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문제 정의
- 자연환경을 모사한 microcosm 실험은 생태계 연구에 오랫동안 사용되어 왔다. 따라서 본 연구에서는 CuO 와 ZnO의 입자 크기에 따른 옥수수의 성장과 토양 미생물군집에 미치는 영향을 microcosm 실험을 통하여 살펴보았다.
제안 방법
- 15일 동안 microcosm내에서 배양한 각 토양 40 g에 옥수수를 심는다. 10일간 재배한 후 각 토양의 옥수수 묘목을 수거한다. Deionized water로 충분히 씻은 후 키친타올로 수분을 제거한 후 biomass (fresh weight)를 측정했다.
- 습도는 증류수 첨가로 일정하게 유지하였다. 15일간 배양이 끝난 후 토양 분석을 수행하였다. 실험은 duplicate로 수행하였다.
- 토양은 이화여대 캠퍼스 토양을 채취하여 2 mm 체로친 후에 영양토를 섞어 경작지 토양과 비슷하게 준비한다. CuO micro, CuO 나노와 ZnO micro, ZnO 나노 입자를 1,000 mg/L의 농도로 3차 증류수에 조제하여 초음파 분해기 (100 W, 40 kHz)로 30분간 분산시켜 사용하였다. 토양은 spatula로 10분간 잘 혼합하였다.
- 10일간 재배한 후 각 토양의 옥수수 묘목을 수거한다. Deionized water로 충분히 씻은 후 키친타올로 수분을 제거한 후 biomass (fresh weight)를 측정했다.
- 에서 구입하였다. 각 입자의 형태는 Transmission Electron Microscopy (TEM, JEOL 100 CX, Japan)으로 관찰하였다 (Fig. 1). 토양 시료는 이화여자대학교 내 OO지점에서 채취하여 사용하였으며, 영양토는 Sunshine mix 5 (USA)를 구입하여 사용하였다.
- 배양이 끝난 ecoplate는 Microplate reader (Multkskan Ascent, USA)를 이용하여 595 nm에서 흡 광도를 측정하였다. 색 변화 패턴은 duplicate plate 결과로부터 분석하였다. 두개의 ecoplate에서 색 변화가 동시에 나타나면 1점을 부여하고, 한 ecoplate에서만 색 변화가 나타나면 0.
- 수용액에 있는 ZnO, CuO 나노와 micro 입자의 형태를 확인하기 위해 TEM 영상을 촬영하였다(Fig. 1). TEM 사진 결과 CuO micro 입자는 1,000 nm 이상, ZnO micro 입자는 200 nm 이상 인것으로 나타났다.
- 15일간 배양이 끝난 후 토양 분석을 수행하였다. 실험은 duplicate로 수행하였다.
대상 데이터
- 토양 시료는 이화여자대학교 내 OO지점에서 채취하여 사용하였으며, 영양토는 Sunshine mix 5 (USA)를 구입하여 사용하였다. 옥수수 종자도 구입하였다.
- 1). 토양 시료는 이화여자대학교 내 OO지점에서 채취하여 사용하였으며, 영양토는 Sunshine mix 5 (USA)를 구입하여 사용하였다. 옥수수 종자도 구입하였다.
데이터처리
- 모든 측정치는 평균±표준편차(mean±SD)로 표시하였다.
- 처리구별 효과분석은 ANOVA test로 비교 분석 후 Tukey’s test로 사후 검정하였다.
이론/모형
- 기질이용형태는 Biolog Ecoplate(Biolog, Hayward, CA)를 사용해 측정하였다. Biolog ecoplate는 96개의 well로 구성되어 각각의 31개의 다른 기질과 control well 이 3개씩 반복되어 있다.
성능/효과
- 1) 옥수수의 biomass는 CuO 나노, ZnO 나노 입자 처리구에서 대조구에 비해 약 30% 저해되는 것으로 나타났다.
- 2) 토양 dehydrgenase activity는 CuO 나노 입자에서는 control에 비해 낮았으나 ZnO 입자에서는 높게 나타났다.
- 3) Biolog test 결과 CuO 나노 입자에서는 3가지 기질만 이용하는 것으로 나타나 토양 미생물 다양성이 가장 감소하였다.
- 4) CuO 나노 입자에서 토양 미생물 활성이 감소하지만 ZnO 입자에서는 증가하므로 metal oxide의 나노 입자가 항상 토양 미생물 활성 및 다양성을 저해하는 것은 아닌 것으로 나타났다.
- CuO 나노 입자에 노출된 옥수수의 biomass는 0.8±0.1 g, ZnO 나노 입자에 노출된 옥수수의 biomass는 0.87±0.15 g으로 나타났다(Table 2).
- 토양 미생물에 대한 일반적인 효소활성도를 나타내는 탈수소활성도(Dehydrogenase activity, DHA)를 측정한 결과는 Table 3과 같다. CuO 나노 입자에서 탈수소효소활성도가 가장 낮은 것으로 나타나 CuO 나노 입자가 시험 입자 중 가장 크게 미생물 활성을 저해시키는 것으로 나타났다. 반면 ZnO 나노, micro 입자에서는 탈수소효소활성도가 증가하는 것으로 나타났다.
- TEM 사진 결과 CuO micro 입자는 1,000 nm 이상, ZnO micro 입자는 200 nm 이상 인것으로 나타났다. CuO, ZnO 나노입자는 구형으로 나타났으며 모두 응집하였으나 micro 입자의 평균크기보다 작았다. 응집은 나노 입자의 용해도에 영향을 미치며 독성과 관련된다.
- 1). TEM 사진 결과 CuO micro 입자는 1,000 nm 이상, ZnO micro 입자는 200 nm 이상 인것으로 나타났다. CuO, ZnO 나노입자는 구형으로 나타났으며 모두 응집하였으나 micro 입자의 평균크기보다 작았다.
- 2와 같다. 그림에 나타난 바와 같이 CuO 나노 입자 처리 토양에서 가장 낮게 나타났으며 이용하는 기질의 종류가 감소하는 것으로 나타났다. 반면 CuO micro, ZnO 나노 입자 처리된 토양에서는 거의 모든 기질을 이용하는 것으로 나타났다.
- 따라서 모든 나노 입자가 micro 입자 보다 높은 독성을 나타내는 것은 아닌 것으로 나타났다. 나노 입자가 토양미생물의 다양성에 영향을 미치게 되면 토양 생태계의 기능도 변화하게 된다.
- Heinlaan 등13) 의 연구 결과에서도 박테리아와 갑각류를 입자크기 나노, micro로 구분하여 독성 test를 수행한 결과, 나노 크기의 입자가 항상 독성을 나타내지는 않았다. 또한 CuO, TiO2의 입자 크기에 따른 cytotoxicity와 DNA damage를 살펴본 결과 CuO 나노 입자는 독성을 보였으나 TiO2 나노 입자 크기에 따른 독성을 나타내지 않았다. 14) Shah와 Belozerova3)의 연구에서도 Au와 Cu의 혼합 나노 입자 처리시 토양의 미생물 군집이 control과 비교해 6가지 기질 이용도가 감소하였으나 Pd 나노 입자를 첨가한 경우 3가지 기질 이용도가 증가하는 것으로 나타났다.
- 5 m2/g이며, CuO 나노 입자는 50 nm 미만, 표면적은 29 m2/g 이다. 또한 ZnO micro 입자는 200 nm 이며 ZnO 나노 입자는 50 nm 미만, 표면적은 10.8 m2/g 보다 크게 나타났다 (Table 1). CuSO4, ZnSO4도 reference로 Sigma Aldrich Co.
- 본 연구 결과, 토양 미생물 활성 및 미생물 다양성은 metal oxide종류에 따라 다른 것으로 나타났다. Heinlaan 등13) 의 연구 결과에서도 박테리아와 갑각류를 입자크기 나노, micro로 구분하여 독성 test를 수행한 결과, 나노 크기의 입자가 항상 독성을 나타내지는 않았다.
- 응집하는 성질을 지닌 나노 입자는 micro 입자들 보다 토양에 강하게 흡착해 토양의 매트릭스에 갇혀 움직이지 못하게 된다. 본 연구에서는 불용성의 나노 입자가 토양 미생물에는 직접적인 영향을 미치지 않은 것으로 사료된다. 토양 환경은 매우 복잡하며 토양 내에서 나노 입자의 이동성이 독성에 영향을 미치므로 지속적인 연구가 필요하다.
- 옥수수의 biomass는 나노 크기 처리구에서 대조구에 비해 유의하게 저해되는 것으로 나타났다 (Table 2). 그러나 metal oxide 간의 유의적인 차이는 나타나지 않았다.
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