나노기술이 발전하면서 나노 입자의 특성과 나노 독성에 대한 관심도 증가하고 있다. 그러나 나노 입자의 식물독성에 대한 연구는 부족하다. 본 연구에서는 Zn, ZnO 나노 입자의 각 농도 별로 오이 묘목을 수경 재배하여 식물독성을 조사하였다. 실험 결과, Zn, ZnO 나노 입자의 특성은 deionized water에서 보다 영양용액에서 응집이 더 일어났다. 오이 묘목의 생체량은 100 mg/L 이상에서 유의적으로 감소하였으며 독성은 $Zn^{2+}$> Zn> ZnO 나노 입자순으로 나타났다. TEM 사진 결과, Zn, ZnO 나노 입자는 뿌리 세포벽에 붙어 있었으며 뿌리 세포 내에서도 응집해 있는 것이 관찰되었다.
나노기술이 발전하면서 나노 입자의 특성과 나노 독성에 대한 관심도 증가하고 있다. 그러나 나노 입자의 식물독성에 대한 연구는 부족하다. 본 연구에서는 Zn, ZnO 나노 입자의 각 농도 별로 오이 묘목을 수경 재배하여 식물독성을 조사하였다. 실험 결과, Zn, ZnO 나노 입자의 특성은 deionized water에서 보다 영양용액에서 응집이 더 일어났다. 오이 묘목의 생체량은 100 mg/L 이상에서 유의적으로 감소하였으며 독성은 $Zn^{2+}$> Zn> ZnO 나노 입자순으로 나타났다. TEM 사진 결과, Zn, ZnO 나노 입자는 뿌리 세포벽에 붙어 있었으며 뿌리 세포 내에서도 응집해 있는 것이 관찰되었다.
Increasing application of nanotechnology highlights the need to clarify nanotoxity and nanoparticles characterization. However, few researches have focused on phytotoxicity of nanoparticles. This study was to examine phytotoxicity on Cumumis sativus seedling and the dissolution of Zn, ZnO nanopartic...
Increasing application of nanotechnology highlights the need to clarify nanotoxity and nanoparticles characterization. However, few researches have focused on phytotoxicity of nanoparticles. This study was to examine phytotoxicity on Cumumis sativus seedling and the dissolution of Zn, ZnO nanoparticles in hydroponic culture system. Results of this study; characteristics of Zn, ZnO nanoparticles are more aggregated in nutrient solution than deionized water. C. sativus biomass significantly reduced in the nutrient solution were higher than 100 mg/L, and Zn toxicity showed $Zn^{2+}$> Zn> ZnO NPs. Results of transmission electron microscopy images, Zn and ZnO nanoparticles greatly adhered onto the root cell wall and nanoparticles were observed in the root cell.
Increasing application of nanotechnology highlights the need to clarify nanotoxity and nanoparticles characterization. However, few researches have focused on phytotoxicity of nanoparticles. This study was to examine phytotoxicity on Cumumis sativus seedling and the dissolution of Zn, ZnO nanoparticles in hydroponic culture system. Results of this study; characteristics of Zn, ZnO nanoparticles are more aggregated in nutrient solution than deionized water. C. sativus biomass significantly reduced in the nutrient solution were higher than 100 mg/L, and Zn toxicity showed $Zn^{2+}$> Zn> ZnO NPs. Results of transmission electron microscopy images, Zn and ZnO nanoparticles greatly adhered onto the root cell wall and nanoparticles were observed in the root cell.
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문제 정의
그러나 petri dish에서 Zn와 ZnO 나노 입자가 오이에 미치는 성장 저해만을 살펴보았다. 본 연구에서는 hydroponic culture system에서 water-insoluble Zn, ZnO 나노 입자의 특성과 이들이 오이 묘목에 미치는 phytotoxicity에 대해 조사하였다.
제안 방법
1,000 ㎎/L 농도의 Zn, ZnO 나노 입자, Zn2+에 노출한 오이 묘목의 뿌리 끝을 SEM(supru, 55vp: Carl Zeiss, Oberkochen, Germany)과 TEM (LIBRA 120, Carl Zeiss, Germany)으로 관찰하여 나노 입자의 부착 및 집적된 형태를 관찰하였다. 오이 묘목의 뿌리 끝 표면 촬영은 노출된 뿌리 끝을 수거, 햇볕이 닿지 않는 곳에서 자연 건조하였다.
4주간 키운 오이 seedling을 1/2 strength Hoagland 용액에 5일간 적응시킨 후 Zn, ZnO 나노 입자가 포함된 수용액에서 5일간 수경재배 하였다. 수용액의 농도는 0, 10, 50, 100, 500, 1,000 mg/L로 각 농도에 따른 오이 seedling의 biomass를 조사하였다.
처리된 root tip을 prophylene oxide와 Spurr’s resin에 각각 1:1로 2시간, 0:1로 4시간, 0:1로 2시간씩 처리하여 polymerization 시킨 후 70℃에서 24시간 굳힌 후 자른다 (Ultramicrotome: MT-X, RMC, Tucson, AZ, USA). Section한 뿌리 끝을 TEM으로 관찰 한다.
Zn, Zn oxide 나노 입자에 노출시킨 오이 근권의 영양용액을 TEM (LIBRA 120, Carl Zeiss, Germany)으로 관찰하였다. 또한 일반 수용액 상태에서의 나노 입자의 형태와 비교하기 위해 deionized water의 Zn, ZnO 나노 입자도 TEM으로 관찰하였다.
Zn, ZnO 나노 입자가 포함된 수용액에 오이 seedling을 5일간 노출시킨 후 수거했다. 수거한 오이는 deionized water로 충분히 씻고 키친 타올로 수분을 제거한 후 농도 별로 biomass (fresh weight)를 측정했다.
. 그러나 petri dish에서 Zn와 ZnO 나노 입자가 오이에 미치는 성장 저해만을 살펴보았다. 본 연구에서는 hydroponic culture system에서 water-insoluble Zn, ZnO 나노 입자의 특성과 이들이 오이 묘목에 미치는 phytotoxicity에 대해 조사하였다.
7,10) 이는 식물 종과 growth stage에 따른 차이로 나타났다. 독성 effect가 Zn 나노 입자 때문인지 확인하기 위해 Zn 나노 입자 1,000 mg/L에서 용해되는 Zn 이온 양을 측정하였다. 우리의 이전연구8)와 같이 threshold보다 낮은 5 μ g/g으로 나타나 직접적인 용해에 의한 것이 아닌 것으로 나타났다.
Zn, Zn oxide 나노 입자에 노출시킨 오이 근권의 영양용액을 TEM (LIBRA 120, Carl Zeiss, Germany)으로 관찰하였다. 또한 일반 수용액 상태에서의 나노 입자의 형태와 비교하기 위해 deionized water의 Zn, ZnO 나노 입자도 TEM으로 관찰하였다.
뿌리 표면의 입자가 탈리되는 현상을 막고 sputter (Eiko EB-5)로 시료 표면에 백금으로 증착시켜 Zn, ZnO 나노 입자의 부착 형태를 SEM으로 관찰하였다. 뿌리 끝 세포 내의 나노 입자 집적형태는 TEM을 이용하여 촬영하였다. 전자 현미경 관찰을 위한 처리과정은 다음과 같다.
오이 묘목의 뿌리 끝 표면 촬영은 노출된 뿌리 끝을 수거, 햇볕이 닿지 않는 곳에서 자연 건조하였다. 뿌리 표면의 입자가 탈리되는 현상을 막고 sputter (Eiko EB-5)로 시료 표면에 백금으로 증착시켜 Zn, ZnO 나노 입자의 부착 형태를 SEM으로 관찰하였다. 뿌리 끝 세포 내의 나노 입자 집적형태는 TEM을 이용하여 촬영하였다.
Zn, ZnO 나노 입자가 포함된 수용액에 오이 seedling을 5일간 노출시킨 후 수거했다. 수거한 오이는 deionized water로 충분히 씻고 키친 타올로 수분을 제거한 후 농도 별로 biomass (fresh weight)를 측정했다.
4주간 키운 오이 seedling을 1/2 strength Hoagland 용액에 5일간 적응시킨 후 Zn, ZnO 나노 입자가 포함된 수용액에서 5일간 수경재배 하였다. 수용액의 농도는 0, 10, 50, 100, 500, 1,000 mg/L로 각 농도에 따른 오이 seedling의 biomass를 조사하였다. 수용액은 나노 입자의 엉김 현상을 막기 위해 deionized water (DI-water)에 넣고 초음파분해기(100 W, 40 kHz)로 30분간 분산시켜 주었다.
실온에서 30, 50, 70, 80, 90, 100%의 ethanol에 각각 10분간 탈수한 후에 100% prophylene oxide에 15분간 처리하였다.
대상 데이터
나노크기(＜50 nm)의 아연, 산화아연 나노 입자가 실험에 사용되었다. 이들 나노 입자는 Sigma Aldrich Co.
에서 구입하였다. 선행 연구8)에 의해 US EPA 권장 식물 중 평균 발아율이 90% 이상인 오이(Cucumis sativus)를 모델 식물로 이용하였다.
성능/효과
1) Zn, ZnO 나노 입자는 모두 deionized water에서 보다 영양용액에서 응집이 더 잘 일어났다.
2) 오이seedling biomass의 IC50 (50% Biomass inhibitory concentration)은 Zn2+, ZnO, Zn 나노 입자 각각에서 72, 215, 255 mg/L로 독성은 Zn2+＞ ZnO ＞ Zn 나노 입자 순으로 나타났다.
3) Zn, ZnO 나노 입자 에서 방출된 Zn이온의 양은 threshold보다 낮으므로 식물독성은 Zn, ZnO 나노 입자의 영향으로 나타났다.
4) Zn, ZnO 나노 입자 처리 시, 뿌리 끝의 세포벽에 부착된 나노 입자가 SEM으로 관찰되었다.
5) Zn, ZnO 나노 입자 처리시 뿌리 끝 단면에서 세포벽을 둘러싼 다량의 나노 입자가 TEM으로 관찰되었다. 나노 입자 일부는 세포 내부에서도 응집된 상태로 관찰되었다.
오이 묘목의 biomass 감소는 Zn2+＞ ZnO ＞ Zn 순으로 나타났다. Biomass의 IC50(50% Biomass inhibitory concentration)은 Zn2+와 ZnO, Zn 나노 입자에서 72, 215, 255 mg/L로 Zn2+가 가장 큰 독성을 나타냈다. Zn2+의 IC50은 43-996 mg Zn/L로 다양한 식물에서 다양하게 보고되었다.
오이 묘목 뿌리 끝의 표면을 관찰하기 위해 SEM촬영을 한 결과 Control 또는 대조구에서는 나노입자를 노출시킨 것과 비교하여 입자상 물질들이 형성되거나 관찰되지 않았다. Zn NPs과 ZnO NPs처리한 뿌리 끝 표면에서는 나노 입자의 흡착과 응집이 관찰 되었는데 이러한 입자들이 오이 묘목의 뿌리표면에 집적함으로 영양물질의 이동을 막고 뿌리생장을 저해 한 것으로 보였다(Fig. 4). 따라서 아연이온은 흡수에 의한 독성으로 뿌리의 성장을 저해하지만, Zn, ZnO 나노 입자에서는 뿌리 표면의 나노 입자 집적에 의한 대사작용의 물리적 차단에 의한 독성으로 나타났다.
Zn, ZnO 나노 입자, Zn2+의 농도가 높아질수록 잎과 뿌리의 성장이 저해 되었고 Zn2+에서 가장 저해되는 것으로 나타났다(Fig. 2). 모든 아연 처리구 100 mg/L 이상에서는 잎에 황변 현상이 나타나고 시들었으며 검은 반점이 나타났다.
4). 따라서 아연이온은 흡수에 의한 독성으로 뿌리의 성장을 저해하지만, Zn, ZnO 나노 입자에서는 뿌리 표면의 나노 입자 집적에 의한 대사작용의 물리적 차단에 의한 독성으로 나타났다.
후속연구
최근에는 새롭게 많은 종류의 금속 혹은 금속 산화물들이 나노 크기 수준으로 제조되고 이용되고 있으며, 향후 지속적으로 활용분야가 확대 될 것으로 예상된다. 나노 물질들은 수계에서 빠른 확산속도, 단위부피당 넓은 반응 표면적, 액체 혹은 기체상에서의 탁월한 반응성, 생물분자와의 비슷한 크기 등 매우 흥미로운 특징들을 가지고 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
나노 물질들의 특징은 무엇인가?
최근에는 새롭게 많은 종류의 금속 혹은 금속 산화물들이 나노 크기 수준으로 제조되고 이용되고 있으며, 향후 지속적으로 활용분야가 확대 될 것으로 예상된다. 나노 물질들은 수계에서 빠른 확산속도, 단위부피당 넓은 반응 표면적, 액체 혹은 기체상에서의 탁월한 반응성, 생물분자와의 비슷한 크기 등 매우 흥미로운 특징들을 가지고 있다.1) 본 연구에 사용된 아연 나노 입자는 전자산업 분야에서 varistor 등의 phosphor, 광촉매 UV 반도체 레이저의 gain medium, 태양 전지, 도료, 플라스틱, 화장품 등의 자외선 차단 및 흡수제, 고무 산업에서의 가교 촉진제 역할을 하는 필터로도 사용되고 있다.
아연 나노 입자 전자산업 분야에서 어떻게 사용되는가?
나노 물질들은 수계에서 빠른 확산속도, 단위부피당 넓은 반응 표면적, 액체 혹은 기체상에서의 탁월한 반응성, 생물분자와의 비슷한 크기 등 매우 흥미로운 특징들을 가지고 있다.1) 본 연구에 사용된 아연 나노 입자는 전자산업 분야에서 varistor 등의 phosphor, 광촉매 UV 반도체 레이저의 gain medium, 태양 전지, 도료, 플라스틱, 화장품 등의 자외선 차단 및 흡수제, 고무 산업에서의 가교 촉진제 역할을 하는 필터로도 사용되고 있다.2,3) 산화아연 나노입자는 UV흡수와 가시광선의 투과 때문에 개인의 관리용품, coating, 페인트로 사용되어 왔고, 이에 따라 나노 입자가 인체에 미치는 잠재적 위험에 대한 관심도 지속되고 있다.
본 수경재배 실험에서 아연, 산화 아연 나노 입자, 아연이온에 오이 seedling을 노출한 결과는 어떠한가?
1) Zn, ZnO 나노 입자는 모두 deionized water에서 보다 영양용액에서 응집이 더 잘 일어났다.
2) 오이seedling biomass의 IC50 (50% Biomass inhibitory concentration)은 Zn2+, ZnO, Zn 나노 입자 각각에서 72, 215, 255 mg/L로 독성은 Zn2+＞ ZnO ＞ Zn 나노 입자 순으로 나타났다.
3) Zn, ZnO 나노 입자 에서 방출된 Zn이온의 양은 threshold보다 낮으므로 식물독성은 Zn, ZnO 나노 입자의 영향으로 나타났다.
4) Zn, ZnO 나노 입자 처리 시, 뿌리 끝의 세포벽에 부착된 나노 입자가 SEM으로 관찰되었다.
5) Zn, ZnO 나노 입자 처리시 뿌리 끝 단면에서 세포벽을 둘러싼 다량의 나노 입자가 TEM으로 관찰되었다. 나노 입자 일부는 세포 내부에서도 응집된 상태로 관찰되었다.
참고문헌 (11)
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Fleischer, A., O'eill, M. A., and Ehwald, R., “The pore size of nongraminaceous plant cell walls is rapidly decreased by borate ester cross-linking of the pectic polysaccharide rhamnogalacturonan II,” Plant Physiol, 121, 829-838(1999)
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