Selenium nanoparticles as slow-release fertilizers for mustard plants
본 연구는 대장균(E. coli)과 혐기성 과립 슬러지에 의해 생성된 생물학적 셀레늄 나노입자가 기존의 옥시아니온(oxyanions)과 비교하여 셀레늄 용출 손실을 유의미하게 감소시키는 동시에 식물 흡수를 위한 지속적인 생체 이용 가능성을 보장함으로써 인도 겨자(Indian mustard)에 대한 효과적인 완효성 비료 역할을 한다는 것을 입증한다.
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셀레늄은 인체 건강에 있어 매우 중요한 역할을 하는 아주 작은 영양소로, 생식, 근육 기능, 그리고 신체의 손상 방지를 돕는 필수적인 조력자 역할을 합니다. 그러나 이러한 중요성에도 불구하고, 전 세계 수백만 명의 사람들이 이 영양소를 충분히 섭취하지 못하고 있는데, 이는 그들이 사는 지역의 토양에 이 원소가 부족하기 때문입니다. 농부들은 오랫동안 토양에 셀레늄을 추가하여 이 문제를 해결하려 노력해 왔지만, 전통적인 방식은 매우 결함이 많습니다. 이 목적으로 사용되는 일반적인 화학 염류들은 물에 즉각적으로 용해됩니다. 비가 내리거나 논밭에 물을 대면, 이 염류들은 식물이 이용하기도 전에 씻겨 내려가 야생 동물에게 해를 끼칠 수 있는 강과 지하수로 흘러 들어갑니다. 이는 토양을 고갈시키고 환경을 오염시키며, 결국 비료가 작물이나 이를 먹는 사람들을 먹여 살리지 못하는 악순환을 만듭니다.
인도 공과대학교(IIT Delhi)와 독일 헬름홀츠 드레스덴 로센도르프 연구소의 연구진들은 독성 폐기물을 식물을 위한 서서히 방출되는 영양원으로 바꾸는 색다른 길을 탐구했습니다. 이들은 용해된 화학 물질을 사용하는 대신, 미생물을 이용하여 고체 형태의 아주 작은 셀레늄 구체를 만들었습니다. '생성된 나노입자(biogenic nanoparticles)'라고 불리는 이 구체들은 단순히 순수한 셀레늄일 뿐만 아니라, 그것을 만든 미생물이 생성한 단백질과 당분으로 이루어진 천연 코팅으로 둘-러싸여 있습니다. 이 외부 층은 마치 서방형 캡슐처럼 내부의 셀레늄을 붙잡아 두고 천천히 방출하는 보호막 역할을 합니다. 연구팀은 이 살아있는 생명체가 만든 구체들이 영양소 흡수 과정을 연구할 때 자주 쓰이는 속성 성장 작물인 겨자 식물이 섭취할 수 있을 만큼 토양에 충분히 머무를 수 있는지 테스트했습니다.
이 아이디어가 효과가 있는지 확인하기 위해, 과학자들은 먼저 두 가지 다른 유형의 미생물, 즉 흔한 박테리아인 대장균(E. coli)과 하수 처리장의 슬러지에서 발견되는 미생물 혼합물을 사용하여 이 셀레늄 구체를 만들었습니다. 그들은 결과물을 얻은 입자들이 순수함을 보장하기 위해 정밀하게 세척한 후 그 구조를 조사했습니다. 조사 결과, 대장균이 만든 구체는 더 작았고 슬러지 미생물이 만든 것은 더 컸지만, 두 경우 모두 고유한 특성을 부여하는 보호용 생물학적 코팅으로 덮여 있었습니다. 연구진은 이 입자들을 화분의 토양에 넣고 실제 농장 환경을 모사하여 정기적으로 물을 주었습니다. 그리고 이 새로운 입자들과 기존의 빠르게 용해되는 화학 염류를 사용할 때 토양에서 셀레늄이 얼마나 씻겨 나가는지를 비교했습니다.
결과는 놀라웠습니다. 연구팀이 전통적인 염류를 사용했을 때, 한 종류에서는 60% 이상, 다른 한 종류에서는 86%가 넘는 막대한 양의 셀레늄이 8주 이내에 토양에서 씻겨 나가 물로 흘러 들어갔습니다. 이와 극명하게 대조적으로, 셀레늄 구체들은 그 자리에 머물렀습니다. 대장균이 만든 입자는 셀레늄의 96.7%를 토양에 유지했고, 슬러지로 만든 입자는 91.7%를 붙잡았습니다. 보호 코팅이 성공적으로 방출 속도를 늦추어 영양분이 환경으로 유실되는 것을 방지했습니다. 이는 셀레늄이 배수구로 사라지는 대신 식물이 찾을 수 있도록 토양에 계속 남아 있게 되었음을 의미합니다.
연구팀은 이 셀레늄 구체로부터 식물이 실제로 셀레늄을 섭취할 수 있는지 확인하기 위해 인도 겨자를 화분에 재배했습니다. 8주 후, 겨자 식물은 셀레늄이 없는 상태에서 자란 식물들에 비해 눈에 띄게 높이 자랐고 뿌리도 더 길어졌습니다. 더 중요한 것은, 식물들이 구체로부터 셀레늄을 성공적으로 흡수했다는 점입니다. 겨자 식물은 대장균 구체로부터 제공된 셀레늄의 약 28%, 슬러지 구체로부터는 약 24%를 흡수했습니다. 전통적인 화학 염류는 빠르게 흡수되기도 했지만, 너무 빨리 씻겨 내려가 완전히 활용되지 못했습니다. 반면 구체는 식물이 지속적으로 접근할 수 있는 꾸준한 공급원을 제공했습니다. 연구는 셀레늄이 단순히 뿌리에 머물러 있는 것이 아니라 줄기와 잎까지 이동했음을 보여주었는데, 이는 이 식물들이 식품으로 재배될 경우 인간이 섭취하기에 가장 유용한 부위입니다.
이 연구는 미생물을 이용해 셀레늄 구체를 만드는 것이 농업 분야에서 강력한 도구가 될 수 있음을 시사합니다. 이는 유출로 인한 심각한 환경적 비용 없이 작물을 시비할 수 있는 방법을 제시하며, 영양소를 원래 있어야 할 곳인 토양에 머물게 합니다. 연구진은 이 구체들이 화학적 대안들보다 독성이 적으며 폐기물을 사용하여 저렴하게 생산될 수 있다고 언급했습니다. 잠재적인 오염원을 꾸준한 영양원으로 바꿈으로써, 이 접근법은 인간의 셀레늄 결핍 문제와 수로의 셀레늄 오염 문제를 동시에 해결합니다. 이 연구가 세계적인 식량 위기를 해결했다고 주장하는 것은 아니지만, 이 살아있는 생명체가 만든 입자들이 토양에 머물며 식물에 효과적으로 영양을 공급할 수 있다는 점을 명확하고 측정 가능한 방식으로 입증하며, 기존의 낭비적인 비료 방식에 대한 유망한 대안을 제시하고 있습니다.
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