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4. 미생물농법
■ 토양미생물제제 비료(microbial materials biofertilizer) 란 - 유용한 토양미생물의 기능을 이용하여 토양의 작물 양분공급능력을 증대시키거나, 토양 중 작물양분의 유효도를 증진시길 목적으로 토양에 가해지는 순수 배양된 특정 미생물을 제제화한 비료
■ 토양미생물제제 비료의 특징
1) 토양미생물제제 비료는 함유된 미생물의 기능 또는 미생물이 생성하는 효소나 대사산물에 의해서 작물재배에 도움이 되는 생물자재라고 할 수 있다. 살아 있는 미생물이 기능을 발휘해야하므로 일반비료와는 근본적으로 다른 특징을 가지고 있다. 작물에 필요한 무기영양분을 공급하는 것을 목표로 삼고 있는 일반 비료와 달리 토양미생물제제는 토양 생태계를 작물에 유리하게 개선한다는데 초점을 맞추고 유기물 시용과 함께 체계적으로 시용될 때 비로소 그 효과를 볼 수 있다.
2) 토양미생물제제 비료는 비료의 성분은 ① 세균, 곰팡이, 방선균 등 살아있는 기능 미생물 및 효소 등의 대사산물, ② 버미큘라이트나 제올라이트 등과 같은 미생물의 안정화를 위한 유기영양원 및 기타 보조제 등으로 구성되어 있다.
■ 토양미생물제제 비료의 기능
1) 토양 병해 억제형 - 토양 내에 길항미생물을 투입하여 정착시킴으로써 토양 내의 병원성 미생물의 밀도를 감소시키거나 감염에 취약한 부분을 보호하여 병해를 예방한다. 살포한 길항미생물은 길항, 경합, 기생능력 등으로 병원성 미생물을 가해하거나, 간접적으로 식물에 저항성을 유도하여 최종적으로 발병을 억제한다. 형광성 Pseudomononas와 같은 미생물들은 siderophore와 같은 착화물을 분비하여 병원성 미생물의 생육에 필수적인 철 등의 원소를 결합하여 병원성 미생물이 흡수하지 못하게 함으로써 토양병해를 억제하기도 한다.
2) 퇴비 종균제형 - 퇴비화 과정에 관여하는 미생물들 중에는 강한 유기물 분해 효소활성을 가지는 미생물들이 자연적인 퇴비화 과정(발효)의 시간을 단축시켜준다.
3) 토양개량제형 - 식물이나 일반적인 미생물에 비해서 토양 중 유기물 분해 능력이 뛰어난 미생물은 식물에 의한 토양내 양분 이용성을 증대시키고, 미생물의 증식과 더불어 형성되는 균사체와 미생물이 분비하는 다당류 등의 각종 점성물질 등으로 입단화가 촉진되어 토양내 점토광물 보존, 수분 보유력 및 통기성 유지 등으로 토양의 물리성이 개선하는 효과가 있다. 토양의 물리성 개선 외에도 토양 pH 교정, 염류장해 완화, 가스장해 완화 등의 토양의 화학성 개선효과가 현장에서 발견되고 있다.
4) 식물생장촉진제형
① 인산염 가용화 균은 작물이 이용할 수 없는 토양 중의 난용성 인산염을 가용화시켜 작물이 쉽게 이용할 수 있게 함으로써 식물의 생장을 촉진한다. 인산염 가용화 균으로 알려진 것은 Bacillus megaterium 등의 세균, Aspergillus niger, Penicillium 속과 같은 다양한 사상균이 있다.
② 뿌리혹박테리아(Rhizobium 속)는 작물로부터 탄수화물을 공급받아 공기 중의 질소를 고정하여 작물에 공급한다. 이 외에도 질소를 고정하는 미생물로는 Azotobacter, Azospirillum 속 등이 있다.
③ 균근균(Mycorrhizae)은 사상균의 일종으로서 식물체 조직과 외부 토양환경에 걸쳐 서식하면서 식물 뿌리가 미치지 못하는 영역으로부터 인 등의 무기원소에 대한 식물의 흡수를 촉진한다. 또한 염해와 한발에 대한 저항성과 뿌리혹형성을 촉진하는 효과도 있다.
④ 식물생장촉진미생물(PGPR)은 식물근권에서 다양한 기작에 의해서 식물의 생장을 촉진하며 Bacillus 속과 Pseudomonas 속 등이 PGPR 미생물로 알려져 있다. 이들 근권세균이 식물의 생장을 촉진시키는 기작을 살펴보면 토양 또는 뿌리전염성 병해에 대한 생물학적 방제효과, 미생물이 분비하는 생장촉진호르몬을 포함한 각종 영양물질과 생리활성 물질의 이용, 양수분 흡수촉진 등으로 식물의 생장이 촉진되는 것으로 보고되고 있다.
⑤ 광합성세균은 핵산, 조지방, 조단백질 등을 포함한 다수의 생리활성물질 및 광합성물질을 생산, 이들이 식물의 영양원으로 작용하여 식물의 생장을 촉진하느 것으로 보고되고 있다.
표. 기능별 관련 미생물 종류
■ 미생물비료에 이용되는 주요 미생물
1) 근류균 - 질소고정 세균 가운데 근류균(Rhizobium)이 가장 널리 이용되고 있다. 근류균은 단독으로 생존할 때는 부생성이지만 숙주식물이 있으면 뿌리를 통해 감염된 후 뿌리혹을 형성하는 공생관계를 가지게 된다. 근류균이 기주식물에 감염하여 공생관계를 형성하기 위해서는 일정 수준이상의 근류균이 토양에 존해해야한다. 그러나, 근류균이 비록 우수한 부생성 근권미생물이지만 콩과작물이 재배되니 않은 곳에서는 균이 밀도가 높지 않은 경우가 많다. 이런 경우에는 토양 내 근류균 서식밀도를 임계수준 이상으로 높이기 위한 인위적 균류균 접종이 필요하다. 생물비료의 중요한 부분을 차지하고 있는 근류균에 의한 질소고정작용을 이용하고자 균류균의 생리적 특성 및 고유 토양 근류균 밀도가 조사 되었다. 그리고 접종제로서도 다양한 연구가 수행되었으나 국내에서의 근류균접종제 사용은 거의 없는 편이다. 그 이유는 우리나라 토양에 서식하고 있는 고유 균류균 수가 높아 신개간 토양과 같은 경우를 제외하고는 근류균의 인위적인 접종이 필요하지 않기 때문이댜.
2) 아졸라(Azolla) 및 남조류(Cyanobacteria) - 수도 재배지에서 중요한 미생물비료는 수생양치 식물인 아졸라와 남조류이다. 아졸라는 동남아시아에서 널리 활용되고 있지만, 생육적온이 20∼30℃로 월동이 곤란하여 우리나라에서는 사용에 큰 영향을 받는다. 또한 아졸라는 노동집약적이며, 관개수, 인산비료 및 병해관리 방법 등이 고려되어야 하는 단점을 가지고 있다. 시안세균인 남조류도 일부 아시아 국가에서 이용되고 있다. 남조류에 의해 고정되는 질소량은 80kg N/ha 에 이르지만 평균량은 약 27kg이다. 남조류에 의한 작물 생산성 증대는 질소 고정능에 의한 것이지만 작물생육촉진 작용과 같은 다른 요인도 관여되고 있음이 밝혀지고 있다. 염류집적 혹은 괴불 현상에 관여하는 것으로 알려져 있다.
3) 단서 질소고정세균(free-living nitrogen-fixing bacteria) - 근권에서 분리되는 단서 질소고정 세균에는 아그로모나스, 알칼리제네스, 아쿠아스피릴리움, 아조스피릴리움, 시트로박터, 엔테로박터, 플라보박테리움, 클렙시엘라, 슈도모나스 등이 있다.
4) 인산염 가용화균 - 식물양분의 필수 원소인 인산이 작물에 이용되기 위해서는 유효태가 되어야 한다. 그러나 인산질 비료가 시용되면 칼슘, 알루미늄, 마그네슘 및 철 이온과 화학결합을 하여 불용성 형태로 쉽게 전환된다. 이러한 반응에 의해 유효태 인산은 난용성 인산염이 되어 식물이 이용할 수 없게 된다. 인산염가용화 미생물은 구연산과 같은 다양한 종류의 유기산을 분비하여 나용성 무기태인산을 가용화하거나, 인산가용화 효소에 의해 유기태 인산을 무기화하여 식물이 이용할 수 있게 한다. 이들 작용은 주로 근권에서 이루어지는데, 미생물은 인산을 가용화하여 그들 자신이 흡수하지만 여분의 많은 양의 인산은 식물이 흡수하게 된다. Bacillus firmus 라는 세균은 인돌 초산을 분비하여 다량의 인산염을 가용화하는 세균으로 알려지고 있다. 인산염 가용화작용과 관련된 미생물에는 Bacillus, Pseudomonas 속 등의 세균과 Aspergilis, Penicilluinm, Tricoderma 속 등의 사상균이다.
5) 마이코리자 (VAM) - 식물 대부분은 마이코리자와 공생적 균근을 형성한다. 마이코리자는 서식형태에 따라 외생 및 내생균근균으로 분류되지만, 이 가운데 내생 균근균에 속한 낭상주지체 내생균근균인 VAM이 원예류에 대한 생물비료로 많이 활용되고 있다. 여기에는 Gigaspora, Scutellospora, Glomus, Sclerocystis, Acaulospora 및 Entrophospora 등 6속이 있으며, 약 150 종이 분리되고 있다. 원예작물에 대한 균근균의 효과는 유묘생육촉진, 인산공급, 묘목생존율 및 발달증진, 뿌리병해에 대한 내성증대, 물리적 스트레스에 대한 저항성 증진, 개화 및 응실기 단축, 작물균질성 증진, 삽목의 발근률 개선 및 과일생산성 증가 등이다.
6) 식물생육촉진 미생물 - 미량원소 공급 및 식물생육 조절자로서 Pseudomonas 속은 시데로포아(sideropore)라는 착화합물을 분비하여 철과 같은 미량원소를 결합하여 병원성 미생물의 생육을 억제하거나 작물의 생육을 촉진하는 기능을 가지고 있다.
7) 고온성 미생물을 이용한 규격 퇴비 생산 - 환경농업 및 집약재배를 위한 농경지 관리방법으로 유기물 수요가 급증함에 따라 다양한 종류의 유기물이 퇴비자원으로 활용되고 있다. 볏짚과 같은 식물잔사는 전통적인 퇴비자원으로 많이 활용되고 있으나, 이것만으로는 공급량이 부족하여 축분 및 산업 부산물 등이 이용되고 있다. 그러나 일부에서는 품질관리 부실로 인한 문제가 발생하고 있다. 실제 퇴비공장에서 생산된 퇴비의 유기물/질소의 평균값이 50.2로 부숙상태가 불량하다고 보고되고 있는데 이는 부숙 단계별 미생물 작용이 정상적을 완료되지 않았기 때문이라 할 수 있다. 한편, 유기자원으로 활용되는 산업부산물이라도 일부는 그 자체 내에 미생물이 크게 부족하여 부숙을 돕고자 다양한 종류의 미생물 부숙제가 생산되고 있으나 그 효과가 뚜렷하지 못한 경우가 있는데, 이는 부숙공정에 관련되어있는 생물학적 작용이 고려되지 않고 있기 때문이다. 고온성 미생물은 일반적으로 55℃ 이상의 고온에서 생육할 수 있는 다양한 미생물을 의미한다. 고온성미생물에는 Thermus, Bacillus, Thermoactinomyces, Streptomyces, Saccharomonospora, viridis, Thermoascus, Thermomyces, Talaromyces, Chaemium, Lactobacillus, Cladosporium 속 등이 다양한 서식 환경에 분포하고 있다. 이들 고온성 미생물의 활용은 신대사물질, 내열성 효소, 폐자원이나 생체이물질 분해, 버섯재배를 위한 퇴비생산, 유전자 조작에 대한 cloning host, 발효산물 등 그 적용영역이 매우 다양하다.