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미생물이야기 토양미생물에 대한 올바른 이해와 접근 방법
2013-08-14 10:59:33
이엠생명과학연구원
토양미생물에 대한 올바른 이해와 접근 방법
 

살아있는 자연계의 구성원으로서 토양내에서 생물학적 물질순환의 기능을
수행하는 주체를 토양미생물이라 할 수 있다. 토양생태계에서 핵심적인 역할을 하는
미생물의 군락이 무엇이며, 이들 미생물의 생존성 확보에 어떠한 토양 물리 및
생화학적 인자가 필요한지를 구명하지 않고 미생물을 토양에 이용하는 것은, 미생물의 기능을 활용하는 것이 아니라 유기물을 사용하는 것에 불과하다.

 

 

 

1. 토양의 구성원인 미생물

토양미생물(soil microorganisms)이 가지고 있는 의미를 알기 위해서는 토양미생물학(soil microbiology)에서 다루고 있는 내용이 무엇인가를 살펴보는 것이 가장 쉬운 접근 방법이다. 토양미생물학이란 토양에 서식하는 각각의 미생물이 가지고 있는 고유 특질 즉 생리적 기능과 생태적 특성을 파악하고, 이들 미생물의 특질에 토양환경이 과연 어떠한 영향을 주는가에 대한 이해 및 평가를 연구하는 분야라고 할 수 있다. 그러므로 자연 서식지인 토양에서의 미생물 행동기작을 생태계적인 측면에서 평가하는 것이 넓은 의미에서의 토양 미생물학이라 할 수 있다. 토양생태계란 토양이라는 물리적인 기반과 영양분을 의미하는 화학적인 매체에 생물학적인 특성이 서로 얽혀 상호 긴밀한 작용을 주고 받는 살아 숨쉬는 자연을 의미한다. 바로 이러한 살아 있는 자연계의 구성원으로서 토양 내에서 고유의 기작을 수행하는 주체를 토양미생물이라 할 수 있다.

 

 

2. 토양의 생물학적 면역체계

토양미생물 군락이 고유의 기능을 수행할 수 있는 생존범위는 매우 넓어 지구 생물권전역이라 할 수 있다.이러한 생존능에 대한 연구가 미생물의 기능을 활용하는 응용적인 측면으로 확장되고 있는데, 바로 여기에서 개념상의 문제점이 발생되곤 한다. 토양에 서식하고 있는 미생물을 인공적인 방법으로 분리 배양하여 다시 토양에 투여할 때도 과연 토양미생물이라 할 수 있는가 하는 점이다. 한마디로 말해 그렇지 않다고 할 수 있다. 그 이유는 서식환경이 상이하다는 점도 배제할 수 없지만, 토양 내에서 발현되는 미생물 기능이 인공배지에서 생육되는 동안 상당 부분 변화되어 고유의 토양미생물로서의 활성이 크게 손실되기 때문이다.

미생물이 어느 하나의 기능을 수행하기 위해서는 다른 고등 생물과 마찬가지로 에너지가 필요하다. 그렇기 때문에 미생물 대사에 필요한 물질이 외부에서 유입되면 자체생산시 요구되는 에너지 소모량을 줄이기 위해 불필요한 관련 기능이 정지 혹은 상실된다. 예를 들어 질소를 고정하는 능력이 있는 미생물을 실험실적으로 계속 반복 배양하면 질소고정능이 없어지는 현상이 실제로 나타나고 있다. 한편 토양에는 수많은 종류의 고유미생물(indigenous microbes)이 서식하고 있어 외부로부터 유입되는 외래미생물의 생육이 크게 저해되는 경우가 많다. 이러한 이유로 인하여 배양된 순수 미생물체를 토양에 접종하였을 때 인공배지와 같은 폐쇄계에서 나타난 효과가 토양 내에서는 거의 나타나지 않는 경우가 많다. 이러한 원인은 토양환경의 가변적인 특성과 복잡성 때문이기도 하지만, 건전한 토양생태계 내에는 주어진 환경에서 지속적으로 형성되어 온 고유의 특성을 유지하려는 방어적인 면역체계가 존재하고 있기 때문이다.

 

 

3. 토양환경과 미생물

토양을 간단히 설명할 수는 없지만 여기서는 토양미생물의 서식과 관련된 분야에 대해서 언급하고자 한다.토양환경을 구성하고 있는 요인을 물리, 화학 그리고 생물적 구성체로 나눌 수 있지만 이들 개개의 요인은 각기 독립되어 작용을 하지 않고 상호 밀접한 관계를 가지며 변화되고 있다. 다시 말하여 토양이란 생물의 생육에 필요한 영양원을 자연적으로 제공하는 광물 혹은 유기물질이며, 이들과 연결되어 있는 생명체의 생화학적인 대사에 의해 영속적으로 변화되는 과정을 거치고 있는 생명의 모체라 할 수 있다. 여기서는 토양 분류학상 하나의 분류 지표가 되는 토성과 토양입자를 결합시키는 생물학적 입단화작용(aggregation), 미생물이 영양분 흡수를 위해 이동하는 기작인 화학주화성(chemotaxis), 그리고 토양 내에서의 미생물의 환경적응 능력에 대해 설명하고자 한다.

1) 토양의 생물학적 입단화

토성은 주로 모래(2.00~0.05㎜), 미사(0.05~0.002㎜), 점토(0.002㎜)등의 함량에 의해 분류되고 있다. 토성에 의해 토양은 사토, 사양토, 식토, 식양토등으로 구분되고 있는데 이들 간에는 미생물 서식 특성이 뚜렷한 경우가 많아 중요한 의미를 지니고 있다. 그러므로 생물학적 특성이 토성에 따라

 
▲미생물에 의한 입단화 예
어떠한 차이가 있는가를 생태계 차원에서 분석할 필요가 있다.

양이온 혹은 음이온으로 하전된 점토광물에 흡착된 유기분자와 미생물 세포는 점토광물 표면에서 생화학적인 반응을 한다. 점토광물의 유무기 화합물 흡착력은 토양에 유입되는 물질의 무기화율 즉 분해율과 깊은 관계를 가지고 있다. 그러나, 이러한 구조적 특성을 가지고 있는 토양입자도 입단화가 되지 않으면 강우 등에 의해 콜로이드상의 점토광물이 유실되어 토양층이 상실되고 만다. 그리고 입단구조는 수분 및 통기성 유지등 생물의 생육에 직접적인 영향을 주기 때문에 토양입단화는 토양관리에 있어 중요한 요인이 되고 있다.

입단화에는 물리화학적인 기작도 있지만 생물적인 방법은 다음과 같다.

  토양에 서식하고 있는 미생물의 생육과 더불어 형성되는 균사체가 이들 토양 입자를 입단화 시키는 중요한 결합체로 작용하고 있다. 실제 분해되고 있는 유기물 잔사와 입자 표면에 부착되어 있는 다양한 미생물의 균사를 쉽게 관찰할 수 있다. 이러한 작용에 의해 토양의 미립자는 일정한 입단을 형성하게 된다. 그밖에 생물학적 입단 형성에는 사상균등의 균사체외에 각종 미생물이 분비하는 다당류 등의 물질이 토양 광물질을 결합하여 입단화한다. 이와 같이 형성된 토양은 미생물 생육에 필요한 환경을 제공하는 기본적인 배양장치의 역할을 수행하게 된다. 즉 입단내의 공극이 극단적인 환경변화에 대처할 수 있는 미생물의 중요한 서식처가 되는 것이다.
  2) 토양미생물의 화학주화성

토양미생물은 하나의 특정 생태계의 구성원으로 상호 관련되어 있기 때문에 지상부의 식물군락의 종류 및 밀도와 밀접한 관계를 가지고 있다. 태양에너지에 의해 합성된 많은 물질이 식물의 뿌리를 통해 토양 내에 분비되기 때문이다. 이들 분비물질의 종류를 살펴보면 <표1>과 같다. 이들 물질은 미생물의 생육에 유용하기 때문에 이를 섭취하기 위해서, 미생물은 근권 혹은 뿌리 표면으로 이동한다. 이와 같이 토양미생물이 생육에 필요한 어떤 물질을 향해 이동하는 성질을 화학주화성(chemotaxis)이라 한다. 미생물은 세포내에 화학물질 감지 센서를 가지고 있어 이러한 작용을 수행할 수 있다. 이러한 특성 때문에 미생물과 식물간에는, 두과작물과 근류균간의 공생관계 혹은 숙주식물에 병원성을 유발하는 기생관계등 다양한 생물학적 타감작용(allelopathy)을 갖게 된다. 그러므로 타감작용에는 생물을 일정 수준으로 유지시켜 주는 생태조절의 기능이 있다고 할 수 있다.

 
<표 1> 식물 뿌리에서 분비되는 주요 물질
구 분


종 류

아미노산 Glycine, Proline, Valine, Arginine등
유 기 산 Acetic, Citric, Lactic, Malic, Oxalic, Propionic acid등
당 류 Arabinose, Fructose, Glucose, Maltose, Sucrose등
핵 산 Adenine, Guanine등
비 타 민 Biotin, Choline, Pyridoxine, Thiamine등
그러므로 타감작용에는 생물을 일정 수준으로 유지시켜 주는 생태조절의 기능이 있다고 할 수 있다.

3) 토양 내에서의 미생물의 역할

토양 내에서의 생물활성을 충분히 평가하기 위해서는, 토양이 생명력을 갖게 해주는 토양미생물에 대한 중요한 특질을 매우 자세하게 조사하여야 한다. 이러한 특질이 미생물의 환경 변화에

  대처해 나가 생존할 수 있게 하는 수단이 되기 때문이다.
미생물이 토양 내 반응에 능동적으로 대처할 수 있는 능력은 다음 몇 가지 성질이 있기 때문이다. 첫째 미생물체는 어느 환경에서도 최소의 에너지를 소비하여 적응할 수 있는 가변적인 대사능력을 가지고 있으며, 둘째 스스로 유전형질을 전하기 위해 자가복제를 하며, 셋째 미생물은 생화학적으로 안정성을 유지할 수 있는 세포구조를 가지고 있으며, 넷째 포자 혹은 내생포자등을 형성하여 적합하지 않은 환경에서는 내성조직체로 일정기간 휴면상태를 유지한 후 생육이 적합한 조건이 되면 다시 증식하기 시작한다. 그리고 끝으로 토양 내 유무기물의 분해 생산등 전이과정에 다양한 형태로 촉매작용을 하여 지상부와 지하부간의 생명순환에 있어 중요한 역할을 하고 있다. 이러한 특성 때문에 토양미생물이 가변적인 환경에 적응하여 오랜 기간동안 지속적으로 생존해 오면서 토양을 살아 있게 하는 결정적인 요인이 되고 있는 것이다.

 

 

4. 토양미생물로의 접근

주변환경에 따라 변화되는 토양질을 이상적인 상태로 유지하고, 오염된 토양을 원상태로 복원하는 방법 도출이 토양환경관리 및 보전에 있어서 중요한 목표가 되고 있다. 이 목표를 실현 하는데는 토양생태계의 존재성을 부여하는 무수한 기능을 가지고 있는 토양미생물의 생명력에 달려 있다.

생태계 생산성을 유지하고 손상된 시스템을 복원하기 위한 적절한 관리계획을 세우기 위해서는 자연상태(in situ)에서 진행되는 생물학적 과정에 대한 명확한 이해가 필요하다. 그러나 토양군락의 복잡성 때문에 인공배지와 인위적으로 조절되는 단순조건에서 개개의 미생물종을 분리하거나 배양하는 수준에서 수행되는 실험으로는 자연계의 다양성을 완전하게 해석할 수 없다. 이처럼 어떤 과정의 일부분만이 설명되는 내용을 가지고는 토양생태계의 복잡성을 해석할 수 없으므로 보다 넓은 범위로의 확장이 필요하다. 그렇기 위해서는 미생물의 자연 환경에서의 대사율에 대한 실제적인 평가방법이 개발되어야 한다. 즉 생태계 치유 및 유지에서의 핵심적인 역할을 하는 미생물의 군락이 무엇인가를 발견하여야 하고, 이들 미생물의 생존성 확보에 어떠한 토양 물리 및 생화학적인 인자가 필요한지 반드시 구명되어져야 한다. 이러한 내용이 명확히 밝혀지지 않은 상태에서 인공적인 방법으로 미생물을 토양에 이용하는 것은, 미생물의 기능을 활용하는 것이 아니라 단지 유기물질을 시용하는 것에 불과하다는 점을 유념하여야 하겠다.




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