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농약

살충제 ‘다이아지논’ 토양잔류 친환경적 분해 가능

농진청, ‘다이아지논 분해 미생물’ 균주 최적 배양조건 확립
‘PH55-1’ 산업적 활용 기반 마련…최대 54배 배양효율 높아

살충제 ‘다이아지논’을 친환경적으로 분해하는 미생물(PH55-1) 균주의 최적 배양 조건이 확립됐다.

 

농촌진흥청(청장 조재호)은 작물의 해충 방제를 위해 사용되지만 토양 잔류가 우려되는 살충제 ‘다이아지논’을 분해하는 미생물의 최적 배양 조건을 찾았다고 밝혔다.

 

다이아지논은 유기인계 살충제 중의 하나로 광범위한 농업 해충에 효과가 있어 국내에서는 배추, 겨자채, 고추 등 다양한 작물에 쓰고 있다. 그러나 다이아지논의 토양 내 반감기는 약 14일 내외이지만 90% 분해되기까지 200일 이상 소요된다고 알려져 있다. 유기인계 살충제는 유기인 화합물(인과 탄소가 결합한 화합물)을 주체로 한 농약으로 현재 사용하고 있는 농약 중 가장 많은 종류를 차지하고 있다.

 

농진청은 이에 따라 2020년 국내 시설재배지 60여 곳에서 수집한 토양 중 살충제 다이아지논 분해 능력이 가장 우수한 미생물 ‘페니바실러스 트리티시(Paenibacillus tritici) PH55-1 (KACC 92326P) 균주’를 발굴했다. 이 미생물은 액체배지에서 배양 5일 이내 최대 99%의 다이아지논을 분해했다. 또한 유전체 분석 결과, 유기인계 농약 분해와 관련된 효소를 합성하는 유전자를 보유하고 있음이 확인됐다.

 

농진청은 PH55-1 균주의 생산량을 늘려 산업적으로 활용할 수 있는 기반을 마련하기 위해 반응표면분석법을 이용해 최적의 배지 조성과 조건을 확립했다. 반응표면분석법은 미생물 배양을 위한 배지 조성, 온도, 혼합 속도 등 다양한 요인의 다각적인 상호작용에 기반한 통계학적 분석으로 최적값을 도출하는 실험설계법이다.

 

PH55-1 균주의 생장량과 다이아지논 분해력 증진에 영향을 주는 탄소원 ‘D-만니톨’과 질소원 ‘탈지 대두 분말’, 생장량 증진에 영향을 끼치는 미량원소 ‘몰리브덴’과 ‘온도’를 선발해 실험한 결과에 의하면 ‘D-만니톨’은 3.7%, ‘탈지 대두 분말’은 5.5%, ‘몰리브덴’은 2.2mM, 온도는 33.8도일 때 PH55-1 균주의 생장량은 상용 배지보다 54배 늘었다.

 

미생물을 이용한 농약 분해는 높은 효율과 낮은 비용, 친환경적인 지속가능성 등 장점이 있으나 산성도, 온도에 대한 낮은 안정성 등 미생물 내 효소의 특성상 산업적 응용이 제한되고 있다.

 

이번 최적의 배지 조성과 조건 확립으로 PH55-1의 산업적 응용과 실용화 기반 마련이 기대되고 있다. 이번 연구 결과는 지난해와 올해 한국미생물학회지에 게재됐으며, PH55-1에 대해서는 특허 출원이 완료됐다.

 

김남정 농진청 농업미생물과장은 “미생물을 이용해 토양 잔류농약을 분해함으로써 농업 생태계를 보존하고, 안전 농산물 생산을 도울 수 있을 것으로 기대한다”며 “앞으로도 지속적인 연구로 잔류농약을 친환경적으로 분해하는 미생물 소재 개발에 최선을 다하겠다”고 말했다.

 

 

1. 연구 배경

□ 다이아지논은 과채류와 원예작물의 재배에 널리 사용되며 다이아지논 사용이 가능한 작물로는 배추, 겨자채, 고추, 마늘, 감자, 오이, 참외 등이 있음.

 

□ 다이아지논 등 농약은 우수한 품질의 농산물 생산에 크게 기여하고 있지만 농약에 직접 또는 간접적으로 장기간 노출된 토양은 농약 잔류로 인한 위해성과 환경오염 등의 우려가 있으므로 정화 기술 개발이 필요함.

 

□ 국내외에서는 환경 중 잔류성이 길거나 만성적 위해성을 유발하는 농약에 대한 분해미생물 연구가 활발히 이루어지고 있음.

 

□ 토양 중 다이아지논의 반감기는 약 14일 미만으로 알려져 있으나 90% 분해되기까지는 최대 209일이 소요됨(Pesticide Properties DataBase, 2022).

   ○ 국내 농업 환경에서 다이아지논의 지속적인 사용은 다음 작물에 대한 토양 내 잔류 다이아지논의 전이 및 흡수를 초래할 가능성이 있음.

 

□ 국내 농산물 안전성 검사 결과, 다이아지논은 2005부터 2019년까지 당귀 잎, 셀러리, 쑥갓, 열무, 취나물 등의 미등록 작물에서 잔류 부적합이 반복적으로 발생하고 있어 농산물 안전성 확보 방안이 필요함.

 

2. 미생물을 이용한 다이아지논 분해 연구 필요성

□ 미생물을 이용한 생물학적 정화 방법은 높은 효율과 낮은 비용, 친환경적인 지속가능성 등의 장점이 있음.

   ○ 미생물의 다이아지논 분해는 세포 내 다양한 효소의 높은 활성과 가수분해 및 산화 기능을 통해 독성이 낮은 단쇄 물질으로 전환하며 이루어짐.

   ○ 그러나 미생물 효소의 pH, 온도에 대한 낮은 안정성 등은 산업적 응용을 제한하는 요인이 되고 있음.

 

□ 미생물의 산업적 응용을 위해서는 고활성 미생물의 분리 선발, 유전적 특성 분석, 배양기술 개발 등에 관한 전반적인 연구 필요.

   ○ 반응 표면 분석법(response surface methodology; RSM)은 미생물을 배양하기 위한 배지 조성, 온도, 교반 속도 등 다양한 요인들의 다각적인 상호작용에 기반한 통계학적 분석을 통해 최적값을 도출하는 효과적인 실험설계법.

   ○ RSM은 미생물의 균체량 증가, 활성물질 생산 등을 목적으로 할 때 유용하게 사용되는 통계학적 방법.

다이아지논 분해 미생물 연구 결과.

 

□ PH55-1 균주의 유전체 분석 결과(그림 1)

   ○ 다이아지논 분해와 관련된 효소 Metallo-ß-hydrolase를 합성하는 유전자(gloB와 ahlD) 보유 확인.

   ○ 유기인계 농약의 분해와 관련된 인산 및 인산 디에스테르 결합을 가수분해하는 효소를 암호화하는 유전자(bcrC, phnP, phoA, phoN, ycsE) 보유 확인.

 

[그림1] 페니바실러스 트리티시 PH55-1 균주의 유전체 지도

 

□ PH55-1 균주의 최적 탄소원/질소원 선발(그림 2)

   ○ PH55-1 균주의 생장량은 탄소원으로 D-mannitol을 함유하는 배지에서 2.9ⅹ107 CFU/ml으로 테스트한 탄소원 8종 중 가장 높은 생장량을 나타냄.

   ○ D-mannitol을 함유하는 액체배지 내 PH55-1 균주의 diazinon 분해력은 접종 후 7일째에 99.0%로 확인되어, PH55-1 균주의 생장량과 diazinon 분해력이 우수한 D-mannitol을 최적 탄소원으로 선발함.

   ○ PH55-1 균주는 배지 내 질소원으로 탈지 대두 분말 또는 tryptone을 함유할 때 다른 질소원을 첨가했을 때와 비교하여 가장 높은 생장량을 나타내었음(각각 1.0ⅹ108 CFU/ml, 2.2ⅹ107 CFU/ml).

   ○ 두 질소원을 각각 함유하는 액체배지 내 PH55-1 균주의 diazinon 분해력은 접종 후 7일째에 탈지 대두 분말 함유 배지에서 93.58%, tryptone 함유 배지에서 99.7%로 확인됨.

   ○ 탈지 대두 분말은 배지 내 다이아지논 분해력이 다소 떨어지지만 다른 질소원에 비해 PH55-1 균주의 생장량을 우수하게 증진하는 영양원으로 확인되어 최적 질소원으로 선발함.

 

[그림2] 탄소원 또는 질소원 조건별 PH55-1 균주의 생장량 및 다이아지논 분해율 변화

 

□ PH55-1 균주의 최적 배양기술 개발

   ○ 통계분석 결과를 통해 총 11개의 배지 조성 및 배양 조건 중 PH55-1 균주의 생장량 변화에 가장 큰 영향을 미치는 요인 4가지의 독립변수(D-mannitol, 탈지 대두 분말, 몰리브덴, 온도)를 선발함.(그림 3)

 

[그림3] PH55-1 균주 생장량 변화에 가장 큰 영향을 미치는 요인 

 

 ○ 선발 4가지 독립변수 간 교호 및 상호작용으로 인한 PH55-1 균주의 균체량 변화를 반응등고선과 3차원 반응표면도로 나타냄.(그림 4)

    - PH55-1 균주의 최적 배양 조건은 D-mannitol, 탈지 대두 분말, 몰리브덴, 온도가 각각 3.7%, 5.5%, 2.2 mM, 33.8℃로 확인됨.

 

[그림4] 선발 4 요인 간 교호 및 상호작용에 의한 PH55-1 균주의 균체량 변화

 

   ○ 실험 모델을 검증한 결과, 최적 배지 조성 및 배양 조건으로 배양했을 때 PH55-1 균주의 생장량은 상용 배지 대비 최소 13배에서 최대 54배 증가.

    - Tryptic Soy Broth (TSB) 대비 13.3배, Luria-Bertani (LB) 대비 54.4배 증가

 

[ 게 재 논 문 ]