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미생물이야기 미생물제제에 대한 과학적인 이해와 평가는 생산자와 소비자 모두의 권리이며 의무
2013-08-14 11:08:03
이엠생명과학연구원
미생물 제제에 대한 고찰
  미생물제제에 대한 과학적인 이해와 평가는 생산자와 소비자 모두의 권리이며 의무
 

 

 

1. 농용 제제로서의 미생물

토양에 서식하는 미생물중 많은 종류는 식물생육촉진, 물질순환 및 환경정화등의 측면에서 중요한 역할을 수행하고 있다. 이중에서 식물과 공생체를 만들어 공기중의 질소를 고정하는 뿌리혹 박테리아, 식물의 인산흡수를 촉진하는 균근균과 인용해균, 식물생육촉진을 돕는 근권세균이나, 병해충억제에 관련된 미생물에 관한 연구가 수행되어 이들을 미생물제제로 활용하고자 하는 시도가 여러분야에서 이루어지고 있다. 한편 식물과 직접적인 관계는 없지만 농약이나 환경오염물질의 분해에 관여하는 미생물이 바이오레머디에이션(Bioremediation)의 방법으로써 주목을 받고 있다. 이와 같이 미생물을 농용 제제로 사용하고자 하는 의도는 많지만, 일부에서는 부정확한 의미로 미생물을 이해하고 있어 제조나 사용할 때 여러 가지문제점이 야기되고 있는 실정이다.

자연생태계가 건전한 지역에서는 일부러 인공적인 방법으로 미생물제제를 시용할 필요는 없다. 그러나 집약재배나 오염물질 과다집적 지역과 같이 투입과 산출이 평형을 이루지 못하는 지역에서 환경농업을 추진하기 위해서는, 토양미생물 뿐만아니라 생태계가 가지고 있는 모든 기능을 최대로 활용할 필요가 있는데 그 하나의 방법으로 미생물제제에 대한 관심이 높아 가고있는 실정이다

미생물을 농업에 이용할 수 있는 영역은 토양개량, 병해방제, 유기물분해촉진, 양수분흡수촉진, 생육촉진, 병해충방제 및 제초 등이다. 용도별 사용되고 있는 미생물은 <표 1>과 같이 대략적으로

  <표 1> 용도별 관련 미생물 종류
용 도 관 련 미 생 물
토양개량 Bacillus속, Clostridium속, Trichoderma속, Azotobacter속, Rhizobium속등
병해방제 Pseudomonas속, Bacillus속, Gliocladium속, Trichoderma속, 비병원성 Fusarium속, 비병원성Erwinia속, Streptomyces속, Xanthomonas속, VA균근균, Azotobacter속, Verticillium속등
유기물분해
촉진
Streptomyces속, Pseudomonas속, Bacillus속, Clostridium속, Thermus속등
양수분흡수
촉진
VA균근균, Azotobacter속, Bacillus속, Rhizobium속, Trichoderma속, Candida속, Frankia속, Azospirillum속, Bradyrhizobium속등
생육촉진 광합성세균, 내열성방선균, Rhizoctonia속, Pseudomonas속등
병해충 방제 Bacillus속, Pasteuria속등
제초 Epicoccosorus속, Dendryphiella속등
분류할 수 있지만, 이들 미생물에 의한 효과는 중복적으로 나타나는 경우가 많아 정확히 구분할 수는 없다. 바로 이러한 점이 미생물제제를 불확실하게 만드는 요인이 되므로 미생물제제를 사용할 때는 미생물에 의한 특성 및 기능에 따른 효과를 정확히 이해하고 접근하여야 한다.

 

 

 

 

2. 미생물의 발효능과
   호흡능

 

 

미생물의 대사기작에 필요한 에너지 취득 방법을 호흡과 발효라는 입장에서 설명하고자 한다.
왜냐하면 미생물제제란

  발효와 호흡과정에서 생성되는 물질 및 관련 대사기작을 이용하지만 현재 우리가 알고있는 호흡과 발효라는 개념이 모호하여 적용되는 미생물의 기능을 혼동하는 경우가 많기 때문이다.

1) 발효(Fermentation)와 호흡(Respiration)

발효란 산소가 없는 조건에서 미생물이 해당작용(解糖昨用, Glycolisis)을 통해서 유기물을 산화하여 ATP라는 에너지를 합성하는 과정이다. 해당작용에서는 1몰의 포도당(Glucose)이 2몰의 이산화탄소와 2몰의 에탄올로 산화되는 과정으로, 여기서는 2몰의 ATP가 생성된다.

호흡이란 해당작용에서 만들어진 pyruvic acid가 TCA사이클을 통해 1몰의 글루코스로부터 6몰의 이산화탄소로 산화되는 과정에서 38몰의 ATP가 생성되는 과정이다.

해당작용에서는 알코올과 젖산이 최종산물로 생성되지만, 호흡작용이 일어나는 TCA 사이클에서는 citric acid, succinic acid, fumaric acid, oxalic acid등이 생성되며 이 과정에서 발생되는 전자는 산소에 수용된다<표 2>.
산소대신 질산이온 (NO3-)이 관여되는 호흡방식도 있다. 이러한 호흡을 질산호흡이라고 부르는데

 
<표 2> 발효와 호흡의 차이
구분 과정 주요
생성물질
ATP
생성량
발효

호흡

포도당→해당작용→Pyruvic acid

포도당→해당작용→Pyruvic acid→
TCA사이클

알코올, 젖산

구연산등

2몰

38몰

질산이온은 대사가 진행됨에 따라 질소 혹은 아산화질소가스로 환원되어 대기중으로 휘산되기 때문에 이러한 작용을 탈질 작용 (denitrification)이라 한다.
해당계만 있는 미생물에 대해 산소는 독성을 나타내어 미생물이 산소에 장시간 노출되면 사멸하게 되는데

  이러한 미생물을 절대혐기성균이라고 부른다. 그러나 TCA사이클과 해당계를 모두 가지고 있는 미생물은 산소가 없는 조건에서는 발효작용을, 산소가 있는 조건에서는 호흡작용을 하여 산소 유무에 관계없이 생활할 수가 있는데 여기에 속한 미생물을 통성혐기성균이라 한다.
 
<표 3> 산소와 관련된 미생물 분류
구분 산소 에너지
취득방법
관려미생물종류
절대혐기성

통성혐기성

절대호기성

×

×

발효

발효, 호흡

호흡

세균, 일부원생동물

세균, 균류, 일부원생생물

그러나 이중에는 해당계를 가지고 있으면서도 발효작용은 하지 못하고 호흡만 할 수 있는 미생물이 있는데 이를 절대호기성균이라 한다<표 3>. 이와 같이 미생물대사에서 발효와 호흡은 매우 중요한 의미를 가지고 있음을 확인할 수 있다.
  2) 부패와 발효의 차이점

(1) 부패

식품의 색, 향, 맛등이 변화되어 가치가 저하하는 현상을 광의의 부패(putrefaction)라 하지만, 좁은 의미에서는 미생물에 의해 식품의 단백질이 변질되는 경우를 부패라 하고, 당질과 지질이 변질되는 경우를 변패(deterioration)라 한다.

 
<표 4> 식품의 부패와 관련된 미생물의 종류
식 품 미 생 물 종 류

쌀 밥

청과물

육 류

어패류

Bacillus subtilis, B. megaterium, B. cereus

Bacillus licheniformis, Rhizopus속, Penicillium속, Aspergillus속등

Erwinia속등

Bacillus subtilis, Salmonella속, Staphylococcus속등

Achromobacter속, Pseudomonas속, Microcccus속등

부패에 관여되어 있는 미생물의 속을 살펴보면 <표 4>와 같이 미생물제제로 이용되고 있는 미생물이 속해 있음을 확인할 수 있다. 이와 같이 미생물은 같은 속(genus)에도 그 작용기작에 따라 부패 혹은 병원성을 유발하는 경우가 있기 때문에 종(species) 혹은 그 이하 단계 까지 동정하여 적용할 필요가 있다.
  (2) 발효

발효란 산소가 없는 조건에서 해당작용에 의해 에너지를 얻는 반응이지만, 미생물의 대사 산물이나 균체를 생산하여 제품화하는 미생물공업에서의 발효란 미생물이 해당계나 TCA사이클 외에 다양한 대사경로를 이용하여 특정의 산물을 생산하는 공정이 포함되어 있다. 예를들어, 에탄올이나 젖산은 해당작용에서 생성되지만 아세톤과 부탄올등은 해당작용과 관련된 대사계에서, 유기산은 TCA사이클에서 생성되지만 대부분의 아미노산은 TCA사이클과 관련된 대사계 등에서 생성되는 것과 같이 여러 단계의 대사과정이 복합적으로 관련되어 있다.

식품발효에서는 미생물의 대사산물 뿐만 아니라, 빵, 된장 등과 같은 미생물에 의한 분해산물도 발효식품으로 취급되고 있다. 이처럼, 일상적으로 발효라는 것은 미생물을 이용하여 인간에 유익한 형태로 가공, 생산하는 것을 의미하기 때문에 퇴비제조나 하수처리 등도 발효의 일종이라고 부르기도 하지만 삼가야 할 표현이다.

인간에 유익한 형태라 해서 모두 발효라 표현할 수는 없다. 즉 버섯등 식용균체 생산, 길항관계등 상호작용을 이용한 미생물의 병해충방제나 식물생육촉진, 그리고 오염된 환경의 미생물에 의한 정화 등은 미생물의 물질대사를 활용한 반응이므로 발효라고는 할 수 없는 것이다.

 

 

3. 미생물제제란 무엇인가

미생물제제란 토양 등에 시용하는 경우 표시된 특정 함유 유용미생물의 활성에 의해 용도에 기재된 효과를 가지며 최종적으로 식물재배에 도움이 되는 효과를 나타내는 제제라고 할 수있다.

미생물제제는 살아있는 미생물과 경우에 따라서는 접종균을 흡착한 담체(carrier), 접종균 활성화를 위한 유기영양원, 그 외의 보조제로 구성되어 있지만, 효과를 가지는 주된 성분은 제제 원료에 표시된 미생물 즉 원료에 들어있는 미생물의 기능에 의한다는 것이다.

 

 

4. 미생물제제가 갖추어야 할 조건

미생물제제에 표시되어 있는 대부분의 내용은 애매하고 제품에 따라 표기 방법이 다르지만, 표시된 미생물제제 효과는 유기물분해촉진, 연작장해억제, 토양의 이화학성 개선, 토양미생물성 개선, 작물의 생산성 향상, 작물의 품질향상, 오염물질 정화 등이다.

미생물 중에는 균근균(vesicular arbuscular Mycorrhizae)이나 뿌리혹박테리아(Rhizobium)처럼 기능이 명확한 것도 있지만, 대부분의 미생물제제는 효과를 명시하지 않고 유용미생물이라는 포괄적인 말을 사용하는 경우가 많다. 이 유용미생물이란 말은 이용자 측면에서는 매력적인 표현이고 생산자 측면에서는 만능적인 용어이지만 과학적인 방법으로 입증되지 않은 기작을 애매모호하게 나타내는 것이므로 미생물제제효과 표현방법으로는 적합하지 않다. 그러므로 미생물제제도 다른 종류의 제제처럼 그 효과 및 평가방법을 정확히 규정하며 접근하여야 할 것이다. 그렇다면 미생물제제가 갖추어야 할 조건은 무엇이고 미생물제제를 평가하는 방법은 어떻게 해야하는가 하는 문제가 제기된다. 이에 대해서는 일본토양비료학회 미생물제제 전문 위원회의 “미생물을 이용한 농업제제의 현상과 장래”라는 심포지움 내용을 일부 참고하여 설명하고자 한다.

미생물제제를 올바르게 활용하기 위해서, 소비자는 사용용도가 무엇이며 용도에 적합한 제제가 무엇인지를 과학적인 입장에서 이해하고 평가하는 절차를 반드시 거쳐야 한다. 이 와 같은 절차는 생산과 소비에 있어서 제품의 균일성과 효과의 재현성을 보장할 수 있게 되므로, 미생물제제 생산자나 소비자 모두의 권리이며 의무가 되는 것이다.

 

 

1) 미생물제제의 표시 내용 및 검정에 필요한 사항

(1) 미생물

① 미생물의 유래, 속종명

        - 미생물 동정시험결과, 기능(활성)과 효과 및 측정 방법
        - 미생물수 및 측정방법

  ② 미생물의 유효기간

(2) 첨가제

  ① 모든 첨가제의 종류, 양 및 성분

(3) 제제의 일반 이화학성 : pH, 수분, T-C, T-N, T-P등

(4) 사용용도

       - 목적으로 하는 효과가 확인될 수 있는 조건과 장소
          제제의 용도 표기는 <표 5>와 같은 것을 예로 들 수 있다.

 
<표 5> 미생물자재의 용도와 미생물의 기능
용도 기능
유기물분해촉진

토양개량

식물영양분적효과

인의 이용

식물의 생육촉진

토양병해충방제

퇴비화촉진, 토양중에서의 분해능등

토양입단형성촉진, 토양pH교정등

질소고정, 바이오메스N P등

인의 가용화등

식물호르몬, 비타민등의 생성

토양병원균, 선충의 억제작용등

(5) 효과를 확인한 공공연구기관의
     시험결과
(6) 기타 제조방법, 사용방법, 주의
     사항 및 유효기간 등

2) 미생물제제 평가

미생물제제 효과를 평가하기 위한 실내 및 포장시험은 공공기관에 의해야 하며, 함유미생물이 없는 미생물 제제 혹은 살균한 미생물 제제를 반드시 대조구로

  설정하여 수행하여야 한다는 점이다. 미생물제제의 효과 판정방법으로는 <표 6>과 같은 항목을 예로 들 수 있다.
  (1) 실내시험

제조업자가 제시한 제제의 용도에 관련된 미생물의 작용과, 그 효과 확인 시험을 인공배지 또는 pot 재배시험으로 수행한다. 이때, 함유 미생물이 없는 제제 또는 멸균처리한 제제를 반드시 대조구로 하여야 한다.

<표 6> 미생물자재의 효과 및 판정방법
효과 판정방법
퇴비화촉진

입단형성

질소고정

질화촉진

인의 이용

토양병해충경감

근의 건전성

유기물함량, 리그닌함량, 부숙도등

토양입단분석등

아세틸렌환원력등

질화활성, 질화균수등

균근균의 감염율, 식물체인분석등

길항,경합,기생, 교차성,발병지수등

총근장, 근중, 근모관찰등

  (2) 포장시험

미생물제제의 최종적인 평가는 포장시험을 실시하여야 하는데 다음과 같은 사항을 유의하여 실시하여야 한다. 이때도 반드시 함유 미생물이 없는 제제 또는 멸균처리한 제제를 대조구로 하여 실시한다.

① 난괴법에 의한 통계처리와 3반복 이상의 처리구 설정
② 토양조건이 다른 경우는 2개소 이상의 시험장소에서 수행
③ 한 종류의 토양인 경우는 최소한 3년이상의 연속 시험 수행




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