녹비작물 종자의 온탕침지를 통한 소독 효과 비교

서 언

최근 국내에서 인삼 (Lee et al., 2023)과 지황 (Lee et al., 2024), 뿐만 아니라 외국에서도 인삼 (Wang et al., 2016), 쓴메밀 (Zhou et al., 2019), 블랙마카 (Wang et al., 2019), 지황 (Yin et al., 2009) 등 약용작물은 3 년에서 5 년까지 동일한 재배지에서 재배하기 때문에 연작으로 인해 수량감소, 병해충 증가 등 피해가 많이 발생하고 있다.

이러한 피해를 줄이기 위해 농약과 비료를 과다 시용하는 것으로 나타났다. 지나친 농약과 비료 사용은 약용작물 재배 시, 잔류 농약 및 중금속 문제가 발생하며, 이로 인해, 소비자들은 농약과 화학비료 사용에 대해 부정적으로 인식하고 있다 (Seo et al 2009).

이러한 문제를 해결하기 위해 화학비료 대신 친환경 자재를 사용하는 방안이나 (Kim and Park, 2013), 화학 농약을 대체 할 Bacillus sp.와 Streptomyces sp. 같은 세균성 내생균 (endophyte)을 활용한 생물학적 방제 방법 (Lee et al., 2012; Wu et al., 2021; Lee et al., 2023) 등 친환경 재배 기술연구가 이루어지고 있으나, 그 성과는 아직 충분하지 않다.

하지만, 녹비 작물 (옥수수, 해바라기, 수단그라스 등)을 재배하여 토양에 환원한 후 태양열 소독을 실시하면 토양의 온도가 상승하여 토양 병원균, 특히 뿌리썩음병을 유발하는 Cylindrocarpon destructans의 밀도를 유의미하게 줄일 수 있어 인삼의 수확량이 증가하는 긍정적인 결과가 두 연구에서 공통적으로 보고되었다 (Lee et al., 2016; Seo et al., 2019).

또한, 약용 작물 재배 시, 녹비 작물의 활용은 토양 개선 및 연작장해 개선뿐만 아니라 보리를 윤작 작물로 재배한 처리구에서 백수오 (Cynanchum wilfordii) 뿌리의 수확량, 총 폴리페놀 함량, 및 DPPH 항산화 활성이 가장 높았으며, 토양미생물도 증가시켜, 보리를 녹비 작물로 활용할 경우 백수오의 수량과 항산화 활성을 향상하는 데 효과적인 것으로 보고한 바 있다 (Yeon et al., 2017).

또한, 오늘날 지속 가능한 농업을 유지하기 위한 토양, 수질 등 다양한 농업 환경의 질적 개선은 유기농업뿐만 아니라 농업 분야에서 중요한 실천과제로 대두되고 있다 (Yang et al, 2018; Jansson and Hofmockel, 2020; Wittwer and van der Heijdena, 2020). 이러한 농업 환경의 개선을 위한 실천 방법중에서 농업 현장에서 적용 가능한 요인 하나가 토양 유기물 함량과 특성은 개선하는 것이며 이러한 유기물의 함량과 특성은 토양에 혼입된 식물잔사의 양과 종류에 의해 영향을 많이 받는 것으로 보고되었다 (Francis et al., 1995; Cherr et al., 2006; Banerjee and van der Heijden, 2023) 이러한 긍정적 영향을 주는 식물잔사로 다양한 기능을 가지고 있는 녹비 작물에 주목하고 있다 (Kuo et al., 1997; Choi et al., 2010; Walker et al., 2023).

녹비 작물은 천연비료로서 농경지에 양분을 공급하여 비옥도를 증진시키고 (Jeong et al., 1995; Lee et al., 2008; Kim et al., 2013; Kim et al., 2022), 감자 시들음병 (Verticillium dahliae), 배추 클로버씨스트선충 (Heterodera trifolii)과 같은 토양 병해충 발생을 경감 하거나 (Wyland et al., 1996; Ochiai et al., 2008; Lee 2023; Ko et al., 2024) 토양의 염류를 제거하며, 토양의 통기성을 개선하고 수분을 조절하는 역할을 한다 (Baer and Birgé, 2018). 또한, 화학비료 사용량을 줄여 아산화질소 배출을 저감하고 (Lyu et al., 2023), 토양을 피복하여 제초 효과를 제공함으로써 제초제 사용을 절감하는 효과가 있다고 보고되기도 하였으며 (Wagger, 1989; Creamer et al. 1996; Reddy et al., 2003; Choi et al., 2009) 이에 따라 생물다양성이 증진되어 농업생태계가 보호되며 (Zhong et al., 2010; Lee 2023; Walker et al., 2023), 높은 이산화탄소 흡수 능력을 바탕으로 농업 분야에서 온실가스 저감에도 기여한다고 보고되고 있다 (Seo et al., 2012).

‘2050 탄소중립’이 글로벌 기본 패러다임으로 대두되면서 한국도 2050까지 에너지 전환, 산림녹화 등을 통한 탄소중립을 선언한 바 (Beckman et al., 2020), 농업 부문 온실가스 감축을 위해 저탄소 농업기술 개발 및 보급 필요, 농경지 이용 온실가스 흡수 기능 강화, 농축산분야 탄소중립 등에 기여할 것으로 기대한다 (Park et al., 2018; Lee 2023; Kim et al. 2023).

하지만, 위와 같은 긍정적 효과에도 불구하고 저탄소 농업기술 실천으로 활용도가 높은 자운영, 헤어리베치 등과 같은 녹비 작물의 종자를 매년 중국 및 일본에서 수입해서 사용하고 있어 수입 의존도가 매우 높으며 수입량은 녹비 작물의 재배 면적과 더불어 증가하고 있어 이를 대체하기 위한 국산화가 필요하다(Kim et al., 2011).

수입된 자운영, 헤어리베치, 라이그리스, 크림손클로버 종자는 상온 보관 시, 1 년 후 발아율이 헤어리베치는 18% - 32%, 크림손클로버는 30% - 40%가 낮아져 농가의 손실이 크고 2 년 후에는 거의 발아가 안 된다고 보고되었다 (Kim et al., 2011; Kim et al. 2013).

특히, 녹비 작물을 비롯한 작물에 발생하는 다양한 식물 병원성 곰팡이, 세균, 바이러스는 종자를 통해 전염될 수 있어서, 유기농업 실천 시 병원체가 오염되지 않은 건전한 종자의 확보가 중요하다 (Song et al., 2010; Bakker et al., 2016; Dell’Olmo et al., 2023).

종자 전염성 곰팡이는 종자의 부패와 변색을 유발하거나, 작물의 수확량에 영향을 미치는 유묘기에 병해를 일으켜 직접적 또는 간접적으로 영향을 미칠 수 있다 (NIAS, 2011; Zelechowski et al. 2019). 오랜 기간 동안 많은 병원균이 콩류 작물이 관련됐으며, 때로는 심각한 감염으로 인해 상당한 경제적 손실이 발생한 사례도 보고되었다 (Jha et al., 2020; Sampaio et al., 2020).

녹비 작물로 재배된 작물에서 발생한 병해충이 토양에 남아 있어 후작물인 약용 작물에 영향을 미칠 수도 있으므로 녹비작물 선택 시 해당 작물의 병해충 발생 여부를 고려하고, 적절한 관리 방안을 마련하는 것이 중요한 것으로 보고되었다 (Lee et al., 2017).

친환경, 유기농업을 실천하는 농가 현장에서 사용하는 녹비 종자의 건전성 확보를 위해 활용할 수 있는 일반적인 친환경 종자 소독 기술로 냉수온탕침지법, 온탕 침지법, 온탕 침지와 유기화합물 침지법, 염수선법 등이 있으나 녹비 작물에 대한 친환경 종자 소독 기술의 개발은 매우 미진하다 (Hayasaka et al., 2001; Kim et al., 2013; Kim et al., 2022).

Lee 등 (2012)은 종자 오염 방지를 위한 친환경 종자 소독 방법을 보고하였다. 종자 소독은 식물의 초기 성장 과정에서 중요한 역할을 한다고 보고하였으며 종자 소독은 종자 표면에 존재하는 곰팡이나 세균을 제거하여 발아율을 높이고, 작물의 생산성을 향상하기 위해 다양한 방법이 연구되고 있다. 그 중 1 가지 방법으로 온탕냉수침지법은 상대적으로 간단하고 효과적인 방법으로 알려져 있으며, 다양한 작물에 적용 가능하다 (Kim et al., 2013; Kim et al., 2022).

콩과 녹비 작물은 토양 비옥도를 향상시키는 중요한 작물로 널리 활용되고 있다. 그러나 녹비 종자에 부착된 곰팡이와 세균은 발아율 및 초기 생육에 악영향을 미칠 수 있다. 이에 따라, 종자 소독은 중요한 농업 기술 중 하나로, 곰팡이와 세균을 제거하여 녹비 종자의 생육을 극대화하는 데 중요한 역할을 한다 (Gitaitis and Walcott, 2007; Kim et al., 2022).

따라서, 본 연구는 녹비 작물의 종자를 대상으로 다양한 온도와 시간에서 온탕침지 소독 처리 조건 탐색을 통해 살균 효과 및 발아율에 미치는 영향을 분석하여 다양한 병원균으로 오염된 녹비 종자를 약용 작물 재배지에 이용할 경우, 2 차적으로 약용 작물에 병해를 유발할 수 있으므로 이를 더욱 효율적으로 대처할 수 있는 기초자료로 제공코자 한다.

재료 및 방법

결과 및 고찰

1. 녹비작물의 미생물 감염률과 발아율 검정

콩과 녹비작물 4 종의 곰팡이 및 세균 감염률과 발아율은 Table 1과 같다.

Table 1.

Comparison of mold and bacterial infection rates and germination rates of four types of leguminous and green manure crops.

헤어리베치에서 곰팡이 감염률은 46.7%, 세균 감염률은 62.2%, 곰팡이와 세균의 동시 감염률은 37.8%로 가장 높은 감염률을 나타냈다 (Table 1).

반면, 네마장황은 곰팡이 감염률 28.9%, 세균 감염률 44.4%, 곰팡이+세균 동시 감염률 17.8%로 가장 낮은 수치를 보였다. 발아율은 네마장황에서 91.1%로 가장 높았으며, 자운영에서 75.6%로 가장 낮았다 (Table 1).

한편, 각 종자에서 검출된 곰팡이 및 세균의 종류는 Table 2와 같다. 곰팡이는 네 종의 녹비 작물에서 공통적으로 연한 갈색의 격벽이 있는 다세포 균사 (hyphae)와 타원형에서 곤봉형의 다양한 형태의 분생포자 (conidia)를 갖는 Alternaria sp.가 검출되었다.

Table 2.

Mold and bacterial isolates detected in leguminous and green manure crop seeds.

네마장황에서는 연한 갈색에서 올리브색을 띠며, 멜라닌 색소로 인해 착색을 보이는 격벽이 있는 다세포 균사와 연쇄적으로 짧은 사슬 모양으로 배열되며, 주로 단세포이고 타원형에서 원통형 분생포자가 특징인 Cladosporium sp.가 검출되었다.

알팔파에서는 투명하거나 연한 갈색을 띠며 격벽이 있는 다세포 균사와 분생자경 (conidiophore)의 끝에 다발 형태로 형성되며, 포도송이와 유사한 집합체를 이루는 분생포자가 특징적인 Botrytis sp.가 추가로 확인되었다.

세균의 경우, 모든 녹비 작물에서 일반적으로 영양 한천배지 (nutrient agar)에서도 배양 가능하며, 형성된 균총은 평활하고 반투명하며 가장자리가 불규칙하며 현미경 관찰에서 그람 음성 (-)으로 염색되며, 막대 모양의 간균 형태를 보이는 Pseudomonas sp.가 검출되었다.

헤어리베치와 네마장황에서는 영양 한천배지에서 쉽게 배양이 되며 배양 후 크고 불규칙한 가장자리와 주름진 표면을 가지는 집락을 형성하고 현미경 관찰에서 그람 양성 (+)으로 염색되며, 보라색을 띠는 막대 모양의 간균 형태를 보이는 Bacillus sp.가 추가적으로 검출되었다 (Table 2).

본 연구 결과, 콩과 녹비 작물의 곰팡이 및 세균 감염률은 종에 따라 상이한 양상을 보였다. 또한, Alternaria sp.와 Pseudomonas sp.는 모든 종에서 공통적으로 검출되어, 이들 미생물이 콩과 녹비 작물의 발아 및 초기 생장에 주요한 영향을 미칠 가능성이 있을 것으로 본다. 이로 인해 네마장황은 상대적으로 미생물 감염률이 낮고 발아율이 높은 반면 헤어리베치는 세균을 제외하고 곰팡이 단독 및 세균과 곰팡이 복합 감염률이 상대적으로 낮은 경향을 보여 발아율이 82.2%로 두번째로 높게 나타났다 (Table 1).

종자에 병원균이 감염되면 발아율이 낮아지고 작물의 생육에 심각한 영향을 줄 수 있음을 알 수 있다. 이와 같은 결과는 곰팡이 병원균이 종자 품질과 수명을 저하시킬 수 있는 작용기작은 다르지만, 곰팡이가 종자에 감염되면 발아율이 낮아지고, 특히 저장 중에 병원균이 퍼질 위험성이 높아질 수 있다 (Martin et al., 2022; Asghar and Katoka, 2023; Dell’ Olmo et al., 2023)는 결과와 일치한다.

2. 녹비종자 저장기간에 따른 미생물 감염률과 발아율

코로나 이후, 국제물류의 어려움과 녹비 작물의 종자 수입 의존도가 높아 녹비종자의 저장 기간이 매우 중요하여 녹비 작물의 종자 저장 기간이 미생물 감염률과 발아율에 미치는 영향을 조사한 바, 호밀 7 개 품종의 곰팡이 감염률은 춘추호밀이 10.0%로 가장 낮았고, 윈터그린이 25.7%로 가장 높았다.

세균 감염률은 곡우 (2013년 생산)와 두루호밀 (2012년 생산)이 각각 5.2%와 5.1%로 가장 낮았으며, 씨드그린이 15.1%로 가장 높았다. 곰팡이와 세균 동시 감염률은 씨드그린이 5.6%로 가장 높았고, 이그린이 1.5%로 가장 낮았다.

발아율은 이그린이 79.5%로 가장 높았고, 곡우 (2013년 생산)가 63.6%로 가장 낮았다. 호밀 품종의 평균 발아율은 69.8%로 나타났다 (Table 3).

Table 3.

Comparison of mold and bacterial infection rates and germination rates for seven rye green manure seed varieties.

또한, 헤어리베치 5 개 품종의 곰팡이 감염률은 유기2 (7.5%)와 유기3 (7.6%)가 가장 낮았고, 토익이 26.0%로 가장 높았다. 세균 감염률은 유기1이 3.3%로 가장 낮고, 토익이 6.8%로 가장 높았다. 곰팡이와 세균 동시 감염률은 유기4가 2.1%로 가장 낮았으며, 토익이 5.6%로 가장 높았다.

발아율은 유기4가 95.0%로 가장 높았으며, 토익이 68.7%로 가장 낮았다. 헤어리베치 품종의 평균 발아율은 94.0%로 나타났다 (Table 4).

Table 4.

Comparison of mold and bacterial infection rates and germination rates for five hairy vetch green manure seed varieties.

헤어리베치에서 발생하는 휘발성 화합물이 토양의 미생물 환경에 미치는 영향과 토양 내 곰팡이 활동이 작물 성장과 발아에 어떤 긍정적인 영향을 미치는지 분석하였다 (Asghar and Katoka, 2023).

시험재료 수확 연도가 달라 곰팡이 등의 발생과 종자의 발아율의 차이가 있을 수 있음에도 불구하고 본 연구 결과, 호밀과 헤어리베치 품종 간의 미생물 감염률과 발아율에서 차이가 나타났다. 호밀 품종 중 이그린은 높은 발아율과 낮은 감염률을 보였으며, 윈터그린과 씨드그린은 높은 곰팡이 및 세균 감염률을 보였음에도 불구하고 상대적으로 높은 발아율을 유지하였다.

일반적으로 곰팡이나 세균 감염이 종자 발아율에 부정적 영향을 미치지만, 일부 연구에서는 특정 곰팡이와 세균이 발아율에 영향을 주지 않거나 오히려 발아에 긍정적인 영향을 줄수 있다고 보고하였다. 예를 들어, Epichloë 같은 내부 공생균이 종자의 산화 손상을 줄여주며, 환경 스트레스에 대한 내성을 높여 발아를 돕는 역할을 하는 경우가 있다. 이는 특히 다양한 식물에서 스트레스 조건 하에서도 발아율을 유지하는 데 기여하는 것으로 보고되었다 (Prado et al., 2012; Lugtenberg et al., 2016; Li et al., 2019; Rétif et al., 2023).

따라서, 헤어리베치의 경우 유기 품종들은 전반적으로 낮은 미생물 감염률과 높은 발아율을 보였으며, 이는 유황합제를 사용하여 관리하는 유기농 방식의 생산 관리가 미생물 감염률을 억제하고 발아율을 향상되는 긍정적인 영향을 미쳤음을 시사한다.

3. 녹비종자 온탕침지처리에 따른 소독효과와 발아율에 미치는 영향

호밀 종자의 온탕침지처리에 따른 소독 효과와 발아율에 미치는 영향을 조사한 결과, Table 5에 나타난 바와 같이, 호밀 종자의 경우 온도가 증가할수록 소독 효과가 뚜렷하게 증가하는 경향을 보였다.

Table 5.

Seed disinfection effects and germination rates based on temperature and duration of hot water-cold water immersion treatment for rye.

특히 50℃에서 20 분 처리 시 곰팡이와 세균이 모두 0%로 감소하여 가장 높은 소독 효과를 나타냈고 발아율도 75.8%로 가장 높았다. 그러나 55℃에서 20 분 이상의 처리는 발아율이 급격히 감소하는 결과를 보였으며, 25 분 처리 시 발아율은 20.4%까지 감소하였다. 이는 고온에 의해 종자의 손상이 발생한 것으로 판단된다.

헤어리베치 종자의 온탕침지처리에 따른 소득 효과와 발아율에 미치는 영향을 조사한 결과 Table 6과 같다. 헤어리베치 종자 역시 온도가 증가함에 따라 소독 효과가 증가하였다. 50℃에서 20 분 처리 시 곰팡이와 세균이 모두 0%로 발생하지 않았으며, 발아율은 92.5%로 비교적 높게 유지되었다. 그러나 55℃에서 20 분 이상의 처리에서는 발아율이 66.7%에서 51.7%까지 급격히 감소하였다. 이는 호밀 종자와 마찬가지로 종자 내부 구조가 높은 온도에 의해 손상된 결과로 추정된다.

Table 6.

Seed disinfection effects and germination rates based on temperature and duration of hot water-cold water immersion treatment for hairy vetch.

호밀과 헤어리베치 종자의 온탕침지 처리 온도와 시간의 최적 조건에 관한 연구에 따르면, 50℃에서 20 분간의 처리는 대부분의 작물에서 균과 세균을 효과적으로 제거하면서도 발아율에 큰 영향을 주지 않는 최적의 조건으로 나타났다. 당근, 브로콜리, 콜리플라워 등의 종자도 50℃에서 20 분 – 25 분 처리 시 소독 효과가 뛰어나고 발아율이 유지되는 것으로 보고되었다 (Kim et al. 2022). 이는 본 연구에서 호밀과 헤어리베치 종자에서도 동일하게 관찰된 결과이다.

특히, 고온에 의한 종자 손상은 대부분 연구에서 55℃ 이상의 온도에서 처리된 경우, 종자의 발아율이 급격히 감소하는 경향은 본 연구뿐만 아니라 다양한 작물에서도 나타났다. 옥수수, 피망 및 콩과 같은 종자는 고온 처리에 민감하여, 55℃ 이상의 온도에서 발아율이 크게 감소하는 것으로 보고되었다 (Singh et al., 2020).

온탕 처리와 종자 발아율 간의 관계를 살펴보면, 일부 연구에서는 52℃ - 54℃의 온도에서 장시간 (30 분 이상) 처리 시 곰팡이 및 세균을 완전히 제거할 수 있지만, 그에 따른 발아율 감소가 발생할 수 있다고 보고되었다 (Kim et al, 2022). 이는 본 연구에서 호밀과 헤어리베치가 55℃에서 20 분 이상 처리되면 발아율이 급격히 감소한 결과와 유사하다.

본 연구는 콩과 녹비 작물 4 종의 미생물 감염률과 발아율을 비교 분석하였으며, 종자에서 검출된 주요 곰팡이와 세균을 동정하였다. 연구 결과, 네마장황은 미생물 감염률이 낮고 발아율이 높은 반면, 헤어리베치는 감염률이 높고 발아율이 낮은 경향을 보였다. 호밀과 헤어리베치 종자에 온탕냉수침지법을 적용하여 소독 효과와 발아율에 미치는 영향을 분석하였다. 2 종 모두 50℃에서 20 분 처리 시 소독 효과가 최대치에 도달하면서 발아율도 유지되는 최적의 조건을 보였다. 그러나 55℃ 이상의 고온에서는 발아율이 급격히 감소하는 경향이 나타났으므로, 소독을 위한 적정 온도와 시간이 매우 중요함을 확인하였다.

이러한 결과는 친환경 약용작물을 재배하기 위한 초작지를 조성하고자 하는 농업 현장에서 녹비 작물 종자 소독에 대한 유용한 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.

Acknowledgments

본 연구는 농촌진흥청 연구개발사업(과제번호: RS-2022-RD010400)의 지원에 의해 수행된 결과로 이에 감사드립니다.

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