< 연구 결과요약서 >

< 연구 결과요약서 >

소속 학교 연무 고등학 교 책임 지 도교사 조O호 공 동 지도교 사 이O 호

참여학생 정O림, 조 O서, 이O영, 이O철, 조O준

과 제 명 미세먼지에 대한 공기정화식물의 효능과 원리 탐구

연구목표 미세먼지의 심각성을 환기하고, 공기정화식물의 효능과 원리를 탐구한다.

연구내용

□ 이론적 배경 및 선행연구

○ 공기정화식물의 원리는 대체적으로 먼지를 흡수하는 기공의 크기와 관련이 있다. 기공의 크기는 약 정도이기 때문에 2.5이하의 미세먼지는 기공으로 쉽게 흡수가 된다. 공기정화 식물 모두 미세먼지의 종류를 구별하는 것이 아니라 기공보다 작으면 일단 흡수하는 만큼 미세먼지 정화에 충분히 좋은 효과가 있음을 예상할 수 있다.

○ 우리나라 자생식물의 먼지 제거 효율에 대한 연구 : 식물이 음이온을 방출한다는 것을 이용하 여 수생식물인 암브리아를 염화구리 수용액에 넣어 방출된 음이온이 구리이온과 반응하여 암브리아를 넣기 전과 후의 무게 변화를 측정하여 음이온 방출량을 비교한 실험의 기법을 이용해 공기정화식물의 음이온 방출을 확인하는 실험에 이용할 수 있다고 생각한다.

□ 연구 주제 선정(목적 및 필요성)

○ 공기정화식물의 미세먼지 제거 방법에 대하여 정의할 수 있다.

○ 식물의 변화를 통해, 미세먼지의 피해정도에 따른 심각성을 환기시킬 수 있다.

□ 연구 방법

○ 미세먼지의 농도를 달리 하여 식물에 미치는 영향을 알아본다.

○ 미세먼지가 식물의 기공을 통해 흡수되는 가설을 증명한다.

※ 제한점

미세먼지 농도 약 1000^

태우는 양 1그램(g)

태우는 시간 1g의 모기향이 다 탈 때까지

온도 섭씨 약 29도

위치 1. 용기: 햇볕이 잘 드는 창가아래 가까이 붙여서 2. 개체간 거리:20센티미터

면적당 식물 수

1.산호수를 심은:0.375m2 당4개체 2.아이비를 심은:0.375m2 당4개체 3.정화식물 없는:0.375m2 당8개체 물주는 양 각 용기 당(0.375m2)당 2L씩 / 2일에 한번

□ 연구 활동 및 과정

○ 실험 가. 미세먼지 농도에 따른 식물의 피해정도 1. 실험상자1과 실험상자2를 준비한다.

2. 이틀 1회 실험상자1, 2에 각각 모기향 6g을 태우고 강낭콩의 생장지표를 측정한다.

3. 강낭콩의 잎을 채취하여 알콜이 담긴 비커에 담근다.

4. 엽록소가 빠져 하얀 색이 될정도로 중탕가열한다.

5. 농도를 다르게 한 요오드 용액을 탈색된 강낭콩 잎에 떨구어 반응을 확인한다.

6. 실험상자 1과 2의 과정2에서 충분한 실험 결과를 산출한 후 실험상자1과 2의 강낭 콩을 새것으로 바꾼다.

7. 이틀 1회 실험상자1, 2에 각각 모기향 1g을 태우고 강낭콩의 생장지표를 측정한다.

8. 실험과정 3, 4, 5를 실행한다.

9. 모기향을 6g 태웠을 때와 1g 태웠을 때의 요오드 용액에서의 반응 정도와 생장지표 결과를 비교하여 표로 정리한다.

○ 실험 나. 공기정화식물의 종류에 따른 미세먼지 제거 효능 1. 실험상자 1, 2, 3를 준비한다.

2. 이틀에 1회 실험상자 1, 2 ,3에 각각 모기향 1g을 태우고, 미세먼지 농도 변화를 미 세먼지 측정기를 이용하여 미세먼지 농도를 측정한다. 이때 미세먼지를 태우기 시작한 시 점과 태우고 1시간 경과한 시점에서 미세먼지 농도를 측정한다.

3. 이틀에 1회 실험상자 1, 2 ,3에 각각 모기향 1g을 태우고, 강낭콩의 생장지표를 측 정한다. 이때 생장지표는 강낭콩의 크기와 잎의 수이다.

4. 과정2와 3에서 얻은 실험 결과를 비교하여 표로 정리한다.

○ 실험 다. 공기정화식물의 원리 탐구 1. 산호수와 아이비 줄기를 준비한다.

2. 황산구리 용액이 든 비커 2개에 산호수와 아이비 줄기를 각각 담는다.

3. 산호수와 아이비가 광합성 할 수 있도록 충분한 빛을 비춘다.

4. 산호수와 아이비에 구리가 석출되었는지 확인한다.

1. 실험상자 1과 2를 2준비한다.

2. 실험상자 1과 2에 각각 모기향 1g을 태운다.

3. 실험상자 1과 2의 공기정화식물의 잎을 현미경으로 관찰하여 미세먼지를 확인한다.

1. 실험상자 1과 2를 준비한다.

2. pH측정기를 이용하여 실험상자1과 2의 토양의 pH를 측정한다.

3. 토양실험상자1과 2에 각각 모기향 1g을 태우고, pH측정기를 이용하여 토양의 pH를 측정한다.

연구성과

□ 연구 결과

○ <미세먼지 농도에 따른 강낭콩 생존률>

실험 식물

1차 실험

(모기향 6g, 약 6000^)

2차 실험

(모기향 1g, 약 1000^)

아이비 0% (4개중 0개 생존) 0% (4개중 0개 생존)

○ <미세먼지 농도 변화와 토양 pH 변화 측정 결과>

27.4도 / 담배 10초 660 μg 6:30PM

7:30PM

□ 결과 해석 및 논의

○ 6.30pm에 측정한 미세먼지의 농도(ug/m3)는 상자1, 2, 3 모두 660이였다. 1시간이 지난 7.30pm에 측정한 미세먼지의 농도는 상자1 (378), 상자2 (28), 상자3 (69)로 감소한 모습을 보였다. 상자1도 감소하였지만, 상자1와 상자3의 비해 확연한 차이를 보아 공기정화식물의 미세먼지 정화 능력의 효능을 알아볼 수 있었다.

○ 6.30pm에 측정한 토양의 ph는 상자1 (6.96), 상자2 (6.7), 상자3 (6.32)였다. 1시간이 지난 7.30pm에 측정한 토양의 ph는 상자1 (6.01/-0.95), 상자2 (5.52/-1.18), 상자3 (5.64/-0.68)로 감소한 모습을 보였다. 감소한 순위는 상자2, 상자1, 상자3의 순서였다.

○ 농도 측정의 결과로 아이비가 산호수보다 더 농도를 감소시켰다. 토양 또한 산호수보다 아이비의 토양 ph가 더 감소하였다. 아이비는 미세먼지를 흡수해서 배출하는 능력이 뛰어날 것이다. 이번 실험에서 산호수의 변화율이 작은 것으로 보아, 산호수는 미세먼지를 흡수에서 배출하는 능력이 약하며, 미세먼지를 흡수하는 원리는 음이온 방출이 더 영향이 클 것이라 생각한다.

□ 결론 및 제언(시사점 및 향후 계획)

첫 번째 실험에서 실험상자1,2,3에 있는 모든 강낭콩이 말라 죽었음을 알 수 있다. 모 기향을 태우는 시행 1회만에 이러한 결과가 나왔다. 이는 모기향의 적절한 양을 설정하 는 과정이 부재했기 때문이다. 새싹들로 실험을 진행하여 과도한 모기향을 버티기에는 턱 없이 연약했다. 그래서 미세먼지가 식물 생장에 미치는 영향을 관찰하려 했던 기존의 실 험방향을 변경하여 미세먼지가 성체인 식물에 미치는 영향을 관찰하기로 했다. 이틀 간격 으로 총 2회 모기향 1g을 태운 결과 첫 번째 실험처럼 상당수의 강낭콩이 말라 죽었다.

예상보다 훨씬 모기향의 성분이 독해 첫 번째 실험보다 상대적으로 태운 모기향의 양이 적었으나 비슷한 결과가 도출되었다. 아이비와 산호수는 강낭콩보다 상대적으로 매우 건 강한 상태를 유지하였는데, 이를 통해서는 강낭콩 보다 공기정화식물이 미세먼지에 더 강 함을 알 수 있다.

아이비가 담긴 황산구리 용액에서 기포가 발생하여 식물이 죽지 않고 광합성을 하고 산호수 0% (4개중 0개 생존) 75% (4개중 3개 생존)

상자 1 상자 2 상자 3

pH 6.96 6.7 6.32

μg/m³ 660 μg _{660 μ}g/m³ 660 μg

상자 1 상자 2 상자 3

pH 6.01 5.52 5.64

μg/m³ 378 μg 28 μg 69 μg

있음을 알 수 있었다. 아이비 잎을 현미경으로 관찰한 결과 구리는 석출되지 않았다. 산 호수의 경우 아이비와 같이 황산구리 용액에서 기포를 확인할 수 있었다. 1시간 경과 후 산호수 잎에는 육안으로 볼 수 있을 정도로 푸른 결정이 생겼다. 현미경 관찰 결과 구리 결정임이 확인 되었다. 이를 통해 아이비보다 산호수가 음이온을 더 활발히 방출한다는 결론을 내릴 수 있었다.

주요어 미세먼지, 공기정화식물, 기공, 음이온

< 연구 결과보고서 >

1. 개요

□ 연구목적

○ 중국 발 미세먼지가 한반도를 강타하면서, 미세먼지는 국제적인 면에서 커다란 문제점 으로서 제기되고 있다. 특히 미세먼지 농도가 증가하여 나쁨 단계에 이르렀을 때에는 매체에 서 사람들에게 외출을 자제할 것을 권고할 정도로 미세먼지가 사람에게 끼치는 유해성이 심각함을 알 수 있다. 동시에 포털 사이트에서는 미세먼지가 검색어 1위에 오르는 등 전국적으 로 미세먼지에 대한 사람들의 의식이 높아졌음도 알 수 있었다. 현재 중국의 무책임한 태도로 인해 근본적인 미세먼지의 해결책이 나오지 않는 상황에서 사람들은 미세먼지 마스크, 휴대 용 미세먼지 측정기, 미세먼지 정화 식물 등을 활용하여 미세먼지로 인한 피해를 최소화하고 자 하는 모습을 보인다.

이 중 우리는 실내의 미세먼지 농도를 감소시키는 공기정화식물의 정화능력에 주목 했다. 미세먼지는 주로 동물 및 사람에게 호흡기 질환을 야기하는데, 삼단논법을 통해 식물도 동물과 같이 호흡을 하므로 미세먼지가 식물에게 악영향을 미치지 않을까 라는 결론이 이끌어졌다. 그래서 일반적인 식물과 공기정화식물의 차이는 무엇이기에 정화 능력이라는 차이가 발생하며, 공기정화식물은 미세먼지의 농도를 어느 정도로 감소시 키는지에 대하여 의문점을 가지게 되었다.

그리고 공기정화식물과 일반식물을 함께 기름으로써 미세먼지 농도 감소에 따른 공 기정화식물의 효능을 측정하고, 미세먼지를 정화한 후에 공기정화식물을 관찰하여 이 식물이 어떠한 방법으로 미세먼지를 제거하는지에 대해 주목하여 탐구하게 되었다.

1. 미세먼지가 식물에 미치는 영향 및 범위를 알 수 있다.

2. 공기정화식물의 미세먼지 제거 방법에 대하여 정의할 수 있다.

3. 식물의 변화를 통해, 미세먼지의 피해정도에 따른 심각성을 환기시킬 수 있다.

4. 공기정화식물의 효능에 대하여 경제적 측면에서 예측할 수 있다.

□ 연구범위

○ 공기정화 원리

가) 기공 흡수를 통한 공기정화 원리 나) 음이온 방출을 통한 공기정화 원리

○ 공기정화 효율

가) 실험식물의 생존률 나) 미세먼지 농도 변화 다) pH 변화

2. 연구 수행 내용

□ 이론적 배경 및 선행 연구

○ 이론적 배경 가. 미세먼지

미세먼지란 대기 중에 떠다니거나 흩날려 내려오는 입자상 물질을 말한다. 미세먼지 는 입자의 크기에 따라 50μm 이하인 총먼지, 입자 크기가 매우 작은 미세먼지로 구분 한다. 미세먼지는 다시 지름이 10마μm보다 작은 미세먼지PM10과 지름이 2.5μm보다 작은 PM2.5로 나뉜다.

미세먼지의 발생원인은 인위적 원인과 자연적 원인으로 나뉜다. 보일러, 발전시설, 자 동차 등을 통해 발생하는 매연 즉 선탄 석유 등과 같은 화석 연료가 연소할 때 미세먼 지가 발생하며 이와 같은 발생원인을 인위적 원인이라 한다. 자연적 원인으론 꽃가루, 흙먼지 등이 있다.

인위적 원인으로 발생한 미세먼지는 1차적 발생과 2차적 발생으로 다시 나뉠 수 있 다. 1차적 발생은 고체 상태로 미세먼지가 배출되는 것을 2차적 발생은 공기 중에 가 스 상태로 배출되어 다른 물질과 화학반응을 일으켜 미세먼지가 되는 것을 의미한다. 화석 연료가 연소하는 과정에서 휘발성 유기화합물, 황산화물, 질소산화물, 암모니아 등이 공기 중에 반응성이 강한 오존, HO 등과 반응하여 2차 유기입자, 황산암모늄, 진 산암모늄이 생성되며 입자성 물질로써 미세먼지가 된다.

환경부가 2016년에 공개한 자료를 통해 PM2.5는 황산염과 잘신염 등 58.3%, 탄소류 와 검댕 16.8%, 광물 6.3%, 기타 18.6%로 이루어져 있음을 알 수 있다. 또한, 미세먼지 는 산업시설, 자동차 배기가스로부터 발생하는 만큼 중금속을 포함하고 있다. 2014년 한국지질자원연구원 이평구 박사팀이 대전 지역에서 채취한 초미세먼지를 분석한 결과 PM2.5의 평균 중금속 함량은 카드뮴 44ppm, 비소 290ppm, 납 2,520ppm, 아연 5,490ppm 등 인 것을 확인할 수 있다. 미세먼지는 중금속 성분이 포함되어 있어 양이 온을 띠고 있다.

나. 광합성

모든 생물은 유기물을 분해하여 에너지를 얻는다. 식물이 빛을 이용하여 양분을 스스 로 만드는 과정에서 빛에너지는 화학 에너지로 전환되어 유기물에 저장된다. 광합성은 빛에너지를 이용하여 이산화탄소와 물 같이 에너지 수준이 낮은 무기물을 포도당 같이 에너지 수준이 높은 유기물로 합성하는 과정이다. 포도당은 곧바로 녹말로 전환되어 잎에 저장된다. 산소의 일부는 식물 자체의 호흡에 쓰이고, 기공을 통해 배출되기도 한 다. 광합성 장소인 엽록체의 내막 안 스트로마에서 포도당이 합성된다. 스트로마 속 틸 라코이드는 빛에너지를 흡수하는 광합성 색소와 수많은 단백질 복합체, ATP 합성 효 소 등이 에너지 전환에 관여한다.

광합성은 빛에너지를 이용하는 명반응과 이산화탄소를 이용하는 암반응으로 구분되 어 있으며, 벤슨의 실험을 통해 명반응이 일어난 다음에 암반응이 일어난다는 것을 알 수 있다. 명반응은 빛에너지를 화학 에너지로 전환하는 단계로 틸라코이드 막에서 일 어난다. 틸라코이드 막에 있는 엽록소가 빛에너지를 흡수하여 ATP와 NADPH를 생성 하는데, 이 두 가지 생성물은 암반응의 반응물로 사용된다. 또한 광인산화 과정에서 물 이 광분해되어 산소가 발생한다. 광인산화는 비순환적 광인산화와 순환적 광인산화로 나뉘는데, 비순환적 광인산화는 제2광계, 제1광계 모두가 관여하지만 순환적 광인산화 는 제1광계만 관여하여 ATP만 생성하고 NADPH와 산소는 생성하지 않는다.

암반응은 이산화탄소를 포도당으로 전환하는 단계로, 스트로마에서 일어난다. 명반응 생성물 ATP, NADPH를 이용하여 포도당을 합성하는 캘빈 회로가 작용한다. 캘빈 회 로에는 빛을 필요로 하지 않지만 명반응 생성물이 공급되어야 회로가 회전하므로 지속 적으로 명반응이 일어나야 한다. 그러기 위해서는 지속적으로 빛이 공급되어야 하므로 명반응이 일어난 뒤 암반응이 진행될 수 있는 것이다. 캘빈 회로는 ^CO 2의 고정, 탄소

환원, RuBP의 재생 순으로 진행된다. 이 과정에서 포도당 한분자가 생성되려면 캘빈회 로는 총 6번 회전해야 한다.

명반응을 통해 O ₂가 생성되고 암반응을 통해 포도당과 물이 생성되므로 반응식은 다음과 같다.

_ _→___ _ _

다. 세포호흡

세포호흡은 영양소 분해를 통해 필요한 에너지를 얻는 작용으로 세포질과 미토콘드 리아에서 일어난다. 세포호흡은 해당 작용, TCA 회로, 산화적 인산화의 3단계로 이루 어진다. 세포호흡의 첫 번째 단계인 해당 작용은 산소 없이도 진행되고 세포질에서 일 어난다. 6탄당인 포도당은 해당작용을 거쳐 3탄당인 피루브산 2분자로 분해된다. 이 과 정에서 2분자의 ATP와 2분자의 NADH가 생산된다. 해당 작용은 2분자의 ATP가 투입 되어 포도당이 활성화되어 과당 2인산으로 되는 에너지 투자기와 과당 2인산이 2분자 의 피루브산으로 분해되면서 4분자의 ATP가 생산되는 에너지 회수기로 구분된다.

해당작용을 통해 생산된 피루브산은 산소가 공급되기 시작하면 막을 통과하여 기질 로 들어간다. 1분자의 피루브산은 아세틸 CoA가 된 후 TCA 회로를 거쳐 1ATP와 3분 자의 이산화탄소가 생성된다. 또한 탙수소효소의 작용으로 4분자의 NADH, 1분자의

_가 생산된다. 이산화탄소는 미토콘드리아 밖으로 방출되고 NADH와 _는 전자전달계로 운반되어 ATP를 생산하게 된다.

산화적 인산화는 전자 전달계와 화학 삼투에 의해 ATP를 합성하며 해당 작용이나 TCA회로와 달리 산화환원반응에 의해 이루어진다. 산화적 인산화를 통해 1분자의 NADH로부터 3분자의 ATP가 생산되고, 1분자의 _로부터 2분자의 ATP가 생산 된다. 해당작용과 TCA회로를 통해 생성된 NADH와 _는 전자전달계에 높은 에 너지를 가진 전자를 전달하고 각각 ^와 FAD로 산화된다. 높은 에너지를 가진 전 자가 전자 전달계를 지날 때 일부 전자 운반체는 수소이온을 미토콘드리아 기질에서 내막과 외막사이 공간으로 방출한다. 이로 인해 내막을 경계로 수소이온의 농도 기울 기가 형성된다. 그 결과 수소이온이 농도기울기에 따라 막 사이 공간에서 기질로 확산 되어 들어오는데, ATP합성효소를 통과하면서 에너지를 방출한다. ATP합성효소는 이 에너지를 이용하여 ADP를 ATP로 합성한다.

___ _ _→ _ _^{ 에너지}

라. 기공

잎의 뒷면에 있는 공기구멍으로 두 개의 공변세포에 의해 열리고 닫힌다. 일반적으로 잎의 뒷면에 많으며 광합성에 필요한 이산화탄소가 들어오고 광합성의 결과로 만들어 진 산소배출 등 동화작용, 흡수작용, 증발산작용 등의 가스대사에 있어서 공기의 통로 역할을 한다.

공기정화식물의 원리는 대체적으로 먼지를 흡수하는 기공의 크기와 관련이 있다. 기 공의 크기는 약 정도이기 때문에 2.5^이하의 미세먼지는 기공으로 쉽게 흡수가 된 다. 공기정화식물 모두 미세먼지의 종류를 구별하는 것이 아니라 기공보다 작으면 일 단 흡수하는 만큼 미세먼지 정화에 충분히 좋은 효과가 있음을 예상할 수 있다.

마. 공기정화식물

공기정화식물이란 실내공기 속에 여러 유해물질을 정화하여 실내 환경을 쾌적하게 하는 식물로서 크게 폼알데하이드 제거식물, 휘발성 유기화합물 제거식물, 암모니아 제 거식물, 일산화탄소 제거식물로 나뉜다. 폼알데하이드 제거식물에는 대나무야자, 골든 포토스, 홍콩야자등이 있고 휘발성 유기화합물 제거식물엔 스파티필름, 암모니아 제거 식물은 관음죽, 국화등이 있으며 일산화탄소 제거식물에는 안스리움, 골든포토스 등이 있다.

바. 식물의 음이온

식물에서 명반응의 광분해 과정 중 음이온이 생성된다. 광계Ⅱ에서 물이 Mn 산소 발 생 복합체를 경유하고 산소와 수소로 분리되며 음이온이 생성된다. 따라서 광분해시 분리된 전자가 산소를 음이온으로 만들고 음이온 화 산소가 물의 클러스터와 결합하여 음이온이 된다. 식물 유래 음이온은 주로 잎의 기공을 통한 증산작용으로 수분이 대 기로 나오는 과정에서 물이 쪼개지며 음이온이 발생한다. 그 음이온은 물 분자가 수소 이온과 수산화이온으로 분해되고 수산화이온에 물이 결합된 OH- (H2O)n형태로 대전된 다고 알려져 있다. 음이온은 일반적으로 광도가 높을 경우 많이 발생하며, 증산작용이 활발할수록 음이온 발생량이 많다.

사. 산화 환원 반응과 전자의 이동

이온 결합 화합물을 생성하는 금속 원소와 비금속 원소의 반응은 다음과 같이 산화 반응과 환원 반응으로 구분할 수 있다. 산화 반응에서 물질은 전자를 잃고, 환원 반응 에서는 물질이 전자를 얻는다. 그리고 산화와 환원은 동시에 진행되며, 이 과정에서 산 화된 물질이 잃은 전체 전자 수와 환원된 물질이 얻는 전체 전자 수는 항상 동일하므 로 반응물 전체의 전하와 생성물전체의 전하는 같다.

금(Au)이나, 백금(Pt), 은(Ag)과 같은 일부금속을 제외한 대부분의 금속은 산과 반응 하여 금속 양이온으로 되고, 수소 기체가 발생한다. 이 반응에서 금속 마그네슘은 전자 를 잃어 산화되고, 산의 수소 이온(H⁺)은 전자를 얻어 환원된다.

2HCl(aq) → 2H⁺(aq) + Cl⁻(aq) Mg(s) → Mg²⁺(aq) + 2e⁻

2H⁺(aq) + 2e⁻ → H₂(g)

━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━

Mg(s) + 2HCl(aq) → MgCl₂(aq) + H₂(g)

금속과 금속 이온 사이의 반응을 이용하여 금속의 반응성(전자를 잃기 쉬운 정도) 크 기를 비교할 수 있는데, 금속이 물이나 산소, 묽은 산과 반응하여 전자를 잃고 양이온

으로 산화되기 쉬운 정도는

K>Ca>Na>Mg>Al>Zn>Fe>Ni>Sn>Pb>H>Cu>Hg>Ag>Pt>Au 이므로 일반적으로 이온 화 에너지가 작은 금속일수록 전자를 잃고 양이온으로 산화되기 쉽다.

CuSo₄(aq) → Cu²⁺(aq) +　So₄²⁻(aq) Fe(s) → Fe²⁺(aq) + 2e⁻

Cu²⁺(aq) + 2e⁻ → Cu(s)

━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━

Fe(s) + CuSo₄(aq) → FeSo₄(aq) + Cu(s)

그러므로 위의 식과 같은 수용액상태의 금속양이온은 전자를 얻게 되면 환원되어 고 체상태의 금속으로 석출되게 된다.

○ 선행 연구

선행연구제목 연구내용 시사점

식물에서 음이온 생성과 그에 관여하는

요인

비오염지와 오염지간의 음이온양 을 비교했고, 음이온 생성에 미 치는 요인을 분석하기 위해 정화 수종으로 알려진 일본사시나무, 피톤치드 효과가 있는 소나무, 관상수목으로 이용되는 Glochidion obovatum S. 사용하 여 음이온 생성값을 측정함.

음이온 방출 수치를 우리 의 실험에 이용하지 못하 는 이온측정기를 사용하 였으므로 불필요한 측정 방법이다.

피톤치드는 소나무와 편 백나무 등으로 공기정화 식물의 효능과는 무관한 실험이었다.

식물이 음이온을 방출한 다는 것을 실험을 통해 과학적으로 나타내 주었 다.

우리나라 가. 광합성량이 음이온 방출에 가의 실험 1)에서 식물이

□ 연구 방법

○ 변인통제 자생식물의

먼지 제거 효율에 대한

연구

미치는 영향

1)염화구리 수용액에서의 구리석 출실험

2)전류 측정기를 이용한 음이온 방출량 측정

3)암브리아의 광합성량과 먼지 제거와의 상관관계

나. 광합성량이 식물의 공기정화 능력에 미치는 영향

1) 식물의 색먼지 흡수 과정 탐 구

2) 식물의 담배 연기 흡수 과정 탐구

3) 보스톤고사리의 광합성량과 먼지 제거와의 상관관계

다. 우리나라 자생식물의 공기정 화능력 탐구

1) 우리나라 자생 양치식물의 담 배연기 제거 효율 측정

2) 우리나라 자생 양치식물의 휘 발성 유기화합물 제거 효율 측정

음이온을 방출한다는 것 을 이용하여 수생식물인 암브리아를 염화구리 수 용액에 넣어 방출된 음이 온이 구리이온과 반응하 여

암브리아를 넣기 전과 후 의 무게 변화를 측정하여 음이온 방출량을 비교한 실험의 기법을 이용해 공 기정화식물의 음이온 방 출을 확인하는 실험에 이 용할 수 있다고 생각한 다.

미세먼지 농도 약 1000^{}

태우는 양 1그램(g)

태우는 시간 1g의 모기향이 다 탈 때까지

온도 섭씨 약 29도

위치 1. 용기: 햇볕이 잘 드는 창가아래 가까이 붙여서 2. 개체간 거리:20센티미터

면적당 식물 수 1.산호수를 심은:0.375m2 당4개체

○ 생장지표 기준

1. 키 : 고추모종의 꼭대기부분에 새순이 돋아나는 지점 또는 새순이 돋아 가장높이 까지 올라간 길이

2. 잎의 개수 : 누렇게 변하지 않은, 새순(잎 받침부터 잎 끝까지 2센티미터가 되지 않는 잎)을 제외한 모든 잎의 개수

3. 줄기두께 : 새로운 줄기가 돋아난 개체에만 해당하며 새 줄기가 돋아난 개체에 흙 표면에서 약 3센티미터 떨어진 지점을 실로 감아 측정

○ 준비물

스티로폼 상자(77*47*28.5), 아크릴 판(70*50), 아크릴 판(80*50) 강낭콩, 아이비 2뿌리, 산호수 2뿌리, 요오드 용액, pH측정기, 모기향

미세먼지 측정기는 (주)이쓰리 제품 AIRCOCK BABY으로 휴대폰 앱과 연결하여 미세 먼지 농도 수치를 확인 할 수 있다.

1. 스티로폼 상자 3개를 이어 붙이고 측면을 65*45크기의 직사각형 모양으로 제거한 후 아크릴 판 (70*50)을 고정시킨다.

2. 윗면에 아크릴 판 (80*50)을 여닫을 수 있게 고정시킨다. 이와 같은 방법으로 실험 상자를 4개 제작한다.

3. 제작한 실험 상자 1, 2, 3을 준비한다.

강낭콩 4개와 아이비 2개를 실험 상자1에 심는다.

강낭콩 4개와 산호수 2개를 실험 상자2에 심는다.

강낭콩 8개를 실험상자3에 심는다.

□ 연구 활동 및 과정

- 실험 가. 미세먼지 농도에 따른 식물의 피해정도

1. 실험상자1과 실험상자2를 준비한다.

2. 이틀에 1회 실험상자1, 2에 각각 모기향 6g을 태우고 강낭콩의 생장지표를 측정한 다.

3. 강낭콩의 잎을 채취하여 알콜이 담긴 비커에 담근다.

4. 엽록소가 빠져 하얀 색이 될정도로 중탕가열한다.

5. 농도를 다르게 한 요오드 용액을 탈색된 강낭콩 잎에 떨구어 반응을 확인한다.

6. 실험상자 1과 2의 과정2에서 충분한 실험 결과를 산출한 후 실험상자1과 2의 강 낭콩을 새것으로 바꾼다.

2.아이비를 심은:0.375m2 당4개체 3.정화식물 없는:0.375m2 당8개체 물주는 양 각 용기 당(0.375m2)당 2L씩 / 2일에 한번

7. 이틀에 1회 실험상자1, 2에 각각 모기향 1g을 태우고 강낭콩의 생장지표를 측정한 다.

8. 실험과정 3, 4, 5를 실행한다.

9. 모기향을 6g 태웠을 때와 1g 태웠을 때의 요오드 용액에서의 반응 정도와 생장지 표 결과를 비교하여 표로 정리한다.

- 실험 나. 공기정화식물의 종류에 따른 미세먼지 제거 효능

1. 실험상자 1, 2, 3를 준비한다.

2. 2틀에 1회 실험상자 1, 2 ,3에 각각 모기향 1g을 태우고, 미세먼지 농도 변화를 미 세먼지 측정기를 이용하여 미세먼지 농도를 측정한다. 이때 미세먼지를 태우기 시작한 시점과 태우고 1시간 경과한 시점에서 미세먼지 농도를 측정한다.

3. 2틀에 1회 실험상자 1, 2 ,3에 각각 모기향 1g을 태우고, 강낭콩의 생장지표를 측 정한다. 이때 생장지표는 강낭콩의 크기와 잎의 수이다.

4. 과정2와 3에서 얻은 실험 결과를 비교하여 표로 정리한다.

- 실험 다. 공기정화식물의 원리 탐구

1) 가설4를 위한 실험

1. 산호수와 아이비 줄기를 준비한다.

2. 황산구리 용액이 든 비커 2개에 산호수와 아이비 줄기를 각각 담는다.

3. 산호수와 아이비가 광합성 할 수 있도록 충분한 빛을 비춘다 4. 산호수와 아이비에 구리가 석출되었는지 확인한다.

2) 가설5를 위한 실험

1. 실험상자 1과 2를 2준비한다.

2. 실험상자 1과 2에 각각 모기향 1g을 태운다.

3. 실험상자 1과 2의 공기정화식물의 잎을 현미경으로 관찰하여 미세먼지를 확인한 다.

3) 가설6을 위한 실험

1. 실험상자 1과 2를 준비한다.

2. pH측정기를 이용하여 실험상자1과 2의 토양의 pH를 측정한다.

3. 토양실험상자1과 2에 각각 모기향 1g을 태우고, pH측정기를 이용하여 토양의 pH를 측정한다.

3. 연구 결과 및 시사점

□ 연구 결과

실험 (가)와 (나)에서 모 기향 6g을 1회 연소시킨 후 강낭콩을 확인한 결과 모기향을 태운 모든 실험상자 강낭 콩이 말라 죽었다.

<미세먼지 농도에 따른 강낭콩 생존률>

서서히 생장에서의 차이점을 관찰할 수 있을 거란 기대와는 다르게 강낭콩이 실험 1회만에 모두 죽은 원인을 사전조사 없이 모기향 정량을 과도하게 설정한 것으로 본 다. (결과는 죽음. 결론이 예상) 이로 인해 생장지표, 광합성량, Ph농도를 측정하지 못 하였고, 실험 (다) – 1번 실험을 하지 못했다.

실험 (다) - 2번 실험을 통해 아이비에서 구리는 검출되지 않았지만, 산호수 잎에서 는 구리가 검출됨을 확인했다. 아이비에서는 음이온 방출량이 산호수에 비해 적어 이 와 같은 결과가 나왔다고 생각한다.

- 미세먼지 농도 변화와 토양 pH 변화 측정 결과

27.4도 / 담배 10초 660^μg

6:30PM

상자 1 상자 2 상자 3

실험

식물 1차 실험 (모기향 6g, 약 6000^{}) 2차 실험 (모기향 1g, 약 1000^{}) 아이비 0% (4개중 0개 생존) 0% (4개중 0개 생존)

산호수 0% (4개중 0개 생존) 75% (4개중 3개 생존)

말라 죽은 강낭콩 구리가 석출된 산호수 구리가 석출되지 않은 아이비

7:30PM

상자 1, 2, 3에 각각 담배를 10초 태운 후 미세먼지 농도를 측정한 결과 660^μg였다. 담배 연기를 태운 지 1시간 경과 후 상자1에서는 378, 상자2에서는 28, 상자3에서는 69 의 미세먼지 농도 수치가 측정되었다.

- 생장지표 결과

□ 시사점

○ 연구를 진행할 때 강낭콩의 생장속도가 빠르고, 열매를 맺고, 잎의 크기도 적당하여 대조실험으로 적합할 것이라는 생각에 실험을 진행하였으나 강낭콩이 넝쿨성인지 비 넝쿨성 인지 또한 제각각인 발아 시기 및 성장속도 등을 고려하지 못해 비공정성을 초래하였다. 구매한 목재펠릿이 미세먼지를 매우 적게 방출하는 성분의 친환경 목재펠릿이었음을 늦게 파악했고, 이후 연탄을 준비했지만 정량을 태울 방법을 찾지 못해 미세먼지 공여체를 정하는

① ② 아이비

③

상자 2

① ②

③ ④

상자 1

① ② 산호수

③

상자 3

pH 6.96 6.7 6.32

μg/m³ 660^μg 660^μg/m3 660^μg

상자 1 상자 2 상자 3

pH 6.01 5.52 5.64

μg/m³ 378^μg 28^μg 69^μg

상자 1 상자 2 상자 3

① 20.3 24.1 22.5

② 23.8 22.8 23.7

③ 23.2 23.6 25.2

④ 25.5

데 어려움이 있었다. 선행연구의 예시를 찾아본 뒤 모기향을 태웠지만 너무 많은 미세먼지를 방출하고 향이 너무 독하여 강낭콩이 다 죽어버리는 결과를 얻었다. 양을 줄여 다시 실험을 진행했지만 다시 강낭콩은 생장차이를 비교하기도 전에 다시 죽어버렸다. 강낭콩은 환경변화 와 대기상태에 민감한 식물이기 때문에 모기향과 같은 독한 물질을 다량으로 투입한다는 것은 결코 바람직하지 못한 방법이었다. 강낭콩의 생존력도 또한 실험에 적합하지 않은 수준의 것이었다. 본 실험의 강낭콩을 이용해 정량을 찾기보다는 따로 키워둔 강낭콩을 이용해 찾았더라면 시간과 비용을 아끼고 불필요한 희생을 줄일 수 있었을 것이라는 큰 아쉬움이 남았다.

4. 홍보 및 사후 활용

□ 미세먼지가 식물에 미치는 영향 및 범위를 알 수 있다. 또한 통제변인이 재대로 이루어지 지 않은 점에서 공간의 활용 문제가 있다. 아무리 스티로폼 상자와 아크릴판으로 덮는다고 해도 공기 잘 통하지 않는 실내의 작은 공간에서 4개의 실험 및 대조군을 키워 모기향을 태운다는 것은 변인통제가 재대로 이루어질 수 없다는 지적을 받을 수 있다. 또한 같은 창가이지만 들어오는 빛의 양과 외부에서 출입하는 미세먼지를 똑같이 맞추는데 어려움을 겪었다. 최대한 공간을 활용하려 했으나 작은 교실하나라 너무 한정적이어서 넓은 공간에서 실험을 진행할 수 없었다. 추후에 이런 아쉬웠던 점을 개선해 다시 연구를 진행할 계획이다.

5. 참고문헌

김미래, 장미래 (2012). 우리나라 자생식물의 먼지 제거 효율에 대한 연구. 제58회 전 국과학전람회

농촌진흥청 국립원예특작과학원 :식물의 실내공기정화원리

박미숙, 박성미 (1981). 식물기공에 관한 연구. 제27회 전국과학전람회 부산시 홈페이지 공지사항 공기정화식물의 음이온 발생 과학적입증 심규철 (2009). 고등학교 생명과학Ⅱ. 비상교육, 104-117

EBS교육방송 편집부 (2015). EBS 뉴탐스런 화학1.