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식물과 무기영양

1. 무기영양

질소, 인 그리고 칼륨과 같은 무기영양소는 토양에서 주로 무기이온의 형태로 얻어지는 무기원소이다. 무기영양소는 모든 생물체와 이들의 환경을 통해서 끊임없이 순환하지만, 이들은 주로 식물의 근계를 통하여 생물권으로 들어가며, 따라서 어떤 의미로 식물은 지가의 ‘광부’ 역할을 한다. 뿌리의 넓은 표면적과 토양수 내에 낮은 농도로 존재하는 무기이온을 흡수할 수 있는 능력 때문에 식물에 의한 무기원소의 흡수 과정은 매우 효율적으로 일어난다. 무기 원소들은 뿌리에서 흡수된 후에 다양한 생물학적 기능에 사용되는, 식물으 가 부분으로 수송된다. 균근과 질소고정세균과 같은 다른 생물체들은 영양소를 획득할 때 뿌리와 함께 참여하는 경우가 많다.

식물체가 무기이온을 어떻게 흡수하고 동화하는가를 연구하는 것을 무기영양이라 한다. 이 분야의 연구는 현대 농업과 환경보호에 핵심적이다. 농업 생산성을 높이기 위해서는 무기영양소 시비가 절대적으로 필요하다. 실제로 대부분 작물의 생산성은 이들이 흡수하는 무기영양소를 포함하는 비료의 양과 비례하여 증가한다. 식품에 대한 증가된 수요를 충족시키기 위하여 질소, 인, 칼륨과 같은 일차적인 비료 무기 원소들의 세계적인 소비량은 1980년의 1억 1,200만 톤에서 1990년에는 1억 4,300만 톤으로 증가하였으며 지난 15년 동안에는 비용을 고려하기 위해 비료를 더욱 적절하게 사용한 까닭에 소비량이 일정하게 유지되었다.

하지만 작물은 일반적으로 시비 된 비료의 절반도 채 사용하지 못한다. 잔류 무기 원소들은 지하수로 용출되거나 토양 내에 고정되거나 또는 대기오염을 일으킨다. 비료 용출의 결과 많은 우물의 음용수 내 질산염 농도는 연방 기준을 초과한다. 대기 중 질소 축적이라고 알려진 과정인 빗물에 녹아 있는 질산염과 암모늄을 통한 질소 이용가능성의 증가는 미국 전역의 생태계를 변화시키고 있다.

긍정적인 면을 생각해 본다면, 식물은 동물노폐물을 재순환 시키며, 독성노폐물 처리장에서 유해한 무기염류들을 제거하는 데 유용하다. 식물-토양-대기가 관련된 복잡한 특성 때문의 부기 영양소 분야의 연구에는 식물생리학자 이외에도 대기 화학자, 토양학자, 수문학자, 미생물학자 그리고 생태학자 등이 참여한다.

2. 필수원소, 결핍 및 식물의 이상

일부 특정 원소들만이 식물 생장에 필수적이다. 필수원소는 식물의 구조나 대사에 포함된 내적인 성분이거나 결핍될 경우 식물에 심각한 생장, 발달 또는 번식의 장애를 나타나는 원소로 정의된다. 만일 식물에 태양에너지와 더불어 이들 필수원소가 공급되면 이들은 정상적인 생장에 필요한 모든 물질을 합성할 수 있다. 아래 표는 전부는 아니지만 대부분의 고등 식물에 필수적이라고 생각되는 원소를 담고 있다. 수소, 탄소 및 산소의 세 가지 원소들은 물이나 이산화탄소로부터 주로 얻어지기 때문에 무기원소로 간주되지 않는다.

필수무기원소들은 식물조직 내의 상대적인 농도에 따라 흔히 대량원소와 미량원소로 분류된다. 어떤 경우에는 조직 내의 대량원소와 미량원소 함량의 차이가 표에 나타난 것처럼 크지는 않다. 예를 들어, 잎의 엽육세포와 같이 일부 식물조직들은 황이나 마그네슘처럼 철이나 망간을 많이 가지고 있다. 다수의 원소들은 식물의 최소 요구량보다 높은 농도로 존재한다.

식물의 무기영양

 

일부 연구자들은 대량원소와 미량원소로 분류하는 것이 생리학적으로 정당화 될 수 없다고 주장한다. Mengel과 Kirkby(1987)는 그 대신 생화학적 역할과 생리적인 기능에 따라 필수원소가 분류되어야 한다고 제안하였다. 다음 표에서는 그러한 분류법을 볼 수 있는데, 여기서는 식물영양소가 4개의 기본적인 그룹으로 나뉘어져 있다.

(1) 질소와 황은 첫 번째 필수원소 그룹을 구성한다. 식물체는 산화 및 환원을 포함하는 생화학적 반응을 통해서 이들 영양소를 동화한다.

(2) 두 번째 그루븐 에너지 전달반응에서 중요하거나 구조적 안정성을 유지하는 데 중요하다. 이들은 원소의 그룹이 유기 분자의 수산기에 결합하여 식물조직 내에서 인산염, 붕산염 그리고 규산 에스테르의 형태로 존재하는 경우가 많다.

(3) 세 번째 그룹은 유리 이온이나 식물세포벽에 존재하는 펙틴산처럼 어떤 물질에 결합하는 이온들로 식물조직 내에 존재한다. 이들은 효소의 보조인자나 삼투 퍼텐셜의 조절을 담당한다.

(4)네 번째 그룹은 전자전달을 포함하는 반응에서 중요한 역할을 담당한다.

위 표에 실린 원소 외에 다른 원소들도 식물조직 내에 축적된다. 예를 들어, 알루미늄은 필수원소로는 생각되지 않지만 식물체에는 보통 0.1에서 500ppm 정도의 알루미늄이 들어 있으며, 영양 용액에 낮은 농도의 알루미늄을 첨가하면 식물 생장이 촉진된다. 황기, 크실로이자 그리고 스탄리야 속에 속한 많은 종들은 셀레늄을 축적하지만 이들이 이 원소를 특별히 요구하는 이유는 아직 밝혀지지 않았다.

코발트는 질소고정 미생물에 들어 있는 일부 효소의 구성성분인 코발라민에 들어 있다. 따라서 코발트가 결핍되면 질소고정 뿌리혹의 발달과 기능이 중지된다. 하지만 암모늄 또는 질산염이 공급되는 질소고정 식물과 질소를 고정하지 않는 식물들은 코발트가 필요하지 않는다. 식물체들은 보통 비교적 소량의 비필수 원소를 함유한다.

어떤 원소가 필수적이라는 것을 밝히기 위해서는 조사하고자 하는 원소만 결핍된 실험 조건에서 식물을 키워야 한다. 토양과 같은 복합된 배지에서 자라는 식물에서는 이런 조건을 얻기가 극도로 힘들다.

 

 

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