KR101543134B1 - 지의류 지의체의 대량 생산 방법, 이에 의하여 생산된 지의체를 이용한 생태복원 방법 및 그 생태복원용 조성물 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 지의류 공생 조류, 시아노박테리아, 지의류 형성 곰팡이, 또는 지의체를 이용하여 사막, 석탄 폐광지, 유류 오염지, 화산재지, 유해 광물이나 산업 폐기물이 폐기된 장소, 암석지, 대머리산 등의 불모지의 생태를 복원하는 방법 및 그를 위한 생태복원용 조성물에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 불모지의 생태를 복원함에 있어서 필요한 지의체의 대량 생산 방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하여 사막화 및 황사를 방지할 수 있고, 석탄 폐광지 및 유류 오염지 등의 오염지를 식물의 생장 환경에 적합하게 개량할 수 있으므로, 사막, 석탄 폐광지 및 유류 오염지 등에 의한 생태 및 환경 오염을 방지할 수 있다.
Description
본 발명은 지의류를 이용하여 사막, 석탄 폐광지, 유류지 등의 불모지의 생태를 복원하는 방법, 그를 위한 생태 복원용 조성물, 및 상기 생태 복원 방법과 조성물에 필요한 지의류의 지의체를 대량으로 생산하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 사막지역은 강수량이 적은 데 반하여 증발량이 많아 초목이 거의 자랄 수 없는 불모의 토지이다. 현재 지구상에서 전 육지의 1/3 이상을 차지하고 있으며, 이러한 사막지역은 점차적으로 확대되어 가고 있는 실정이다.
이와 같은 사막화의 주요 원인은 인위적인 원인과 기후적인 원인이 복합적으로 작용하는 것으로 간주되고 있다. 인위적인 원인으로는 관개, 산림벌채, 환경오염 등이 있으며, 기후적인 원인으로는 가뭄이나 건조화 현상 등이 있다. 특히 기후학적 관점에서 강수량이 가능증발산량에 미치지 못하는 지역이 건조지인데, 사막화는 이러한 건조지를 중심으로 빠르게 증가하고 있는 실정이다. UNEP의 1984년 보고서에 의하면, 사막은 현존하는 사막의 주변 지역은 물론이고 그 외 지역으로 매년 6만 km2의 속도로서 확대되고 있다. 이에 심각한 가뭄(drought) 또는 사막화(desertification)를 겪고 있는 국가들이 연합하여 사막화 방지 협약을 체결하고 있는 실정이다.
사막은 낮과 밤의 기온차가 심한 건조한 지역으로 충분한 양의 비가 내리지 않아 사람들이나 동식물들에 필요한 물이 절대적으로 부족한 상태로, 이러한 지역에 물을 공급하는 방법으로는 바닷물을 담수로 바꾸어 사용하거나 지하수를 개발하여 사용하는 방법들이 이용되고 있는 실정이다. 그런데, 이들 방법은 바다에서 멀리 떨어진 지역의 경우 물송급장치를 별도로 구비하여야 하고, 지하수 개발을 위해 상당히 깊게 굴착해야 하기 때문에 물을 얻는데 막대한 비용과 시간이 소요되는 문제점이 있었다. 즉, 기존에 사막의 녹화를 위한 관개시설은 매일 혹은 3~5일 마다 급수시설을 통하여 식목에 물을 공급해야 하는 번거로움이 있고, 물 공급량의 65％ 이상이 급수 공급 중에 증발되거나 식물의 뿌리가 닿지 않는 곳으로 유실되고 있으며, 그로 인한 막대한 물낭비가 반복되고 있었다. 그나마도 상기와 같은 수로관개시설이 없거나 관개시설을 설치할 수 없는 곳에는 식목을 할 수 없거나, 또는 가뭄에 잘 견딜 수 있는 나무만을 심어야만 하는 제약이 따른다. 그러나, 이 또한 고사율이 매우 높은 상태이다. 또한, 사막은 낮과 밤의 현격한 온도 차이로 인하여 모래 바람이 매우 심하다. 그 모래 바람에 의하여 사막에 식목을 하더라도 제대로 성장하기 전에 모래에 파묻혀 고사하는 문제점이 있다.
한편, 대규모 저유 시설, 송유관, 주유소 등의 저장시설에서 수년 내지 수십년 간에 걸친 유류유출에 의해 오염된 토양으로 토양작물과 같은 식물의 생장이 멈추고 지하수 오염 등의 2차 오염을 유발시키고 있다. 또한 석탄 광산에서 발생한 석탄 분진 및 석탄을 캐고 난 후 방치된 폐광지는 토양가 산도가 매우 낮고 검은색 광석으로 뒤덮어 있어 토양수분이 매우 부족하고, 한여름에 많은 열을 흡수하여 매우 높은 표면 온도를 유지함으로써 상기 유류오염토양과 마찬가지로 토양작물과 같은 식물의 생장이 멈추고 지하수 오염 등의 2차 오염을 유발시키고 있다.
토양 오염에 의한 토양생태계 및 인체에 미치는 환경적 피해가 부각되면서 미국 등 선진국에서 다양한 토양복원방법이 개발되고 적용되어 왔다. 이들 방법은 적용되는 기술의 특성에 따라 생물학적 복원방법 및 물리, 화학적 복원방법으로 구분할 수 있다. 그러나 이들 방법은 토양오염을 유발한 원인에 따라 그 적용이 제한되어 왔고, 일정 규모 이상의 오염된 토양을 대상으로 복원을 수행할 경우 비용부담을 가질 수 밖에 없는 실정이다.
따라서, 본 발명자들은 상기와 같은 사막지역, 오염된 토양 지역 등의 지역적 특성에 따라 각각 적용될 수 밖에 없는 기술적 한계를 극복하면서, 고비용의 관개시설 없이 사막화를 방지하고, 오염 원인에 관계없이 범용적으로 적용하여 오염된 토양을 복원할 수 있는 불모지의 생태 복원 방법을 개발하고자 노력한 결과, 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명의 하나의 목적은 지의류 공생 조류, 시아노박테리아, 지의류 형성 곰팡이, 또는 지의체를 이용하여 사막, 석탄 폐광지, 유류 오염지, 화산재지, 유해 광물이나 산업 폐기물이 폐기된 장소, 암석지, 대머리산 등의 불모지의 생태를 복원하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 하나의 목적은 불모지의 생태를 복원하기 위한 불모지의 생태복원용 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 하나의 목적은 상기 불모지의 생태를 복원함에 있어서 필요한 지의체를 대량으로 생산하는 방법을 제공하는 것이다.
하나의 양태로서, 본 발명은 지의류 공생 조류, 시아노박테리아, 지의류 형성 곰팡이, 또는 지의체를 이용하여 불모지의 생태를 복원하는 방법을 제공한다.
본 발명에 있어서,"지의류"는 지의류 형성 곰팡이(fungi)와 조류(algae) 및/또는 시아노박테리아(Cyanobacteria)의 공생 복합체를 말한다.
본 발명에 있어서, "지의체(thallus)"는 지의류 공생 조류 또는 시아노박테리아의 세포, 및 지의류 형성 곰팡이의 균사로 이루어지고, 분아, 열아 또는 영양번식을 위한 지의류의 영양체를 말한다.
하나의 구체적 양태로서, 본 발명은 (a) 지의류 공생 조류 및 시아노박테리아 중의 하나 이상을 고정화 담체와 혼합하여 고정화하는 단계; (b) 상기 고정화 담체를 생태 복원을 목적으로 하는 불모지에 도입하는 단계; (c) 상기 도입된 고정화 담체에 지의류 형성 곰팡이 또는 지의체를 접종하는 단계; 및 (d) 지의체를 형성 및 번식시키고 지의류로 성장시키는 단계를 포함하는 불모지의 생태 복원 방법을 제공한다.
본 발명의 불모지의 생태 복원 방법에 있어서, 첫번째 단계는 (a) 지의류 공생 조류 및 시아노박테리아 중의 하나 이상을 고정화 담체와 혼합하여 고정화하는 단계이다.
상기 "지의류 공생 조류" 또는 "조류"는 지의류 및 이의 지의체의 일부분을 구성하며 엽록소에 의하여 광합성을 할 수 있는 녹조류 또는 남조류를 말한다. 본 발명에 포함되는 조류는 이들로 제한되는 것은 아니지만, 아심메트리카(T. asymmetrica), 임프레스사(T. impressa), 자메시이(T. jamesii), 우스네아에(T. usneae), 마그나(T. magna), 에리치(T. erici), 코르티코라(T. corticola) 등의 트레보우시아(Trebouxia) 속, 슈도트레보우시아(Pseudotrebouxia) 속, 스티코코커스 디프로스파에라(Stichococcus diplosphaera) 등의 스티코코커스(Stichococcus) 속, 아비에티나(Trentepohlia abietina), 아에루기노사(Trentepohlia aeruginosa), 아우레아(Trentepohlia aurea), 아르보륨(Trentepohlia arborum) 등의 트렌테포리아(Trentepohlia) 속 등이 있다.
상기 "시아노박테리아"는 지의류 및 이의 지의체의 일부분을 구성하며 수생의 광합성을 하는 세균을 말한다. 이의 예로는 노스톡 콤무네(Nostoc commune), 노스톡 카르네움(Nostoc carneum), 노스톡 프라겔리포르메(Nostoc flagelliforme Born et Flsh) 등의 노스톡(Nostoc) 속, 린그비아 크리토바기나투스(Lyngbya crytovainatus Schk) 등의 린그비아(Lyngbya) 속, 미크로코레우스 바기나투스(Microcoleus Vaginatus(Vauch) Gom) 등의 미크로코레우스(Microcoleus) 속, 아나베나 (Anabaena) 속, 크로코커스 에피피티구스(Chrococcus epiphyticus) 등의 크로코커스(Chrococcus) 속, 그로에카프사(Gloecapsa) 속, 포르미디움 테누에(Phormidium tenue) 등의 포르미디움(Phormidium) 속, 스키토네마 자포니쿰(Scytonema japonicum) 등의 스키토네마(Scytonema) 속, 시네코시스티스 페바레키(Synechocystis pevalekii) 등의 시네코시스티스(Synechocystis) 속, 카로스릭스(Calothrix) 속, 토리포스릭스(Tolypothrix) 속 등이 있다.
상기 고정화 담체는 지의류 공생 조류 및/또는 시아노박테리아, 또는 하기에서 상술하는 지의류 지의체가 자연환경 요인, 예를 들어 바람, 비 등에 의하여 목적으로 하는 불모지 이외의 지역으로 이동하는 것을 방지하고 이후 접종될 지의류 형성 곰팡이와 생물학적 결합을 유지하고 지의류로 성장할 수 있도록 하는 천연 중합체의 고분자 재질로 구성되는 매트릭스를 말한다.
상기 천연 중합체는 예를 들면, 알긴산 또는 이의 염, 셀룰로오스, 폴리하이드록시알케네이트 등의 폴리사카라이드 등이 있다. 바람직하게 상기 고정화 담체의 재질은 알긴산 또는 이의 염이다. 보다 바람직하게 상기 고정화 담체의 재질은 알긴산 염이다. 상기 알긴산 염을 구성하는 염은 알칼리토금속이며, 바람직하게는 나트륨 또는 칼륨이다. 또한, 상기 알긴산 염은 그 분자량이 10,000 내지 1,000,000Da인 것이 바람직하다.
또한, 상기 고정화 담체는 일정 수준 이상의 수분 보유력을 유지하는 것이 바람직하다. 상기 일정 수준 이상의 수분 보유력은 최초 수분량 대비 1일 경과 후 15％ 이상, 바람직하게는 20％ 이상, 보다 바람직하게는 22％ 이상 수분, 가장 바람직하게는 25％ 이상의 수분을 보유하는 능력을 말한다.
본 발명의 상기 고정화 담체에 사용되는 천연 중합체의 고분자 재질은 전체 중량 대비 1.0 내지 3.5중량％, 바람직하게 1.0 내지 3.0중량％, 보다 바람직하게 1.0 내지 2.0중량％, 가장 바람직하게 1.2 내지 1.8중량％의 함량으로 혼합된다. 상기 범위 미만인 경우 상기 고정화 담체에 포함되는 지의류 공생 조류 또는 시아노박테리아의 생장량이 시간이 경과함에 따라 점차 감소하는 문제점이 있다. 그리고 상기 범위 초과인 경우 상기 고정화 담체에 포함되는 지의류 공생 조류 또는 시아노박테리아의 생장량이 시간이 경과하더라도 더 이상 증가하지 않은 문제점이 있다(실시예 7 참조).
상기 단계에서, 지의류 공생 조류 및/또는 시아노박테리아를 고정화 담체와 혼합한 후 압출기에서 압출 및 성형하여 성형물을 제조하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 성형물의 형태는 압출 금형을 적절히 선택함으로써 원형 또는 다각형 등의 다양한 모양으로 성형될 수 있다. 상기 압출 금형의 구경(口徑) 크기는 지름 또는 대향하는 변(邊) 간의 길이 기준 1 내지 20mm가 적당하다. 이는 지의류, 지의류 지의체, 지의류 형성 곰팡이, 조류, 및 시아노박테리아가 생장하게 될 불모지 환경을 고려한 것으로, 예를 들어 불모지가 사막인 경우 사막의 모래바람에 유실되지 않을 정도의 크기이어야 한다. 또한 상기 구경 크기는 처리시설의 규모에 따라 적절히 선택할 수 있다.
다음 단계로, (b) 상기 고정화 담체를 생태 복원을 목적으로 하는 불모지에 도입하는 단계이다. 즉, 상기 고정화 담체에 의하여 고정화된 지의류 공생 조류 또는 시아노박테리아를 생태 복원을 목적으로 하는 불모지에 살포 등의 방법에 의하여 도입하고 고착시키는 단계이다.
상기 생태 복원을 목적으로 하는 불모지(不毛地; waste land 또는 wild land)는 석탄 폐광지, 유류 오염지, 사막, 화산재지, 유해 광물이나 산업 폐기물이 폐기된 장소, 암석지, 대머리산 등의 선태류, 포자식물, 나자식물, 현화식물, 단지엽류 식물, 쌍자엽류 식물이 생장 및 번식할 수 없는 장소를 말한다. 선태류 및 상기 식물들은 생장에 적합한 환경이 구비되어야만 생장 및 번식이 가능하다. 생장에 적합한 환경은 각각의 식물마다 조금씩 상이하나, 대체적으로 빛, 생장 온도, 토양 속의 물, 영양소 및 pH라 할 것이다. 그러나 상기 불모지는 그러한 환경이 부적합하게 구성되어 있다. 예를 들어, 식물이 토양으로부터 흡수하는 영양소 중 식물의 생장에 반드시 필요한 필수원소가 있다. 그 필수원소는 탄소(C), 수소(H), 산소(O), 질소(N), 인(P), 칼륨(K), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 황(S)의 다량원소 및 철(Fe), 망간(Mn), 구리(Cu), 아연(Zn), 붕소(B), 몰리브뎀(Mo), 염소(Cl)의 미량원소로 구성된다. 그러나 상기 불모지는 식물의 생장에 필요한 필수원소 중 어떤 원소(들)이 극히 미미하거나 부존재, 또는 중금속 등의 식물의 생장을 어렵게 하는 원소(들)이 과량 존재하여 식물의 정착이 불가능하게 된다. 또한 식물은 토양으로부터 물을 흡수하여 생장에 이용하는데, 사막과 같은 불모지는 그러한 물이 매우 부족하여 식물의 생장이 매우 어렵다. 또한 식물은 중성 또는 약산성 내지 약알칼리성에서 생장이 가능한데, 석탄 폐광지 또는 유류지의 경우 중금속의 함량이 매우 높아 산성 성질을 나타내어 식물의 생장이 불가능하다. 따라서 생태 복원은 이와 같은 불모지를 식물이 생장할 수 있는 토양으로 복원하여 불모지로 인한 환경 및 생태 오염을 방지하는 것이다. 환경 및 생태 오염은, 예를 들어 사막에 의한 황사 발생으로 인한 생체 내 오염, 유류지 및 석탄 폐광지에 의한 토양 및 지하수의 오염, 암석지의 균열에 의한 산사태 등을 들 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 도입은 불모지의 표면 또는 표면으로부터 1cm 이하의 깊이로 지의류 공생 조류 및/또는 시아노박테리아가 고정화된 담체를 배치하는 것을 말한다. 상기 고정화된 담체는 1 내지 20mm의 크기로 이루어져 있어서 바람 및 비에 의하여 유실될 염려가 없으므로 불모지의 표면에 배치하는 것만으로도 그 생태복원을 위한 토양개량 효과를 충분히 얻을 수 있다. 또한, 상기 고정화된 담체를 불모지의 표면으로부터 1cm 이하의 깊이에 배치하더라도 토양간의 공극에 의하여 자연 환경으로부터 지의류 생장에 필요한 공기 및 빛을 얻을 수 있으므로 이러한 배치도 가능하다. 다만, 1cm를 초과하는 깊이로 상기 고정화된 담체를 배치하는 경우 충분한 공기 및 빛을 지의류 공생 조류 및 시아노박테리아가 이용할 수 없어 지의류 지의체 형성 및 지의류 생장이 느려지는 단점이 있으므로 바람직하지 않다. 여기서, 상기 배치는 불모지에 대한 상기 고정화된 담체의 비율이 20％ 이상 되도록 하는 것이 바람직하며, 상기 고정화된 담체를 살포 또는 식재 등의 방법에 의하여 이루어질 수 있다.
다음 단계로, (c) 상기 도입된 고정화 담체에 지의류 형성 곰팡이 또는 지의체를 접종하는 단계, 및 (d) 지의체를 형성 및 번식시키고 지의류로 성장시키는 단계이다.
상기 지의류 형성 곰팡이는 상술한 바와 같이 지의류의 일부분을 구성하며 조류 또는 시아노박테리아와 공생 관계를 형성하는 균류(fungus)를 말한다. 그 지의류 형성 곰팡이는 조류 또는 시아노박테리아와 공생 관계를 형성할 수 있으면 어느 것이나 가능한데, 이로 제한되는 것은 아니지만, 예를 들면, 아스피시리아(Aspicilia) 종, 칼로플라카(Caloplaca) 종, 클라도니아(Cladonia) 종, 콜레마 테나스(Collema tenax) 등의 콜레마(Collema) 종, 데마토카르폰(Dematocarpon) 종, 디프로니스테스(Diploschistes) 종, 엔도카르폰 푸실룸(Endocarpon pusillum) 등의 엔도카르폰(Endocarpon) 종, 플루겐시아(Flugensia) 종, 그라피스(Graphis) 종, 그리포레시아(Glypholecia) 종, 지로포라(Gyrophora) 종, 헤테로더미아 (Heterodermia) 종, 피시아(Physica) 종, 레카노라(Lecanora) 종, 페오피시아(Phaeophyscia) 종, 피스코니아(Physconia) 종, 프소라(Psora) 종, 파르메리아(Parmelia) 종, 라이조프라카(Rhizoplaca) 종, 라마리나(Ramalina) 종, 스테레오카우론(Stereocaulon) 종, 스파에로포루스(Sphaerophorus) 종, 테로시스테스(Teloschistes) 종, 토니니아(Toninia) 종, 움비리카리아(Umbilicaria) 종, 우스니아(Usnea) 종, 필로포루스(Pilophorus) 종, 잔토파르멜리아(Xanthoparmelia) 종, 잔토리아(Xanthoria) 종 등이 있다.
상기 지의체는 상술한 바와 같이 지의류 공생 조류 또는 시아노박테리아의 세포, 및 지의류 형성 곰팡이의 균사로 이루어지고, 분아, 열아 또는 영양번식을 위한 지의류의 영양체를 말한다. 이러한 지의체는 자연 상태에서 그 양이 매우 적기 때문에 본 발명의 하기에서 상술할 지의류 지의체의 대량 생산 방법에 의하여 생산된 지의체를 이용하는 것이 바람직하다. 지의체를 접종하는 경우 상기 지의류 형성 곰팡이를 접종하는 경우보다 지의체 형성 및 번식 시간이 단축되는 장점이 있다.
상기 접종은 지의류 형성 곰팡이 또는 지의체를 조류 또는 시아노박테리아에 치상하는 것을 말한다. 이러한 접종은 지의류 형성 곰팡이의 경우 cm2당 1 내지 20 균체, 바람직하게 cm2당 2 내지 12 균체, 보다 바람직하게 cm2당 4 내지 8 균체로 조류 또는 시아노박테리아에 치상함으로써 이루어진다. 상기 치상하는 지의류 형성 곰팡이는 균체당 직경 2mm 이하, 보다 바람직하게는 1 내지 2mm의 크기인 것이 바람직하다. 지의체의 경우 cm2당 1 내지 20 개체, 바람직하게 cm2당 2 내지 12개체, 보다 바람직하게 cm2당 4 내지 8개체로 조류 또는 시아노박테리아에 치상함으로써 이루어진다. 상기 치상하는 지의체는 개체당 표면적이 4 mm2 이하, 바람직하게 2 내지 4mm2인 것이 바람직하다.
상기 접종에 의하여 담체에 고정화된 조류 또는 시아노박테리아의 일부와 지의류 형성 곰팡이의 일부 또는 지의체가 생물학적으로 결합하여 지의류의 지의체가 형성되고, 일정 시간이 경과함에 따라 지의체의 번식에 의하여 지의류로 성장하게 된다.
본 발명의 상기 (b) 및 (c) 단계는 그 순서를 교체할 수 있다. 구체적으로, (c) 상기 고정화 담체에 지의류 형성 곰팡이를 부착시켜 지의체를 형성시키고 지의류로 성장시키는 단계 이후에 (b) 상기 고정화 담체를 생태 복원을 목적으로 하는 불모지에 도입하는 단계를 실시할 수 있다.
이러한 교체된 순서에 의하더라도 고정화 담체 내의 지의류 공생 조류 및/또는 시아노박테리아와 지의류 형성 곰팡이는 생물학적인 결합이 가능하고 이로부터 지의류 지의체가 형성 및 번식하고, 지의류로 성장하게 된다.
한편, 상기 (b) 및 (c) 단계의 순서인 경우 (c) 단계 이후, 또는 (c) 및 (b) 단계의 순서인 경우 (b) 단계 이후에 생태 복원을 목적으로 하는 불모지에 도입된 고정화 담체에 응결제를 고정화 담체의 직경의 절반 이상, 바람직하게 고정화 담체의 직경의 0.5 내지 2배의 두께로 도포하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 응결제는 고정화 담체가 바람이나 비 등의 자연 환경에 의하여 생태 복원을 목적으로 하는 불모지를 벗어나 이동하는 것을 방지하기 위한 목적이다. 또한, 상기 응결제를 사용한 경우 추후 불모지 상에 형성될 생물학적 토양 클러스터(biological soil clust)의 압축강도 및 수분 보유력이 고정화 담체만을 사용하는 경우보다 더 증가하므로 불모지 토양의 생태 복원이 좀 더 용이해지는 장점이 있다.
상기 응결제는, 상기 목적을 달성할 수 있는 것이면 어느 것이나 가능한데, 예를 들면, 폴리락타이드, 폴리글리콜라이드, 폴리(락티드-코-글리콜라이드), 폴리-β-하이드록시 부틸산, 폴리 안하이드라이드, 폴리오르토에스테르, 폴리우레탄, 폴리아미드 폴리카보네이트, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리(에틸렌글리콜), 폴리(에틸렌옥사이드), 폴리(에틸렌테라프탈레이트), 폴리비닐 알코올, 폴리비닐 에테르, 폴리비닐 에스테르, 폴리(비닐클로라이드), 폴리비닐피롤리돈, 폴리실록산, 폴리(비닐 아세테이트), 폴리스티렌, 폴리우레탄 및 이들의 공중합체, 알킬 셀룰로오스 등의 유도 셀룰로오스, 하이드로 알킬 셀룰로오스, 셀룰로오스 에테르, 셀룰로오스 에스테르, 니트로 셀룰로오스, 메틸 셀룰로오스, 에틸 셀룰로오스, 하이드로프로필 셀룰로오스, 하이드록시-프로필 메틸 셀룰로오스, 하이드록시부틸 메틸 셀룰로오스, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 프로피네이트, 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트, 셀룰로오스 아세테이트 프탈레이트, 카복실에틸셀룰로오스, 셀룰로오스 트리아세테이트 및 셀룰로오스 셀페이트 나트륨염 등의 합성 셀룰로오스, 아크릴산의 중합체, 에스테르를 포함하는 이들의 유도체 공중합체 또는 메타크릴레이트, 폴리(메틸메타크릴레이트), 폴리(에틸메타크릴레이트), 폴리(부틸메타크릴레이트), 폴리(이소부틸메타크릴레이트), 폴리(헥실메타크릴레이트), 폴리(이소데실메타크릴레이트), 폴리(이소프로필아크릴레이 트), 폴리(이소부틸아크릴레이트) 및 폴리(옥타데실아크릴레이트), 폴리(부틸산), 폴리(발레르산) 및 폴리(락티드-코-카프로락탐), 이들의 공중합체 및 혼합물 등이 있다.
다른 한편, 본 발명의 상기 불모지의 생태복원 방법에 있어서, (a) 단계부터 지의류 형성 곰팡이 또는 지의체를 지의류 공생 조류 및 시아노박테리아 중의 어느 하나 이상과 함께 고정화 담체와 혼합하여 고정화할 수 있다. 이 경우 별도의 지의류 형성 곰팡이 또는 지의체를 지의류 공생 조류 및 시아노박테리아 중의 어느 하나 이상을 포함하는 고정화 담체에 치상하는 과정을 생략할 수 있는 장점이 있다.
따라서, 본 발명은 다른 하나의 구체적 양태로서, (a) 지의류 공생 조류 및 시아노박테리아 중의 하나 이상, 지의류 형성 곰팡이 또는 지의체를 고정화 담체와 혼합하여 고정화하는 단계; (b) 상기 고정화 담체를 생태 복원을 목적으로 하는 불모지에 도입하는 단계; (c) 상기 고정화 담체로부터 지의체를 형성 및 번식시키고 지의류로 성장시키는 단계를 포함하는 불모지의 생태 복원 방법을 제공한다.
상기 상술한 불모지의 생태복원 방법에 의하여 생태복원을 목적으로 하는 불모지에 지의류에 의한 생물학적 토양 클러스터(biological soil cluster)가 형성되고 이에 의하여 1차 천이를 유도할 수 있게 된다.
상기 생물학적 토양 클러스터는 불모지의 토양 표면에 형성된 수 내지 수십 cm 크기의 지의류를 포함한 미생물 덩어리로서 자연천이 과정 중의 거의 처음에 이루어지는 과정이다. 일반적으로 불모지의 토양이 식물이 생장할 수 있는 토양으로 변해가는 과정을 천이라 한다. 그 천이 과정은 먼저 지의류가 침입하여 클러스터를 형성하고 유기물 등이 토양에 축적되면, 그 축적된 유기물을 영양분으로 하여 이끼 등의 선태류가 정착하고, 다음으로 일년생 초본식물, 다년생 초본식물, 양수 저목림, 양수 고목림 및 음수 고목림의 순으로 이루어진다. 이러한 자연천이는 수십 내지 수백년의 시간을 필요로 하는데, 특히 지의류가 자연적으로 침입하여 정착하고 클러스터를 형성하는 시간도 수십년 내지 수백년의 시간이 필요하기 때문이다. 그러나 본 발명의 불모지의 생태복원 방법을 이용하는 경우 지의류의 정착 및 클러스터의 형성이 단기간 내에 이루어지므로 자연천이 과정이 단기간에 이루어질 수 있다. 즉, 본 발명의 불모지의 생태복원 방법에 사용된 지의류 공생 조류, 시아노박테리아 및 지의류 형성 곰팡이는 이들의 고정화 담체에서 지의체 및 지의류의 생장과 생물학적 토양 클러스터의 형성을 방해하는 비바람 등의 자연환경에 대한 영향 없이 6개월 내지 1년 또는 2년의 단기간 내에 생장하여 생물학적 토양 클러스터를 형성한다. 생물학적 토양 클러스터가 형성된 이후에 불모지 토양의 성질이 이끼 등의 선태류 및 식물의 생장에 적합하도록 변경될 뿐만 아니라, 예를 들어 사막의 경우 사막 바람에 의하여 모래가 날려 황사가 발생되는 것이 방지되는 장점이 있다.
또 다른 하나의 양태로서, 본 발명은 상기 불모지의 생태복원 방법에 이용할 불모지의 생태복원용 조성물을 제공한다. 구체적으로, 본 발명은 지의류 공생 조류 및 시아노박테리아 중의 어느 하나 이상, 지의류 형성 곰팡이 또는 지의체, 및 고정화 담체를 포함하는 불모지의 생태복원용 조성물을 제공한다.
본 발명의 불모지의 생태복원용 조성물에 포함되는 지의류 공생 조류 및 시아노박테리아 중의 어느 하나 이상, 지의류 형성 곰팡이 또는 지의체, 및 고정화 담체는 상술한 바와 같으므로 이하에서는 상세한 설명을 생략한다.
본 발명의 불모지의 생태복원용 조성물에 의하여 불모지에 지의류가 정착하고 생장하게 된다. 지의류는 초기침입자라고도 불리고 있는데, 이는 지의류가 나출된 바위에 정착할 수 있을 뿐만 아니라 새롭게 나출된 표면에 식물과 같은 형태로 최초로 정착할 수 있기 때문이다. 또한 지의류는 오랜 기간 동안의 가뭄에도 매우 잘 견딜 수 있는 특성 때문에 초기침입자로 작용할 수 있다. 지의류는 대기로부터 생장에 필요한 영양원을 얻을 수 있고 대기 중의 수분에 녹아 있는 어떤 것이라도 흡수할 수 있으며, 체내의 공생 조류로부터 광합성 동화산물인 탄수화물을 얻을 수 있다. 그리고 지의류는 번식체가 매우 작아 극히 평탄한 표면을 제외하고는 어느 곳에서나 정착할 수 있다. 많은 지의류는 초기 침입자로서 상기 이외의 또 다른 장점을 지니고 있는데 공생조류로 남조류를 지니고 있거나 남조류가 서식하고 있는 특이한 구조인 두상체(cephalodia)를 지닌 경우, 이들 공생 남조류가 고정한 질소를 이용할 수 있다. 그러므로 새롭게 나출된 바위 표면과 같이 질소가 결핍된 환경에서도 이러한 지의류들은 자체적으로 질소와 탄소를 공급받을 수 있어 초기 정착에 매우 유리한 위치를 차지할 수 있다. 그리고 암석에서와 달리 토양에서 지의류는 초본식물, 이끼, 잡초와 같이 빨리 생장하는 생물들과의 경쟁에서 절대적으로 열세적인 위치에 있다. 그러나 초본식물, 이끼, 잡초 등에 적합하지 않은 광활한 사막이나 극지방에서 지의류는 절대적인 생장 위치를 차지하고 있다.
따라서 지의류를 초기 침입자로서 초본식물, 이끼, 잡초 등이 성장하기에 열세인 극한의 환경에 있어서 지의류를 인위적으로 정착시킬 수 있는 방법을 개발하는 경우 지의류 정착 이후 이끼, 잡초 및 수목 등의 2차 천이를 유도할 수 있어 극한의 토양 환경 변화 및 생태계의 변화를 초래할 수 있음을 본 발명자들에 의하여 제시된다. 하나의 구체적 실시에서, 석탄 폐광지로부터 수집한 클라도니아 속 지의류가 석탄 폐광지에 정착 및 성장하고 있으며, 그 지의류 정착지에만 이끼 및 식물이 생장하고 있음을 확인할 수 있다(도 1 참조). 또한, 석탄 폐광지에 서식하고 있는 지의류의 지의체 내 성분을 분석한 결과 지의류는 중금속에 대한 내성을 가지고 있어 폐광지와 같은 식물이 성장할 수 없는 극한 환경에서도 지의류는 초기 침입자로써 서식할 수 있음을 알 수 있다(표 1 참조).
본 발명에 있어서, 상기 지의류는 이끼 및 식물이 생장할 수 없는 암석지, 사막, 석탄 및 유류 등의 오염지, 화산재지, 유해 광물이나 산업 폐기물이 폐기된 장소, 암석지, 대머리산 등에서 정착 및 성장이 가능한 지의류 모두를 포함한다. 예를 들면, 이로 제한되는 것은 아니지만 아스피시리아(Aspicilia) 속, 칼로플라카(Caloplaca) 속, 클라도니아(Cladonia) 속, 콜레마(Collema) 속, 데마토카르폰(Dematocarpon) 속, 디프로니스테스(Diploschistes) 속, 엔도카르폰(Endocarpon) 속, 플루겐시아(Flugensia) 속, 그리포레시아(Glypholecia) 속, 지로포라(Gyrophora) 속, 헤테로더미아 (Heterodermia) 속, 피시아(Physica) 속, 레카노라(Lecanora) 속, 페오피시아(Phaeophyscia) 속, 피스코니아(Physconia) 속, 프소라(Psora) 속, 파르메리아(Parmelia) 속, 라이조프라카(Rhizoplaca) 속, 라마리나(Ramalina) 속, 스테레오카우론(Stereocaulon) 속, 스파에로포루스(Sphaerophorus) 속, 테로시스테스(Teloschistes) 속, 토니니아(Toninia) 속, 움비리카리아(Umbilicaria) 속, 필로포루스(Pilophorus) 속, 잔토파르멜리아(Xanthoparmelia) 속, 잔토리아(Xanthoria) 속 지의류 등이 있다.
이러한 이끼 및 식물이 생장할 수 없는 지역에서 정착 및 성장이 가능한 상기 다양한 지의류 속 중에서 생태복원을 목적으로 하는 지역에 따라 적합한 지의류를 선택하고, 이로부터 지의류 공생 조류 또는 시아노박테리아, 지의체, 및 지의류 형성 곰팡이를 분리 및 배양하여 사용할 수 있다. 특히, 상기 지의체는 하기에서 상술하는 지의체의 대량 생산 방법에 의하여 생산된 것을 사용할 수 있다. 하나의 구체적 실시에서, 석탄 폐광지의 생태복원에 적합한 지의류는 클라도니아 속 지의류이다. 상기 클라도니아 속 지의류는 바람직하게 클라도니아 마시렌타(Cladonia macilenta), 클라도니아 후미리스(Cladonia humilis), 클라도니아 라무로사(Cladonia ramulosa) 등을 포함한다.
하나의 구체적 실시에서, 지의류 서식지의 토양(lichen-colonized coalmine; LCC)과 지의류가 서식하지 않은 토양(noncolonized bare coalmine; NBC)을 비교한 결과, 토양 pH는 NBC 토양보다 LCC 토양에서 높았으며, NBC 토양에서 전혀 검출되지 않은 Ca 및 Mg이 LCC 토양에서 검출되었고, NBC 토양과 비교하여 Fe, Cu, Ni 및 Mn의 중금속 농도가 LCC 토양에서 현저히 감소한 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 지의류 서식지의 토양은 불모지의 형질을 식물의 생장에 적합한 환경으로 변화시킬 수 있음을 의미한다.
다른 하나의 구체적 실시에서, 지의류 서식지의 토양(lichen-colonized coalmine; LCC)과 지의류가 서식하지 않은 토양(noncolonized bare coalmine; NBC)에서 미생물의 개체수를 분석한 결과 NBC 토양보다 LCC 토양에서 박테리아 및 균류의 개체 수가 월등히 높음을 확인할 수 있다. 또한, 이들 토양에서 미생물의 효소 활성 및 대사활동량을 조사한 결과, NBC 토양에서 보다 LCC 토양에서 효소 활성 및 대사 활동량이 증가한 것을 확인할 수 있다. 보다 구체적으로, NBC 토양에서 극단적으로 낮은 활성을 나타낸 셀룰라아제(cellulase), 베타-글루코시다제(β-glucosidase), 요소분해효소(Urease) 및 자당효소(Invertase) 활성이 LCC 토양에서 상당할 정도로 증가하였다. 그리고 지의체의 열수 추출물을 각 토양에 첨가할 경우 미생물의 대사 활동량이 모든 토양에서 증가하였는데, 특히 LCC 토양은 2.3배 증가하는데 그친 반면 NBC 토양에서는 8.2배의 증가를 나타내었다. 이러한 사실들로부터 지의류 서식은 불모지에서 미생물의 활동을 자극시킴과 동시에 증가시킴을 알 수 있다.
또 다른 하나의 구체적 실시에서, 지의류, 조류 또는 시아노박테리아만을 단독으로 토양에 처리하는 경우에는 생물학적 토양 클러스터를 형성하지 못한데 반하여, 본 발명의 생물복원용 토양개량제는 생물학적 토양 클러스터를 형성하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 그 형성된 클러스터는 두께가 일정하고, 일정 수준의 압축강도를 나타내었으며, 일정 수준 이상의 수분보유력을 유지하여 이후의 천이가 가능함을 확인할 수 있다.
다른 하나의 양태로서, 본 발명은 지의류의 지의체를 대량으로 생산하는 방법을 제공한다. 구체적으로, 본 발명은 (a) 지의류 공생 조류 또는 시아노박테리아를 인공적으로 배양하는 단계; (b) 상기 조류 또는 시아노박테리아에 지의류 형성 곰팡이를 접종하여 지의체를 형성하는 단계; 및 (c) 상기 지의체가 형성된 조류 또는 시아노박테리아를 조류 또는 시아노박테리아의 성장환경에 따른 기물에 위치시켜 지의체의 번식을 유도하는 단계를 포함하는 지의류의 지의체 대량 생산 방법을 제공한다.
본 발명에 있어서,"지의류"는 지의류 형성 곰팡이(fungi)와 조류(algae) 및/또는 시아노박테리아(Cyanobacteria)의 공생 복합체를 말한다.
본 발명에 있어서, "지의체(thallus)"는 지의류 공생 조류 또는 시아노박테리아의 세포, 및 지의류 형성 곰팡이의 균사로 이루어지고, 분아, 열아 또는 영양번식을 위한 지의류의 영양체를 말한다.
본 발명의 지의체 대량 생산 방법에 있어서, 첫번째 단계는 지의류 공생 조류 또는 시아노박테리아를 인공적으로 배양하는 단계이다.
본 발명에 있어서, "지의류 공생 조류" 또는 "조류"는 지의류 및 이의 지의체의 일부분을 구성하며 엽록소에 의하여 광합성을 할 수 있는 녹조류 또는 남조류를 말한다. 본 발명에 포함되는 조류는 이들로 제한되는 것은 아니지만, 아심메트리카(T. asymmetrica), 임프레스사(T. impressa), 자메시이(T. jamesii), 우스네아에(T. usneae), 마그나(T. magna), 에리치(T. erici), 코르티코라(T. corticola) 등의 트레보우시아(Trebouxia) 속, 슈도트레보우시아(Pseudotrebouxia) 속, 스티코코커스 디프로스파에라(Stichococcus diplosphaera) 등의 스티코코커스(Stichococcus) 속, 아비에티나(Trentepohlia abietina), 아에루기노사(Trentepohlia aeruginosa), 아우레아(Trentepohlia aurea), 아르보륨(Trentepohlia arborum) 등의 트렌테포리아(Trentepohlia) 속 등이 있다.
본 발명에 있어서, "시아노박테리아"는 지의류 및 이의 지의체의 일부분을 구성하며 수생의 광합성을 하는 세균을 말한다. 이의 예로는 스톡 콤무네(Nostoc commune), 노스톡 카르네움(Nostoc carneum), 노스톡 프라겔리포르메(Nostoc flagelliforme Born et Flsh) 등의 노스톡(Nostoc) 속, 린그비아 크리토바기나투스(Lyngbya crytovainatus Schk) 등의 린그비아(Lyngbya) 속, 미크로코레우스 바기나투스(Microcoleus Vaginatus(Vauch) Gom) 등의 미크로코레우스(Microcoleus) 속, 아나베나(Anabaena) 속, 크로코커스 에피피티구스(Chrococcus epiphyticus) 등의 크로코커스(Chrococcus) 속, 그로에카프사(Gloecapsa) 속, 포르미디움 테누에(Phormidium tenue) 등의 포르미디움(Phormidium) 속, 스키토네마 자포니쿰(Scytonema japonicum) 등의 스키토네마 (Scytonema) 속, 시네코시스티스 페바레키(Synechocystis pevalekii) 등의 시네코시스티스(Synechocystis) 속, 카로스릭스(Calothrix) 속, 토리포스릭스(Tolypothrix) 속 등이 있다.
상기 지의류 공생 조류 또는 시아노박테리아의 배양은 배양하고자 하는 지의류 공생 조류 또는 시아노박테리아의 종류에 따라 당해 분야에서 잘 알려진 방법에 의하여 배양할 수 있다. 예를 들면, 녹조류의 경우 BBM 배양액을, 시아노박테리아의 경우 BG-11 배양액을 이용하여 12시간 광조건 (광세기 100 - 400 PAR)에서 15 내지 25℃ 조건에서 진탕배양기나 교반배양기 또는 저면공기부양기의 장치를 이용하여 인위적인 공기를 공급하면서 배양하는 것이 바람직하다.
본 발명의 지의체 대량 생산 방법에 있어서, 다음 단계는 첫번째 단계에서 배양된 조류 또는 시아노박테리아에 지의류 형성 곰팡이를 접종하여 지의체를 형성하는 단계이다.
본 발명에서, "지의류 형성 곰팡이(lichen formin fungi)"는 상기 지의류의 일부분을 구성하며 조류 또는 시아노박테리아와 공생 관계를 형성하는 균류(fungus)를 말한다. 본 발명에 포함되는 지의류 형성 곰팡이는 조류 또는 시아노박테리아와 공생 관계를 형성할 수 있으면 어느 것이나 가능한데, 이의 예로는 이로 제한되는 것은 아니지만, 아스피시리아(Aspicilia) 종, 칼로플라카(Caloplaca) 종, 클라도니아(Cladonia) 종, 콜레마 테나스(Collema tenax) 등의 콜레마(Collema) 종, 데마토카르폰(Dematocarpon) 종, 디프로니스테스(Diploschistes) 종, 엔도카르폰 푸실룸(Endocarpon pusillum) 등의 엔도카르폰(Endocarpon) 종, 플루겐시아(Flugensia) 종, 그라피스(Graphis) 종, 그리포레시아(Glypholecia) 종, 지로포라(Gyrophora) 종, 헤테로더미아 (Heterodermia) 종, 피시아(Physica) 종, 레카노라(Lecanora) 종, 페오피시아(Phaeophyscia) 종, 피스코니아(Physconia) 종, 프소라(Psora) 종, 파르메리아(Parmelia) 종, 라이조프라카(Rhizoplaca) 종, 라마리나(Ramalina) 종, 스테레오카우론(Stereocaulon) 종, 스파에로포루스(Sphaerophorus) 종, 테로시스테스(Teloschistes) 종, 토니니아(Toninia) 종, 움비리카리아(Umbilicaria) 종, 우스니아(Usnea) 종, 필로포루스(Pilophorus) 종, 잔토파르멜리아(Xanthoparmelia) 종, 잔토리아(Xanthoria) 종 등이 있다.
본 발명에서, "접종"은 지의류 형성 곰팡이를 조류 또는 시아노박테리아에 치상하는 것을 말한다. 이러한 접종은 지의류 형성 곰팡이를 이러한 접종은 지의류 형성 곰팡이의 경우 cm2당 1 내지 20 균체, 바람직하게 cm2당 2 내지 12 균체, 보다 바람직하게 cm2당 4 내지 8 균체로 조류 또는 시아노박테리아에 치상함으로써 이루어진다. 상기 치상하는 지의류 형성 곰팡이는 균체당 직경 2mm 이하, 보다 바람직하게는 1 내지 2mm의 크기인 것이 바람직하다.
상기 접종에 의하여 조류 또는 시아노박테리아의 일부와 지의류 형성 곰팡이의 일부가 생태학적으로 결합하고, 그 결합에 의하여 지의류의 지의체가 형성된다. 또한, 형성된 지의체는 분아, 열아 또는 영양번식 등의 방법에 의하여 다량의 지의체가 형성된다.
다음으로, 상기 지의체가 형성된 조류 또는 시아노박테리아를 그 조류 또는 시아노박테리아의 성장환경에 따른 기물에 위치시켜 지의체의 번식을 유도하는 단계이다.
지의류 형성 곰팡이를 접종하여 지의체가 형성되면 조류 또는 시아노박테리아의 성장환경에 따른 기물에 위치시킨다. 상기 성장환경에 따른 기물에 위치시키는 것은, 예를 들면 나무에서 바람직하게 성장하는 조류 또는 시아노박테리아는 나무에 위치시키고, 돌이나 바위에서 바람직하게 성장하는 조류 또는 시아노박테리아는 돌 또는 바위에 위치시키는 등 조류 또는 시아노박테리아의 종에 따라 성장하는 최적의 기물에 위치시키는 것을 말한다. 따라서, 본 발명에서 조류 또는 시아노박테리아의 성장환경에 따른 기물은 그 조류 또는 시아노박테리아의 종에 따라 특정할 수 있으며, 이로 제한하는 것은 아니지만, 나무, 돌, 바위, 코르크, 모래 등을 예로 들 수 있다.
조류 또는 시아노박테리아를 그 성장환경에 따른 기물에 위치시킨 후 조류 또는 시아노박테리아의 성장 조건에 따른 물과 영양분을 지속적으로 공급하여 줌으로써 지의체의 번식을 유도하게 된다.
본 발명의 지의류의 지의체 대량 생산 방법에 의하여 종래 지의류 형성 곰팡이가 접종된 곳에서만 지의체를 형성시키고 이를 이용하는 것 이외에도 지의류가 번식하고 이로부터 지의체가 대량으로 형성되므로 지의체를 대량으로 이용할 수 있게 된다. 하나의 구체적 실시에서, 본 발명자는 본 발명의 지의류의 지의체 대량 생산 방법에 의하여 지의체를 대량으로 생산할 수 있음을 확인하였다(실시예 6 참조).
본 발명에 의하여 종래 사막, 폐광지, 유류 오염지 등의 식물이 생장할 수 없는 불모지를 식물이 생장할 수 있는 토양으로 생태 복원하는 것이 가능하다. 특히, 이러한 생태 복원에 의하여 사막의 증가 및 사막의 황사에 의한 환경 오염, 폐광지 및 유류 오염지에 의한 환경 오염을 방지함으로써 지구의 온난화 및 이로 인한 환경 생태적 파괴를 방지할 수 있을 것이다. 또한, 생태 복원에 필요한 지의류 지의체를 대량으로 생산하여 공급할 수 있음으로 인하여 상기 생태 복원 방법에 의한 생태 복원이 효과적으로 이루어질 수 있다.
도 1은 석탄 폐광지 그림이다. 석탄 폐광지는 대부분이 식생 없이 폐석탄에 노출되어 있으며, 일부 지역만이 지의류가 패치 형태로 산개되어 있고, 그 패치에서는 이끼 및 박달나무 등의 식물이 생존하고 있다.
도 2는 지의류-서식 폐광지(Lichen-colonized coalmine; LCC) 토양과 지의류 비서식된 폐광지(noncolonized bare coalmine; NBC) 토양에서의 미생물 대사활성을 비교한 그림이다.
도 3은 지의류-서식 폐광지(Lichen-colonized coalmine; LCC) 토양과 지의류 비서식된 폐광지(noncolonized bare coalmine; NBC) 토양에서의 셀룰로오즈 분해력을 조사한 결과이다.
도 4는 본 발명의 하나의 실시예로서 지의체의 대량 생산 과정을 진행 과정일에 따라 관찰하고, 지의체의 형성 모습을 확대한 그림이다.
도 5는 본 발명의 하나의 실시예로서 알긴산을 고정화 담체로 이용한 경우의 시아노박테리아의 고정화 담체 내 세포수의 변화량을 나타낸다.
도 6 및 7은 본 발명의 하나의 실시예로서 알긴산 및/또는 PVA를 고정화 담체로 이용한 경우 6개월 경과 후 건조 또는 건조하지 않은 시아노박테리아의 생물학적 토양 클러스터 형성 결과를 관찰한 그림이다.
도 8은 본 발명의 하나의 실시예로서 알긴산 및/또는 PVA를 고정화 담체로 이용하여 시아노박테리아에 의하여 형성된 생물학적 토양 클러스터의 압축 강도를 비교한 그림이다.
도 9는 본 발명의 하나의 실시예로서 알긴산 및/또는 PVA를 고정화 담체로 이용하여 시아노박테리아에 의하여 형성된 생물학적 토양 클러스터의 수분 보유력을 비교한 그림이다.
도 10은 본 발명의 고정화 담체에 고정화된 시아노박테리아의 생물량을 고정화하지 않은 시아노박테리아의 생물량과 비교한 그림이다.
도 2는 지의류-서식 폐광지(Lichen-colonized coalmine; LCC) 토양과 지의류 비서식된 폐광지(noncolonized bare coalmine; NBC) 토양에서의 미생물 대사활성을 비교한 그림이다.
도 3은 지의류-서식 폐광지(Lichen-colonized coalmine; LCC) 토양과 지의류 비서식된 폐광지(noncolonized bare coalmine; NBC) 토양에서의 셀룰로오즈 분해력을 조사한 결과이다.
도 4는 본 발명의 하나의 실시예로서 지의체의 대량 생산 과정을 진행 과정일에 따라 관찰하고, 지의체의 형성 모습을 확대한 그림이다.
도 5는 본 발명의 하나의 실시예로서 알긴산을 고정화 담체로 이용한 경우의 시아노박테리아의 고정화 담체 내 세포수의 변화량을 나타낸다.
도 6 및 7은 본 발명의 하나의 실시예로서 알긴산 및/또는 PVA를 고정화 담체로 이용한 경우 6개월 경과 후 건조 또는 건조하지 않은 시아노박테리아의 생물학적 토양 클러스터 형성 결과를 관찰한 그림이다.
도 8은 본 발명의 하나의 실시예로서 알긴산 및/또는 PVA를 고정화 담체로 이용하여 시아노박테리아에 의하여 형성된 생물학적 토양 클러스터의 압축 강도를 비교한 그림이다.
도 9는 본 발명의 하나의 실시예로서 알긴산 및/또는 PVA를 고정화 담체로 이용하여 시아노박테리아에 의하여 형성된 생물학적 토양 클러스터의 수분 보유력을 비교한 그림이다.
도 10은 본 발명의 고정화 담체에 고정화된 시아노박테리아의 생물량을 고정화하지 않은 시아노박테리아의 생물량과 비교한 그림이다.
본 발명은 이하 실시예를 통하여 좀더 구체적으로 설명될 것이다. 이러한 실시예는 단지 본 발명이 좀더 이해될 수 있도록 예시적으로 제시되는 것이므로, 이들 실시예로서 본 발명의 범위를 한정해서는 안 될 것이다.
실시예
1: 지의류 수집
한국 강원도 태백시의 북서쪽 약 7km에 있는 함백산에 있는 폐광지에서 3종의 지의류를 수집하였다. 이들 폐광지는 대부분이 식생 없이 폐석탄에 노출되어 있었으며, 일부 지의류 군들이 이들 지역에 패치(patch)의 형태로 산개되어 있었다. 또한 일부 패치에서는 이끼 및 박달나무(BetulaSchmidt)및 자작나무(Betulacostata)가 생존하고 있었는데, 이 경우에도 지의류가 바깥 경계면부터 이끼 및 식물 생장지 안쪽에까지 서식하고 있었다(도 1 참조). 이들 서식하고 있는 지의류를 수집하여 하라다 박사(Dr. Harada)에 의해 분류하였고, 한국지의류연구소(순천대, 한국)에 보관되었으며, 일본 치바현에 있는 국가 역사 박물관 협회(National History Museum and Institute; CBM)에서 복제되었다. 수집된 지의류는 클라도니아 마시렌타(Cladonia macilenta Hoffm.), 클라도니아 후미리스(C. humilis (With) J.R.Laundon,) 및 클라도니아 라무로사(C. ramulosa (With) J.R. Laundon)인 것으로 확인되었다.
또한, 중국의 사파두(Shapotou) 및 내몽고 사막에서 서식하고 있는 지의류를 수집하였다. 그 수집된 지의류를 분석한 결과 아스피시리아(Aspicilia) 속, 칼로플라카(Caloplaca) 속, 클라도니아(Cladonia) 속, 콜레마(Collema) 속, 데마토카르폰(Dematocarpon) 속, 디프로니스테스(Diploschistes) 속, 엔도카르폰(Endocarpon) 속, 플루겐시아(Flugensia) 속, 그리포레시아(Glypholecia) 속, 지로포라(Gyrophora) 속, 헤테로더미아 (Heterodermia) 속, 피시아(Physica) 속, 레카노라(Lecanora) 속, 페오피시아(Phaeophyscia) 속, 피스코니아(Physconia) 속, 프소라(Psora) 속, 파르메리아(Parmelia) 속, 라이조프라카(Rhizoplaca) 속, 라마리나(Ramalina) 속, 스테레오카우론(Stereocaulon) 속, 스파에로포루스(Sphaerophorus) 속, 테로시스테스(Teloschistes) 속, 토니니아(Toninia) 속, 움비리카리아(Umbilicaria) 속, 우스니아(Usnea) 속, 필로포루스(Pilophorus) 속, 잔토파르멜리아(Xanthoparmelia) 속, 잔토리아(Xanthoria) 속에 속하는 지의류로 확인되었다. 다음으로 그 수집된 지의류로부터 콜레마 테나스(Cllema tenax), 엔도카르폰 플시럼(Endocarpon pusillum), 후켄시아(Flugensia) 종, 라이조프라카(Rhizoplaca) 종, 토니니아(Toninia) 종, 잔토파르메이라(Xanthoparmelia) 종의 지의류 형성 곰팡이를 분리할 수 있었으며, 노스톡 코무네(Nosctoc commune), 노스톡 카르네움(Nostoc carneum), 미크로코레우스 소시아투스(Microcoleus sociatus), 미크로레우스 바지나투스(Microcoleus vaginatus), 린그비아 크리토바지나(Lyngbya cryttovaginatus), 토리포스릭스(Tolypothrix) 속, 카로스릭스(Calothrix) 속 공생조류 또는 시아노박테리아를 분리하였다.
실시예
2: 수집된 지의류의 성분 분석
실시예 1의 폐광지에서 수집된 3종의 지의류를 탈이온화된 증류수로 2번 세척하고, 상온에서 3일 동안 보관하였다. 보관된 지의류의 지의체에서 성분(K, Ca, Mg, Fe, Cu, Mn, Ni, As 및 Cr)의 농도를 결정하기 위하여 변형된 타르하넨 등[Tarhanen, S., S. Mets, T. Holopainen and J. Oksanen. 1999. Membrane permeability response of lichen Bryoria fluscescens to wet deposited heavy metal sand acid rain. Environ . Pollut .104:121-129.]의 방법을 사용하였다. 구체적으로, 각 지의류 종의 부표본(500mg)을 90℃에서 24시간 동안 건조하였고, 분해장치(digestion system)에서 225℃로 HNO3및 HClO4 superpur(10:3ml)로 습식분해하고 고체 잔류물을 여과하여 분리하였다. 그 후, 유도 결합 플라즈마 분광기(Inductively coupled plasma spectrometer; Model D-Time 3000DC, shimadzu, Japan)를 이용하여 기본 성분의 농도를 분석하였다. 그 결과를 하기 표 1에서 나타내었으며, 이들 분석된 농도는 μg g-1DW로 나타내었다.
상기 결과는 각 지의류에 대한 8개의 복제물을 대상으로 한 평균 및 표준편차임.
* : 각 지의류 종 사이의 유의적 차이를 나타냄(P<0.001)
N.S : 유의성 없음
상기 표 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 클라도니아 마시렌타보다 클라도니아 라무로사 및 클라도니아 후미리스에서 영양성분 및 중금속 농도가 약간 높음을 알 수 있었다. 따라서 석탄 폐광지에서 서식하고 있는 지의류 종들은 서식지에 축적된 중금속에 대하여 내성을 가지고 있음을 알 수 있었다.
실시예
3: 지의류 서식지 토양의 특성 비교
실시예 1의 석탄 폐광지에서 지의류-서식 폐광지(Lichen-colonized coalmine; LCC) 토양과 비서식된 폐광지(noncolonized bare coalmine; NBC) 토양 사이의 토양의 특성 차이를 분석하였다. 구체적으로, LCC 토양 및 NBC 토양에서 각각 5개의 토양 샘플을 표면으로부터 3cm 깊이로 무작위로 수집하였다. LCC 토양 샘플은 폐광지에 서식하고 있는 지의류 카펫(carpet) 아래로부터 수집하였다. 수집된 토양을 2mm 체로 거른 후, 다음 분석을 위하여 4℃에서 보관하였다. 이들 토양에 대하여 토양 pH를 표준 실험실 테크닉[Kim, H. 1995. Soil Sampling , Preparation, andAnalysis. Marcel Dekker Inc., New York]으로 측정하였다. 또한, 토양의 중금속 측정을 위하여 토양을 막자사발로 간 후 100메쉬 체로 걸렀다. 걸러진 토양 10g을 0.1N HCl 50ml로 30℃에서 30분 동안 추출하고 여과한 후, 유도 결합 플라즈마 분광기(Model D-Time 3000DC, shimadzu, Japan)를 이용하여 금속 농도를 측정하였다.
상기 결과는 각 토양에 대한 10개의 샘플의 평균 및 표준편차임.
**: 유의적 차이가 P<0.01임
*** : 유의적 차이가 P<0.001임
N.D : 검출되지 않음
상기 표 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 토양 pH는 NBC 토양보다 LCC 토양에서 높았다. 그리고 LCC 토양과 NBC 토양은 몇몇 성분에 있어서 유의적인 차이를 나타내었다. 구체적으로, NBC 토양보다 LCC 토양에서 K, Ca 및 Mg의 농도가 매우 높았다. 특히, Ca과 Mg은 NBC 토양에서 검출되지 않았다. Na의 경우 NBC 토양에서 매우 높게 나타났다. Fe, Cu, Ni 및 Mn의 중금속 농도는 LCC 토양보다 NBC 토양에서 매우 높게 나타났다. 이와 반대로, LCC 토양과 NBC 토양 사이에 As 및 Cr의 농도는 유의적인 차이를 나타내지 않았다.
실시예
3: 지의류 서식지 토양에 대한 미생물의 개체수 분석
LCC 토양과 NBC 토양에서의 미생물의 활성을 분석하기 위하여, 먼저 박테리아와 균류의 수를 각각 한천배지 및 감자한천배지에서 희석 평판법을 사용하여 직접계수법으로 측정하였다. 그 결과, 하기 표 3에서 볼 수 있는 바와 같이 NBC 토양보다 LCC 토양에서 박테리아 및 균류가 매우 높게 존재하고 있음을 알 수 있었다. 그러나 균류의 경우 단순한 구조를 가지고 유기 화합물을 이용하기 때문에 NBC 토양의 균류보다 훨씬 더 많이 존재하고 있음을 알 수 있었다.
실시예
4: 지의류 서식지 토양에 대한 미생물의 효소 활성 및 대사활동량 조사
LCC 및 NBC 토양에서의 유기물 분해와 관련된 미생물의 효소 활성 및 미생물의 대사활동량(microbial metabolic activity, 또는 기초 토양 호흡량(Basal soil respiration)이라고도 함)을 측정 분석하였다. 구체적인 실험 방법은 다음과 같다. 이들 모든 분석 결과는 토양의 건조(105℃) 중량을 기초로 계산되었다. 또한 LCC 토양 및 NBC 토양 사이의 유의적 차이를 특징화하기 위하여 일원분산분석(One-way-ANOVA; SPSS Version 11.0) 통계법을 이용하였다.
4-1. 포스파타아제(
Phosphatase
) 및 베타-
글루코시다제
(β-
glucosidase
) 활성 측정
포스파타아제 및 베타-글루코시다제 활성은 각각 기질로써 p-니트로페닐 포스페이트 디소디움(p-nitrophenylphosphatedisodium;PNPP,0.115M)또는 p-니트로페닐-베타-D-글루코피라노시드(p-nitrophenyl-β-D-glucopyranoside; PNG, 0.05M)을 사용하여 측정하였다(Mansciandaro, G., B. Ceccanti and C. Garc1994. Anaerobic digestion of straw and pig wastewater: II. Optimization of the process.Agrochimica 3:195-203.). 이들 검정법은 p-니트로페놀(PNP)의 방출과 검출에 기초한다. 구체적으로, 0.1M 말레이산 버퍼(pH 6.5) 2ml와 기질 1ml를 1.0g의 토양 샘플에 첨가하였고 37℃에서 90분 동안 항온처리하였다. 그 후, 2℃에서 15분 동안 급속히 냉각하여 반응을 정지시켰다. 다음으로, 0.5M CaCl2과 0.5M NaOH 2ml를 첨가하고, 그 혼합물을 5분 동안 2000xg 원심분리하였다. 베타-글루코시다제 검정을 정지시키기 위해 트리스히드록시메틸 아미노메탄(trishydroxymethyl aminomethane; THAM)을 사용하였다. 분광광도계 398nm에서 PNP 양을 측정하였다. 대조군에 대하여 상기와 동일한 방법으로 이루어졌으나, 기질이 항온처리 후 반응이 정지하기 직전에 토양에 첨가되었다. 이에 대한 결과를 하기 표 4에 나타내었다.
4-2.
자일라나제
(
Xylanase
) 활성 측정
자일라나제 활성을 측정하기 위해 1.0g의 토양 샘플을 10ml 기질 용액(2M 아세트산 버퍼(pH 5.5)에 혼합된 귀리(oat spelts) 유래의 자일란 1.7％ w/v)과 2M 아세트산 버퍼 10ml에서 50℃, 24시간 동안 항온처리하였다. 항온처리 중에 방출된 환원당은 알카킨 용액에서 포타슘 헥사시아노페레이트 (Ⅲ) (potassium hexacyanoferrate (Ⅲ))을 감소시키는데, 그 포타슘 헥사시아노페레이트(Ⅲ)를 감청반응(Prussian blue reaction)에 따라 측색법으로 측정하였다(Kandeler, E., J. Luxhøi, D. Tscherko and J. Magid. 1999. Xylanase, invertase and protease at the soil-litter interface of a loamy sand. SoilBiol . Biochem.31:1171-1179.). 이에 대한 결과를 하기 표 4에 나타내었다.
4-3.
자당효소
(
Invertase
) 활성 측정
자당효소 활성을 측정하기 위하여, 토양 샘플 1.0g(건조 중량)을 50mM 수크로즈 용액 10ml와 2M 아세트산 버퍼(pH 5.5) 10ml에서 50℃, 3시간 동안 항온처리하였다. 이로부터 상기 자일나제 활성 측정에 기술된 바와 같은 방법으로 환원당을 측정하였다. 이에 대한 결과를 하기 표 4에 나타내었다.
4-4. 요소분해효소(
Urease
) 활성 측정
요소분해효소 활성은 기질로써 요소를 사용하여 측정하는데, 토양 샘플 1.0g(건조중량)dmf 0.1M 인산염 버퍼(pH 7.0) 4ml로 처리한 후 37℃에서 1.5시간 동안 항온처리하였다. 선택적 암모니아 가스 전극(ammonia-selective gas electrode; Model 720A, Orion Research, USA)을 이용하여 방출된 NH4 + 양을 측정하였다. 이에 대한 결과를 하기 표 4에 나타내었다.
4-5. 셀룰라아제(
Cellulase
) 활성 측정
셀룰라아제 활성을 측정하기 위하여, 토양 샘플 2.5g(건조 중량)을 50ml 삼각플라스크에 넣고, 0.5ml 톨루엔과 완충된(buffered) 2％ CMC(carboxymethyl cellulose)로 처리한 후 30℃에서 24시간 동안 항온처리하였다(Deng, S. P. and M. A. Tabatabai. 1994. Cellulase activity of soils. SoilBiol . Biochem. 26:1347-1354.). 이후, 상층액을 잘 혼합하고 15분동안 15,000g 속도로 3번 원심분리하였다. 다음으로, 상층액 10ml를 50ml 플라스틱 원심분리 튜브에 옮긴 후 칼륨-포화된 양이온 교환 수지(K-saturated cation exchange resin) 2g으로 처리하였다. 그 혼합액을 30분동안 흔든 다음, 그 상층액을 소모그이-넬슨 방법(Deng, S. P. and M. A. Tabatabai. 1994. Colorimetric determination of reducing sugars in soils. SoilBiol . Biochem.26:473-477.)에 의한 환원당 측정법으로 분석하였다. CMC-처리된 토양에서 얻어진 토양 추출물에 대한 파란색 용액은 710nm 측색 측정법 전에 상기 기술된 바와 같은 방법으로 1번 원심분리하였다. 이에 대한 결과를 하기 표 4에 나타내었다.
4-6. 미생물의 대사활동량 측정
LCC 및 NBC 토양에서의 미생물의 대사활동량을 측정하기 위하여 CO2 측정 방법(Langer, U. and T. G2001. Effects of alkaline dust deposits from phosphate fertilizer production on microbial biomass and enzyme activities in grassland soils. Environ . Pollut . 112:321-327.)을 사용하였다. 구체적으로 LCC 및 NBC 토양을 각각 25g씩 150ml의 폴리프로필렌 비이커에 넣고, 이를 0.1N NaOH 25ml가 들어있는 밀폐된 1L 유리용기에서 25℃, 5일 동안 항온처리하였다. 그 후, 0.5M BaCl2 5ml와 몇 방울의 페놀프탈레인 지시약을 첨가한 후에 0.1N HCl로 적정하여 방출된 이산화탄소 양을 측정하였다. 또한, 토양 미생물의 호흡에 관한 지의류 결여 효과를 조사하기 위하여 각각의 토양에 지의류 지의체의 열수 추출물을 접종한 후에 기초 토양 호흡양을 측정하였다. 구체적으로, 25g의 건조된 지의류 지의체를 200ml 증류수로 90℃에서 3시간 동안 추출하였다. 그 다음으로 추출물 5ml를 각 토양 5g에 완전히 혼합하였다. 실온에서 24시간 동안 토양을 건조한 후, 상기 기술한 방법과 동일하게 접종된 토양을 항온처리하였다. 이러한 결과는 μg CO2-C/g soil로 나타내었다. 이에 대한 결과를 도 2에 나타내었다.
4-7. 결과
하기 표 4는 LCC 토양 및 NBC 토양에서의 미생물의 효소 활성을 측정한 결과이다. 토양 미생물의 효소는 토양 유기물 분해와 관련되는데, LCC 토양에서 유의적으로 활성화되어 있음을 알 수 있었다. 특히, 셀룰라아제, 베타-글루코시다제 및 자당효소의 활성이 LCC 토양과 비교하여 NBC 토양에서 매우 극단적으로 낮았다. 토양의 질소(N) 광화작용(mineralization)을 촉매하는 요소분해효소 활성 또한 LCC 토양과 비교하여 NBC 토양에서 미미한 수준이었다.
지의류 서식에 의한 미생물 효소의 증가된 활성은 미생물의 대사활성을 측정한 결과(도 1 참조)에서도 확인할 수 있었다. LCC 토양은 항온처리 기간 중에 높은 수준의 토양 호흡량을 유지하였으나, NBC 토양에서는 거의 무시할만한 수준의 토양 호흡량을 나타내었다. 지의류 지의체의 열수 추출물을 LCC 토양 및 NBC 토양 각각에 첨가한 경우 항온처리 중에 기초 토양 호흡량을 명백히 증가시켰다(도 2 참조). 이에 LCC 토양은 NBC 토양보다 훨씬 더 높은 수준의 CO2 증가를 나타내었으나, 토양 호흡량의 유도는 LCC 토양(2.3배 증가)보다 NBC 토양(8.2배 증가)에서 더 명백하게 나타났다. 이러한 결과들로부터 지의류 서식은 석탄 폐광지 토양의 미생물 효소 활성을 유도하고 자극한다는 것을 명확하게 증명한다.
실시예
5: 지의류 서식지 토양의
셀룰로오즈
분해력 조사
코튼-스트립 검정법(Chew, I., J. P. Obbard and R. R. Stanforth. 2001. Microbial cellulose decomposition in soils from a rifle range contaminated with heavy metals. Environ . Pollut . 111:367-375.)을 사용하여 LCC 토양 및 NBC 토양에 있는 셀룰로오즈의 분해를 측정하였다. 원래 상기 검정법은 다양한 토양계에서 분해율을 검정하기 위하여 국제생물학 프로그램(International Biological Programme)(Latter, P. M. and D. W. H. Walton. 1988. The cotton strip assay for cellulose decomposition studies in soil, pp. 175-222. InA.F.Harrison, P. M. Latter and D. W. H. Walton (eds.), Cotton Strip Assay : An Index of Decompositionin Soils (Symposium No.24), Institute of Terrestrial Ecology.)에서 개발되었다. 토양에 매장된 96％ 순수 셀룰로오스로 구성된 면직물의 시간당 인장강도의 손실율에 의해 분해가 측정되는데, 본 실험에서는 표백하지 않은 100％ 면직물이 사용되었다. 2kg의 토양(wet wt. equivalent)을 각각 담고 있는 2개의 동일한 토양 트레이가 LCC 및 NBC의 각 토양 샘플에 대하여 사용되었다. 면 스트립이 3×8cm 크기로 준비되었고, 121℃에서 20분 동안 오토클레이브에서 멸균처리하였다. 트레이에 토양층(1kg wet wt.)이 놓여지고, 면 스트립이 일정하게 토양 표면에 놓여진 후 남아있는 토양으로 덮었다. 각 혼합된 토양에서 채취마다 총 8개의 면 스트립 복제물을 생성하기 위하여 4개의 면 스트립 채취는 30일 기간 이상으로 이루어졌다(예, 15일 및 30일). 트레이는 25℃에서 항온처리되었고, 멸균된 증류수를 5일마다 초기 무게에 추가하였다. 채취 스트립은 증류수로 수세하고, 공기 건조한 후 "모서리" 효과를 없애기 위하여 각 면에서 0.5cm를 닳게 하였다. 그 후 50℃에서 12시간 동안 건조하였다. 인장강도 손실은 프리칼리브레이티드 텐소미터(Universal Testing Machine, AGS-5kNJ, Shimadzu, Japan)에서 랩(wrap) 방향으로 측정하였다. 이에 대한 결과를 상기 표 4 및 도 3에 나타내었다.
상기 표 4에서 볼 수 있듯이, LCC 토양에서 셀룰로오즈 분해율이 증가되었음을 알 수 있었다. NBC 토양에서, 면 스트립은 거의 분해되지 않았는데, 15일 및 30일 항온처리 기간에서 면 인장강도 손실(Cotton tensile strength loss; CTSL)이 0.5％ 및 3％에 불과하였다. 그러나 LCC 토양에서 15일 및 30일 항온처리 기간에서 CTSL이 각각 12％ 및 20％로 나타났다. 이러한 결과는 미생물의 효소 활성이 표 3에 기재된 유기 탄소질 물질의 분해와 관련되어 있음을 나타낸다. 또한, 상기 실시예 4의 결과와 더불어 지의류 서식에 의해 석탄 폐광지 토양의 미생물 효소 활성이 유도되고 자극됨을 알 수 있었다.
실시예
6:
지의체
생산
2ml 마이크로튜브에 3차 증류수 500㎕를 넣고 지의류 공생 조류 또는 시아노박테리아를 충분히 풀어주었다. MY 배지가 있는 플레이트에 상기 풀어준 지의류 공생 조류 또는 시아노박테리아를 각 4㎕씩 일정한 크기로 16곳에 접종하였다. 접종된 지의류 공생 조류 또는 시아노박테리아를 18℃에서 2주 동안 배양하였다. 배양 후 지의류 공생 조류 또는 시아노박테리아 위에 분쇄한 지의류 형성 곰팡이 또는 이의 덩어리체를 치상하였다. 구체적으로, 막자사발에 지의류 형성 곰팡이 15개체 정도를 넣은 후 증류수 약 300㎕를 넣고 갈아주었다. 그 곱게 갈린 지의류 형성 곰팡이에 물 약 300㎕를 더 넣고 잘 섞어주었다. 다음으로 끝부분이 절단된 옐로우 팁을 이용하여 8㎕ 정도를 떠서 지의류 공생 조류 또는 시아노박테리아에 치상하였다. 한편, 지의류 형성 곰팡이의 덩어리체 경우 일정한 크기의 지의류 형성 곰팡이 자체를 지의류 공생 조류 또는 시아노박테리아에 올린 후 잘 섞일 수 있도록 하였다.
이후 상기 치상된 지의류 형성 곰팡이와 지의류 공생 조류 또는 시아노박테리아를 15℃ 온도를 유지하면서 이들이 하나로 합성(지의체 형성)될 때까지 약 1개월 정도 배양하였다. 그 다음으로, 코르크 등의 자연 기물 위에 이들 전체를 옮기고 15℃ 온도를 유지하면서 1개월 이상 배양하였다. 배양 과정 중에 10％ BBM(Bold Basal Medium) 10ml를 물과 희석하여 배양액으로 제공하였다.
상기 방법에 의하여 지의류 공생 조류 또는 시아노박테리아와 지의류 형성 곰팡이가 하나로 합성되어 지의체를 형성하는 과정을 현미경으로 관찰하고, 그 결과를 도 4에 나타내었다. 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 상기 방법에 의하여 지의류 형성 곰팡이를 지의류 공생 조류 또는 시아노박테리아에 치상한 후 배양하면 1개월 정도 경과 후 지의체가 형성되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 코르크 등의 자연 기물 위에 옮기고 난 후 1개월, 2개월 경과하면서 지의체가 왕성하게 번식하고 있는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 상기 방법에 의하여 지의류 지의체를 대량 생산하는 것이 가능할 것이다.
실시예
7: 불모지의 생태 복원
불모지의 생태 복원을 위하여 다음과 같은 실험을 실시하였다. 먼저, 시아노박테리아(cyanobacteria)를 BG11 액체 배지에서 20℃ 온도로 2주 동안 배양한 후 2,000 rpm으로 원심분리하여 침전물만을 수득하였다. 그 수득된 침전물을 121℃에서 15분 동안 멸균한 알긴산 나트륨(alginate sodium)과 혼합한 후, 적당한 크기 (1-20mm)의 구형으로 제조하여 0.1M CaCl2 수용액에서 30분 동안 정치시켜 입자 형태로 겔화한 다음 증류수로 2번 세척하여 시아노박테리아가 함유된 알긴산 입자를 제조하였다. 제조된 알긴산 입자는 봉인된 플라스틱 상자에 넣고 4℃에서 사용하기 전까지 보관하였다. 이들 제조된 알긴산 입자의 크기와, 알긴산 입자의 크기 및 시간에 따른 시아노박테리아의 밀도 변화를 도 5에 나타내었다. 도 5에서 볼 수 있는 바와 같이, 알긴산 입자의 크기가 작을수록 시간에 따른 시아노박테리아의 밀도가 급속히 증가하는 것을 알 수 있었다.
다음으로, 지의류, 지의류 번식체, 조류 또는 시아노박테리아의 고정화 담체의 사용에 따른 생물학적 토양 클러스터의 형성 가능 여부를 살펴보았다. 구체적으로, 건조된 시아노박테리아 단독 및 PVA 혼합물, 건조되지 않은 시아노박테리아 단독 및 PVA 혼합물, 상기 제조된 알긴산 입자 단독 및 PVA 혼합물을 모래 위에 2g 씩을 골고루 분주하고 35℃ 온도에서 6개월 동안 키운 후 생물학적 토양 클러스터의 형성 여부를 관찰하였다. 대조군은 증류수및 PVA를 각각 사용하였다. 또한, 일정 기간 경과된 후 형성된 생물학적 토양 클러스터의 두께, 압축 강도 및 수분보유력을 측정하였다. 이에 대한 구체적인 결과를 도 6 내지 9에 나타내었다.
먼저, 도 6 및 도 7에서 볼 수 있는 바와 같이, 알긴산 나트륨 또는 PVA의 고정화 담체를 사용한 경우 생물학적 토양 클러스터가 형성되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 그 형성된 생물학적 토양 클러스터는 압축 강도가 일정 수준 이상 나타났으며(도 8 참조), 수분 보유력에 있어서도 우수하였다(도 9 참조). 특히, 상기 고정화 담체에 의해 고정화된 시아노박테리아 등의 생물량이 고정화되지 않은 보통의 시아노박테리아 등의 생물량보다 우수한 생물량을 나타내었는바(도 10 참조), 본 발명의 불모지 생태 복원 방법은 자연천이의 첫번째 단계인 지의류 정착 및 성장 단계를 명확하게 유도할 수 있음을 알 수 있었다.
산업상 이용가능성
본 발명에 의하여 종래 사막, 폐광지, 유류 오염지 등의 식물이 생장할 수 없는 불모지를 식물이 생장할 수 있는 토양으로 생태 복원이 가능하여, 지구의 온난화 및 이로 인한 환경 생태적 파괴를 방지할 수 있다.
Claims (35)
- (a) 지의류 공생 조류 및 시아노박테리아 중의 하나 이상을 고정화 담체와 혼합하여 고정화하는 단계; (b) 상기 고정화 담체를 생태 복원을 목적으로 하는 불모지에 도입하는 단계; (c) 상기 고정화 담체에 지의류 형성 곰팡이 또는 지의체를 접종하고 응결제를 도포하는 단계; 및 (d) 지의체를 형성 및 번식시키고 지의류로 성장시키는 단계를 포함하는 불모지의 생태 복원 방법.
- 삭제
- 제1항에 있어서, 조류는 트레보우시아(Trebouxia) 속, 슈도트레보우시아(Pseudotrebouxia) 속, 스티코코커스(Stichococcus) 속, 및 트렌테포리아(Trentepohlia) 속에 속하는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 불모지의 생태 복원 방법.
- 제1항에 있어서, 시아노박테리아는 노스톡(Nostoc) 속, 린그비아(Lyngbya) 속, 미크로코레우스(Microcoleus) 속, 아나베나 (Anabaena) 속, 크로코커스(Chrococcus) 속, 그로에카프사(Gloecapsa) 속, 포르미디움(Phormidium) 속, 스키토네마(Scytonema) 속, 시네코시스티스(Synechocystis) 속, 카로스릭스(Calothrix) 속, 및 토리포스릭스(Tolypothrix) 속에 속하는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 불모지의 생태 복원 방법.
- 제1항에 있어서, 지의류 형성 곰팡이는 아스피시리아(Aspicilia) 종, 칼로플라카(Caloplaca) 종, 클라도니아(Cladonia) 종, 콜레마(Collema) 종, 데마토카르폰(Dematocarpon) 종, 디프로니스테스(Diploschistes) 종, 엔도카르폰(Endocarpon) 종, 플루겐시아(Flugensia) 종, 그라피스(Graphis) 종, 그리포레시아(Glypholecia) 종, 지로포라(Gyrophora) 종, 헤테로더미아 (Heterodermia) 종, 피시아(Physica) 종, 레카노라(Lecanora) 종, 페오피시아(Phaeophyscia) 종, 피스코니아(Physconia) 종, 프소라(Psora) 종, 파르메리아(Parmelia) 종, 라이조프라카(Rhizoplaca) 종, 라마리나(Ramalina) 종, 스테레오카우론(Stereocaulon) 종, 스파에로포루스(Sphaerophorus) 종, 테로시스테스(Teloschistes) 종, 토니니아(Toninia) 종, 움비리카리아(Umbilicaria) 종, 우스니아(Usnea) 종, 필로포루스(Pilophorus) 종, 잔토파르멜리아(Xanthoparmelia) 종, 잔토리아(Xanthoria) 종에 속하는 군으로부터 1종 이상 선택된 것을 특징으로 하는 불모지의 생태 복원 방법.
- 제1항에 있어서, 지의류는 아스피시리아(Aspicilia) 속, 칼로플라카(Caloplaca) 속, 클라도니아(Cladonia) 속, 콜레마(Collema) 속, 데마토카르폰(Dematocarpon) 속, 디프로니스테스(Diploschistes) 속, 엔도카르폰(Endocarpon) 속, 플루겐시아(Flugensia) 속, 그라피스(Graphis) 속, 그리포레시아(Glypholecia) 속, 지로포라(Gyrophora) 속, 헤테로더미아 (Heterodermia) 속, 피시아(Physica) 속, 레카노라(Lecanora) 속, 페오피시아(Phaeophyscia) 속, 피스코니아(Physconia) 속, 프소라(Psora) 속, 파르메리아(Parmelia) 속, 라이조프라카(Rhizoplaca) 속, 라마리나(Ramalina) 속, 스테레오카우론(Stereocaulon) 속, 스파에로포루스(Sphaerophorus) 속, 테로시스테스(Teloschistes) 속, 토니니아(Toninia) 속, 움비리카리아(Umbilicaria) 속, 우스니아(Usnea) 속, 필로포루스(Pilophorus) 속, 잔토파르멜리아(Xanthoparmelia) 속, 잔토리아(Xanthoria) 속 지의류로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 지의류인 것을 특징으로 하는 불모지의 생태 복원 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 고정화 담체는 천연 중합체의 고분자 재질인 것을 특징으로 하는 불모지의 생태 복원 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 천연 중합체는 최초 수분량 대비 1일 경과 후 15％ 이상의 수분 보유력을 가지는 것을 특징으로 하는 불모지의 생태 복원 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 천연 중합체는 알긴산 또는 이의 염, 셀룰로오스 및 폴리사카라이드 중의 1종 이상인 것을 특징으로 하는 불모지의 생태 복원 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 고정화 담체는 전체 중량 대비 1.0 내지 3.5중량％의 함량으로 포함되는 것을 특징으로 하는 불모지의 생태 복원 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 (a) 단계는 고정화 담체와 혼합한 후 압출 및 성형하여 성형물을 제조하고 고정화하는 것을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 불모지의 생태 복원 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 불모지는 사막, 석탄 폐광지, 유류 오염지, 화산재지, 유해 광물이 폐기된 장소, 산업 폐기물이 폐기된 장소, 암석지 및 대머리산 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 불모지의 생태 복원 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 도입은 불모지의 표면 또는 표면으로부터 1cm 이하의 깊이로 고정화 담체를 배치하는 것을 특징으로 하는 불모지의 생태 복원 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 (c) 단계의 지의류 형성 곰팡이는 단위 면적(cm2) 당 1 내지 20 균체로 접종되는 것을 특징으로 하는 불모지의 생태 복원 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 (c) 단계의 지의체는 단위 면적(cm2) 당 1 내지 20 개체로 접종되는 것을 특징으로 하는 불모지의 생태 복원 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 (b) 및 (c) 단계는 그 순서가 교체된 것을 특징으로 하는 불모지의 생태 복원 방법.
- 제1항 또는 제16항에 있어서, 상기 응결제는 고정화 담체의 직경의 0.5 내지 2배의 두께로 도포하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 불모지의 생태 복원 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 응결제는 폴리락타이드, 폴리글리콜라이드, 폴리(락티드-코-글리콜라이드), 폴리-β-하이드록시 부틸산, 폴리 안하이드라이드, 폴리오르토에스테르, 폴리우레탄, 폴리아미드 폴리카보네이트, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리(에틸렌글리콜), 폴리(에틸렌옥사이드), 폴리(에틸렌테라프탈레이트), 폴리비닐 알코올, 폴리비닐 에테르, 폴리비닐 에스테르, 폴리(비닐클로라이드), 폴리비닐피롤리돈, 폴리실록산, 폴리(비닐 아세테이트), 폴리스티렌, 폴리우레탄 및 이들의 공중합체, 알킬 셀룰로오스, 하이드로 알킬 셀룰로오스, 셀룰로오스 에테르, 셀룰로오스 에스테르, 니트로 셀룰로오스, 메틸 셀룰로오스, 에틸 셀룰로오스, 하이드로프로필 셀룰로오스, 하이드록시-프로필 메틸 셀룰로오스, 하이드록시부틸 메틸 셀룰로오스, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 프로피네이트, 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트, 셀룰로오스 아세테이트 프탈레이트, 카복실에틸셀룰로오스, 셀룰로오스 트리아세테이트 및 셀룰로오스 셀페이트 나트륨염, 아크릴산의 중합체, 에스테르를 포함하는 이들의 유도체 공중합체 또는 메타크릴레이트, 폴리(메틸메타크릴레이트), 폴리(에틸메타크릴레이트), 폴리(부틸메타크릴레이트), 폴리(이소부틸메타크릴레이트), 폴리(헥실메타크릴레이트), 폴리(이소데실메타크릴레이트), 폴리(이소프로필아크릴레이 트), 폴리(이소부틸아크릴레이트) 및 폴리(옥타데실아크릴레이트), 폴리(부틸산), 폴리(발레르산) 및 폴리(락티드-코-카프로락탐), 이들의 공중합체 및 혼합물로 이루어진 군으로부터 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 불모지의 생태 복원 방법.
- 지의류 공생 조류 및 시아노박테리아 중의 어느 하나 이상, 지의류 형성 곰팡이 또는 지의체, 응결제 및 고정화 담체를 포함하는 불모지의 생태복원용 조성물.
- 제19항에 있어서, 조류는 트레보우시아(Trebouxia) 속, 슈도트레보우시아(Pseudotrebouxia) 속, 스티코코커스(Stichococcus) 속, 및 트렌테포리아(Trentepohlia) 속에 속하는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 불모지의 생태복원용 조성물.
- 제19항에 있어서, 시아노박테리아는 노스톡(Nostoc) 속, 린그비아(Lyngbya) 속, 미크로코레우스(Microcoleus) 속, 아나베나(Anabaena) 속, 크로코커스(Chrococcus) 속, 그로에카프사(Gloecapsa) 속, 포르미디움(Phormidium) 속, 스키토네마(Scytonema) 속, 시네코시스티스(Synechocystis) 속, 카로스릭스(Calothrix) 속 및 토리포스릭스(Tolypothrix) 속에 속하는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 불모지의 생태복원용 조성물.
- 제19항에 있어서, 지의류 형성 곰팡이는 아스피시리아(Aspicilia) 종, 칼로플라카(Caloplaca) 종, 클라도니아(Cladonia) 종, 콜레마(Collema) 종, 데마토카르폰(Dematocarpon) 종, 디프로니스테스(Diploschistes) 종, 엔도카르폰(Endocarpon) 종, 플루겐시아(Flugensia) 종, 그라피스(Graphis ) 종, 그리포레시아(Glypholecia) 종, 지로포라(Gyrophora) 종, 헤테로더미아 (Heterodermia) 종, 피시아(Physica) 종, 레카노라(Lecanora) 종, 페오피시아(Phaeophyscia) 종, 피스코니아(Physconia) 종, 프소라(Psora) 종, 파르메리아(Parmelia) 종, 라이조프라카(Rhizoplaca) 종, 라마리나(Ramalina) 종, 스테레오카우론(Stereocaulon) 종, 스파에로포루스(Sphaerophorus) 종, 테로시스테스(Teloschistes) 종, 토니니아(Toninia) 종, 움비리카리아(Umbilicaria) 종, 우스니아(Usnea) 종, 필로포루스(Pilophorus) 종, 잔토파르멜리아(Xanthoparmelia) 종, 잔토리아(Xanthoria) 종에 속하는 군으로부터 1종 이상 선택된 것을 특징으로 하는 불모지의 생태복원용 조성물.
- 제19항에 있어서, 지의류는 아스피시리아(Aspicilia) 속, 칼로플라카(Caloplaca) 속, 클라도니아(Cladonia) 속, 콜레마(Collema) 속, 데마토카르폰(Dematocarpon) 속, 디프로니스테스(Diploschistes) 속, 엔도카르폰(Endocarpon) 속, 플루겐시아(Flugensia) 속, 그라피스(Graphis ) 속, 그리포레시아(Glypholecia) 속, 지로포라(Gyrophora) 속, 헤테로더미아 (Heterodermia) 속, 피시아(Physica) 속, 레카노라(Lecanora) 속, 페오피시아(Phaeophyscia) 속, 피스코니아(Physconia) 속, 프소라(Psora) 속, 파르메리아(Parmelia) 속, 라이조프라카(Rhizoplaca) 속, 라마리나(Ramalina) 속, 스테레오카우론(Stereocaulon) 속, 스파에로포루스(Sphaerophorus) 속, 테로시스테스(Teloschistes) 속, 토니니아(Toninia) 속, 움비리카리아(Umbilicaria) 속, 우스니아(Usnea) 속, 필로포루스(Pilophorus) 속, 잔토파르멜리아(Xanthoparmelia) 속, 잔토리아(Xanthoria) 속에 속하는 지의류로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 지의류인 것을 특징으로 하는 불모지의 생태복원용 조성물.
- 제19항에 있어서, 상기 고정화 담체는 천연 중합체의 고분자 재질인 것을 특징으로 하는 불모지의 생태복원용 조성물.
- 제24항에 있어서, 상기 천연 중합체는 최초 수분량 대비 1일 경과 후 15％ 이상의 수분 보유력을 가지는 것을 특징으로 하는 불모지의 생태복원용 조성물.
- 제24항에 있어서, 상기 천연 중합체는 알긴산 또는 이의 염, 셀룰로오스 및 폴리사카라이드 중의 1종 이상인 것을 특징으로 하는 불모지의 생태복원용 조성물.
- 제19항에 있어서, 상기 고정화 담체는 전체 중량 대비 1.0 내지 3.5중량％의 함량으로 포함되는 것을 특징으로 하는 불모지의 생태복원용 조성물.
- 삭제
- 제19항에 있어서, 상기 응결제는 폴리락타이드, 폴리글리콜라이드, 폴리(락티드-코-글리콜라이드), 폴리-β-하이드록시 부틸산, 폴리 안하이드라이드, 폴리오르토에스테르, 폴리우레탄, 폴리아미드 폴리카보네이트, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리(에틸렌글리콜), 폴리(에틸렌옥사이드), 폴리(에틸렌테라프탈레이트), 폴리비닐 알코올, 폴리비닐 에테르, 폴리비닐 에스테르, 폴리(비닐클로라이드), 폴리비닐피롤리돈, 폴리실록산, 폴리(비닐 아세테이트), 폴리스티렌, 폴리우레탄 및 이들의 공중합체, 알킬 셀룰로오스, 하이드로 알킬 셀룰로오스, 셀룰로오스 에테르, 셀룰로오스 에스테르, 니트로 셀룰로오스, 메틸 셀룰로오스, 에틸 셀룰로오스, 하이드로프로필 셀룰로오스, 하이드록시-프로필 메틸 셀룰로오스, 하이드록시부틸 메틸 셀룰로오스, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 프로피네이트, 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트, 셀룰로오스 아세테이트 프탈레이트, 카복실에틸셀룰로오스, 셀룰로오스 트리아세테이트 및 셀룰로오스 셀페이트 나트륨염, 아크릴산의 중합체, 에스테르를 포함하는 이들의 유도체 공중합체 또는 메타크릴레이트, 폴리(메틸메타크릴레이트), 폴리(에틸메타크릴레이트), 폴리(부틸메타크릴레이트), 폴리(이소부틸메타크릴레이트), 폴리(헥실메타크릴레이트), 폴리(이소데실메타크릴레이트), 폴리(이소프로필아크릴레이 트), 폴리(이소부틸아크릴레이트) 및 폴리(옥타데실아크릴레이트), 폴리(부틸산), 폴리(발레르산) 및 폴리(락티드-코-카프로락탐), 이들의 공중합체 및 혼합물로 이루어진 군으로부터 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 불모지의 생태복원용 조성물.
- (a) 지의류 공생 조류 또는 시아노박테리아를 인공적으로 배양하는 단계; (b)상기 조류 또는 시아노박테리아에 지의류 형성 곰팡이를 접종하여 지의체를 형성하는 단계; 및 (c) 상기 지의체가 형성된 조류 또는 시아노박테리아를 조류 또는 시아노박테리아의 성장환경에 따른 기물에 위치시켜 지의체의 번식을 유도하는 단계를 포함하는 지의류 지의체의 대량 생산 방법.
- 제30항에 있어서, 조류는 트레보우시아(Trebouxia) 속, 슈도트레보우시아(Pseudotrebouxia) 속, 스티코코커스(Stichococcus) 속, 및 트렌테포리아(Trentepohlia) 속에 속하는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 지의류 지의체의 대량 생산 방법.
- 제30항에 있어서, 시아노박테리아는 노스톡(Nostoc) 속, 린그비아(Lyngbya) 속, 미크로코레우스(Microcoleus) 속, 아나베나(Anabaena) 속, 크로코커스(Chrococcus) 속, 그로에카프사(Gloecapsa) 속, 포르미디움(Phormidium) 속, 스키토네마(Scytonema) 속, 시네코시스티스(Synechocystis) 속, 카로스릭스(Calothrix) 속, 및 토리포스릭스(Tolypothrix) 속에 속하는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 지의류 지의체의 대량 생산 방법.
- 제30항에 있어서, 지의류 형성 곰팡이는 아스피시리아(Aspicilia) 종, 칼로플라카(Caloplaca) 종, 클라도니아(Cladonia) 종, 콜레마(Collema) 종, 데마토카르폰(Dematocarpon) 종, 디프로니스테스(Diploschistes) 종, 엔도카르폰(Endocarpon) 종, 플루겐시아(Flugensia) 종, 그라피스(Graphis ) 종, 그리포레시아(Glypholecia) 종, 지로포라(Gyrophora) 종, 헤테로더미아 (Heterodermia) 종, 피시아(Physica) 종, 레카노라(Lecanora) 종, 페오피시아(Phaeophyscia) 종, 피스코니아(Physconia) 종, 프소라(Psora) 종, 파르메리아(Parmelia) 종, 라이조프라카(Rhizoplaca) 종, 라마리나(Ramalina) 종, 스테레오카우론(Stereocaulon) 종, 스파에로포루스(Sphaerophorus) 종, 테로시스테스(Teloschistes) 종, 토니니아(Toninia) 종, 움비리카리아(Umbilicaria) 종, 우스니아(Usnea) 종, 필로포루스(Pilophorus) 종, 잔토파르멜리아(Xanthoparmelia) 종, 잔토리아(Xanthoria) 종에 속하는 군으로부터 1종 이상 선택된 것을 특징으로 하는 지의류 지의체의 대량 생산 방법.
- 제30항에 있어서, 상기 (b) 단계의 지의류 형성 곰팡이는 단위 면적(cm2) 당 1 내지 20 균체로 접종되는 것을 특징으로 하는 지의류 지의체의 대량 생산 방법.
- 제30항에 있어서, 상기 기물은 나무, 돌, 바위, 코르크, 또는 모래 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 지의류 지의체의 대량 생산 방법.
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