KR101973558B1

KR101973558B1 - 리그닌의 오존 처리 산화물을 유효성분으로 함유하는 식물의 발아 촉진 및 염 스트레스 내성 증진용 조성물 및 이의 용도

Info

Publication number: KR101973558B1
Application number: KR1020170159794A
Authority: KR
Inventors: 서동철; 김성헌; 김외연; 차준영; 전종록; 김민갑
Original assignee: 경상대학교산학협력단
Priority date: 2017-11-28
Filing date: 2017-11-28
Publication date: 2019-04-29

Abstract

본 발명은 리그닌의 오존 처리 산화물을 유효성분으로 함유하는 식물의 발아 촉진 및 염 스트레스 내성 증진용 조성물 및 이의 용도에 관한 것으로, 본 발명의 리그닌의 오존 처리 산화물은 식물 생육 촉진용 조성물, 비료, 토양 개선제 등의 유효성분으로 유용하게 활용될 수 있을 것이다.

Description

리그닌의 오존 처리 산화물을 유효성분으로 함유하는 식물의 발아 촉진 및 염 스트레스 내성 증진용 조성물 및 이의 용도{Composition for promoting germination and enhancing salt stress tolerance of plant comprising lignin oxide by ozone-based oxidation as effective component and uses thereof}

본 발명은 리그닌의 오존 처리 산화물을 유효성분으로 함유하는 식물의 발아 촉진 및 염 스트레스 내성 증진용 조성물 및 이의 용도에 관한 것이다.

리그닌(lignin)은 침엽수나 활엽수 등의 목질부 구성 성분 중 지용성 페놀 고분자 성분으로서, 건조 목재의 20~35 중량%를 차지한다. 리그닌은 바이오 매스의 구성 성분 중 셀룰로오스에 이어 가장 풍부하고 쉽게 구할 수 있는 유기 고분자로서, 화석화 되지 않은 유기 탄소의 30%를 차지하고 있는 것으로 알려져 있다. 구체적으로 리그닌은 탄소 63.4%, 수소 5.9%, 산소 30%, 회분(ash) 0.7%로 이루어져 있으며, 많은 페닐기를 포함하고 있기 때문에 방향족 화합물을 생산하기 위한 중요한 원료가 될 수 있다.

최근, 제지산업을 통해 크라프트 리그닌(Kraft lignin)이 부산물로 대량 배출됨에 따라 크라프트 리그닌 유용화 기술이 주목을 받고 있다. 목질계의 20~30%를 차지하는 크라프트 리그닌을 고부가가치화할 경우 제지 공정의 단가를 극소화시킬 수 있기 때문에 크라프트 리그닌의 물리화학적 특성에 기반한 다양한 응용처 발굴에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 휴믹산과 크라프트 리그닌은 상당수의 작용기를 공유하는 것으로 알려져 있으며 또한 외형적 특징이 거의 유사하여 식물 비료 효과가 증명될 경우 손쉽게 매출 확보가 가능할 것으로 판단된다.

크라프트 리그닌을 인위적으로 휴믹화하여 식물 비료 효과를 극대화하기 위해 본 발명에서는 고도산화공정 중 하나인 오존 산화 반응을 진행하였다. 오존 산화 반응은 오존이 가진 강한 산화능력을 이용한 반응으로, 오존 산화 처리에 의해 크라프트 리그닌의 방향족 구조가 산화되어 지방족 구조가 도입될 수 있으며, 공유성 결합이 깨져 분자량이 줄어들 수 있다. 이러한 변화를 통해, 식물 생장 효과를 가지는 휴믹산이 보유한 구조들을 크라프트 리그닌으로부터 유도할 수 있을 것으로 기대된다.

한편, 한국등록특허 제1622936호에는 축산폐수의 혐기성 소화액을 생물학적으로 처리하여 생성된 유출수에 대해 오존산화반응을 적용하여 미세조류의 배양액으로 이용하는 것에 관한 '오존산화반응이 적용된 미세조류 배양장치 및 방법'이 개시되어 있고, 한국등록특허 제0524116호에는 '해초추출물, 부식산, 아미노산, 지베렐린 및 사이토키닌을 함유하는 복합 비료 및 그 제조방법'이 개시되어 있으나, 본 발명의 리그닌의 오존 처리 산화물을 유효성분으로 함유하는 식물의 발아 촉진 및 염 스트레스 내성 증진용 조성물 및 이의 용도에 대해서는 기재된 바가 없다.

본 발명은 상기와 같은 요구에 의해 도출된 것으로서, 본 발명자들은 크라프트 리그닌을 이용하여 오존 기반의 고도 산화 반응을 유도할 경우, 크라프트 리그닌의 산화물이 산화 반응을 진행하지 않은 크라프트 리그닌에 비해 식물체의 발아 촉진 및 염 스트레스에 대한 내성 증진 효과가 있음을 확인함으로써, 본 발명을 완성하였다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 리그닌의 오존 처리 산화물을 유효성분으로 함유하는 식물의 발아 촉진 및 염 스트레스 내성 증진용 조성물을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 조성물을 식물, 식물의 종자 또는 식물 식재 토양에 처리하는 단계를 포함하는 식물의 발아를 촉진시키는 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 조성물을 식물, 식물의 종자 또는 식물 식재 토양에 처리하는 단계를 포함하는 식물의 염 스트레스 내성을 증진시키는 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 리그닌의 오존 처리 산화물은 식물체의 발아 촉진 효과가 우수하므로, 식물 생육 촉진용 조성물, 비료, 토양 개선제 등의 유효성분으로 유용하게 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 리그닌의 오존 처리 산화물은 식물체의 염 스트레스 내성을 증진시킬 수 있으므로, 고염 및 해안지역에서 재배되는 식물에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

도 1은 크라프트 리그닌의 오존 처리 산화물의 식물체 유근 발현율(A) 및 떡잎 발현율(B)을 조사한 결과이다. HA: 상업 휴믹산, 1~7: 크라프트 리그닌의 오존 처리 산화물(표 1 참고).
도 2는 고농도의 염과 크라프트 리그닌의 오존 처리 산화물을 포함하는 배지 조건에서 애기장대 식물체의 생존율을 확인한 결과로, 염을 처리하지 않은 대조군(- salt) 대비 염 처리 실험군의 배양 후 녹색 잎의 개수를 비교한 것이다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 리그닌의 오존 처리 산화물을 유효성분으로 함유하는 식물의 발아 촉진 및 염 스트레스 내성 증진용 조성물을 제공한다.

리그닌은 식물의 세포벽의 주요 구성 요소로서 나무 구조를 단단하게 만드는데 중요한 역할을 하는 물질이며, 목재 조성의 셀룰로오스 (40-43% 중량) 다음으로 22-29% (중량)을 차지하는 주요 자원이다.

본 발명의 상기 리그닌은 식물 구조체에 포함되어 있는 리그닌 또는 리그닌의 유도체를 포함하며, 펄프 제조 공정에 있어서 강알칼리 또는 강산 조건하에서 처리된 리그닌도 포함할 수 있다.

본 발명의 일 구현 예에 따른 조성물에 있어서, 상기 리그닌은 크라프트 리그닌일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. '크라프트 리그닌'은 펄프 제조 공정 중에서 셀룰로오스를 주요 산물로 만든 후 남은 공정 부산물로, 종이 제조 시 리그닌 제거/전처리 공정에 따라 화학적 구조가 다른 다양한 형태의 크라프트 리그닌이 얻어진다.

본 발명의 크라프트 리그닌은 크라프트 흑액 추출 리그닌으로 바람직하게는 활엽수(hardwood) 크라프트 리그닌, 침엽수(softwood) 크라프트 리그닌 등일 수 있다.

본 발명에 따른 상기 조성물의 유효성분인 리그닌의 오존 처리 산화물은, 용매에 녹아있는 리그닌에 50g/N·m³이상의 오존을 처리하여 생성된 것일 수 있고, 바람직하게는 용매에 녹아있는 리그닌에 50~200 g/N·m³의 오존을 처리하여 생성된 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

또한, 오존 처리 산화물 생성을 위한 상기 용매는 오존과 결합가능한 고도산화관련 물질일 수 있고, 바람직하게는 과산화수소, 물 또는 이들의 혼합물일 수 있으나, 오존 산화 반응의 산화력을 증진시킬 수 있는 용매라면 그 종류에 제한없이 사용가능하다.

용어 '오존 산화법'은 오존이 가진 강한 산화 분해작용에 의해 정화하는 처리방식으로 상수도 살균, 사이안 화합물과 폐수의 최종 처리 등에 주로 이용되는 방법이다. 수중의 오존이 유기물과 반응할 경우에는 두 가지 경로의 산화 반응이 있는데, 하나는 오존에 의하여 직접적으로 산화되는 경우이고, 나머지 하나는 오존 분해과정에서 생성되는 OH 라디칼에 의한 산화이다. 특히 OH 라디칼은 대부분의 유기물과 고르게 반응하여, 일부 오존과 반응하지 않는 유기물과의 반응속도가 높기 때문에 유기물 산화 제거에 큰 효과가 있다. OH 라디칼 생성량을 늘려 산화력을 증가하기 위한 방법으로 과산화수소, 자외선 및 이산화망간 촉매 등과 병용처리하는 방법도 활용되고 있다.

본 발명의 또 다른 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 본 발명의 조성물을 식물, 식물의 종자 또는 식물 식재 토양에 처리하는 단계를 포함하는 식물의 발아를 촉진시키는 방법 및 식물의 염 스트레스 내성을 증진시키는 방법을 제공한다.

상기 식물의 발아 촉진 및 염 스트레스 내성을 증진시키는 방법으로는 본 발명에 따른 조성물에 식물체를 침지하거나, 본 발명에 따른 조성물을 관주, 즉, 식물체에 분무하여 수행할 수 있다. 침지하는 방법의 경우, 본 발명의 조성물을 식물체 주변의 토양에 붓거나 또는 종자를 조성물에 담가둘 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

본 발명에 따른 식물의 발아를 촉진시키는 방법에 있어서, 상기 조성물은 식물의 발아 촉진 및 염 스트레스 내성 증진 효과가 있는 리그닌의 오존 처리 산화물을 유효성분으로 함유하고 있어, 이들 조성물을 식물, 식물의 종자 또는 식재 토양에 처리하면 식물의 발아가 촉진되며 염 스트레스에 대한 내성이 증진될 수 있다. 특히, 리그닌에 150~200 g/N·m³의 오존을 60분 이상 처리하여 생성된 산화물에서 오존 무처리 리그닌에 비해 현저히 증가된 발아 촉진 효과 및 염 스트레스 내성 증진 효과를 확인할 수 있었다.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1. 크라프트 리그닌의 오존 처리 산화물의 제조

오존 처리를 위해 크라프트 리그닌(Sigma, 미국) 50 g/L 농도로 하기 표 1과 같이 과산화수소(35%, 대정, 대한민국) 또는 증류수로 희석하였다. 오존 처리 농도는 178 g/N·m³으로 하였으며, 오존 접촉시간에 따라 오존처리 산화물을 채취하였다.

오존 처리 조건

반응번호	오존 처리 유무	오존 처리 시간(분)	용매 조건
1	무	-	35%(v/v) 과산화수소
2	유	60	35%(v/v) 과산화수소
3	유	120	35%(v/v) 과산화수소
4	유	180	35%(v/v) 과산화수소
5	유	240	35%(v/v) 과산화수소
6	유	300	35%(v/v) 과산화수소
7	유	300	증류수(pH 7.0)

오존 처리가 마무리되면 13,000 rpm으로 원심 분리하여 침전되는 부분만 채취하였다. 채취된 부분은 증류수와 원심분리 과정을 이용해 3번 세척하였다. 그 후 동결 건조를 통해 수분이 완전히 제거된 고체 파우더를 확보하였고 이를 식물 테스트에 이용하였다.

실시예 2. 크라프트 리그닌의 오존 처리 산화물의 발아 촉진 효과 분석

표백 용액(1.5% 차아염소산나트륨과 0.02% 트리톤 X-100)을 30% 비율로 증류수에 희석하여 애기장대(Col-0) 종자에 5분간 처리한 후 증류수로 5번 세척하였다. 표면 세척한 애기장대 종자를 4℃에서 2일 동안 암처리한 후, 상업 휴믹산(Sigma, 미국) 또는 본 발명의 크라프트 리그닌의 오존 처리 산화물이 다양한 농도로 함유된 MS 고체배지에 뿌린 후, 16 시간/8 시간(명/암) 광주기 및 23℃ 조건의 배양 챔버에서 생장시키며, 발아를 유도하였다. 2일 후에 유근(radicle)과 4일 후에 떡잎(cotyledon)이 발현되는지를 현미경으로 관찰하였다.

그 결과, 180분 이상의 오존 처리(산화)를 통해 구조가 변형된 크라프트 리그닌이 처리된 실험군에서 오존 무처리 대조군에 비해 유근(도 1A) 및 떡잎(도 1B)의 발현율이 우수한 것을 확인할 수 있었다. 유근 발현에서는 180분 이상의 오존이 처리된 산화물을 처리한 실험군에서부터 오존 무처리 대조군에 비해 우수한 효과가 확인되었다. 과산화수소 용매 조건에서 산화반응이 진행된 실험군(#4~6)에서는 8.6mg/L 농도의 크라프트 리그닌 오존 산화물이 처리된 경우에서 유근 발현 효과가 우수하게 확인되었으며, 처리 농도가 증가될수록 유근 발현 효과는 감소되는 것으로 확인되었다. 반면, 물 용매(#7) 조건에서 300분간 산화반응이 진행된 크라프트 리그닌의 오존 산화물 실험군에서는 8.6, 86 및 860mg/L 모든 농도에서 상업 휴믹산과 유사한 수준의 우수한 유근 발현 효과가 있음을 확인할 수 있었다. 또한, 애기장대의 떡잎 발현율은 60분 이상의 오존이 처리된 산화물을 처리한 실험군(#2)에서부터 오존 무처리 대조군에 비해 우수한 효과가 확인되었다. 유근 발현과 떡잎 발현간에 오존 처리 시간에 따른 효과의 차이가 일부 있는 것으로 보여졌으나, 상기 결과를 통해 크라프트 리그닌의 오존 처리 산화물이 식물의 생육을 증진시키는 효과가 있음을 확인할 수 있었다.

실시예 3. 크라프트 리그닌의 오존 처리 산화물의 염 스트레스 내성 증진 효과 분석

애기장대(Col-0) 종자를 MS 배지에 5일 동안 키운 후, 상업 휴믹산(Sigma, 미국) 또는 본 발명의 크라프트 리그닌의 오존 처리 산화물이 함유되어 있으며, 250 mM의 염화나트륨을 포함하고 있는 MS 배지에 애기장대 모종을 옮겨 심었다. 대조군의 경우, 염화나트륨이 함유되지 않은 MS 배지를 사용하였다. 옮긴 배지에서 5일간 더 배양한 후, 애기장대 식물체의 외형적 모습을 육안으로 확인하였다. 현미경을 통해 백화 현상이 일어나지 않은 녹색 빛의 잎의 개수를 대조군의 잎의 개수와 비교하여 염 스트레스에 대한 내성을 분석하였다.

그 결과, 도 2에서 나타나는 바와 같이, 염화나트륨만 처리된 대조군에 비해, 휴믹산 또는 본 발명의 크라프트 리그닌의 오존 처리 산화물이 염화나트륨과 함께 처리된 군에서 백화 현상이 일어나지 않은 잎의 개수가 많음이 확인되었다. 특히, 오존 무처리 크라프트 리그닌 처리군에서는 염 스트레스에 대한 내성이 전혀 확인되지 않았으며, 본 발명에 따른 크라프트 리그닌의 오존 처리 산화물 처리군에서는 상업 휴믹산과 유사한 수준의 염 스트레스 내성이 관찰되었다.

상기 결과를 통해, 오존 처리에 의해 생성된 리그닌의 산화물이 식물의 발아 및 염 스트레스 내성을 명확하게 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있었고, 상업 휴믹산과 유사한 수준의 효과를 보이는 리그닌의 산화물(리그닌 변환체)도 존재함을 확인할 수 있어, 본 발명에 따른 리그닌의 오존 처리 산화물이 상업 휴믹산을 대체할 수 있는 식물 생육 촉진용 조성물, 비료 또는 토양 개선제의 원료소재로 활용될 수 있음을 유추할 수 있었다.

Claims

리그닌의 오존 처리 산화물을 유효성분으로 함유하는 식물의 염 스트레스 내성 증진용 조성물로서,
상기 리그닌의 오존 처리 산화물은 용매에 혼합된 리그닌에 50~200 g/N·m³의 오존을 처리하여 생성되는 것이며,
상기 용매는 과산화수소, 물 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 식물의 염 스트레스 내성 증진용 조성물.
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제1항의 조성물을 식물, 식물의 종자 또는 식물 식재 토양에 처리하는 단계를 포함하는 식물의 염 스트레스 내성을 증진시키는 방법.