서 론
재료 및 방법
1. 공시재료 및 재배환경
2. 액비 처리
3. 생육조사
4. 토마토 추출물
5. 총 페놀 함량 (Total phenol contents, TPC)
6. 총 플라보노이드 함량 (Total flavonoid contents, TFC)
7. DPPH 라디칼 소거능 (DPPH radical scavenging activity)
결과 및 고찰
1. 생육분석
2. 생체중 건물중 및 항산화효과
3. 시기별 토마토의 숙성도와 당도 높이 직경
결 론
서 론
사회경제적으로 국민의 생활 수준이 향상됨에 따라 식습관의 서구화 때문인 국내의 육류소비량은 지속해서 증가하고 있다. 2000년부터 2019년까지 국내 1인당 육류 소비량은 31.9 kg에서 54.6 kg으로 연간 2.9% 상승했다고 보고된 바 있으며 (Jung et al., 2020), 환경부의 2019년 가축분뇨 처리 통계로는 국내 가축 사육 두수는 2010년 21만 2,917마리에서 2019년 29만 1,996마리로 약 37% 증가했다. 분뇨 발생량은 2019년 기준 10년간 1백 톤/일 (13%) 증가하였다. 이러한 이유로 가축분뇨를 자원으로써 이용하는 방안이 많이 추진되었고 여러 방안 중 하나는 분뇨를 정제하여 비료로 다시 활용하는 것이다.
클로렐라는 현미경으로 관찰 가능한 직경 2~10 ㎛의 미세 녹조류이다. 일반적으로 클로렐라는 식물의 약 5~20배의 엽록소, 단백질, 비타민, 무기질, 핵산 등을 함유하고 있어 영양분이 풍부하다 (Cha et al., 2008; Seo et al., 2016). 이러한 이유로 클로렐라는 기능성 식품 또는 농업에서의 작물생육을 촉진하거나 병원성 박테리아를 생물학적으로 제어하여 식물병에 저항성을 유도하는 등의 다양한 분야에서 사용되어진다 (Kulik, 1995; Lee et al., 2016). Lee et al. (2016)의 연구에 따르면 오이의 재배에 있어 클로렐라를 전 처리하였을 때 병원균인 C. orbicular의 부착기형성률이 뚜렷하게 감소하고 접종 부위의 포자수가 무처리구와 비교하여 유의하게 감소하였다는 보고가 있다.
Kim et al. (2015)의 연구에 따르면 유기농 콩나물에 클로렐라를 처리하였을 때 무처리구와 비교하여 생육 및 항산화효과가 증진되었다는 보고도 있다. Byeon et al. (2018)의 연구에 따르면 클로렐라를 배양한 배양액이 다년생의 라이그라스 종자의 발아에 있어 무처리구보다 높은 발아율과 낮은 부패율을 나타내 종자의 부패방지효과를 보였다는 보고도 있었다. 이처럼 클로렐라는 식물의 생장 및 생리활성에 있어 많은 부분을 개선하며 정제액비 (Purified liquid fertilizer, PLF)와 이에 클로렐라를 배양하여 만든 바이오 액비 (Liquid Bio-fertilizer, LBF)는 화학양액 (Chemical Liquid Fertilizer, CLF)과 비교하여 서로 다른 성상을 띌 수 있음을 시사한다.
토마토 (Solanum lycopersicum L.)는 초본 일년생의 가지과 식물로써 남아메리카의 서부 고원지대에서부터 기원하여 우리나라를 포함해 온대지방에서 재배되고 있다 (Son et al., 2011). 토마토는 비타민, 무기물, 아미노산 그리고 항산화 물질을 다량 함유하고 있으며 (Pinela et al., 2012), 항산화 물질은 우리 몸에 축적되어 세포의 노화를 촉진하는 활성산소 (reactive oxygen species, ROS)를 억제 또는 지연한다. 이에 본 연구는 수경재배 작물로 많이 쓰이는 토마토 (Solanum lycopersicum L.)를 이용하여 수경재배에서 CLF과 급속액상부숙기술에 의한 돈분뇨 유래 PLF, 그리고 이에 클로렐라를 배양한 LBF를 처리구로 하여 각 처리구별 생리적 변화와 생육 특성에 대해 분석하였다.
재료 및 방법
1. 공시재료 및 재배환경
실험에 사용된 토마토는 토마토황화잎말림 바이러스 (Tomato yellow leaf curl virus, TYLCV) 내병계 품종인 TY샤르망 토마토 (The KIBAN, Korea)모종을 사용했다. 크기가 일정한 개화시작 단계의 모종을 선발하여 2022년 2월 25일 코코 슬라브 grow bag (100 cm × 20 cm × 10 cm 효성오앤비 hsonb, Korea)에 정식 후 격 칸마다 계분 퇴비 (SUPER-21, Namhae chemical crop, Korea)를 0.3 g씩 시비하였다. 재배는 상지대학교 유리온실에서 76일간 이루어 졌으며 유리온실의 평균 온도는 낮 약 35°C, 6시 이후 약 20°C로 유지되었다. 착과제의 경우 화방 출현 시, 5 L를 기준으로 지베렐린 1.6 g과 도마도톤 (FarmHannong, Korea) 3.3 mL, 사파이어 10 mL을 각 1회 실시했다.
2. 액비 처리
본 실험에 사용된 액비는 화학양액 (Chemical Liquid Fertilizer, CLF)(DAEYU, Korea), 정제액비 (Purified liquid fertilizer, PLF), 바이오 액비 (Liquid Bio-fertilizer, LBF)이다. CLF (DAEYU, Korea)의 경우 시판용을 구입하여 사용하였다. PLF는 가축분뇨 중 가장 발생량이 높은 돈분뇨를 급속액상부숙기술 (Thermophilic Aerobic Cwidation; TAO system)로 열처리하고 부숙되어 나온 분뇨를 전기응집하여 만들었다 (Lee and Lee, 2000). 급속액상부숙기술이란 축산분뇨와 같은 고농도의 유기성 폐기물을 짧은 시간에 액비로 자원화하는 기술이다. 이러한 과정을 거쳐 만들어진 PLF에 클로렐라를 배양시킨 후 클로렐라 세포수 106 cells/mL 이상인 LBF를 만들었다. CLF, PLF, LBF 모두 질소 7 me/L (328 mg/L )를 기준으로 희석하여 3 L/min의 유속으로 3분간 하루 8회 공급하였으며, 각 액비의 화학적 성상을 분석하였다 (Table 1). 그 결과, CLF는 PLF와 LBF에 비하여 화학적 성상의 높은 수치를 보였으며, LBF는 PLF에 비하여 Ca와 F에서 높은 함량을 나타냈다.
Table 1.
Chemical composition of CLF, PLF, and LBF based on the amount of nitrogen (382 mg/L).
| Component (mg/L) | CLF | PLF | LBF |
| P | 170 | 4.71 | 9.76 |
| K | 637 | 515 | 305 |
| Ca | 382 | 15.87 | 101 |
| Mg | 93.38 | 57.43 | 7.21 |
| F | 4.24 | 4.22 | 44.92 |
| Mn | 0.85 | N.D. | N.D. |
| B | 4.24 | 1.39 | 8.42 |
| Zn | 0.17 | N.D. | N.D. |
3. 생육조사
초장 (Plant length), 경경 (Stem diameter), 엽장 (Leaf length), 엽폭 (Leaf width), 생체중 (Fresh weight), 건물중 (Dry weight), 엽록소 (SPAD) 함량, 과실 수량 (Number of fruit), 과폭 (Fruit diameter), 과고 (Fruit height), 당도 (Brix)를 매주 조사했다. 토마토의 초장은 지면으로부터 제일 긴 잎끝까지의 길이이며 엽장은 3번째 마디의 두 번째 잎을 측정했다. 경경은 3번째 마디를 측정했고 Vernier Calipers를 사용했다. 엽록소 함량은 클로로필 측정기 (SPAD-502plus, Minolta, Japen)를 이용해 측정했다. 토마토 수확 후 과폭, 과고 또한 Vernier Calipers를 이용하여 측정했다. 당도는 당도 측정기 (SUGAR-2 PLUS, CAS, Korea)를 이용해 측정하였다. 생체중은 과실 수확 후 꼭지를 제거하고 증류수로 세척하여 무게를 쟀으며 건물중은 세척한 과실을 4등분하여 60°C의 열풍건조기에 넣어 건조 후에 측정하였다. 모든 측정은 3반복하였다.
4. 토마토 추출물
토마토 추출물은 기존에 제시된 Kao et al. (2011)의 논문을 참고하였다. 열풍기를 이용해 건조과정을 거친 토마토의 과실 조직을 분말화하고, 토마토 분말 0.5 g에 99% methanol (Daejung, Korea) 25 mL을 첨가하였다. 이를 58°C의 shaking incubator (ED_SI300R, HYSC, Korea)에 24시간 가동했고, 그 후 1300 xg의 Centrifuge에서 15분 돌려 상등액 추출 후 시료를 완성했다. 토마토 추출물은 각 처리구당 토마토의 항산화능 (총 페놀 함량, 총 플라보노이드 함량, DPPH 라디칼 소거능)을 검정하는 데에 사용되었다.
5. 총 페놀 함량 (Total phenol contents, TPC)
총 페놀 함량 (Total phenol contents, TPC)의 경우 Folin-Ciocalteu’s regent가 추출물의 페놀성 화합물에 의해 환원되어 몰리브덴이 청색으로 발색되는 것 (Folin and Denis, 1912)을 원리로 하여 폴리페놀의 함량을 측정하였다. 측정은 Folin-Ciocalteu의 방법 (Odabasoglu et al., 2004; Slinkard and Singleton, 1977)을 응용하였으며 50 µL의 토마토 추출물에 250 µL의 증류수와 50 µL의 Folin-Ciocalteu’s regent (Sigma-Aldrich, France)를 혼합하여 vortexing 후 암조건에서 6분간 반응시켰다. 이후 반응물을 0.5 mL의 7% Sodium carbonate solution (Daejung, korea)과 250 µL의 증류수에 혼합하여 암조건에서 90분간 반응시킨 후 분광광도계 (OPTIZEN POP, KLAB, Korae)를 이용해 760 nm에서 흡광도를 측정하였다. 표준 곡선은 Gallic acid (Daejung, Korea)의 각기 다른 농도를 이용하여 폴리페놀 함량의 정량곡선을 만드는 데에 사용하였다.
6. 총 플라보노이드 함량 (Total flavonoid contents, TFC)
총 플라보노이드 함량 (Total flavonoid contents, TFC)은 기존에 제시된 방법 (Zhishen et al., 1999)을 이용하여 진행하였다. 100 µL의 토마토 추출물에 500 µL의 증류수와 100 µL의 5% 질산나트륨 (Sodium nitrate)을 혼합하여 vortexing 후 6분간 상온에서 반응시켰다. 그 후 150 µL의 10% Aluminium chloride solution (Daejung, Korea)에 혼합하여 5분간 상온에서 반응시켰다. 연속해서 200 µL의 1M Sodium hydroxide solution을 혼합 후 incubator에서 37°C로 1시간 배양하였다. 배양 후 분광광도계 (OPTIZEN POP, KLAB, Korea)를 이용해 510 nm에서 흡광도를 측정하였다. 또한, 표준물질인 Quercetin (QE g/mL)으로 정량곡선을 작성하였다.
7. DPPH 라디칼 소거능 (DPPH radical scavenging activity)
DPPH 라디칼 소거능 함량 (DPPH radical scavenging activity)은 기존에 제시된 논문 (Brand-Williams et al., 1995)을 이용하여 진행되었다. 100 µL의 토마토 추출물과 900 µL의 0.1 mM DPPH solution 을 혼합한 후 암조건에서 10분 동안 반응시켰다. 그 후 분광광도계 (OPTIZEN POP, KLAB, Korea)로 515 nm에서 흡광도를 측정하였다. DPPH soiution 은 DPPH (2,2-diphenyl-1-picrylhydrazy) 1.9716 mg을 50 mL Methanol에 녹여 제조하였다. 또한 표준물질인 Gallic acid 를 희석하여 정량곡선을 작성하였다. DPPH 소거활성 계산식은 다음과 같다.
결과 및 고찰
1. 생육분석
생육조사에서는 초장, 엽장, 엽폭, SPAD, 경경, 과실 수 모두 CLF에서 각각 초장 160 cm, 엽장 40 cm, 엽폭 36 cm, SPAD 47, 경경 1 cm, 과실 수 13개로 가장 높은 결과를 나타냈다 (Figure 1). 그러나 초장의 경우 CLF에서 160 cm, PLF에서 159 cm, LBF에서 139 cm로 CLF과 LBF 간에 유의한 차이가 없었으며, LBF가 CLF 만큼의 성장을 보였다. 엽장은 CLF에서 40 cm, LBF에서 35 cm, PLF에서 32 cm로 나타났으며, 엽폭은 CLF에서 36 cm, LBF에서 27 cm, PLF에서 25 cm의 수치를 보였다. 경경은 CLF에서 1 cm, LBF에서 0.7 cm, PLF에서 0.6 cm를 나타냈으며, 평균 과실 수는 CLF에서 13개, LBF에서 9개 PLF에서 7개를 보였다. 엽장, 엽폭, 경경, 과실 수 모두 제일 높은 값인 CLF을 제외하고 LBF와 PLF를 비교했을 때 LBF가 유의하게 더 높은 값을 보였다. SPAD함량은 경우 CLF에서 47, PLF에서 43, LBF에서 39로, 제일 높은 값인 CLF을 제외하고 LBF와 PLF를 비교했을 때 다른 대부분의 항목 (엽장, 엽폭, 경경, 과실 수)과는 다르게 PLF가 더 높은 값을 보였다. PLF는 엽장이나 엽폭과 같은 잎의 발달에서 LBF보다 낮은 값을 나타냈고 가장 저조한 값이었으나 이와 반대로 SPAD 함량은 LBF보다 높았다. 토마토는 잎의 전개가 마무리된 시기에 광합성 속도가 가장 높고 이후 점차 감소하면서 잎의 노화가 진행되는데 (Buchanan-Wollaston et al., 2003) PLF의 경우 가장 잎면적이 비교적 적음에도 불구하고 잎의 전개가 마무리되어 LBF보다 높은 SPAD함량을 가지는 특징을 나타냈다.
Figure 1.
Growth difference of tomato by different fertilizer supplies (chemical liquid fertilizer; CLF, purified liquid fertilizer; PLF, liquid Bio-fertilizer; LBF). The line colors represent the different fertilizer treatments. The values are the mean ± standard deviation. The lowercase letters represent the significant differences (p < 0.05) between groups by Duncan test.
2. 생체중 건물중 및 항산화효과
생체중, 건물중, 폴리페놀, 플라보노이드의 경우 화학 양액에서 각각 생체중 127.8 g, 건물중 7.29 g, 폴리 페놀 12 mg GAE/ml, 플라보노이드 25 QE/ml, DPPH 소거능 70% 가장 높은 결과를 나타냈다 (Figure 2). 생체중의 경우, CLF 127.8 g, PLF 103.41 g, LBF 103.31 g이며 세 처리구간의 유의미한 차이는 보이지 않았다 (Figure 2 (a)). 그러나 건물중의 경우 CLF 7.49 g, PLF 5.33 g, LBF 6.17 g으로 CLF가 가장 높았으며 PLF와 LBF 간의 유의한 차이는 보이지 않았다. 항산화 실험을 위한 표준 물질의 정량 곡선을 분석한 결과, 99% 이상의 R2 수치를 확인하였다 (Figure 2 (b)). 항산화능에서 폴리페놀과 플라보노이드의 경우 CLF, PLF, LBF 처리구 간에 유의성이 보이지 않았으며 PLF와 LBF 모두 CLF 만큼의 증가를 보였다 (Figure 2 (c)). DPPH 소거능의 경우 다른 모든 결과와 다르게 CLF보다 PLF와 LBF에서 더 높은 값을 나타냈으며 CLF은 다른 처리구 (PLF, LBF)와 비교하여 유의하게 낮은 값을 나타냈다. LBF가 PLF에 비해 0.3% 더 높은 값을 나타냈으나 두 처리구 간에 유의한 차이는 보이지 않았다. 이러한 결과는 유기농 콩나물에 클로렐라 처리를 하였을 때 DPPH 소거능이 높게 나타났다는 Kim et al. (2015)의 연구결과와 동일하다.
Figure 2.
Differences of functional materials after different fertilizer supplies (chemical liquid fertilizer; CLF, purified liquid fertilizer; PLF, liquid Bio-fertilizer; LBF). (A) Fresh and dry weight of tomato fruits. (B) Standard Curve of Gallic acid and Quercetin. (C) The contents and activities of antioxidants. The values are the mean ± standard deviation. The lowercase letters represent the significant differences (p < 0.05) between groups by Duncan test.
3. 시기별 토마토의 숙성도와 당도 높이 직경
토마토 수확 후 1일차의 과실 숙성도는 세 처리구 모두 0%이고 10일차부터 PLF 88.8%, LBF 50%, CLF 33.3% 였으며, 17일차는 PLF 100%, LBF 94.4%, CLF 66.6%로 PLF의 숙성도가 가장 빠른 것을 알 수 있었다 (Figure 3 (a)). 과실의 과고와 과폭의 경우 다른 대부분의 결과와 마찬가지로 CLF이 가장 유의미하게 높았으나 유기액비 내에서 비교해봤을 때 PLF보다는 LBF가 유의미하게 높은 값을 나타냈다 (Figure 3 (b)). 이는 LBF가 PLF보다 과실의 크기에 더 많은 영향을 미친다는 것을 의미하며, 과실의 크기에 있어서 클로렐라가 깊은 관련이 있을 것으로 사료된다. 이러한 결과는 CLF가 다른 액비와 비교하여 식물의 당도나 생육을 증가시키는 반면, PLF와 LBF는 과실의 후숙도를 높이는 것을 보여준다. 또한 항산화능에 있어 PLF, LBF가 CLF와 비교하여 유의한 차이를 보이지 않고 CLF만큼의 효과를 보였으며 DPPH 소거능의 경우 오히려 더 높은 값을 나타냈다.
Figure 3.
Maturity and quality of tomato fruits by different fertilizer supplies (chemical liquid fertilizer [CLF], purified liquid fertilizer [PLF], liquid Bio-fertilizer [LBF]). (A) different ripening stages of tomato. Ripening degree represents the percentage of red tomato. (B) Diameter, length and sugar contents of tomato. The values are the mean ± standard deviation. The lowercase letters represent the significant differences (p < 0.05) between groups by Duncan test.
결 론
본 연구는 가축분뇨 유래 PLF, LBF의 효과 및 사용 가능성을 평가하기 위해 CLF과 비교하여 생육 및 생리적 특성에 관해 관찰 및 분석하였다. 생육의 경우 PLF, LBF, CLF의 순으로 초장 159 cm, 139 cm, 160 cm, 엽장 32 cm, 35 cm, 40 cm, 엽폭 25 cm, 27 cm, 36 cm, SPAD 43, 39, 47, 경경 0.6 cm, 0.7 cm, 1 cm, 평균 과실 수 7개, 9개, 13개로 생육적인 측면에서 CLF는 식물의 생육을 촉진시키고 모든 생육 항목에서 가장 높은 값을 보인 것을 알 수 있다. 식물의 생체중과 건물중의 경우에도 생체중에서 유의성의 차이를 보이지는 않았으나 위의 다른 항목들과 마찬가지로 CLF에서 가장 높은 값을 나타냈다. 그러나 DPPH 소거능의 경우 이전의 결과와는 달리 PLF와 LBF에서 CLF와 비교하여 유의성 있게 소거율이 증가한 것을 알 수 있었다. 과실의 당도나 크기 (과고, 과폭)은 CLF가 가장 높은 값을 나타내고 숙성도 또한 CLF가 가장 후숙이 느려 과실의 무름을 방지하기 때문에 과실을 재배하여 소비자의 식탁에 유통되기까지의 기간이 비교적 길다고 판단된다. 이러한 점에서 외적인 상품성이 높다고 판단될 수 있으나 가축분뇨 유래 PLF, LBF처리구에서 과실의 숙성도가 빠른 것, 그리고 높은 DPPH소거능은 외적인 상품성 이외에 몸에 이로운 먹거리로써 내적인 고품질 먹거리로서의 가능성을 시사한다고 판단된다.
