Introduction
중금속 오염은 환경오염의 증가와 더불어 인간의 건강에 악영향을 끼치고 있으며 산업화 및 도시화를 통하여 급속히 증가하고 있다. 이들의 중금속 중에서도 카드뮴은 생체 내에서 중요한 기능을 담당하는 효소 또는 단백질 등 생체대사를 교란시킴으로써 식물뿐만 아니라 인축에도 치명적인 독성을 유발하고 있다 (Jung et al., 2015; Mengel and Kirkby, 1978). 특히 식물에 있어 카드뮴 독성은 광합성 및 호흡작용의 저해, 식물체 내 이온 상호작용의 교란 등 대사 장애를 유발함으로써 전체적인 생육에 심각한 악영향을 초래한다 (Gayomba et al., 2013; Jung et al., 2015). 또한 카드뮴은 자연생태계에서 생물적 및 비생물적으로 분해되어 무독화 또는 안정화된 화합물의 형태로 변환되지 않고 자연생태계 내에 오랜 기간 존재하기 때문에 농경지와 농업용수를 오염시킬 뿐만 아니라 먹이사슬을 통해 생물체 내에 고농도로 축적됨으로써 식물 및 인체독성 피해를 야기하고 있다 (Galiulin et al., 2001; Jung et al., 2015; Nagajyoti et al., 2010). 식물의 카드뮴 흡수와 독성 반응은 토양 내에 존재하는 카드뮴 함량과 비례적으로 증가된다. 흡수된 카드뮴은 세포 내외 또는 일부조직에 축적되지만 일단 식물체 내로 과도하게 흡수되면, 흡수된 카드뮴에 의한 독성을 최소화시키기 위한 다양한 생리·생화학적 무독화 기전을 통하여 독성을 극복하고자 한다 (Raven and Loeppert, 1997; Salt et al., 1995). 식물의 카드뮴 흡수율은 토양 중 카드뮴의 식물유효태 함량에 따라 큰 차이를 나타낼 뿐만 아니라 다양한 유기물 시용에 따라서도 흡수양상에 영향을 미치는 것으로 보고되고 있다. 특히 유기물의 시용은 양분공급 및 토양물리·화학성 개선 효과와 더불어 토양교질 내의 음전하를 증가시킴으로써 카드뮴을 포함한 중금속의 흡착능력이 증대되어 토양에서 식물체로의 중금속 흡수량을 감소시키는 효과가 있는 것으로 확인되었다 (Adriano, 1986; Han et al., 1997; Stevenson, 1994).
카드뮴의 식물체 내로의 흡수·이행은 단자엽과 쌍자엽 식물 간에도 상이한 차이를 보일 뿐만 아니라 식물체 내에서도 뿌리, 줄기, 잎, 그리고 종실의 조직부위별로도 큰 차이를 보인다. 이러한 흡수·이행성의 차이는 식물의 생육단계별 카드뮴 운반수송체의 활성차이와 더불어 액포로의 격리수송체의 활성차이 또한 영향을 끼치는 것으로 보고되고 있다. 이는 식물종에 따라 그들의 조직 내로의 카드뮴 흡수·축적되는 식물체의 생리·생태적인 차이를 비롯하여 유전적인 차이에 기인하고 있음을 시사하는 것이고, 식물별 흡수 및 축적 형태와 필수금속이온들 간의 흡수양상과의 상관관계 및 생리·생태적인 연구가 수반되어야 할 것으로 판단된다 (Fergusson, 1990; Jung et al., 2015; Lee et al., 2012; Park et al., 2009).
따라서 본 연구에서는 카드뮴에 의한 식물독성 경감을 위한 기초 및 응용 자료를 얻기 위해 볏짚퇴비 시용에 따라 카드뮴이 콩 재배시 식물부위별 및 엽령별 식물전이와 필수금속이온의 항상성에 미치는 영향에 대해 평가하였다.
Materials and Methods
토양시료 및 공시식물 본 연구에 사용한 토양은 국립농업과학원 내 시험포장에서 채취한 사양토를 사용하여 시험에 필요한 처리구별 토양 (무처리, 사양토; 볏짚퇴비처리, 사양토 + 볏짚퇴비; 카드뮴처리, 사양토 + 카드뮴; 볏짚퇴비-카드뮴처리, 사양토 + 볏짚퇴비 + 카드뮴)들을 조제한 후 사용하였다. 카드뮴의 토양혼화처리는 550 mg kg-1 농도의 인위적인 카드뮴 오염토양을 사양토에 희석하여 카드뮴처리구 (사양토 + 카드뮴, 18.2 mg kg-1)와 볏짚퇴비-카드뮴처리구 (사양토 + 볏짚퇴비 + 카드뮴, 21.2 mg kg-1)를 조제하였고, 완전히 부숙된 완숙볏짚퇴비는 국립농업과학원 작물별 시비처방 기준에 준하여 12 Mg ha-1으로 토양에 혼화처리하였다 (Table 1 ).
온실조건 하에서 공시식물인 대풍콩을 원예용 상토가 충진된 규격육묘상 (8 × 16 tray)에 파종하고 균일하게 생장한 2엽기의 유묘를 선별하여 각기 처리구별 포트 (가로 23 cm × 세로 17 cm × 높이 13 cm, 평균용적밀도 1.2 g/cm3, 2.5 L 처리토양 충진)에 2주씩을 이식하고, 주야간의 평균온도 30/25°C, 상대습도 60/80%, 그리고 광주기 14/10시간 및 콩 생육에 최적조건의 토양수분 (평균 33 kPa)을 유지하면서 15일 또는 25일 동안 실험을 실시하였다.
생육변화 분석 카드뮴 독성에 대한 생육변화량을 분석하기 위하여, 2엽기에 토양 이식처리하고, 처리 후 15일 또는 25일에 식물체의 부위별 및 엽령별 생체중 및 건물중과 수분함량을 조사하였다.
토양의 화학성 및 카드뮴 분석 토양의 화학성과 카드뮴 분석은 국립농업과학원 토양 분석법에 준하여 실시하였다 (NAAS, 2011). 토양 카드뮴의 전함량 분석을 위하여 음지에서 풍건한 각기 처리별 토양시료를 고무망치로 잘게 부수어 2 mm 표준체를 통과한 시료는 토양화학성 분석에 이용하고, 다시 막사 사발로 간 후 0.15 mm 체를 통과한 시료는 카드뮴 분석에 사용하였다. 토양의 카드뮴 분석은 토양 시료를 왕수 (conc. HCl + HNO3)로 150°C에서 2시간 분해한 후 유도결합프라즈마 원자방출분광기 (ICP-AES, AU/CINTRA 6, GBC Scientific, Australia)로 측정하였다. 본 시험에 사용한 카드뮴처리구 및 볏짚퇴비-카드뮴처리구 토양의 화학적 특성과 카드뮴 함량은 Table 1에 나타내었다.
식물체 내 카드뮴 및 필수금속이온 분석 식물체 분석은 국립농업과학원 식물체 분석법에 준하여 실시하였다 (NAAS, 2011). 카드뮴의 독성에 대한 식물전이와 필수금속이온 (Mn, Fe, Cu, Zn)의 항상성 변화를 확인하기 위하여, 대풍콩 2엽기에 볏짚퇴비와 카드뮴을 토양에 혼화처리하고, 15일과 25일 후에 식물체를 부위별 및 엽령별로 나누어 분리하여 건조한 후 분쇄하여 분석에 이용하였다. 식물체의 카드뮴 및 필수금속이온 (Mn, Fe, Cu, Zn) 함량 분석을 위하여 흑연블럭 방법을 이용하였고, 건조시료 0.5 g에 질산 14 mL을 넣고 산분해한 분해액을 50 mL 볼륨 플라스크에 부피를 맞춘 후 유도결합플라즈마 질량분석기 (ICP-MS, PerkinElmer Nexion 300X, Waltham, MA, USA)로 측정하였다.
통계처리 본 연구는 완전임의 배치 3반복으로 유리온실에서 수행하였고, 실험에서 얻은 결과들은 Excel software를 사용하여 평균과 표준편차를 작성하였다. 또한 통계처리는 Statistical Analysis Software (SAS ver. 9.2) 프로그램을 이용하여 처리간 분산분석을 실시하였다. 처리의 효과는 Fisher 최소유의차 검정 (p=0.05)을 통하여 유의성 유무를 분석하였다.
Results and Discussion
생육변화 분석 카드뮴은 필수금속이온 (Mn, Fe, Cu, Zn 등)을 보조인자로 함유한 단백질의 금속이온을 치환함으로써 중요한 단백질의 기능장애와 더불어 활성산소종 (reactive oxygen species, ROS)을 발생시킴으로써 세포 내에서 지질과산화작용을 야기한다. 이로 인한 세포막 파괴는 일차적으로 생물체량의 감소를 초래하고 최종적으로 세포를 고사하게 한다 (Gayomba et al., 2013; Jung et al., 2015; Paulose et al., 2013). 따라서 카드뮴 처리 15일과 25일 후, 식물부위별 및 엽령별 지상부 생체중 및 건물중과 수분함량의 변화를 조사하였다. 15일차의 지상부 생체중 및 건물중의 변화에 있어, 대조구인 카드뮴처리구와 볏짚퇴비-카드뮴처리구 모두에서 식물부위별 및 엽령별에 따른 유의적인 생체중과 건물중의 차이를 관찰할 수 없었다. 그렇지만 25일차의 경우, 볏짚퇴비-카드뮴처리구의 첫 번째 잎 (1st leaf)을 제외한 모든 잎 (2nd, 3rd, and 4th leaf), 줄기 및 식물체에서 생체중을 비롯한 건물중에서도 카드뮴처리구보다 유의적으로 높게 확인되었다. 그리고 식물부위별 생육변화에 있어 줄기와 어린잎 (3rd and 4th leaf)에서 성숙잎 (1st and 2nd leaf)보다 높은 생체중과 건물중을 나타내었다. 비록 4엽기까지의 영양생장기간의 결과이지만 볏짚퇴비시용에 따른 콩 엽령 간 생체중과 건물중은 어린잎이 성숙잎보다 높게 나타났으며, 이 결과는 전체 식물체의 생체중 및 건물중의 변화로 이어짐을 확인 할 수 있었다 (Table 2).
지상부 수분함량을 측정한 결과, 처리 25일차의 첫 번째 잎에서만 카드뮴처리구에서 볏짚퇴비-카드뮴처리구보다 높게 관찰되었을 뿐 나머지 모든 식물부위별 및 엽령 간에는 통계적인 차이를 나타내지 않았다. 또한 모든 처리 간에 동일하게 최적생육조건의 토양수분 (평균 33 kPa)을 유지하였음에도 불구하고 식물체의 수분함량을 측정한 결과에 있어서는 생육이 진전됨에 따라 성숙잎보다 어린잎에서 수분함량이 다소 감소됨을 확인할 수 있었다 (Fig. 1 ). 이는 카드뮴이 지하부에서 지상부로 이행될 때 카드뮴 독성으로 인하여 활성산소종이 발생하게 되고, 이로 인하여 도관조직에 손상을 줌으로써 지상부 생체중 및 건물중과 더불어 수분함량이 감소되는 것으로 판단된다 (Jung et al., 2015; Rodríguez-Serrano et al., 2009).
Fig. 1
Water content of stems, mature leaves (1st, 2nd leaf), and young leaves (3rd, 4th leaf) in soybean plants. Soybean plants were grown on the Cd-contaminated soils applied with or without rice straw compost for 15 days (A) and 25 days (B). Error bars indicate standard deviation (SD) of three replications. Means denoted by the same letters are not significantly different at the 5% level according to Fisher's least significant difference (LSD) tests.
식물체 내 카드뮴 함량 변화 볏짚퇴비시용에 따른 식물부위별 및 엽령별 카드뮴의 식물전이 정도를 산출하기 위하여 처리 15일과 25일에 카드뮴을 분석한 결과, 콩 이식전 처리별 카드뮴 함량에 있어 볏짚퇴비-카드뮴처리구 (21.2 mg Cd kg-1)에서 카드뮴 농도가 다소 높았음에도 불구하고 대조구인 카드뮴처리구 (18.2 mg Cd kg-1)에서 전체적으로 카드뮴의 식물전이율이 유의적으로 높게 나타남을 확인 할 수 있었다. 또한 식물부위별 검출정도에 있어, 줄기보다 어린잎 (3rd, 4th leaf)에서 가장 높은 수준으로 카드뮴이 존재함을 확인할 수 있었다. 카드뮴의 식물전이 특성, 독성경감 및 식물정화에 중요한 시사점을 보이는 흥미로운 결과로써 카드뮴의 엽령 간 식물전이율 차이에 있어 성숙잎 (1st, 2nd leaf)에서 어린잎 (3rd, 4th leaf)의 순으로 점차 높은 수준으로 전이됨을 확인할 수 있었다 (Fig. 2). 또한 생물체량에 기반을 둔 식물부위별 카드뮴의 축적에 있어서도 볏짚퇴비시용에 따라 카드뮴의 축적량이 감소됨을 확인할 수 있었다. 엽령 간의 축적량은 식물전이율과 유사한 경향으로 성숙잎 (1st, 2nd leaf)보다 어린잎 (3rd, 4th leaf)에서 높게 축적되었지만 식물부위별 축적량에 있어서는 줄기가 가장 많은 양이 축적됨을 확인할 수 있었다 (Table 3). 카드뮴의 식물체 내로의 흡수·이행은 단자엽과 쌍자엽 식물 간에도 상이한 차이를 보일 뿐만 아니라 식물체 내에서도 뿌리, 줄기, 잎, 그리고 종실 등의 식물부위별로도 큰 차이를 나타낸다. 이는 식물종에 따라 그들의 조직 내로의 카드뮴 흡수·축적되는 식물체의 생리·생태적인 차이를 비롯하여 식물생육단계별 카드뮴 운반수송체의 발현 차이에 기인하고 있음을 시사하는 것이며, 또한 다양한 유기물 시용에 따라서도 흡수양상에 영향을 미치는 것으로 판단된다 (Fergusson, 1990; Jung et al., 2015; Lee et al., 2012; Park et al., 2009; Ye et al., 2012). 특히 유기물의 시용은 양분공급 및 토양물리․화학성 개선 효과와 더불어 토양교질 내의 다양한 음전하를 증가시킴으로써 카드뮴의 흡착능력이 증대되어 토양에서 식물체로의 중금속 흡수량을 감소시키는 효과가 있는 것으로 생각된다 (Adriano, 1986; Han et al., 1997; Stevenson, 1994).
Fig. 2
Cd concentrations in stems, mature leaves (1st, 2nd leaf), and young leaves (3rd, 4th leaf) of soybean plants grown on the Cd-contaminated soils applied with or without rice straw compost for 15 days (A) and 25 days (B). Error bars indicate standard deviation (SD) of three replications. Means denoted by the same letters are not significantly different at the 5% level according to Fisher's least significant difference (LSD) tests.
식물체 내 필수금속이온의 항상성 변화 중금속 이온들은 카드뮴 (Cd), 비소 (As), 납 (Pb), 니켈 (Ni), 크롬 (Cr), 알루미늄 (Al) 등의 비필수원소들과 구리 (Cu), 아연 (Zn), 철 (Fe), 망간 (Mn), 몰리브덴 (Mo) 및 코발트 (Co) 등의 필수원소들로 분류된다 (Hossain and Komatsu, 2013; Hossain et al., 2012; Sharma and Agrawal, 2005). 이 금속이온들 중에서 식물은 토양 매트릭스 (matrix) 및 교질에 흡착되어있는 필수금속이온 (Fe, Mn, Cu, Zn 등)을 뿌리를 통하여 흡수하고 생장, 발달 그리고 생식 등 다양한 생체대사와 생명유지에 이용한다 (DalCorso et al., 2014; Jung et al., 2015). 또한 식물은 이 금속이온들의 항상성을 적정수준으로 유지하기 위하여 금속이온 상호 간에 체계적이고 복잡한 흡수 및 이행 대사시스템을 구축하고 있다 (Hall, 2002; Jung et al., 2015; Pasternak et al., 2005). 유기물 시용은 식물의 다양한 양분공급원으로써 중요할 뿐만 아니라 토양교질 내에 다량의 음전하를 증가시킴으로써 카드뮴과 같은 중금속 이온들의 흡착능력 증대에 기여할 것으로 판단된다 (Adriano, 1986; Han et al., 1997; Stevenson, 1994).
망간, 철, 구리 및 아연은 식물의 대사에 있어 매우 중요한 효소 및 단백질 (plastocyanin, plastoquinone, cytochrome coxidase, Mn-SOD (superoxide dismutase), Fe-SOD, Cu/Zn-SOD 등)들의 보조인자로 사용되는 필수원소들로써, 이들은 광합성, 호흡작용, 산화환원조절 및 활성산소종의 무독화에 기여하는 항산화시스템과 콩과작물의 질소고정 등의 중요한 역할을 담당하는 금속이온들이다. 이들 이온의 항상성이 교란된다면 식물체는 급격한 광합성 감퇴, 산화환원의 불균형과 더불어 원활한 활성산소종의 소거에 지장을 초래할 것이므로 이들 이온들의 식물부위별 및 엽령별 변화는 생체 내의 생리·생화학적 대사와 식물독성경감 연구에 중요한 정보를 제공할 것이다 (Gayomba et al., 2013; Gopavajhula et al., 2013; Jung et al., 2015). 이러한 취지에 따라 비필수금속이온인 카드뮴의 독성에 있어, 볏짚퇴비시용에 따른 필수금속이온들의 항상성 변화를 분석하였다. 처리 후 25일차의 구리와 아연의 식물부위별 및 엽령별 항상성의 변화에 있어, 볏짚퇴비구의 두 번째 잎과 볏짚퇴비-카드뮴처리구의 줄기에서만 구리함량에 차이가 있었던 반면 다른 처리구 간에서는 통계적인 차이가 없었다. 또한 동일처리구의 식물부위 및 엽령 간에는 유의적인 차이를 확인할 수 있었다. 그 흡수율은 줄기보다 잎에서 많이 검출되었고, 성숙잎 (1st, 2nd leaf)보다 어린잎 (3rd, 4th leaf)에서 더 많은 양이 전이됨을 확인하였으며, 특히 가장 어린잎인 4번째 잎에 구리와 아연이 가장 높게 존재함을 확인할 수 있었다. 그렇지만 구리 및 아연과 더불어 생체 내 산화·환원전위와 활성산소종의 무독화에 관련된 항산화대사에 중요한 역할을 담당하는 망간과 철의 항상성 변화에서는 카드뮴처리구 및 볏짚퇴비-카드뮴처리구 모두에서 유의적인 차이를 보였다. 식물부위별 망간의 항상성에 있어, 줄기를 제외한 모든 잎에서는 카드뮴의 무처리구보다 처리구에서 다소 낮게 나타났지만 볏짚퇴비 처리에 따른 유의적인 차이는 나타내지 않았다. 또한 망간의 식물부위별 차이는 줄기, 성숙잎 그리고 어린잎의 순으로 높게 확인되었고 가장 어린잎인 4번째 잎에서 가장 많은 양이 전이됨을 확인하였다. 식물부위별 및 엽령별 철의 경우에 있어, 망간과 유사한 경향으로 카드뮴처리구에서 거의 모두 낮게 나타났던 반면 가장 어린잎인 4번째 잎의 볏짚퇴비-카드뮴처리구에서 카드뮴처리구 보다 높게 전이됨을 확인할 수 있었다 (Table 4).
이상의 결과는 카드뮴의 독성에 있어, 볏짚퇴비의 시용에 따른 필수금속이온들의 항상성 교란은 일차적으로 화학적 특성이 비슷한 원자가에 기인한 길항작용의 결과로 생각되며, 더불어 그 원소들의 흡수를 담당하는 이온운반체들의 활성을 경쟁적으로 저해함으로써 항상성 변화에 영향을 끼치는 것으로 생각된다 (Gayomba et al., 2013; Jung et al., 2015). 또한 볏짚퇴비시용에 따른 토양교질 내의 음전하량을 증가시킴으로써 카드뮴의 흡착능력이 증대되어 토양에서 콩 식물체로의 전이를 감소시킴과 더불어 필수금속이온들의 항상성 교란을 경감된 것으로 판단된다 (Adriano, 1986; Han et al., 1997; Stevenson, 1994).
