미생물지킴이 및 미생물치료사

지킴이 및 미생물 치료사가 식물의 생장 및 병 방제에 미치는 영향

1. 미생물 지킴이 및 미생물 치료사의 필요성
경제가 성장함에 따라 소득이 증가하여 식생활의 개선이 촉진되고 축산물이나 채소류의 수요가 급증하고 있다. 따라서 농업 경영면에서도 소득이 높고 연중 재배가 가능한 시설재배가 증가하고 있다. 시설재배의 특성은 수익성이 높은 특정작물을 전문적으로 재배하게 되어 연작을 하게 된다. 또한 농민들은 생산성을 조금이라도 높이기 위해서 과량의 비료와 농약을 투입하고 있는 실정이다. 이러한 이유로 인하여 대부분의 시설토양은 과량의 염류가 집적되어있고, 병해가 만연되어 있어 연작장해가 심각하다. 한편, 과다하게 시용된 비료의 일부는 하천이나 호수로 흘러 들어가 부영양화 (eutrophication)를 일으켜 식수원을 오염시키는 원인이 되기도 하며, 또한 자주 살포되고 있는 농약은 환경 생태계를 상당히 파괴시키는 주요 오염원이다.

1.1 Chitin은 병원성미생물 세포벽의 일부를 구성하고 있다.
식물병에 의한 세계 작물 손실률은 1993년 기준으로 약 12%에 달하고 곤충과 잡초에 의한 손실을 포함하면 34%에 이른다. 경상북도 농업기술원의 조사 결과에 의하면, 우라나라 최대 참외 주산지인 성주의 겨우 참외뿌리혹선충으로 인한 피해가 30%로 소득 손실액은 연간 570억원에 이르고 있다고 한다. 수박, 오이, 가지, 고추, 딸기, 참외와 같은 원예작물에서 발생하는 식물병의 대부분이 사상균과 선충 등에 의한 막대한 피해를 입고 있다. 주요 병원성 균주로는 Pythium ultimum(잘록병), Fusarium solani(뿌리썩음병), Furium oxysporum(시들음병), Rhizoctonia sp.(모잘록병), Fusarium moni(시들음병), Alternaria kiki(점무늬낙옆병), Colletotrichum gloeosporioides(잎탄저병), Penicillum expansum(푸른곰팡이병), Stemphylium sp.(잎마름병), Septoria solani(둥근무늬병), Puccinia adenophora(녹병), Phytophthora capsici(역병), Heterodera trifolii(두과작물의 뿌리썪음병), Pratylenchus sp.와 Tylenchus spp(화본과작물의 뿌리썩음병) 등이 있으며 선충으로는 뿌리혹선충 (Meloigogyne sp.), 시스트 선충 등이 있다. 이렇게 식물병을 일으키는 사상균의 세포벽이나 선충의 난낭은 22～44%가 키틴 성분으로 구성되어 있다. 따라서 키틴 분해 미생물을 식물의 근권 주위에 다량으로 서식할 수 있게 한다면 키틴 분해 미생물로 하여금 이러한 병원균의 방어를 위한 chitinase를 분비하여 병원성 곰팡이의 세포벽이나 선충의 난낭 세포벽을 구성하고 있는 chitin을 분해함으로써 식물병을 방제할 수 있다.

1.2 왜 Biological control이 실패했는가?
현재까지 많은 학자들이 키틴 분해 미생물을 이용하여 병원성균을 방제하려고 시도하였다. 대부분의 연구는 실내에서 단일 또는 몇 종류의 키틴 분해 미생물을 혼합 배양하여 식물의 유묘에 접종한 후 그 효과를 보고하였다. 일반적으로 이러한 효과는 폿트를 사용하여 실내실험에서 이루어진 것이며 실제 포장에 적용할 경우 그 효과가 없거나 아주 미약한 것으로 보고되고 있다. 포장에서 실패한 가장 큰 이유 중의 하나가 접종균의 개체수와 접종균의 환경적응성 문제로 파악된다. 토양 속에는 토양 1g당 최소 1억～100억 개체수의 토착미생물 (autochthonous microoganism)이 서식하고 있다. 토양 1g당 평균 10억(10,000,000,000/g) 개체수의 미생물이 서식한다고 가정했을 때 1 ha 당 20 cm 토양깊이 기준으로 환산하면 아래와 같다.

1 ha 당 토양의 무게 = [100 m(가로) x 100 m(세로) x 0.2 m(깊이) x 1.20 ton/m3(용적비중)] = 2,400 ton = 2,400,000 kg = 2,400,000,000 g 1 ha 당 토착미생물의 개체수 = 10,000,000,000 개체수/g x 2,400,000,000 g = 24,000,000,000,000,000,000 개체수 = 2.4 x 1019 개체수/ha로 된다.

일반적으로 기내에서 배양한 미생물의 개체수는 ml 당 약 108 개체수로서 1 L당 1011(108 x 1000 ml = 1011) 개체수를 얻을 수 있다. 만약 1 ha당 서식하고 있는 동량 개체수의 미생물을 토양에 접종하고자 한다면 2.4 x 108 L(2.4 x 1019 개체수 ÷1011 개체수/L) 즉 240,000 ton을 접종해야 한다. 이렇게 많은 양의 접종은 경제적인 측면에서 불가능할 뿐만 아니라, 설사 접종된다하더라도 접종된 미생물은 토양환경과는 전혀 다른 보호된 환경에서 성장했기 때문에 토양에 이미 서식하고 있는 토착미생물과의 경쟁에 져서 급격히 감소하고 만다. 따라서 배양미생물을 실제로 포장에 적응한다는 것은 불가능에 가까운 일이 된다.

1.3 어떻게 키틴 분해 미생물을 다량 함유한 미생물제제를 개발할 것인가?
게, 새우 껍질 등의 천연 부산물은 우리나라 동해안을 비롯하여 미국의 알라스카주, 메인주, 캐나다 등 전 세계적으로 분포되어 연간 약 1.5 × 108톤 정도 생산되고 있다. 이러한 부산물들은 수산물 가공공장을 거쳐 생산량의 일부는 키토산을 제조하는데 사용되고 있으나 대부분은 폐기되고 있는 실정이다. 게 껍질의 주성분은 대부분이 키틴으로 이루어져 있어 생물학적으로 분해되려면 반드시 chitinase를 생산하는 키틴분해 미생물이 관여해야만 한다. 본 실험실에서 조제한 미생물 지킴이 [돈분 30%, 왕겨 10%, 톱밥 40%을 1차적으로 1년 6개월간 부숙을 시킨 후 게껍질 10%, 키틴 분해 미생물 5%, N-P-K 5%을 혼합 후 수분함량은 50%로 유지]에는 미생물 지킴이 g당 108 (1억) 개체수의 키틴 분해 미생물이 약 1～2년 동안 서식하고 있음을 확인하였다. 이는 일반 퇴비에 대해서 10,000배 이상 높은 수치다. 한편 미생물 치료사에는 [돈분 30%, 식물성 잔재물 15%, 톱밥 15%을 1차적으로 1년 6개월간 부숙을 시킨 후 게껍질 10%, 키틴 분해 미생물 5%, N-P-K 5%을 혼합 후 수분함량은 50%로 유지한 후 부숙퇴비] 게껍질 2㎏, 부숙퇴비 2㎏ (접종제 여러종의 우수한 키틴 분해균 포함), 미생물 양분 1㎏, 물 700～1000ℓ로 혼합한 후 일주일동안 25～30℃에서 배양하면 ㎖당 108 (1억) 개체수의 키틴 분해 미생물이 서식하고 있음을 확인하였다. 이는 일반 액비에 대해서 10,000～100,000배 이상 높은 수치이다. 이러한 미생물 지킴이 및 미생물 치료사 조제는 게껍질이 어떤 환경에 들어가면 chitin을 분해할 수 있는 (즉, chitinase를 생성하는) 균만이 기하 급수적으로 증가한다는 원리를 이용한 방법이다. 본 실험실에서 제조된 미생물 지킴이 및 미생물 치료사는 다량의 키틴분해미생물(108 CFU/g)을 포함하고 잇어 병해를 방지할 뿐만 아니라 식물 생육을 증가시키므로 기능성 퇴비 및 액비로서 모든 구비 조건을 갖추고 있다.

1.4 어떻게 키틴분해미생물을 근권에 정착시킬 것인가?

원예작물은 일반적으로 묘목을 1～2개월 bed상에서 키워서 field로 옮겨 심는다. Bed에서 자랄 때는 주로 미생물 지킴이를 사용하므로 1～2 개월 동안 뿌리 주위에 키틴 분해 미생물을 높은 밀도로 감염시킬 수 있다. 왜냐하면 이미 존재하고 있는 키틴 분해 미생물의 숫자도 높을 뿐만 아니라 분해가 완료되지 않은 키틴을 분해하기 위해서는 계속해서 키틴 분해 미생물이 근권 주위에서 증가하기 때문이다. 예를 들어 고추육묘의 경우 미생물 지킴이를 이용하면 키틴 분해 미생물이 다량으로 포함되어 있어 병충해 감염을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 유용 미생물들이 생산하는 plant growth promoting rhizobacteria(PGPR)로 인하여 건강한 묘를 생산한다. 또한 공정 육묘된 묘를 포장에 옮겨 심을 때 폿트 및 프러그 트래이내의 키틴 분해 미생물이 함께 옮겨지므로 포장에서도 생장 촉진은 물론 식물병원균 발병억제와 선충으로 인한 피해방지에도 크게 도움이 되리라 생각된다. 또한 미생물 치료사 ㎖당 10,000,000-100,000,000 개체수의 키틴 분해 미생물이 서식하고 있으므로 원액을 그대로 뿌리 주위나 노즐을 통하여 엽면 살포하면 미량원소의 효과뿐만 아니라 병해 방제에도 큰 도움이 되리라 예상된다.

1.5 결론
많은 학자들이 미생물을 이용하여 작물병을 방제하려고 시도하였으나 실패한 이유는 토양에 서식하고 있는 토착미생물 수 (2.4 X 1018 개체수/1ha)를 간과했기 때문이다. 즉 1ha당 실험실에서 배양한 미생물 1L (1X 1012 개체수/ha)를 접종했을 때 2,400,000 (토착미생물) : 1 (배양미생물)로 접종 미생물이 토양에서 삼아 남을 확률은 거의 없다. 어떤 기질이 환경에 들어가면 그 기질을 분해할 수 있는 (즉, 분해 효소를 생성하는)균만이 탄소원과 영양원으로 이용함으로서 분해할 수 없는 미생물 (즉, 분해 효소를 생성하지 못하는)에 비하여 기하급수적으로 증가한다는 원리를 이용한 방법이다. 특정 기질인 키틴을 이용하면 ①control되지 않은 환경에서 농가가 쉽게 원하는 특정 기능성 미생물만을 저렴한 가격으로 대량 배양할 수 있으며, ② 토양에 대량 살포되었을 때 미분해된 기질이 미생물과 함께 투입되므로 생존률이 높아 우점할 수 있으며, ③ 이들이 지속적으로 분비한 효소 및 항생물질은 병원성 곰팡이 및 선충과 선충 난낭의 세포벽을 파괴하여 죽이거나 활동을 지연시키고, ④ 또한 미생물이 분비한 수만종의 대사물질 및 호르몬은 식물 생장에 크게 기여하리라 생각된다. 동해안에서 흔히 버려지고 있는 게껍질과 농업에서 생산되는 부산물(볏짚, 밀짚, 축분 등)을 이용해서 강력한 키틴 분해 미생물이 다량 서식할 수 있는 미생물 지킴이와 미생물 치료사를 생산하여 포장에 직접 사용해서 작물의 병원균의 발병을 줄임으로 키틴 분해 미생물을 이용한 기능성 부여로 육묘에서 작물 수확까지 생장 촉진과 더불어 친환경적인 생물학적 방제 (Biological Control)를 할 수 있다.