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문제 정의
- 이에 본 연구는 게르마늄 종류별 양액재배시 갓의 생육 특성 및 게르마늄 흡수 특성을 조사하기 위해 갓 재배시 무기게르마늄 (GeO2)과 유기게르마늄 (Ge-132)을 농도별로 각각 처리하여 게르마늄 독성발생 범위, 생장반응, 갓 부위별 게르마늄 함량 그리고 갓의 게르마늄 흡수량 및 흡수율을 조사하였다.
제안 방법
- 갓 생육에 대한 게르마늄 독성발생 농도 범위 및 최적 게르마늄 처리 농도를 구명하기 위하여 게르마늄 처리 농도별 생육특성, 식물체 내 게르마늄 흡수특성, 양액 내 게르마늄 및 일반성분 함량 변화 등을 조사하였다. 갓 정식은 원형으로 된 유리칼럼 (24 × 200 mm tube)에 무기게르마늄 (GeO2)과 유기게르마늄 (Ge-132) 각각을 농도별 (0, 2.
- 갓 정식은 원형으로 된 유리칼럼 (24 × 200 mm tube)에 무기게르마늄 (GeO2)과 유기게르마늄 (Ge-132) 각각을 농도별 (0, 2.5, 5, 10, 25, 50, 75 및 100 mg L-1)로 조정한 1/2배액 양액 100 mL를 각각의 칼럼에 주입하여 파종 12일된 갓 육묘를 정식하였다.
- 이에 본 연구는 게르마늄 종류별 양액재배시 갓의 생육 특성 및 게르마늄 흡수 특성을 조사하기 위해 갓 재배시 무기게르마늄 (GeO2)과 유기게르마늄 (Ge-132)을 농도별로 각각 처리하여 게르마늄 독성발생 범위, 생장반응, 갓 부위별 게르마늄 함량 그리고 갓의 게르마늄 흡수량 및 흡수율을 조사하였다.
- 생육 조사는 정식 12일 후의 표본식물 10개체를 선별하여 갓의 생육상황 (잎 및 뿌리 길이, 생체중, 뿌리의 표면적, 부피 및 직경 등)을 조사하였고, 갓의 부위별 게르마늄 함량 및 흡수량 그리고 배양 양액 내 일반 무기성분 함량을 조사하였다.
- 5℃)에서 12일간 생육하였다. 생육기간 동안 증산과 증발에 의한 수분 손실량은 2일 간격으로 3차 증류수로 총 양액 부피가 100 mL가 되도록 조정하였다. 생육 조사는 정식 12일 후의 표본식물 10개체를 선별하여 갓의 생육상황 (잎 및 뿌리 길이, 생체중, 뿌리의 표면적, 부피 및 직경 등)을 조사하였고, 갓의 부위별 게르마늄 함량 및 흡수량 그리고 배양 양액 내 일반 무기성분 함량을 조사하였다.
- 갓 부위별 건조중량과 게르마늄 함량을 이용하여 초기배양액내 투입된 총 게르마늄 함량 중 식물체내로 흡수된 양을 조사하여 비교 검토한 결과는 Table 5에서 보는 바와 같다. 초기용액 내 투입된 게르마늄 함량은 각 처리농도별 용액 100 mL 내의 게르마늄 함량이며, 식물체내 게르마늄 흡수량은 갓 육묘 정식 12일 후의 식물체 1개체당 흡수량을 부위별 총 건조중량으로 환산하였다.
대상 데이터
- 공시 갓은 다끼이종묘 (주)의 아카오바타카나 갓 (Leaf mustard : Brasica juncea C.)을 사용하였으며, 갓 종자를 육묘용 포트에 파종하여 시험목적에 따라 일정기간 키운 후 사용하였다.
- 공시 게르마늄은 무기게르마늄 [GeO2, Sigma]과 유기게르마늄 [Ge-132, carboxyethyl germanium sesquioxide 3 (GeCH2COOH)2, Sigma] 2종류를 각각 5,000 mg L-1의 stock solution을 조제하여 시험 목적에 따라 일정농도로 희석 조제하여 사용하였다.
- 공시 양액은 독성발생 농도범위 등을 구명하기 위해 Table 1과 같이 온실에서의 단기재배용 양액은 일본원예시험장 표준 양액을 1/2배액으로 사용하였다.
이론/모형
- 식물체 및 배양 양액 내 게르마늄과 일반성분 분석은 Heo (2009)의 연구에서 구명된 최적 분석조건을 토대로 건조시료 0.2 g을 teflon bomb에 넣은 후 HNO3 (Merck, Suprapur) 5 mL을 첨가하여 4시간 방치한 후 50℃ 로 over night시키고 H2O2 0.5 mL (Merk, Suprapur)을 첨가하여 80℃로 2시간 가열하여 유기물을 완전히 분해시켜 3차 증류수를 가하여 10 mL로 정용하여 ICP-MS 또는 ICP 로 분석하였다.
성능/효과
- 게르마늄 처리농도별 식물체 건조중량은 무기게르마늄은 Ge 10 mg L-1처리농도까지, 유기게르마늄은 Ge 25 mg L-1 처리농도까지는 지상부 및 지하부 건중량 모두 대조구에 비하여 약간 증가되었다. Ge 10 mg L-1 처리농도까지의 지상부 및 지하부 건중량 평균증가율은 무기게르마늄 처리에서는 대조구에 비해 각각 약 32.4 및 66% 증가되었고, 유기게르마늄 처리에서는 대조구에 비해 각각 약 25.6 및 48% 증가되었다. 게르마늄 종류별 식물체내 전체 게르마늄 흡수량은 유기게르마늄 처리구에 비하여 무기게르마늄 처리구에서 약간 높았으나 큰 차이는 없었다.
- 게르마늄 처리농도별 갓의 생체중은 무기게르마늄 처리 구에서 2.5 mg L-1에서는 대조구에 비해 약간 증가되었고, Ge 5 및 10 mg L-1에서는 대조구와 유사한 생체중을 보였으며, Ge 25 mg L-1부터는 크게 감소되었다. 유기게르마늄 처리구의 지상부 생체중은 Ge 2.
- 게르마늄 농도별 처리에 따른 식물체 부위별 건조중량 및 게르마늄 함량을 조사한 결과는 Table 4에서 보는 바와 같다. 게르마늄 처리농도별 식물체 건조중량은 무기게르마늄은 Ge 10 mg L-1처리농도까지, 유기게르마늄은 Ge 25 mg L-1 처리농도까지는 지상부 및 지하부 건중량 모두 대조구에 비하여 약간 증가되었다. Ge 10 mg L-1 처리농도까지의 지상부 및 지하부 건중량 평균증가율은 무기게르마늄 처리에서는 대조구에 비해 각각 약 32.
- 게르마늄 종류별 식물체내 전체 게르마늄 흡수량은 유기게르마늄 처리구에 비하여 무기게르마늄 처리구에서 약간 높았으나 큰 차이는 없었다. 게르마늄 처리농도별 흡수패턴은 전반적으로 무기 및 유기게르마늄 모두 처리농도가 높을수록 식물체내 흡수량이 증가되었다. 식물체 부위별 게르마늄 흡수 분포 농도는 게르마늄 종류에 따라 다르게 나타났는데, 전반적으로 무기게르마늄 처리에서는 지상부인 잎에 주로 많이 분포되어 있었고 유기게르마늄의 경우에는 지하부인 뿌리에 주로 분포되어 있었다.
- 그리고 무기 및 유기게르마늄 처리농도별 지상부 및 지하부의 생체중과 길이의 생장율을 비교 검토한 결과, 게르마늄 처리농도에 따른 생체중 변화는 무기게르마늄 (GeO2) 2.5 mg L-1 처리에서는 지상부 및 지하부 생체중 모두 대조구에 비하여 약 11∼12% 증가되었고, Ge 5 mg L-1 처리에서는 대조구에 비하여 약 3∼5% 증가되었으며, Ge 10 mg L-1이상의 처리에서는 감소되었다.
- 식물체 생육전과 생육후의 배양액내 K, Ca, Mg 및 Na 함량 변화 (Table 6)는 전체적으로 무기게르마늄 및 유기게르마늄 처리구 모두에서 게르마늄에 대한 저해를 받지 않은 Ge 5 mg L-1 이내의 농도에서는 무처리에 비하여 배양액 내 잔존량이 적었으며, Ge 10 mg L-1 이상의 농도에서는 배양액내 잔존량이 게르마늄 처리농도가 높을수록 많았다. 그리고 식물체내 K, Ca, Mg 및 Na 함량을 조사한 결과는 Table 7에서 보는 바와 같이, 식물체내 주요 양이온 함량은 무기 및 유기게르마늄 처리에서 다르게 나타났으며, 전체적으로 보았을 때 무기게르마늄 처리구에 비하여 유기게르마늄 처리구에서 높았다. 생장저해를 비교적 받지 않는 정상적인 생육 처리농도인 10 mg L-1 처리농도까지의 각 양이온의 함량은 무기게르마늄 처리구에서는 지상부인 잎에서는 K와 Na함량은 대조구에 비하여 감소되었고 Ca 및 Mg 함량은 차이가 없었다.
- 초기 용액 내 투입된 게르마늄의 식물체 개체당 흡수 이용효율은 유기게르마늄에 비하여 무기게르마늄이 약간 높았다. 그리고 전체적으로 무기게르마늄 형태 처리시 게르마늄은 지상부인 잎에 주로 분포되어 있었고 유기게르마늄 형태 처리시 게르마늄은 지하부인 뿌리에 많이 분포되어 있었다. 식물체내 흡수된 게르마늄 흡수량은 무기게 르마늄 처리구의 경우 처리농도 2.
- 유기게르마늄 처리구에서는 지상부 생체중은 Ge 5 mg L-1 처리까지는 대조구에 비하여 약 4∼19% 정도 증가되었고 Ge 25 mg L-1 이상의 처리농도에서는 감소되었다. 그리고 지하부인 뿌리의 생체중은 무기게르마늄 처리구와는 달리 전체적으로 대조구에 비하여 크게 감소되었다. 이는 게르마늄 처리시 뿌리의 외형적인 생장형태는 무기게르마늄 처리구의 경우 전반적으로 뿌리생장이 길이가 짧아지면서 뚜꺼워지는 경향이고, 유기게르마늄 처리구의 경우 뿌리가 매우 가늘고 길게 생장하는 것으로 알려져 있는데 (Heo, 2009), 이러한 결과는 본 연구의 뿌리 길이를 측정한 결과에서도 동일하게 나타났다.
- 무기 및 유기게르마늄 모두 10 mg L-1까지는 생육저해 현상이 거의 없었으나, Ge 25 mg L-1 이상부터는 심한 생육 저해현상을 보여 Ge 75 및 100 mg L-1에서는 새싹생성이 거의 되지 않을 정도로 저해현상이 나타났다. 대조구와 비교 하였을 때, 무기게르마늄은 Ge 5 mg L-1 처리까지, 유기게르마늄은 Ge 10 mg L-1 처리까지 지상부 및 지하부 생장반응이 대조구에 비하여 약간 증가되는 경향이었다. 게르마늄의 흡수량을 살펴보면 무기게르마늄의 경우 총 흡수된 게르마늄 중 지상부인 잎에 약 70%, 지하부인 뿌리에 약 30%가 분포되어 있었다.
- 따라서 갓에 대한 게르마늄의 생육저해 정도는 유기 및 무기게르마늄 모두 Ge 10 mg L-1 처리까지는 나타나지 않았고, 전체적으로 무기게르마늄은 Ge 5 mg L-1 처리까지, 유기게르마늄은 Ge 10 mg L-1 처리까지 지상부 및 지하부 생장반응이 대조구에 비하여 약간 증가되는 경향이었는데, 이러한 결과로 볼 때 Heo (2009)가 보고한 연구에서 채소 작물들인 상추와 오이에 비하여 무기 및 유기게르마늄에 대한 내성은 본 실험에 사용된 갓이 더 강한 것으로 판단되었다.
- ) 과 유기게르마늄 (Ge-132)을 농도별로 각각 처리하여 게르마늄 독성발생 범위, 생장반응, 갓 부위별 게르마늄 함량 그리고 갓의 게르마늄 흡수량 및 흡수율을 조사하였다. 무기 및 유기게르마늄 모두 10 mg L-1까지는 생육저해 현상이 거의 없었으나, Ge 25 mg L-1 이상부터는 심한 생육 저해현상을 보여 Ge 75 및 100 mg L-1에서는 새싹생성이 거의 되지 않을 정도로 저해현상이 나타났다. 대조구와 비교 하였을 때, 무기게르마늄은 Ge 5 mg L-1 처리까지, 유기게르마늄은 Ge 10 mg L-1 처리까지 지상부 및 지하부 생장반응이 대조구에 비하여 약간 증가되는 경향이었다.
- 그리고 갓에서 지하부 뿌리의 표면적, 부피 및 직경을 조사한 결과는 Table 3에서 보는 바와 같다. 뿌리 전체의 표면적 및 부피는 무기게르마늄 처리에서는 전체적으로 전 농도에서 대조구에 비하여 감소되었으며, 무기게르마늄 처리에서는 전체적으로 대조구와 거의 비슷하였으나 유기게르마늄 처리에서는 Ge 25 mg L-1 처리 이후부터는 크게 감소되었다.
- 그리고 식물체내 K, Ca, Mg 및 Na 함량을 조사한 결과는 Table 7에서 보는 바와 같이, 식물체내 주요 양이온 함량은 무기 및 유기게르마늄 처리에서 다르게 나타났으며, 전체적으로 보았을 때 무기게르마늄 처리구에 비하여 유기게르마늄 처리구에서 높았다. 생장저해를 비교적 받지 않는 정상적인 생육 처리농도인 10 mg L-1 처리농도까지의 각 양이온의 함량은 무기게르마늄 처리구에서는 지상부인 잎에서는 K와 Na함량은 대조구에 비하여 감소되었고 Ca 및 Mg 함량은 차이가 없었다. 지하부인 뿌리의 경우에는 Ca 함량은 대조구와 대조구와 차이가 없었으나 K, Mg 및 Na 이온은 증가되었다.
- 식물체 생육 전후 배양액 및 식물체내 K, Ca, Mg 및 Na 함량 변화를 조사한 결과는 Table 6 및 7에서 보는 바와 같다. 식물체 생육전과 생육후의 배양액내 K, Ca, Mg 및 Na 함량 변화 (Table 6)는 전체적으로 무기게르마늄 및 유기게르마늄 처리구 모두에서 게르마늄에 대한 저해를 받지 않은 Ge 5 mg L-1 이내의 농도에서는 무처리에 비하여 배양액 내 잔존량이 적었으며, Ge 10 mg L-1 이상의 농도에서는 배양액내 잔존량이 게르마늄 처리농도가 높을수록 많았다. 그리고 식물체내 K, Ca, Mg 및 Na 함량을 조사한 결과는 Table 7에서 보는 바와 같이, 식물체내 주요 양이온 함량은 무기 및 유기게르마늄 처리에서 다르게 나타났으며, 전체적으로 보았을 때 무기게르마늄 처리구에 비하여 유기게르마늄 처리구에서 높았다.
- 유기게르마늄 처리구에서는 지상부 생체중은 Ge 5 mg L-1 처리까지는 대조구에 비하여 약 4∼19% 정도 증가되었고 Ge 25 mg L-1 이상의 처리농도에서는 감소되었다.
- 지하부인 뿌리의 경우에는 Ca 함량은 대조구와 대조구와 차이가 없었으나 K, Mg 및 Na 이온은 증가되었다. 유기게르마늄 처리구에서는 지상부인 잎에서는 K 및 Na 함량은 차이가 없었으나 Ca 및 Mg 함량이 증가되었고 뿌리에서는 K, Ca, Mg 및 Na 함량 모두 증가되었다. 이와는 대조적으로 Lee et al.
- 14 μg)이 식물체내로 흡수되어 무기게르마늄에 비하여 식물체 흡수율이 약간 낮았다. 전체 흡수된 게르마늄 중 잎에 약 66.4%, 뿌리에 약 33.6%로 무기게르마늄과 같이 지상부에 게르마늄 흡수율이 높았지만 무기게르마늄에 비해 지상부로 이동되는 양이 적은 것으로 보였다.
후속연구
- 따라서 게르마늄함유 농자재와 농산물 중 게르마늄 함량을 분석하여 문제점을 파악하고 농작물의 게르마늄 흡수 효율을 높이기 위해 흡수 전이가 쉬운 게르마늄 농자재 개발이 필요하며, 작물에 있어 게르마늄 적정 처리농도 설정과 게르마늄 흡수특성 구명, 생산된 게르마늄함유 농산물이 유기게르마늄화 되었는지에 대한 증명, 기능성 검정에 의한 게르마늄 농산물의 안전성 연구를 통한 게르마늄함유 기능성 농산물 생산기술 개발이 절실히 필요할 것이다.
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