측면을 영위하는가?'라는 점이 부각된다.
이 질문은 토양과 비료라는 면에서 '어떻게 미생물이 유기물을 부식시켜 작물이 이용하게 되는가?'라는 질문에 대한 대답과도 일치한다.
미생물 생체내에서 일어나는 대사는 연속적인 과정을 거쳐 진행되는데, 해당작용과 TCA cycle만을 보더라도 많은 효소(enzyme)들이 관여한다. 그리고 최종산물 역시 고유의 화학적 반응을 충분히 일으킬 수 있는 반응요소들을 지니고 있다. 따라서 유기물을 이용, 자신이 생존 및 증식을 위해서 미생물은 균체내에서 세포내 효소 그리고 세포 외 효소를 생성 및 분비하게 된다.
이러한 차원에서 이들 효소들은 수없이 다양한 유기물들에 흡착될시, 유기물들을 기질로 인식하면서 자신의 효소들을 이용하여 분해하여 작은 단위체의 분자들로 분리하면서 식물 또는 작물이 흡수하기 용이한 영양원으로 전환시킨다.
이러한 작용을 효소와 기질의 복합반응이라 한다.
이는 환경 친화적인 현상이고 과거에서부터 지금까지 자연계에서 끊임없이 지속되어 온 반응이다.

복합반응에 관여할 수 있는 흔한 효소들을 예로 들어보면 단백질을 분해하여 아미노산 으로 전환시키는 단백질 분해효소(protease), 섬유질을 분해하여 다당류로 전환시키는 섬유질 분해효소(celluease), 질소성분을 고정하는 질소 고정효소(Nitrogenase), 질산염을 환원시키는 효소(nitrate reductase), 글루타민을 합성하는 효소(glutamine synthetase), 다당류를 단당류로 분해하는 효소(amylase), 지방을 분해하는 지방분해 효소(lipase) 등 수 없이 많은 종류가 분비된다.
바로 이러한 특성 때문에 미생물은 자신이 분해한 작은 단위원소들을 취할 수 있고 작물에게도 공급해 줄 수 있는 영양원 생성의 역할을 충분히 수행하는 것이다.

 

 

[ 미생물의 발효에 의해 생성된 유기산과 작물의 생육 ]

 

 

 

유기산이란 미생물들이 살아가면서 만들어 낸 최종 부산물과 사멸시기에 유출된 대사계의 중간산물이다.
pH는 산성을 나타내면서 유기화학적 반응성이 강한 물질로서, 다음과 같은 특성을 지닌다.

유기산이 존재하는 부위에서는 자체의 산도 때문에 2차 감염적인 부패균의 증식을 억제한다. 더욱이 해당계의 대사에서 분비된 유산은 효모균이 증식활동할 수 잇는 환경기반을 조성하는 역할을 한다. 이때 효모균의 알콜발효로서 더욱더 유기물의 분해는 강력해지며 부식 정도나 부식의 기간을 단축시키면서 다른 잡균의 번식을 억제한다.

유기산은 그 자체가 지닌 화학적 카르복실 반응기(-COO-)로서 부패균이나 다른균에 의해서 생성되는 암모니아(NH4+)를 화학적 결합을 이용 유산암모늄 형태로 전환시켜 작물 초기생육에서의 장애요소를 제거하고 이를 영양원으로 활용하게 한다.
유기산은 자체가 가지고 있는 산도로서, 토양 속에 존재하는 필수원소들 즉 인산(P), 칼 륨(K), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 유황(S), 철(Fe), 아연(Zn), 망간(Mn), 구리(Cu) 등을 쉽게 이온화 형태로서 부식후 용탈시켜 유산화합물을 형성함으로서 작물의 영양원소로서 흡수하는데 도움을 준다.

유기산은 식물의 생육에 필요한 탄소원으로서 작용할 수도 있는데. 이는 화학적 비료 또 는 영양제와는 달리 식물의 생리적 기작에서 필요로하는 원소의 기본구조(being hased on carboxyl compound)와 매우 유사하므로 식물의 빠른 성장과 품질에 도움을 준다.
예를 들어 여러 식물의 조직에 함유되어 있는 구연산(citric acid), 호박산(succinic caid), 능금산(malic acid), 주석산(tartaric acid), 수산(oxalic acid) 등은 카르복실 반응기로 이루어진 생리적 화합물로서, 미생물분류상의 호기적조건에서 이루어지는 TCA cycle 대사과정중의 여러 중간 대사물과 또는 혐기적 조건에서 발생되는 유산과 비슷한 기본구조로 이루어져 있으므로, 미생물의 발생, 성장, 사멸 단계에서 유출된 유기산을 작물이 이용시 빠른 흡수율과 당도에 많은 도움을 준다.

 

[ 미생울의 배양과 미생물 제재]

 

 

미생물제는 미생물의 개개의 균종에 따른 기능을 이용하는 것이므로 여러가지 역할 및 기능들을 수행하는 균종들을 이용하여 제조하여야 하며, 또한 확실한 기능에 따른 효과를 나타내기 위하여 미생물체를 다량 생산하여야 한다.
미생물을 배양한 배양액에는 미생물에 의해 사용되고 남은 기존의 영양원과 미생물이 생육하면서 분비한 아미노산, 단백질, 효소, 유기산 등이 함유되어 있기 때문에 배양액 그 자체를 훌륭한 비료라고 인식해야 한다.
그러나 상업적인 미생물제재상에서 많은 제조자들이 미생물을 배양하여 희석하는 방식으로 제조할 시는 그 제재 안에 들어 있는 물질들은 단순히 유기물로 밖에는 간주할 수 없다.

즉, 많은 영양원을 미생물과 함께 배양 및 발효시켜 그 자체로서 제품을 만들시는 매우 완벽한 매생물제재 및 미생물의 부산물 비료라고 인정하여야 한다. 




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