나뭇잎 교과서

환경 오염 물질과 식물 생장

도로에 뿌린 제설제, 하수 속 세제, 산성비는 길가의 풀에 얼마나 해로울까요? 무 씨앗 몇 접시만으로 오염 물질의 독성을 숫자로 나타내는 실험을 직접 설계해 봅니다.

먼저 알면 좋은 것 대조 실험과 변인 통제삼투
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환경 오염 물질과 식물 생장

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겨울철 도로에 뿌린 제설용 소금이 길가의 흙에 스며든다. 소금이 식물에 해롭다는 것은 알지만, 얼마나 진하면 얼마나 해로울까? 무 씨앗을 소금 농도가 다른 물에 적신 거름종이 위에서 닷새 동안 키우고 뿌리 길이를 쟀다. 맹물에서는 평균 40 mm, 25 mM에서 36 mm, 50 mM에서 28 mm, 100 mM에서 15 mm, 200 mM에서는 4 mm였다. 이 결과에서 소금의 독성을 하나의 숫자로 나타낼 수 있을까?

맹물의 50% (20 mm) 02550100200 040 뿌리 길이 (mm)소금 농도 (mM)
그림 1. 소금이 진할수록 뿌리가 짧아지며, 맹물의 절반이 되는 농도는 50 mM과 100 mM 사이에 있다.
먼저 알아야 할 것삼투와 수분 퍼텐셜(삼투압과 수분 퍼텐셜), 대조 실험, 직선 보간.

4.6.1농도에 따른 반응

오염 물질이 생물에 주는 영향은 농도에 따라 달라진다. 아주 묽으면 거의 영향이 없다가, 어느 농도를 넘으면 생장이 점점 줄고, 진하면 거의 자라지 못한다. 이렇게 농도와 반응의 관계를 그린 것을 농도 반응 곡선이라 한다. 소금은 흙의 수분 퍼텐셜을 낮추어 뿌리가 물을 빨아들이기 어렵게 하고, 나트륨 이온이 세포에 쌓이면 효소의 작용을 방해한다. 그래서 소금이 진할수록 뿌리가 짧아진다.

정리 4.6.1 반수 영향 농도

생장이 대조(오염 물질 없음)의 절반으로 줄어드는 농도를 반수 영향 농도(EC50)라 한다. 실험한 두 농도 사이를 직선으로 이어 어림하며, EC50이 작을수록 독성이 강하다.

농도 반응 곡선 전체를 비교하기는 번거로우므로, EC50 하나로 여러 물질의 독성이나 여러 식물의 내성을 비교한다. 같은 소금에도 바닷가 식물은 EC50이 훨씬 크고, 무나 상추처럼 민감한 식물은 작다. 그래서 민감한 식물의 씨앗은 흙이나 물의 오염을 간단히 시험하는 생물 지표로 쓰인다.1

4.6.2믿을 수 있는 시험

농도마다 씨앗을 20개 이상 쓰고, 싹이 트지 않은 씨앗을 뺄지 길이 0으로 셀지 미리 정한다. 거름종이가 마르면 소금이 진해지므로 뚜껑을 덮어 증발을 막는다. 온도와 빛을 모든 접시에 같게 하고, 맹물 접시를 반드시 대조로 둔다. 농도는 두 배씩 늘리는 식으로 넓은 범위를 정하면, 반응이 바뀌는 곳을 놓치지 않는다. 그다음 그 근처를 더 촘촘히 다시 시험하면 EC50을 더 정확히 정할 수 있다.

농도 (mM)02550100200 뿌리 (mm)403628154 대조 대비100%90%70%38%10% 무 씨앗 20개씩, 닷새, 22 °C
그림 2. 대조 대비 비율이 50%를 지나는 곳은 50 mM(70%)과 100 mM(38%) 사이이다.

4.6.3예제 풀이

예제 4.6.2

그림 2의 자료로 무 뿌리의 EC50을 직선 보간으로 구하여라. 길가 흙을 물에 우려낸 액에서 키운 무 뿌리가 평균 24 mm였다면, 그 액의 소금 농도를 어림하여라. 그 흙에는 다른 오염 물질이 없다고 가정한다.

50 mM에서 28 mm, 100 mM에서 15 mm이므로 50 mM마다 13 mm씩 짧아진다. 맹물의 절반인 20 mm는 28 mm에서 8 mm 더 짧아진 곳이므로, 농도는 \(50 + 50 \times 8/13 \approx 81\) mM이다. 이것이 EC50이다.

24 mm는 28 mm에서 4 mm 짧아진 곳이므로 \(50 + 50 \times 4/13 \approx 65\) mM으로 어림된다. 이 정도면 무의 뿌리 생장이 40% 줄어드는 소금이 흙에 녹아 있는 셈이다. 그러나 길가 흙에는 소금 말고도 기름이나 중금속이 섞여 있을 수 있으므로, 이 어림은 소금만 있다는 가정 아래에서만 맞는다. 즉 농도 반응 곡선과 EC50은 오염 물질의 영향을 수로 비교하게 하고, 거꾸로 생물의 반응으로 오염의 정도를 어림하게 해 준다.

아래 탐구 카드에서 오염 물질의 농도를 바꾸어 식물의 생장을 재고, 농도 반응 곡선과 EC50을 구해 보자.

  1. '모든 물질은 독이며, 독인지 아닌지는 양이 정한다'는 말은 16세기 스위스의 의사 파라켈수스가 남긴 것으로 알려져 있다. 식물에게 꼭 필요한 구리나 아연 같은 원소도 너무 많으면 독이 된다.
마무리

오염 물질이 생물에 주는 영향은 농도에 따라 달라 농도 반응 곡선으로 나타내며, 생장이 대조의 절반이 되는 농도인 EC50으로 독성의 세기를 비교한다. 시험은 맹물 대조를 두고 씨앗 수, 온도, 증발을 같게 하며, 넓은 농도 범위에서 시작해 좁혀 간다. 처음 질문의 무 뿌리는 소금 약 81 mM에서 절반으로 줄어들어, 이것이 무에 대한 소금의 EC50이다.

탐구 1

오염 물질이 얼마나 짙어야 무 싹의 뿌리가 절반만 자랄까?

실험 설계 · 발아와 뿌리 생장 · 농도–반응 곡선 · EC50
물질
가로축
대조군 뿌리 평균
—
뿌리 EC50 추정
—
최고 농도 발아율
—

접시마다 거름종이 두 장에 시험액 5 mL를 적시고 무 씨앗 20개를 놓아 25 °C 어둠에서 3일 둔다. 뿌리 길이는 싹튼 씨앗마다 자로 잰 값(눈금 1 mm)이다. 상대 뿌리 길이 = 그 농도의 평균 ÷ 대조군 평균 × 100. 물질별 농도–반응 관계는 문헌의 대략적인 범위를 본뜬 교육용 모형값이다.

  1. 탐구 문제겨울철 도로에 뿌린 염화 칼슘·소금, 하수에 섞인 세제, 광산 주변의 구리, 산성비는 식물에 해를 줄까? 해롭다면 얼마나 짙을 때부터일까? 식물 생장에 영향을 주는 환경 요소 하나를 골라 그 영향을 확인하는 실험을 설계해 보자.
  2. 복원씨앗이 싹트려면 물을 흡수해야 하는데, 염류가 짙으면 삼투 때문에 물을 얻기 어렵다. 구리 같은 중금속 이온은 적은 양으로도 뿌리 끝 세포 분열을 방해한다. 독성은 대개 농도가 클수록 커지며, 생장을 대조군의 절반으로 줄이는 농도를 EC50(50% 영향 농도)이라고 한다.
  3. 설계조작 변인은 오염 물질의 농도(대조군 0을 포함해 일정한 배수로 짙어지는 5~6단계), 종속 변인은 발아율과 뿌리 길이이다. 씨앗 종류와 수, 시험액 부피, 온도, 빛, 기간은 통제한다. 대조군은 증류수(산성비 실험은 pH 5.6 물)이다. 농도마다 접시를 3개 이상 두어 반복하고, 씨앗은 무작위로 나눠 담는다.
  4. 분석농도에 따른 상대 뿌리 길이를 그리면 낮은 농도에서는 대조군과 비슷하다가 어느 범위에서 급히 떨어진다. 가로축을 log 농도로 바꾸면 S자 모양의 농도–반응 곡선이 되고, 50% 선과 만나는 곳이 EC50이다. 대부분의 물질에서 뿌리 길이가 발아율보다 먼저, 더 낮은 농도에서 줄어들므로 더 민감한 지표이다.
  5. 측정염화 나트륨 농도 계열을 세 벌 만들어 EC50을 구해 보자. 그다음 황산 구리와 세제로도 같은 실험을 하고 EC50을 비교해 보자. 산성비는 pH 몇에서 뿌리 생장이 절반으로 줄어드는가? 마지막으로 "뚜껑을 덮지 않고 둠"을 켜고 염화 나트륨 실험을 되풀이해 EC50이 어느 쪽으로 치우치는지 보자.
  6. 오차·안전뚜껑을 열어 두면 물이 증발해 시험액이 짙어지므로 EC50이 실제보다 낮게 나오고, 대조군 뿌리도 말라 짧아진다. 반복해도 사라지지 않는 계통 오차이므로 접시를 덮고 테이프로 봉한다. 씨앗 한 접시의 결과는 우연 오차가 크므로 접시 평균으로 비교한다. 실험실의 낮은 농도 결과를 그대로 논밭에 적용할 수 없다는 점도 기억한다(흙은 이온을 붙잡아 독성을 줄이기도 하다). 황산 구리는 삼키거나 눈에 들어가면 해로우니 장갑과 보안경을 끼고, 남은 구리 용액은 하수구에 버리지 말고 중금속 폐액통에 모은다. 카드뮴·납 화합물은 독성이 커서 학교 실험에 쓰지 않는다. 산성비 용액은 묽은 황산이나 질산을 희석해 만들며 농도가 짙은 산은 교사가 다룬다.

확인조건이 달라지면

한 모둠이 세제 농도 0, 50, 100 mg/L에 접시를 하나씩만 두었더니 뿌리 길이가 32, 35, 14 mm였다. 이 결과를 보고 "세제 50 mg/L는 뿌리 생장을 돕는다"고 결론 냈다. 가장 알맞은 판단은?

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