산처리 및 인산 가용화 미생물 Rahnella aquatilis를 이용한

무기 인산염의 가용화

임원봉1, 정일1, 박돈희2,3

전남대학교 생물화학공학과1, 화학공학부2, 생물산업기술연구소3

Inorganic Phosphate Salts Solublization by Acid Treatment and Phosphate Solublizing bacterium Rahnella aquatilis

Won-Bong Lim, Il Jung, Don-Hee Park*

Dept. of Biochemical Engineering, Faculty of Chemical Engineering,

Institute of Bioindustrial Technology, Chonnam National University, Kwangju 500-757

서론

인산은 생물의 성장과 발달에 광범위하게 필요한 주된 물질의 하나로 ATP나 핵산 등의 구성요소이기도 하며 식물의 성장에 있어서도 필수적으로 요구되는 성분이다. 인산은 일반적으로 토양 내에 400∼1200 mg/kg 정도 포함되어 있으나 토질이나 기후에 따라 구성하는 비율이 다양하다(1). 토양 내에서 존재하는 인의 형태로는 이온 상태로서 존재하는 인산의 형태나  토양 내 무기성분에 흡착된 형태의 인, 그리고 인산 mineral 형태로의 인, 유기물을 구성하는 성분으로 인 등이 있다. 그 중 98∼99%정도는 2가의 mineral 과 결합해 있던가 또는 토양 유기물의 형태로 존재한다. 그리고 나머지 1∼2%정도가 미생물의 조직을 구성하고 있다. 이 중  단지 0.01%정도의 인산만이 용해성 인산으로 존재한다(2). 그 중 mineral 과 결합한 인산이나 유기물로 존재하는 인산은 토양 내 미생물에 의해 가용성 인산으로 전환되거나, 혹은 비료로 공급되어 식물에 의해 이용되게 된다. 이렇게 이용된 인은 동물의 배설물 혹은 동식물의 사체로 토양내 유기물의 형태로 다시 전환된다.

식물이 흡수할 수 있는 형태로의 인산 형태의 변화는 토양내 pH와 가용성인 Fe, Al, Mn 및 그것을 함유한 광물과 칼슘광물, 미생물의 활동 등의 결과에 의한다. 따라서 식물에 의한 인산의 흡수는 인화합물이 이온의 형태로 존재하는 양이 얼마나 되는가에 따라 달라지며 인화합물이 형성하는 이온의 형태는 토양의 pH에 따라 달라진다. 강한 산성에서는 H2PO4-만이 존재하기도 하지만 실제 토양에서 그렇게 pH가 낮아지는 것은 생각하기가 어렵다.

그리하여 식물에 충분한 양의 인산을 공급하는 것은 상당히 난해한 문제가 된다. 그것은 앞서 말한 바와 같이 토양 내 인산 이온의 농도가 적을 뿐 아니라 비료로 공급되는 인산도 토양 내 양이온과 빠르게 결합하여, 용해도가 낮은 물질로 고정되기 때문이다(3).

인산은 산성 토양에서는 철 및 알루미늄 이온과, 그리고 알칼리성 토양에서는 칼슘 이온과 재빨리 결합하여, 침전 흡착 등을 통해 난용성 인산염이 된다. 결합 초기 이들은 비결정질의 형태이나 시간의 경과에 따라 variscite, sterngite, hydroxyapatite, 및 fluorapatite 등의 결정질 화합물로 변한다. 그리하여 결국에 가서는 식물이 이용할 수 있는 유리 인산은 토양내에 거의 남아 있지 못하고 불용성 인산만이 남게 되어 계속적인 인산질 비료를 시비해야 하는 악순환이 야기되며 이는 또다른 토양 오염의 여지를 남기게 되는 결과를 빚는다.

인산 가용화 미생물에 의해 생산되는 유기산 혹은 무기산은 Al, Fe, Ca 등과 결합한 난용성 인산염을 가용화 시키는 특성을 갖으며, 이러한 미생물로는 Enterobacter agglomeran(3), Aspergillus niger(4), Streptosporangium, Rahnella aquatilis, Enterobacter sp., Erwinia herbicolar(1) 등이 다양하게 알려져 있다.

본 연구에서는 유·무기산과 Rahnella aquatilis를 이용한 불용성 무기 인산염의 가용화 형태로의 전환능과 조건에 관하여 연구하였다.

실험 방법 및 장치

1. 사용 균주와 배지

본 실험에 사용한 미생물은 Rahnella aquatilis로서 생명공학연구원 유전자원센터 유전자은행에서 분양을 받아 LB배지에서 2-3일 간격으로 계대배양을 하여 실험에 사용하였다.

2. 산 처리에 의한 무기인산염의 분해

무기산에 의해 무기 인산염 hydroxyapatite가 분해될 때 생성되는 인산의 양은 0.001, 0.01, 0.1, 1N의 염산, 황산, 질산에 0.4%의 hydroxyapatite를 가하여 이를 실온에서 1시간 동안 100rpm으로 교반하면서 반응시켜 생성되는 인산의 양을 측정하였다. 유리 인산 분석은 ammonium molybdate 환원법(5)을 이용하여 분석하였고,  시간의 경과에 따른 각각의 무기산에 의한 인산 생성량을 확인하기 위해 0.4%의 hydroxyapatite에 0.01N의 염산, 황산, 질산을 가하여 시간별로 유리된 인산의 양을 측정하였다.

여러 무기 및 유기산에 따른 무기인산염의 가용화 정도를 측정하기 위하여, 0.01N의 무기산 염산, 황산, 질산과 유기산 젖산, 아세트산, 옥살산, 말산, 시트르산, 글루코닉산, 숙신산을 0.4%의 hydroxyapatite에 가하여, 2시간 후에 유리된 인산의 생성량을 측정하였다.

3. R. Aquatilis의 성장에 따른 유리 인산의 측정

R. Aquatilis의 성장 조건을 확인하기 위하여 초기pH 4, 5, 6, 7, 8, 9에서 각각 72시간 동안, 37□, 100rpm으로 LB 배지에서 배양하였다. 미생물의 성장은 660nm에서 흡광도(Spectrophotometer, HACH, USA)로 측정하였다. 그리고 pH 7.0의 HY 배지에서  72시간동안 37□, 100rpm으로 미생물을 배양하면서 hydroxyapatite의 분해에 따른 유리 인산의 생성량을 측정하였고, 그에 따른 pH변화를 살펴보았다.

결과 및 고찰

1. 산처리에 의한 유리 인산의 생성

각각의 농도에 따른 산 처리를 하였을 때 생성되는 유리 인산의 양은 Fig.1과 같다. 0.4g/L의 hydroxyapatite에 무기산을 처리하였을 때 생산되는 유리 인산의 양은 1N의 황산으로 처리하였을 때 다른 무기산보다 많은 양인 2126.7mg/L까지의 유리 인산이 생성되었고, 염산의 경우에는 1695.8mg/L, 질산의 경우에는 1893.3mg/L의 유리 인산이 생성되었다. 특히 0.1N에서 1N의 농도가 높은 산으로 처리할수록 높은 농도로서 유리 인산이 생성되었지만, 0.1과 1N로 높은 농도의 산에 의해 생성되는 유리 인산의 농도에는 큰 차이를 보이지 않았다.

산 처리에 의해 생성된 시간의 흐름에 따라 나타나는 유리 인산의 농도는 Fig. 2와 같으며 처리 후 2시간 후에 가장 높게 나타났고, 그 이후에는 조금씩 감소하였다.

그리고 다른 여러 종류의 유기산으로 처리하였을 때 생성되는 유리 인산의 농도는 Fig. 3과 같으며, 종류에 따라 많은 양의 유리 인산이 생성되었다. 특히 0.01N의 옥살산이나 시트르산으로 처리하였을 때, 가장 높은 농도의 유리 인산이 생성되었고, 그에 비하여 아세트산으로 처리하였을 때는 낮은 농도의 유리 인산이 생성되었다.

2. R. aquatilis의 성장과 유리 인산의 생성

초기 pH를 달리하였을 때 R. aquatilis의 성장은 Fig. 4와 같다. 초기 pH가 7인 경우 가장 높은 성장을 보였으며, pH 4인 경우에는 거의 성장을 보이지 않았다. 초기 pH에 따른 배양 기간 중 pH의 변화는모든 pH 조건에서 배양 개시 후 약 15시간이 지나면 pH 4.0 정도로 낮아졌으며, 그 이후에는 미생물의 성장이 급격히 저하되었다. 따라서 미생물의 지속적인 성장을 위해서는 배지의 pH를 적절히 유지 시키는 것이 필요할 것이다.

초기 pH 7.0에서 R. Aquatilis가 성장함에 따라 생성되는 유리 인산의 농도 또한 배양 개시후 처음 10시간까지 급속히 생성되어 배양 개시 후 15시간만에 가장 높은 농도의 유리 인산 생성량을 보이다가, 그 이후로는 조금씩 감소되는 것이 관찰되었다. 이는 인산 이온의 염과의 결합, 혹은 미생물에 의한 흡수 등의 요인으로 여겨진다.

사사

이 논문은 2000년도 전남대학교 학술연구비 지원에 의하여 연구하였으며, 이에 감사를 드립니다.

Reference

1. Hilda rodriguez, Reynild Fraga "Phosphate solublizing bacteria and their role in plant growth promotion" Biotechnology advances, 17, p319-339(1999)

2. Nylec Brady "The Nature and properties of soils" Macmillan publishing company, p352-353(1990).

3. K. Y. Kim, "Hydoxyapatite solublization and organic acid production by Enterobacter agglomerans" The journal of Korean society of soil science and fertilizer, 30, 2(1997).

4. N. Vassilwv, M. T. Baca, M. Vassileva, I. Franco "Rock phosphate solubilization by aspergillus niger grown on sugar-beet waste medium" Microbial biotechnol.44, 546-549(1995).

5. I. Jung, MS Theses, Chonnam National University, kwangju, Korea(2001).