16-08-29 고품질 농사를 위한 발효농법 기술 - 제 5편 1부 미생물은 무엇을 먹고 증식하는가

미생물은 무엇을 먹고 증식하는가 1부






미생물의 먹이는 무엇인가



미생물도 먹이가 필요하다. 먹이를 먹어 활동을 위한 에너지, 즉 칼로리를 획득하며 세포 성분을 합성하는 데 필요한 영양분을 획득하고 있다.

이 에너지와 영양분의 획득은 모든 생물이 살아가기 위해서는 절대 불가결한 것이다. 인간은 에너지와 영양분을 쌀, 빵 등의 유기물을 먹어 획득하고 있다. 그런데 미생물의 먹이는 미생물의 종류에 따라 다양하다. 먹이의 형태는 다양하지만 최종적으로 만들어지는 에너지와 영양분과 세포 성분은 미생물에서부터 인간까지 모든 생물이 거의 공통적이다. 이것을 생화학적 동일성이라고 한다.

미생물은 에너지를 획득하는데 무기물, 광, 유기물을 사용한다. 어느 경우나 에너지는 ATP(아데노신3인산)라는 물질에 축적된다. ATP의 인산이 하나 떨어져 ADP(아데노신2인산)로 될 때 다량의 에너지가 방출된다. 그 에너지를 여러 가지 효소반응이나 운동 등에 이용하고 있다. 즉, 에너지의 획득이란 ATP의 합성이고, 에너지의 방출은 ADP의 생성이라 할 수 있다.

세포 성분을 합성하고 세포를 생장시키는 데는 영양분의 획득이 불가결하다. 세포성분은 유기물이다. 유기물은 탄소 원자가 2개 이상 결합된 탄소의 골격에 수소, 산소, 질소, 인 등이 결합된 것이다. 그래서 영양분의 획득에서 가장 관건이 되는 것은 탄소원자가 결합된 탄소 골격을 어떻게 해서 만드는가 하는 점이다.

인간은 유기물인 식품의 성분에 있는 탄소 골격을 일단 당이나 아미노산으로 소화 한 후 이용하고 있다. 한편 무기물이나 광에서 에너지를 획득하고 있는 미생물은 식물과 마찬가지로 이산화탄소를 이용하여 탄소 골격을 합성하고 있다. 이산화탄소의 탄소는 하나뿐이다. 이 탄소를 몇 개 결합하여 탄소 골격을 만들어 간다. 탄소 골격이 만들어지면 여기에 수소, 산소, 질소, 인 등을 결합하거나 치환하여 당, 아미노산, 지방, 비타민 등을 만들어 간다.

토양 미생물의 95% 이상은 기본적으로는 인간과 마찬가지로 식물이 합성한 유기물에서 에너지와 영양분을 획득하고 있다. 그 쪽이 효율이 좋고 식물이 번무한 후에는 이러한 종류의 미생물이 압도적으로 많아졋다. 그러나 유기물을 전혀 이용하지 않는 오래된 미생물도 있다.








무기물에서 에너지를 얻는 미생물



생명의 역사를 볼 때 육지에 번무한 식물이 광합성으로 활발하게 유기물을 합성하게 되면서 전부터 있던 무기영양미생물은 토양 중에서 약소 세력이 되었다. 그렇지만 그 작용은 무시할 수 없다.

그 대표적인 종류인 질화균(세균)은 두 그룹으로 이루어진다. 하나는 암모늄을 아질산으로 변화시켜 에너지를 획득하는 암모니아산화세균이고 또 하나는 아질산을 산소와 반응시켜 질산으로 변화시켜 에너지를 획득하는 아질산산화세균이다. 양자는 보통 공존하면서 생성되는 아질산을 바로 질산으로 변화시키므로 아질산이 고이는 일은 좀처럼 없다. 아질산은 유독하므로 일시적이라도 고이게 되면 해를 끼치게 된다.

질화균의 먹이는 암모늄이다. 자연게에 암모늄이 많은 것은 유기물이 많은 장이기 때문이다. 즉, 유기물을 분해하여 암모늄을 방출하기 때문이다. 그리고 생성된 암모늄을 2군의 질화균이 산소가 존재하는 조건아래서 질산으로 변화시킨다. 퇴비, 오니, 유기물을 사용한 토양에서 산소가 존재하는 장소에는 질화균이 많다. 밭작물은 암모늄만으로는 중독을 일으켜 버리며 질산이 없으면 건전하게 생육할 수 없다. 암모늄을 질산으로 변화시키는 것은 사실상 무기영양의 질화균뿐이다. 질화균은 밭작물의 생육이나 밭, 초지, 삼림에서 질소 순환의 열쇠를 쥐고 있다.

황산화세균은 평소에는 주목되지 않고 있다. 그런데 간척지나 개간지에서 조금 지나면 pH가 1~2로 떨어져 작물을 재배할 수 없는 경우가 있다. 이것은 산소가 결핍된 물밑에 있을 때에 만들어진 황화물이 간척이나 개간에 의해 산소와 접촉하게 되면서 황산화세균에 의해 산소와 반응하여 황산으로 변했기 때문이다. 황산화세균은 산소가 존재하는 조건에서 황이나 황화철등으로부터 황산을 만들어 에너지를 획득하고 있다. 알칼리성으로 된 밭에 황의 분말을 넣으면 pH가 떨어지는데 이것도 황산화세균이 황을 황산으로 변화시키기 때문이다. 이와 같이 황산화세균은 호기적인 밭 상태 토양에서 활약한다.

한편 혐기적인 논토양에서 활약하는 무기영양미생물은 황산환원균이다. 이것은 황이나 황산을 황화수소로 변화시킨다. 황산환원균은 산소 대신 수소를 황이나 황산과 반응시켜 에너지를 획득한다. 이 때 황이나 황산은 황화수소로 변한다. 황화수소는 유독하여 벼 뿌리를 손상한다. 전에 추락(秋落)이라고 하여 노후화답에서 황화수소의 해가 나타났었다. 유안과 같은 황산이온을 포함한 비료의 사용을 피하거나 철이 많은 산흙을 객토하면 항화수소의 피해를 방지 할 수 있다. 이것은 철이 황화수소와 반응하여 황화철이 되어 침전하므로써 황화수소의 피해를 제거하기 때문이다.






광(光)에서 에너지를 얻는 미생물



물 속에는 광합성미생물이 많이 존재한다. 광합성에서는 클로로필이라는 색소가 광 에너지를 흡수하여 강력한 황원력을 갖는 물질이 만들어진다. 이 환원물질에서 ATP가 만들어지며 이산화탄소나 질소가스가 환원되어 당과 암모니아가 만들어진다.

환원되는 것은 상대의 물질에 전자나 수소를 주는 것이므로 강력한 환원물질을 생성하려면 어디에선가 전자 또는 수소를 보충하지 않으면 안된다. 남조류나 식물에서는 물을 광에너지로 분해하여 만들어진 수산이온이 전자나 수소를 보급하고 스스로는 산소로 변한다. 이렇게 해서 지구에 산소가 생긴 것이다.

그런데 남조류보다도 일찍 탄생한 녹색유황세균은 당시의 바다에 아직 다량으로 존재하고 있던 황화수소나 수소 가스로부터 전자나 수소를 보급받아 황과 물을 만든다. 홍색유황세균은 황화수소나 수소가스만이 아니라 유기물도 이용할 수 있다. 이것보다 뒤에 탄생하였다고 생각되는 비유황홍색세균은 이미 황화합물이 바다에 적어졌기 때문인지 황화합물을 사용하지 않고 유기물이나 수소가스를 사용한다. 이 비유황홍색세균이 오수처리나 균체비료로서 사용되고 있는 불은 색의 세균이다. 그 이전의 녹색 및 유황 세균은 혐기성균인데, 비유황홍색세균은 혐기적이면 광합성을 하고 호기적이면 광합성을 하지 않고 유기물에서 호흡에 의한 에너지를 획득한다.

남조류는 물론 호기성으로 광합성을 하는데 질소고정을 하는 것과 하지 않는 것이 있다. 농업적으로는 질소 고정을 하는 남조류가 중요하다. 단독으로 생활하는 질소 고정성 남조류는 열대 지방 논에서는 연간 10a 당 1~8kg의 질소를 고정하고 있다고 한다. 이것보다도 강력한 질소고정 능력을 갖는 것이 논에 떠 있는 물개구리밥(아졸라)이라는 생이가라과 식물의 잎에 공생하고 있는 남조류이다. 우리는 물개루밥을 논잡초로서 싫어하는데 베트남이나 중국에서는 전부터 녹비로서 사용되고 있다. 필리핀에서 한 실험에 의하면 1작에 7kg의 질소를 고정하며 물개구리밥을 흙에 혼합하면 고정된 질소의 3할이 벼에 흡수되어 수량은 10a에서 100kg 증가한다고 한다. 남조류를 이용하는데는 광, 온도, 인산이 불가결하다.






유기물에서 에너지를 얻는 미생물



무기영양이나 광합성을 하는 미생물은 이산화탄소를 동화하여 유기물을 합성한다. 탄소 하나인 이산화탄소를 몇 개 결합하여 가는데는 다량의 에너지, 즉 ATP를 소비하므로 효율이 좋다고는 할 수 없다. 그 점에서 이미 말한 유기물을 분해하여 에너지를 획득함과 동시에 세포 성분의 소재로 하는 쪽이 효율이 좋다. 이것이 유기영양미생물이고 동물도 기본적으로는 같다.

유기영양미생물은 어떻게 유기물을 획득하는가에 따라 두 개의 그룹으로 나누어진다.

하나는 부생미생물 또는 부생균으로 불리는 그룹이다. 식물도 동물의 몸에서 분비되는 유기물이나 유체에서 유래하는 유기물을 이용하는 미생물이다. 토양 중의 대부분의 세균, 방선균, 곰팡이, 효모, 원생동물(아메바)이 그러하다.

다른 그룹은 공생 또는 기생을 하는 미생물이다. 이들은 다른 생물의 몸 안에 들어가 생활하는 미생물이다. 이 때 받아 들이는 생물을 숙주라고 한??. 침입하는 미생물은 어떤 이익이 있는데 침입하는 미생물과 숙주가 서로 이익을 얻는 것을 공생이라 한다. 콩과식물의 뿌리에 침입하는 근류균, 광범위한 밭작물, 목초, 수목의 뿌리에 침입하는 VA균근균, 물개구리밥의 잎에 침입하는 남조류 등 많이 있다.

근류균의 경우는 뿌리에서 당 같은 유기물을 얻고 뿌리는 균으로부터 질소화합물을 공급하여 주면서 서로 이익을 얻고 있다. 한편 병원균은 숙주에서 영양분을 받아 이익이 있지만 숙주는 아무런 이익도 얻지 않고 말라 죽을 뿐이다. 이것을 기생이라 부른다.

살아 있는 균을 먹이로 하는 미생물이 있다. 아메바는 산 세균을 먹이로 잡아먹는다. 이들은 먹이로 할 뿐이고 다른 생물의 몸에 들어가는 것은 아니므로 부생미생물이다.



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