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Biogenic selenium nanoparticles from marine Pseudoalteromonas shioyasakiensis VB17: Physicochemical characterization and preliminary stimulation of seed germination

해양 박테리아인 *Pseudoalteromonas shioyasakiensis* VB17은 특정 미생물에 대해 독성이 없으며 밀과 메밀의 종자 발아 및 초기 유묘 성장을 효과적으로 향상시키는, 단백질 및 다당류로 코팅된 안정적인 생성 셀레늄 나노입자를 합성하는 데 활용되었다.

원저자: Le Thi My Hiep, I. A Beleneva, U. V Kharchenko, Nguyen Duc Anh, Sidorenko M. Marina L.

게시일 2026-08-25

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CC BY 4.0

원저자: Le Thi My Hiep, I. A Beleneva, U. V Kharchenko, Nguyen Duc Anh, Sidorenko M. Marina L.

원본 논문은 CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) 라이선스로 제공됩니다. ✨ 이것은 아래 논문에 대한 AI 생성 설명입니다. 저자가 작성하거나 승인한 것이 아닙니다. 기술적 정확성을 위해서는 원본 논문을 참조하세요. 전체 면책 조항 읽기

셀레늄은 인간과 동물의 건강에 필수적인 역할을 하는 미량 원소로, 세포 손상으로부터 보호하는 방패 역할을 하며 호르몬 조절을 돕습니다. 식물은 생존을 위해 셀레늄이 반드시 필요한 것은 아니지만, 적은 양은 식물에게 비타민처럼 작용하여 작물이 더 강하게 자라고 가뭄이나 염분이 많은 토양과 같은 가혹한 환경을 더 잘 견딜 수 있도록 도와줍니다. 그러나 셀레늄은 양날의 검이기도 합니다. 자연계에서 발견되는 일반적인 화학 형태의 경우, 농도가 너무 높으면 식물에 독성을 일으켜 성장을 저해하거나 묘목을 죽게 만드는 스트레스를 유발할 수 있습니다. 과학자들은 이 원소를 안전하게 식물에 전달하기 위해, 식물이 독성 없이 쉽게 흡수할 수 있는 형태를 목표로 오랫동안 연구해 왔습니다. 한 가지 유망한 해결책은 셀레늄을 10억 분의 1미터 단위로 측정될 만큼 아주 작은 입자로 만드는 것입니다. 이러한 나노입자는 식물 생물학체와 독특한 방식으로 상호작용하여, 가공되지 않은 화학 형태의 위험은 피하면서도 해당 원소의 이점을 제공할 잠재력을 가지고 있습니다.

이러한 입자를 만들기 위해 연구자들은 종종 산업 공장보다는 자연 그 자체에서 해답을 찾습니다. 나노입자를 제조하기 위해 가혹한 화학 물질이나 높은 에너지를 사용하는 대신, 과학자들은 미생물의 자연적인 능력을 활용할 수 있습니다. 특정 박테리아는 작은 공장처럼 작용하여 주변 환경에서 용해된 셀레늄을 가져와 단단하고 무해한 입자로 변형시킵니다. '생물학적 합성(biogenic synthesis)'이라고 알려진 이 과정은 이러한 재료를 생산하는 더 친환경적이고 지속 가능한 방법으로 간주됩니다. 사용되는 특정 박테리아는 결과물인 입자의 크기, 모양, 표면 특성에 영향을 미치며, 이는 다시 작물에 적용했을 때 얼마나 잘 작동하는지를 결정합니다. 과제는 효과적이면서도 안전한 입자를 생산할 수 있는 적절한 박테리아 균주와 완벽한 조건을 찾아내는 것입니다.

최근 한 연구에서 연구자들은 베트남 나짱만의 해수에서 처음 분리된 'Pseudoalteromonas shioyasakiensis' VB17이라는 특정 해양 박테리아에 주목했습니다. 연구팀은 이 해양 미생물이 독성 셀레늄을 유용한 나노입자로 효율적으로 전환할 수 있는지, 그리고 만약 그렇다면 그 입자들이 식물 성장에 도움이 될 수 있는지를 확인하고자 했습니다. 그들은 먼저 다양한 조건에서 박테리아가 어떻게 행동하는지 테스트했습니다. 그들은 박테리아와 다양한 양의 셀레늄을 혼합하고, 생산을 위한 최적의 지점을 찾기 위해 혼합물 내 박테리아 세포 수를 조절했습니다. 그들은 초기에 박테리아가 많을수록 독성 셀레늄을 고체 입자로 바꾸는 과정을 가속화하는 데 도움이 되지만, 특정 지점까지만 그렇다는 것을 발견했습니다. 셀레늄 농도가 너무 높으면 박테리아가 너무 많아지는 것이 오히려 과정을 늦추고 전환된 셀레늄의 총량을 감소시켰습니다. 연구진은 특정 균형점을 찾아냈습니다. 적당한 수의 박테리아를 특정 양의 셀레늄과 혼합했을 때 가장 효과적이었습니다. 이러한 조건 하에서 박테리아는 셀레늄을 빠르게 변형시켜 안정적인 나노입자 현탁액을 만들어냈습니다.

나노입자가 생성된 후, 연구진은 그것들이 무엇으로 구성되어 있고 어떤 형태인지 자세히 조사했습니다. 강력한 현미경과 빛 기반 분석 도구를 사용하여 관찰한 결과, 입자들은 대부분 둥글거나 약간 타원형 모양임을 발견했습니다. 개별 입자의 크기는 약 80에서 135 나노미터 사이였는데, 이는 믿기 힘들 정도로 작지만 고급 이미징 장비로 관찰할 수 있을 만큼의 크기였습니다. 입자 내부에서 셀레늄은 결정 구조를 형성했는데, 이는 원자들이 정돈된 반복 패턴으로 배열되어 있음을 의미하며, 이는 안정적이고 잘 형성된 물질이라는 신호입니다. 또한 분석 결과, 입자의 표면은 박테리아가 생성 과정 중에 방출한 천연 생물 분자, 즉 단백질과 당류로 코팅되어 있었습니다. 이러한 코팅은 보호 껍질 역할을 하여 입자가 물속에서 안정적으로 유지되도록 하고 즉시 뭉치는 것을 방지합니다. 또한 입자들은 강한 음전하를 띠고 있어 서로를 밀어내고 액체 속에 떠 있게 도와주는데, 이는 식물에 적용할 때 매우 중요한 특징입니다.

다음 단계는 이 생물학적으로 만들어진 입자들이 안전하고 효과적인지 확인하는 것이었습니다. 연구진은 먼저 이 입자들이 유익한 미생물에 해를 끼치지 않는지 확인하기 위해 흔한 토양 박테리아 및 곰팡이를 대상으로 테스트했습니다. 테스트한 농도에서 나노입자는 이러한 미생물의 성장을 멈추거나 죽이는 징후를 보이지 않았으며, 이는 토양 환경과 호환됨을 시사합니다. 이어 연구진은 씨앗을 대상으로 테스트를 진행했습니다. 그들은 밀과 메밀 씨앗을 나노입자가 포함된 용액으로 처리하고, 처리하지 않은 씨앗과 비교하여 성장 과정을 관찰했습니다. 결과는 고무적이었습니다. 처리된 밀 씨앗은 더 안정적으로 발아하여 더 강한 묘목으로 자랐습니다. 어린 밀 식물은 뿌리와 줄기가 더 길어졌으며, 대조군에 비해 전체 무게가 크게 증가했습니다. 메밀 씨앗 또한 발아율이 눈에 띄게 개선되어 훨씬 더 많은 씨앗이 성공적으로 싹을 틔웠습니다.

이러한 발견은 해양 박테리아 VB17이 유익한 미생물에게 안전하면서도 식물 성장에 도움을 주는 셀레늄 나노입자를 생산할 수 있는 능력이 있음을 보여줍니다. 이 연구는 특정 균주를 조절하여 농업용으로 필수적인 크기 및 표면 코팅과 같은 특정 특성을 가진 입자를 생산할 수 있다는 명확한 사례를 제공합니다. 연구진은 비록 결과가 유망하지만, 이것이 초기 단계의 조사라는 점을 언급했습니다. 실험은 통제된 실험실 환경에서 수행되었으며, 단 하나의 특정 나노입자 농도만을 테스트했습니다. 향-후 연구에서는 다양한 작물에 대한 최적의 용량을 결정하고, 이러한 이점이 실제 논이나 온실에서도 유지되는지 검증해야 할 것입니다. 그럼에도 불구하고, 이 연구는 해양 박테리아가 어떻게 육상 농업의 과제를 해결하는 데 도움을 줄 수 있는지, 즉 잠재적으로 독성이 있는 원소를 더 건강하고 회복력 있는 작물을 위한 도구로 바꾸는 방법에 대한 설득력 있는 전망을 제시합니다.

기술 요약: 해양 미생물 Pseudoalteromonas shioyasakiensis VB17 유래 생물학적 셀레늄 나노입자

문제 제기
셀레늄(Se)은 필수적인 미량 원소이지만, 그 적용은 유익한 효과와 독성 사이의 좁은 범위로 인해 농업 분야에서 까다로운 과제이다. 셀레나이트[Se(IV)]와 같은 무기 셀레늄 종은 고농도에서 산화 스트레스를 유발할 수 있다. 셀레늄 나노입자(SeNPs)는 제어된 전달과 개선된 생체 이용률을 위한 유망한 대안을 제시하지만, 기존의 물리적 및 화학적 합성 방법은 종종 높은 에너지 소비와 유해한 환원제를 수반한다. 결과적으로, 해양 미생물을 이용한 친환경적인 생물학적 합성 경로가 필요하다. 그러나 특정 미생물 균주와 그로부터 생성된 나노입자의 물리화학적 특성 및 이후의 생물학적 효능을 연결하는 데에는 여전히 상당한 격차가 존재한다. 특히, Se(IV) 환원 성능에 대한 균주 특이적 변이와 그에 따른 나노입자의 특성이 완전히 이해되지 않았으며, 특정 해양 분리 균주로부터 유래된 SeNPs의 농업적 잠재력 또한 체계적으로 평가되지 않았다.

연구 방법
본 연구는 베트남 나짱 만(Nha Trang Bay)에서 분리된 해양 박테리아인 Pseudoalteromonas shioyasakiensis VB17을 사용하여 생물학적 SeNPs를 합성하였다. 연구는 네 단계의 접근 방식을 따랐다:

Se(IV) 환원 최적화: 다양한 초기 세포 밀도(OD600 = 0.3, 0.6, 1.0)와 Se(IV) 농도(0.5–10 mM) 조건에서 Marine Broth 배지 내에서 박테리아를 배양하였다. 환원 역학은 72시간 동안 모니터링되어 90% 환원에 소요되는 시간( $T_{90}$ ), 최종 환원 효율, 그리고 겉보기 초기 환원 속도( $V_0$ )를 결정하였다.
물리화학적 특성 분석: 최적의 환원 조건에 따라 SeNPs를 합성하고 수확하였다. 다음을 사용하여 특성을 분석하였다:
- 주사 전자 현미경(SEM): 형태 및 입자 크기 분석.
- X선 회절(XRD): 결정 구조 및 결정립 크기 결정.
- 푸리에 변환 적외선(FTIR) 분광법: 표면에 결합된 기능기 식별.
- 동적 광산란(DLS): 다양한 농도에서의 수력학적 크기, 다분산 지수(PDI) 및 제타 전위 측정.
미생물 적합성: 합성된 SeNPs의 항균 활성을 100 ppm 농도에서 Bacillus subtilis BKM B501 및 Trichoderma viride 471을 대상으로 디스크 확산법을 통해 테스트하였다.
농업적 평가: 실험실 조건에서 밀(Triticum aestivum L.)과 메밀(Fagopyrum esculentum L.)의 종자 발아 및 초기 유묘 성장에 미치는 SeNPs(1.5 g L⁻¹)의 영향을 평가하였다. 평가 항목에는 발아 에너지, 발아율, 뿌리/지상부 길이, 생체중, 뿌리 수가 포함되었다.

주요 기여 및 결과

환원 성능: 본 연구는 초기 세포 밀도와 Se(IV) 농도가 환원 결과에 상호작용함을 입증하였다. 초기 세포 밀도를 높이는 것은 초기 단계의 환원 속도( $V_0$ )를 가속화했지만, 높은 Se(IV) 부하량에서 최종 전환율을 일관되게 개선하지는 못했다. 구체적으로, 10 mM Se(IV) 조건에서는 가장 높은 세포 밀도(OD600 = 1.0)가 72시간 이내에 90% 환원에 도달하지 못했으며, 낮은 밀도에 비해 낮은 최종 효율(85.17%)을 보였다. 생산을 위한 최적의 균형은 **OD600 = 0.6 및 3 mM Se(IV)**에서 확인되었다.
물리화학적 특성: 생성된 SeNPs는 주로 구형 또는 아구형이며, 입자 크기 범위는 80.6–135 nm(SEM)였다. XRD 분석은 결정질 원소 셀레늄(삼방정계/육방정계 상)의 존재와 약 20 nm의 결정립 크기를 확인하였다. FTIR 스펙트럼은 나노입자 표면에 단백질 및 다당류 관련 기능기(Amide I/II, C-O, C-H)가 존재함을 나타내며, 이는 생체 분자 캡핑층(capping layer)의 존재를 시사한다.
콜로이드 안정성: DLS 분석 결과, 수력학적 직경은 304.2–450.2 nm로 나타났으며, 이는 결정립 크기보다 현저히 커서 표면층과 입자 간의 결합을 나타낸다. 나노입자는 강한 음전하의 제타 전위(−60.2 ~ −43.7 mV)를 나타냈으며, 농도가 증가함에 따라 전하의 크기가 감소하였는데, 이는 농도 증가에 따른 다분산성 및 응집 현상 증가와 상관관계가 있었다(0.50 mg mL⁻¹).
생물학적 적합성: 100 ppm 농도에서 VB17 유래 SeNPs는 B. subtilis 또는 T. viride에 대해 감지 가능한 성장 저해를 보이지 않았으며, 이는 해당 미생물들에 대한 적합성을 나타낸다.
농업적 효과: 1.5 g L⁻¹의 SeNPs 처리는 종자 발아와 초기 성장을 유의미하게 향상시켰다. 밀의 경우, 발아 에너지는 45.0%에서 60.0%로, 실험실 발아율은 25.0%에서 52.0%로 증가하였다. 유묘 성장 매개변수에서도 뚜렷한 개선이 관찰되었다: 지상부 길이는 2.80 cm에서 7.00 cm로, 뿌리 길이는 2.20 cm에서 4.45 cm로, 뿌리 수는 3.00에서 6.73으로 증가하였다. 메밀의 발아에서도 유사한 긍정적 경향이 관찰되었다.

의의 및 주장
저자들은 본 연구가 특정 해양 균주(P. shioyasakiensis VB17)의 Se(IV) 환원 성능과 그로부터 생성된 나노입자의 물리화학적 및 생물학적 특성 사이의 체계적인 연결 고리를 제공한다고 주장한다. 본 연구의 핵심은 다음과 같다:

균주 특이적 최적화: SeNP 생산 효율은 특정 배양 파라미터(세포 밀도 대 기질 농도)에 크게 의존하며, 더 높은 바이오매스가 항상 높은 셀레늄 스트레스 하에서 더 나은 성능을 의미하는 것은 아니다.
2.কে 구별되는 나노입자 특성: VB17 유래 SeNPs는 결정질 Se⁰ 코어, 생체 분자 표면층(단백질/다당류), 그리고 화학적 합성 또는 다른 생물학적 변이체와 구별되는 특정 콜로이드 거동이라는 독특한 조합을 가진다.
예비적 농업 잠재력: 본 연구는 이러한 특정 생물학적 SeNPs가 테스트된 미생물 균주에 대해 감지 가능한 독성 없이 밀과 메밀의 종자 발아 및 초기 유묘 활력을 높이는 효과적인 제제로 작용할 수 있다는 예비적 증거를 제공한다.

논문은 결론에 대해 신중한 어조를 유지하며, 본 연구의 결과가 예비적임을 명시적으로 밝히고 있다. 저자들은 본 연구가 실험실 조건에서 단일 농도로 수행되었고, 셀레늄 흡수 또는 식물 조직 내 축적을 측정하지 않았으며(따라서 생물 강화/biofortification을 확증하지 않음), 미생물 적합성을 단 두 개의 균주에 대해서만 평가했다는 점을 언급하였다. 따라서 이 결과는 이들 SeNPs를 광범위한 농업적 적용에 권장하기 전, 용량-반응 관계, 생리적 메커니즘 및 현장 성능에 대한 추가 조사의 필요성을 뒷받침한다.

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