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1. 서 론
우리나라는 60% 이상이 산림으로 농경지 중 경사가 7% 이상인 밭이 약 62%이며 20% 이상에서는 강우에 의해 침식이 일어날 우려가 있다 (Yang et al. 2010). 경사지 밭에서 유출되는 토양이나 양분은 토양 비옥도를 감소시키는 주요 원인이며, 주변 수계를 오염시키거나 부영양화를 유발할 수 있다. 농업적으로 토양침식 및 양분유출을 감소시키기 위해 토양안정제, 최소경운, 간작, 피복작물, 멀칭, 초생재배, 침사구 설치 등 다양한 방법이 활용된다 (Nasir Ahmad et al. 2020). 토양침식 억제제로는 천연유기물, 무기물, 합성화합물 등이 사용되며 토양 표면에 살포하거나 혼합하여 처리한다 (Sojka et al. 2007).
경사지 밭에서 강우시 토양을 보호하기 위하여 다양한 천연 및 합성화합물을 이용할 수 있다. 전분 (starch)은 식물을 원료로 생산되며 토양에서는 셀룰로스보다 쉽게 분해되고 토양의 입단형성이나 안정성을 증진시킨다 (Mizuta et al. 2015). 양성전분 (cationic starch)은 다당류와 양전하를 띠는 물질과의 반응으로 생성되며 넓은 범위의 pH 조건에서 응집제의 역할을 한다 (Pal et al. 2005). 구아검 (guar gum)은 두과식물인 Cyamopsis tetragonoloba 의 종자에서 추출한 물질로 저온에서도 물에 용해되어 점성을 갖는 특성이 있다 (Mudgil et al. 2014). 잔탄검 (xanthan gum)은 세균인 Xanthomonas campestris에 의해 생성되며 다양한 환경에서 안정성을 갖는다 (Patel et al. 2020). Polyacrylamide (PAM)은 인공화합물로 토양입자 들을 강하게 결합시켜 표토의 유실을 억제하고 토양수분을 유지하는 효과를 갖는다 (Kebede et al. 2020).
토양미생물은 물질순환, 유기물분해, 유해물질 제거, 식물생육 증진 등 생태계의 평형유지에 기여하며, 토양 교란에 의한 토양생태계의 건전성과 생산성 변화를 보여주는 구성요소이다 (Hermans et al. 2017;Jeon et al. 2023;Lim et al. 2023). 토양미생물의 탄소 및 질소 순환, 기능적 다양성, 토양 호흡, 효소 생성 등은 환경변화를 반영하는 지표로 활용할 수 있다 (Schloter et al. 2018). 유기물 분해는 물질순환 과정에서 최종적으로는 양분의 무기화가 이루어지기 때문에 농경지의 비옥도 관리에도 중요하며, 토양미 생물의 물질순환 기능은 토양개량에 투입되는 유기물질에 영향을 받을 수 있다 (Zhang et al. 2019).
미생물은 군집의 구성에 따라 유기물질의 분해에 대하여 서로 다른 반응 양상을 보이기 때문에 탄소원의 이용 특성을 분석하여 물질순환 기능을 평가하는 방법이 있다. Biolog EcoPlate는 96-well로 구성되며 탄수화물, 아미노산, 카르복실산, 아민, 폴리머 등 31종류의 다양한 탄 소원을 3반복으로 포함한다. 토양시료의 경우 현탁액을 희석하여 일정량을 넣어 배양한 후에 탄소원의 산화 정도를 측정하는 과정을 거친다. 각 탄소원의 분해는 무색인 triphenyl tetrazolium chloride가 보라색인 triphenyl formazan으로 변하는 정도를 분광광도계로 측정한다 (Stefanowicz 2006). Biolog EcoPlate는 한정된 탄소원의 분해만을 대상으로 한다는 제한된 측면이 있지만 환경변화에 대한 미생물 군집의 다양한 반응을 분석할 수 있기 때문에 토양미생물의 기능적 다양성 연구에도 이용되고 있다 (Sofo and Ricciuti 2019).
토양침식 억제제는 강우에 의한 토양유실을 줄이는 것이 주요 목적이지만 토양미생물의 유기물분해 기능에 추가적인 영향을 줄 수 있기 때문에 물질순환과 관련하여 토양미생물의 반응을 연구할 필요가 있다. 본 연구에서는 전분, 양성전분, 구아검, 잔탄검, PAM 등 5가지 물질을 처리하여 토양미생물의 탄소원 이용특성을 분석하였으며, 그 결과를 이용하여 기능적 다양성 분석을 수행하였다. 기능적 다양성은 환경영향을 평가하는 데 하나의 지표로 활용 될 수 있으며 (Iovieno et al. 2021), 미생물 활성의 양적인 반응뿐만 아니라 군집수준의 생리적 특성 변화에 대한 정보는 농경지 관리가 토양생태계에 미치는 영향을 이해하는 데 도움이 된다.
2. 재료 및 방법
2.1. 처리
토양침식 억제제로 활용 가능한 전분 (Hangaram, Namyangju, Korea), 양성전분 (Samyang, Seongnam, Korea), 구아검 (Herbaila, NY, USA), 잔탄검 (Fufeng Bio, Xinjiang, China), PAM (SNF, Seoul, Korea)을 대상으로 시험하였다. 전분과 양성전분은 타피오카를 원료로 제조 되었다. 토양은 옥수수를 재배하는 경사지 밭의 사양토를 채취하여 사용하였으며, 이 토양의 화학성으로 pH는 5.6, EC는 0.1 ds m-1, NO3-는 5.3 mg kg-1, Av. P2O5는 9.2 mg kg-1이었고 토양수분은 16.0%이었다. 플라스틱 용기 (지름 9.5 cm×높이 4 cm)에 토양 200 g과 각 물질을 0.0, 0.1, 0.5, 1.0%로 혼합하여 3반복으로 처리하였고, 20°C에서 3주 동안 배양하면서 1주 간격으로 토양미생물의 탄소원 이용을 측정하였다. 토양의 수분조건은 처리시 수준 인 16.0%를 유지하도록 주 2회 간격으로 증류수를 첨가 하였다.
2.2. Biolog EcoPlate를 이용한 토양미생물 활성 분석
Biolog EcoPlate (Biolog Inc., Hayward, CA, USA)를 이용하여 토양미생물의 생리적 반응을 분석하였다. 토양은 2 mm 체에 통과시켜 3 g을 멸균수와 1 : 9 (w/v)의 비율로 혼합하여 200 rpm으로 30분간 교반하였다. 현탁액은 다시 10-2배로 희석하여 EcoPlate의 well에 150 μL씩 접종 후 암조건 20°C에서 An et al. (2014)에 따라 96시간 동안 배양하였다. MicroStation (Biolog Inc.)을 이용하여 590 nm에서 발색을 측정하여 토양미생물의 탄소화합물 이용을 분석하였으며, 각 탄소원의 이용 정도는 발색반응인 OD590 수치로 표시하였다 (An et al. 2014). 탄소원은 아미노산, 아민, 탄수화물, 카르복실산, 복합탄소, 인-탄소 화합물로 분류하였으며 (Table 1), AWCD (average well color development of 31 carbon sources)는 다음과 같이 계산하였다 (Eq. 1).
OD: optical density at 590 nm, N: number of substrates
기능적 다양성을 나타내는 Shannon H 지수는 다음과 같이 계산하였다 (Eq. 2). 하나의 Ecoplate에서 측정되는 탄소원의 종류는 31개로 일정하기 때문에 주로 이들의 비율이 어떻게 존재하는지에 대한 분석을 목적으로 하였다.
N: number of substrates, Pi: the relative color development
2.3. 통계분석
토양미생물의 탄소원 이용 결과는 각 물질에 대하여 조사 시기별로 처리농도의 효과를 비교하기 위하여 ANOVA 분석을 실시하여 유의적 차이 (p<0.05)가 있을 때 사후분석으로 Tukey test를 이용하여 처리 간 비교하였다. 각 물질의 처리농도와 처리기간에 대하여 two-way ANOVA를 수행하였으며, 이러한 분석은 SAS v9.1 (SAS Institute Inc., Cary, NC, USA)을 이용하여 수행하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1. 탄소원 이용
토양침식 억제제가 토양미생물의 활성에 미치는 영향은 탄소원의 종류와 처리기간에 따라 다르게 나타났다 (Fig. 1). Two-way ANOVA 분석 결과 대부분의 탄소원 분해는 처리농도에 영향을 받았다. 구아검이나 잔탄검은 처리기간보다 처리농도가 중요하다고 나타났고, 전분과 PAM은 두 요소의 상호작용에 영향을 받았다.
전분은 2주차까지 효과가 없다가 3주차에만 0.5% 및 1.0%에서 AWCD가 증가하였다 (Fig. 1). 전분은 토양의 미생물 밀도와 호흡을 증가시키지만 처리 후 몇 주 동안은 효과가 적을 수 있다 (Martinez-Trinidad et al. 2010;Teng et al. 2010). 처리 효과가 지연되어 나타나는 것은 전분이 포도당으로 분해되는데 필요한 효소의 생성에 시간이 걸리는 것이 하나의 원인이다 (Ros et al. 2003). 양성전분은 전분과 달리 모든 농도에서 1주차부터 AWCD가 증가 하였으며, 1% 처리구에서는 증가 효과가 3주차까지 지속 되었다 (Fig. 1). 양성전분의 분해성은 치환 정도가 높을수록 줄어들기 때문에 제조방법에 따라 효과가 다를 수 있다 (Bendoraitiene et al. 2018).
구아검 처리에서 AWCD 증가가 가장 뚜렷하였으며 모든 농도에서 촉진 효과가 있었다 (Fig. 1). 구아검은 토양 미생물 중 Bacillus, Anoxibacillus, Geobacillusstearo 등에 의해 분해되는 것으로 알려졌으며 (Ma et al. 2017), 토양 처리시 미생물의 활성을 나타내는 이산화탄소 발생이 증가하며 기존 탄소원의 분해를 촉진할 수 있다 (Land et al. 2011). 잔탄검은 2주차까지 효과가 있었으나 3주차에서는 효과가 줄어들었다 (Fig. 1). 특히 아민에 대해서는 모든 기간 동안 효과가 없다는 점은 탄소원의 종류에 따라 효과가 다르다는 것을 보여준다. 잔탄검은 분해에 저항성이 있다고 알려져 있으나 Land et al. (2011)은 잔탄검을 토양에 처리했을 때 호흡량 증가가 구아검 처리와 비슷하였으며 이것은 두 물질의 탄소원 이용성이 커서 쉽게 분해되었다는 것을 나타낸다고 하였다. Bacillus, Paenibacillus, Anoxybacillus 등에서 잔탄검을 분해하는 효소를 생성한다고 알려져 있다 (Ashraf et al. 2017).
PAM은 다른 물질과 다르게 모든 농도에서 AWCD를 억제하였으며, 인-탄소 화합물에 대해서만 억제효과가 없었다 (Fig. 1). Sojka et al. (2006)도 PAM의 토양처리가 미생물 생체량을 감소시켰고, Biolog GN 실험에서도 대조구와 구분되는 특성을 보였다고 하였다. PAM은 주로 호기성 세균에 의해 분해되며 기내에서 Pseudomonas putida 에 의해 일주일에 45% 정도로 빠르게 분해될 수 있으나, 토양에 투입되었을 때 2년 동안 22%가 분해되었다는 보고도 있다 (Yu et al. 2015;Hennecke et al. 2018).
3.2. 기능적 다양성
기능적 다양성을 나타내는 Shannon H 지수는 처리한 물질에 따라 다양한 반응을 나타냈으며, AWCD와 유사한 경향이 있었다 (Fig. 2). Biolog EcoPlate 실험에서도 유기물의 투입으로 인한 탄소 이용성이 기능적 다양성을 나타내는 Shannon H 지수에 영향을 미쳤다 (Gomez et al. 2006). 이러한 결과는 단일 유기물의 투입에 의해 토양미 생물의 활성뿐만 아니라 기능적 다양성도 밀접하게 영향을 받는다는 것을 보여준다. 유기물이 미생물의 기능적 다양성을 증가시키는 경우는 서로 다른 탄소원이 들어가 분해된 유기물들이 화학적 다양성을 높여 토양미생물의 기능에 영향을 미치기 때문인 것으로 보인다 (Li et al. 2019). 한편 미생물 군집의 종 구성은 탄소원의 이용성에 따라 달라지며, 기능적 다양성의 변화는 군집구조 변화와 동반되기 때문에 이에 대한 연구도 필요하다 (Siles et al. 2014;Baril and Constant 2023).
4. 결 론
토양침식 억제제가 토양미생물의 활성에 미치는 영향을 Biolog EcoPlate를 이용하여 분석하였다. 전분, 양성전분, 구아검, 잔탄검은 토양미생물의 탄소원 이용을 촉진하였으며, 그 효과는 물질에 따라 달랐다. 이러한 물질은 분해되어 양분을 공급하는 역할도 하기 때문에 농경지의 양분공급 측면에서 유리하다. 반면 PAM은 토양미생물의 활성을 억제하였고 토양생물에 유해한 영향을 미칠 수 있으므로 (Smith and Oehme 1991), 농경지에 투입될 경우 토양침식 억제제의 효과와 토양생태계에 미치는 영향을 종합적으로 고려할 필요가 있다. Biolog EcoPlate의 실험결과는 제어된 환경에서 잠정적인 대사기능을 나타낼 뿐이므로 농경지에서는 다른 반응이 나타날 수 있다. 특히 토양시료를 대상으로 분석할 경우 정해진 매뉴얼이 없기 때문에 토양 준비, 접종 농도 등에 대한 표준화가 요구된다 (Sofo and Ricciuti 2019). 또한, 토양침식 억제제로 사용되는 물질들은 제조과정이나 토양 조건에 따라 안정성이나 분해정도가 달라지므로 처리하는 토양의 특성을 고려할 필요가 있다 (Muguda et al. 2017;Li et al. 2018;Xu et al. 2020).
적 요
본 연구에서는 토양침식 억제에 사용할 수 있는 전분, 양성전분, 구아검, 잔탄검, PAM이 토양미생물의 활성에 미치는 영향을 알아보고자 하였다. 토양미생물의 반응은 Biolog EcoPlate를 사용하여 탄소원의 이용 특성으로 분석하였다. 각 물질을 토양에 0.1, 0.5, 1.0%로 처리하여 1주 간격으로 3주간 조사하였다. 전분은 3주차에서만 0.5, 1.0% 처리에서 AWCD가 증가하였다. 양성전분은 조사 시기에 따라 효과가 달랐으며 3주차에 증가 효과가 감소하였다. 구아검은 모든 농도에서 AWCD가 높아졌으며 탄소원의 종류에 따라 반응이 달랐다. 잔탄검은 모든 농도에서 AWCD가 증가하였으나 아미노산의 분해는 차이가 없었다. 반면에 PAM은 모든 농도에서 AWCD가 감소하였다. 이러한 결과는 토양처리제가 토양의 물리적 성질뿐만 아니라 토양미생물의 물질대사 기능에 이차적인 영향을 미칠 수 있음을 시사한다. 또한, Biolog EcoPlate를 이용하여 토양침식 억제제 등의 유기물 투입이 토양생태계에 미치는 영향을 평가할 수 있음을 보여준다.
