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온도 증가와 나노플라스틱이 작물 발아 및 초기 생장에 미치는 영향 분석
Abstract
Nanoplastics (NPs) are plastic particles with a size of less than 1μm, and they have the potential to enter the human body through the food chain. In the context of climate change, the combined effects of global warming and NPs on surrounding ecosystems remain largely understudied. Therefore, this study analyzed the impact of temperature increase under laboratory conditions and NPs exposure on plant germination and early growth of radish (Raphanus sativus L.) Radish seeds were placed onto petri dishes and PS NPs (polystyrene nanoplastics) were added. The PS NPs that are 100, 200, and 400 nm in diameter were applied at 0, 100, 500, and 1000 mg L-1. To simulate different climate change scenarios, these seeds were incubated in chambers set to temperatures of ambient, approx. 22℃, ambient +3℃, and ambient +6℃ in consideration of the germination temperature of radish. The experimental period was 8 days in total, and the germination rate was measured three times every 24 hours, and the root length and diameter were measured on the 8th day. PS NPs treatment increased the root growth of radish under the treatment of 100- and 200-nm PS NPs. The root length of radish was the longest under 200-nm PS NPs treatment, whereas the root diameter was the thickest under 100-nm PS NPs treatment, respectively. Temperature had a significant effect on the germination rate on day 1, and the germination rate was the lowest at 1000 mg L-1 of 100-nm and 100 mg L-1 of 400-nm PS NPs treatments at ambient + 3℃. Under 1000 mg L-1 of 100-nm PS NPs treatment, this trend lasted until day 3. The promotion or inhibition of crop growth due to NPs treatment may vary depending on the size and concentration of specific NPs, and the impact of NPs on seed germination and early growth of root crop is considered to differ due to various factors. We analyzed the effects of climate change and NPs on radish and discovered that germination rates and initial growth responses vary depending on different environmental factors in this study. Our finding is expected to contribute to assessing the risks associated with NPs pollution under rising temperatures associated with climate change and to establishing criteria for evaluating soil ecosystem health.
Key words: Climate change, nanoplastics, germination rate, early growth, ecosystem health assessment
요약
나노플라스틱(nanoplastics, NPs)은 크기가 1 μm 이하인 크기의 플라스틱으로 이의 먹이사슬을 통한 인체로의 유입이 우려되는 실정이다. 한편 기후변화가 심각해지고 있는 상황에서 기후변화와 NPs의 복합적인 작용이 작물 생태계에 미치는 영향은 잘 알려져 있지 않다. 따라서 본 연구에서는 실험실 조건에서 온도 증가와 NPs 처리가 무(Raphanus sativus L.)의 발아율 및 초기 생장 단계에 미치는 영향을 분석하였다. 뿌리 작물인 무의 주요 품종 중 하나인 청한무에 크기가 100, 200, 400nm인 PS NPs (polystyrene nanoplastics)를 0, 100, 500, 1000 mg L-1로 처리하였다. 또한 청한무의 발아적온을 고려하여 ambient (약 22℃), ambient + 3℃, ambient + 6℃의 온도의 챔버에 넣어 기온 상승을 모사하였다. 실험기간은 총 8일로 발아율은 매일 24시간마다 총 3회 측정하였으며, 뿌리 길이와 직경은 마지막 8일차에 측정하였다. 뿌리 길이는 200 nm 크기의 NPs 처리구에서 가장 길었으며, 뿌리 직경은 100 nm 크기의 NPs 처리구에서 가장 큰 것으로 관찰되었다. NPs 처리가 1일차 발아율에 미치는 영향은 온도에 따라 달라졌는데 1000 mg L-1의 100-nm와 100 mg L-1의 400-nm PS NPs 처리구에서 ambient + 3℃일 때 가장 낮은 발아율이 나타났다. 특히 1000 mg L-1의 100-nm PS NPs 처리구의 경우 온도에 따른 발아율의 차이는 3일차까지 이어졌다. NPs 처리에 따른 청한무의 성장 촉진 및 저해는 특정 NPs의 크기 및 농도에 따라 다르게 나타날 수 있으며, NPs가 뿌리작물의 발아 및 초기 생장에 미치는 영향은 다양한 요인에 의해 변이가 있을 것으로 사료된다. 본 연구에서는 온도 상승과 NPs의 처리가 대표적인 뿌리작물인 청한무에 미치는 영향을 분석함으로써 다양한 환경요인에 따라 발아율 및 초기 생장 반응이 달라지는 양상을 분석했고 이는, 기후변화에 따른 온도 증가 상황에서 NPs 오염에 따른 위험성을 파악하고 생태계 건강성 평가를 위한 기준을 마련하는 데 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
주제어: 기후변화, 나노플라스틱, 발아율, 초기 생장, 생태계 건강성 평가
1. 서 론
플라스틱 폐기물은 분해되는 데 수백 년이 걸리며, 미세한 크기로 쪼개져 자연 환경에 축적된다. 분해된 크기에 따라 5mm 이하의 플라스틱을 microplastics (MPs), 1μm 이하를 nanoplastics (NPs)로 분류한다[ 1, 2]. 특히, NPs은 크기가 작아 자연환경에서 물리화학적으로 완전히 제거되기 어렵고 먹이사슬을 따라 이동하여 생태계에 심각한 영향을 미칠 수 있다[ 3]. 전 세계적으로 연간 평균 5,210만 톤의 플라스틱 폐기물이 적절한 관리 없이 자연환경으로 유출되는 것으로 추정된다[ 4]. 육상 환경에서는 의류의 합성 섬유, 세탁 중 발생한 먼지, 마모된 타이어 조각, 산업활동 부산물 등 다양한 원인으로 인해 MPs이 배출되며 이러한 플라스틱 입자들은 여러 경로를 통해 농경지로 유입되어 농작물의 생장을 저해하기도 한다[ 5, 6]. 더욱이, 나노미터 크기의 NPs은 토양 입자와 쉽게 결합하거나 공극 내 토양수와 함께 뿌리를 통해 식물 내부로 이동하여 축적될 가능성이 높은데, 이는 식물의 건강과 발달을 초기 생육 단계에서부터 저해하여 생산성 감소로 이어질 수 있다[ 7, 8]. 따라서, 토양 내 NPs의 축적은 점차 심각한 환경 문제로 대두되고 있다. 식물은 농업 및 생태계 유지에 있어 매우 중요한 역할을 하는데 특히, 종자의 발아 과정은 작물의 생산성을 결정짓는 첫 번째 성장 단계일 뿐만 아니라[ 9], 식생 유지와 야생 식물의 재생에도 핵심적인 역할을 담당한다[ 10]. 그러나 기후변화로 인해 관찰된 온난화 현상은 앞으로도 심화될 것으로 예상되며[ 11, 12], 이러한 장기간의 기상조건 변화는 식물의 생육 조건을 변화시키고, 특히 종자 발아 과정에 영향을 미칠 수 있다[ 13]. Aflakpui et al. (1998)의 연구에 따르면 온도는 종자 발아에 영향을 미치는 가장 중요한 환경 요인 중 하나로, 온도가 적정 범위 내에서 유지 될 때 발아율이 높아지고 초기 생장이 원활하게 이루어진다고 보고했다[ 14]. 따라서 기후 변화로 인한 온도 변화가 식물의 발아 과정에 미치는 영향을 파악하는 것은 생태학적 연구뿐만 아니라 농업적 측면에서도 중요한 연구 주제이다. IPCC (Intergovernmental Panel For Climate Change) 6차 보고서(2023)에 따르면 인간 활동에 의한 온실가스 배출로 인해 지구 표면의 온도는 1850-1900년 대비 2011-2020년에 1.1℃ 상승하였다[ 15]. 더불어, 현재 각국이 결정한 2030년까지의 기후변화 대응 및 온실가스 감축 목표가 유지될 경우 지구 평균온도 상승 폭은 1.5℃를 초과할 것으로 예상된다[ 15]. 나아가 기후변화로 인한 온도 변화는 토양 내 유기 탄소량, 미생물 군집 등 물리, 화학적 특성을 변화시키며, 농작물의 수확량에 부정적인 영향을 미친다[ 9, 16, 17]. Pietikäinen et al. (2004)의 연구에 따르면 기온이 상승함에 따라 토양 내의 고온 환경에서는 세균이 균류에 비해 상대적으로 우세하게 되며, 이는 토양 미생물 군집의 균형을 변화시킨다[ 17]. 기후변화에 따른 토양 유기물 분해의 온도 민감도에 대해서는 아직 명확한 합의가 이루어지지 않았지만, 토양 유기물의 분해는 온도에 분명한 영향을 받는다[ 18]. 또한, 온도 변화는 작물의 광합성에 직접적인 영향을 미쳐 생장을 방해하며[ 19], 이는 세계 작물 수확량에 부정적인 영향을 끼칠 수 있다. NPs은 작은 크기로 인해 작물에 의해 흡수될 가능성이 높아 먹이 사슬에 유입될 수 있다[ 20]. 또한, NPs은 토양 내 물리적 및 화학적 특성을 변화시켜 식물 생장에 부정적인 영향을 미칠 수 있다[ 21]. NPs은 토양 내 이온 교환 과정을 방해하여 토양 pH를 증가 또는 감소시킬 수 있으며, 이는 식물 뿌리의 영양소 흡수 효율을 감소시킨다[ 21]. NPs이 토양 내 주요 양이온과 결합하여 가용성을 저하시키는데, 이는 식물의 생장에 필수적인 영양소의 흡수 부족으로 이어질 수 있다[ 22]. 또한, 토양 내 유익 미생물 군집을 억제하거나, 병원성 미생물의 비율을 증가시켜 토양 건강을 악화시키는 것으로 보고되었다[ 22]. 또 다른 연구에서는 polystyrene (PS) 소재의 NPs이 포함된 토양에서 상추( Lactuca sativa L.)를 대상으로 작물의 생장과 영양 품질에 미치는 영향을 조사한 결과, 발아율이 평균 15% 이상 감소하고 뿌리 길이가 약 20% 감소되는 현상이 관찰되었다는 연구가 있는데, PS NPs이 씨앗 표면에 흡착하여 물과 산소의 투과성을 감소시키고, 뿌리 주변에서 물과 영양소 이동을 방해한 것이 주요 원인이라고 분석하였다[ 23]. MNPs (microplastics and nanoplastics)은 식물의 뿌리를 통해 흡수된 후 잎과 줄기 같은 지상 부분으로 이동할 수 있는데 특히 NPs 크기가 작은 성질로 인해 뿌리의 세포벽을 통과하여 식물 내부로 이동할 수 있으며, 옥수수의 경우 NPs이 뿌리에서 잎으로 이동하는 과정이 확인되었다[ 24]. 또한 종자 발아 과정에서 NPs은 세포벽 구멍을 막아 물과 영양소 흡수를 방해하고, 발아 속도를 감소시키며 MPs에 노출되었을 때 뿌리 길이와 식물의 생체량이 크게 감소하였다[ 24]. 작물을 재배하는 과정에서는 다양한 종류의 플라스틱이 사용되며, 특히 농업용 플라스틱인 멀칭 필름은 토양의 온도와 습도를 조절하는 용도로 널리 활용된다[ 25]. 그러나 시간이 지남에 따라 환경 요인의 영향으로 필름이 점차 작은 조각으로 분해되면서 토양 내 MNPs 오염을 유발할 수 있다[ 25]. 일반적으로 polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), PS, polyamide (PA), polyvinyl chloride (PVC)는 일상생활에서 많이 사용되는 플라스틱이며, 농업 환경에서도 흔히 발견된다[ 26]. 한편, 무는 생산량이 많고 재배 면적이 큰 특성으로 인해 이러한 농업 환경에서의 NPs 오염에 노출될 가능성이 크다[ 27]. 국립원예특작과학원에 따르면, 무는 국내에서 배추에 이어 두번째로 생산량이 많은 채소 작물로, 재배 면적이 약 2만 1천 ha에 달한다[ 27]. 이에 본 연구에서는 주요 작물인 무(Raphanus sativus L.)의 한 품종인 청한무를 대상으로, 널리 사용되는 플라스틱 중 하나인 PS를 처리 물질로 선정하여 실험을 진행하였다. 연구의 목적은 다양한 크기의 NPs 처리가 식물의 발아 및 초기 생장에 미치는 영향을 분석하는 것이다. 또한, 기후변화로 인한 온도 상승과 NPs 오염에 따른 영향을 평가하여, 이러한 요인들이 식물 생장에 어떤 변화를 초래하는지 분석하고자 한다. 이를 통해 기후변화와 NPs 오염이 작물의 발아 및 초기 생장 과정에 미치는 영향을 보다 명확히 파악할 수 있을 것으로 기대된다.
2. 실험재료 및 방법
2.1. 종자 선택 및 전처리
본 연구의 실험 대상은 우리나라의 주요 작물 중 하나인 청한무(다농, Korea)로 선정하였다. NPs 처리는 Bangs Laboratories (Fishers, U.S.A) 사에서 제작된 직경 100nm (PS02004), 200nm (PS02008), 400nm (PS02010)의 PS NPs를 구입하여 이용하였으며 농도는 1g L -1 PS NPs를 멸균된 증류수로 희석하여 0, 100, 500, 1000 mg L -1로 처리하였다. 크기 및 농도 조건은 선행 연구들에서 사용한 NPs의 크기 및 농도 범위를 참고하였으며 각각 100-700nm, 10-1000mg L -1로 나타났다[ 28- 31]. 종자 표면의 코팅을 제거하기 위해 NaOCl을 사용하여 전처리를 진행하였다. NaOCl의 농도와 노출 시간은 선행 실험을 통해 청한무 종자의 미발아율이 가장 낮게 나타난 조건으로 선택하였는데 처리 농도는 3%, 노출 시간은 30분이었다. 3% NaOCl 40 mL가 담긴 2개의 코니컬 튜브에 각각 50립씩 담은 종자를 30분 동안 담가두었다. 30분이 지난 후 종자를 20 mL의 멸균된 증류수로 3회 반복하여 세척하였다. 세척된 종자 중 상태가 불량하거나 크기가 매우 작거나 큰 경우 실험에서 제외하였다.
2.2. 종자 배양 실험
하나의 petri dish (60×15mm petri dish (H10060, Hyundai micro Co., Ltd. Seoul, Korea)에 여과지(Whatman Grade 2 (1002-055, Cytiva, U.S.A) 1매를 깔고 최대한 떨어진 거리에 5개의 청한무 씨앗을 배치했다( Fig. 1(a)). 내부는 호일로 단열 처리했으며 챔버 안에는 멸균된 증류수를 투입한 대조구, 100 mg L -1의 100-nm PS NPs 처리구, 500 mg L -1의 100-nm PS NPs 처리구, 1000 mg L -1의 100-nm PS NPs 처리구를 각각 3개씩 배열했다( Fig. 1(b)). 200 nm와 400 nm 크기의 PS NPs도 같은 방식으로 진행했다. 세 챔버의 온도는 선행 연구들의 온도 범위가 24-28℃이고[ 28- 31], 무의 발아적온이 30℃임을 고려하여[ 32] 각각 ambient (실험실 온도), ambient + 3℃, ambient + 6℃의 온도로 세팅하여 기후변화에 의한 온도 증가를 모사하였다. 실제 실험 기간 동안 측정된 챔버 내부의 온도는 22.3±0.4℃, 25.1±0.4℃, 27.9±0.4℃ 였다( Fig. 1(c)). 실험기간은 예비 실험을 통해 종자의 뿌리가 충분히 성장할 수 있는 기간인 총 8일로 설정하였다. 발아 기준은 Lee et al. (2014)의 연구를 참고하여 유근이 1 mm 정도 자랐을 때를 기준으로 발아율은 매일 24시간마다 총 3회 측정하였다[ 33]. 뿌리 길이와 직경은 배양 실험 마지막 날에 캘리퍼스(DC150-2, CAS, Yangju, Korea)로 측정하였다. 실험은 NPs 크기별로 3반복 진행하였다. 종자가 마르지 않도록 실험 기간 동안 총 2회에 걸쳐 1mL씩 멸균된 증류수를 공급해 주었다.
2.3. 통계 분석
측정된 자료는 IBM SPSS Statistics 28.0 (SPSS Inc., Chicago, IL, U.S.A) 프로그램을 이용하여 분석하였고, 각 측정항목에 대하여 3회 반복 측정하여 얻은 결과를 평균값±표준오차로 나타내었다. 청한무 종자 뿌리 길이와 직경, 발아율에 대하여 처리구 사이의 유의한 차이를 알아보기 위해 유의수준을 α=0.05로 설정하여 분산분석(ANOVA)을 실시하였으며, 유의성 검정은 Tukey honestly significant difference (HSD) test를 실시하였다. 또한 온도와 발아율 간의 상관관계를 확인하기 위해 상관관계 분석을 실시하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1. 처리된 PS NPs가 발아율에 미치는 영향
다양한 PS NPs의 농도와 온도 조건 하에서의 1일차, 2일차, 3일차 발아율은 Fig. 2에 나타내었다. 1일차 발아율과 NPs의 농도의 관계에서 발아율의 증감 경향이 온도에 따라 다르게 나타났다. 1일차 발아율의 경우 1000 mg L -1의 100-nm PS NPs 처리구, 500 mg L -1의 200-nm PS NPs 처리구, 100 mg L -1의 400-nm PS NPs 처리구에서 온도 조건에 따라 유의한 차이를 보였다( p<0.05). 구체적으로는 1000 mg L -1의 100-nm PS NPs 처리구의 경우 ambient + 3℃일 때 발아율이 33%로 가장 낮았으며 500 mg L -1의 200-nm PS NPs 처리구의 경우 ambient + 6℃와 비교하여 ambient + 3℃일 때의 발아율이 100%로 더 높았다. 100 mg L -1의 400-nm PS NPs 처리구의 경우 ambient + 3 ℃일 때 발아율이 47%로 가장 낮았다. 3일차 발아율은 1000 mg L -1의 100-nm PS NPs 처리구에서 발아율이 100%인 ambient + 6℃와 비교하여 ambient + 3℃일 때 73%로 더 작았다. 1일차에 1000 mg L -1의 100-nm PS NPs 처리구에서 온도에 따라 다르게 나타난 발아율은 3일차까지 이어졌다. 500 mg L -1의 200-nm PS NPs 처리구의 ambient + 6℃와 100mg L -1의 400-nm PS NPs 처리구의 ambient + 3℃에서 발아율 저하가 관찰되었지만 시간이 지남에 따라 유의한 차이가 사라지는 것을 관찰하여 초기 성장 단계에서의 PS NP의 영향을 확인할 수 있었다. 또한, 1000 mg L -1의 100-nm PS NPs 처리구와 100 mg L -1의 400-nm PS NPs 처리구 모두 ambient + 3℃에서 가장 낮은 발아율을 보임을 관찰했다. 온도와 발아율 사이의 상관관계를 분석한 결과 400-nm PS NPs를 처리한 처리구에서 온도 증가에 따라 발아율이 감소하는 경향을 보이는 것으로 나타났으며(r=-0.24, p< 0.05), 이러한 경향은 2일차에서 더욱 뚜렷하게 확인되었다(r=-0.45, p<0.05). NPs의 크기와 농도, 온도 요인들의 상호작용 효과는 확인되지 않았다( p>0.05). 한편, 다양한 종류와 크기의 MNPs 처리가 여러 작물의 뿌리 성장과 발아율에 미치는 영향에 대한 선행 연구 결과를 Table 1에 정리하였다. 기존 연구에서 큰다닥냉이( Lepidium sativum)의 발아율은 PC 처리에 따라 감소했다[ 34]. 한편 PS 처리를 했을 때 밀 ( Triticum aestivum)은 유의한 발아율 차이를 보이지 않았으며, 또한 PS 처리는 양파( Allium cepa)의 발아율에 유의한 영향이 없었다[ 36, 29]. 플라스틱의 크기가 커짐에 따라 발아율의 감소가 커짐을 확인한 연구에서는 발아 초기(8시간)에는 MNPs이 발아율을 유의하게 감소시키는 것을 확인했다고 보고한 바가 있다. 이는 플라스틱 입자가 큰다닥냉이 종피의 기공에 축적된 결과로 물리적 차단으로 인해 발생할 수 있다고 보고했다. 하지만 24시간 이후에는 MNPs에 의한 영향이 사라지고 MNPs의 크기에 관계없이 발아율이 100%에 가깝게 도달했다[ 35]. 본 연구에서는 발아율에는 PS NPs 처리보다 온도가 더 큰 효과를 보이는 것으로 나타났다. NPs는 작물에게 복합적인 영향을 주며, 식물의 신진대사와 성장을 자극하거나 억제할 수 있다고 보고한 연구가 있다[ 24]. 애기장대( Arabidopsis thaliana)를 대상으로 한 연구에 따르면 NPs의 표면 전하에 따라 양전하를 띠는 NPs는 뿌리의 끝에 축적되고 음전하를 띠는 NPs는 전세포벽(apoplast)와 물관에 축적되는 것을 관찰했다[ 39]. 따라서 NPs이 작물에 미치는 긍정적 또는 부정적 영향은 다양한 요인들의 복합적인 작용에 의해서 결정된다. 본 연구 결과 다양한 온도 조건에서 NPs 처리에 따른 영향은 특정 크기 및 농도에서 온도별 유의한 차이를 보였다. 이는 NPs이 작물의 발아 및 초기 생장에 미치는 영향은 단순히 선형적으로 나타나지 않으며 다양한 요인에 의해 달라질 수 있음을 시사한다.
3.2. 처리된 PS NPs가 뿌리 길이에 미치는 영향
NPs의 크기와 농도 및 온도 처리에 따른 청한무의 뿌리 길이에 대한 영향은 Fig. 3에 나타내었다. 뿌리 길이는 200 nm 크기의 NPs 처리 시 대조구, 100 nm와 400 nm 크기의 NPs 처리구와 비교하여 가장 길었다( p<0.05). 처리된 NPs의 농도와 온도가 뿌리 길이에 미치는 결과는 통계적으로 유의한 차이를 보이지 않았다. 생육단계별 적정온도를 벗어나는 극단적인 기후변화 시나리오를 적용할 경우, 온도 증가 상황에서 NPs이 선택한 작물에 미치는 영향은 달라질 수 있다. 기존의 연구에서 녹색 형광 플라스틱 입자(fluoro-max green fluorescent polymer microspheres)를 큰다닥냉이에 처리한 결과, 50 nm 크기의 MNPs 처리 시 큰다닥냉이 뿌리의 성장이 유의하게 증가하였으나, 500 nm 크기의 NPs 처리 시 뿌리 성장이 감소하였다고 보고된 바 있다[ 35]. MPs과 시프로플록사신(ciprofloxacin)의 복합적인 영향이 밀의 독성과 거동에 미치는 영향을 알아본 연구에서는 0.1, 1, 10μm 크기의 PS를 밀에 처리한 경우 대조군과 비교했을 때 0.1, 10μm와 5.0 mg-1 시프로플록사신 처리 그룹에서 뿌리 길이가 유의하게 감소했다고 보고했다[ 37]. 녹두( Vigna radiata)에 28 nm 크기의 PS를 0, 10, 100 mg kg-1 농도로 처리한 연구에서는 NPs 처리를 한 녹두의 뿌리 길이는 증가하는 추세를 보였지만 통계적으로 유의한 차이를 보이지 않았다고 보고했다[ 38]. 온도가 NPs의 독성에 미치는 영향을 다룬 연구 중 식물을 대상으로 한 경우는 거의 없지만, 기수산 물벼룩( Diaphanosoma celebensis)을 대상으로 한 연구에 따르면 PS는 크기 의존적인 독성을 가지고 있음을 보여줌과 동시에 온도 증가로 인해 MNPs의 독성이 강화될 수 있다고 보고했다[ 40]. 온도 증가 시 MNPs이 식물에도 동일한 양상으로 독성을 미치는지, 또는 다른 양상이 나타나는지에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
3.3. 처리된 PS NPs가 뿌리 직경에 미치는 영향
NPs의 크기와 농도 및 온도 처리에 따른 청한무의 뿌리 직경에 대한 영향은 Fig. 4에 나타내었다. 뿌리 직경은 100 nm 크기의 NPs 처리 시 가장 컸으며 200 nm 크기의 NPs 처리 시 가장 작았다. 처리된 NPs의 농도와 온도가 뿌리 직경에 미치는 영향은 통계적으로 유의하지 않았다. 육상 환경에서 플라스틱 잔해가 녹두와 최종적으로 왕달팽이( Achatina fulica)로 전이되는 과정을 조사한 연구에서는 녹두의 뿌리 직경 감소를 관찰한 바 있다. 해당 연구에서는 현미경을 통해 28 nm 크기의 NPs이 녹두의 맥관 구조를 통해 토양에서 식물체로 이동하는 것을 확인했다[ 38]. 이러한 경향과 유사하게, 본 연구에서는 200 nm 크기의 NPs 처리 시 평균 뿌리 직경은 감소하는 것으로 확인되었다. NPs 처리시 뿌리 길이와 뿌리 직경의 증감 경향은 비선형적으로 나타났다. NPs과 관련된 식물 독성은 식물 종과 재배 방식, 그리고 플라스틱의 특성에 따라 달라질 수 있다고 보고되었으며, 또한 NPs이 육상 생태계에 미치는 영향과 근본적인 과정에 대한 불확실성이 존재한다고 보고하였다[ 20]. 따라서 NPs 처리에 따른 작물의 성장 촉진 및 저해는 생태계 구성 요건에 따라 다르게 나타날 수 있다. 향후 실제 토양 환경 내에서 NPs에 의한 영향을 관찰하기 위해서는 토양 분석과 더불어 바이오매스와 원소 분석과 같은 추가적인 작물 생장 조사가 필요할 것으로 판단된다[ 41].
4. 결론
본 연구에서는 기후변화 상황을 모사한 온도의 증가와 NPs 처리가 작물의 발아와 초기 생장에 미치는 영향을 분석하였다. 청한무의 뿌리 길이는 200 nm 크기의 NPs 처리 시 가장 길었던 반면, 뿌리 직경은 100 nm 크기의 NPs 처리 시 가장 컸고 200 nm 크기의 NPs 처리 시 가장 작았다. NPs 처리가 1일차 발아율에 미치는 영향은 온도에 따라 달라졌는데 1000 mg L-1의 100-nm PS NPs 처리구와 100 mg L-1의 400-nm PS NPs 처리구에서 ambient + 3℃일 때 가장 낮은 발아율이 나타났다. 특히 1000 mg L-1의 100-nm PS NPs 처리구의 경우 온도에 따른 발아율의 차이는 3일차까지 이어졌다. NPs 크기와 농도, 온도 요인들의 상호작용 효과는 확인되지 않았는데 이는 다양한 환경 요인들의 영향 아래 작물의 발아 및 초기 생장은 비선형적인 반응을 보일 수 있음을 시사한다. 본 연구에서는 NPs 오염에 노출되기 쉬운 뿌리 작물인 무를 대상으로 하여 NPs 처리와 온도 증가의 영향을 관찰함으로써 미래 기후변화 시나리오에서 NPs 오염의 위해성을 평가하였고, 이는 미래 식량 안보와 생태계 건강성 평가에 기여할 것으로 사료된다. 향후 다양한 작물과 PS 이외의 다른 종류의 플라스틱을 대상으로 한 연구가 필요하고, 또한 기온이 상승할 경우 토양 미생물의 활성도가 높아지기 때문에 실제 토양 환경에서는 토양 미생물과 유기물 및 타 오염물질과의 복합작용에 의한 영향도 고려해야 할 것이다.
Fig. 1.
Overall experimental setup. (a) Arrangement of Raphanus sativus L. seeds in a petri dish, (b) chamber settings, (c) experimental setup simulating increase in temperature, (d) petri dishes placed in each chamber. 
Fig. 2.
Germination rate under different PS NPs and temperature treatments. (a), (b), (c) day 1 (24 hours), (d), (e), (f) day 2 (48 hours), and (g), (h), (i) day 3 (72 hours). The size of PS NPs is (a), (d), (g) 100 nm, (b), (e), (h) 200 nm, and (c), (f), (i) 400 nm. Different letters within the graph indicate significant differences among treatment groups at α = 0.05. Error bars represent one standard error (n = 3). 
Fig. 3.
Root length of R. sativus L. under different NPs size, concentration, and temperature conditions. Effects of (a) NPs size, (b) concentration, and (c) temperature. Different letters within the graph indicate significant differences among treatment groups at α = 0.05. Error bars represent one standard error (n = 3). 
Fig. 4.
Root diameter of R. sativus L. under different NPs size, concentration, and temperature conditions. Effects of (a) NPs size, (b) concentration, and (c) temperature. Different letters within the graph indicate significant differences among treatment groups at α = 0.05. Error bars represent one standard error (n = 3). 
Table 1.
Changes in germination rate, root length, and root diameter of crops under MNPs treatment analyzed in previous studies.
|
Species |
Type and size of MNPs |
Concentration of MNPs |
Results |
References |
|
Lepidium sativum (watercress) |
PC (polycarbonate) |
0.1, 1.0, 10% |
⦁Decreased germination rate |
[34] |
|
3 mm ± 1 mm |
|
PS (green fluorescent plastic particles) |
103 to 107 particles mL-1
|
⦁Decreased germination rate (at 8h) |
[35] |
|
50, 500, 4800 nm |
⦁No significant difference in germination rate (after 24h) |
|
Triticum aestivum L. (wheat) |
PS |
0.01, 0.1, 1.0, 10 mg L-1
|
⦁No significant difference in germination rate |
[36] |
|
100 nm |
|
PS |
0, 9.1x107 to 1013 particles L-1
|
⦁Decreased root length |
[37] |
|
0.1, 1, 10 μm |
|
Vigna radiata (mung bean) |
PS |
0, 10, 100 mg kg-1 of soil |
⦁Increasing trend observed in root length |
[38] |
|
28 nm |
⦁Decreased root diameter |
|
⦁No significant difference in germination rate |
|
Allium cepa (onion) |
PS |
0.01, 0,1, 1 g L-1
|
⦁Decreased root length |
[29] |
|
50 nm |
⦁No significant difference in germination ratee |
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