미세플라스틱, 토양 생태계와 질소순환 교란시킨다
안전성평가연구소(KIT)는 미세플라스틱의 크기와 농도에 따라 콩과식물(대두, 강낭콩, 팥 등)과 연계된 질소고정 효율이 변화될 수 있음을 최초로 확인하였다고 밝혔다.
콩과식물의 뿌리혹에 존재하는 세균인‘뿌리혹박테리아’는 질소고정 능력을 통해 대기 중의 질소를 식물이 이용할 수 있도록 형태를 바꿔줌으로써 식물의 생명 유지에 필수적인 질소를 식물에게 제공하여 생장에 도움을 준다.
미세플라스틱이 토양 내 질소 순환에 미치는 영향을 연구하기 위해 콩과식물이 생육할 토양에 폴리에틸렌(PE) 및 폴리프로필렌(PP) 재질의 미세플라스틱을 서브마이크론(Sub-Micron; 1~2㎛)의 크기로 환경유의농도의 최저농도 50㎎/㎏을 노출시켰다.
* 서브마이크론(Sub-Micron) : 1Micron과 유사하거나 작은 사이즈를 말한다.
* 환경유의농도 : 실제 환경에서 발견되는 오염물질 농도로 미세플라스틱의 경우 50∼500㎎/㎏을 의미한다.
그 결과, 미세플라스틱으로 오염된 토양에서 대두(Soybean)의 생육은 영향을 받지 않았으나, 유기물 함량, 양이온 치환용량(토양이 식물에게 필요한 영양소를 보유할 수 있는 능력)과 같은 토양의 물리화학적 특성을 변화시켰으며 토양과 식물에서 질소화합물 축적을 통해 질소 순환과 관련한 박테리아가 활성화된 것을 확인하였다.
또한 식물 뿌리 영역(근권)에 미생물 군집 구성이 변화하였으며, 특히 질소고정 및 질산화에 관여하는 박테리아의 수와 유전자 발현이 증가하였다.
이는 미세플라스틱에 의해 식물 뿌리 영역에 질소 순환과 관련된 미생물 군집 수와 활성이 변화된 것으로 분석된다.
따라서 토양과 콩과식물 시스템에서 서브 마이크론 PE 및 PP 미세플라스틱이 미생물 군집의 활성 및 구성을 변경하고, 탄소 및 질소원 활용을 증가시킴으로써 질소 순환에 영향을 미친 것으로 확인된다.
일반적으로 미세플라스틱이 식물세포 손상, 활성산소종(ROS)의 생성, 광합성 및 발아 감소, DNA 손상 등으로 식물에 부정적 영향을 주는 것으로 알려져 있으나, 이번 연구를 통해 미세플라스틱이 토양-식물 환경에서 주변 근권 미생물의 풍부도와 다양성에 영향을 주어 질소 순환에 변화를 일으킬 수 있음을 시사하고 있다.
해당 연구는 농업 토양에서 중요한 질소 순환과 박테리아 구성에 대한 미세플라스틱의 영향을 확인한 것으로, 향후 일반적인 식물 생장 연구 외에도 질소 순환을 통해 농작물 생산에 어떠한 영향을 미치게 되는지 지속적인 연구가 필요하다.
환경독성영향연구센터 윤학원 센터장은“이번 연구는 미세플라스틱을 실험실 조건의 고농도 대신 실제 환경과 유사한 농도에서 확인한 연구 결과로, 미세플라스틱의 크기와 농도와 같은 다양한 변수에 따른 미세플라스틱 영향 연구가 필요하다.”라며 “특히 최근 농업 환경에서 미세플라스틱에 대한 오염이 가속화되는 만큼 전지구적으로 미칠 수 있는 질소 순환과 같은 생지화학적 영향 연구가 다각도로 이루어져 한다.”라고 말했다.
한편, 해당 연구는 KIT 기본사업‘환경유해물질 다매체 통합 독성·위해성’및 한국연구재단 우수신진연구, NST 창의형융합연구의 사사로 환경과학 분야의 국제적인 학술지 Journal of Hazardous Materials에 지난 10월 게재되었다.
＊논문명 : Sub-micron microplastics affect nitrogen cycling by altering microbial abundance and activities in a soil-legume system
- 주 저 자 : 김강희(안전성평가연구소)
- 공동저자 : 송인규(안전성평가연구소)
- 교신저자 : 윤학원(안전성평가연구소), 박준우(안전성평가연구소)
① 토양의 물리화학적 성질과 질소 함량의 변화
·콩과식물의 토양에 서브마이크론 폴리에틸렌(PE)과 폴리프로필렌 미세플라스틱(PP)을 노출하였을 때, 총유기탄소 함량과 양이온 교환 용량 등을 변화시킴으로써 토양의 물리화학적 성질을 변화시켰으며 질소 함량이 증가하였음
② 근권 미생물 군집의 질소순환 관련 유전자 및 효소의 변화
·미세플라스틱 노출 이후, 근권(식물 뿌리 둘레의 영역)의 미생물 군집 구성이 변화하였으며, 유기 질소를 무기질소로 전환하는‘우라아제’와 질소고정효소, 질산화효소가 모두 활성화되었음을 확인함. 그 밖에도 질소고정, 질산화에 관여하는 유전자(nifH, amoA)의 복제 수가 증가함
·다만 질소 순환과정 중 탈질산화는 미세플라스틱에 의한 변화가 관찰되지 않아 토양의 아질산염 잔류량이 증가함
③ 식물의 효소 활성 및 질소 흡수 증가
·토양 내 질소순환 변화 이후, 결과적으로 근권의 미생물 군집의 수와 글루타민 합성 효소가 활성화됨으로써 식물의 질소 흡수가 증가하게 됨
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BRIC(ibric.org) Bio통신원(안전성평가연구소) 등록일2023.11.16