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국내 만 19세에서 59세 성인남녀 1,000명을 대상으로 한 반려식물 관련 인식 조사결과에 따르면, 식물을 키워본 경험 이 있는 소비자들(85%)은 식물을 기르는 이유 중 1위가 식물들 에 의한 실내 유해한 공기환경을 개선하는 효과를 기대(58.3%) 하고 있는 것으로 나타났다(Macromill embrain 2017). 이와 함께 코로나 19로 실내생활 시간이 증가하고, 환경의 중요성 에 대한 인식이 높아지면서 공기정화식물에 대한 관심이 증가 하고 있다.
도시민이 하루의 90% 이상을 보내고 있는 실내 공간은 건축자재에서 발생된 휘발성 유기화합물(Volatile Organic Compounds, VOCs) 등에 의해 오염되고 있다(Carpenter 1998;Lee 2004). 톨루엔(toluene), 벤젠(benzene) 등의 VOC는 두통, 안질환, 후두염, 어지러움 등의 증상을 발생시 키는 새집증후군(sick building syndrome, SBS)의 원인 물 질로 알려져 있다(Weschler and Shields 1997). 이러한 실 내 공기오염물질을 친환경적으로 제거하기 위해 식물을 활용 한 공기정화 연구가 지속되어 왔다(Baro et al. 2014;Maitra and Jyethi 2020;Selmi et al. 2016).
Park et al.(2010)은 실내 저광 조건에서는 파키라, 인도고 무나무 등 잎이 크고 많아 이산화탄소 제거능력이 높은 것이 공기정화에 효과적이라 하였다. Son et al.(2000)은 실내식물 7종 중 스파티필름, 파키라의 HCHO 흡수 효과가 컸다고 하 였으며, Yoo et al.(2006)은 Spathiphyllum wallisii의 톨루 엔 제거 효율이 우수하다고 하였다. 식물은 지상부의 잎, 줄 기 등의 표면에 오염물질을 흡착하거나 기공을 통해 흡수함 으로써 공기 중에 부유하는 오염물질의 농도를 감소시킨다 (Beckett et al. 1998). 기공으로 흡수된 오염물질은 광합성 과정을 통해 엽 내로 흡수되어 세포간극으로 확산되어 제거되 거나(Fowler 1985), 체내 다른 부분으로 전류 또는 분해된다 (Kondo and Saji 1992). 또한 식물을 심은 배지 내로 흡수 되거나 흡착되고, 배지 내에서 VOCs를 먹이로 삼는 근권부 미생물에 의해 제거되는 등(Wood et al. 2002) 공기정화 식 물의 생리, 생장 특성과 오염물질 정화 기작에 대한 연구 결과 가 지속적으로 보고되고 있다(Kim 2003;Kwon and Park 2018;Park et al. 2019).
공기정화 식물의 생장에는 광, 수분, 온도, 환기 등의 다양 한 환경요인이 복합적으로 영향을 미치고 있는데 이 중 수분은 식물 생장에 가장 큰 제한 요인으로 작용한다(Boyer 1982). 수분 스트레스로 인한 광합성, 기공전도도 등의 감소는 기공 을 통한 공기오염물질 흡수를 저하시킬 수 있으므로 식물의 토양수분함량을 적절하게 유지하는 것은 실내 공기오염물질 저감을 위해 중요하다.
따라서 본 연구는 실내식물 2종의 토양수분함량에 따른 광 합성속도, 기공전도도, 증산량 등이 가스상 공기오염물질인 톨루엔 저감에 미치는 영향을 구명하고, 최적의 공기 정화 효 과를 위한 적정 토양수분함량을 찾고자 수행하였다.
재료 및 방법
식물 재료
실험 식물은 스파티필름(Spathiphyllum spp.)와 파키 라(Pachira aquatica)를 대상으로, 삽목 2년생 직경 10cm 포트의 규격묘를 사용하였고, 시험 전 플라스틱 시험포트 (150×90×135mm)에 원예범용 상토(Baroker, SeoulBio, Korea)를 사용하여 이식한 후 온실에서 3주 이상 순화하 였다.
토양수분함량 처리
온실에서 순화한 식물은 광도 20μmoL·m-2·s-1, 명기 12h (8:00~20:00), 암기 12h(20:00~8:00), 온도 23±1℃, 습도 50±10%로 설정한 생육실로 옮겨 관수처리를 시작하였다. 토 양수분함량(VWC, Volumetric water contents)은 처리 기간 동안의 평균 토양수분함량이 25%, 20%, 15%, 10%가 되도록 1일, 5일, 15일 20일 간격으로 40일간 관수하였다. 관수는 포 화 수분이 될 수 있도록 충분히 처리하였고, 토양수분함량은 토 양수분센서(Watchdog SM-300, spectrum technologies) 를 이용하여 40일 동안 1시간 간격으로 측정하였다(Fig. 1).
톨루엔 저감량 측정
식물의 단위 면적당 저감량은 크기 0.9m(W)×0.9m(L)× 1.23m(h)의 유리 챔버에 광도 20μmoL·m-2·s-1 하에서 수행 하였고, 시험챔버(1m3) 내 토양수분이 각기 다르게 처리된 식 물 각 1포트씩 배치하여 측정하였다.
톨루엔 처리는 액체 상태의 톨루엔 0.2mL를 Tedlar bag(20L) 에 넣고 공기를 주입하여 기화시켜 사용하였다. 식물을 넣은 챔버의 톨루엔 농도가 약 1,000ppb(약 3755μg·m-3)이 되도록 맞춘 후 12시간 후 농도를 측정(SIFT-MS, New Zealand)하였으 며, ppb를 μg·m-3로 환산한 값을 아래의 식에 대입하여 엽면적당 저감량(R)을 구하였다. 오염물질 주입 후 내장된 팬을 30초간 구동시켜 챔버 내에 고르게 분포되도록 하였다. 식물을 넣지 않은 빈 챔버를 대조구로 구비하였으며, 빈 챔버에서의 저감량을 식물이 들어있는 챔버의 저감량에서 제외하여 단지 식물에 의한 저감 효과만을 측정하였다.
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Ti, 식물이 있는 챔버의 초기 농도(μg·m-3)
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T, 식물이 있는 챔버의 12시간 후 농도(μg·m-3)
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Ci, 빈 챔버의 초기 농도(μg·m-3)
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C, 빈 챔버의 12시간 후 농도(μg·m-3)
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LA, 엽면적(m2)
생리 반응 측정
각 토양수분함량에 처리된 식물의 생리적 반응을 확인하기 위해 양자수율(Fv/Fm), 광합성률(A), 기공전도도(gsw), 증산량 (E)을 측정하였다. 양자수율은 엽록소 형광 측정기(MINI PAM Ⅱ, WALZ, Germany)를 이용하였으며, 광합성속도와 기공전 도도, 증산량은 광합성측정기(Li-6800, Li-COR, USA)를 이용 하였다. 광합성측정기의 챔버 조건은 Flow 700μmoL·s⁻¹, 챔 버 내 이산화탄소 농도(CO2_r) 400μmoL·moL⁻1로 설정하였 고, 인공광(Red+Blue) 20μmoL·m-2·s-1 하에서 측정하였다.
데이터 수집 및 통계 분석
실험은 각각 4반복하였으며, 토양수분함량 처리에 따른 광 합성속도, 기공전도도, 증산량, 엽면적당 톨루엔 저감량의 평 균 간 차이는 통계분석 프로그램 SPSS(ver. 26)을 사용하여 유의수준 5%에서 Duncan 검정을 실시하였다.
결과 및 고찰
토양수분함량에 따른 톨루엔 저감 및 생리적 반응
엽면적당 톨루엔 저감량은 스파티필름이 파키라에 비해 높 았으며 두 식물 모두 토양수분함량 간에 저감량 차이가 있었 다(Table 1). Kim(2008)은 오염물질의 흡수는 기공전도도와 관련이 있다고 하였다. 스파티필름의 엽면적당 톨루엔 저감량 이 더 높았던 것은 스파티필름의 기공전도도가 파키라보다 높 았기 때문인 것으로 사료된다.
스파티필름은 토양수분함량 20% 이상에서 높은 톨루엔 저 감량을 나타내었으며 15% 이하에서 유의적인 감소를 보였다. 양자수율은 토양수분함량 10% 처리구에서 가장 낮고 다른 세 처리구와 유의한 차이를 보였다(Fig. 2). 기공전도도는 15% 이하 처리부터 유의하게 감소하였으며, 증산량은 10% 처리구 에서 가장 낮은 값을 보였다. 따라서 15% 이하 처리구에서 수 분 부족에 의한 스트레스를 받은 것으로 판단되었다. Kwon et al.(2015)에 따르면 1회/2주 관수한 스파티필름은 관수 주 기에 상관없이 생육이 양호하였으며, 수분 스트레스에 대한 내성이 우수한 것으로 판단된다고 하였다. 본 연구에서는 40 일간의 평균 토양수분함량을 10%로 설정하기 위해 20일 간 격으로 관수 하였으므로 14일 간격으로 관수한 선행 연구와 는 다른 결과가 도출된 것으로 사료된다. Park et al.(2019) 은 Spathiphyllum wallisii이 수분 스트레스의 유무와 상관없 이 실내 오염물질을 제거했지만, 수분 스트레스를 받은 처리 구에서 TVOC 제거량이 감소하였다고 하였다. 본 연구에서도 스파티필름은 토양수분함량 15% 이하 처리구에서 양자수율 과 기공전도도 등 생리적 반응이 저하되는 스트레스를 받았으 며, 이로 인해 가스상 공기오염물질인 톨루엔을 기공으로 흡 수해 제거하는 능력이 감소한 것으로 판단된다.
반면 파키라는 20% 처리구에서 최대 톨루엔 저감량을 나 타냈으며, 25%에서 가장 낮은 저감량을 보였다. 양자수율은 처리구 간 차이가 크지 않았으며 광합성률과 증산량은 처리 간에 유의한 차이를 보이지 않았다(Fig. 3). 그러나 기공전도 도는 20% 처리구에서 가장 높고 25%와 15% 처리구에서 감 소하며 10% 처리구에서 가장 낮아 톨루엔 저감량과 유사한 경향을 보였다. 25% 처리구에서 생리적 반응의 감소가 없었 던 스파티필름과 달리 파키라는 기공전도도가 25% 처리구에 서 오히려 낮은 경향을 보였는데, 이는 파키라가 토양수분함 량이 높은 것이 스트레스로 작용하여 톨루엔 저감량이 감소한 것으로 판단되었다. 따라서 25% 이상의 수분함량이 지속될 경우 과습에 의한 해가 우려되며, 기공전도도가 10% 처리구 에서 가장 낮았으므로 25% 이상과 10% 이하 처리의 기간을 연장한 추가 연구가 요구된다.
토양수분함량에 따른 생육 변화
토양수분함량 처리 40일 후 스파티필름과 파키라의 생육상 태를 조사한 결과 두 식물 모두 초장과 엽록소 함량이 토양수 분함량 10%에서 가장 낮은 경향을 보였으나 유의한 차이는 없었다(Table 2). Kwon et al.(2015)에서 스파티필름이 관 수주기에 관계없이 바이오매스가 일정했다는 결과와 일치하 였으나, 육안 상 생육 상태는 스파티필름의 경우 토양수분함 량 10%에서 잎이 쳐지는 현상이 뚜렷하였다(Fig. 4). 10% 처 리가 장기화되면 유의적인 차이가 나타날 가능성이 있을 것으 로 사료된다. 반면 파키라는 모든 처리구에서 육안 상 잎이 쳐 지거나 떨어지는 현상을 보이지 않아 1일부터 20일 간격의 40일간 관수 처리는 파키라의 육안 상 생육에 영향을 미치지 않는 것으로 판단되었다.
스파티필름은 토양수분함량을 20% 이상으로 관리할 때 생 육이 양호하고 최적의 톨루엔 저감 효과를 얻을 수 있을 것으 로 판단되며, 10% 이하 건조에 대한 주의가 요구된다. 파키라 는 토양수분함량 25% 처리구에서 톨루엔 저감량이 감소하였 고 10% 처리구에서 생장량이 저하될 가능성이 있으므로 공기 정화와 생육을 위한 최적 토양수분함량은 15~20% 범위이며, 25% 이상으로 장기간 유지하는 것은 과습을 유발할 가능성이 있는 것으로 판단된다.
