식물 성장 촉진 근권세균의 특성 및 응용에 관한 연구

Abstract

오염된 토양을 정화하기 위한 방법으로, 친환경적이고 안전하고 경제적으로 효과적인 식물과 근권세균사이에 상리공생적인 관계를 이용한 식물상정화 기법 (phytoremediation)이 주목 받고 있다. 본 연구에서는 장기간 유류와 중금속으로 오염된 토양의 6가지 식생, 돌피 (Echinochloa crus-galli, K1), 산괭이사초 (Carex leiorhyncha, K2), 닭의장풀 (Commelina communis, H1), 흰여뀌 (Persicaria lapathifolia, H2), 통보리사초 (Carex kobomugi, S1), 쇠뜨기 (Equisetum arvense, S2)의 근권토양 (rhizosphere soil, RS)와 식물뿌리조직 (rhizoplane, RP)로부터 총 374개 근권세균을 분리하였다. 이를 대상으로 다음의 3가지 식물의 성장을 촉진시키는 능력 (plant growth-promoting ability, PGPA)을 평가하였다: Indole acetic acid (IAA) 생산, 1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid (ACC) deaminase 활성, 그리고 siderophores의 합성능. 분리한 근권세균 중에서 IAA 생산능을 가지는 세균은 RS에서 22%, RP에서 24%이었으며, ACC deaminase 활성을 가지는 세균은 RS에서 51%, RP에서 37%였다. Siderophores 합성능을 가지는 세균은 RS에서 50%, RP에서 66%를 차지하였다. PGPA를 가진 세균들을 대상으로 3 종류 PGPA 사이의 상관관계를 분석한 결과, IAA 생산능을 가진 세균과 ACC deaminase 활성을 가진 세균 비율 사이에는 음의 상관관계가 있었다 (r=-0.110, p<0.05). 또한, PGPA를 가진 세균의 비율 및 특성에 미치는 식물의 종류 혹은 서식지 차이 (RS/RP)의 영향을 조사하기 위하여 주성분 분석 (principal component analysis, PCA)을 한 결과, 식물의 종류는 PGPA를 가진 세균 비율 및 특성에 영향을 미치지 않았으나, RS 혹은 RP와 같은 서식 환경의 차이는 영향을 미침을 알 수 있었다. 중금속으로 오염된 토양을 정화하기 위한 식물상 정화기에서 식물이 중금속을 흡수하고 이동시키는 효율을 증가시키기 위해 식물성장촉진 근권세균 (plant growth promoting rhizobacteria, PGPR)의 역할이 중요하다. 본 연구에서는 장기간 유류 및 중금속으로 오염된 토양에서 서식하고 있던 돌피 (Echinochloa crus-galli)의 근권 (rhizoplane)으로부터 Serratia sp. K1RP-49 균주를 분리 동정하였다. 분리한 K1RP-49 균주는 식물성장촉진 능력인 indole acetic acid (IAA) 생산능 및 siderophores 합성능을 가지고 있었으며, 납에 대한 내성을 가지고 있는 것으로 나타났다. 중금속 오염 조건 하에서 옥수수 (Zea mays)의 씨앗 발아 (Cd)와 수경재배 (Cd와 Cu)에 Serratia sp. K1RP-49를 접종한 경우, 옥수수의 뿌리, 특히 잔뿌리의 성장이 촉진되는 것으로 나타났다. 또한, 이 균주는 다양한 종류의 유기산을 생산할 수 있었는데, 그 종류 및 농도는 다음과 같다: succinic (203 mg L-1), oxalic (174 mg L-1), maleic (137 mg L-1), formic (117 mg L-1), acetic (79 mg L-1), citric (15 mg L-1), 그리고 malic acid (2 mg L-1). Serratia sp. K1RP-49가 생산한 유기산이 토양 내 중금속의 가용화 및 식물에 의한 phytoextraction에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 중금속 (Cd) 오염 토양에 옥수수를 식종한 후 균주 유래 유기산 혼합액을 첨가하여 중금속 (Cd) 이동성과 생물이용성 (bioavailability)을 평가하였다. 대조군으로 대표적인 유기산인 succinic acid를 균주 유래 유기산 혼합액 대신 사용하여 동일한 실험을 수행하였다. 그 결과, 균주 유래 유기산 혼합액은 succinic acid과 유사하게 Cd의 이동성과 식물체로의 Cd 흡수량을을 증대시키는 것을 확인할 수 있었다. 중금속으로 오염된 토양을 정화하기 위한 식물상정화 기법에서 식물이 중금속을 흡수하고 이동시키는 효율을 증가시키기 위하여 토양 미생물 특히, 근권세균의 역할이 중요하다. 이를 위하여 본 연구에서는 정유공장 주변의 유류 및 중금속으로 장기간 오염된 토양에서 서식하는 4가지 식물의 근권토양으로부터 Methylobacterium sp. SY-NiR1 균주를 분리하였다. 분리한 Methylobacterium sp. SY-NiR1의 colony는 분홍색이고, 세포는 막대모양이며 α-Proteobacteria에 속하는 pink-pigmented facultative methylotrophs (PPFMs)인 것으로 사료된다. 이 균주는 식물성호르몬인 indole acetic acid (IAA) 생산능을 가지고 있으며, 카드뮴, 크롬, 구리, 납, 니켈 그리고 아연 등과 같은 다양한 중금속에 대하여 내성을 가지고 있는 것으로 나타나, 식물이 중금속 독성에 대하여 보다 양호하게 성장할 수 있도록 돕는 역할을 수행 할 수 있을 것이다. EC50을 기준으로 한 SY-NiR1의 중금속에 대한 내성은 Ni (1.49~3.48 mM) > Zn (0.52~3.0 mM) > Pb (0.62~0.78 mM) > Cu (0.56~0.99 mM) > Cd (0.10~0.39 mM) > Cr (0.14~0.19 mM) 순이다. 따라서 본 연구에서 분리한 Methylobacterium sp. SY-NiR1균주는 중금속으로 오염된 토양에서 식물의 발아 그리고 성장 및 발달을 도와 식물의 중금속 흡수를 증가시켜 식물상정화 효율을 증가시킬 수 있을 것이다.;Many soil sites in industrialized areas are contaminated with many potentially toxic compounds. For environmental clean-up, a potential strategy is the ecologically sound, safe, and cost effective phytoremediation using the symbiotic relationship of plants and microbes in the rhizosphere. 374 colonies were isolated from the rhizosphere soil (RS) or rhizophane (RP) of Echinochloa crus-galli (K1), Carex leiorhyncha (K2), Commelina communis (H1), Persicaria lapathifolia (H2), Carex kobomugi (S1), and Equisetum arvense (S2), and tested the plant growth promoting activities (PGPAs) such as indole acetic acid (IAA) productivity, 1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid (ACC) deaminase activity, and siderophores synthesis ability. Many of them could produce IAA (RS, 22%; RP, 24%), had ACC deaminase activity were 51% (RS), 37% (RP), and could synthesize siderophores were relatively high: 50% (RS), 66% (RP). PGPR that had at least one PGPA was more abundant in RP (82%) than RS (75%). The correlation coefficient analysis was carried out for the correlation among three kind of plant growth promoting ability (PGPA). The negative correlation was formed between the PGPR which have IAA production ability and ACC deaminase activity (r=-0.110, p<0.05). Clustering analysis was carried out using kinds of plant, habitats, and three PGPA by principal component analysis (PCA). PGPR were widely distributed in the plant rhizosphere regardless of a kind of plant, habitat, or 3 PGPA. The dispersion results of RS or RP samples indicated that specific habitat (RS or RP) had significant effects on the distribution of PGPR. The role of plant growth promoting rhizobacteria (PGPR) in the development of phytoremediation techniques is important to speed up the process and to increase the rate of mobilization or absorption of heavy metals to the plant. Serratia sp. K1RP-49 was isolated from the rhizoplane of the barnyard grass (Echinochloa crus-galli) which had grown in oil and heavy metal-contaminated soil. This bacterium had plant growth promoting activities: indole acetic acid (IAA) production and siderophores synthesis ability, and also had a moderate resistance of Pb. By the inoculation of Serratia sp. K1RP-49, Zea mays root, specifically radicular root was enhanced under the condition of heavy metal toxicity. K1RP-49 could produce various organic acids such as succinic (203 mg L-1), oxalic (174 mg L-1), maleic (137 mg L-1), formic (117 mg L-1), acetic (79 mg L-1), citric (15 mg L-1), and malic acid (2 mg L-1). Pot experiments under Cd contaminated condition were carried out to study the role of organic acids produced by K1RP-49 on the phytoextraction and mobility or bioavailability of Cd in soil. Bacterial organic acids could transform cadmium into more transportable forms, and Cd uptake by Zea mays was increased. The role of soil microorganisms, specifically rhizobacteria, in the development of phytoremediation techniques is important to speed up the process and to increase the rate of mobilization or absorption of heavy metals to the plant. To meet such a purpose, Methylobacterium sp. SY-NiR1 was isolated from the rhizosphere soils of 4 plants which had grown in oil/heavy metal-contaminated soil near oil refinery. The Methylobacterium sp. SY-NiR1 may be characterized by pink-pigmented facultative methylotrophs (PPFMs) due to the pink pigmented colony, rod-shape, and classification as α-Proteobacteria. The isolate had the ability to produce indole acetic acid (IAA), and showed multiple metal resistances such as cadmium, chromium, copper, lead, nickel and zinc, which may help the plant to face heavy metal stress. The tolerance of SY-NiR1 against heavy metals, based on EC50 values, increased in order of Ni (1.49~3.48 mM) > Zn (0.52~3.0 mM) > Pb (0.62~0.78 mM) > Cu (0.56~0.99 mM) > Cd (0.10~0.39 mM) > Cr (0.14~0.19 mM). Therefore the Methylobacterium sp. SY-NiR1 may stimulate seed germination and plant development in the soil contaminated with heavy metals, and the efficiency of phytoremediation will be enhanced.