서 론
수경재배산업에서 폐양액의 배출은 비점오염원으로써 환경에 매우 부정적인 영향을 줄 뿐만 아니라 지하수와 자원의 소비에 있어서도 부정적이다(Jin et al., 2021). 지속가능한 농업을 위해 순환식 수경재배로의 전환은 필수적이지만 병충해예방과 양분 집적 등 해결해야 할 문제가 많아 빠른 전환이 어렵다.
Nam et al.(2009) 의 연구에 의하면 수경재배는 관행농업과 비교하였을 때 생물적 완충능이 부족하기 때문에 병해충이 단시간에 확산되기 쉽다. 또한 병원균의 다양한 전파 경로 중 양액 원수에 의한 유입이 주요 전파 원인으로 제시되었으며, 특히 순환식 수경재배에서는 배액을 재사용하기 때문에 병원균 소독, 살균을 위한 수처리가 필수적이다.
양액 재사용을 위한 수처리는 열처리, 모래 여과, 숯, UV살균, 막(membrane)여과, 플라즈마 활성수, 염소처리, 오존, 과산화수소처리 등 다양한 수처리 방법이 제시되고 있다(Choi et al., 2011; Lee and Kim, 2019; Noh et al., 2020). 그러나 Lee and Kim(2019)의 연구에 의하면 양액 수처리 과정에서 pH변화, 침전, 킬레이트-철 불용화 등의 문제가 발생할 수 있고, 상추 담액 수경재배에서 플라즈마 활성수를 사용했을 경우 근권부의 괴사나 지상부 생육 저해 등이 발생하는 것으로 나타나 살균을 위한 수처리 방법에 따라서 부정적인 영향이 발생할 수 있다(Noh et al., 2020).
본 실험에서 사용될 정전계 수처리 기기는 금속 챔버 내의 전극을 충전하는 강한 정전기장을 생성하도록 고전압을 발생시켜 높은 충전 전위가 파괴되지 않도록 절연된 전극구조를 가지며, 이로부터 대전 된 전극은 반대 전극 사이에 강한 정전기장을 방출시킨다. 이러한 기술적 특성으로부터 금속 챔버 내에 물을 흐르게 하고, 강한 정전기장을 물에 인가하여 수처리가 진행된다(Kim, 2015).
정전계 수처리기기는 한국건설생활환경연구원의 시험성적서(CT19-076176, CT19-076179)에 따르면 황색 포도 상구균을 대상으로 살균실험을 진행하였을 때 1회 통과시 66%, 1시간 순환 통과시 99.9%의 살균력을 가진다. 기기를 통하여 양액을 수처리 하였을 때, 병원균에 의한 피해를 경감시킬 수 있을 것으로 기대된다. 그러나 수처리 과정에서 pH변화, 침전, 킬레이트-철 불용화 등의 문제로 인한 추가적인 논의가 필요하다. 따라서 정전계 수처리를 통해 양액 내 이온 활성에 대한 변화와 처리된 양액이 작물에 급액 되었을 때의 효과를 정량화할 필요가 있다.
본 실험에서는 수경재배 토마토에서 양액에 정전계 수질개설 기기를 이용한 수처리를 하였을 때 양액내 이온 조성의 변화를 알아보고, 토마토의 생육과 과실의 품질에서 처리 양액이 급액 되었을 때와, 일반 양액이 급액 되었을 때의 차이를 비교, 분석하였다.
재료 및 방법
실험에 사용된 토마토는 강원종묘사로부터 구입한 ‘TS 단다니’(Solanum lycopersicum cv TS Dandani)를 접수로 하였으며, ‘신청강’(Solanum lycopersicum L.; Farm Hannong Co., Ltd., Seoul, South Korea)을 대목으로 사용하여 강원도 춘천에 소재한 호반육묘장에서 육묘하였다. 파종 후 약 70일된 토마토 모종을 강원대학교 교내 온실에 정식 하였다. 정식은 6월 13일에 진행을 하였으며 정식 후 작물세력 균형을 유지하기 위해 화방당 3개의 꽃만 남기고 모두 적화하였다.
처리구는 ‘Nagodo Water’(UNG Technology Co., Ltd., Incheon, South Korea)를 이용하여 진행하였다. 대조구와 실험구의 양액탱크는 별도로 설치하여 24시간 수처리를 진행하였다. 수처리된 양액과 일반양액 탱크에서 별도의 파이프를 통해 관수되었고, 코이어 베드에 점적관수로 양액을 관수하였다. 양액은 자동 양액 제어시스템에 의해 8:00－15:30까지 1시간 간격으로 3분씩 관수하였으며, EC는 계절에 따라 변동되나, 2－3 dS/m사이로 유지되었다.
양액 이온 분석은 ‘급액’과 ‘배액’으로 구분하여 분석하였다. 배액시료는 코이어 배지 아래에 실험구별로 배액통을 설치하여 모아진 폐액을 채취하여 시료를 만들었다. 시료는 실험구 별로 1 L씩 시료를 채취하여, 양이온(Na+, NH4+, K+, Ca2+, Mg2+, NH4-N, S2+)과 음이온(Cl-, NO3-, NO3-N, PO4-P, SO4-S)으로 나누어 측정하였다.
생육조사는 정식 후 4주 간격으로 3회 실시하였으며, 파괴조사는 난괴법을 이용하여 3반복, 비파괴조사는 5반복, 과실특성 조사는 10반복으로 하였다.
엽장은 각 화방 아래 3번째 잎의 길이, 엽폭은 엽장과 같은 잎의 가장 넓은 부위의 길이, 줄기의 두께는 꽃이 핀 화방의 바로 아랫부분을 측정하였다. 엽록소함량은 엽록소계(SPAD-502Plus, Chlorophyll meter, Minolta Inc., Japan)로 측정하였다. 잎과 줄기의 생체중은 잎과 줄기를 잘라 미세저울을 이용하여 측정하였다. 잎과 줄기의 샘플을 열풍건조기(Convection oven, SANYO Inc., Japan)를 80°C로 설정하여 72시간 건조한 후 건물중을 측정하였다. 엽면적은 엽면적계(LI-3100, Area meter, LI-COR Inc.,USA)를 이용하여 개체의 모든 잎 넓이를 합하였다.
토마토 과실은 토마토가 80%이상 착색된 과실을 대상으로 수확을 진행하였으며, 과중, 색도, 당도, 생체중, 건물중 등을 조사하였다. 당도는 디지털 당도계(Pocket Refractometer PAL-1, Atago, Japan)를 이용하여 측정하였으며, 과실의 색도는 색차계(CR-400, KONICA MINOLTA, Japan)를 이용하여 Hunter L, a, b 값으로 나타냈다. 과실의 무게는 꼭지를 제거한 후 생체중을 측정하였다. 과중 측정 후 4등분하여 열풍 건조기에 80°C로 72시간 건조한 후 건물중을 측정하였다. 착과량은 화방별로 조사하였고, 정상과와 배꼽썩음과를 나누어 조사하였고, 개체당 착과량, 배꼽썩음과 비율을 구하기 위한 공식은 다음과 같다.
식물체 성분 분석은 줄기, 잎, 과실로 나누어 분석을 의뢰하였다. 분석 시료는 식물체 부위를 열풍건조 방식으로 건조한 후 막자사발로 마쇄하여 가루 시료로 준비하였다. 무기성분은 T-N(Total-Nitrogen), CaO, K2O, MgO, P2O2, Cu, Zn 및 Hg를 분석하였다.
본 실험을 위해서 측정된 양적 수치들은 SPSS(Ver.26, IBM, USA) 프로그램을 이용하여 평균과 표준편차로 나타냈고, 시험구별 유의성은 독립표본 t-검정을 활용하여 5% 수준에서 검정하였다.
결과 및 고찰
수처리에 따른 토마토의 생장특성 비교결과(Table 1), 식물체의 생육에서 정전계 수처리된 양액으로 키운 토마토의 엽장이 4.36－4.38 cm로 대조구와 비교하여 10－16% 유의적으로 길었지만, 초장, 경경, 엽폭 에서는 유의적인 차이가 나타나지 않았다. 처리구의 엽면적은 생육단계에 따라 대조구에 비해 24－69% 넓었다. 잎과 줄기의 생체중 및 건물중은 수처리구가 대조구에 비해 증가하는 경향을 보였지만 통계적인 유의성은 보이지 않았다. 엽면적의 증가는 엽폭 보다는 엽장의 증가에 기인한 것으로 생각된다. 식물의 광합성량은 일정 수준까지는 엽면적에 비례한다는 선행연구결과로 보아(Duncan, 1971) 엽면적이 최적의 수준에 도달할 수록 광을 효율적으로 이용하므로 정전계 수처리 양액의 사용은 토마토의 광합성량을 증대시킬 수 있을 것으로 생각되었다.
Table 1.
Effect of electrostatic water-treated nutrient solution on growth characteristics of tomato (Lycopersicon esculentum) after trans planting in a hydroponic system
| DAT1) | Treatment2) |
Plant height (cm) |
Stem diameter (mm) | SPAD |
Leaf length (cm) |
Leaf width (cm) |
No. of leaves3) (ea) |
Leaf area (m2) | Fresh weight (g) | Dry weight (g) | ||
| Leaf | Stem | Leaf | Stem | |||||||||
| 28 | Control | 122.3 a4) | 13.3 a | 57.6 a | 37.4 b | 38.2 a | 21.8 a | 0.54 b | 271.5 a | 117.6 a | 30.7 a | 14.9 b |
| ETNS | 116.2 a | 13.1 a | 57.6 a | 43.6 a | 39.0 a | 20.2 a | 0.71 a | 313.7 a | 137.5 a | 37.2 a | 17.5 a | |
| 56 | Control | 216.7 a | 11.7 a | 59.1 a | 38.6 b | 37.8 a | 29.4 a | 0.78 b | 604.6 a | 245.5 a | 80.8 a | 37.7 a |
| ETNS | 213.8 a | 11.4 a | 59.3 a | 43.8 a | 38.0 a | 28.8 a | 1.32 a | 651.1 a | 253.4 a | 83.3 a | 38.2 a | |
| 84 | Control | 298.0 a | 12.9 a | 57.1 a | 39.8 b | 39.0 a | 39.0 a | 1.56 b | 782.2 a | 332.3 a | 97.3 a | 67.8 a |
| ETNS | 302.3 a | 14.1 a | 45.5 a | 43.6 a | 42.8 a | 38.8 a | 1.94 a | 940.4 a | 386.8 a | 111.1 a | 75.3 a | |
과실의 착과 특성 및 생리 장해를 발생 정도를 조사한 결과를 Table 2에 나타내었다. 대조구와 처리구의 착과수는 모두 주당 10.81개로 동일하였지만, 배꼽 썩음과의 비교결과 대조구는 주당 1.25개로 착과량의 11.5%, 정전계 수처리구는 주당 0.38개로 착과량의 3.5%로 대조구에 비하여 유의하게 적었다. 토마토 재배에서 배꼽썩음과는 과실의 일부 표면이 수침상이 되는 생리 장해이며 과실의 손실을 일으켜 농가에 경제적으로 큰 피해를 준다. 주로 칼슘 결핍이나, 질소와 칼륨의 과용이 주된 원인이며 지나친 고온이나 장마와 같은 환경적 스트레스를 동반하였을 때 많이 나타난다(Cho et al., 1998). 1화방부터 4화방까지는 배꼽썩음과가 발견되지 않았지만, 대조구에서는 5화방부터, 정전계 수처리구에서는 6화방부터 발견이 되었다. 6화방의 과실이 비대 될 시기는 긴 장마기로 인한 고온･다습한 환경이 지속되었다. 이로 인해 배꼽썩음과의 발생이 증가하였는데, 정전계 수처리구에서의 발생량은 8.3%, 대조구는 27.7%로 정전계 수처리구의 배꼽썩음과 발생이 19.4% 저감되었다.
Table 2.
Effect of electrostatic water-treated nutrient solution on fruit characteristics, yield, and blossom end-rotten of tomato (L. esculentum) in a hydroponic system
| Treatment1) |
Fresh weight (A, g) |
Dry weight (B, g) |
Dry matter ratio (B/A, %) |
TSS2) (Brix) | Leaf color |
No. of fruits3) (C, ea/plant) |
No. of BER4) (D, ea/plant) |
BER ratio (D/C, %) | ||
| L | a | b | ||||||||
| Control | 137.0 ± 37 | 8.2 ± 2 | 0.06 ± 0.003 | 5.2 ± 0.3 | 42.4 ± 2 | 29.3 ± 2 | 14.8 ± 2 | 10.8 ± 2 | 1.2 ± 1.1 | 11.5% |
| ETNS | 143.7 ± 35 | 8.5 ± 2 | 0.05 ± 0.004 | 5.3 ± 0.4 | 42.8 ± 2 | 29.7 ± 1 | 14.6 ± 2 | 10.8 ± 1 | 0.3 ± 0.6 | 3.5% |
| Significance5) | NS | NS | NS | NS | NS | NS | NS | NS | ** | ** |
화방별 착과량과 배꼽썩음과의 발생량을 세부적으로 비교한 결과(Fig. 1), 3화방부터 착과량이 감소하다가 4화방에서 가장 낮았고 5화방부터 다시 증가하는 경향을 보였는데, 이는 여름철 고온기에 화분의 활력이 떨어져 수정이 불량했기 때문인 것으로 생각된다. 흥미로운 점은 정전계 수처리한 양액으로 재배한 토마토는 대조구와 비교하였을 때 3, 4화방에서 착과량이 높았는데, 이를 통해 정전계 수처리가 고온다습한 장마기의 수정불량을 저감시키는데 도움이 된 것으로 보인다.
토마토의 수확 과일의 세부 품질을 비교하기 위해 과실의 생체중, 당고 등을 조사한 결과를 Table 2에 나타내었다. 과실의 생체중은 정전계 수처리구와 대조구가 각각 평균 143.7, 137.1 g으로 정전계 수처리구가 4.3% 무거웠다. 평균 당도 또한 5.3, 5.22 Brix로 정전계 수처리구에서 대조구 보다 1.5% 달았지만, 과일생체중 및 당도 모두 통계적인 유의성은 보이지 않았다. 화방별로 비교 해보았을 때, 생체중은 화방이 높아짐에 따라 증가하는 경향을 보였지만 통계적인 유의성이 없었고, 당도는 생육 진전에 따른 영향을 받지 않았다(data not shown).
Table 3은 정전계 수처리에 의한 공급과 배액의 무기이온함량 변화를 비교하기 위해 토마토에 공급된 양액과 배액 된 폐양액을 각각 10개의 드리퍼 및 배지에서 채수하여 혼합분석한 결과이다. 공급액성분 분석 결과, 처리구 급액은 대조구에 비해 마그네슘(magnesium)의 함량이 비교적 높았지만, 나트륨(sodium)함량은 낮았다. 마그네슘은 식물의 세포벽 구성과 엽록소 합성에 중요한 역할을 하는 다량 요소로 결핍시 생장점의 황화현상을 야기시킬 수 있다. 토경 재배 시 적당량의 나트륨은 토양 입단 형성에 긍정적인 영향을 줄 수 있지만, 수경재배에서는 양액 삼투압 증가와 생리장해를 유발하여 식물의 생장과 수확량에 부정적인 영향을 미칠 수도 있다(Hopkins et al., 2007; Lopez and Satti, 1996). 특히 양액을 재활용하여 순환식 수경재배로 이용을 함에 있어 염류집적을 간접적으로 판단할 수 있는 지표가 된다. 조사결과 정전계 수처리의 배액의 나트륨 수치는 135 ppm로 대조구 113 ppm에 비해 19% 높았지만, 공급액의 나트륨함량은 7.9 ppm와 8.1 ppm로 유사한 수준이었다. 이것으로 보아 정전계 수처리로 인한 이온 분해효과가 순환식 수경재배에서 나트륨 집적 저하에 긍정적인 효과를 줄 것으로 판단된다(Miller et al., 2020). 배액의 전기전도도를 비교한 결과 정전계 수처리구에서 8.7 2 ms/cm, 대조구에서 8.61 ms/cm로 처리구간 차이가 없었다. 급액의 칼슘함량이 236 ppm과 239 ppm로 비슷하였음에도 배액의 칼슘함량은 정전계 수처리구는 801.8 ppm, 대조구에서 1084.1 ppm로 대조구가 35% 높았던 것으로 보아 대조구는 칼슘을 작물이 흡수하지 못하고 배액으로 흘러나왔고, 이는 과실의 칼슘부족현상을 야기하여 배꼽썩음과의 발생이 높았던 것의 원인으로 판단된다(Table 2). 배꼽썩음과의 주요 원인은 칼슘의 결핍으로(Ho et al., 1993), 식물 세포 형성에 있어 칼슘은 펙틴의 결합을 견고하게 만들어 세포벽을 강화시켜주는 중요한 요소이다. 칼슘은 식물체 내에서 다른 이온에 비해 이동성이 낮고, 수분의 흡수와 체내 이동에 따라 함께 이동하여 식물의 증산량에 연관되어 흡수되기 때문에(Isermann, 1970), 높은 습도와 낮은 광도는 식물체의 증산을 감소시켜 칼슘의 흡수를 저해시킨다(Cho et al., 1998).
Table 3.
Changes in the cation and anion concentrations, EC, pH of supply water, and drainage after electrostatic water treatment during tomato cultivation in a hydroponic system
| Water | Treatment1) |
EC (mS/ cm) | pH | Cation (ppm) | Anion (ppm) | |||||||||||
| Na+ | NH4+ | KCl | Ca2+ | Mg+2 | NH4-N | Cl- | NO3- | PO43- | SO42- | NO3-N | PO4-P | SO4-S | ||||
| Supply | Control | 2.3 | 6.1 | 8.1 | 16.8 | 280.8 | 236.9 | 45.9 | 12.9 | 13.6 | 1180.3 | 115.6 | 209.6 | 266.4 | 37.7 | 69.9 |
| ETNS | 2.5 | 6.1 | 7.9 | 17.2 | 292.0 | 239.7 | 50.9 | 13.3 | 13.6 | 1192.9 | 112.6 | 216.6 | 269.3 | 36.7 | 72.2 | |
| Drain | Control | 8.6 | 5.9 | 113.1 | - | 1084.1 | 1084.1 | 230.9 | - | 326.7 | 1044.6 | 379.1 | 2343.9 | - | 53.8 | 205.7 |
| ETNS | 8.7 | 5.9 | 135.8 | - | 1248.8 | 801.8 | 227.5 | - | 222.2 | 1048.1 | 685.7 | 2944.4 | - | 58.6 | 223.7 | |
수처리로 인한 공급 및 배지내의 무기이온의 차이가 작물 생육시 각 기관의 무기이온 함량에 영향을 미치는지를 검토하기 위해, 각 기관을 처리구별로 10개씩 채취하여 혼합분석한 결과, 토마토 잎과 줄기 모두 구리와 아연과 같은 미량원소를 제외하고는 처리구간 차이를 보이지 않았고(Table 4), 과일도 유사한 경향이었다(Table 5). 배꼽썩음과의 발생차이를 각기관의 칼슘 함량의 차이가 있을 것으로 예상하였지만 과실 성분조사시 정상과일만 선발하여 분석하였기에 본 실험의 결과를 통한 규명은 할 수 없었다.
Table 4.
Analysis of macro-elements in the leaves and stems of tomato grown in a coir hydroponic system
| DAT1) | Treatment2) |
T-N3) (%) |
CaO (%) |
K2O (%) |
MgO (%) |
P2O5 (%) |
Cu (mg/L) |
Zn (mg/L) |
Hg (mg/L) | |
| 35 | Leaf | Control | 5.01 | 4.67 | 3.78 | 0.96 | 1.15 | 10.23 | 39.69 | 0.02 |
| ETNS | 5.05 | 4.78 | 3.25 | 0.95 | 1.19 | 18.11 | 43.60 | 0.02 | ||
| Stem | Control | 2.66 | 1.39 | 3.75 | 0.32 | 0.98 | 5.22 | 70.36 | - | |
| ETNS | 2.76 | 1.25 | 3.60 | 0.32 | 1.13 | 7.56 | 67.87 | - | ||
| 51 | Leaf | Control | 3.87 | 6.11 | 3.09 | 0.91 | 1.27 | 11.13 | 30.07 | 0.034 |
| ETNS | 4.01 | 6.18 | 3.49 | 0.96 | 1.33 | 20.79 | 35.60 | 0.037 | ||
| Stem | Control | 2.25 | 1.55 | 3.29 | 0.30 | 1.19 | 7.83 | 90.59 | 0.007 | |
| ETNS | 2.27 | 1.50 | 3.24 | 0.30 | 1.15 | 9.45 | 75.97 | 0.001 | ||
Table 5.
Analysis of macro-elements in the fruit of tomato grown in a coir hydroponic system
| DAT1) | Treatment2) |
T-N3) (%) |
CaO (%) |
K2O (%) |
MgO (%) |
P2O5 (%) |
Cu (mg/L) |
Zn (mg/L) |
Hg (mg/L) |
| 61 | Control | 2.32 | 0.28 | 5.15 | 0.21 | 1.17 | 6.60 | 34.39 | 0.006 |
| ETNS | 2.09 | 0.30 | 4.99 | 0.20 | 1.19 | 6.93 | 34.88 | 0.004 | |
| 71 | Control | 2.41 | 0.27 | 4.90 | 0.23 | 1.15 | 6.21 | 31.81 | 0.004 |
| ETNS | 2.40 | 0.24 | 4.82 | 0.23 | 1.10 | 6.93 | 28.87 | - | |
| 81 | Control | 2.02 | 0.26 | 4.92 | 0.21 | 1.15 | 6.71 | 28.58 | - |
| ETNS | 1.98 | 0.25 | 4.85 | 0.22 | 1.13 | 5.71 | 27.22 | - |
본 실험의 결과를 종합하여 보면, 장마기와 같이 칼슘의 흡수 및 이동이 어려운 환경에서 정전기 수처리구의 이온 분해기능이 작물체의 칼슘 흡수를 증진시키는 데 간접적인 효과가 있는 것으로 판단된다. 다만, 아직은 기초 수준의 연구결과일 뿐이기 때문에 추후 정전기 수처리가 작물의 칼슘흡수 촉진에 미치는 영향에 관하여 규명하는 보완 실험이 필요할 것으로 사료된다.
요 약
본 연구는 정전계 수처리가 코이어 배지를 활용한 토마토 수경재배시 생육과 수량에 미치는 영향을 규명하고자 수행하였다. 정전계 수처리는 고전압의 높은 전위를 이용하여 수소 결합력을 약화시켜 살균소독효과를 가진 수처리 기기이다. 공시품종은 토마토 약 10주 동안 육묘된 ‘TS 단다니’을 이용하였다. 시험구의 배치는 정전계 수처리와 일반 수경재배로 구분하였고, 생장, 과실, 공급액과 배액의 무기이온분석 및 식물체 기관별 이온 함량 분석을 조사하였다. 조사결과 정전계 수처리구의 엽장이 대조구에 비해 약 9.54%, 엽면적이 약 24.3% 증가하였다. 착과율과 과실 특성은 차이가 없었지만, 배꼽 썩음과는 대조구가 11.56%, 처리구가 3.52%로 3분의 1수준으로 경감되었는데, 이는 공급액 대비 배액함량의 차이로 확인되었다. 따라서 토마토 순환식 수경재배에서 정전계 수처리 기기를 사용한다면 장마기 칼슘부족 현상을 저감할 수 있을 것으로 판단된다.
