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SUMMARY
Contents
목차
제1장 연구개발과제의 개요 16
제1절 연구개발의 목적 16
1. 최종 목표 17
2. 단계별 목표 17
제2절 연구개발의 필요성 17
제3절 연구개발 범위 19
제4절 연구개발 기관 및 구성 20
제2장 국내외 기술개발 현황 21
제1절 국내외 생물농약 개발 현황 21
1. 국내외 생물농약 시장 규모 21
2. 국내의 기술개발 현황 및 개발 수준 23
3. 외국의 기술개발 현황 및 개발 수준 26
제3장 연구 개발수행 내용 및 결과 30
제1절 곤충 병원미생물을 이용한 차세대 미생물 살충제개발 30
1. 곤충병원성 곰팡이 균주의 배양조건 검토 31
2. 포자원제의 경제적 대량생산을 산업용 배양 배지 조건의 최적화 41
3. Paecilomyces sp. HY-4 포자 원제의 안정성 검토 46
4. 고농도 활성포자를 이용한 제형화 및 시제품 개발 53
5. 해충령기에 따른 실내 살충력 검증 57
6. 친환경유기농자재 목록공시 72
7. 친환경유기농자재 시험제형을 이용한 포장시험 수행 76
8. '패시포라'의 독성시험 85
제2절 길항 미생물을 이용한 식물병 방제용 차세대 미생물 소재 개발 90
1. 신규 길항미생물을 이용한 식물병 방제용 차세대 미생물소재 개발 92
가. 신규 길항 내생세균의 분리·동정 및 특성 조사 110
나. 항균 활성물질의 순수 분리 및 구조 결정 122
다. 미생물 대량 배양 공정 확립 및 시제품 제형 개발 124
라. YC6887 균주의 제품 등록용 방제효능 및 약해 평가 127
마. YC6887 균주의 작용기작 규명 130
바. YC6887 균주의 기주 병저항성 유도 경로 137
사. 논토양 근권 세균 YC7007 균주의 동정 139
아. YC7007 처리에 의한 작물병 방제효과 141
자. YC7007 미생물 제제(세머루)의 독성 검사 149
2. 길항 미생물을 이용한 신규 식물병 방제제개발 162
가. 미생물 안정성과 방제효과 증대를 위한 micro encapsulation 제조 172
나. 미생물 안정성과 방제효과 증대를 위한 micro encapsulation 제조 180
다. Micro encapsulation 제제의 효능실험 187
라. 유황함유 Micro encapsulation 제제의 흰가루병 방제효능실험 190
마. 식물추출물함유 Micro encapsulation 제제의 진딧물 방제효능실험 191
바. 친환경 유기농자재 제품 공시 196
제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 238
제1절 연구개발목표의 달성도 238
제2절 연도별 목표 달성도 240
제5장 연구개발 성과 및 성과활용 계획 241
제1절 연구개발 성과 241
1. 연차별 연구 성과 241
2. 연구종료 후 연구결과 활용 목표 241
3. 논문게재 성과 242
4. 특허 성과 243
5. 실용화 및 산업화 계획 244
6. 홍보 및 기술 확산 245
제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 247
제7장 참고문헌 249
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I. 제목
차세대 생물농약 개발에 관한 연구 (핵심 1과제: 곤충 병원미생물을 이용한 차세대 미생물살충제 개발, 핵심 2과제: 길항 미생물을 이용한 식물병 방제용 차세대 미생물 소재 개발)
II. 연구개발의 목적 및 필요성
〈목적〉
지난 20여 년 간 국내 대학 및 연구소에서 수행된 생물농약 관련 기초 및 응용연구 결과와 관련 산업체에서 제품화를 위하여 국내외에서 획득한 제품의 대량 생산 및 제제화 기술을 바탕으로 이를 더욱 더 발전시켜 천연식물보호제(생물농약) 제품 생산에 필요한 원천 공정 기술을 확보하고 동시에 세계적인 차세대 제품을 개발하고자 하였다.
〈필요성〉
국내외적으로 안전 농산물에 대한 소비자들의 관심이 높아지고 국가 간의 자유로운 교역 (FTA)이 확대됨에 따라 우리 농산업의 국제 경쟁력 확보가 어느 때보다도 중요해지고 있다. 현재 정부에서는 안전한 농산물 생산을 통한 농업 경쟁력 제고를 위한 일환으로 제 3차 친환경농업육성 정책을 추진하고 있다. 따라서 2015년까지 현재의 화학농약 사용량을 15% 감소시킬 수 있는 대체 천연식물보호제의 개발과 보급이 필수적이다.
최근 바이오 벤처기업과 대학, 연구소를 중심으로 우수한 미생물 또는 신규 미생물 유래 활성물질이 확보 된 바 있으나 제품화에 필요한 대량생산 및 제형화 등의 기술 축적이 미흡하고 제품화를 위한 마케팅 능력 부족으로 세계적인 제품 개발에는 아직 성공하지 못하고 있다. 따라서 세계적인 천연식물보호제 개발과 보급을 위하여 산·학·연 연구 개발 주체 간에 기술 개발 노하우 및 세계 시장 진출에 대한 전략 공유와 역할 분담을 할 수 있는 긴밀한 협조 체계가 필요하다.
병·해충에 의한 국내의 작물 생산 피해는 평균 20-30% 정도로 살충제 및 살균제 시장의 약 60%가 방제가 어려운 흡즙 해충, 토양해충 및 역병, 탄저병 및 흰가루 병 등의 화학농약이 차지하고 있으며, 주요 방제 대상 해충으로는 진딧물, 응애, 가루이, 굼벵이 등이 있다. 이들 해충과 병원균은 기존 화학약제에 대한 저항성 발현이 빠르고 세대주기가 짧아 방제가 제대로 이뤄지지 않아 종종 작물 생산에 심각한 영향을 미치고 있다. 더구나 이들의 친환경적인 방제에 사용되고 있는 국내 유통 제품들은 대부분의 원제가 중국산으로 국내 개발 및 사용에 어려움이 많다. 따라서 기존 제품보다 활성이 뛰어나고 적용 스펙트럼도 넓은 우수한 미생물 또는 미생물 유래 원제의 개발이 절실하다.
III. 연구개발 내용 및 범위
〈핵심 1과제: 곤충 병원미생물을 이용한 차세대 미생물살충제 개발〉
○ 곤충병원성 곰팡이 Metarhizium HY-2, Paecilomyces HY-4속 균주의 배양특성 분석 및 대량생산 조건 확립
○ 곤충병원성 곰팡이의 경제적 대량배양 조건 및 균체 수확 기술 확립
○ 방제효과 증진 및 을 위한 제품의 shelf-life 연장을 위한 제제법 개발
○ 개발된 제형의 다양한 조건에서 살충력 및 제형 안정화
○ 포장 약효/약해 평가 및 제품 QC 방법 확립
○ 친환경유기농자재 등록을 위한 안전성, 효능 자료 및 관련 자료 확보
○ 곤충병원성 곰팡이의 살충 기작 연구
〈핵심 2과제: 길항 미생물을 이용한 식물병 방제용 차세대 미생물 소재 개발〉
○ 신규 세균의 대량 생산을 위한 배지 성분 및 조건 등 생산 공정 개발
○ 세균의 안정성과 방제효과를 높이기 위한 최적 제형 개발
○ 시제품의 병 방제 효과 조사(온실, 포장시험)
○ 선발 세균의 살균 작용기작 연구
○ 선발 세균이 생산하는 항균물질의 분리 및 구조 결정
○ 항균물질 대량 생산 및 관련 유전자 분리 및 분석
○ 미생물 및 천연소재 안정성과 방제효과 증대를 위한 Microencapsulation, Microsphere, Minigranule 제조
○ 친환경 유기농자재등록을 위한 약효, 약해 시험 및 독성, 안전성 조사
IV. 연구개발 결과 및 성과
1. 곤충병원성 곰팡이의 대량 생산 공정 개발
미생물 원제인 특허 균주 메타리지움(Metarhizium)속 HY-2 와 패실로마이세스(Paecilomyces) 속 HY-4 균주의 경제적 대량배양 공정을 개발하고 고농도 활성 포자의 생산 기술을 확보하였다.
가. 메타리지움 속 곰팡이의 대량 생산 방법(특허 출원: 10-2011-0028178)
본 발명은 메타리지움속 HY-2 곰팡이 및 이를 이용한 농업해충 방제용으로 활용하기 위한 산업적 대량생산에 관한 것으로, 메타리지움 곰팡이의 대량생산을 위한 배지 조성, 배양 및 포자 생산 방법은 다양한 농업해충의 방제 등 산업적으로 유용하게 이용될 수 있음.
나. 패실로마이세스 속 곰팡이의 대량 생산 방법(특허 출원: 10-2011-0028179)
곤충병원성 곰팡이 패실로마이세스(Paecilomyces) 속 HY-4를 경제적으로 대량 배양 할 수 있는 배지조성, 배양방법 및 포자생산 방법 등으로 이는 농업해충을 친환경적으로 방제할 수 있는 미생물 살충제 등 생물농약 개발에 요긴하게 활용 가능함.
다. 패실로마이세스 속 균주를 이용한 생물농약 제조 방법 (특허 출원: 10-2013-0062878)
본 발명은 해충방제를 위한 패실로마이세스(Paecilomyces) 속 HY-4 균주를 포함하는 해충 방제용 미생물제제의 활성포자를 분산, 현탁, 혼합 등의 방법으로 사용하기 위한 비료, 친환경유기농자재, 또는 생물농약을 위한 조성물에 관한 것임.
2. 미생물 원제의 대량생산, 제형 개발 및 안전성 조사
위 대량생산 방법을 이용하여 배양 후 곰팡이 포자를 수확, 고농도의 시험원제를 확보 한 후 물리적, 화학적 안정성을 검토하였고, 시험 제형을 개발하였다. 개발한 시험 제형을 이용하여 친환경유기농자재 목록공시 신청을 위한 공인인증 기관을 통한 급성독성, 꿀벌독성 등 시험 분석을 실시하였다.
3. 시험 원제 및 제형의 살충력 검증
흡즙성 난방제 해충인 점박이응애, 복숭아혹진딧물, 담배가루이를 목적 해충으로 설정하여 실험실내에서의 사육 체계를 확립하였으며, 선정된 3종의 흡즙성 미소 해충에 대한 곰팡이의 적절한 처리 방법을 조사한 결과, 패실로마이세스(Paecilomyces) 속 HY-4 균주만이 점박이응애에 병원성이 있었다. 최종적으로 패실로마이세스(Paecilomyces) 속 HY-4 균주를 이용하여 제조된 패시포라의 다양한 제제를 이용하여 점박이응애에 방제 가능성을 확인하였다. 오이점박이응애에 대한 약효/약해 시험을 진행하였고, 5종 작물(금관고추, 만풍배추, 귀공자수박, 금관참외, 매향딸기)에 대한 비해 시험도 수행하였다.
4. 친환경 유기농자재 시제품 개발
상기의 결과를 바탕으로 관련 기술을 (주)인섹트바이오텍에 기술 이전하고, 시제품 '패시포라(PaeciPora)'를 개발하였다. 현재 곤충병원성 곰팡이를 이용한 친환경유기농자재로 등록 신청 중에 있다.
1. 신규 내생 세균의 분리·동정 및 대량 생산 조건 확립
주요 식물병에 대하여 강한 병원균 억제효과, 기주식물의 병저항성 유도 및 식물생육촉진 효과를 갖는 다기능성 신규 세균 2종 Martelella endophytica YC6887, Bacillus methylotrophicus YC7007을 분리 동정하고, 대량 생산 조건을 확립하였다.
가. Martelella endophytica YC6887
이 균주는 염생식물 해당화 뿌리 내에서 분리 되었으며 Phytophthora, Pythium 외 여러 주요 식물병원균에 대한 억제 효과가 뛰어나며, 본 연구 결과 신종으로 확인되어 새로운 이름을 붙였고, 식물병의 생물학적 방제 효능 외에도 질소 고정 효능을 갖는 다기능성 미생물임 (특허 출원: 10-2011-0069612).
나. Bacillus methylotrophicus YC7007
이 균주는 논의 식물 뿌리 내에서 분리된 내생세균으로 흰가루병균, 탄저병균, 벼키다리병균에 대하여 강한 억제효과를 보였으며, 동시에 벼의 식물생육촉진, 유도저항성 효과가 좋은 다기능성 미생물임 (특허 출원: 10-2013-0046313)
2. 미생물 원제의 제형화 기술 개발
대량생산 된 선발 균주 및 천연항균물질의 고농도 미생물 원제를 확보하여 부제, 계면활성제 등을 첨가하고 상온 또는 분무건조 방식으로 입제 또는 수화제 형태의 포장 시험 사용에 필요한 제형을 개발하였다.
가. 미생물 안정성과 방제효과 증대를 위한 micro-encapsulation 제조
제제 시 키토산-sulfate complex 미세입자 크기는 키토산의 농도 및 분자량이 증가함에 따라 증가하였고 분자량이 14 kD에서 가장 높은 미세입자 형성 효율을 보였다. Attrition mill의 처리시간 60분에서 평균 미세입자 크기는 0.73 um 이었으며, 미세입자 형성 효율은 키토산과 알긴산 농도가 1.5%와 1.0%에서 극대화 되었고 알긴산을 이용한 minigranule은 미생물 보존력이 8.7x108 cfu/g 에서 3.9x107 cfu/g으로 나타났다.
3. 미생물 및 천연물질 시험 제형의 병 방제효과 조사
개발된 제형을 이용하여 식물 병 중 방제가 어려운 고추역병, 흰가루병(고추, 오이), 벼키다리병 방제효과를 포장 시험에서 확인한 결과 천연식물보호제 등록에 충분한 평균 60% 이상의 방제가를 얻었다. 각 제형의 5종 식물에 대한 약해 시험에서도 전혀 약해가 나타나지 않은 안전한 것으로 확인되었다. Micro-encapsulation 제제는 방제효과 외에도 상추, 배추의 엽장과 엽폭이 각각 6.22%과 10.04%의 생장 촉진 효과를 나타내었다.
4. 신규 내생세균의 병 억제 작용기작 연구
가. M. endophytica YC6887 생산 항균물질
배양여액에서 분리된 총 6종 화합물들의 항균활성을 조사한 결과 항균 활성이 있는 2종의 화합물은 각각 p-hydroxybenzaldehyde, phenylacetic acid 기지 물질로 확인되었다.
나. 식물 생육촉진 및 병저항성 유도 효과
M. endophytica YC6887 균주를 애기장대의 근권 처리 시 생장촉진 및 Pseudomonas syringae DC3000 병원균에 대한 기주 저항성 유도 효과가 있었으며, 관련 유전자인 PR1과 PDF1.2의 발현이 확인되었다. 식물생장 촉진은 이 균에 의하여 애기장대의 곁뿌리털 생육 촉진에 의한 것으로 확인되었으며, 고추의 생장촉진 효과도 발견 되었다.
다. M. endophytica YC6887 균주의 추가 작용 기작 연구를 위하여 full genome sequencing을 완료 하였으며, genome 크기는 4.8Mb, GC 함량은 62.14%, 총 ORF 수는 4663개 이었다.
5. 미생물 원제의 독성 및 환경 안전성 조사
대량생산 된 선발 균주 및 천연항균물질을 포함한 고농도 미생물 원제 및 시제품의 친환경 유기농자재 목록공시 및 천연식물보호제 등록 신청을 위한 급성독성, 어독성, 꿀벌독성 등 필요한 안전성 시험을 실시한 결과 등록에는 문제가 없는 것으로 확인되었다.
6. 친환경 유기농자재 시제품 개발 및 등록 신청
상기의 결과를 바탕으로 친환경유기농자재 품질인증 2건 신청(바이탄, 모비탄)과 1건 천연식물보호제(세머루) 등록을 위한 준비를 진행 중에 있다.
V. 성과활용 계획
1. 친환경유기농자재 등록용 시제품 개발
가. 핵심 1과제의 기술 개발 결과로서 곤충병원성 곰팡이를 이용한 친환경유기농자재 '패시포라(PaeciPora)'를 개발하였다.
나. 핵심 2과제의 연구 개발 결과로서 신규 내생 세균을 이용한 천연식물보호제 후보인 '세머루'를 개발하였고, 천연 물질을 특수제형으로 제제화 한 '바이탄', '모비탄' 2건을 친환경유기농자재 등록 신청 중에 있다.
2. 개발 기술의 관련 업계 기술 이전
본 연구에서 개발된 '곤충병원성 곰팡이를 이용한 미생물살충제 제조'에 관한 기술을 본 과제의 참여기업인 (주)인섹트바이오텍으로 기술 이전 계약을 실시하였다. 해당 기술은 미생물 살충제의 원료가 되는 곤충병원성 곰팡이의 고농도 활성포자의 경제적 대량 생산에 관한 것으로 친환경 유지농자재 개발에 필요한 핵심기술이다. 신규 미생물 분리 탐색 및 micro 제제화 기술은 향후 관련 산업계와의 기술 공유를 통하여 천연식물보호제 기술 발전에 활용될 것이다.
3. 해외 마케팅 추진
가. BioUSA International Convention인 Bio2013 Chicago에서 개발한 시제품 '패시포라 (PaeciPora)'를 홍보하였다. 친환경유기농제품 중에서 미생물 살충제 시장이 큰 브라질, 말레이시아 등의 국가와 관련 기술에서의 선진국인 현지 특허법인 등과의 기술 마케팅을 실시하였다.
나. 개발 중인 '세머루'는 동부팜한농과 협약을 맺고 향후 국내외 판매를 위한 포장 확인 시험을 진행 중에 있다. '바이탄' '모비탄'은 국내 친환경 농자재 판매사(케이원바이오텍)와 제품 공급 MOU 체결을 했으며, 대만 및 중국 수출을 위한 대만 농업회사(MasterVet)과 판매 계약 추진중
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