표토는 주로 경작지에서 경운되는 약 30 cm 깊이의 토양층이며, 식물의 뿌리가 닿는 부분으로 산소를 머금고 천천히 방출함으로써 근권부의 혐기화를 억제할 수 있어야 하며, 영양분을 함유하여 심토와 함께 수분을 유지하며 건기 동안 식물의 생장을 유지할 수 있도록 해야 한다. 심토는 대부분의 토양에서 필수적인 구성요소로써 수분을 저장하여 더 깊은 층이나 수로로 강우를 전달케 하며, 나무, 관목 및 풀이 깊은 뿌리를 내릴 수 있도록 하여 여름의 가뭄을 이겨내고 고정해주는 역할을 해주며, 지표수의 유출과 침수를 제어해줄 수 있다[1].

표토 1 cm가 만들어지기 위해서는 100 ~ 300년의 시간이 필요하다. 표토는 단순한 ‘흙’이 아닌 ‘질 높은 자원’이며, 유기물, 미생물이 풍부해 식물의 생장에 필요한 양분을 저장하고 공급할 뿐 아니라, 자연정화, 탄소저장, 대기 냉각 등의 물질순환의 기능과 환경적 순기능으로 약 26.4조원의 환경적 가치를 가지고 있다[2]. 그러나 경제협력개발기구(OECD)의 토양유실량 분류기준과 비교 시 전국 평균 표토유실량 평균치가 매우 심함을 알 수 있다[1]. 산악지형이 많고, 여름철 집중 강수가 내리는 우리나라의 지형적･기후적 특성으로 인하여 표토 침식에 매우 취약하여 국토의 30% 이상에서 연간 33 톤/ha을 초과하는 표토가 유실되는 것으로 파악돼 체계적인 관리가 필요한 상태다[1]. 자연적인 훼손은 대부분 강우나 바람 등의 자연적인 원인으로 발생하고 인위적인 훼손은 도시화에 의한 개발이나 벌목 등으로 발생하며 해마다 표토가 약 50 km² 씩 감소하는 실정이며, 대지, 도로, 및 철도건설 등으로 연간 447만 m3의 표토 유실이 예상된다. 건설공사의 토지 절･성토 과정에서 지반 표토를 수거한 후 별도로 보전하지 않고 건축 부지 정지 후 건축물을 조성한다[1]. 이 후 부지내로 식재기반을 조성하는 단계에서는 이미 양호한 표토를 소실하였기 때문에 별도의 객토를 행하는 등 자원보존도 이루어지지 않고 식재 후 안착하지 못하는 상황이 반복된다. 강원지역 대관령 고랭지에서는 수년간의 토사 침식으로 토양층의 대부분이 유실되어 생산성이 떨어지고 폐경화된 부지가 늘어나고 있다[3]. 토양침식에 대한 중요성은 최근까지 인식하지 못했었으나, 환경보존에 대한 인식이 높아짐에 따라 토양보존 및 훼손토 복원에 대한 관심이 높아지고 있다. 또한 표토 복원을 위하여 저렴하고 손쉽게 구할 수 있는 정화토를 비롯한 유사토양을 성토재로 활용하고 있기도 하여 포토의 기능에 대한 심도 있는 연구가 필요하다.

국내 이동토 및 유실토의 복원기술은 아직 기초적인 단계이며, 국외의 복원기술은 영국을 비롯한 유럽 등에서 다양하게 수행 중이다. 주로, 심토 상부 유기물과 혼합토를 살포하는 in-situ기술과 유기물, 광물질을 혼합하거나 표토를 혼합하는 ex-situ 방법으로 구분된다. 표토복원 후 표토의 사후관리도 매우 중요한데, 이는 이후 토양 손상을 최소화할 수 있으며, 식물의 식재를 통해 관리될 수 있다.

훼손토 복원기술의 하나인 식재를 이용한 관리에서 식물의 생육은 가장 중요한 성공 요인이다. 식물은 생육에 필요한 여러 가지 호르몬을 체내에서 합성하지만, 외부에서 공급되는 호르몬의 영향을 받기도 하며[4], 특히 식물호르몬을 생산하는 미생물의 영향을 많이 받는다. 식물 뿌리의 생리작용에 영향을 받는 토양 권역인 근권은 뿌리표면으로부터 수 mm ~ 1 cm 범위에 해당된다. 이 근권은 식물의 뿌리가 성장하는 동안 다양한 물질을 배출하고 흡수하여 토양의 환경을 형성하고 토양 미생물의 활성에 유리한 환경을 제공한다. 이러한 토양권역에서 서식하는 미생물을 근권미생물(rhizosphere microorganism)이라고 하며, 이 미생물 중에서 식물의 뿌리의 표면 또는 내부에 정착하여 식물의 생장을 촉진하는 토양 세균을 식물생장촉진근권세균(plant growth-promoting rhizobacteria, PGPR)이라 한다[5]. 식물 뿌리는 토양 근권에 서식하는 미생물의 생장에 도움이 되는 저분자 탄소원을 방출하고, 근권에 서식하는 유용 미생물은 다양한 기능을 통해 식물의 생장에 도움을 줌으로서 서로 공생관계를 유지한다. 근권미생물은 대기 중의 질소를 고정시키거나[6], 인을 흡수하거나[7], K을 가용화[8]시킴으로서 주요 영양분(N, P, K)의 흡수를 향상시키고, Fe, Mn, Zn, Si와 같은 미량원소를 가용화[9,10]시켜 줌으로 식물로의 흡수를 향상시켜준다. 질소고정세균은 대기 중의 질소를 식물이 이용할 수 있는 질소화합물의 형태로 고정화하여 식물 생장에 필수적인 주요영양소를 제공하며 식물과 공생하는 Rhizobium sp.와 Bradyrhizobium sp.와 Azosporillum sp. 및 Pseudomonas sp. 등의 비공생형의 세균이 있다[11]. 불용성의 인을 가용화함으로서 영양분을 제공할 수 있는 세균으로는 Pseudomonas와 Burkholdera 등이 알려져 있다[12,13]. 또 다른 기능으로는 생장호르몬인 indole-3-acetic acid (IAA) 및 siderophore를 생성하거나, 질병 방지를 위한 항생물질을 생성함으로 식물병원성 곰팡이의 생장을 억제하여 식물생장에 도움을 준다[14]. 또한 PGPR은 식물의 성장을 유도하는 2차 화합물과 휘발성 유기 화합물(VOCs)을 생성한다[15]. 철은 모든 생명체에 필수적으로 요구되는 미량원소이나, 일반적으로 호기적 환경에서는 불용성 철화합물로 존재하고 있는데 이 경우 bioavailability가 낮다. 미생물 중에는 철과 매우 친화력이 높은 저분자 킬러이터인 siderophore를 분비하여 환경으로부터 철을 손쉽게 흡수할 수 있도록 해준다. Chryseobacterium 등이 식물에 철을 제공하여 식물 생장을 촉진하는 것으로 알려져 있다[16].

식물은 스트레스 환경(오염물질, 염분, 수분부족)에 노출되면 스트레스 호르몬인 에틸렌과 그 전구체인 ACC (1-aminocyclopropane -1-carboxylic acid)의 축적을 통해 뿌리의 성장을 저해하고 식물의 노화나 과성숙을 유도하여 시들어 죽게 한다[17]. 이때 ACC가 풍부해진 근권토양은 ACC를 질소원으로 이용하는 근권미생물의 군집화를 유도하고[18], 이들은 ACC deaminase 효소를 이용하여 에틸렌의 전구체인 ACC를 ammonia와 α-ketobutyrate로 분해하여 식물체 내의 에틸렌의 수준을 낮춰 식물의 생장에 도움을 준다[19]. ACC deaminase를 생산하는 세균은 식물 뿌리 생장을 촉진하고 식물에 대한 영양분 흡수도 촉진하는 것으로 알려져 있으며[20], 대표적인 세균으로는 Microbispora, Streptomyces, Variovorax, Mesorhizobium 등이 알려져 있다[21]. 이와 같이 식물생장을 촉진하는 미생물은 다양한 효소활성을 통해 식물에 이익을 주며, 식물이 배출하는 뿌리삼출물을 받아 생장하기에 둘은 상호공생관계로 유지한다[22]. 현재까지 보고된 PGPR은 Pseudomonas, Azospirillum, Azotobacter, Klebsiella, Enterobacter, Alcaligens, Arthobacter, Burkholderia, Bacillus를 포함하여 다양한 미생물이 있는 것으로 알려져 있다[23,24].

표토와 심토를 혼합 후 표토화 복원을 촉진하기 위하여 재식재를 할 경우 혼합토양은 식생의 생장에 부적합하다. 이 경우 식물의 초기 정착을 도와주기 위한 PGPR의 활성이 중요한 성공 요인이 될 수 있다. 특히, 무기물이 부족할 경우에 무기물의 흡수를 도와주거나, 스트레스 환경에서 ACC deaminase와 같은 효소활성을 가진 PGPR은 식물의 초기 정착을 도와주는 유용한 역할을 할 것이다.

본 연구에서는 먼저 훼손토 복원지에 적용할 식물로 병꽃나무, 조팝나무, 소나무 등의 관목과 초본류로 슈크령을 선정하였다. 이후 각 식물에 적합한 근권미생물의 분리원으로 전국 산야에 자라는 낙엽관목의 병꽃나무, 조팝나무와 상록 침엽수인 소나무와 여러해살이풀인 수크령을 대상으로 식물의 생장을 향상시키는 PGPR을 분리하고자 하였다. 각 식물 근권의 미생물을 탐색 후 분리하고 활성 검사를 통하여 현장 적용 가능성을 알아보았다.

기존의 초본류에서 분리된 식물생장촉진미생물과 달리 관목류로부터 다양한 식물생장촉진미생물(PGPR)을 분리하고 이들의 식물생장촉진활성을 확인하였다. 기존 초본류의 단기간에 걸친 식물생장촉진과는 달리 관목류의 생장이 느리기 때문에 측정된 활성은 길이생장을 관여하는 IAA값이 기존 연구진이 분리하였던 PGPR 보다 높지 않았으며, 척박한 토양에 잘 견디기위해 필요한 인 및 철의 활용능력과 관련된 인 가용화활성 및 siderophore 활성이 우수한 균주가 많았다. 관목류는 생장의 변화를 단기간에 관찰하기 매우 어려워서 실험초기 줄기길이를 모두 동일하게 절단해줌은 물론 모든 잎을 제거하여 잎의 출현을 관찰하였다. 또한 소나무와 같은 침엽수는 잎을 제거하기 어렵기 때문에 엽록소 함량을 측정함으로서 주기적 측정값으로 활용하였다. 본 연구를 이용하여 표토훼손지의 식생재녹화를 통한 복원을 위하여 식물생장촉진미생물을 이용하여 현장적용 가능성을 확인할 수 있었다.