중금속 및 유류 오염 토양의 rhizoremediation을 위한 중금속 내성 식물 생장 촉진 근권세균의 접종 효과

Abstract

For enhancement of rhizoremediation performance, which remediate contaminated soils using the interactions between plants and microorganisms in rhizosphere, it is required to develop effective microbial resources that simultaneously degrade contaminants and promote plant growth. In this study, heavy metal-resistant rhizobacteria were isolated from rhizospheres of maize and tall fescue, which had been cultivated in the soils contaminated with heavy metals and diesel. After that, the isolates were qualitatively evaluated for plant growth promoting (PGP) activities, heavy metal tolerant and diesel degradability. Among them, pot experiments were performed using the best strains, Sphingomonas sp. PbM2 isolated from rhizosphere of maize and Novosphingobium sp. CuT1 isolated from rhizosphere of tall fescue. First, the rhizoremediation was studied by inoculationg CuT1 into heavy metals and TPHs contaminated soil planted with tall fescue. After the isolates PbM2 and CuT1 were inoculated into heavy metals (Cu and Pb) and TPHs contaminated soil to evaluate the germination of maize. Also, the changes n the microbial community and rhizoremediation were studied by inoculationg PbM2 and CuT1 into heavy metals contaminated soil planted with maize. A total of 44 isolates were isolated from the heavy metal and TPHs contaminated soil. Indole acetic acid (IAA), siderophore production and 1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid (ACC) deaminase activity were evaluated for the isolates. All of the 44 isolates had the IAA production, and only 16 isolates had the siderophore production. The 26 isolates showed high activity of ACC deaminase. Based on the results, the 8 isolates having excellent heavy metals tolerance and plant growth promoting ability were selected. Only 2 isolates had a diesel removal efficiency of 70% or more. Only 4 isolates had heavy metals tolerance regardless of heavy metal types. As a result of investigating previous studies after identifying, it was found that they possess similar heavy metal tolerance, plant growth promoting ability and diesel degradation with the same genus. Among them, 2 isolates (Sphingomonas sp. PbM2 and Novosphingobium sp. CuT1) were performed the pot experiments. Novosphingobium sp. CuT1 had excellent heavy metals (Cu and Pb) of 5 mM and plant growth promoting ability and diesel removal efficiency of 40% or more. CuT1 was inoculated into heavy metal and diesel contaminated soil planted with tall fescue. The isolate CuT1 increased IAA, dehydrogenase (DH) and siderophore activity in soil, and showed a significant positive correlation (p<0.05) with root elongation and dry weight of tall fescue. The diesel removal efficiency was less than 30%, and the inoculation effect was insignificant. However, it was tolerance to heavy metals and improved the transfer of heavy metals to tall fescue. The effect of rhizoremediation was demonstrated in heavy metals and TPHs contaminated soil by increasing the bioavailability of heavy metal by 1.03~1.25 times compared to the control (non-inoculation). Sphingomonas sp. PbM2 isolated with Novosphingobium sp. CuT1 had tolerance to heavy metals (Cu and Pb) of 1 mM. In addition, ACC deaminase and siderophore production were 28 and 1.8 times higher than the isolate CuT1, respectively. Compared to the control, inoculation with the isolates PbM2 and CuT1 significantly promoted the germination and growth of maize under Cu and Pb contaminated soil (p<0.05). The rhizoremediation effect was evaluated by inoculating the isolates PbM2 and CuT1 in heavy metal contaminated soil planted with maize. The isolates increased the Cu bioavailability in soil and maize (up to 1.8 times compared to the control). It had a positive effect on the remediation of contaminated soil by promoting absorption into maize. In addition, maize elongation and biomass were increased by promoting the activity of plant growth promoting enzymes (IAA and DH). Therefore, Sphingomonas sp. PbM2 and Novosphingobium sp. CuT1 confirmed the potential to rhizoremediation of heavy metal of TPHs contaminated soil with growth improvement of plant. They were expected to be used as a useful microbial resource for rhizoremediation technology.;본 연구에서는 유류와 중금속으로 복합 오염된 토양 내 식재된 옥수수(Zea mays L.)와 톨페스큐(Festuca arundinacea L.)에서 근권토양을 채취하여 근권세균을 분리하였다. 분리된 근권세균을 대상으로 하여 중금속 내성능과 식물 성장을 촉진하는 능력을 가진 세균(heavy metal tolerance and plant growth promoting rhizobacteria, HMT-PGPR)을 선별하였다. 해당 HMT-PGPR을 대상으로 유류 분해능과 고농도의 중금속 내성능을 평가하였고 그 능력이 우수한 균주를 선별하였다. 그 중 옥수수 근권에서 분리된 Sphingomonas sp. PbM2와 톨페스큐 근권에서 분리된 Novosphingobium sp. CuT1을 이용해 화분 실험을 수행하였다. 먼저 유류와 중금속으로 동시에 복합오염된 토양 내 톨페스큐를 식재하였고 CuT1을 접종하여 톨페스큐의 성장 향상과 rhizoremediation에 관해 연구하였다. 이후 분리균주 PbM2와 CuT1을 중금속(구리 및 납)으로 단일 오염된 토양 내 접종하여 옥수수 종자의 발아능력을 평가하였다. 또한 중금속(구리와 납)으로 복합오염된 토양 내 옥수수를 식재하고 PbM2와 CuT1을 접종하여 옥수수 성장 향상과 중금속 오염 토양의 rhizoremediation 및 오염 토양 내 미생물 군집의 변화 등에 관해 연구하였다. 유류와 중금속으로 복합오염된 토양으로부터 총 44개의 근권미생물을 분리하였고, 분리한 근권세균을 대상으로 indole acetic acid (IAA) 생산, siderophores의 합성능 및 1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid (ACC) deaminase 활성을 평가하였다. 순수분리된 44종 균주 중 모두 IAA를 생산하는 능력을 보유하고 있었으며, siderophore 생성능의 경우 16종 균주만이 활성을 보였다. ACC deaminase 활성은 26종이 높은 활성을 보였으며 해당 결과를 바탕으로 중금속 내성능과 식물 생장촉진능이 모두 우수한 8종의 균주를 선별하였다. 8종 중 2종만이 70% 이상의 디젤 제거효율을 보유하고 있었으며 또한 고농도 중금속 내성능(5 mM 이상)은 중금속 종류에 관계없이 총 4종만이 보유하고 있었다. 총 8종의 분리균주들을 동정한 후 선행연구를 조사한 결과, 같은 속의 균주들과 유사한 중금속 내성, 식물 생장촉진 및 유류분해 능력을 보유하고 있음을 알 수 있었다. 그 중 능력이 우수한 2종(Sphingomonas sp. PbM2 및 Novosphingobium sp. CuT1)을 선별하여 화분 실험을 수행하였다. Novosphingobium sp. CuT1은 5 mM의 중금속(구리 및 납) 내성능 및 식물생장 촉진능이 우수하고 40% 이상의 디젤 제거효율을 보유하고 있었다. CuT1을 톨페스큐가 식재한 중금속 및 디젤 복합오염 토양 내 접종하였다. 식물 생장 촉진능을 보유한 CuT1은 토양 내에서 IAA, dehydrogenase (DH) 및 siderophore 활성을 증가시켜 톨페스큐의 뿌리 신장 및 건조 중량과 유의미한 양의 상관관계(p<0.05)를 보였다. 화분 토양 내 디젤 제거효율은 30%에 못미치는 수준으로 접종효과가 미미하였으나, 오염 농도에 내성을 가지고 식물로의 중금속 전이를 향상시켰으며 중금속의 생물유효 농도를 대조군에 비해 1.03~1.25배 증가시켜 중금속과 유류 복합 오염 토양에서 rhizoremediation의 효과를 입증하였다. Novosphingobium sp. CuT1과 함께 분리한 Sphingomonas sp. PbM2은 1 mM 이상의 중금속(구리 및 납) 내성능을 보유하고 있었다. 또한 CuT1 균주에 비해 ACC deaminase와 siderophore 생성능이 각각 28배 및 1.8배 높았다. 대조군(비접종)에 비해 구리 및 납 오염조건에서 PbM2와 CuT1 균주 접종은 옥수수의 발아와 성장을 유의하게 촉진하였다(p<0.05). 옥수수를 식재한 중금속(Cu : Pb, 1:1) 오염 토양 내 PbM2와 CuT1 균주를 접종하여 rhizoremediation 효과를 평가하였다. 대조군(비접종)에 비해 토양과 옥수수 내 구리의 생물유효 농도를 증가시켰으며(최대 1.8배) 옥수수로의 흡수를 도모하여 오염토양의 정화에 긍정적인 영향을 미쳤다. 또한 근권토양의 식물 생장 촉진 효소인 indole-3-acetic acid (IAA) 및 dehydrogenase (DH)활성을 증가시켜 옥수수 신장과 바이오매스를 증가시켰다. 따라서, Sphingomonas sp. PbM2와 Novosphingobium sp. CuT1은 각각 옥수수와 톨페스큐의 성장 향상과 함께 중금속 단일 오염 또는 유류 및 중금속 오염 복합토양의 rhizoremediation에 적용 가능한 잠재력을 확인하였고 생물학적 정화기술에 유용한 미생물 자원으로 이용될 것으로 기대된다.