1. 서 론
2. 실험 재료 및 방법
2.1 식물 생장
2.2 MICP 제조 및 처리
3. 결과 및 분석
3.1 식물 성장률
3.2 토양의 pH와 전기전도도
4. 고찰: 토양의 삼투압 추정
5. 결 론
1. 서 론
관리가 제대로 이뤄지지 않은 도로 갓길에서 생육하는 식물들은 운전자의 시인성 미확보로 인해서 교통사고를 유발할 수 있다. 이와 같은 잠재적 사고를 방지하기 위해 인력, 화학 약품 그리고 도로변 풀 방지 매트 등과 같은 제초 방법을 통해 주기적으로 도로 갓길 식물들을 관리해 오고 있다(Jeon, 2018). 하지만, 이러한 방식은 인력의 안전, 환경적 문제 그리고 활용성에 대한 한계점을 지니고 있을 뿐만 아니라 식물 생장에 근본적인 문제를 해결하지 못하고 있으므로, 지속 가능하고 친환경적인 방법이 필요한 실정이다.
최근 친환경적 지반 개량 공법으로서 적용되고 있는 미생물에 의한 탄산칼슘 침전(microbially induced calcite precipitation, MICP)은 요소분해능(urea hydrolysis)을 가진 미생물의 대사작용으로 요소(CO(NH2)2)를 가수분해할 때 발생하는 탄산 이온이 칼슘 이온과 결합하여 탄산칼슘(CaCO3)이 형성되는 현상을 의미한다(Stocks-Fischer et al., 1999). 지반 내부에서 형성된 탄산칼슘은 흙 입자와 입자들 사이에 고결화를 발생시켜 궁극적으로 지반의 강성과 강도를 증진시킨다(Ivanov and Chu, 2008; De Muynck et al., 2010; DeJong et al., 2010; Lee et al., 2013; Park and Kim, 2013; Choi and Park, 2016; Rahman et al., 2020). MICP 반응에서 발생하는 일련의 화학적 반응(요소 분해 → 암모늄 이온 형성 → 탄산 이온 형성 → 탄산 칼슘 침전)을 표현하면 아래와 같다.
일반적으로, 탄산염(CO32-), 염화물(Cl-), 황산염(SO42-) 등이 포함된 약액은 식생에 영향을 주는 것으로 알려져 있다(Läuchli and Grattan, 2007; Ben-Gal et al., 2009). 염화물은 식생과 접촉하게 되었을 때 삼투압 작용으로 탈수 현상을 일으켜 식물 성장을 방해한다. 또한, 다량의 암모늄 이온은 식물의 질소 동화(assimilation of nitrogen) 작용으로부터 만들어지는 식물 성장에 필요한 유기물 합성을 억제한다(Britto and Kronzucker, 2002; Guo et al., 2006). MICP 처리 방법은 요소와 칼슘 약액(주로 염화칼슘)을 사용하며 가수분해의 결과로 암모늄 이온(NH4+)이 형성될 뿐만 아니라, 형성된 탄산칼슘이 식생의 성장에 큰 영향을 줄 수가 있다.
본 논문에서는 MICP 약액의 농도가 식물 생장에 미치는 영향에 대해서 정량적으로 평가하고자 한다. 페트리 디쉬법을 통해 발아된 큰김의털 종자를 주문진 표준사로 채워진 식물 용기에 다른 농도의 MICP 약액을 처리하고, 시간에 따라서 식물의 줄기 성장을 모니터링하고, 실험 종료 이후에는 토양의 pH와 전기전도도를 측정하였다. 실험 결과를 비교하여 식생에 대한 단기적 관점으로 삼투압 영향에 대해서 분석하였다.
2. 실험 재료 및 방법
2.1 식물 생장
본 논문에서는 점토에 비해 상대적으로 함수비가 낮으면서, MICP 적용으로 발생된 식물 뿌리 주변 토양의 화학적 변화로 인한 제초 가능성을 확인하기 위해서 주문진 표준사를 사용하였고, 도로 갓길에서 우점종인 큰김의털(Tall Fescues - Fawn)을 이용하여 식물을 성장시켰다(Song et al., 2007). 흙에 종자를 직접적으로 심는 방법도 있으나, 종자의 발아 확인에 적합한 페트리 디쉬법(petri dish method)을 이용하였으며, 공급한 수분은 pH가 6.1이고 전기전도도(electrical conductivity, EC)가 18μS/cm이하인 초순수(deionized water)를 공급하였다. 발아의 방법은 다음과 같다. 먼저 종자를 0.2% 질산칼륨(KNO3)용액에 24시간동안 침지시켜 휴면타파 시킨다. 총 4개의 직경 10cm 페트리 디쉬에 여과지 1매를 깔고 그 위에 각각 16 립씩(4행 4열) 배열한 다음에 초순수 10mL를 24시간마다 분사하고 25°C 상온을 유지하여 초기 종자 발아(seed germination)를 유도한다. Fig. 1(a)는 1일과 3일 후에 각각 발아된 종자들로, 3일 후에 모든 종자들이 더 많이 발아된 것을 보여준다.
식물의 모종을 균등한 상태로 재배하기 위해서 발아된 종자의 유근이 1mm이상 나온 것을 기준으로 총 24립의 종자를 선택하여, 지름 15cm과 높이 20cm로 제작된 아크릴 재질의 식물 용기(plant column)에 각 8립씩 옮겨 심었다. 종자의 간격은 식물의 뿌리 간 간섭과 아크릴 벽면과의 충분한 이격 거리를 고려하여 Fig. 1(c)와 같이 배치하였다.
Fig. 1
Germination of Tall Fescue - Fawn seeds through petri dish method. The seeds are placed inside a damp tissue which provides suitable environment to the seeds for germination: (a) Seed germination in petri dish; (b) Properties of plant column; (c) Pattern of seed transplantation in plant column
식물의 안정적인 생장을 위해서 일일 수분 공급량(Vw)은 파종 깊이에 해당하는 간극 부피를 포화시킬 수준으로 계산되었다(Eq. (5)).
여기서, d는 파종의 깊이 또는 포화시킬 토양의 높이 [cm]이며, e는 간극비 [ ]를 나타낸다. D = 15cm, d = 1cm, e = 0.81(초기 상대 밀도 Dr = 37%)를 사용하면 79cm3이 계산된다. 본 연구에서는 여분을 고려하여 일일 수분 공급량을 100ml로 산정하였다. 토양 표면에 30분 간격으로 2시간 동안 25ml씩 총 4회 살포하였다. 본 연구에서 사용된 주문진 표준사의 물성치는 Table 1에 정리하였다.
Table 1.
Basic properties of Jumunjin sand used in this study
| Properties | Value |
| Specific gravity Gs [ ] | 2.62 |
| Maximum void ratio emax [ ] | 0.92 |
| Minimum void ratio emin [ ] | 0.62 |
| Void ratio e [ ] | 0.81 |
| Average particle size D50 [mm] | 0.57 |
2.2 MICP 제조 및 처리
본 논문에서 사용된 Sporosarcina Pasteurii 균주(KCTC 3558)를 활성화시키기 위해서, 1L 초순수에 10g 황산 암모늄(ammonium sulfate, (NH4)2SO4), 20g 효모추출물(yeast extract) 그리고 15.79g Tris buffer로 제조된 배양 배지(growth media, ATCC 1376)를 온도 30°C 조건에서 200rpm의 교반 속도로 진탕 배양(shaking culture)하였으며, 실제 실험에는 600nm 파장에서 흡광도(OD600)가 0.9-1.0일 때의 균주를 사용하였다(Al Qabany et al., 2012). 요소와 염화칼슘으로 구성된 고화 약액은 100ml의 초순수에 0.5M와 1.0M로 각각 제조되었고, 배양된 균주 20ml와 혼합시켜서 MICP 약액을 제조하였다. 제조된 약액은 스프레이법(spraying method)을 통해 토양 시료 표면에 균등하게 살포하여 중력배수 되도록 하였다(Kim et al., 2022).
3. 결과 및 분석
3.1 식물 성장률
실험 결과는 토양 표면에서부터 줄기 끝 지점까지의 길이를 측정함으로써 MICP 처리 조건에 따른 상대적인 식물 생장률을 비교하였다. 식물의 생육은 총 12일 동안 3단계로 나뉘어 관찰하였다. 1단계는 종자의 발아 기간(1-3일)이며, 2단계는 MICP 처리 전 식물 생장 기간(4-9일) 그리고 3단계는 MICP 처리 후 식물 생장 기간(10-12일)이다.
Fig. 2는 발아된 종자를 토양 용기에 심은 후인 2단계(4-9일)의 식물 생장 상태를 보여준다. 생육 기간이 9일차에 각 식물 용기에서 생장된 평균 식물 길이는 5.05cm, 4.55cm 그리고 3.97cm를 보였다(각각의 표준 편차는 1.44cm, 1.06cm 그리고 1.83cm). 종자의 발아가 9일이 지났을 때 2개의 식물 용기에 0.5M와 1.0M의 MICP 약액을 각각 살포하였다.
Fig. 3은 MICP 약액이 살포된 후인 3단계(10-12일)이며, 무처리(untreated)와 MICP 처리된 식물의 생장 상태를 보여주고 있다. 생육 기간이 12일인 경우에 무처리, 0.5M 그리고 1.0M MICP 약액이 처리된 식물의 평균 생장은 각각 7.1cm, 4.66cm 그리고 3.94cm로 측정되었다(각각의 표준 편자는 1.83cm, 1.1cm 그리고 2.2cm). MICP 약액이 살포된 식물들을 무처리 식물과 각각 MICP 약액 처리 전(9일차)과 후(12일차)에 식물 성장을 비교한 결과 현저하게 억제되었다. 또한, MICP 약액의 농도에 따른 평균 식물 생장에서는 거의 비슷하지만, 표준 편차는 상대적으로 큰 차이를 보였다.
Fig. 4는 무처리와 MICP 약액이 처리된 각 식물 용기에 따른 식물의 평균 생장률을 도시한 결과를 보여준다. 먼저, 1단계 Germinating time은 페트리 디쉬법을 이용한 종자 발아에 소요된 기간이다. 2단계 Plant grown time에서 파종된 식물 용기에서 발생한 식물 줄기의 생장 속도는 약 0.89cm/day를 보였고, 모든 경우에 시간에 따라서 선형적으로 증가하였다. 마지막 3단계(10-12일)는 MICP 살포 이후의 생장 기간으로, MICP 처리된 식물들의 추가 생장을 보이지 않아 MICP 기술의 단기적 생장 억제력를 확인하였다.
3.2 토양의 pH와 전기전도도
일반적으로, 음전하로 대전된 토양 입자 표면의 전기적 성질은 토양에 공급된 양이온들이 물에 의해 유실되지 않도록 보존함과 동시에 식물 성장에 필요한 양분을 제공하는 역할을 한다. 토양의 pH와 전기전도도를 측정하여 MICP 약액 농도에 따른 토양의 화학적 특성을 비교하였다. 토양의 표면 일부를 채취한 흙을 3일간 상온에 건조시킨 후에 2mm 체를 이용하여 흙을 거르고, 통과된 시료의 5g과 25ml의 초순수를 혼합하여 원심분리기(Centrifuge 5810, Eppendorf)에 30분간 교반시킨 후에 pH/EC meter(Accumet Excel XL20, Fisher Scientific)를 이용하여 pH와 전기전도도를 측정하였다(Brower et al., 1998).
Fig. 5는 무처리와 MICP 처리군들의 pH와 전기전도도의 결과를 보여준다. pH는 MICP 약액의 농도와 상관 없이 대략 pH 7에 가까운 중성 상태를 보였다. 하지만, MICP 약액이 처리된 토양의 전기전도도는 무처리 토양보다 약 14배 이상 증가된 것을 확인할 수 있으며, 이는 식물 뿌리 주변 토양의 이온 농도가 증가되었기 때문이다. MICP 반응에서 발생되는 암모늄 이온은 pH를 증가시킨다. MICP 약액에 사용된 화학물질들은 이온화되어 전기전도도를 증가시킨다. 만약 암모늄 이온이 토양에 흡착되거나 잔존하였다면 염기성의 pH를 보였을 것이다. 하지만 pH = 7을 볼 때 잔존한 암모늄 이온의 영향을 낮았을 것으로 판단된다. 그러나 의미있는 전기전도도 수치가 측정되었으므로 잔존 이온의 존재는 확인할 수 있다. 추후 연구에서는 식물 주변 흙 입자에 흡착된 잔존 이온을 특정하고 농도를 정량적으로 분석하여, 토양의 pH와 전기전도도의 관계를 정량적으로 분석할 예정이다.
4. 고찰: 토양의 삼투압 추정
식물은 잎에서 발생한 광합성과 증산 작용으로 인한 물의 이동을 통해서, 생장에 필요한 양분을 뿌리에서 잎까지 전달하는 시스템으로 구성되어 있다. 따라서, 뿌리에서 흡수된 수분은 양분 전달 과정에 있어서 중요하다(Liu et al., 2015). 적정량의 염분은 식물의 생장에 필수적인 요소이지만 과도한 염분에 의해 유도된 염분 스트레스(salinity stress)는 식물 생장에 필요한 물과 양분의 흡수에 영향을 줌으로써 생장에 방해를 일으킨다(Flower and Yeo, 1989; Yermiyahu et al., 2008; Sheldon et al., 2017). 이와 마찬가지로, MICP 약액도 염분의 역할을 할 수 있는 화학 이온 성분들로 구성되어 있다. 식물의 염분 스트레스로 인한 생장 억제의 기본적인 메커니즘은 저농도에서 고농도로의 물의 이동을 나타내는 삼투압 현상으로 설명될 수 있으며(Bernstein, 1975), 토양의 전기전도도를 이용하여 삼투압(osmosis pressure)을 경험적으로 추정할 수가 있다(Smith and Doran, 1997).
여기서 ψ는 삼투압[kPa] 그리고 σ는 전기전도도[S / m]이다.
Fig. 6은 MICP 약액의 농도에 따른 추정된 삼투압을 도시하였다. 우선, 식물이 토양으로부터 물과 양분을 흡수하는데 필요한 최소한의 삼투압의 크기는 비교적 낮은 약 2.5kPa를 보였다. MICP 약액이 살포된 토양의 삼투압은 무처리 토양에 비해 약 34kPa만큼 높게 나타났으며, 또한 MICP 약액의 농도가 높을수록, 토양의 삼투압은 급격하게 증가하였다. 이는 흙 입자들의 고결화 반응의 중간 산물인 암모늄 이온과 반응에 무관한 잔존 이온(e.g., Cl-)이 뿌리 주변 흙에서 발생되었기 때문이다(Safavizadeh et al., 2019). 따라서 MICP 처리 중 토양에 잔존한 이온은 주변 식물의 뿌리와 잎에 삼투압 현상을 발생시켰고, 이로 인해 식물 생장에 영향을 준 것으로 사료된다.
5. 결 론
본 논문에서는 미생물에 의한 탄산 칼슘 침전 방법을 이용하여, 식물 성장에 미치는 영향에 대한 정량적인 분석을 위해서 실내 실험을 수행하였다. 시간에 따라서 식물의 줄기 성장을 모니터링하고, 실험 종료 이후에는 토양의 pH와 전기전도도를 측정하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
(1) 식물의 생육은 총 12일 동안 3단계로 나뉘어 관찰하였다. 1단계는 종자의 발아 기간(1-3일)이며, 2단계는 MICP 처리 전 식물 생장 기간(4-9일) 그리고 3단계는 MICP 처리 후 식물 생장 기간(10-12일)이다. 1단계 종자 발아 이후에, 2단계에서는 모든 식물에서 시간에 따라서 선형적으로 줄기가 증가하였다. 3단계에서는 MICP 약액이 살포된 식물들은 무처리 식물과 비교하여, 식물 생장이 현저하게 억제되었다. MICP 약액 농도의 증가에 따른 평균 식물 생장 차이는 미비하였지만, 식물 생장의 표준 편차의 경우에는 높은 농도일수록 차이가 증가하였다.
(2) 식물 뿌리 주변 토양에서 채취한 흙 시료를 초순수와 혼합하여, pH와 전기전도도를 측정하였다. pH는 MICP 약액의 농도와 상관 없이 대략 pH 7에 가까운 중성 상태를 보였다. 하지만, MICP 약액이 처리된 토양의 전기전도도는 무처리 토양보다 약 14배 이상 증가된 것을 확인할 수 있으며, 이는 식물 뿌리 토양 주변에 이온의 농도가 증가되었기 때문이다.
(3) 측정된 토양의 전기전도도를 이용하여 삼투압을 경험적으로 추정하였다. MICP가 살포된 토양의 삼투압은 무처리에 비해 약 34kPa만큼 높게 나타났으며, 또한 처리된 MICP 약액의 농도가 높을수록, 토양의 삼투압도 급격히 증가하였다. 이는 흙 입자들의 고결화 반응의 중간 산물인 암모늄 이온과 반응에 무관한 잔존 이온(e.g., Cl-)이 뿌리 주변 흙에서 발생되었기 때문이다.
(4) 추후 연구에서는 MICP 처리된 식물 뿌리 주변 토양의 화학적 및 물리적인 반응으로 인한 제초 효과를 정량적으로 분석하여, 기존 친환경 제초제와 비교하여 우수성을 보다 객관적으로 평가할 예정이다.
