플라즈마와 플라즈마 활성 액체가 렌즈 씨앗 발아와 생장에 미치는 반응성 종 분석

초록

본 연구는 냉대기 플라즈마를 직접 씨앗에 조사하거나 물·탈이온수·액체 비료에 활성화시킨 플라즈마 활성 액체(PAL)를 이용해 렌즈(Lens) 씨앗의 발아율과 초기 생장 활력을 향상시키는 효과를 조사하였다. 플라즈마와 PAL에서 생성된 주요 반응성 산소·질소 종(ROS/RNS)의 농도를 정량화하고, 각각이 씨앗 표면 처리, 수분 흡수, 효소 활성 및 유전자 발현에 미치는 메커니즘을 분석하였다.

상세 분석

이 논문은 냉대기 방전 플라즈마(DIELECTRIC BARRIER DISCHARGE, DBD)를 20 kHz, 5 kV 피크 전압 조건에서 30 s~120 s 동안 렌즈 씨앗 표면에 직접 조사한 ‘직접 플라즈마 처리(Direct Plasma Exposure, DPE)’와, 동일한 플라즈마를 이용해 탭워터, 탈이온수, 액체 비료(농축 비료 용액) 100 mL를 5 min 동안 활성화시킨 ‘플라즈마 활성 액체(Plasma‑Activated Liquid, PAL)’ 두 가지 접근법을 비교하였다. 플라즈마와 PAL에서 생성된 ROS/RNS는 전자 스펙트로스코피와 화학적 탐침법(티오황산나트륨·H₂O₂, 파라다이아민····)을 통해 H₂O₂, O₃, ·OH, NO·, NO₂⁻/NO₃⁻ 농도를 정량하였다.

DPE는 씨앗 표면에 고에너지 전자와 UV·VUV 광자를 직접 전달함으로써 씨앗 껍질의 미세구조를 변형하고, 물리적 친수성 증가와 동시에 표면에 고농도의 ·OH와 O₃가 순간적으로 축적된다. 이는 씨앗의 물 흡수 속도를 1.8배 가속시키고, α‑아밀레이스와 같은 발아 촉진 효소의 활성을 30 % 이상 상승시켰다. 반면 PAL은 플라즈마에 의해 물 분자와 용액 내 이온이 산화·질소화되어 장시간(수시간) 안정적인 H₂O₂(≈0.5–2 mM), NO₃⁻(≈0.1–0.4 mM), O₃(≈10–30 µM) 농도를 유지한다. 특히 탈이온수 PAL은 불순물에 의한 라디칼 소멸이 최소화돼·OH·의 반감기가 길어, 씨앗을 24 h 동안 침지했을 때 ROS에 의한 ‘호르몬 유사’ 신호 전달이 효율적으로 일어나 발아율이 95 %까지 상승하였다.

액체 비료 PAL은 비료 성분(질소·인·칼륨 복합체)과 ROS가 상호작용해 질소산화물(NO₃⁻)을 추가로 공급함으로써, 발아 후 초기 싹의 엽록체 형성 및 광합성 효소(루시페린)의 발현을 촉진한다. 그러나 비료 내 유기물질이 과도한 라디칼 소모를 일으켜·OH· 농도가 상대적으로 낮아, 발아율은 88 %에 머물렀다.

통계적으로 DPE와 PAL 모두 대조군(플라즈마 미처리) 대비 발아율(p < 0.01)과 초기 생장 지표(싹 길이, 근계 길이, 생물량)에서 유의한 향상을 보였으며, 특히 DPE는 급속한 발아 촉진, PAL은 지속적인 성장 촉진이라는 차별화된 효과를 나타냈다. ROS 농도와 생물학적 효과 사이의 ‘용량‑반응 곡선’은 전형적인 호르몬성 ‘호르몬-이중성’(hormesis) 형태를 보였으며, 과도한 ROS(>5 mM H₂O₂)에서는 세포 손상 및 발아 억제가 관찰되었다.

이러한 결과는 플라즈마 기반 처리 기술이 물리·화학적 손상을 최소화하면서도 식물 성장 조절에 핵심적인 ROS 신호를 정밀하게 조절할 수 있음을 시사한다. 특히 직접 플라즈마는 단시간 고농도 라디칼을 제공해 급속한 발아를, PAL은 장시간 저농도 ROS를 제공해 지속적인 성장 촉진을 가능하게 하며, 적용 대상(종자 저장, 온실 재배, 대량 파종 등)에 따라 최적화된 전략을 선택할 수 있다.