16-09-07 고품질 농사를 위한 발효농법 기술 - 제 5편 2부 미생물은 무엇을 먹고 증식하는가

미생물은 무엇을 먹고 증식하는가 2부




산소를 싫어하는 미생물



지구에 산소가 없을 때 탄생한 세균의 직계 자손은 지금도 산소가 없는 장소에서 생활하고 있다. 산소가 없는 장소가 토양에 실은 많이 있다. 논에서는 표면수에 녹은 산소가 토양 표면 수밀리를 통과하는 사이에 거기에 있는 미생물에 의해 소비되어 버리므로, 몇 밀리 이하는 산소가 없는 토양으로 되어 있다.

얼핏 산소가 많이 있다고 생각되는 밭이라도 토양 입자가 복잡한 삼차원 구조를 하고 있어 공기가 들어가기 어려운 장소가 많이있다. 특히 토양입자가 집합하여 만든 토양 입단의 내부에는 산소가 들어가기 어렵다. 토양 입단 가까이에 유기물 파편이 있으면 유기물을 먹이로 하는 호기성 미생물이 유기물을 분해할 때 산소를 소비하므로 그 주변은 바로 산소가 없는 혐기적 장으로 되어버린다. 이리하여 밭에서도 혐기적인 세균이 수는 적지만 의외일 정도로 항상 살아 있다.

산소가 없는 시대에 세균은 몸 안에서 유기물로부터 에너지와 세포 성분을 합성하는 반응계를 만들어 냈다. 그 기본 부분이 발효계로 불리는 것이다. 즉, 포도당(글루코스) 같은 당을 쪼개 탄소 3의 피루빈산이라는 물질로 변화시킨다. 이 중에서 약간의 ATP가 합성되는데 이것을 이용한다. 그리고 피루빈산에서 아미노산이나 지방산 등, 필요한 세포 성분을 합성하여 간다. 이 때 남은 피루빈산은 젖산, 초산, 에틸알콜 등으로 변화되어 세포 밖으로 방출된다. 이 포도당과 같은 당으로부터 피루빈산에 이르는 반응계를 발효계라 한다. 뒤에 진화된 생물은 인간까지 포함하여 이 발효계를 반드시 가지고 있고 여기에 다른 반응계를 추가하고 있다.

산소가 없는 조건에서 발효에 의해 세균이 만드는 에칠알콜은 술이나 와인, 젖산은 김치나 엔실레지 등으로 전부터 이용하여 왔다. 당이 풍부한 볏집을 논에 갈아 엎으면 젖산 등의 유기산이 생성되어 간다. 너무 많으면 벼에 해가 되는 경우가 있다. 밭에서도 혐기성 미생물은 젖산 등을 만들고 있는데, 다른 미생물이 바로 이용하여 분해하므로 논처럼 고이는 일은 없다.





산소가 필요한 미생물



산소가 출현하므로써 산소를 이용하는 세균이 진화되어 왔다. 발효계에서 만들어지는 피루빈산을 산소를 사용하여 물과 탄산 가스로까지 완전히 분해하여 피루빈산 가운데 남아있는 에너지에서 많은 ATP를 만드는 반응계를 만든 것이다. 이것이 호흡계이다.

같은 양의 포도당을 먹어도 발효계에 비해 호흡계에서는 약 20배나 많은 ATP를 합성할 수 있다. 호흡계의 상세한 설명은 생략하는데 피루빈산과 옥살로아세트산이라는 물질을 결합시켜 구연산을 만들고 이어서 형태를 변화시키면서 이산화탄소를 방출하면서 옥살로아세트산으로 돌아간다.

다시 피루빈산과 결합하여 사이클을 반복한다. 이 과정에서 전자가 방출된다. 전자가 산소와 결합하는 과정에서 ATP가 합성된다. 인간도 이 호흡계를 이용하고 있다.

이러한 호흡계를 가지고 산소를 이용하는 미생물을 호기성 미생물이라 한다. 많은 세균, 남조류와 방선균, 곰팡이, 원생동물, 미소조류는 모두 호기성 미생물이다. 논에서는 담수하여 혐기적으로 되면 곰팡이 등의 호기성 미생물이 격갑하고 혐기적으로 생활할 수 있는 세균이 우점하게 된다. 그러나 밭에서는 혐기성 부분이 있다고는 하지만 호기적 부분이 많으므로 호기성 미생물, 그중에서도 건조 조건에 강한 곰팡이가 세력을 형성해 간다.






산소가 있어도 좋고 없어도 좋은 미생물



혐기성 세균 가운데는 산소가 있으면 죽어 버리는 것이 있다. 이것을 절대적 혐기성균이라 부르며 세균에만 있다. 산소가 있으면 스스로 산소에서 과산화수소나 슈퍼옥사이드라는 유해한 물질을 만들어 자멸해 버린다. 과산화수소는 소독약 옥시돌의 주성분이다. 절대적 혐기성균 가운데는 스스로 만드는 유해물질을 해독하는 효소를 가지고 있는 균도 있다. 이것을 내기성(耐氣性) 혐기성세균으로 부른다. 그렇지만 산소가 있는 조건에서 견딜 뿐이고 증식할 수 있는 것은 아니다.

그런데 토양 세균의 대부분은 실은 산소가 있어도 살 수 있고 없어도 살 수 있는 세균이다. 이것을 조건적 혐기성 세균이라 부르고 있다. 산소가 없으면 발효계로 생활하고 산소가 있으면 호흡계로 생활한다. 세균 이외에 이러한 양면 생활을 할 수 있는 미생물은 효모이다. 효모는 곰팡이 종류이지만 곰팡이 특유의 긴 균사를 만들지 않고 곰팡이 포자가 독립하여 증식하는 형태를 하고 있다. 곰팡이는 세균에서 진화한 것인데 효모는 아직 세균적 성질을 갖고 있다고 할 수 있다.

탈질균이라는 색다른 세균이 있다. 이것은 기본적으로는 절대적 호기성세균으로 항상 호흡계에 의해 생활하고 있다. 산소가 있으면 당연히 왕성하게 증식한다. 그런데 산소가 없는 조건에서도 질산이 있으면 질산을 산소 대신 사용하여 호흡계로 생활한다. 이 때 질산은 질소 가스나 아산화질소 가스로 변하여 토양에서 대기로 빠져나간??. 질소가 가스로 되어 빠져 나가므로 탈질(脫窒)이라고 한다.

탈질은 일부의 세균이 행하며 그 때문에 질소비료가 낭비된다. 무기영양 탈질균도 있는데 토양에 많은 것은 유기물을 먹이로 하는 유기영양 탈질균이다. 이 미생물의 먹이가 되는 유기물이 많으면 우선 호흡계로 유기물을 분해하여 산소를 소비한다. 산소가 없을 때 질산이 있으면 질산을 사용하여 호흡계로 유기물 분해를 계속한다. 즉, 질산과 유기물만 많이 있으면 혐기적인 토양에서도 드디어 탈질이 일어난다. 논 산화층에서는 질화균이 만든 질산이, 환원층에서는 탈질균에 의해 탈질된다. 밭에서는 질화균에 의해 질산이 항상 만들어지고 있다. 거기에 유기물을 시용하면 의외일 정도로 탈질이 일어나 버린다.


- 미생물은 무엇을 먹고 증식하는가 1부, 2부 끝

다음은 6편 미생물 비료의 이해로 찾아뵙겠습니다.