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< 연구 결과요약서 >

소속학교 용화여자고등학교 책임 지도교사 나O 영 공동 지도교사 명O미

참여학생 강O민, 강O림

과 제 명 염생 식물을 이용한 담수화 생명 빨대 개발 가능성에 대한 탐구

연구목표 염색 식물의 나트륨 이온 이동 경로를 추적해 염분 배출 구조와 방법을 도출하 고, 해수담수화에 적용한다.

연구내용

□이론적 배경 및 선행연구

○포항공대 연구팀은 맹그로브 뿌리가 나트륨 이온을 걸러서 체내의 삼투압을 유지하는 것에 주목, 이의 메커니즘을 모방하여 생체 모방형 해수 담수화 기능의 막을 개발했다.

○해수 담수화의 공법별 종류는 증발법, 막 여과법, 기타공법으로 나누어진다. 생체 모방 을 통한 담수화 막의 개발은 분류하자면 막 여과법에 포함되나 기존의 막 여과법보다 향 상된 방법이라고 볼 수 있다.

□연구 방향 개선 과정

처음 연구 내용 : 맹그로브의 염분 배출 구조를 이용한 해수 담수 생명빨대 개발 1차 수정→(염분배출구조를 탐색할 염생식물 종류 확대, 생명빨대와 멤브레인 모델링) 2차 수정→(생명빨대 제작에 대한 실현 가능성 의문, 디자인 모델링까지로 수정) 3차 수정→(염분 배출 구조를 이용한 해수담수화 및 생명빨대에의 적용 가능성 탐구)

□연구 활동 및 과정

1) 맹그로브의 뿌리와 줄기의 단면 및 물관부 관찰 실험 목적 맹그로브의 뿌리와 줄기의 단면 및 물관부 관찰

방법 맹그로브에 적색색소용액을 주고 4시간 뒤 식물의 뿌리와 줄기를 횡단으로 잘 라 그 단면을 광학현미경을 이용해 관찰한다.

2) 염도, 전기 전도도 측정

목적 염생식물의 나트륨 흡수 후 재 배출 여부 확인

방법

30‰의 소금물을 만들고 전기 전도도와 염도를 측정한다. 맹그로브는 소금물 에 흙과 함께 담고 퉁퉁 마디와 갈대는 물을 많이 머금을 수 있는 화분에 심 어 바로 전기전도도, 염도를 측정한다. 이후 세 식물을 담수에 담그고 전기전 도도, 염도를 측정한다.

3) SBFI를 이용한 염생 식물 내 Na 추적

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목적 염생 식물 내부에서 Na의 이동을 추적해 이동 경로를 파악하고 이를 식물 의 구조와 연관 지어 최종적인 염분배출구조를 탐색하는 것

방법

<1차 관찰> 동결절편과 파라핀 절편을 제작해 시범관찰을 통해 2차 관찰에 사용할 절편 선택

<2차 관찰> 소금물을 준 식물들의 동결절편을 제작해 SBFI 염색 후 형광현미 경으로 관찰하고 그 결과를 해석한다.

실행

10/3- 맹그로브 및 퉁퉁 마디에 소금물을 줌

10/4- 파라핀 포매, 절편 제작을 목적으로 고대 공동연구실에 감, 갈대 도착 10/5- 절편 제작이 쉽지 않아 기기 담당선생님의 조언대로 절편제작을 전문가 에게 의뢰하여 진행하기로 함.

10/13- 샘플을 받아서 SBFI로 Na를 표지한 후 형광현미경으로 관찰함.

(정확한 관찰보다는 일차적으로 Na의 관찰 가능 여부 판단 및 피드백 목 적)

10/19일- 하루 동안 소금물을 준 가지, 맹그로브, 퉁퉁 마디, 갈대의 절편 제 작

(피드백을 통해 대조군으로 소금물을 준 가지를 추가하여 절편을 제작함) 10/24- 샘플을 받아서 SBFI로 Na를 표지한 후 형광현미경 관찰

(식물의 잎, 줄기, 뿌리로 나누어 Na의 정확한 경로 추적)

연구 성과

1) 맹그로브의 뿌리와 줄기의 단면 및 물관부 관찰 실험

맹그로브 줄기 단면을 살펴보면 가장 바깥층은 투명한 것으로 보아 각피이다. 그 바로 안 쪽의 층은 짙은 녹색을 띠는데, 엽록체가 있는 표피이다. 그 외에도 형성층으로 보이는 세포층과 물관부등을 관찰 할 수 있다. 맹그로브 줄기 뿌리의 중앙인 속은 전체적으로 붉 게 물든 것을 확인할 수 있다.

맹그로브 뿌리 단면은 줄기의 단면과 비슷한 구조이나 색을 통해 줄기보다 엽록체가 적 음을 알 수 있다. 뿌리의 층이어서 그런 것 같다. 또 공기통로인 중앙부분을 확인할 수 있다. 두 번째 사진에서 속을 둥글게 싸고 있는 내피의 일부가 보인다. 얇고 빽빽한 세포 층이 내피이다.

2) 염도, 전기 전도도 측정

염도는 시간이 지날수록 확연히 줄어드는 모습이 그래프로 확인되었다. 그러나 전기 전도 도는 담수 248, 30‰ 소금물 283이었고 맹그로브, 퉁퉁 마디, 갈대 사이 의 큰 차이가 없었고 눈에 띄는 성과를 얻지 못했다.

식물＼염도(ppt) 30‰ 소금물 삼일 뒤

소금물(30‰) 맹물 맹그로브

30

24.70 0

퉁퉁 마디 24.76 0

갈대 29.62 0

3) SBFI를 이용한 염생 식물 내 NA 추적

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<1차 관찰>

파라핀 절편의 경우 파라핀이 SBFI용해액 DMSO에 녹아 떠다니는 현상이 발생했다. 그 래서 2차 관찰을 동결 절편으로 진행하기로 결정 했다

<2차 관찰>

맹그로브 뿌리 단면 퉁퉁 마디 뿌리-줄기 단면

갈대 뿌리 단면 가지 뿌리 단면

▽형광 사진 분석 결과

맹그로브 나트륨 이온이 식물 하단부(뿌리부분)에서 걸러지며 축적되어 모여 있어 거르는 막 부분을 생명 빨대에 적용 가능하다.

퉁퉁 마디 나트륨이온이 뿌리를 타고 올라가서 식물의 전 부위에 퍼져 있어 생명 빨대에 적용할 수 없다 .

갈대 나트륨 이온의 물관을 통한 이동을 막는 층이 뿌리의 관다발을 둘러싸고 존재한다. 이 막 부분을 생명 빨대에 적용 가능하다.

가지 비염생 식물이기에 나트륨 이온에 대한 어떤 대응 구조도 없다. 따라서 식물 전체에 나트륨 이온이 분포하고 있다.

□ 결론 및 제언(시사점 및 향후 계획)

이 연구를 통해 서로 다른 염분 배출 구조를 가진 세 종류의 염생 식물의 염분 배출 구 조와 이용 가능성을 파악 할 수 있었다.

가장 해수담수화 생명빨대에의 활용 가능성이 높은 것은 맹그로브와 갈대이다. 명확한 염분배출구조(정확히는 나트륨 이온을 막는 층)를 가지고 있기 때문이 이 원리를 알아내 면 활용가능성이 있다. 하지만 아쉽게도 퉁퉁 마디는 식물 내부로 나트륨이온을 흡수해서 삼투압을 조절해 수분을 유지하는 식물이기에 이를 적절하게 활용해 담수화에 적용하기란 요원해 보인다. 가지를 통해서는 염생 식물이 가진 각자의 특색 있는 염분배출 구조의 특 이성과 중요성을 알 수 있었다. 염분에서 살아남는 구조는 오직 염생 식물들만이 가진 것

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이번 연구를 통해 알게 되었듯, 염생 식물의 종류는 매우 다양하고 활용될 여지가 있는 염분배출구조도 마찬가지로 다양하다. 앞으로 더 많은 연구가 진행되어 해수담수화에 적 용된다면 미래의 물 자원에 큰 도움이 될 것이다.

주요어

(Key words) 염생 식물, SBFI, 염분배출구조, 해수 담수화

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< 연구 결과보고서 >

1. 개요

□ 연구목적

○ 염분배출을 위한 염생 식물의 구조를 파악하는 것이 1차 목표이다. 그 후 나트륨의 식물 내 이동을 SBFI를 이용해 이동 경로를 추적한다. 결과적으로 식물의 염분 배출 구조와 방법을 도출하여 해수담 수화 및 생명빨대에 적용할 것이다.

□ 연구범위

○ 식물의 내부를 관찰하고, 염색약을 이용해 형광현미경으로 관찰하는 과정들은 단순히 과학의 한 분야에 국한되지 않고 생명, 화학 등 여러 분야의 지식이 필요하다.

○ 나트륨 이온의 형광 표지를 위해서는 화학적 지식이 필요하고, 염생 식물의 구조를 파악하고 형광 염색 후의 사진을 해석하기 위해서는 식물의 구조에 대한 지식, 절편 제작과 광학현미경, 공촛점 레이저 주사 현미경을 이용하기 위한 생명분야 지식들이 융합되어 연구의 결과물을 얻었다.

2. 연구 수행 내용

□ 이론적 배경 및 선행 연구

○ 이상준 포항공대 교수 연구팀은 지난달 27일 발간된 학술지 'ACS 나노'에 맹그로브 뿌리에 의한 나트륨 이온의 자발적 여과를 모방한 담수화 막 개발이라는 주제의 논문을 발표했다.

연구팀은 맹그로브 뿌리가 나트륨 이온을 걸러서 체내의 삼투압을 유지하는 것에 주목하고 이의 메커니즘을 모방하여 생체 모방형 해수 담수화 기능의 막을 개발했다

○ 염생 식물을 이용해서 만든 이상준 교수팀의 최초의 생체 모방 담수화 막은 소규모, 휴대용, 에너지가 필요 없는 담수화 설계에 적용할 수 있고 플랜트로 건설해 제3세계에서도 쓰일 수 있다. 담수화 비율도 96.5%로 굉장히 높다. 염생 식물의 종류는 세계적으로 2000여 종이 넘고 따라서 앞으로 블루오션이 될 수 있으리라 생각된다.

○ 지구상에는 14억㎦ 정도의 물이 존재하는 것으로 추정되고 있으며 대부분이 바닷물 (97~97.5%) 형태로 존재하고 2.5 ~3% 정도만이 담수 형태로 존재하는데, 담수의 대부분은 빙하와 만년설 형태로 존재하여 우리가 쓸 수 있는 물은 하천이나 호소에 존재하는 지표수(지구 총 물량의 0.0075%)이다.

○ 해수 담수화의 공법별 종류는 증발법, 막 여과법, 기타공법으로 나누어진다. 생체 모방을 통한 담수화 막의 개발은 분류하자면 막 여과법에 포함되나 기존의 막 여과법보다 향상된 방법이라고 볼 수 있다. 최신의 공법은 역삼투법으로 기술의 완성도가 높고 에너지 소비가 가장 적으나 막 모듈의 교환이 비교적 많다. 증발 법은 초기에 개발된 방식으로 에너지 소비량이 많아 에너지

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○ 맹그로브는 해양 또는 해양 하부에 살며, 습생 염생 식물 과 해양 염생 식물의 중간쯤 되는 염생 식물이다. 퉁퉁 마디는 해안 중부에 서식하는 습생 염생 식물이다. 갈대는 해안 중부에서 상부에 서식하는 습생과 건생의 중간쯤 되는 염생 식물이다.

해양과 가까운 곳에 서식하는 염생 식물부터 결과를 정리하면 맹그로브, 퉁퉁 마디, 갈대 순이 된다.

가지는 이와 전혀 상관없는 내륙에서 서식한다.

□ 연구주제의 선정

○ 세계의 물 부족 현상이 가속화되고 있다. 우리는 물 부족 현상의 해결책 중 가장 효율적인 것이 담수화라고 생각했다. 지구의 대부분의 물은 해수이기 때문에 이를 담수화시킬 수 있는 경제적이고 실용적인 기술을 개발한다면 물 부족 문제는 해결되는 것이나 다름없다. 작년에 관련 연구를 진행하다가, 염생 식물인 맹그로브의 뿌리에서 나트륨의 대부분을 걸러내며 이를 해수담수화에 응용할 수 있다는 기사를 보았다. 그리고 염생 식물의 염분배출 방법이 매우 다양하며 연구된 바가 거의 없어 밝혀진 바가 없다는 것도 알게 되었다.

○ 지금까지 염생 식물은 종종 약용, 식용으로 쓰이기도 했지만 ‘잡초’처럼 취급되었고 맹그로브를 제외하면 선행 연구도 거의 없었다. 이러한 상황에서 조금 더 다양한 염생 식물의 염분 배출 구조를 알아내고 이를 생명 빨대에 적용해 해수 담수화 기능을 추가한다면 바다와 인접한 많은 물 부족 국가에서 활용할 수 있을 것이라는 생각이 들었다. 그래서 이 연구 주제를 선정했다.

이 연구를 통해 담수화에 염생 식물의 활용 가능성을 제시한다면, 이는 염생 식물의 생물학적 가치에 대한 인식을 넓히고 관련 연구를 촉진할 수 있을 것이다.

□ 연구 방법

- 실험 목적 : 맹그로브의 뿌리와 줄기의 단면 및 물관부 관찰을 통한 맹그로브의 내부 구조 파악

- 실험 실행일 : 6월 19일

- 피드백 : 식물 내부 구조를 파악하고 나트륨등 이온들이 통과하는 막들을 확인했다. 또 파악한 내부 구조를 바탕으로 SBFI처리를 해서 관찰할 부위를 정했다.

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2) 전기전도도, 염도 측정

- 실험 목적 : 염도, 전기 전도도의 변화를 파악해 생명 빨대에 적용할 수 있는 식물 탐색 - 실험 실행일 : 6월 25일 ~ 10월 15일

- 피드백 : 염분 배출을 더 잘하는 식물을 고르려 했으나 식물 자체를 생명 빨대에 적용하지 못할 수 있다는 생각이 듦. 실험 대폭 수정했다. 전기전도도는 유의미한 결과를 얻지 못했고 맹물에서 염분이 검출되지 않았다.

3) SBFI를 이용한 염생 식물 내 Na⁺ 추적 - 식물 선정

실험군 맹그로브, 퉁퉁 마디, 갈대 대조군(비염생식물) 가지

대조군이자 비염생 식물인 가지를 추가한 목적 : 비염생 식물과 염생 식물이 염류 토양에서 자랄 때 식물 내 나트륨 이온 분포 차이를 보기 위해 (사진 분석 시 무엇이 염생 식물이기 때문에 생기는 현상인지 파악하는 것에 도움이 될 것이다.)

<1차 관찰>

- 실험 목적 : 동결절편과 파라핀 절편을 제작해 두 절편 모두 SBFI로 염색을 시킨 뒤 형광 현미경으로 관찰을 통해 절편의 형광 염색 적합성을 판단한다.

- 실험 실행일 : 10월 3일 ~ 10월 13일

- 피드백 : 동결절편과 파라핀 절편을 제작해 두 절편 모두 SBFI로 염색을 시킨 뒤 형광 현미경으로 관찰을 통해 절편의 형광 염색 적합성을 판단한다.

<2차 관찰>

- 실험 목적 : 각 식물을 크게 잎, 줄기, 뿌리 세 부분으로 나누어 동결절편을 제작하고 이를 염색하고 관찰해 식물에 따른 체내 Na+의 분포와 이동경로 등을 알아본다.

- 실험 실행일 : 10월 19일 ~ 10월 23일

- 피드백 : 형광 현미경으로 관찰한 결과인 사진들을 분석 하는 과정은 힘들었지만, 충분히 의미 있는 염분배출구조 분석 자료를 얻을 수 있었다.

□ 연구 활동 및 과정

1) 맹그로브의 뿌리와 줄기의 단면 및 물관부 관찰 실험 - 실험 과정

① 35‰의 소금물을 만든다. (염도는 MBL 염도 센서로 확인하였다.)

② 35 ‰ 소금물에 붉은 색 식용 색소를 넣어 식물에 준다.(약 4시간)

③ 식물을 얇게 잘라 슬라이드 글라스 위에 올려 광학 현미경으로 관찰하고 촬영한다.

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- 실험 사진

과정 ① 과정 ② 과정 ③ 과정 ③

2) 전기전도도, 염도 측정 - 실험 과정

① 맹그로브, 함초, 갈대, 가지를 심고 30‰의 소금물 주기

② 흙, 또는 소금물의 전기전도도, 염도를 측정한다.

③ 이틀 뒤, 식물들을 맹물에 담근다.

- 실험 사진

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3) SBFI를 이용한 염생 식물 내 Na⁺ 추적

① 처음에는 동결절편을 고려하지 못하고 파라핀 절편으로 바로 2차 관찰에 해당하는 식물 내 나트륨이온 관찰을 진행하려고 했다. 그래서 일단 파라핀 절편을 제작하기 위해 파라핀 포매 기기와 마이크로톰(미세 절편기)를 대여하기 위해 여러 방법을 시도했고(대학 연구실 사이트 탐색, 교수님들께 메일을 통한 자문 등) 고대 연구실 장비를 예약했다.

② 파라핀 절편 제작 과정

순 서 내 용

탈수

파라핀 포매를 할 조직을 70% 에탄올에 2시간, 95% 알코올에 2시 간, 100% 알코올에 2시간, 새로운 100% 에탄올에 2시간 둔다.

이론 : 에탄올은 탈수제 역할을 한다. 에탄올 용액의 농도를 저 농 도에서 고농도로 높여가며 물과 에탄올의 교반현상에 의해 조직 내 의 물이 알코올로 치환되면서 조직 내에는 약 3~4%의 유리수만 남 게 된다. 바로 100% 에탄올에 넣지 않는 이유는 조직에 심한 구조 적 변형이 생기고 조직이 심하게 수축과 경화될 수 있기 때문이다.

시행 기록 : 이 과정을 거쳤을 때 엽록소가 추출되어 에탄올 용액이 녹색이 되는 현상과 잎 조직을 옮겨 담다가 유리처럼 깨지는 등의 현상을 관찰 할 수 있었다. 첫 번째 현상은 에탄올이 엽록체 내의 엽록소를 용출해서, 두 번째 현상은 조직 내의 수분이 알코올로 치 환되었고, 고농도 에탄올에 오래 두어 나타나는 현상이다.

투명

자일렌에 2시간, 다시 새 자일렌에 2시간 둔다.

이론 : 탈수제를 제거하는 과정이다. 알코올을 투명제로 치환하는 과 정이라고 보면 된다. 자일렌을 탈알코올제, 투명제라고 한다. 이 과정 을 거치면 후에 조직 내에 침투제가 보다 용이하게 침투할 수 있다.

시행 기록 : 자일렌의 주의할 점은 탈수과정이 제대로 이뤄지지 않을 경우 젖빛 혼탁을 보이는 것과, 플라스틱 제품을 녹인다는 점, 오랜 시간 침투 시 조직을 수축, 경화시킨다는 점, 흡입 시 위험하다는 점 이다. 따라서 안전하게 마스크를 착용하고 실내 환기가 잘 되는 환경 의 후드에서 유리 스포이트, 유리 비커와 바이알을 이용해 실험했다.

파라핀 침투 파라핀 포매기를 이용해 파라핀을 조직 내에 침투시키고 파라핀 블 록을 제작한다.

절편제작

파라핀 블록을 마이크로톰에 고정하고 얇은 절편을 제작한다.

시행 기록 : 이 작업을 위해 고대 연구실에 예약하고 파라핀 블록 을 챙겨서 갔다. 하지만 기기 관리인께서 고등학생은 사용 불가라 고 거절하셔서 성과 없이 돌아왔다. 제작한 파라핀 블록도 폐기해 야 했다. 마이크로톰은 칼이 노출되어있어 사고가 많이 일어난다고 한다. 다른 곳을 가도 고등학생은 절대 사용 불가일 것이고, 대학생 들도 전문가나 경험자 외에는 사용하지 않는 것이 좋을 것이라는 조언을 받아들였다.

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③ 실험과정

실험단계 내 용

1차 실험

① 식물들에 30‰ 소금물을 주고 하루 뒤 관찰할 부위를 잘라 전문가 도움을 받아 파라핀 절편과 동결 절편을 제작한다.

② 셀 투과성 SBFI를 10uM정도로 다이메틸설폭사이드(DMSO)에 용해하여 슬라이드의 절편에 흡수시킨다.

③ 10분간 암실에 둔 후, 팁이 절편에 닿지 않게 주의하며 증류수로 남은 SBFI 10um용액을 흘려보낸다.

④ 형광 현미경으로 절편을 관찰하고 촬영한다. 현미경 기본 설정은 전문가 도움을 받았다.

2차 실험

① 식물들에 30‰ 소금물을 주고 하루 뒤 관찰할 부위를 잘라 전문가 도움을 받아 동결 절편을 제작한다.

② 셀 투과성 SBFI를 10uM정도로 다이메틸설폭사이드(DMSO)에 용해하여 슬라 이드의 절편에 흡수시킨다.

③ 10분간 암실에 둔 후, 팁이 절편에 닿지 않게 주의하며 증류수로 남은 SBFI 10um용액을 흘려보낸다.

④ 형광 현미경으로 절편을 관찰하고 촬영한다. 현미경 기본 설정은 전문가 도움을 받았다.

3. 연구 결과 및 시사점

□ 연구 결과

맹그로브 줄기 단면 맹그로브 줄기 속 단면

맹그로브 줄기 단면을 살펴보면 가장 바깥층은 투명한 것으로 보아 각피이다.

그 바로 안쪽의 층은 짙은 녹색을 띠는데, 엽록체가 있는 표피이다.

그 외에도 형성층으로 보이는 세포층과 물관부등을 관찰 할 수 있다.

맹그로브 줄기 뿌리의 중앙인 속은 전체적으로 붉게 물든 것을 확인할 수 있다.적색 색소를 탄 물이 물관을 따라 이동한 것을 알 수 있다.

맹그로브 뿌리 단면 맹그로브 뿌리 단면 중 내피

맹그로브 뿌리 단면은 줄기의 단면과 비슷한 구조이나 색을 통해 줄기보다 엽록체가 적음을 알 수 있다. 뿌리의 층이어서 그런 것 같다. 또 공기통로인 중앙부분을 확인할 수 있다.

두 번째 사진에서 속을 둥글게 싸고 있는 내피의 일부가 보인다. 얇고 빽빽한 세포층이 내피이다.

2) 전기전도도, 염도 측정

염도는 시간이 지날수록 확연히 줄어드는 모습이 그래프로 확인되었다. 그러나 전기 전도도는 담수 248, 30‰ 소금물 283이었고 맹그로브, 퉁퉁 마디, 갈대 사이의 큰 차이가 없었고 눈에 띄는 성과를 얻지 못했다.

식물＼염도(ppt) 30‰ 소금물 삼일 뒤 소금물(30‰) 맹물 맹그로브

30

24.70 0

퉁퉁 마디 24.76 0

갈대 29.62 0

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3) SBFI를 이용한 염생 식물 내 Na+ 추적 -한줄정리

맹그로브 나트륨 이온이 식물 하단부(뿌리부분)에 많이 모여 있어 생명 빨대에 적용 가 능하다.

퉁퉁 마디 나트륨이온이 식물의 전 부위에 퍼져 있어 생명 빨대에 적용할 수 없다 . 갈대 나트륨 이온의 물관을 통한 이동을 막는 층이 뿌리의 관다발을 둘러싸고 존재

한다.

가지 비염생 식물이기에 나트륨 이온에 대한 어떤 대응 구조도 없다.

(1) 맹그로브

맹그로브 뿌리

맹그로브는 염분 배출 구조를 어느 정도 알고 있는 염생 식물이다. 구조는 두꺼운 줄기 맨 아래에 얇은 곁뿌리들이 퍼져있다.

두꺼운 줄기를 타고 녹색 줄기 하나가 나와 여러 개로 갈라지며 잎까지 이어진다.

초록 형광 부분은 나트륨 이온이 있는 것이다. 겉의 부분은 형광이 뚜렷하게 나타났다. 중심부가 아닌 겉 부분에 염분이 뭉쳐있다는 것을 알 수 있다. 겉의 어떤 막에서 염분을 잡고 있는 것이다. 앞서 일반 현미경으로 관찰했던 결과를 조합해보면 첫 번째나 두 번째 막일 가능성이 높다. (first

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맹그로브 줄기 하단부

맹그로브 줄기의 하단부이다. 역시 겉에서 형광이 강하고 특정한 층 이후 염분이 급격히 줄어든 것을 확인할 수 있다. 표피의 형광은 소금물을 주다가 묻어서 흡수된 것으로 추측한다. 중간에 원형의 부위는 무엇인지 확신하지 못했다. 공기방울일 수도 있어 보인다.

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맹그로브 잎

맹그로브의 잎은 그물맥으로 우리가 평소에 보던 잎의 모양과 비슷하다. 맹그로브는 염분을 뿌리에서 많이 거르는 만큼 잎에서는

많이 드러나 있지 않음을 확인할 수 있다.

식물에 염색을 하지 않고 관찰을 해도 형광이 관찰된다고 한다. 이 사진은 그 점을 어느 정도 감안해야 할 것이다.

최종해석 : 맹그로브는 염분의 90%를 뿌리의 특정한 최외곽층 막에서 거른다. 나머지 10%정도가 내부로 이동하는 데, 이는 대부분 절편의 바깥쪽, 표피로 보이는 부분에 많이 모여 있었다. 줄기 부분이 생각보다 내부까지 녹색 형광이 많았는데 뿌리에는 특정한 최외곽층 막이 있어서 염분을 거르지만, 우리가 소금물을 줄 때 줄기 하단부에서도 흡수가 일어났지만 줄기 하단부에는 그 특정한 막이 없어서 나트륨 이온이 내부로 이동 한 것이 아닐까 싶다. 이 막을 이용한 담수화 멤브레인은 현재 개발 중에 있다. 이를 후에 생명빨대로도 이용할 수 있고, 대형화 할 수 있다면 해수담수화 시설에 적용할 수도 있을 것이다. 현재 그 구조가 이상준 교수님 연구팀에서 밝혀졌는데, 양전하를 띠는 층과 음전하를 띠는 아주 얇은 층들이 겹쳐진 전기화학적 구조로 인한 것이라고 한다.

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퉁퉁 마디 뿌리 종단면

퉁퉁 마디 뿌리를 종단으로 자른 단면이다.

가운데 일부에서만 염분이 흐르듯이 이동하 는 것을 관찰 할 수 있다. 이 부분이 염선이 아닐까 생각된다. 염선부분은 겉으로 볼 때 는 다른 부분과 딱히 구분되지 않는다. 나트 륨 이온을 형광 표지 해야만 드러나는 부위 같다. 주변의 약한 형광은 원래 식물내의 이 온인 것으로 추정된다.

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퉁퉁 마디 줄기

퉁퉁 마디의 줄기에서 나온 곁가지의

끝부분 사진이다. 끝부분이라는 것은 줄기에 가까운 부분이라는 뜻이다. 겉부분(중심부가 아닌 부분)에 나트륨이 뭉쳐있다. 그리고 내부에 중심부에서 오른쪽으로 좀 움직여 보면 기다란 선이 보이는데 물관으로 추정이 된다.

즉 잎으로 향하기 전 곁가지에서 겉부분과 물관을 통해 소금물을 옮기는 것으로

파악이 된다. 퉁퉁 마디는 잎에 염분을 많이 저장하고 있기 때문에 그 아래 부분인 가지는

당연히 많은 염분을 가지고 있다. 그 외 살짝 보이는 밝은 부분은 기존의 식물에 존재하는 형광으로 이번 실험에서 감안해야 할 요인이다.

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퉁퉁 마디 잎

퉁퉁 마디는 잎 부분에 많은 염분을 저장하고 있다고 한다. 퉁퉁 마디의 잎은 우리가 평소에 많이 보는 보편적인 잎의 모양과는 차이가 있다. 마디가 지속적으로 있는 길쭉한, 두꺼운 잎이다. 이 잎으로 절편을 만들 때 마디를 포함시켜서

만들었다. 따라서 위의 사진은 마디, 마디가 아닌 잎 부분이 합쳐져 있는 사진이라 볼 수 있겠다. 그리고 일부 깨진 부분이 있기도 하다. 사진에서 나오는 잎의 전체가 녹색 형광이 강하게 보이는 것으로 보아 사전조사대로 잎에 상당히 많은 양의 염분이 존재한다.

최종해석 : 퉁퉁 마디(함초)는 농도를 주위 해양 환경보다 높게 유지한다. 이를 통해 삼투압을 조절하여 살아남는 식물이다. 그래서 많은 양의 염분을 특히 잎에 축적하고 있다. 식물의 뿌리 부분부터 잎까지 올라오면서 뿌리와 줄기 중앙에서 나트륨을 현저히 적게, 전체적으로 관찰할 수 있었다. →전체적으로 염분이 관찰되었으므로 현 시점에서는 빨대에 적용하기 어렵다는 결론에 도달했다.

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(3) 갈대

갈대 곁뿌리 횡단면

갈대 곁뿌리 횡단면 사진이다. 곁뿌리는 두꺼운 원뿌리에 달린 얇은 뿌리들을 말 한다.

뿌리 전체의 모습을 한 번에 촬영했는데, 표피의 녹색 형광이 가장 강했고 중심에 있는 관다발을 둘러싼 어떤 한 세포층을 중심으로 뿌리 내부에서는 녹색 형광을 찾아보기 어렵다.

이는 그 세포층의 밖과 안의 나트륨의 이 동이 제한된 것으로 볼 수 있다.

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갈대 줄기의 하단부 횡단면

뿌리에서 나트륨 이온이 관다발로 들어오지 못해 물관을 통한 나트륨 이온의 이동이 일 어나지 않고 따라서 갈대의 줄기를 봐도 내 부에 나트륨이온을 거의 찾아볼 수 없다. 표 피부분의 약한 형광은 소금물을 주는 과정 에서 나트륨이온이 묻어 흡수된 것 같다. 관 찰 부위가 갈대 줄기의 하단부이기 때문이 다.

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갈대 잎 횡단면

갈대 잎은 전체적으로 약한 형광을 띤다. 하 지만 이 정도의 형광은 원래 식물내의 나트 륨이온으로 인한 것으로 볼 수 있다. 식물 내에는 막전위 변화에 이용되는 등 나트륨 이온이 소량 분포하고 있다.

최종 해석 : 갈대는 나트륨 이온을 뿌리에 저장해 두고 나중에 그 뿌리를 고사시켜 잘라내어 흡수한 염분을 제거한다. 사진을 뿌리부터 잎까지 보면 표피부분을 제외하면 거의 형광을 띠지 않는다.

물관에서도 녹색 형광을 찾아볼 수 없다. →사진 해석 결과 관다발을 둘러싼 세포층을 나트륨 이온이 통과하지 못함을 알게 되었다. 이 세포층에 주목해 그 원리를 연구한다면 제 2의 생체모방 담수용 멤브레인 개발이 가능할 것이다. 멤브레인 개발 후에는 생명빨대에도 적용 가능할 것이다.

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(4) 가지

가지 뿌리 횡단면

가지 뿌리의 횡단면 사진이다. 사진을 보면 나트륨 이온이 아무 제약 없이 중앙의 물 관으로 보이는 부분까지 이동해서 뿌리 단 면 전체가 녹색 형광을 진하게 띠고 있다.

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가지 줄기 하단부-상단부

△가지 줄기 하단부

△가지 줄기 상단부

위는 가지 줄기 하단부의 표피 부분을 확대 해 찍은 사진이다. 아래는 가지 줄기 상단부 사진이다. 두 사진 모두 전체적으로 강한 녹 색 형광을 띠고 있다.

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가지 잎

가지 잎 역시 강한 녹색 형광을 띠고 있다.

형광의 세기로 보아 원래 식물 내에 존재하 던 소량의 나트륨 이온으로 보기는 힘들 정 도이다. 따라서 염분토양에서 나트륨이온이 아무 제약 없이 잎까지 이동했다고 추측할 수 있다.

최종 해석 : 가지는 뿌리에서 물관으로 나트륨 이온을 흡수하여 줄기를 거쳐 잎까지 식물 전체로 나트륨 이온이 이동했다. → 사진 해석 결과는 가지가 비염생 식물이기 때문에 염분 배출 구조를 특별히 갖추지 못하였다는 것을 의미한다. 그래서 가지 같은 중성 식물, 비염생 식물은 염류 토양에서 살아남지 못한다.

가지를 제외한 앞선 세 식물들은 각자의 염분 배출 구조를 갖추고 있는 염생 식물이기에 염류 토양에서도 생존할 수 있는 것이다.

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□ 시사점

○ 이 연구를 통해 서로 다른 염분 배출 구조를 가진 세 종류의 염생 식물의 염분배출구조와 이용 가능성을 파악 할 수 있었다. 가장 해수담수화 생명빨대에의 활용 가능성이 높은 것은 맹그로브와 갈대이다. 어떤 명확한 염분배출구조(정확히는 나트륨 이온을 막는 층)를 가지고 있기 때문이 이 원리를 알아내면 활용가능성이 있다. 하지만 아쉽게도 퉁퉁 마디는 식물 내부로 나트륨이온을 흡수해서 삼투압을 조절해 수분을 유지하는 식물이기에 이를 적절하게 활용해 담수화에 적용하기란 요원해 보인다.

가지를 통해서는 염생 식물이 가진 각자의 특색 있는 염분배출 구조의 특이성과 중요성 을 알 수 있었다. 염분에서 살아남는 구조는 오직 염생 식물들만이 가진 것이기에 염생 식물의 가치를 높여주는 것이다. 실제로 염분토양에 남아있던 나머지 가지들은 삼투압 조절에 실패했기에 말라 죽었다. 이번 연구를 통해 알게 되었듯이 염생 식물의 종류는 매우 다양하고 활용될 여지가 있는 염분배출구조도 마찬가지로 다양하다. 앞으로 더 많은 연구가 진행되어 해수담수화에 적용된다면 미래의 물 자원에 큰 도움이 될 것이다.

4. 홍보 및 사후 활용

□ 연구 내용을 포스터로 제작하여 학교 복도에 게시하고 친구들이 관심을 가지고 볼 수 있도록 할 예정이다. 후에 기회가 된다면 이러한 염생 식물과 해수 담수화에 대해서 비슷한 주제로 더 깊이 있게 연구해 보고 싶다.

5. 참고문헌

- 강수민, 강유림, 김하린, 라소현(2017), A Comparative Study on the Revitalization of Water Systems and Water Industry in Singapore and Korea, 2017년 용화여자고등학교 GLS 해수 담수화 연구 자료

- 김은규(2013), 한국의 염생식물

- 김환명(2010)이광자 형광 프로브, 이를 이용한 나트륨 생체 내 이미징 방법 및 이의 제조방법 - 미래창조과학부, 대한민국 정책 브리핑 기사-식물 뿌리 모방한 새로운 해수담수화 기술 개발 - 송은영(2010), 반트호프가 들려주는 삼투압 이야기

- 이상준(2017), Development of a Desalination Membrane Bioinspired by Mangrove Roots for Spontaneous Filtration of Sodium Ions

- 이상준(2017), Novel water filtration of saline water in the outermost layer of mangrove roots - Neuroscience methods, Properties of the new fluorescent Na⁺ indicator CoroNa Green : Comparison with SBFI and confocal Na⁺ imaging

- Roplant ( Water Industry Network ), 해수담수화 공정별 세부사항

- Thermo Fisher scientific(2010), Molecular Probes™ Handbook의 CHAPTER 21 Indicators for Na+, K+, Cl and Miscellaneous Ions 중 Na+ 부분 (A Guide to Fluorescent Probes and Labeling