Distribution Map of Microbial Diversity in Agricultural land

농경지 토양미생물 분포도

서장선*·노형준¹·권장식·원항연·홍석영

농촌진흥청 국립농업과학원, ¹농촌진흥청 국립원예특작과학원

Distribution Map of Microbial Diversity in Agricultural land

Jang-Sun Suh*, Hyung-Jun Noh¹, Jang-Sik Kwon, Hang-Yeon Weon, and Suk-Young Hong National Academy of Agricultural Science, R.D.A., 249 Seodun-dong, Suwon, Korea

1National Institute of Horticultural and Herbal Science, R.D.A., 475 Imok-Dong, Suwon, Korea

Biogeography is the study of the distribution of biodiversity over space and time. We report the development of a prototype database that maps of microbial diversity in the context of the geochemical and geological environment and geographic location. It aims to reveal where organisms live, and at what abundance in nation wide. Microbial data collected from agricultural land during 1999 to 2007 were categorized for mapping with ArcGIS program. Distribution maps of bacteria, fungi, Bacillus and gram negative bacteria of agricultural land showed different patterns from each other. Microbial biomass content investigated in year of 2007 was higher than in 1999.

Key words: Microbial map, GIS

접수 : 2010. 11. 1 수리 : 2010. 12. 20

*연락저자 : Phone: +82312900411 E-mail: [email protected]

서 언

지구생태계를 구성하는 모든 생물은 환경과 더불어 끊 임없는 변화를 주고받고 있는데, 이는 생태계가 가지고 있는 순환적 기능 때문이라 할 수 있다. 지구 특히 농경 지로 이용되고 있는 토양은 지상 동식물은 물론 미생물 을 포함한 토양생물이 서식하고 있는 중요한 장소이다.

미생물도 다른 동식물처럼 먹이사슬 안에서 다른 생물과 직간접적으로 영향을 주고받고 있다. 그러나 육안으로 보이지 않고 생태계에 서식하는 모든 미생물을 분석할 수 있는 방법이 없다는 점에서 모니터링 대상으로서 어 려운 부분이 있지만, 미생물은 물질 순환 및 다른 생물 에 대한 영향이 매우 크기 때문에 농업환경의 미생물적 특성을 평가하고 기후 변화와 더불어 지속적으로 조사해 야 할 대상이 되고 있다.

동식물 다양성에 대한 지리학적 분포상은 18세기부터 조사되었지만 미생물에 대해서는 최근 들어 시작 되었는데 (Martiny et al., 2006), 토양 질 (Cheng et al., 2007), 환경오염과 관련된 대장균 (Haller et al., 2008), 독소 생성 미생물 발생현황 (Battilani et al., 2006) 등에 대해 보고되고 있다.

생태학의 중심목표는 생물다양성이 어떻게 생성되고 유지되는 가를 이해하는 것이다. 종 다양성의 공간적 양 상은 생물다양성을 조절하는 메카니즘에 대한 정보를 제 공하므로 conservation priority를 설정하는 것은 중요 하다. 식물과 동물에 대한 공간적 양상은 많은 연구로 인 해 기록되어 있지만, 세균, 고세균 및 현미경적 진핵생 물과 같은 미생물 종에 대해서는 그렇지 못하다. 미생물 이 지구생태계에서의 생물량, 생물지리화학적 순환작용 및 생태학적 기능에 매우 중요함에도 이러한 면이 제대 로 인식되고 있지 못함은 심각한 문제점이 아닐 수 없다 는 의견이 제기되었지만 (Torsvik et al., 2002), 미생물 공간적 패턴을 해석하고자 distance-decay, taxa-area, local : global taxa richness ratio 등이 제안되기도 하였다 (Green and Bohannan et al., 2006). Haller et al. (2008)은 침전물에서의 분변지표세균의 공간 분 포 및 생존율을 지도상에 점 데이터로 표시하였다.

미생물 조사자료와 GIS (Geographic Information Sys- tem; 지리정보시스템)를 이용한 미생물분포도가 작성되 고 있으며 (Stoner et al., 2001), 인터넷을 통한 지리 정보가 공동으로 이용되고 있다 (Panagos et al., 2008).

따라서 미생물의 물질순환 기능, 기후 변화 등에 의한 생 태계 교란 및 미지 생물종의 출현가능성 등을 고려할 때 미생물 모니터링과 관련하여 minimum data set을 정 하여 지속적으로 조사할 필요가 있다고 생각된다. 본 논

Table 1. Number of sampling sites for data base of microbial distribution on agricultural land.

Parameter Year

Total

’99 ’00 ’01 ’02 ’03 ’04 ’05 ’06 ’07

Soil^† RP PFH UP OR RP PFH UP OR RP

Sites investigated 461 496 511 514 205 451 464 456 450 3,792

Sites used for mapping 379 379 400 371 170 330 383 362 450 3,224

†RP: rice paddy, PFH: plastic film house, Up: upland, Or: orchard.

Table 2. Database schema for soil microbial distribution in agricultural land.

Column name Column ID Description Key Data type Length

Soil microbial Code FM_CD Soil microbial Code PK VC2 7

Original data management code OG_CD Original data management code VC2 14

Research year RS_YR Research year VC2 4

Bacteria BT Bacteria (CFU g^-1) N 9

Actinomycetes ATMC Actinomycetes (CFU g^-1) N 8

Fungi MOLD Fungi (CFU g-1) N 7

Fluorescent Pseudomonas FS_PM Fluorescent Pseudomonas (CFU g^-1) N 8

Mesophilic Bacillus MS_BS Mesophilic Bacillus (CFU g^-1) N 9

Thermophilic Bacillus TM_BS Thermophilic Bacillus (CFU g^-1) N 8

Gram negative bacteria GR_NB Gram negative bacteria (CFU g^-1) N 8

Coliforms CF Coliforms (CFU g^-1) N 7

Microbial biomass BM Microbial biomass (mg Kg^-1) N 4

문에서는 농업환경변동조사 사업으로 수행되었던 논, 시 설재배지, 밭, 과수원에 대한 농경지 토양미생물 조사 자료를 GIS 데이터베이스로 구축하고, 미생물 종류별 군 집밀도와 미생물체량의 공간적･시간적 분포특성을 알아 보는 것을 목적으로 하였다.

재료 및 방법

원시자료 검토와 DB스키마 작성 농업환경변동조 사사업으로 추진된 농경지 토양의 미생물 분포조사 자료 를 이용하여 미생물 분포도를 작성하고자 1999년부터 2007년까지 논, 시설재배지, 밭, 과수원에서 조사된 미 생물 자료를 수집하였다. 수집된 자료의 현황은 논에서 1999년 461점, 2003년 205점, 2007년 450점, 시설재 배지에서 2000년 496점, 2004년 451점, 밭에서 2001년 511점, 2005년 464점, 과수원에서 2002년에 514점, 2006 년에 456점 이었다 (Table 1). 2003년도는 논토양 미생 물의 경시적 변동상 조사 필요성이 제기되어 정점조사 지역 일부를 경시적 조사지점으로 대체하여 출수기, 수 확기 등 주요 생육시기에 조사하였기 때문에 실질적인 정점조사 지역은 205점에 해당된다. 사용된 자료는 세 균, 사상균, 바실러스, 그람음성 균수 및 미생물체량 분

석성적이었다.

GIS 데이터베이스로 구축하기 위해서는 위치정보가 반 드시 필요한데 원시자료에 입력된 지번이나 GPS 좌표를 이용하였다. 지번이나 좌표가 누락된 경우는 주소의 ‘동･

리’ 정보를 이용하여 중심점의 좌표를 추출하여 임시로 위치정보를 생성하였다. Table 1에 나타난 ‘분포도 작성 을 위한 모니터링 지점의 수’는 이와 같이 좌표를 생성 할 수 있었던 조사지점의 수를 나타내고 있다. 기존 자 료에 해당하는 정보가 하나도 없는 경우는 공간 데이터 베이스 구축에 제외하였다.

좌표계는 횡메르카토르법 (Transverse Mercator, Bessel 중부원점)을 사용하였다. 토양미생물 조사지점은 22개의 칼럼을 가진 점 (point) 형식의 GIS 자료로 구축하였다.

토양미생물의 종류와 밀도, 생체량에 대한 자료는 토양 미생물 코드 (FM_CD)를 키 값 (primary key)으로 하 여 각 조사지점에 대응하도록 테이블 형식의 자료로 구 축하였다 (Table 2). 2003년의 경우는 다른 해와 달리 조사시기 (RS_SS) 칼럼을 추가하여 별도로 구축하였다.

위치정보 추출과 분포도 작성 원시자료로부터 공 간 데이터베이스 구축을 위한 위치정보의 추출은 지적도, GPS좌표, 동･리 자료를 이용하였다. 먼저 지번이 있는 경우는 지적도 상의 해당 지번의 필지 중심점 좌표를 추

Fig. 1. Sampling sites for data base of microbial distribu- tion of agricultural land.

출하여 주소지와 연계하였다. 지번이 없고 GPS좌표가 기 록된 지점은 GPS 좌표를 직각좌표계인 횡메르카토르 좌 표계로 변환하여 주소지 토양미생물 자료와 연계하였다.

지번과 GPS 좌표가 없으면 동･리 좌표가 있는 경우는 행정구역도를 이용하여 동･리 폴리곤의 중심점을 추출하 여 사용하였다. 위치 정보를 추출하고 좌표계를 변환하 는 데는 ArcGIS 프로그램 (ver. 8.3)을 이용하였다. Table 2와 같이 구축된 토양 미생물의 종류, 밀도 및 생체량 정보 테이블을 점 (point) 형식의 GIS 파일로 구축된 조 사지점 정보와 연계하여 토폴로지 (topology)를 구성하 여 미생물 분포도를 공간적 시간적으로 분석하고 농업기 후지대 및 토양특성 등의 요인별로 해석하였다.

결과 및 고찰

미생물자료 공간 DB 구축 농업환경 변동조사사업 이 시작될 당시 미생물 연구에 대한 국내여건은 매우 열 악한 상황이었다. 그렇지만 친환경농업과 더불어 미생물 의 중요성이 제기되어 조사 가능한 세균, 방선균, 사상 균, 바실러스 및 형광성 슈도모나스 등 일반 미생물상이 조사 분석되었다. 한편 미생물상 만의 한계를 벗어나고 자 미생물체량인 Biomass C도 추가로 조사되었다.

화학성 분석과 달리 미생물 조사에 있어 현재도 앞에 서 제기한 것과 유사한 문제점 (Mele and Crowley 2008) 이 있지만, 국내 최초로 시도된 전국을 대상으로 한 모 니터링은 나름대로의 의미가 있으며, 우리나라 토양에 서식하는 주요 미생물 수와 미생물체량에 대한 자료는 앞으로 미생물 연구의 land mark가 되리라 생각된다.

조사된 미생물의 종류는 년차 간에 조금씩 달랐지만 모든 조사항목을 GIS-DB로 구축하였다. 분포지도 작성 에 사용된 미생물의 종류는 주로 세균, 사상균, 바실러스, 그람음성균을 대상으로 하였다. 토양미생물의 양적 지표 를 위해 미생물체량 (Biomass C)도 지도 작성에 사용하 였다. 농업환경미생물 분포도 작성에 사용된 지점은 Fig. 1 과 같이 우리나라 전역을 대상으로 하였다.

조사지점의 자료는 시･군･동･리･번지 등의 지역적 특 성, 세균･사상균･바실러스･그람음성균 등의 미생물균수, 미생물체량인 Biomass C를 속성으로 하여 구성되었다.

농업환경미생물 분포도 작성에 시군계 혹은 농업기후 지대도를 기본도로 사용할 수 있지만, 미생물상은 기후 적인 요인에 의해 영향을 받는 생물이기 때문에 기후지 대도를 베이스로 하여 미생물 분포도를 도식하였다.

미생물상은 기후는 물론 토양탄소저장과 관련된 유기 물함량이 지도작성되고 있는 (Batjes, 2008) 바와 같이 토양 화학성과도 관계가 밀접하다. 토양특성 가운데 조

사 지점 중 데이터가 존재하는 지역의 토성, 토양 pH 및 토양 유기물함량별 분포상은 미생물상이 조사된 주요지 역의 토성과 화학성을 포인트로 비교하였다. 토양 pH, 유기물함량, 유효인산, K 및 Ca 분포는 색 농도가 진할 수 록 산도 및 함량이 높아지게 표현하였다. 이와 같이 미생물분포도는 토양화학성과 상호 비교할 수 있으며, 보다 상세한 연계도는 본 과제와 함께 추진되는 농업환 경지도 web GIS시스템 구축자료와 연동하여 볼 수 있 을 것이다 (Data not shown).

분포도는 Fig. 2처럼 관심 지역을 확대함으로써 보다 자세히 관찰할 수 있으며, 해당 지점을 클릭함으로써 속 성 정보도 알 수 있다.

농경지별 미생물 분포도 독립적으로 살아갈 수 있 는 미생물군은 생물지리학적으로 일정한 경향을 가지고 있음이 많은 연구에 의해 지지받고 있다. 특히 Baas-Becking 에 의해 제안된 ‘환경선택’이 미생물 다양성의 공간적 변 이와 부분적으로 관련되어 있다는 연구결과를 보여주고 (Martiny et al., 2006) 있는 바와 같이, 미생물의 공 간적 분포상이 환경요인에 의해 상이하므로 미생물에 대 한 분포도 작성은 의미 있는 시도라 할 수 있다 .

농경지별 미생물 분포도 작성을 위해 세균, 사상균, 바 실러스, 그람음성균 및 미생물체량 데이터를 ArcGIS로 구동하였다. 년차 및 농경지간 비교를 위해 미생물 균수 의 범례를 동일한 값으로 설정하여 표기 하였다. 미생물 분포도는 1999년도부터 2007년도까지 구축되어 분포도 를 작성하였다.

세균, 사상균, 미생물체량 등에 대한 분포도는 조사 기간 모든 자료에 대해 작성할 수 있지만, 여기서는 2004 년부터 2007년까지의 자료를 중심으로 미생물 분포도를

Fig. 2. Magnified area and attribute information (Data used: microbial biomass of rice paddy soils on ’99).

Plastic film house (’04) Upland (’05) Orchard (’06) Rice paddy (’07)

Fig. 3. Mapping bacterial distribution of agricultural land.

Plastic film house (’04) Upland (’05) Orchard (’06) Rice paddy (’07)

Fig. 4. Mapping fungal distribution of agricultural land.

작성하였다. Figure 3은 세균분포도로서 시설재배지, 밭, 과수원 및 논 토양을 대상으로 하였다. 균수는 ～5×10⁶,

～10×10⁶, ～50×10⁶, ～100×10⁶, ～500×10⁶, ～950×10⁶ cfu g^-1 등 6개 구간으로 설정하였으며, 포인트 크기가 클수록 균수가 많게 표시하였다. Stoner et al. (2001) 도 옐로스톤 공원의 광천 및 간헐천을 대상으로 Thermus 속의 분포를 조사하여 미생물 밀도를 점의 크기로 구분 하여 표기하였다.

사상균의 농경지별 분포도는 Fig. 4와 같다. 사상균수 는 ～5×10⁴, ～50×10⁴, ～100×10⁴, ～150×10⁴, ～300×10⁴

cfu g^-1 등 5개 구간으로 구분하였다. 기후지대별 농경지 간에 일정한 경향은 없었으나 과수원 토양의 사상균 밀도 가 가장 낮고 밭 토양에서 대체로 높은 현상을 보였다.

한편 논과 과수원은 제주지역에서 비교적 높은 경향을 보였다.

포자를 형성하는 바실러스 속의 지역별 분포상은 Fig. 5 처럼 논과 과수원은 서해 남부 해안 쪽으로 균수가 많은 반면 중부내륙 및 동해안 북부 쪽으로 균수가 적은 양상 을 보였다. 밭 토양에서도 이와 비슷한 양상을 보였으나 그 경향은 뚜렷하지 않았다. 시설재배지 토양은 온실이

Plastic film house (’04) Upland (’05) Orchard (’06) Rice paddy (’07) Fig. 5. Mapping Bacillus distribution of agricultural land.

Plastic film house (’04) Upland (’05) Orchard (’06) Rice paddy (’07)

Fig. 6. Mapping Gram negative bacterial distribution of agricultural land.

라는 재배조건으로 인해 전국적으로 일정한 경향이 없었 다. 바실러스 균수는 ～1×10⁵, ～10×10⁵, ～100×10⁵, ～ 300×10⁵, ～500×10⁵, ～1200×10⁵ cfu g^-1 등 6개 구 간으로 구분하였다.

그람음성균 수의 지역별 분포상은 Fig. 6과 같았다.

음성균수는 ～1×10⁵, ～10×10⁵, ～100×10⁵, ～150×10⁵,

～250×10⁵, ～500×10⁵cfu g^-1 등 6개 구간으로 구분 하였다. 그람음성균수에 대해서는 바실러스와는 달리 지 역적 뚜렷한 특성을 살펴볼 수는 없었다.

농업생태계는 토양 화학, 물리 및 생물성 데이터를 포 함한 많은 변수에 의해 설명될 수 있다. 이 가운데 토양 화학 및 물리성은 잘 이해되고 있지만, 토양의 생물학적 특성을 토양의 질 모니터링 결정 도구로 사용하기는 아 직도 어려운 점이 많다.

생물 지표로 Biomas C, Biomass N, 병원성 미생물, 인지질지방산 (PLFA), DGGE/TGGE, 메타제놈 및 미생 물의 기능성 유전자로 구성된 gene chips 등의 제안과 함께 (Mele and Crowley 2008), 범용성 지표를 위해서 는 보다 많은 지식과 기술 개발이 요구된다는 의견도 있지만 (Hartley et al., 2008), 지표와 관련된 것 가운데 pH, 유기물, 미생물 biomass C, 그리고 호흡작용 혹은 효소 활성이 가장 중요한 생물 및 화학적 요인이라고 보고되고 (Bastida et al., 2008) 있는 바와 같이 미생물과 관련 된 모니터링에는 다양한 속성의 보강이 필요하다.

미생물 변동상 1999년 조사치와 8년 후인 2007년 도의 논토양의 바실러스, 사상균 및 미생물체량을 비교 하였다. Figure 7은 해당 년도의 조사지점이며, 조사지 점은 정점지역 조정 및 도시계획 등에 의해 변경된 지 점이 포함되어 있다.

바실러스 균수 변화는 Fig. 8처럼 표준편차는 크지만 99년 920×10³cfu에서 1,765×10³cfu로 증가하였다. 한 편 사상균수도 바실러스 처럼 99년 42×10³cfu에서 80×

10³cfu로 증가한 경향을 보였다 (Fig. 9).

토양에 서식하는 모든 미생물의 생체중이라 할 수 있 는 미생물체량 변화는 Fig. 10과 같다. 미생물체량도 바 실러스와 사상균 수처럼 99년도 보다 2007년도에 증가 하는 경향을 보였다.

미생물상 및 미생물체량 증가는 기후 등 다양한 환경 적 영향을 받았으리라 생각되지만 미생물 변동에 대한 보다 면밀한 조사가 수행되어져야 할 것이다. 이를 위해 서는 변이가 적고 범용성이 큰 지표의 개발 및 정밀한 분석이 선행될 필요가 있을 것이다. 본 보고서는 약 10 년에 걸쳐 조사된 미생물 분석성적을 분포도로 작성할 수 있다는 가능성과 기반을 구축하였다는 점에서 의의를 갖는다고 생각된다. 농업환경의 중심이 되는 토양 모니 터링은 많은 노력과 예산이 소요되는 사업이지만 지구생 태계 보존을 위해서는 국내뿐만 아니라 국가간에도 공유가 가능한 다양한 속성에 대한 표준화된 조사 시스템이 조화 를 이루며 (Morvan et al., 2008) 수행될 필요가 있다.

1999 2007 Fig. 7. Sampling sites for microbial diversity investigation of agricultural land.

1999 2007

Fig. 8. Comparison between Bacillus population in ’99 and in ’07 of rice paddy soils.

1999 2007

Fig. 9. Comparison between fungal population in ’99 and in ’07 of rice paddy soils.

1999 2007

Fig. 10. Comparison between microbial biomass contents in ’99 and in ’07 of rice paddy soils.

요 약

농경지 토양미생물상의 생물지리학적으로 특성을 보고 자 우리나라 농경지 토양 미생물의 다양성을 지도화 하 였다.

1999년부터 2007년까지 조사되어 농업환경변동조사로 구축된 미생물 균수 및 미생물체량 자료를 DB화하여 세 균, 사상균, 바실러스, 그람음성균 및 미생물체량을 분 포도 작성에 이용하였다. 세균, 사상균, 바실러스 및 그 람음성균의 분포상은 농경지별로 상이한 경향을 보였다.

토양에 서식하는 미생물의 생체중인 미생물체량은 바실 러스와 사상균 수처럼 증가하는 경향을 보였다.

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