Ⅰ. 서론
비소오염은 환경오염의 증가와 더불어 인간의 인위적 활동에 의하여 급속히 증가하고 있으며, 인간의 건강에 악영향을 끼치고 있다. 비소는 생체 내에서 중요한 기능을 담당하는 단백질 또는 효소생합성 등 대사과정을 교란시킴으로써, 식물을 비롯하여 가축에도 치명적인 독성을 야기하고 있다(Cappuyns et al., 2002;Antoniadis et al., 2019;Dradrach et al., 2020). 비소는 자연계에 서 생물적 또는 비생물적 분해과정을 통하여 무독화 또는 안정화 된 화합물로 변화되지 않고 생태계 내에 잔존하기 때문에 토양과 수질 등을 오염시킬 뿐만 아니라 인간의 먹거리 및 가축의 조사 료를 오염시키고 있다(Roychowdhury et al., 2002;Zhu et al., 2008).
식물의 비소흡수‧이행과 식물독성 반응은 토양 중에 존재하는 비소함량에 비례적으로 증가하게 되며, 식물체 내 축적은 활성산 소종을 발생시켜 세포막의 지질과산화를 유발함과 더불어 광합 성, 활성산소종 소거 등 중요한 기능을 담당하는 필수 단백질들의 기능장애를 야기시킴으로써, 최종적으로 식물의 건전한 생육을 저해 또는 고사하게 한다.
비소 흡수량 및 축적량은 식물종 및 품종 간에도 많은 차이를 나타낼뿐더러, 한 식물체 내에서도 뿌리, 줄기, 잎 등 조직부위별 로도 상이한 양상을 나타낸다. 이 상이한 반응 차이는 식물종 및 품종의 대사, 생리 및 생태학적 차이에 기인한 것이며, 특히 대사 및 유전학적으로 운반수송체의 발현 차이가 비소흡수량과 축적량에 크게 관련되어 있다(Finnegan and Chen, 2012;Kumarathilaka et al., 2018;Kaya et al., 2020;Siddiqui et al., 2020;Verma et al., 2020). 또한 비소의 흡수량과 축적량은 토양의 화학적 특성인 토양 pH, 산화환원전위, 유기물함량 등에 따라 매우 큰 차이를 나타낸다(Meharg and Rahman, 2003;Bhattacharya et al., 2010;Ye et al., 2012;Jung et al., 2017). 특히 유기물 시용은 양분공급과 더불어 토양 이화학성 개선 효과를 기대할 수 있을 것이며, 비소-토양교질 간의 흡착능력의 증대로 식물체로의 비소 흡수량 및 축적량을 감소시킬 수 있을 것으로 판단된다(Norton et al., 2009;Ahmed et al., 2011;Chen et al., 2015).
따라서, 본 연구는 비소오염토양의 볏짚퇴비 시용에 따른 벼의 비소흡수에 미치는 영향을 평가하고, 소 등 가축에 이용하는 안전한 볏짚 생산 및 활용을 제고하기 위하여 연구를 수행하였다.
Ⅱ. 재료 및 방법
1. 토양시료 및 시험식물
본 연구에 사용된 논토양은 국립농업과학원 내 시험포장에서 채취한 후 각기 처리구별 토양을 조제하여 시험에 이용하였다. 인위적인 고농도의 비소오염토양은 풍건세토 후 2 mm 체로 걸 러진 식양토에 물로 용해시킨 메타아비산나트륨(NaAsO2; Sigma- Aldrich, Inc.)을 첨가하여 제조하였으며, 이 고농도 비소오염토양은 3년 이상의 안정화과정을 거친 후 인위적 비소오염토양으로 사용 되었다(Jung et al., 2021). 비소의 토양혼화처리는 1,050 mg kg-1 농도의 인위적 비소오염토양을 식양토에 희석하여 비소처리구 (30 mg kg-1)를 조제하였고, 비소-볏짚퇴비처리구는 국립농업과 학원에서 자가 제조한 완숙볏짚퇴비를 사용하여 표준양(12 Mg ha-1) 과 2배양(24 Mg ha-1)을 토양에 혼화처리하여 조제하였다(Table 1). 국립농업과학원 작물별 시비처방기준(NAS, 2019)에 의거하여 질소, 인산, 그리고 칼리질비료는 110, 45, 그리고 57 kg ha-1으로 전층에 토양혼화처리하였다. 온실조건 하에서 시험식물인 다산벼 (Oryza sativa L.) 종자를 수도용 상토로 충진된 규격육묘상 (60 cm × 30 cm × 3 cm tray)에 파종하고, 균일한 32일된 유묘를 선별하여 각 처리구별 Wagner 포트(0.02 m2 표면적, 3 kg 처리토양 충진)에 1주씩을 이식하고, 주야간 30/25°C 평균온도를 유지하였다. 또한 3-4 cm 상시담수심을 유지하기 위하여, 모든 처리포트에 부족시 마다 동일한 양의 수돗물을 공급하면서 이앙기(2017년 5월 31일)부터 수확기(2017년 10월 11일)까지 실험을 수행하였다.
2. 토양화학성 및 토양 내 비소 전함량 분석
벼 이앙 전에 토양화학성과 시험전(이앙기) 및 시험후(수확기) 토양의 비소 전함량 분석을 위하여, 각기 처리별 약 200 g 토양 시료를 풍건하여 잘게 부수어 2 mm 표준체로 거른 시료를 분석에 사용하였다.
토양화학성은 분석항목별로 농촌진흥청 농업과학기술에서 제시한 표준분석방법에 의거하여 실시하였다(RDA, 2012). 토양 pH와 EC는 토양과 증류수를 1:5의 비율로 진탕한 후, 각기 측정 값을 분석하였고, 유기물은 Tyurin법, 유효인산은 Lancaster법으로 분석하였다. 교환성 양이온(칼륨, 칼슘, 마그네슘, 나트륨)은 1 M 아세트산암모늄(NH4OAC, pH7.0)로 침출하여, 유도결합플라즈마 분광광도계(ICP-OES, GBC, Australia)로 분석하였다.
토양 비소 전함량 분석을 위하여, 2 mm 표준체에 걸러진 토양 시료를 다시 토양파쇄기(300 rpm, 10분)를 이용하여 곱게 마쇄한 후, 비소 전함량 분석에 사용하였다. 토양 비소 전함량 분석은 3 g 시료를 왕수(conc. HCl + HNO3)로 150°C에서 2시간 분해한 다 음, 유도결합프라즈마 원자방출분광기(ICP-AES, AU/CINTRA 6, GBC Scientific, Australia)로 측정하였다(Jung et al., 2017).
3. 벼 생장반응 분석
비소 독성에 대한 생장반응을 분석하기 위하여, 분얼기(7월 17 일), 출수기(8월 23일), 그리고 수확기(10월 11일)에 초장, 분얼 수, 지상부 및 지하부(뿌리) 건물중을 조사하였다.
4. 벼 생육단계별 식물체 내 비소함량 및 축적량 분석
벼 생육단계별(분얼기, 출수기 및 수확기)로 채취한 식물체 시 료는 뿌리와 지상부로 나누고, 각기 시료에 부착된 먼지 또는 토 양입자를 수돗물로 제거한 후, 다시 증류수로 수회 헹궈주었다. 각기 세척된 시료는 80°C에서 2일간 건조시킨 후 곱게 분쇄하여 분석에 이용하였다. 식물체의 비소함량 분석을 위하여, 시료분해 는 Graphite Block Acid Digestion System (ODLAB Co., Ltd. Seoul, Korea)을 이용하였고, 건조된 분말시료 200 mg에 14 mL 질산을 첨가하고 산분해한 분해액을 여과지(No. 40, Whatman, Buckinghamshire, UK)에서 불순물을 제거한 후, 유도결합플라즈마 질량분석기(ICP-MS, Agilent 7900, Agilent Technologies Inc., Santa Clara, CA, USA)에서 비소함량을 측정하였다. 벼 생육 단계별 지상부 또는 지하부(뿌리)의 비소축적량은 각기 부위별 비소농도에 한 식물체의 건물중을 곱하여 산출하였다.
5. 데이터 분석과 통계처리
본 연구는 완전임의배치 3반복으로 국립농업과학원 내 온실에서 수행되었고, 실험을 통하여 얻은 결과는 평균값과 표준편차를 도출하여 표와 그래프를 작성하였다. 모든 데이터의 통계처리는 Statistical Analysis Software (SAS ver. 9.2) 프로그램을 사용하여 처리 간 분산분석 (ANOVA)을 실시하였고, 처리의 효과는 Duncan 다중검정(p = 0.05)을 통하여 유의성 유무를 판단하였다.
Ⅲ. 결과 및 고찰
1. 비소오염토양의 볏짚퇴비 수준별 토양화학성
비소오염토양(30 mg kg-1)에 각각 0, 12, 24 Mg ha-1의 볏짚퇴 비를 처리한 토양의 화학적 특성 중 pH, 교환성 K, Ca, Mg, Na 함량은 볏짚퇴비 처리수준이 증가하더라도 비슷한 수준을 나타냈 지만, 토양 중 EC, 유기물 함량, 유효인산은 볏짚퇴비 수준이 증 가함에 따라 유의적으로 증가하는 경향을 나타냈다(Table 1). 이 와 같은 결과는 볏짚퇴비 처리수준의 증가로 인한 유기물 공급 효과를 기대할 수 있을 것이며, 이에 따라 유기물 함량과 유효인 산이 증대되었을 것으로 판단된다. 그렇지만 유기물에 다량 포함 된 영양염류의 영향으로 EC가 증가하는 경향을 보였지만, 이는 벼 생육에 적정한 EC범위를 나타냈다(Table 1).
2. 볏짚퇴비 수준별 토양 중 비소함량 및 생육변화
비소는 토양으로부터 식물체 내로 흡수‧이행되면 비소독성에 의한 세포막 손상을 유발할 뿐만 아니라 엽록소함량을 감소시키고, 광합성에 부정적인 영향을 끼침으로써 전반적인 식물생육을 저해 하게 된다(Kumarathilaka et al., 2018;Kaya et al., 2020;Verma et al., 2020).
비소오염토양의 볏짚퇴비 수준별 시험전‧후 토양 중 비소 잔존량 변화는 고수준으로 처리된 24 Mg ha-1에서 6% 감소를 나타냈 지만, 저수준으로 처리된 12 Mg ha-1에서는 유의적인 차이가 없었다(Fig. 1).
비소오염토양 내에 볏짚퇴비 수준이 증가할수록 분얼기, 출수 기에 벼의 분얼수, 지상부 및 뿌리 건물중은 모두 감소하였지만, 초장은 처리 간에 유의적인 차이가 없었다. 그렇지만 수확기의 지상부 건물중은 볏짚퇴비 24 Mg ha-1에서 증대됨을 확인할 수 있었다(Table 2).
3. 볏짚퇴비 수준별 식물체 내 비소함량 및 축적량
토양으로부터 식물체 내로 비소의 흡수량, 이행도 및 축적량은 토양 pH, 점토함량, 유기물함량, 산화환원조건 등 토양의 화학적 특성에 따라 매우 상이한 반응을 나타낸다(Meharg and Rahman, 2003;Bhattacharya et al., 2010;Ye et al., 2012;Jung et al., 2017). 또한 비소의 식물체 내 축적은 필수 단백질들의 기능장애 를 초래하고 활성산소종을 유발시켜 세포의 지질과산화를 유발함 으로써 결국에는 식물체를 고사하게 한다(Finnegan and Chen, 2012;Siddiqui et al., 2020).
벼 생육단계별 비소오염토양의 유기물 시용량에 따른 식물체 내 비소함량은 지하부(뿌리)와 지상부 간에 상반되는 양상을 보 였다. 지하부(뿌리)의 비소함량은 유기물 시용량의 증가에 따라 전 생육단계(분얼기, 출수기 및 수확기) 모두에서 직선적으로 비소 함량이 증가했던 반면, 지상부의 비소함량은 오히려 감소하는 경향 을 나타냈다(Fig. 2). 그렇지만 생물체량에 기반을 둔 비소의 축적 량은 볏짚퇴비 수준의 증가에 따라 벼 생육단계 모두에서 지하 부(뿌리)뿐만 아니라 지상부에서도 유기물 시용량에 비례하여 유의 적인 감소를 나타냈다(Fig. 3).
비소의 식물체 내로의 흡수 및 축적량은 식물종 간에도 많은 차이를 나타낼 뿐만 아니라 뿌리, 줄기, 잎 등 조직 특이적으로도 상이한 양상을 나타낸다. 이는 식물체의 생리‧생태‧형태학적 차이를 비롯하여 생육단계별 비소 운반수송체의 발현양상의 차이에 기인 하고 있음을 보여주는 것이며, 또한 다양한 재료로부터 제조된 유기물 시용에 따라서도 비소의 흡수양상에 영향을 미치는 것으로 판단된다(Norton et al., 2009;Ahmed et al., 2011;Chen et al., 2015;Jung et al., 2021). 특히 중금속 오염토양에 유기물의 시용 은 여러 양분공급 및 토양 이화학성 개선 효과를 비롯하여 토양 교질 내의 다양한 음전하를 증가시킴으로써, 중금속-토양 간의 흡 착능력이 증대되어 식물체로의 중금속 흡수 및 축적량을 감소시 키는 효과가 있는 것으로 생각된다(Han et al., 1997). 그러므로 이상의 결과는 비소오염토양에 볏짚퇴비 시용으로 토양교질 내의 음전하량을 증가시켜 비소의 흡착능력을 증대시킴으로써, 토양으 로부터 벼 식물체의 지상부로 비소흡수 및 축적량을 감소시키는 것으로 판단된다.
Ⅳ. 요약
본 연구는 비소오염토양에 볏짚퇴비 시용량 증대가 토양의 화 학성, 벼의 생육 특성 그리고 식물체의 비소함량에 미치는 영향을 평가하였다. 비소오염토양 중 볏짚퇴비 시용량이 증가하면서 벼 생육단계(분얼기, 출수기 및 수확기) 모두에서 지상부 비소함량 및 축적량은 감소되었다. 결과적으로 비소오염토양에 볏짚퇴비의 시용에 따른 토양교질 내의 다양한 음전하가 증가되고, 이로 인하여 비소의 흡착능력이 향상됨으로써 토양에서 벼 식물체로의 흡수 및 축적량을 감소시키는 것으로 판단된다. 따라서 비소오염토양에 볏짚퇴비의 시용은 벼 지상부로의 비소흡수‧축적을 감소시키는 하나의 요인이 될 수 있으며, 안전한 농산물 및 가축의 조사료 생산을 위한 벼 재배관리에 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
