08-12-11 토양 미생물의 기능에 대한 이해

토양에 서식하는 식물과 미생물은 독립된 개개의 군략을 형성하지 않고 상호 긴밀한 영향을 주고 받으며 하나의 생태계를 구성하고 있다.

토양에서 미생물이 차지하는 양은 다른 조성에 비해 적지만 이들 미생물에 의해 생태계가 유지되고 있음에서 토양미생물의 중요성을 찾을 수 있다.

[ 토양 미생물의 종류와 특성]

토양 미생물은 크게 고유종과 침입종(외래종)으로 구분할 수 있다. 고유종은 자생종(indigenous species) 또는 토착종(auochthonous species)이라 한다.
환경저항성을 가지고 있는 토착종은 활동 없이 오랜 기간 잠복하다가도 적당한 때가 되 면 증식을 시작하여 군락의 생화학적 대사에 참여하지만, 침입종은 영양조건이 좋을 때만 단기간 급속히 생육하기 때문에 주요한 생태학적 기작에는 거의 관여하지 못하는 경우가 많다.

이러한 미생물의 특성은 미생물 제제와 같은 생물자재 이용에는 방해가 되지만 생태계 보전에는 매우 중요한 의미를 지니고 있다고 할 수 있다.

[ 토양 미생물의 기능별 분류 ]

농업에 적용되는 토양미생물의 가장 중요한 점은 미생물 상호 뿐만 아니라 작물과도 밀접한 관계를 가지고 있다는 점이다. 여기서는 토양미생물이 가지고 있는 기능중 유기물 분해, 인산 가용화, 질소고정 등에 관련된 주요 유용 미생물을 예로서 설명하고자 한다.

1. 유기물 분해균

생명이 다한 유기체가 토양에 들어오면 당, 셀룰로오스, 리그닌 등이 여러 종류의 미생물에 의해 점진적으로 분해 된다. 그 이유는 하나의 미생물이 모든 기능을 수행할 수 없기 때문이다.
유기물중 당과 같이 분해가 되기 쉬운물질이 이용된 후 점차적으로 헤미셀룰로오스, 셀 룰로오스 그리고 리그닌이 분해 되는 과정을 거치게 된다.
또한 토양미생물은 토양내에 존재하는 각종 화학물질과 같은 오염원을 무해한 물질로 전환하여 환경을 자정하는 중요한 기능을 가지고 있다. 바로 이러한 미생물의 역할이 토양생태계를 건전하게 유지하는 중요한 요인이 되고 있는 것이다.

2. 인산염 가용화균

인산염 가용화 균은 작물이 이용할 수 없는 토양중의 난용성 인산염을 가용화시켜 작물 이 쉽게 이용할 수 있게 한다.
여기에는 Bacillus megaterium등의 세균 그리고 Aspergillus niger 혹은 Penicillium속과 같은 다양한 사상균이 관여하고 있다. 이들 미생물의 인산염 가용화는 유기물 함량고 밀접한 관계를 가지고 있어 충분한 량의 유기물 공급이 필요하다. 그 이유는 이들 미생물이 유기물을 이용하여 여러 종류의 유기산을 생성하여 난용성 인산염을 가용화하기 때문이다. 이외에도 많은 미생물은 유기태 인산을 이용할 수 있는 인 산 가용화 효소를 생성한다.

3. 균근균

균근균(Mycorrhizae)은 뿌리혹 박테리아와는 달리 사상균의 일종으로 식물체 조직과 외부 토양환경에 걸쳐 서식하면서 작물뿌리와 근권 주위 토양간의 물질 교류에 중요한 역할을 한다.
즉 식물 뿌리가 미치지 못하는 영역으로부터도 균근균을 통해 영양분을 흡수할 수 있다. 많은 식물의 근권에서 검출되는 균근균(菌根菌, Vesicular arbuscular)은 인등의 무기원소에 대한 식물의 흡수를 촉진한다. 또한 염과 한발에 대한 저항성과 근류형성을 촉진하는 효과도 있음이 밝혀지고 있다.
이러한 결과로 인해 인근 토양미생물의 생육이 촉진되고 그에 따라 숙주식물의 생육상 이 건전하게 되는 것이다.

4. 질소 고정균

근류균은 작물로부터 탄수화물을 공급받아 공기중의 질소를 고정하여 작물에 공급하는 중요한 질소공급자의 역할을 한다.
근류균(Rhizobium)은 두과 작물의 뿌리 혹에서 쉽게 확인할 수 있다. 이와 같이 균이 어떤 작물의 부수적인 기관을형성하여 상호 긴밀한 관계를 맺고 있는 것을 공생관계라 한다.
이외에도 Azotobacter속, Azospirillum속 등의 미생물도 질소를 고정한다.

5. 작물생육촉진 근권 세균

작물생육촉진 미생물의 기작은 미생물이 분비하는 물질에 의한 병원성 미생물의 활성 억제 혹은 분비물에 의한 생육 증진 효과를 들 수 있다.

현재 작물생육촉진 미생물(PGPR)로 분류되어 연구되고 있는 것은 Siderophore와 같은 착화물(chelate)을 분비하는 종이다. 이 물질은 병원성 미생물의 생육에 필수적인 철등의 원소를 결합하여 병원성 미생물이 흡수하지 못하게 하여 생육을 억제하는 것이다.

작물 생육촉진에 관여하는 미생물에는 슈도모나스(Pseudomonas)속이 있는데 이 세균은 자외선하에서 형광성을 나타내는 특성을 가지고 있어 다른 세균과 쉽게 구별할 수 있다.

[ 근권 미생물 ]

토양에서 뿌리의 작용이 미치는 범위를 근권이라 한다. 근권환경은 뿌리에서 분비되는 물질, 작물의 양분흡수에 따른 무기양분의 농도 저하, 수분흡수에 따른 토양의 부분적인 건조 및 뿔리의 탈락으로 인해 주위의 토양과 매우 다르다.
이와 같은 특성 때문에 근권은 작물과 토양미생물간에 긴밀한 상호관계가 일어나응 장소로 토양생물권에서 매우 중요한 부분을 차지하고 있다.

일반적으로 근권미생물상은 유기태 화합물보다는 뿌리에서 분비되는 아미노산, 당과 같은 단순한 영양분을 요구하는 세균과 사상균의 밀도가 높아진다.
근권에 널리 분포하고 있는 세균은 Agrobacterium속, Pseudomonas속 이지만 포자 형성균인 Bacillus속은 일반적으로 적다. 사상균은 Fusarium속, Mcor속, Rhizoctonia속 등이 서식한다. 방선균은 색소생성균으로 생리학적으로 활성이 높은 것 이 많다.

근권서식율은 세균이 높은데 그 이유는 근권의 영향을 사상균이나 방선균보다 세균이 크게 받기 때문이다.

[ 토양관리와 미생물 ]

토양관리가 미생물성에 미치는 영향, 생물학적 관리방법으로서의 토양미생물제제의 기능에 대해 알아보고자 한다.
토양이란 생물의 생육에 필요한 영양원을 제공하는 매체이며, 이들과 연결되어 있는 생명체의 생화학적인 대사에 의해 영속적으로 변화되는 과정을 거치고 있는 생명의 모체라 할 수 있다.

여기서는 토양의 입단화작용, 통기성, 건조 등의 토양관리와 관계되어 있는 요인이 토양 미생물의 환경적응 능력에 어떠한 영향을 주고 있는지 살펴보고자 한다.

1. 토양 입단화

양이온 혹은 음이온으로 하전된 점토광물에 흡착된 유·무기분자와 미생물 세표는 점토 광물 표면에서 다양한 생화학적 방응을 하지만, 입단화가 되지 않으면 강우 등에 의해 콜로이드상의 점토광물이 유실되어 토양 층이 상실괴고 만다.
그리고 입단구조는 수분 및 통기성 유지등 생물의 생육에 직접적인 영향을 주기 때문에 토양입단화는 토양관리에 있어 중요한 요인이 되고 있다.

입단화에는 물리화학적 기작도 있지만 생물적 방법으로는 미생물의 증식과 더불어 형성되는 균사체에 의한 입단화, 각종 미생물이 분비하는 다당류 등의 점성 물질에 의한 입단화가 있다.
이와 같이 형성된 입단에는 공극이 있기 때문에 극단적인 환경변화에 대처할 수 있는 미생물의 중요한 서식처를 제공하는 배양기의 역할을 수행하게된다.

토양수분은 건조등에 의해 쉽게 마르나 입단의 작은 공극안의 수분은 쉽게 소실되지 않는다.
그래서 수분을 필수로 하는 미생물의 서식분포는 하나의 같은 입단이라도 건조 · 습윤에 의해 변동이 심한 입단표면과 수분변동이 비교적 적은 공극안 간에 커다란 차이를 보인다.
그래서 토양이 건조되면 입단외부에 있는 많은 량의 미생물은 사멸하지만, 입단 내부의 미생물은 매우 안정적으로 환경에 적응하게 된다.

이와 같은 현상은 토양을 훈증제나 유독 물질로 처리할 때도 비슷하게 나타난다. 즉 토양 입단 형성은 생물학적으로 매우 중요한 부분을 차지하고 있다.

2. 토양 통기성

토양의 통기성은 담수, 경운등의 경종 방법에 의해 호기적 혹은 혐기적상태로 되는데 이러한 영향에 의해 토양에 서식하는 미생물상이 환경에 신속하게 적응하면서 변화된다.

토양미생물의 주체를 이루는 사상균과 질산화균이나 아조토박터 등과 같은 일부 세균은 산소만 호흡에 이용하는 절대호기성균이나, 논 토양에 많은 클로스티리디움이나 황산환원균등의 세균은 산소가 있으면 생육할 수 없고 오직 발효에 의해 에너지를 획득하는 절대혐기성균이다.
그러나 탈질균같은 대부분의 미생물은 산소 존재하에서 호흡하여 에너지를획득하고, 산소없는 조건하에서는 발효를 행하지 않고도 생활할 수 있는 통성균이다.

토양 공극중의 공기체적 비율이 10%이하면 미생물은 주로 발효를 행하고, 20%이상에 이르면 미생물은 호흡을 하게된다.
발효에 비해 호흡은 미생물에 의한 에너지나 탄소의 이용효율이 높아 유기물의 분해속도가 빨라 유기산등의 중간물질이 축적되지 않고 탄산가스와 물로 쉽게 분해된다.
그래서 동일량의 유기물이 분해될 때 호흡에 의한 미생물체량이 발효에 의할 때 보다 많아진다.

논 토양처럼 수분함량이 높아 통기성이 악화되면 질화작용같은 호기적 미생물대사가 일어나지 않고 메탄화작용이나 탈질작용과 같은 혐기적 미생물 대사가 활발하게 진행된다 .
밭 토양은 건조상태이기 때문에 산소를 사용하여 호흡하는 미생물이 대부분을 점유하지 만, 적당한 수분조건에서 영양이 충분하면, 입단외부에서 산소를 소비하는 호흡이 급속 히 진행되어 입단내부에서는 호흡이 급속히 진행되어 입단내부에서는 산소고갈로 혐기 적반응이 일어난다.
일한 작용에 의해 통기성이 좋아 호기적 반응만 일어난다고 생각되는 밭토양에서도, 호 기성균과 혐기성균이 공존하며 다양한 기작을 수행하게 되는 것이다.

3. 토양건조

토양이 건조하게 되면 토양미생물은 다량 사멸도나, 사멸된 균체는 토야 조건이 미생물 생육에 양호하게 되면 토양 입단 내부 등에 살아 남아 있던 미생물의 증식에 이용되면서 , 일부는 무기태 질소나 인으로 방출된다.
경작에 있어서 건조에 의해 사멸된 균체에서 방출되는 양분의 양이 정확히 파악되고 있 지는 않지만, 건토효과로서 방출되는 무기태 질소의 50~80%가 사멸되었던 균체에서 유래한다고 보고되고 있다.
이러한 효과는 토양의 종류 특히 입단화 정도에 따라 달라지게 된다.

4. 토양경운

적절한 경운은토양을 팽창시켜 뿌리 뻗음과 통기성을 좋게 하여 토양미생물의 활성을 토양 전반에 걸쳐 증진시킨다. 이처럼 경운은 미생물을 토양 깊은 곳까지 분포시켜 호기 적 대사를 촉진하고, 지력 질소등의 양분 방출을 촉진한다.
그래서 심경과 더불어 유기물을 시용하게 되면 미생물활동의 증대와 더불어 뿌리신장이 촉진되어 뿌리는 전체적으로 양분을 공급받아 궁극적으로 작물의 생육이 건전해지는효 과를 얻게 된다.

5. 토양 유기물

토양미생물의 증식이나 활성을 제한하는 가장 중요한 요인은 토양의 수분조건과 함께 영양조건이다. 질산화균등 무기물만으로 생활할 수 있는 특수한 세균을 제외한 일반 미 생물은 증식에 유기물이 필요하다.
영양조건 중에서도 특히 유기태 탄소의 양에 의해 토양미생물의 증식이 가장 크게 제한 되고 있다.
따라서 토양에 유기질자재를 사용하면 일반토양에서는 토양미생물의 수가 시용량에 비 례하여 증가함고 아울러 미생물을 먹이로 하는 미소동물의 수도 증가 한다.

밭토양의 주요 유기물원은 고분자 탄수화물을 다량으로 포함한 식물유체이고, 이것의 일차 분해자가 사상균이므로, 일반적으로 밭토양에 있어 사상균의 균체량은 세균의 3~4배 많다.
유기태 탄소가 충분히 공급되면 질소와 인이 토양미생물의 증식에 있어 제한 요인이 되 지만, 일반적으로 밭토양에서는 질소나 인의 사용에 의한 작물의 생육량이 증가하여도 토양미생물의 증식에는 직접적인 영향을 주지 않는다.
사용된 퇴비는 미생물에 의해 분해되고, 이 과정에서 무기화된 양분이 작물에 공급된다. 이 과정에서 무기화된 양분이 작물에 공급된다. 이 물질의 흐름에서 미생물체는 양분의 저장고가 된다. 퇴비를 시용하게 되면 시용 직후에는 세균이 다음으로는 사상균의 미생 물체량이 증가한다. 증가한 미생물체 유지에 필요한 에너지원인 유기태 탄소화합물이 고갈하면 일부는 사멸하여 감소하지만 사멸된 미생물체에서 양분이 방출된다.
사멸된 미생물체로부터의 양분 공급속도는 토양유기물보다 크다고 추정되고 있는 바와 같이 토양미생물체량의 확보는 토양개량에서 중요한 의미를 지닌다.
그러므로 미생물체량 증식에 직접적인 영향을 주는 양질의 퇴비시용은 토양의 생물학적 특성을 개선하는데 있어 매우 중요한 역할을 하고 있다.

6. 토양산도

토양 pH는 토양미생물의 증식이나 활성에 큰영향을 미치고 있다. 일반적으로 세균의 적 정 pH는 중성 부근이다. 사상균의 적정 pH 범위는 비교적 넓지만 토양에서는 세균과의 경쟁으로 인해 일반적으로 사상균은 산성토양에 많게 된다.
그러므로 밭토양에 석회를 시용하게 되면 토양뿐만 아니라 근권의 사상균체량이 격감하 게 된다.

한편 질소를 과다 투여한 하우스 토양에서 질화작용에 의한 질산의 축적으로 토양 pH 가 5까지 낮아지면 질산화작용이 저하된다.
이때 암모니아 산화세균에 비하여 아질산산화세균의 활성이 더욱 심하게 낮아져 축적된 아질산이 아산화질소로 방출되면 밀폐된 하우스내에서 가스장해가 발생된다.

이와 같이 토양 산도는 토양양분의 가용화 뿐만아니라 미생물의 기작에 밀접한 영향을 주므로 토양개량의 대상이 되고 있지만 토양의 생물다양성이 교란되지 않는 범위내에서 시도되어야 할 것이다.

미생물 특히 토양에 서식하고 있는 토양미생물의 기능은지구생태계를 자발적 순환에 이끄는 중요한 생물체이다.

토양 미생물을 농업에 이용하기 위해서는 먼저 토양이라는 수동적이며 능동적인 매체를 자세히 이해할 필요가 있다.
여기서 수동적이란 의미는 외부로부터 투여되는 모든 물질을 거부하지 않고 받아들이는 것이며, 능동적이란 의미는 받아들인 물질을 토양이 가지고 있는 모든 기작에 으해 분해 재생산한다는 것을 뜻한다. 이때 이 양극의 평형이 상실되어 한쪽으로 치우치게 되면, 즉 수동적인 의미가 높아지면 토양은 자정 능력을 상실하게 된다.
그러므로 이 두 측면을 적절히 조절하는 것이 토양의 건강(soil health) 즉 토양의 질 (soil quality)을 관리하는 것이다.

그러므로 토양이 가지고 있는 고유의 생물학적치유능(Bioremediation)을 고려하여 토양환경을 관리하고 이용하는 지혜로운 접근이 다른 어느 때 보다 절실히 요구되고 있는 시대라 하겠다.