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문제 정의
- 함량 분석 결과, 가장 생육 증진 효과가 뛰어났던 FCSP-M 처리구에서 7주차 Fe의 함량이 가장 높게 나타났으나, 다른 처리구의 Fe의 함량이나 엽록소의 함량은 재배실 환경조건의 결과와는 달리 일관성을 보이지 않았다. Ca의 함량 측정은 게껍질에 의한 효과를 분석하고자 실시하였다. 실제로 키토산의 처리는 칼슘의 흡수량과 함량의 변화를 나타내었다[6].
- 실제로 식물에 흡수된 철분은 2가철의 환원된 형태로 식물의 생장 발달에 사용된다[9]. 따라서 산세수의 다량의 철 이온을 게껍질 분말에 킬레이트하여 식물의 이용률을 높일 수 있도록 하였고 동시에 유기질 비료인 게껍질 분말의 키틴 성분과의 시너지 효과도 이루고자 하였다. 실제로 산세수와 같은 다양한 산업폐기물들은 작물 재배에 활용되어 성장과 생산력을 높이거나 토질을 개선시키는데 사용되고 있다[7, 18].
- 따라서, 본 연구는 작물의 재배 기간 동안 지속적이고 안정적인 철 공급을 위해 공급되는 철의 형태와 공급방법을 개발하여 식물의 철분 이용률과 생장 촉진 효과를 분석하였다. 산세수와 게껍질을 이용한 신기능성 철분 비료(Fe-chelating crab shell powder, FCSP)의 적정량 토양시비는 상추의 엽록체 함량 증대와 더불어 식물체와 잎의 생육 촉진 효과를 가져왔다.
가설 설정
- (F, G) Growth rates of the 3rd leaf length (F), and leaf width (G) from leaf initiation phase (16 DAS) to leaf maturation phase (40 DAS). (H) Number of leaves at 40 DAS. (I) Amount of chlorophylls in the 9th leaf of lettuce.
제안 방법
- FCSP 처리에 의한 상추에서의 생육 효과를 실제 작물 재배 환경에서의 분석을 위해 온실 포장에서 필드 시험을 처리구의 위치를 달리해서 각각 3반복하여 실시, 분석하였다. 그 결과, Fig.
- 고농도의 산세수 원액을 물로 희석하여 3가지 농도의 희석산세수(L, M, H)를 만들고 이를 게껍질 분말에 각각 킬레이트시켜 각각 6,100 ppm, 15,100 ppm, 30,250 ppm (FCSP-L, FCSP-M, FCSP-H) 농도의 FCSP를 제조하였다. FCSP의 상추에 대한 농도별 효과를 확인하기 위해 토양 100 g 당 앞서 제작한 FCSP-L, FCSP- M, FCSP-H을 각각 0.33 g 처리하여 토양 내 철 이온의 최종 농도가 각각 20 ppm, 50 ppm, 100 ppm 이 되도록 하였다. 또한, 처리방법과 효능 분석을 실용화 단계 수준에서 검증하기 위해 온실 포장에서 후속 시험을 진행하였으며 대조구로 무처리구, 화학비료 처리구, 화학비료와 퇴비 혼합 처리구 그리고 퇴비와 FCSP를 각각의 농도로 혼합한 FCSP-L, FCSP-M, FCSP-H 처리구 조건을 Table 1과 같이 처리하여 기존의 시비 방식과 비교하여 상추 생육 실험을 진행하였다.
- 필드 시험은 온실 포장에서 2015년 9월 23일부터 11월 7일까지 실시되었다. 각 처리구 별로 상추 모종을 이식하여 실험을 진행하였으며 한 처리구 당 18개체씩 3반복으로 진행하였다. 실험 토양은 무처리구(Control), 화학비료 처리구(CF), 화학비료와 퇴비 혼합 처리구(CFC), 그리고 농도별 FCSP 처리구로 나눠서 실험하였다.
- 식물 생육의 최적 조건을 찾기 위해서 산세수와 게껍질을 이용한 신기능성 철분 비료(Fe-chelating crab shell powder, FCSP)를 제작하였다. 고농도의 산세수 원액을 물로 희석하여 3가지 농도의 희석산세수(L, M, H)를 만들고 이를 게껍질 분말에 각각 킬레이트시켜 각각 6,100 ppm, 15,100 ppm, 30,250 ppm (FCSP-L, FCSP-M, FCSP-H) 농도의 FCSP를 제조하였다. FCSP의 상추에 대한 농도별 효과를 확인하기 위해 토양 100 g 당 앞서 제작한 FCSP-L, FCSP- M, FCSP-H을 각각 0.
- 다양한 농도의 FCSP와 여러 대조구들에서 잎의 시료를 채취하여 80℃ 건조기에서 1~2일 완전히 말린 후 1 g의 건조중량을 계량하여 120℃에서 70% HNO3로 완전히 녹이고 ICP-ES를 이용하여 측정하였다.
- 33 g 처리하여 토양 내 철 이온의 최종 농도가 각각 20 ppm, 50 ppm, 100 ppm 이 되도록 하였다. 또한, 처리방법과 효능 분석을 실용화 단계 수준에서 검증하기 위해 온실 포장에서 후속 시험을 진행하였으며 대조구로 무처리구, 화학비료 처리구, 화학비료와 퇴비 혼합 처리구 그리고 퇴비와 FCSP를 각각의 농도로 혼합한 FCSP-L, FCSP-M, FCSP-H 처리구 조건을 Table 1과 같이 처리하여 기존의 시비 방식과 비교하여 상추 생육 실험을 진행하였다.
- 무처리구를 포함한 각 처리구에서 상추 재배 후 토양분석을 실시하였다. 토양분석은 토양시료를 1개의 처리구에서 4군데를 채취하여 고루 섞은 후 그늘에서 풍건한 후 20 메쉬체로 거른 토양분말을 농촌진흥청 토양 화학분석법에 준하여 분석하였다[11].
- 본 실험에 사용된 게껍질 철분 신소재 비료의 공급으로 인한 식물 내 철분과 칼슘의 흡수율의 분석을 위하여 Fe와 Ca의 함량 분석과 엽록소의 함량 분석을 상추 모종 이식 후 4주차, 7주차에 나눠 두 차례 실시하였다(Table 2). 함량 분석 결과, 가장 생육 증진 효과가 뛰어났던 FCSP-M 처리구에서 7주차 Fe의 함량이 가장 높게 나타났으나, 다른 처리구의 Fe의 함량이나 엽록소의 함량은 재배실 환경조건의 결과와는 달리 일관성을 보이지 않았다.
- 상추 잎 생체중 100 mg으로부터 80% 아세톤을 사용하여 시험관에서 추출하였다. 분광광도계를 사용하여 750 nm, 630 nm, 646 nm 에서 흡광도 값을 측정하였으며, 함량 계산은 다음의 방법에 따라 나타내었다[1, 8].
- 상추 잎 생체중 100 mg으로부터 80% 아세톤을 사용하여 시험관에서 추출하였다. 분광광도계를 사용하여 750 nm, 630 nm, 646 nm 에서 흡광도 값을 측정하였으며, 함량 계산은 다음의 방법에 따라 나타내었다[1, 8].
- 실제로 산세수와 같은 다양한 산업폐기물들은 작물 재배에 활용되어 성장과 생산력을 높이거나 토질을 개선시키는데 사용되고 있다[7, 18]. 식물 생육의 최적 조건을 찾기 위해서 산세수와 게껍질을 이용한 신기능성 철분 비료(Fe-chelating crab shell powder, FCSP)를 제작하였다. 고농도의 산세수 원액을 물로 희석하여 3가지 농도의 희석산세수(L, M, H)를 만들고 이를 게껍질 분말에 각각 킬레이트시켜 각각 6,100 ppm, 15,100 ppm, 30,250 ppm (FCSP-L, FCSP-M, FCSP-H) 농도의 FCSP를 제조하였다.
- 신기능성 철분 비료로써 FCSP 처리가 토양의 성질에 어떤 영향을 미치는지에 대한 분석을 위해 대조구와 FCSP를 처리한 포장에 상추를 재배 한 후 각각의 토양을 채취하여 농촌진흥청 토양 화학분석법[11]에 준한 토양분석을 실시하였다(Fig. 3). 토양의 철분 함량의 경우 무처리구에 비해 화학비료 처리구에서 1.
- 각 처리구 별로 상추 모종을 이식하여 실험을 진행하였으며 한 처리구 당 18개체씩 3반복으로 진행하였다. 실험 토양은 무처리구(Control), 화학비료 처리구(CF), 화학비료와 퇴비 혼합 처리구(CFC), 그리고 농도별 FCSP 처리구로 나눠서 실험하였다.
- ]를 사용하였다. 실험은 재배실과 필드로 나눠서 진행되었다. 재배실 시험에서 상추의 씨앗은 생장상[24시간/0시간(명/암), 50-100 μE m-2s-1] 에서 증류수에 적신 종이필터 위에서 발아된 후, 무처리구(Control), 게껍질 분말(CSP) 처리구, FCSP 처리구로 옮겨 50-100 μE m-2s-1 광도에서 16시간/8시간(명/암) 의 장일 조건 하에서 성장하였다.
- 재배실 시험에서 상추의 씨앗은 생장상[24시간/0시간(명/암), 50-100 μE m-2s-1] 에서 증류수에 적신 종이필터 위에서 발아된 후, 무처리구(Control), 게껍질 분말(CSP) 처리구, FCSP 처리구로 옮겨 50-100 μE m-2s-1 광도에서 16시간/8시간(명/암) 의 장일 조건 하에서 성장하였다.
- 철 이온의 농도가 약 33,000 ppm인 산세수 원액을 철 이온의 농도가 최종 2,500 ppm, 6,200 ppm, 12,400 ppm이 되도록 각각 물로 희석한 다음, 이를 게껍질 분말과 25℃에서 1시간 동안 교반시켰다. 이 반응물을 2,000 rpm에서 10분간 원심분리하여 상층액을 버리고 남은 침전물을 3차례 물로 씻어낸 후, 60℃에서 건조하였다.
- 이 반응물을 2,000 rpm에서 10분간 원심분리하여 상층액을 버리고 남은 침전물을 3차례 물로 씻어낸 후, 60℃에서 건조하였다. 최종적으로 만들어진 철 이온이 킬레이트된 게껍질 분말의 철 이온 농도를 ICP-ES (Inductively coupled plasma optical emission spectroscopy)를 이용해서 측정, 확인한 다음 실험에 사용하였다.
대상 데이터
- 산세수와 게껍질을 이용한 신기능성 철분 비료(Fe-chelat-ing crab shell powder, FCSP)의 생육 효과를 확인하고자 작물은 상추[품종: 토말린(권농종묘), 학명: Lactuca sativar L.]를 사용하였다. 실험은 재배실과 필드로 나눠서 진행되었다.
- 생장 촉진 효과를 상세히 관찰하고 측정하기 위해, 잎의 크기가 가장 큰 9번째 잎을 사용하였다. 9번째 잎의 무게는 무처리구에서 10.
- 작물 생장에 흔히 발생하는 철 결핍 현상을 극복하기 위해서 본 연구에서는 철강 산업에서 나오는 부산물인 2가철[Iron (II)]이 다량 함유된 산세수를 이용하였다. 실제로 식물에 흡수된 철분은 2가철의 환원된 형태로 식물의 생장 발달에 사용된다[9].
- 재배실 시험에서 상추의 씨앗은 생장상[24시간/0시간(명/암), 50-100 μE m-2s-1] 에서 증류수에 적신 종이필터 위에서 발아된 후, 무처리구(Control), 게껍질 분말(CSP) 처리구, FCSP 처리구로 옮겨 50-100 μE m-2s-1 광도에서 16시간/8시간(명/암) 의 장일 조건 하에서 성장하였다. 필드 시험은 온실 포장에서 2015년 9월 23일부터 11월 7일까지 실시되었다. 각 처리구 별로 상추 모종을 이식하여 실험을 진행하였으며 한 처리구 당 18개체씩 3반복으로 진행하였다.
이론/모형
- 무처리구를 포함한 각 처리구에서 상추 재배 후 토양분석을 실시하였다. 토양분석은 토양시료를 1개의 처리구에서 4군데를 채취하여 고루 섞은 후 그늘에서 풍건한 후 20 메쉬체로 거른 토양분말을 농촌진흥청 토양 화학분석법에 준하여 분석하였다[11].
성능/효과
- FCSP 처리로 인한 상추의 생육에 미치는 효과를 확인하기 위해 재배실 환경에서 실험한 결과, Fig. 1과 같이, 무처리구(Control)와 게껍질 분말(CSP)만 처리한 대조군에 비해서 FCSP 처리구에서 뚜렷한 생장 증진 효과가 나타났으며, 특히 FCSP-M 처리구에서 다른 처리구에 비해 월등한 생장 증진 효과를 보였다(Fig. 1A).
- FCSP 처리에 의한 상추에서의 생육 효과를 실제 작물 재배 환경에서의 분석을 위해 온실 포장에서 필드 시험을 처리구의 위치를 달리해서 각각 3반복하여 실시, 분석하였다. 그 결과, Fig. 2에서 보는 바와 같이, 화학비료 처리구나 화학비료와 퇴비 혼합 처리구에 비해서 FCSP 처리구에서 확실한 생육 증진 효과를 나타내었으며 특히, FCSP-M 처리구에서 재배실 실험 결과와 비교해 더 높은 생장 촉진 효과를 나타내었다(Fig. 2A - Fig. 2B). 엽수의 경우에는 무처리구에서 16.
- 따라서, FCSP 처리로 인한 엽록소의 함량의 변화를 분석한 결과, 가장 높은 생육 증진 효과를 나타낸 FCSP-M 처리구에서 상추의 엽록소의 함량이 생장률에 비례해 가장 높게 나타났다(Fig. 1I).
- 2배로 증가한 것을 볼 수 있었다. 또한 유기물 함량은 무처리구에 비해 화학비료 처리구에서는 1.2배, 화학비료와 퇴비혼합 처리구에서 2.1배 증가한 반면, FCSP처리 토양에서는 3.0배로 가장 많이 증가하였다. 토양 pH의 경우 무처리구에 비해서 모든 처리구가 크게 차이 나지 않았으나, 약산성을 띄고있었다.
- 이러한 결과들로 볼 때 산세수와 게껍질을 이용한 신기능성 철분 비료의 토양 내 처리는 토양의 Fe 함량 증가의 효과를 가져왔고, 게껍질의 효과로 보여지는 Ca의 증가를 가져왔다. 또한 유효인산, 유기물 등의 함량이 증가한 것으로보아, FCSP 처리가 기존의 시비 방법보다 토질 개선 효과가있는 것으로 사료된다. 추후 실험을 통해서 변화한 토양 성분이 미생물에 미치는 영향과 더불어 작물에 어떠한 영향을 미쳤는지 구체적인 분석이 필요할 것이라 생각된다.
- 1B). 무게 뿐만 아니라 9번째 잎의 길이와 폭은 무처리구에서 각각 150.0 mm, 63.7 mm였으며 게껍질 분말 처리구에서는 158.9 mm, 62.1 mm으로 각각 8.9 mm, -1.6 mm 증가 한 것에 비해 FCSP-M 처리구에서는 176.9 mm, 79.1 mm으로 각각 20.9 mm, 15.4 mm 증가하였다. 이는 게껍질 분말 처리구에서는 무처리구에 비해 길이가 5.
- 이 결과로 볼 때, FCSP는 잎의 형태 변화보다는 잎의 생장을 촉진하는 효과를 가진 것으로 판별되었다. 생장의 촉진이 생장률의 증가인지 생육 기간의 단축인지를 알아보기 위하여, 3번째 잎의 생장률을 측정한 결과, 대조구들에 비해 FCSP-M 처리구에서 가장 높은 생장률을 보였으며(Fig. 1F - Fig. 1G) 게껍질 분말 처리구에 비해 길이 6.2%, 폭 4.4% 증가를 보였다. 엽수의 경우 무처리구에서 11.
- 3% 증가 효과가 있는 것으로 나타났다(Fig 2C). 엽중의 경우, 무처리구에서 64.6 g 이였으며 화학비료 처리구와 화학비료와 퇴비 혼합 처리구에서는 각각 79.5 g, 88.0 g으로 무처리구보다 23.0%, 36.2% 증가한 것에 비해 FCSP-L 처리구에서는 138.6 g, FCSP-M 처리구에서는 183.0 g, FCSP-H 처리구에서는 163.5 g으로 무처리구에 비해서 114.6%~183.2% 증가한 것을 확인할 수 있었다. 이는 FCSP-M 처리구에서 약 183.
- 2E). 엽폭의 경우 무처리구에서 128.5 mm 였으며 화학비료 처리구와 화학비료와 퇴비 혼합 처리구에서는 각각 131.1 mm, 134.7 mm로 대조구보다 2.0%, 4.8% 커진 것에 비해 FCSP-L 처리구에서는 151.7 mm, FCSP-M 처리구에서는 151.9 mm, FCSP-H 처리구에서는 152.1 mm로 대조구에 비해서 18.0%~18.4% 늘어난 것을 확인할 수 있었다. 이는 무처리구에 비해 FCSP 처리구들에서 비슷한 증가효과를 나타냈다(Fig.
- 3). 유효인산의 경우 무처리구에 비해 화학비료 처리구에서 1.2배, 화학비료와 퇴비 혼합 처리구에서 1.4배가량 증가한 반면 FCSP를 처리한 토양에서는 1.7배~2.1배의증가를 보였다. 치환성 양이온(K, Ca, Mg)의 경우에는 칼륨함량은 무처리구에 비해 FCSP 처리구에서 크게 변화가 없었지만, 칼슘 함량은 무처리구에 비해 FCSP처리 토양에서 4.
- 1E). 이 결과로 볼 때, FCSP는 잎의 형태 변화보다는 잎의 생장을 촉진하는 효과를 가진 것으로 판별되었다. 생장의 촉진이 생장률의 증가인지 생육 기간의 단축인지를 알아보기 위하여, 3번째 잎의 생장률을 측정한 결과, 대조구들에 비해 FCSP-M 처리구에서 가장 높은 생장률을 보였으며(Fig.
- 3장으로 무처리구에 비해서 상당히 증가하였다. 이는 무처리구에 비해 FCSP-M 처리구에서는 약 54.6%, FCSP-H 처리구에서는 약 45.3% 증가 효과가 있는 것으로 나타났다(Fig 2C). 엽중의 경우, 무처리구에서 64.
- 토양 pH의 경우 무처리구에 비해서 모든 처리구가 크게 차이 나지 않았으나, 약산성을 띄고있었다. 이러한 결과들로 볼 때 산세수와 게껍질을 이용한 신기능성 철분 비료의 토양 내 처리는 토양의 Fe 함량 증가의 효과를 가져왔고, 게껍질의 효과로 보여지는 Ca의 증가를 가져왔다. 또한 유효인산, 유기물 등의 함량이 증가한 것으로보아, FCSP 처리가 기존의 시비 방법보다 토질 개선 효과가있는 것으로 사료된다.
- 2G). 이러한 결과로 볼 때 기존의 시비 방식인 화학비료 처리나 화학비료와 퇴비 혼합 처리 방식보다 새로운 신소재 비료처리에서 생장과 생산성이 월등히 증가하였으며, 50 ppm 농도에서 가장 큰 효과를 나타내었다.
- 1I). 이러한 결과로 볼 때 대조구인 무처리구와 게껍질 분말 처리구에 비해 적절한(50 ppm) 농도의 철을 포함한 FCSP-M 처리구에서 생육 촉진효과가 나타났고, 이는 엽록소 함량의 증가와도 상당한 관련이 있는 것으로 판단된다.
- 잎의 크기를 자세히 살펴 본 결과(Fig. 2B), 엽장의 경우 무처리구에서 222.8 mm 였으며 화학비료 처리구와 화학비료와 퇴비 혼합 처리구에서는 각각 236.0 mm, 236.0 mm로 무처리구보다 5.8% 커진 것에 비해 FCSP-L 처리구에서는 274.3 mm, FCSP-M 처리구에서는 285.5 mm, FCSP-H 처리구에서는 280.3 mm로 대조구에 비해서 23.0%~28.1% 늘어난 것을 확인할 수 있었다.
- 1배의증가를 보였다. 치환성 양이온(K, Ca, Mg)의 경우에는 칼륨함량은 무처리구에 비해 FCSP 처리구에서 크게 변화가 없었지만, 칼슘 함량은 무처리구에 비해 FCSP처리 토양에서 4.0배~4.1배로 높게 나타났고, 마그네슘의 함량은 경우에는 무처리구에 비해 FCSP처리 토양에서 1.6배 가량 증가하였다. 전기전도도의 경우에도 무처리구에 비해 FCSP처리 토양에서 6.
- 3). 토양의 철분 함량의 경우 무처리구에 비해 화학비료 처리구에서 1.5배, 화학비료와 퇴비 혼합 처리구에서 1.4배 가량 증가한 반면 FCSP를 처리한 토양에서는 2.2배~7.6배의 증가가 나타났다(Fig. 3). 유효인산의 경우 무처리구에 비해 화학비료 처리구에서 1.
- 본 실험에 사용된 게껍질 철분 신소재 비료의 공급으로 인한 식물 내 철분과 칼슘의 흡수율의 분석을 위하여 Fe와 Ca의 함량 분석과 엽록소의 함량 분석을 상추 모종 이식 후 4주차, 7주차에 나눠 두 차례 실시하였다(Table 2). 함량 분석 결과, 가장 생육 증진 효과가 뛰어났던 FCSP-M 처리구에서 7주차 Fe의 함량이 가장 높게 나타났으나, 다른 처리구의 Fe의 함량이나 엽록소의 함량은 재배실 환경조건의 결과와는 달리 일관성을 보이지 않았다. Ca의 함량 측정은 게껍질에 의한 효과를 분석하고자 실시하였다.
후속연구
- 1의 발현 감소로 인해 식물체의 크기와 뿌리의 길이 감소가 보고되었다[19]. 따라서, 새로운 기능성 비료인 FCSP의 적절한 첨가가 식물체의 생장에 어떻게 긍정적인 영향을 주는지를 확인하는 상세한 연구가 필요할 것으로 생각된다.
- 또한 생육 증진 효과가 나타난 FCSP 처리구에서 식물 내의 함량의 증가가 확인된 철 이온이 어떤 영향을 주는지 확인하기 위해서 Fe 항상성 조절 관련 유전자 및 수송 단백질들의 발현량과 더불어 잎의 크기와 생장 조절에 관련된 세포 증식과 세포 크기를 결정하는 유전자들의 발현량의 확인이 필요할 것이라 생각된다. 앞선 연구에 의하면, 뿌리에서 철분의 수송을 담당하는 유전자(AtIRT1)의 기능을 상실한 애기장대 돌연변이체에서 철분의 함량이 감소와 더불어 어린 시기에 식물이 성장을 멈추는 표현형을 가지며[17], 엽록체 내부로의 철분 수송에 관여하는 유전자의 과발현(AtPIC1 O/X)에 의해서는 산화 스트레스 등에 의해 생산성 감소와 바이오매스 감소 등 철 과잉 현상이 연상되는 표현형이 나타난다고 보고되었다[3].
- 식물의 양이온의 흡수에 있어서 원소간에 경쟁이 일어나게 되고, 특히 Fe와 Ca의 경우, 식물에서 Fe 결핍스트레스가 Ca 함량의 증가로 이어지는 보고가 있으므로[16], FCSP-M 처리구에서 낮은 Ca의 함량을 보였다고 생각된다.본 실험은 상추를 대상으로 온실 포장에서 FCSP의 효과를 살펴보고 실용화 가능성을 확인하고자 한 시험이며, 소규모로진행하였던 재배실 환경조건과 생장 양상이 일치하는 긍정적인 면도 있었으나 환경이 다른 농경지나, 다른 작물에 대해서도 같은 효과가 나타나는지에 대해 추가 시험이 필요할 것으로 생각된다.
- 산세수와 게껍질을 이용한 신기능성 철분 비료(Fe-chelating crab shell powder, FCSP)의 적정량 토양시비는 상추의 엽록체 함량 증대와 더불어 식물체와 잎의 생육 촉진 효과를 가져왔다. 이러한 결과는 신기능성 철분 비료가 작물의 재배 기간 동안 철 결핍을 극복하고 철의 효과적인 체내 흡수를 통한 작물의 성장 촉진과 생산성 및 품질 향상을 위한 경제적이고 안정적인 서방형 신소재 철분 비료로써 활용 가능함을 제시한다.
- 또한 유효인산, 유기물 등의 함량이 증가한 것으로보아, FCSP 처리가 기존의 시비 방법보다 토질 개선 효과가있는 것으로 사료된다. 추후 실험을 통해서 변화한 토양 성분이 미생물에 미치는 영향과 더불어 작물에 어떠한 영향을 미쳤는지 구체적인 분석이 필요할 것이라 생각된다.
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