중금속을 모으는 토양정화식물

진정한 의미에서 중금속을 좋아하는 식물이 있다. 그들은 독성 중금속을 선호한다. 이 식물들은 토양에서 니켈과 같은 물질을 추출하여 체내에 대량으로 축적할 수 있다. 이는 인간이 활용하고자 하는 특이한 능력이다. 

▲ 과축적기 묘목 Alyssum murale의 X선 형광 이미지. 니켈은 녹색 영역에 풍부하다. © van der Ent et al. 2017/ New Phytologist

소위 과축적 식물(hyperaccumulator)의 금속 선호도는 순전히 생물학적 관점에서 볼 때 매력적이다. 이 속성으로 흥미로운 실용적인 응용 프로그램을 구현할 수 있다. 이 특성은 식물 "진공 청소기" 역할을 하고 오염된 토양을 청소할 수 있다. 동시에 그들의 도움으로 귀중한 원자재를 얻을 수 있다.
어떻게 작동할까? 그리고 금속에 대한 하이퍼어큐뮬레이터의 선호도는 실제로 어디에서 오는 것일까? 식물계의 헤비메탈 팬들의 세계로 가본다.

지극하게 중금속을 좋아하는 식물

구리, 니켈, 비소 또는 아연: 이러한 모든 물질은 중금속이며 극도로 독성이 있다. 과도한 농도로 이러한 금속을 섭취하면 생물에게 치명적인 결과를 초래할 수 있다. 식물의 경우에 신진대사를 위한 미량 원소로 일부 중금속이 필요하다. 그러나 더 많은 양의 물질이 몸에 들어가면 독성 효과가 있다. 예를 들어 과도한 중금속 이온은 엽록체의 엽록소 분자와 제어되지 않은 방식으로 반응하여 광합성에 사용할 수 없게 만들 수 있다. 따라서 식물에 필수적인 에너지 생성 과정이 약해진다. 중금속 농도가 높을수록 손상이 커진다.

니켈이 25% 함유된 식물 수액

이러한 이유로 일부 식물은 독성 금속이 흡수되지 않도록 배제하거나 이미 흡수된 금속을 몸 밖으로 운반하는 방법을 개발했다. 다른 식물들은 중금속이 풍부한 토양에서 단순히 죽는다. 이것은 식물계의 과축적 식물의 경우에는 해당되지 않는다. 이러한 "슈퍼 수집체"는 매우 표적화된 방식으로 뿌리를 통해 대량의 중금속을 흡수한다. 

콘스탄츠 대학의 식물 생리학자인 헨드릭 쿠퍼(Hendrik Küpper)는 "흥미로운 점은 독극물이 자신을 독살하지 않고 엄청난 양을 축적한다는 것"이라고 말했다. 노란색 calamine violet, Alpine Hellerkraut 또는 Haller's cress와 같은 식물은 "정상적인" 식물보다 100배에서 1000배 더 높은 농도로 조직에 독성 물질을 축적한다. 가장 극단적인 예 중 하나는 뉴칼레도니아 열대우림에 서식하는 Pycnandra acuminata 종이다. 이 나무는 거의 상상할 수 없는 양의 니켈을 땅에서 뽑아낸다. 나무껍질을 긁으면 최대 25%의 중금속으로 구성된 청록색 식물 수액이 나온다. 

▲ 니켈은 Pycnandra acuminata의 수액을 파란색으로 바꾼다. © Benoit Henry/ CC-by-sa 4.0

*Pycnandra acuminata는 Sapotaceae 계통의 식물 종이다. 뉴칼레도니아 고유종인 열대우림 관목으로 그곳에서 발견되는 니켈이 풍부한 초고철질 토양에 적합하다. Pycnandra acuminata는 알려진 미량 금속의 가장 많은 과축적기 중 하나로 유명하며, 토양에서 니켈을 적극적으로 흡수하고 식물 내에서 수액의 건조 중량으로 최대 25%의 구연산 니켈 농도로 농축하며, 이는 녹색이다. 니켈 함량 때문이다. 프랑스어로 된 토착어 이름은 sève bleue(파란 수액)이다. 이러한 적응의 이유는 잘 확립되어 있지 않지만 토양에 있는 니켈과 같은 중금속은 일반적으로 식물에 독성이 있으며 독성이 덜한 유기 염으로 복합화하고 특정 조직에 집중시킴으로써 식물이 다른 식물을 더 잘 보호할 수 있다고 생각된다. 과도한 수준의 독성 금속 이온으로부터 민감한 조직을 보호하거나 독성으로 인해 초식 동물을 억제합니다. 이러한 식물은 중금속으로 오염된 이전 광산 부지의 식물 정화에 잠재적으로 사용되거나 환경적으로 지속 가능한 방식으로 금속을 수확할 수 있는 금속이 풍부한 토양의 비파괴 식물 채굴 수단으로 잠재적으로 사용되기 때문에 상당한 관심을 받고 있다. 이 나무의 니켈에 대한 특이한 친화력은 1970년대에 처음 밝혀졌고 그 이후로 다른 과축적 식물에 대한 연구가 증가했다.

잎에 안전하게 보관

이러한 능력은 생물학자들도 놀라게 한다. 그러나 덜 극단적인 과축적 물질을 사용하더라도 다음과 같은 의문이 생긴다. 독성이 강한 금속이 식물에 해를 끼치지 않는 이유는 무엇일까? 연구원들은 이 종들이 독이 신진대사에 영향을 미치지 않도록 진화된 전략을 지니고 있음을 발견했다. 그들 중 다수는 식물체를 통해 중금속을 영리하게 밀반입하여 광합성에 중요한 엽록소에서 멀리 떨어진 곳에 저장한다. 예를 들어 잎의 바깥층인 표피에 있는 특수 저장 액포에 저장하는 것이다. 그런 다음 광합성은 내부 잎 층에서 방해받지 않고 진행될 수 있다.
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[더사이언스플러스=문광주 기자]

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