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문제 정의
- sp. radicis lycopersici의 불활성화에 적용가능한지 고찰하였다.
- 본 연구는 플라즈마 반응 시스템을 이용하여 상추를 재배하는 양액재배 시스템에서 시들음 병균의 불활성화에 대해 고찰하여 다음의 결과를 얻었다.
제안 방법
- Zhang et al.(2014)이 연속적인 처리가 아닌 간헐적으로 전기분해 공정을 적용할 경우 양액재배에서 곰팡이균을 적절하게 제어할 수 있다고 보고한 결과를 바탕으로 하여 양액재배 포트에서 불활성화 실험을 하기 전 회분식으로 간헐적으로 플라즈마 수를 주입하여 산화제인 TRO 변화를 고찰하고 상추의 성장에 미치는 영향을 살펴보았다. 고농도의 TRO 용액을 투입하여 TRO농도를 0.
- 1과 같은 양액재배 시스템을 이용하여 실험하였다. 1차 실험은 수조(70L)에 양액을 농도에 맞추어 투입하고 대조군은 양액만 투입, Fusarium단과 플라즈마 처리 단도 양액과 Fusarium 농축액을 5mL 투입하였다. 플라즈마 처리단은 이틀 주기로 30분 처리하는 플라즈마 처리단과 60분 처리하는 플라즈마 처리단으로 구성되어 있다.
- 3mg/L가 되도록 희석하였다. 3일 후 플라즈마 수를 다시 혼합하고 플라즈마 처리에 따른 상추의 성장을 확인하고 다시 3일이 지난 후 다시 TRO 농도를 0.05~0.3mg/L로 맞춘 양액에 Fusarium 8.3 x 106 CFU/mL을 투입하여 시간의 경과에 따른 TRO 변화와 Fusarium 불활성화 성능을 평가하였다. 그리고 양액만 있는 대조군(control)과 양액에 플라즈마 처리수를 첨가하지 않은 Fusarium 첨가수도 같이 실험하여 비교하였다.
- 간헐 연속 불활성화 실험은 2차에 걸쳐 실험하였으며, Fig. 1과 같은 양액재배 시스템을 이용하여 실험하였다. 1차 실험은 수조(70L)에 양액을 농도에 맞추어 투입하고 대조군은 양액만 투입, Fusarium단과 플라즈마 처리 단도 양액과 Fusarium 농축액을 5mL 투입하였다.
- 회분식 실험은 수돗물로 제조한 양액이 들어 있는 5 L 비커에 산소를 3 L/min의 유속으로 공급하면서 플라즈마 반응시켜 고농도의 플라즈마 수를 미리 제조하였다. 고농도 플라즈마 수의 TRO(Total Residual Oxidants) 농도를 측정한 후 미리 제조한 양액에 혼합하여 각 비커 당 TRO 농도가 0.05~0.3mg/L가 되도록 희석하였다. 3일 후 플라즈마 수를 다시 혼합하고 플라즈마 처리에 따른 상추의 성장을 확인하고 다시 3일이 지난 후 다시 TRO 농도를 0.
- (2014)이 연속적인 처리가 아닌 간헐적으로 전기분해 공정을 적용할 경우 양액재배에서 곰팡이균을 적절하게 제어할 수 있다고 보고한 결과를 바탕으로 하여 양액재배 포트에서 불활성화 실험을 하기 전 회분식으로 간헐적으로 플라즈마 수를 주입하여 산화제인 TRO 변화를 고찰하고 상추의 성장에 미치는 영향을 살펴보았다. 고농도의 TRO 용액을 투입하여 TRO농도를 0.05~0.30mg/L로 0.05mg/L씩 증가시켜 플라즈마 수용액을 만든 후, 1L의 상추가 담긴 비커에 4일의 간격으로 간헐적으로 투입하여 총 5회 투입한 후 각 비커의 TRO 농도 변화를 Fig. 2에 나타내었다. Fig.
- 3 x 106 CFU/mL을 투입하여 시간의 경과에 따른 TRO 변화와 Fusarium 불활성화 성능을 평가하였다. 그리고 양액만 있는 대조군(control)과 양액에 플라즈마 처리수를 첨가하지 않은 Fusarium 첨가수도 같이 실험하여 비교하였다.
- 미생물 계수는 플라즈마 공정을 이용하여 불활성화한 후 시료를 채취하여 PDA(potato extract 4g, dextrose 20g, agar 15g )배지에서 증류수 1 L를 투입하고 25 ℃에서 5일간 배양 후 colony를 계수하였다. 상추의 길이, 잎 넓이 및 잎 갯수는 각 단에서 총 10개의 모종을 선택하여 주기적으로 직접 측정하여 평균하였다.
- 미생물 계수는 플라즈마 공정을 이용하여 불활성화한 후 시료를 채취하여 PDA(potato extract 4g, dextrose 20g, agar 15g )배지에서 증류수 1 L를 투입하고 25 ℃에서 5일간 배양 후 colony를 계수하였다. 상추의 길이, 잎 넓이 및 잎 갯수는 각 단에서 총 10개의 모종을 선택하여 주기적으로 직접 측정하여 평균하였다.
- 실험 8일째 되는 날 각 비커에 농도가 log 6.92(8.3 × 106) CFU/mL인 Fusarium을 투입한 후 두 번째로 플라즈마 수를 원하는 TRO 농도에 맞게 투입하였다.
- 실험은 회분식과 연속식 불활성화로 나누어 실험하였으며, 회분식 불활성화 실험은 1L 비커에서 실시하였다. 연속 실험에 사용한 양액재배 시스템을 Fig.
- 연속 실험은 양액재배 포트에서 상추와 같이 실험해야 하므로 한 번에 실험이 곤란하여 실험 1과 2로 나누어 실시하였다. 연속 실험 1은 이틀 주기 1회 30분, 60분의 플라즈마 처리, 연속 실험 2는 이틀 주기 90분, 하루 주기 30분의 플라즈마 처리로 나누어 실험하였다. Fig.
- 연속 실험 2에서는 연속 실험 1에 이어 이틀 주기 90 분씩 플라즈마 처리한 것과, 하루 주기 30분씩 처리하여 생성되는 TRO 농도를 측정하여 Fig. 6에 나타내었다. Fig.
- (2015)의 연구 결과를 바탕으로 연속 실험에서도 간헐적으로 플라즈마 처리를 하여 불활성화 적용 가능성을 살펴보았다. 연속 실험은 양액재배 포트에서 상추와 같이 실험해야 하므로 한 번에 실험이 곤란하여 실험 1과 2로 나누어 실시하였다. 연속 실험 1은 이틀 주기 1회 30분, 60분의 플라즈마 처리, 연속 실험 2는 이틀 주기 90분, 하루 주기 30분의 플라즈마 처리로 나누어 실험하였다.
- 총잔류 산화제 TRO 농도는 수질분석기(DR2800, HACH)를 이용하여 측정하였다. TRO는 DPD(N,N-diethyl-p-phenylenediamine)을 spectrophotometric method(US EPA method 316)에 의거 530 nm에서 Br2로 정량하였다.
- 회분식 실험은 수돗물로 제조한 양액이 들어 있는 5 L 비커에 산소를 3 L/min의 유속으로 공급하면서 플라즈마 반응시켜 고농도의 플라즈마 수를 미리 제조하였다. 고농도 플라즈마 수의 TRO(Total Residual Oxidants) 농도를 측정한 후 미리 제조한 양액에 혼합하여 각 비커 당 TRO 농도가 0.
대상 데이터
- sp. radicis lycopersici(KACC 40031)으로 직경 5mm의 균사 조각을 떼어 내어 PD broth(potato extract 4g, dextrose 20g)에 접종하고 25℃에서 150rpm으로 4일 동안 진탕 배양하였다. 배양한 액체 배지는 4겹의 멸균 거즈로 여과하여 균사조각을 제거하고 분생포자의 현탁액을 준비하였다.
- 유전체는 두께가 1mm, 내경이 7mm인 석영관을 사용하였다. 방전 전극은 직경이 2mm인 봉형 전극, 접지 전극은 직경이 1mm인 전극을 스프링 형태로 만든 후 사용하였으며 두 전극의 재질은 모두 티타늄이다.
- 불활성화 실험에 사용한 작물은 상추(적오크)이었으며, 파종하여 모종을 키운 후 양액재배 포트로 이식하였다. 실험에 사용한 균주는 시들음 병균으로 농업미생물 은행에서 분양받은 사상성 곰팡이인 Fusarium oxysporum f.
- 94L이다. 유전체는 두께가 1mm, 내경이 7mm인 석영관을 사용하였다. 방전 전극은 직경이 2mm인 봉형 전극, 접지 전극은 직경이 1mm인 전극을 스프링 형태로 만든 후 사용하였으며 두 전극의 재질은 모두 티타늄이다.
이론/모형
- 총잔류 산화제 TRO 농도는 수질분석기(DR2800, HACH)를 이용하여 측정하였다. TRO는 DPD(N,N-diethyl-p-phenylenediamine)을 spectrophotometric method(US EPA method 316)에 의거 530 nm에서 Br2로 정량하였다.
성능/효과
- 1주일 간 2회의 플라즈마 처리 후 상추의 변화가 없는 것으로 나타났다. 0.15 mg/L이상의 플라즈마 처리구에서는 대부분의 Fusarium이 4일 간격의 플라즈마 처리로 인해 효율적으로 사멸하는 것으로 나타났다.
- 10 mg/L에서는 8일 후 log 1로 나타났다. 0.15mg/L이상의 플라즈마 처리구에서는 처리 7일(실험 15일째) 후 모두 3 CFU/mL 이하의 Fusarium이 나타나 대부분의 Fusarium이 4일 간격 3회의 간헐적 플라즈마 처리로 인해 효율적으로 사멸하는 것으로 나타났다. 수중에 존재하는 대조군 속의 Fusarium이 예상과는 다르게 사멸하는 것은 토양환경에서 주로 성장하는 Fusarium이 수중에 존재하기 때문에 플라즈마 처리를 하지 않아도 자연 감소되는 것으로 판단되었으며, 이에 대한 내용을 규명하기 위해서는 추후 농업 분야 전문가들과 함께 공동연구를 할 필요성이 있는 것으로 판단되었다.
- 05 mg/L의 낮은 TRO 용액에서도 4일이 경과하여도 잔류 TRO가 존재하는 것으로 나타났다. 1주일 간 2회의 플라즈마 처리 후 상추의 변화가 없는 것으로 나타났다. 0.
- 1회 순환 처리되는 것으로 나타났다. 30분 처리한 처리구의 TRO 농도는 플라즈마 처리 직후 약 0.25mg/L이었으며, 다음날 TRO 농도는 0.05mg/L~0.1mg/L로 감소하였다. 이틀 후 다시 플라즈마를 처리하는 경우 0.
- 플라즈마 처리 후 양액 중의 TRO 농도는 빠르게 감소하였다. 90분의 플라즈마 처리 직전의 TRO 농도는 0.10~0.16 mg/L로 나타나 수중의 TRO가 항상 존재하는 것으로 나타났다. 하루 주기 30분의 플라즈마 처리시 처리 직후의 TRO 농도는 0.
- 그림에는 Fusarium만 투입한 군, 플라즈마를 이틀 주기로 30분간 처리한 군, 60분 처리군만 나타내었다. Fusarium만 투입한 구에서는 별다른 처리를 하지 않았음에도 불구하고 지속적으로 감소하여 2주일 후 2 log까지 감소하는 것으로 나타났다. 이는 Fusarium oxysporum f.
- 모든 간헐적 플라즈마 처리에서 잔류 TRO가 존재하는 것으로 나타났다. 이틀 간격 60분 처리의 잔류 TRO 농도는 0.
- 19 mg/L로 플라즈마 처리시간이 같아도 이틀 간격보다 하루 간격의 잔류 TRO 농도가 높게 나타났다. 모든 플라즈마 처리구에서 Fusarium이 효율적으로 불활성화 되는 것으로 나타났다. 이틀 간격 30분 플라즈마 처리시 14일 후 잔류 Fusarium 농도는 1.
- 상추 재배단[4단, 대조군(플라즈마 무처리, Fusarium 무 투입); Fusarium 투입; 플라즈마 30분 처리; 60분 처리]에서 플라즈마 처리가 상추의 길이, 잎 수에 미치는 영향을 살펴본 결과 플라즈마 처리구에서도 처리시간에 관계없이 대조군과 같은 상추 길이 성장과 잎의 성장을 보여주어 플라즈마 처리로 인한 상추의 피해는 없는 것으로 나타났다(data not shown).
- 이는 하루 주기의 플라즈마 처리가 이틀 주기로 처리하는 것보다 상추에는 나쁜 영향을 미친 것으로 판단되었다. 이는 잔류 TRO 농도와 관계있는 것으로 판단 되었고 하루 주기보다는 이틀 주기의 플라즈마 처리가 상추의 성장에 영향을 주지 않는 플라즈마 처리법인 것으로 판단되었다.
- 모든 플라즈마 처리구에서 Fusarium이 효율적으로 불활성화 되는 것으로 나타났다. 이틀 간격 30분 플라즈마 처리시 14일 후 잔류 Fusarium 농도는 1.24 log, 60분 처리구에서는 1.04 log로 나타나 이틀 간격 30분 처리만으로도 대부분의 충분한 것으로 판단되었으나, 101 CFU/mL미만의 불활성화가 필요하다면 60분 정도의 처리가 필요할 것으로 판단되었다. 하루 간격 30분 처리구를 제외한 다른 플라즈마 처리구에서 대조군과 같은 상추 길이 성장을 보여주어 플라즈마 처리로 인한 상추의 피해는 없는 것으로 나타났다.
- 모든 간헐적 플라즈마 처리에서 잔류 TRO가 존재하는 것으로 나타났다. 이틀 간격 60분 처리의 잔류 TRO 농도는 0.08~0.15 mg/L, 하루 간격 30분 처리는 0.17~0.19 mg/L로 플라즈마 처리시간이 같아도 이틀 간격보다 하루 간격의 잔류 TRO 농도가 높게 나타났다. 모든 플라즈마 처리구에서 Fusarium이 효율적으로 불활성화 되는 것으로 나타났다.
- 이틀 주기 60분 처리와 하루 주기 30분 플라즈마 처리가 상추에 미치는 것을 관찰한 결과 하루 간격으로 30분 간 플라즈마를 처리한 경우만 상추의 잎 갯수가 감소하였다. 이는 하루 주기의 플라즈마 처리가 이틀 주기로 처리하는 것보다 상추에는 나쁜 영향을 미친 것으로 판단되었다.
- 플라즈마 처리시간이 증가됨에 따라 처리 직후의 TRO 농도 증가는 물론 플라즈마 재 처리전 TRO 농도는 항상 일정하게 유지되어 잔류소독 효과가 있는 것으로 판단되었다.
- 24 log(17 CFU/mL)로 감소되었다. 플라즈마를 60분간 처리한 후 이틀간 휴지기를 두고 다시 60분 처리한 경우 Fusarium 개체수 2.3 log에 도달되는 기간 은 4.5일 부근인 것으로 나타났으며, 2주일 후 최종 Fusarium 개체수는 1.04 log(11 CFU/mL)로 감소되었다. 휴지기를 두면서 이틀에 한번 씩 간헐적으로 30분과 60분씩 플라즈마 처리하였을 때 초기 TRO 농도가 높고 잔류 TRO 농도가 높은 60분간 플라즈마 처리구가 30분 처리구보다 Fusarium 처리율이 높지만 차이가 크지 않아 이틀 주기의 30분씩의 간헐적 플라즈마 처리만으로도 Fusarium이 잘 제거될 수 있는 것으로 판단되었다.
- 04 log로 나타나 이틀 간격 30분 처리만으로도 대부분의 충분한 것으로 판단되었으나, 101 CFU/mL미만의 불활성화가 필요하다면 60분 정도의 처리가 필요할 것으로 판단되었다. 하루 간격 30분 처리구를 제외한 다른 플라즈마 처리구에서 대조군과 같은 상추 길이 성장을 보여주어 플라즈마 처리로 인한 상추의 피해는 없는 것으로 나타났다. 하루 간격 30분 처리의 경우 상추의 잎 갯수가 감소하였다.
- 32 mg/L로 나타났다. 하루가 지난 후 플라즈마 처리 직전의 TRO 농도는 0.17~0.19 mg/L로 나타나 플라즈마 처리 직후의 TRO 농도는 이틀 주기 90분 처리가 하루 주기 30분 처리보다 높은 것으로 나타났으나, 플라즈마 처리 직전의 TRO 농도는 매일 30분씩 처리하는 경우의 TRO 농도가 높은 것으로 나타났다.
- 수중에 존재하는 대조군 속의 Fusarium이 예상과는 다르게 사멸하는 것은 토양환경에서 주로 성장하는 Fusarium이 수중에 존재하기 때문에 플라즈마 처리를 하지 않아도 자연 감소되는 것으로 판단되었으며, 이에 대한 내용을 규명하기 위해서는 추후 농업 분야 전문가들과 함께 공동연구를 할 필요성이 있는 것으로 판단되었다. 회분식 실험을 진행하면서 상추를 관찰한 결과 1주일 간 2회의 플라즈마 처리 후 상추 잎의 길이나 폭 변화가 없는 것으로 나타나 플라즈마 처리가 상추의 생육에 큰 영향을 주지 않는 것으로 판단되었다.
- 04 log(11 CFU/mL)로 감소되었다. 휴지기를 두면서 이틀에 한번 씩 간헐적으로 30분과 60분씩 플라즈마 처리하였을 때 초기 TRO 농도가 높고 잔류 TRO 농도가 높은 60분간 플라즈마 처리구가 30분 처리구보다 Fusarium 처리율이 높지만 차이가 크지 않아 이틀 주기의 30분씩의 간헐적 플라즈마 처리만으로도 Fusarium이 잘 제거될 수 있는 것으로 판단되었다.
후속연구
- 15mg/L이상의 플라즈마 처리구에서는 처리 7일(실험 15일째) 후 모두 3 CFU/mL 이하의 Fusarium이 나타나 대부분의 Fusarium이 4일 간격 3회의 간헐적 플라즈마 처리로 인해 효율적으로 사멸하는 것으로 나타났다. 수중에 존재하는 대조군 속의 Fusarium이 예상과는 다르게 사멸하는 것은 토양환경에서 주로 성장하는 Fusarium이 수중에 존재하기 때문에 플라즈마 처리를 하지 않아도 자연 감소되는 것으로 판단되었으며, 이에 대한 내용을 규명하기 위해서는 추후 농업 분야 전문가들과 함께 공동연구를 할 필요성이 있는 것으로 판단되었다. 회분식 실험을 진행하면서 상추를 관찰한 결과 1주일 간 2회의 플라즈마 처리 후 상추 잎의 길이나 폭 변화가 없는 것으로 나타나 플라즈마 처리가 상추의 생육에 큰 영향을 주지 않는 것으로 판단되었다.
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