산화구리 및 산화아연 나노입자가 메밀의 전생활사 및 토양 미생물 군집에 미치는 영향

Abstract

나노기술의 발전으로 관련 산업이 급성장하면서 환경에 배출되는 나노입자(Nanoparticles)의 양이 증가함에 따라, 나노입자가 생물에 미치는 영향에 대한 연구의 중요성이 커지고 있다. 본 연구에서는 작물이자 약용식물인 메밀(Fagopyrum esculentum)을 이용하여 토양 환경에서 중금속 산화물 나노입자가 식물체 내로 흡수되어 축적하고 이동하며 식물의 전생활사에 걸쳐 생장에 미치는 영향을 조사하였다. 사용된 나노입자는 산화구리(CuO)와 산화아연(ZnO) 두 종류로, 각각 0, 50, 500, 2000 mg/kg으로 토양에 처리하였다. 메밀을 나노입자 오염 토양에서 90일 동안 재배한 결과 2000 mg/kg 의 고농도로 오염된 토양에서 발아율이 각각 대조군의 15%(CuO), 10%(ZnO) 수준으로 저해되었으며, 생체량 역시 대조군의 10% 이하로 나타났다(p<0.05). 여러 생장 요인에 대한 IC50을 비교하였을 때 식물독성은 CuO가 ZnO보다 높았다. 나노입자가 식물체 내에서 이동하여 축적된 것은 기관별 현미경 관찰 및 중금속 농도 분석으로 확인하였다. 가장 많은 중금속이 축적된 뿌리의 경우 구리는 1222.6±3.7 ㎍/g, 아연은 1220.5±63.2 ㎍/g 이 축적되었다. 토양의 탈수소효소 활성도 및 양이온 치환 용량은 고농도로 오염된 토양일수록 감소하였다. 메밀 재배 전후의 토양을 비교한 결과 탈수소효소 활성도는 최대 21% 증가하였으며 이는 근권 토양과 식물 뿌리의 상호작용으로 미생물 활성이 증가했기 때문이라고 생각된다. 근권과 비근권 토양의 DNA를 추출하여 T-RFLP 분석으로 토양 미생물 군집을 비교한 결과 나노입자 농도가 증가함에 따라 다양성이 감소하고 군집 분포가 크게 변화했으며, 근권 토양의 다양성이 더 높게 나타났다. 나노기술의 발전으로 관련 산업이 급성장하면서 환경에 배출되는 나노입자(Nanoparticles)의 양이 증가함에 따라, 나노입자가 생물에 미치는 영향에 대한 연구의 중요성이 커지고 있다. 본 연구에서는 작물이자 약용식물인 메밀(Fagopyrum esculentum)을 이용하여 토양 환경에서 중금속 산화물 나노입자가 식물체 내로 흡수되어 축적하고 이동하며 식물의 전생활사에 걸쳐 생장에 미치는 영향을 조사하였다. 사용된 나노입자는 산화구리(CuO)와 산화아연(ZnO) 두 종류로, 각각 0, 50, 500, 2000 mg/kg으로 토양에 처리하였다. 메밀을 나노입자 오염 토양에서 90일 동안 재배한 결과 2000 mg/kg 의 고농도로 오염된 토양에서 발아율이 각각 대조군의 15%(CuO), 10%(ZnO) 수준으로 저해되었으며, 생체량 역시 대조군의 10% 이하로 나타났다(p<0.05). 여러 생장 요인에 대한 IC50을 비교하였을 때 식물독성은 CuO가 ZnO보다 높았다. 나노입자가 식물체 내에서 이동하여 축적된 것은 기관별 현미경 관찰 및 중금속 농도 분석으로 확인하였다. 가장 많은 중금속이 축적된 뿌리의 경우 구리는 1222.6±3.7 ㎍/g, 아연은 1220.5±63.2 ㎍/g 이 축적되었다. 토양의 탈수소효소 활성도 및 양이온 치환 용량은 고농도로 오염된 토양일수록 감소하였다. 메밀 재배 전후의 토양을 비교한 결과 탈수소효소 활성도는 최대 21% 증가하였으며 이는 근권 토양과 식물 뿌리의 상호작용으로 미생물 활성이 증가했기 때문이라고 생각된다. 근권과 비근권 토양의 DNA를 추출하여 T-RFLP 분석으로 토양 미생물 군집을 비교한 결과 나노입자 농도가 증가함에 따라 다양성이 감소하고 군집 분포가 크게 변화했으며, 근권 토양의 다양성이 더 높게 나타났다.;With the advancement of nanotechnology, the market scale of related industries has grown, thus the amount of nanoparticles released in the environment is increasing rapidly. Therefore, the importance of the studies on how nanoparticles can affect various organisms is higher than ever. On this research, Buckwheat (Fagopyrum esculentum), a crop plant and herb consumed by humans, was used to investigate the effect of metal oxide nanoparticles on the growth and development of the plant in a soil environment throughout a life cycle. Two types of metal oxide; copper oxide and zinc oxide, were used. Both were treated at the soil at the concentration of 0, 50, 500, 2000 mg/kg. As a result, treating buckwheat in contaminated soil for 90 days showed that germination rate of buckwheat was inhibited by 15% (CuO) and 10% (ZnO) of control in highly contaminated soil (2000 mg/kg), and biomass was also decreased by 10% of control. When comparing the IC50 for each growth factor, the phytotoxicity of CuO showed to be slightly higher than that of ZnO. Nanoparticles translocated and accumulated in the plant has been identified through electronic microscopy observation and metal concentration measurement of different plant organs. Metal concentration in buckwheat was highest in root, up to 1222.6±3.7 ㎍/g (Cu), 1220.5±63.2 ㎍/g (Zn). The dehydrogenase activity and the cation exchange capacity of soil showed a higher tendency of decreasing in highly contaminated soil. When comparing the initial soil and the soil after the plant was harvested, it was found that soil enzyme activity had grown up to 21% after raising the plant for 90 days. This can be seen as a result of the interaction between rhizosphere and plant’s root. T-RFLP analysis for the microbial community of rhizosphere and bulk soil was performed for each nanoparticle and it could be seen that a shift in the community occurred as the nanoparticle concentration in soil increased, with the tendency of a higher diversity for rhizosphere.