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문제 정의
- 본 연구는 산불에 의해 훼손된 산림토양의 물리화학적 환경요인과 토양내 미생물군집의 동태와 토양내 효소활성의 변화를 분석하여 산불토양의 생태적 복원을 위한 유기성 자원과 기능성 미생물 소재개발에 대한 기초자료로 제시하고자 하였다.
가설 설정
- 인산 분해효소는 토양 내에 존재하는 각종 인산원, 즉 유기인산화합물과 무기인산중합체, polyphosphate등을 가수분해 시키는 효소들을 총칭한 것으로, 다양한 유기성 phosphate esters를 식물이나 미생물이 이용할 수 있는 형태로 전환하여 준다.23) 본 연구의 시료채집지의 pH는 대부분 5~6사이로 인산성 무기물 및 유기물은 주로 산성인산 분해효소의 활성 정도에 의해 영향을 받는다.24) 본 연구에서 산성 인산 분해효소의 활성도는 함수율과 높은 상관관계(r=0.
제안 방법
- pH에 따른 인산 분해효소의 활성도를 파악하기 위하여 기본 반응액의 용매로 acetate와 Tris-HCl 완충액을 이용하였다. 0.1 M acetate 완충액(pH 4.5)은 산성 인산 분해효소(Acidic phosphatase, ACPase), 0.1 M Tris-HCl 완충액은 각각 pH 9.0과 11.0으로 적정하여 중성 인산 분해효소(Neutral phosphatase, NEPase)와 알칼리성 인산 분해효소(Alkaline phosphatase, ALPase)의 효소활성도를 파악하기 위하여 사용하였다.
- 당시 발생한 동해안 산불로 인한 피해지역은 23,794 ㏊로서 여의도 면적의 약 80여배에 달하며 우리나라 역사상 가장 피해가 큰 산불이었다.11) 총 3회에 걸친 현지답사를 통하여, 산불의 영향을 받지 않은 정상토양(Site I: US, Unburnt Soil), 산불피해 후 자연적으로 복원된 토양(Site II: NS, Naturally restoring Soil) 그리고 송이재배를 목적으로 소나무 묘목식재를 통해 인공복원을 시도하였으나 복원되지 못하고 있는 토양(Site III: AS, Artificial restoring Soil)이 분포하고 있는 지역을 시료채집 장소로 결정하였다.
- 각 시료채취 장소에서 무작위로 10 m 이내의 거리에 있는 3개 지점으로부터 표토층(0~20 cm)의 토양(T, top-soil)과 심토층(<20 cm)의 토양(S, sub-soil)을 동량 채집하여 각각 혼합하였다. 채집된 토양들은 비닐 백에 이중으로 밀봉한 후 냉장상태로 실험실로 운반하였다.
- 지방 분해미생물은 5% TBN(Tributyrin)을 함유하는 TSA배지에 희석 도말하고 30℃에서 3일간 배양한 후, 주위에 투명대를 형성한 집락을 지방 분해미생물로 판정하여 계수하였다. 단백질 분해미생물은 1% skim milk를 함유하는 TSA배지에서 배양한 후 주위에 투명대를 형성한 집락을 단백질 분해미생물로 계수하였다.
- 종속영양 미생물은 nutrient agar(NA) 배지와 potato dextrose agar (PDA) 배지를 이용하여 세균(bacteria)과 균류(fungi)를 계수하였다. 섬유소 분해미생물은 carboxymethyl cellulose (CMC)가 포함된 TSA (Trypticase soy agar) 배지(Tryptone 15 g, Soytone 5 g, NaCl 5 g, CMC 5 g, Agar 18 g, 증류수 1 ℓ)에서 30℃로 3일간 배양 후, 0.1% Congo red 용액을 형성된 집락에 처리하여 주위에 투명대(clear zone)를 나타내는 집락을 계수하였다. 지방 분해미생물은 5% TBN(Tributyrin)을 함유하는 TSA배지에 희석 도말하고 30℃에서 3일간 배양한 후, 주위에 투명대를 형성한 집락을 지방 분해미생물로 판정하여 계수하였다.
- 시료에 copper reagent 1 ㎖를 가하여 10분간 100℃에서 가열하여 냉각시킨 후 arsenate-molybdate 용액 1 ㎖를 혼합하고, 혼합액 중 1 ㎖를 취하여 510 nm에서 흡광도를 측정하였다. 인산 분해효소의 활성도를 측정하기 위하여 습윤 토양 5 g과 활성탄소 1/4스푼을 플라스크에 넣은 후, 25 ㎖의 Morgan's 용액을 첨가하여 30분간 교반한 후 여과하였다. Ernst 방법15)에 따라 효소활성도 반응액 3 ㎖에 여과액 1 ㎖를 넣고 37℃에서 20분간 반응시켰다.
- 종속영양 미생물은 nutrient agar(NA) 배지와 potato dextrose agar (PDA) 배지를 이용하여 세균(bacteria)과 균류(fungi)를 계수하였다. 섬유소 분해미생물은 carboxymethyl cellulose (CMC)가 포함된 TSA (Trypticase soy agar) 배지(Tryptone 15 g, Soytone 5 g, NaCl 5 g, CMC 5 g, Agar 18 g, 증류수 1 ℓ)에서 30℃로 3일간 배양 후, 0.
- 1% Congo red 용액을 형성된 집락에 처리하여 주위에 투명대(clear zone)를 나타내는 집락을 계수하였다. 지방 분해미생물은 5% TBN(Tributyrin)을 함유하는 TSA배지에 희석 도말하고 30℃에서 3일간 배양한 후, 주위에 투명대를 형성한 집락을 지방 분해미생물로 판정하여 계수하였다. 단백질 분해미생물은 1% skim milk를 함유하는 TSA배지에서 배양한 후 주위에 투명대를 형성한 집락을 단백질 분해미생물로 계수하였다.
- 토성(soil texture)은 2 mm 표준망체로 친 음건 토양을 USDA(미국농무부) 분류기준에 따라 0.25 mm, 0.05 mm 체로 체거름하여 사토, 고운 사토 및 미사토와 점토로 구분하여 판정하였다. 토양 pH는 토양오염공정시험법에 따라 측정하였다.
- 토양의 효소활성도는 탈수소효소(Dehydrogenase), 섬유소 분해효소 (Cellulase)와 인산 분해 효소(Phosphatase)를 측정하였다. 탈수소효소의 측정은 Beyer 등의 방법13)에 따라 시행하였다.
- 토양 pH는 토양오염공정시험법에 따라 측정하였다. 함수량은 시료 10 g을 취하여 105℃로 24시간 건조한 후 방랭하고, 건조 전후의 무게차를 측정하여 계산하였다. 총 유기물 양의 측정은 Walkley 방법12)을 이용하였고 수용성 당의 정량은 anthrone 방법을 이용하였다.
대상 데이터
- 산림 토양 시료는 북위 37 49'15''~37 50'15'', 동경 128 47'45''~128°49'15''에 위치한 강원도 강릉시 사천면 노동리 지역에서 채집되었다[Fig. 1]. 이 지역은 2000년도 4월에 강원도 고성군, 강릉시, 삼척시, 동해시 및 경상북도 울진군에 이르는 동해안 지역에서 발생한 산불피해지의 중간지대이다.
- 효소 기본 반응액에는 기질로 이용되는 paranitrophenyl phosphate(p-NPP)를 5 mM로 조성하였다. pH에 따른 인산 분해효소의 활성도를 파악하기 위하여 기본 반응액의 용매로 acetate와 Tris-HCl 완충액을 이용하였다. 0.
- 5 ㎖을 첨가하여 재발색시켰다. 반응산물인 paranitrophenol (PNP)은 410 nm에서 흡광도를 측정하였다. 효소 기본 반응액에는 기질로 이용되는 paranitrophenyl phosphate(p-NPP)를 5 mM로 조성하였다.
- , USA)하였고, 효소활성도는 TPF(triphenyl formazan) ㎍ g-1 day-1로 나타내었다. 섬유소 분해효소의 총 활성도를 구하기 위하여 반응기질로 avicel을 이용하였다.14) 습윤 토양 1 g에 0.
데이터처리
- 토양시료의 물리화학적 특성, 미생물 군집 분포 그리고 토양효소 활성도 간의 상관관계를 pearson correlation coefficient를 이용하여 [Table 3]에 나타내었다. 총 유기물량과 수용성 당은 지방 분해미생물, 단백질 분해미생물의 군집 분포와 상관관계가 높게 나타났으며, 탈수소효소의 경우 함수율과 높은 상관관계(r=0.
이론/모형
- 함수량은 시료 10 g을 취하여 105℃로 24시간 건조한 후 방랭하고, 건조 전후의 무게차를 측정하여 계산하였다. 총 유기물 양의 측정은 Walkley 방법12)을 이용하였고 수용성 당의 정량은 anthrone 방법을 이용하였다. 총 유기물량에 대한 수용성 당류의 함량비를 구하여 S/O value로 나타내었다.
- 토양의 효소활성도는 탈수소효소(Dehydrogenase), 섬유소 분해효소 (Cellulase)와 인산 분해 효소(Phosphatase)를 측정하였다. 탈수소효소의 측정은 Beyer 등의 방법13)에 따라 시행하였다. 습윤 토양시료 5 g을 2 mm체로 친 후 50 ㎖ tube에 넣고 TTC(2,3,5- triphenyltetrazolium chloride)-tris buffer(pH 7.
- 05 mm 체로 체거름하여 사토, 고운 사토 및 미사토와 점토로 구분하여 판정하였다. 토양 pH는 토양오염공정시험법에 따라 측정하였다. 함수량은 시료 10 g을 취하여 105℃로 24시간 건조한 후 방랭하고, 건조 전후의 무게차를 측정하여 계산하였다.
성능/효과
- 2003년도 기준으로 한 해 발생량이 약 1억톤에 달하는 유기성 폐기물은 ‘생물에 유래한 동식물성의 폐기물로서 유기물 함량이 40% 이상인 폐기물’로 정의 된다.2) 유기성 폐기물은 가축분뇨, 인분뇨, 음식쓰레기 및 정원 폐기물, 식품형 부산물, 농업 부산물, 하수 슬러지 등 다양하게 발생하며 재활용 및 처리처분이 어려운 폐기물로서 생활수준의 향상과 더불어 그 발생량이 늘고 있는데 비해 재활용 또는 자원화에 관한 실적이 크게 늘지 않고 있는 실정에 있다.3) 또한 2005년도부터 시행되는 직매립 금지로 인해 자원화 정책이 본격적으로 시행되기 시작하였고 이의 한예로 군단위 지역을 제외한 폐기물 처리대상 전 구역이 분리수거에 의한 자원화 체제로 전환되고 있다.
- 섬유소 분해효소는 식물세포벽의 가장 주된 구성원으로 토양 내 섬유소 분해효소에 의한 분해는 식물잔류물의 분해에 매우 중요한 대사과정이다.22) 토양환경요인 중 총 유기물량이 정상토양 표층에서 높게 나타난 것과 같이 섬유소분해효소의 활성도 또한 유사하게 나타남을 알 수 있다(r=0.980). 또한 수용성 당 함량과도 높은 상관관계(r=0.
- 6) 그리고, 발생 정도에 따라 최고 1,000℃ 이상까지 온도를 상승시켜 미생물을 곧바로 사멸시킬 수 있으며 산불 발생 후 토양의 환경적 변화는 미생물의 분포에 지속적인 영향을 미친다.7) 효소의 활성도 또한 산불의 고온에 의해 전체적으로 또는 부분적으로 불활성화 된다.
- 6) 그리고, 발생 정도에 따라 최고 1,000℃ 이상까지 온도를 상승시켜 미생물을 곧바로 사멸시킬 수 있으며 산불 발생 후 토양의 환경적 변화는 미생물의 분포에 지속적인 영향을 미친다.7) 효소의 활성도 또한 산불의 고온에 의해 전체적으로 또는 부분적으로 불활성화 된다.8) 산불지역의 산림토양 복원을 위하여 계분, 축분, 하수슬러지 등 세가지 유형의 유기성폐기물을 적용하여 식생과 토양의 비옥도가 증가했음이 보고된 바 있으며,9) 또한 스페인의 산불지역에서 퇴비화 슬러지를 투입한 결과 산림토양의 질이 개선되고 식생발달이 촉진되는 등의 결과가 보고되기도 하였다.
- 기능성 미생물 중 단백질 분해미생물과 지방 분해미생물의 군집크기는 7.5×105, 4.1×106 CFU로 정상토양 표토에서 높게 나타났으나, 섬유소 분해미생물은 정상표토보다 자연복원지에서 1.4~1.7배 높게 나타났다. 균류(fungi)의 경우 인공복원지 심토(ASS)에서 약간 적게 나타났으며, 모든 토양시료에서 고르게 분포하는 것을 알 수 있다.
- 84 mg/g dried soil의 범주를 보였다. 또한 모든 채집지 토양에서 심토에 비해 표토가 높이 나타났으나 각 실험군 별 심토의 총 유기물량은 유사하게 나타났다. 수용성 당류의 토양 내 함량은 총 유기물량과 유사한 경향을 보였다.
- 846)를 나타냈으며 총 유기물양의 결과와도 유사하게 나타났다. 또한 지질 분해미생물, 단백질 분해미생물 분포와도 상관관계가 있는 것으로 나타나, 인산 분해효소의 활성은 함수량과 유기물량, 그리고 미생물 군집에 의해 영향을 받는 것으로 보인다.
- 21) 토양 내에 존재하는 세포 내 탈수소효소는 미생물의 호흡과정에 주로 연관된 효소로서 이 효소의 활성도 측정은 잠재적인 토양미생물의 활성도를 나타내는데 유용하게 이용된며, 전체 미생물 작용을 대표하는 효소활성도로서 미생물 군집의 생태적 기능 정도를 파악하는 1차지표이다. 본 연구 대상 토양의 탈수소효소의 활성은 정상토양이 산불에 영향을 받은 자연복원지나 인공복원지 토양에 비해 높게 나타났다. 식생이 가장 잘 발달된 것으로 보이는 정상토양에서 미생물 개체군 크기와 탈수소효소의 활성이 높게 나타난 것으로 보아 상관관계가 높을 것으로 생각된다.
- 정상토양 표층에서의 활성도가 가장 높게 나타났으며 전체적인 탈수소효소의 활성은 산불의 영향을 받지 않은 지역의 토양에서 높게 나타났음을 알 수 있다. 섬유소 분해효소의 활성도는 정상토양의 표층을 제외한 나머지 토양에서 0.72~1.65 ㎍ glucose/ g dried soil/ 16 hr의 범위를 보였으며, 특히 산불의 영향을 받지 않은 정상토양의 표층에서 9.83 ㎍ glucose/ g dried soil/ 16 hr로 두드러지게 높게 나타났다[Fig. 3]. 인산 분해효소 활성도의 pH에 따른 3가지 유형의 변화를 [Fig.
- 902)를 나타냈다. 섬유소 분해효소의 활성은 지방, 단백질 분해미생물 군집분포와 총 유기물량, 수용성 당과 높은 상관관계를 보였으며, 산성 인산 분해효소의 활성은 함수량과 높은 상관관계(r=0.846)를 보였다.
- 8배에 달하였다. 자연복원지와 인공복원지 토양은 심토의 함수량이 표토에 비해 약 2% 높게 나타났으며, 자연복원지는 인공복원지 토양에 비해 함수량의 절대적 차이는 크게 나타나지 않았다. 모든 토양시료의 pH는 5.
- 3]. 정상토양 표층에서의 활성도가 가장 높게 나타났으며 전체적인 탈수소효소의 활성은 산불의 영향을 받지 않은 지역의 토양에서 높게 나타났음을 알 수 있다. 섬유소 분해효소의 활성도는 정상토양의 표층을 제외한 나머지 토양에서 0.
- 토양시료의 물리화학적 특성, 미생물 군집 분포 그리고 토양효소 활성도 간의 상관관계를 pearson correlation coefficient를 이용하여 [Table 3]에 나타내었다. 총 유기물량과 수용성 당은 지방 분해미생물, 단백질 분해미생물의 군집 분포와 상관관계가 높게 나타났으며, 탈수소효소의 경우 함수율과 높은 상관관계(r=0.902)를 나타냈다. 섬유소 분해효소의 활성은 지방, 단백질 분해미생물 군집분포와 총 유기물량, 수용성 당과 높은 상관관계를 보였으며, 산성 인산 분해효소의 활성은 함수량과 높은 상관관계(r=0.
- 4]에 나타내었다. 토양 간 인산분해효소의 활성도에 있어 정상표토에서는 산성 인산 분해효소(ACPase; Acidic phosphatase)와 중성 인산 분해효소(NEPase; Neutral phosphatase)의 활성이 높게 나타났고, 인공복원지 표토에서는 중성 인산 분해효소와 알칼리성 인산 분해효소(ALPase; Alkaline phosphatase)의 활성도가 높게 나타났다.
- 20) 아울러 영양원, 온도, pH, 미생물간의 상호작용, 염도, 방사선, 광, 항생제, 독성화합물 등에 의한 영향도 알려진 바 있다. 토양 시료에 따른 미생물의 군집분포에서 종속영양 세균의 경우 정상토양 표토와 자연복원지 심토에서 높게 나타났다. 인공복원지 토양의 미생물 군집크기가 현저하게 작은 것으로 나타나 산불 후 복원되지 못하고 있는 피해지의 복원을 위해서는 미생물 군집크기가 어느 정도 회복되어야 할 것으로 생각된다.
- 토양내 미생물 분포는 전체적으로 산불의 영향을 받은 지역의 토양보다 정상 지역의 토양에서 높은 양상으로 나타났다. 종속영양 세균의 경우 자연복원지 심토(NSS)의 군집크기(1.
- 강릉지역 산림토양은 모두 모래질이 많은 사질토로서, 강우나 바람에 의한 토양 내 유기원과 각종 생물성 자원의 침식 및 유출로 인해 상대적으로 토질이 떨어지는 것으로 판단되었다. 토양의 물리화학적 환경인자의 분석을 통하여 산불로 인해 가장 극명하게 변화를 보인 환경인자는 함수율로 산불의 영향을 받은 지역이 정상토양보다 3~4배정도 낮게 나타났다. 산불의 영향을 받은 자연복원지나 인공복원지 모두 표토에 비해 심토의 함수율이 높은 것은 산불 후 표토의 구조 변화로 수분 보유능이 떨어져 있음을 유추할 수 있고 또한 산불의 영향이 상대적으로 심토에는 적게 미치는 것으로 판단된다.
후속연구
- 이것은 참나무의 특별한 작용 (necromass)에 의해 연소로 인해 손실된 유기물을 충분히 보충하는 것이라고 한다.19) 이렇듯 산림 토양의 유기물양은 식생에 따른 영향이 있기 때문에 산불 토양의 유기물량에 대한 연구에는 산불지역의 식생에 대한 조사가 수반되어야 할 것이다.
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