본 논문은 1999년 농촌진흥청 대형공동연구사업의 3년차 완결보고서입니다.

주 의

1. 이 보고서는 농촌진흥청에서 시행한 대형공동연구사업의 연구보고서입니다.
2. 이 보고서 내용을 발표할 때에는 반드시 농촌진흥청에서 시행한 대형공동 연구사업의 연구결과임을 밝혀야 합니다.
3. 국가과학기술 기밀유지에 필요한 내용은 대외적으로 발표 또는 공개하여서는 아니 됩니다.

양액 여과 및 정화시스템 개발

고려대학교 원예과학과
연 구 책 임 자 : 박 권 우
연구수행참여자 : 이 긍 표
김 민 순

Summary
Ⅰ. 서 언
Ⅱ. 연 구 사
 Ⅲ. 재료 및 방법
Ⅳ. 결과 및 고찰
    1. 양액전염 식물병원균의 종류 및 특성조사
   2. 해외 최신 여과 및 정화시스템의 비교연구
   3. 여과기내 충진용 매질별 정화효율 조사
   4. 한국형 양액정화 간이 pilot 시작기의 여과 및 정화효율 조사  
   5. 양액재배를 통한 여과기의 싫증실험
   6. 한국형 media 양액 여과기(시제품)의 성능 조사  
Ⅴ. 적 요  
Ⅵ. 인용문헌  

 

Study on the development for the filtration of nutrient solution and the clarifying system

Summary

  Slow sand filtration was modified and applied for the determination of eliminating efficacy of various fungi and for recommending an easy approach to growers. Investigations for 7 kinds of plant pathogen and for their sporadic artificial condition on zoospore production were accomplished. Comparing on the high-technical disinfection system for nutrient culture on aboard can give several prerequisite condition on our future filtering system. For the development of Korean-type media filtering system, disinfection rate according to occupied medium was investigated. After 1,500 liter filtration, Fusarium oxysporum was eliminated by several substrates such as activated charcoal(92.5% elimination), silica(90.8%), vermiculite(90.5%), sand(82.3%), perlite(50.4%), and hydroball(21.2%). Silica was able to eliminate several fungi by maximal ratio in our tests, which was corresponded to Fusarium oxysporum 120 cfu/ml. Collectotrichum lagenarium 98 cfu/ml. Phytophthora capsici 82 cfu/ml, Botrytis cinerea 62 cfu/ml, Pythium spp. 42 cfu/ml, and Sclerotinia ssp. 52 cfu/ml. In this case, the change of EC was mimic and pH was maintained to about 7. As a result, the medium of vermiculite, silica, and activated carbon were selected. Based on these results the demo pilot system of slow sand filtration was newly developed. This system was applied to practical nutrient solution culture system (deep flow culture system) for 10 weeks. In deep flow culture of 'Ddooksum Cheokchookmyeon' lettuce and 'Seokwang' tomato, silica-, activated charcoal-based, and vermiculite-based filtration system successfully eliminated Fusarium oxysporum and Phytophthora capsici from the nutrient solution. Those filtering capacity was 1.0 ton/hour and the rate of pathogen elimination was over 99% in case of Fusarium oxysporum. Moreover, the change of chemical composition in the filtered solution was very mimic. With this system, growers can easily control the root-zone fungi in the recirculating hydroponic system.

 

 

Ⅰ. 서    언

  최근에 정부의 자금지원과 농민들의 의욕적인 노력의 결과로 2000년대까지 100 ha가 넘지 않으리라고 예상했던(박, 1991) 수경재배 면적이 1998년 말 현재 이미 554 ha를 넘어서고 있다. 이 면적은 전체 시설면적에 비하면 극히 적은 면적이지만 앞으로 면적이 보다 급속히 증가되리라 예상된다.

  양액재배는 재래 토양재배의 고질적 문제점인 환경오염에 의한 농작물의 중금속 등의 축적, 연작장해, 지력의 약화, 병해충 방제를 위한 농약의 상용화 및 남발로 인한 생태환경의 파괴, 화학비료의 남용으로 인한 토양의 지속적 산성화 및 부영양화 등을 극복하고, 우리나라와 같은 좁은 국토에서 최소의 노동력으로 최대의 생산을 위하여 적용되었고, 농민과 소비자 모두가 앞으로 주요 시설원예작물에 있어서는 피할 수 없는 선택으로 여겨진다.

  그런데, 양액재배는 많은 이점을 갖는 작물 재배방식임에도 불구하고, 결정적인 단점을 갖고 있는데, 우선 주변 환경과의 친화성 문제이다. 양액재배 시 식물의 영양분으로 공급되는 배양액 중 비료성분은 사실상 식물이 완전히 흡수 이용하기는 어렵다. 실제로, 식물이 생육에 충분한 농도의 무기이온을 공급받아야 정상적인 생육이 이루어지기 때문인데, 이는 식물이 생육환경과 생장단계에 따라 선호하는 이온의 양이 다르고, 무기이온들이 물과 함께 작물로 이동되는 데에 기인한다. 이에 따라, 작물의 무기이온 이용율을 극대화하기 위한 최적 배양액 조건의 설정이 양액재배의 성공요인 중의 하나로 꼽혀왔다. 이것은 양액공급시 요구되는 비료의 최적화를 의미하므로 곧 경영의 경제성에 직결되는 문제이며, 동시에 미처 식물이 이용하지 못한 양분의 주변 환경으로의 배출을 최소화시키는 방법이었다.

  그러나, 양액재배 선진국인 유럽과 일본의 경우, 양액재배시 주변환경으로 배출되는 양액을 철저히 규제해오고 있다. 이것은 양액재배 지역의 인근 하천 및 호수의 부영양화와 토양 및 지하수의 오염이 심각히 우려되는 현실을 반영하는 것이라고 할 수 있다.  유럽의 비순환 고형배지경의 경우, 1 ha당 최소 2,000 m3의 양액이 토양으로 흘러 들어가고 그에 따라 5 ton의 비료손실과 지하수의 오염을 야기시켰다. 이러한 환경문제가 대두되면서, 유럽의 경우, 양액재배시 배양액과 다른 화학제가 지표면으로 유출되어 지하수가 오염되는 것을 막기 위하여 2002년까지 모든 양액재배를 재순환 시스템(recycling system)으로 채택하도록 명시하였다 (Runia, 1994).

  따라서, 최근 들어 양액재배의 재순환 시스템은 양액 이용율의 극대화 추구 및 재배지역 주변의 환경문제 해결이라는 점에서 각광받고 있다. 그러나, 실제로 재배의 측면에서는 현실적인 어려움들이 대두되고 있는데, 이는 재배 후 재활용되는 양액 내의 무기이온 농도가 정확하게 측정되어야 다시 부족분을 넣어줄 수 있는 점과, 재사용시 기존양액이 병원균에 오염되어 있는 경우 이를 최대한 제거해주어야 하는 문제이다. 특히, 후자의 경우에는 병원균의 제거가 확실히 이루어지지 않으면 재순환 양액재배의 특성상, 동일 재배지에서는 식물병원균의 만연으로 이어질 수 있는 최적의 환경을 갖추고 있다고 할 수 있다. 이 점 때문에 재순환 양액재배는 반드시 양액여과기의 장치가 필수적인 것으로 요구되어진다.

  현재, 재순환 양액재배는 물론이고, 비순환 양액재배에 있어서도 원수의 병원균 제거와 모종에서의 병원균 오염으로 인한 병의 만연을 억제하기 위하여 많은 양액재배용 양액여과기가 이용되고 있다. 그러나, 대부분의 경우 우리나라의 실정에 맞는 표준화된 모델로 설정하기에는 고가이며 적합하지 않은 경우가 많다고 할 수 있다. 국내에서 주로 발병하는 병원균에 대한 성능시험 및 처리능력에 대한 연구는 거의 전무하다고 해도 과언이 아닌 상황이며, 효과적인 여과 혹은 소독방법들의 대부분은 장비들이 매우 고가이어서 농민들에게는 상당한 부담을 주고 있는 현실이다.

  21세기를 맞이하는 현 시점에서 양액재배가 당면하고 있는 현실적인 문제인 양액여과 및 정화의 문제는 농민의 입장에서 충분히 검토되어야 하며, 이에 대한 정확한 실험자료가 구비되어야 한다고 본다.

  따라서 본 연구의 목적은 한국형 저속모래여과기의 개발에 있다. 농가에서 저렴하고 효과적으로 이용할 수 있는 양액 여과시스템의 접근을 위하여 기존의 모래여과기에 손쉽게 구할 수 있는 여러 가지 매질을 사용하여 균의 여과효율을 검정하고자 하였다. 이를 위하여 우선, 외국의 저속모래여과기 시스템을 견학, 분석하고자 하였고, 여과기에 이용되는 매질의 특성검사 및 여과능력 검사를 통하여 우수한 매질을 선발하고자 하였다. 또한 간이 파일럿시스템과 시작기 제작을 통하여 실제 양액재배시 근권부에서 수매 전염 가능한 진균류의 여과능력을 검정하여 검정결과의 객관성 및 신뢰성을 확보하고자 하였다.  

 

 

Ⅱ. 연 구 사

  최근 연구들에 의하면 순환식 양액재배 시스템의 배양액에서 오이의 녹색반점 모자이크 바이러스(green mottle mosaic virus: CGMMV), 토마토 모자이크 바이러스(tomato mosaic virus: ToMV), 담배괴저바이러스(tobacco necrosis virus: TNV) 등이 발견되었다고 보고하였다(Paludan, 1985). 또한 이러한 시스템에서 위의 바이러스들이 식물병원성 진균류인 Olpidium brassicae(양배추 모잘록병균)이라는 매개체에 의하여 전이됨이 보고되었고 (Tomlinson 등, 1979), NFT 시스템에서 재배된 상추의 LBVA (lettuce big vein agent) 발병율이 99-100%에 이른다는 사실도 발견되었다. 이외에도 Wohanka(1990)는 순환식 양액재배 시스템을 이용하는 암면재배에 있어서도 역병균인 Phytophthora cryptogea를 인위적으로 감염시킨 거베라를 재배하였을 때, 접종하지 않은 식물체들도 모두 감염되어 있음을 발견하였다. 이러한 배양액뿐만 아니라 온실 천장이나 저수지에 모아진 빗물이 토마토 시들음병 등을 유발하는 Fusarium oxysporum f. sp radicis- lycopersici에 오염되어 있음을 발견하였고, 지표수는 CGMMV에 오염되어 있었다(Rattink, 1991). 따라서, 양액재배에서 식물병원균의 전염을 막기 위해서는 배양액을 재사용하기 전에 반드시 정화·소독이 요구되며, 빗물이나 지표수를 이용할 경우에도 정화과정은 필수적이라고 할 수 있다.

  유럽에서 연구되어져 왔던 양액의 정화시스템에는 열처리, 오존처리, 자외선처리, 박막여과, 저속모래여과, 요오드이용, 활성과산화수소이용법 등이 있다.

  열처리 시스템을 살펴보면 (Runia 등, 1988), 배양액 탱크에 모아진 배양액의 유기물 입자를 여과한 후 탱크에서 첫 번째 열 교환기로 이동시키는데, 갑자기 열을 올리기가 사실상 어려워 소독된 물로 일정온도까지 예열하는 과정이 요구된다. 두 번째 열 교환기에서 외부 열 공급원을 사용하여 소독온도까지 가열하게 되는데, 대체로 95℃에서 30초간 소독한다. 소독된 물은 다시 첫 번째 열 교환기로 돌아와 냉각되는 과정을 거치며, 분리된 수통에 저장된다. 이러한 저장통으로부터 중앙 혼합탱크로 이동되어 표준배양액과 혼합된다. 바이러스 및 병원균으로 오염된 배양액을 열처리한 후 키운 식물체에서는 거의 감염식물체가 나타나지 않았으나, 무처리의 배양액에서 자란 경우는 거의 모두 병징이 나타났다(표 1).

 

  표 1.  10초간 열 처리후 배양액 내의 감염도

병원균

농도

무처리

열처리

처리온도(℃)

담배모자이크

바이러스

103

3/3

0/3

97

105

3/3

0/3

97

시들음병균

7x104 spores/ml

50/50

1/50

94

7x103 spores/ml

49/50

3/50

94

 

  오존을 이용한 정화시스템을 사용하기도 하였는데 (Runia, 1994b), 오존은 매우 강력한 산화제로서, 식수, 산업용, 도시하수의 소독에 사용된다. 오존은 전자공여체로서 다른 물질을 산화시키며, 오존 자체는 산소로 환원된다. 낮은 pH 조건에서 잔존 오존의 양이 많기 때문에 소독하기 전 양액을 산성조건으로 맞추기 위하여 산의 공급장치가 필요하다. pH 4로 낮추는데 주로 질산을 사용한다. 처리탱크에 배양액이 가득 차면 오존처리를 하는데 10 g의 오존으로 1 m3의 배액을 1시간동안 처리하면 효과가 있다. 오존 노출시간은 표 2와 같으며, 주입시간과 순화시간을 더한 것이다.

 

표 2.  20g 오존처리 후(1시간) 배양액 내의 감염도

노출시간(분)

토마토 모자이크

바이러스의 병반수

곰팡이의 수

0

560

33,200

10

-

10,800

15

206

-

30

3

104

45

2

-

60

0

76

  자외선(UV; ultra-violet)은 파장이 100-400 nm의 전자기 광선으로 200 -280 nm 범위의 UV광선은 매우 강력한 살균효과를 가지며 특히 253.7 nm가 가장 효과적이다. 병원균 살균을 위한 2가지 종류의 UV램프가 있는데 고압등은 200-280 nm의 파장을 발산하는 반면, 저압등은 주로 253.7 nm의 파장을 발산한다. 고압등(전력소비의 10%만 UV로 전환)은 저압등(약 40%를 UV로 전환)에 비해 에너지 효율이 적다. UV램프를 통과하는 배양액의 유기물을 제거하기 위해서는 0.4-0.8 mm의 모래로 여과하는 장치를 해야한다. 상업적인 설비에서는 100 mJ/cm2의 UV조사가 곰팡이의 제거에 효과적이나 바이러스를 포함한 완전한 소독을 위해서는 250 mJ/cm2이 필요하다 (Runia, 1994a).

표 3. 시들음병과 담배모자이크바이러스에 대한 UV 광선의 효과

세기 (mJ/cm2)

시들음병균 포자수

담배모자이크 바이러스의

병반수

0

50/50

2,100

50

7/50

413

70

0/50

-

100

0/50

14

150

-

3

175

-

1

200

-

0

 

  박막여과법은 제염처리 방법으로 역삼투압을 이용하여 여과하나, 배양액을 여과할 때는 비료성분까지 여과되어 배양액의 소독에 적합하지 않은 것으로 밝혀져 있다. 미세여과박막(microfiltration membrane)은 역삼투압여과법 보다 막의 구조가 느슨하여 비료(무기이온)의 통과가 가능하고, 배양액의 조성을 변화시키지 않는다. 다만, 박막의 구멍이 막히기 쉽고, 여과의 효과에 대한 신뢰성이 떨어져 실용적으로 이를 이용하는 경우는 거의 없다.

  요오드 이용법은 염소와 비교해서 요오드의 안정성과 실효성 때문에 식수소독에도 많이 이용되고 있다. 담배모자이크 바이러스는 요오드에 저항력을 가진다고 판명되어 배양액 소독방법으로는 적합하지 않은 것으로 보고 있다. 요오드 0.7 ppm 이상 농도에서는 시들음병균의 분생포자가 죽었으나 그보다 낮은 농도에서의 효과는 미미한 것으로 연구되었다 (Runia, 1994c).

  과산화수소(hydrogen peroxide)는 오존과 비슷한 산화제이다. 오존은 상당히 높은 산화력을 가지고 있는 반면에 과산화수소는 매우 높은 농도로 장시간 처리가 필요한 특성을 보인다. 담배모자이크 바이러스는 활성 과산화수소 400 ppm 농도에서 99.97%가 제거된 것으로 보고되었다(Runia, 1993).

  마지막으로, 모래여과법은 역병균은 잘 걸러지고, 그 외 시들음병균의 경우는 포자의 크기가 상대적으로 작아 대체로 하루 3-7 m의 속도로 석영모래 90 cm층을 통과하도록 하고 있다. 모래여과기를 사용한 경우 많은 경우에서 여과효율 결과가 다른 것을 볼 수 있는데, 이는 모래여과층의 두께와 혼합하는 매질 그리고 여과속도에 의한 것으로, 앞으로 많은 개발의 여지를 남겨놓고 있다.

  또한, Stanghellini 등 (1996)은 재순환 양액재배 시스템에서 기존의 여과시스템의 사용 외에 비이온성 계면활성제(nonionic surfactants)를 이용한 Pythium aphanidermatum의 방제에 관한 실험을 하였는데, 약 20 μg a.i./ml를 처리하여 완전한 방제에 성공하였다. 이것이 모든 진균류에 활성을 보이는지에 대해서는 연구된 바는 없지만 앞으로 재순환 양액시스템의 근권부 병발생을 억제하기 위한 또 다른 시도는 계속 추구될 것으로 보인다.  최근 본 연구진에 의해 발표된 재순환 양액재배시 담배모자이크 바이러스의 전파에 관한 연구에 의하면(Park 등, 1999), 담배모자이크 바이러스는 양액을 통해서가 아니라 식물체간의 뿌리접촉에 의해서 이루어진다고 하였는데, 이 연구결과는 재순환 양액재배시 바이러스의 방제보다는 진균류의 방제에 좀더 초점을 맞추어야 하는 점을 제시하고 있다.

 

 

Ⅲ. 재료 및 방법

 

1. 양액전염 식물병원균의 종류 및 특성조사

   공시균주는 국내 작물의 근권부 주요병원균인 Fusarium oxysporum, Collectotrichum lagenarium, Phytophthora capsici, Botrytis cinerea, Pythium spp. Sclerotinia spp. 등 진균류 6종을 원예연구소 원예환경과에서 분양받아 공시하였다. 균주는 PDA(potato dextrose agar) 배지에서 사전 배양하여 균체의 확보를 도모하였다. 실제로 양액재배시 접종을 위해서는 균체의 포자형성 방법이 중요하므로, 이에 대한 사전 실험을 수행하였다. 즉, 진균류들마다 그 포자형성 방법은 서로 상이하여 접종배지의 선발, 광처리, 저온처리 등에 민감하게 반응하게 되므로, 기존에 알려진 포자형성 방법 외에 다양한 처리를 통하여 가장 높은 수율의 포자형성이 이루어지는 방법을 선별하였다.

 

2. 해외 최신 여과 및 정화시스템의 비교연구

  '97년 8월 네덜란드와 벨기에 등 유럽형 여과시스템의 현지조사를 수행하였다. 네덜란드의 온실작물연구소(PTG)와 농가 및 벨기에의 유럽채소연구개발센터(European Vegetable R&D Center)를 방문하였고, 독일의 농가현황을 살펴보았다.

  또한, 현재 유럽에서 상용화되어 있는 여러가지 형태의 양액소독 및 여과시스템에 대한 전반적인 특징분석 및 실용성에 대한 연구로 경제성을 분석하여 보았다.

 

3. 여과기내 충진용 매질별 정화효율 조사

  가. 적용매질의 물리·화학적 특성 조사

    적용하는 매질에 있어, 각각의 물리적 특성과 화학적 특성을 조사하여 이들 매질에 대한 기본적인 성질을 파악하는 것을 선결과제로 하였다. 물리적 특성의 조사항목은 가밀도(bulk density), 공극율(porosity), 포장용수량 (field moisture capacity), 흡습계수(hygroscopic coefficient)로 하였고, 화학적 특성에 대한 조사는 pH, 유기물 함량(organic matter), 양이온치환능력 (cation exchange capacity; CEC), 가용성 인산(available P2O5), 치환성양이온(exchangable cation)을 대상으로 하였다.

 

  나. 여과효율 조사

   (1) 균 제거에 요구되는 매질별 최소 용량 결정

  우선 적용된 매질의 균 흡착능력을 알아보기 위하여, 1 ℓ 용량, 높이 40 cm의 PVC 컬럼을 제작하여 200 ml/min의 유속으로 균이 접종된 양액(0.85 x 108 spores/ml)을 통과시켰다. 이 간이 파일럿을 이용하여 균의 제거에 요구되는 최소한의 용량을 결정하였다.

 

   (2) 충진용 매질의 여과효율 검정

   여과기 충진용 매질별 여과효율을 알아보기 위하여 동일한 컬럼 (높이 40 cm, 직경 100 mm)을 사용하여 Fusarium oxysporum, Phytophthora capsici (역병균), Colletotrichum phomoides(토마토 탄저병균), Botrytis cinerea(잿빛곰팡이병균)을 접종한 양액을 유속 0.2 m3/hr로 통과시켜 균 제거효율을 검토하였다.

 

  (3) 여과후 진균류의 활성조사

  검정 방법은 V8 선택배지에서 배양하는 방법과 2 μm의 membrane filter에 여과시킨 후, 각각의 membrane을 멸균수에서 8시간 진탕시켜 얻어진 용액을 희석하여 V8 배지에서 배양하는 방법을 이용하여 36시간 후 발생하는 콜로니의 수를 통하여 확인하였다(Stanghellini et al., 1996).

 

 다. 여과 후 여액의 화학적 특성 검정

  양액이 재순환되는 시스템에서는 여과용 매질의 특성에 따라 유용양분이 매질에 결합하는 흡착이 일어날 수 있어 처리전과 처리후의 전이온농도(EC, mS/cm) 및 pH를 비교하였고, 매질별 특성 시험에서는 여과 후, 주요 양이온 농도를 파악하였다.

4. 한국형 양액정화 간이 pilot 시작기의 여과 및 정화효율 조사

  본 실험에서는 외국의 모래 여과시스템을 개량, 보완하여 국내의 실정에 적합하고 효율적인 여과시스템을 제작하고자 우선, 간이 pilot을 시험 제작하여 효율성을 비교해보자 하였다.

  4개의 PVC-pipe를 직경 30 cm, 높이 100 cm로 맞추어 제작하였고, 각각의 원통에 다양한 매질을 충진하여 준비한 병원균의 제거 효율을 조사해 보고자 하였다.

  본 간이 여과시스템은 동일한 크기의 컬럼에 내부 충진물을 하층으로부터 굵은 자갈(??10-15 mm)을 5 cm, 가는 자갈 (??3-6 mm) 5 cm, 강모래(??1-2 mm) 40 cm를 기본으로 충진하고 상층부에 석영모래, 버미큘라이트, 펄라이트, 혹은 하이드로볼 활성탄 등을 30 cm의 높이로 충진하여 각각을 시험하였다.

  초기에는 약 20liter의 용량으로 통과시켜 보았으며, 100liter, 1500liter를 순차적으로 통과시키면서, 균 제거 효율을 검정하였다.

  가장 좋은 여과능력을 보인 버미큘라이트와 활성탄을 이용하여 새로운 간이 시스템을 제작하였는데, 그 규격은 동일한 크기의 컬럼에 내부 충진물을 하층으로부터 굵은 자갈(??10-15 mm)을 5 cm, 가는 자갈 (??3-6 mm) 5 cm, 강모래(??1-2 mm) 10 cm, 석영모래 (??5 mm) 30 cm, 활성탄 10 cm, 버미큘라이트 30 cm의 높이로 순서대로 채운 방식으로 결정하였다.

 

5. 양액재배를 통한 여과기의 실증실험

 가. 양액재배 시스템

  대상 작물은 '뚝섬적축면' 상추와 '서광' 토마토를 공시하였고, 재배방식은 담액순환경을 적용하였다. 상추는 본엽 4-5매 전개 후 베드에 정식하였으며, 2주 동안 재배 후 Fusarium oxysporum을 상기의 방법대로 접종하였다. 토마토는 1화방 출현직후 정식하였고, 2주 동안 재배 후 동일한 방법으로 Phytophthora capsici를 접종하였다. 상기의 6가지 매질별 실험에서 선발된 석영모래, 활성탄과 버미큘라이트를 적용한 여과시스템을 이용하여, 1주 간격으로 균접종액을 여과한 양액으로 교체하여 재배하였다. 시스템 적용 균주농도는 Fusarium oxysporum은 0.85 × 106 cfu/ml이었고, Phytophthora capsici의 경우는 1.3 × 106 cfu/ml이었다. 여과시 통과유속은 2.0 m3/hr로 유지하였고, 총 10주간 검정하였다. 대조구의 경우는 여과하지 않고 직접 양액에 접종하거나, 혹은 식물체의 줄기 및 뿌리에 접종하여 병원성 확인 및 희석종말점 확인을 수행하였다. 재배용 양액은 두 작물 공히 야마자키 전용양액 (Park 등, 1998)을 약간 변형하여 이용하였으며, pH는 6.0, EC는 상추의 경우 1.12, 토마토는 1.89로 유지하여 주었다.

 

Ⅳ. 결과 및 고찰

1. 양액전염 식물병원균의 종류 및 특성조사

    공시균주와 균주들의 포자형성 방법 및 희석종말점 결정의 결정은 표 4 및 5와 같다.

 

   표 4. 병원성 공시 균주

기주식물

병    명

진균류

오  이

Fusarium wilt (오이덩굴쪼김병)

 Fusarium oxysporum f. sp cucumerinum

참  외

Fusarium wilt (참외덩굴쪼김병)

 Fusarium oxysporum f. sp. melonis

수  박

Fusarium wilt (수박덩굴쪼김병)

 Fusarium oxysporum f. sp. melonis

수  박

Anthracnose (수박탄저병)

 Colletotrichum lagenarium

토마토

Anthracnose (토마토탄저병)

 Colletotrichum phomoides

고  추

Phytophthora fruit rot (고추역병)

 Phytophthora capsici

딸  기

Gray mold rot (딸기잿빛곰팡이병)

 Botrytis cinerea

 

   표 5. 공시 균주들의 포자형성 방법 및 희석종말점 결정

병원성 균주

포자 및 유주자 형성방법

희석종말점 (cfu/ml)

 Fusarium oxysporum f. sp cucumerinum

 25℃ 7일간 배양후, 4℃에서

 3일간 정치

1 x 105

 Fusarium oxysporum  f. sp. melonis

"

1 x 105

 Fusarium oxysporum  f. sp. melonis

"

1 x 106

 Colletotrichum lagenarium

 20-25℃ 7일간 배양후, 3일간 광처리, 멸균수 부은후, 4℃에서 40분간 정치

1 x 106

 Colletotrichum phomoides

"

1 x 106

 Phytophthora capsici

"

 Oatmeal 배지를 이용

1 x 103

 Botrytis cinerea

 25℃에서 10일간 배양후, 4℃에서 5일간 정치

2-3 x 105

  일반적으로 포장에서 재배되는 작물의 경우 많은 종류의 병원균이 알려져 있으나, 양액재배 환경 하에서 발생하는 병원균에 대해서는 의외로 잘 밝혀져 있지 않다. 현재까지 양액재배에서 문제를 야기하는 병원균으로는 바이러스류 4종, 세균류 2종, 진균류 20여종만이 양액재배시 근권부에서 병을 일으키는 것으로 알려져 있다. 또한, 재배시 경제적 손실을 야기할 수 있는 병원균은 현재까지 몇 가지에 한정되어 있는 실정이다.

  하지만, Pythium, Phytophthora, Plasmopara, Olpidium, Fusarium oxysporum 등은 근권부에 감염되어 작물의 뿌리에 치명적인 병을 야기할 수 있다. 특히 이들 진균류들은 이미 성장해서 결과기에 있는 작물뿐만 아니라 종자에까지 감염능력이 있고, 이때 유주자(zoospore)의 상태로 감염된다. 유주자의 형태로 감염되기 때문에 순환식 양액재배의 경우에는 매우 치명적일 수 있다. 균체의 크기는 약 3-12 μm 정도이고 뿌리의 내부에서 입자(vesicle)의 형태로 있다가 발아하여 유주자가 되고 이것이 뿌리 밖으로 배출되어 다른 식물체로 감염하게 된다.

  따라서, 본 연구의 목적상 수집된 병원균의 증식 및 유주자 형성방법에 주안점을 두었고, 이들의 감염능력 평가는 식물체를 대상으로 조건을 최적화 하였다.

 

2. 해외 최신 여과 및 정화시스템의 비교연구

  유럽의 경우, 2002년까지 모든 양액재배 시스템을 재순환방식으로 채택하도록 되어있어, 이에 대한 연구가 활발히 진행되어지고 있다. 최근 네덜란드의 온실작물연구소(PTG)에서 이루어진 연구결과들을 살펴보았다.

  이중 저속모래여과시스템의 연구를 위하여 그 동안의 개발상황을 조사한 결과는 다음과 같다.

  모래를 이용하여 불순물을 흡착시켜 여과 및 정화된 물을 이용하는 방법은 이미 100년 전부터 이용되어져 왔는데, 이를 식물 병원균의 제거에 이용한 방법이다. 물론, 현재까지 이용되고 있는 소독시스템은 열처리, 오존처리, 자외선처리, 필터여과, 요오드처리, 과산화수소처리 등이 있으나, 모래여과가가장 저렴하고 대부분의 진균류를 제거할 수 있는 시스템으로 최근 각광받고 있다.

  과거 유럽의 경우, 모래 여과시스템은 설치 및 제작의 간편화를 위하여 긴 원통형의 여과시스템을 수평으로 눕혀 놓은 상태에서 여과시키는 모델이 주류였으나, 사용시 균 여과효율이 만족스럽지 않아 대부분 2개 이상을 연결하여 설치하여 사용하였다. 그러나, 최근 들어 원통형의 시스템을 수평으로 제작하는 대신, 세로로 세운 시스템을 이용하게 되었다 (사진 1).

 

   <사진 1> 농가 보급형 소형 모래여과기       <사진 2> 고급형 대형 모래여과기

                                                      -EVR&D에 설치된 여과기-

 

  이 시스템은 약 6 m 높이의 원통에 크기별로 모래와 자갈을 채우고, 윗층에 다공성의 팽윤화 시킨 점토를 채운 후, 높이에 의해 양액의 여과과정 (depth filtration)이 이루어지도록 하였다(사진 2). 이 경우 주입되는 양액의 압력과 여과되어 나오는 양액의 압력의 차이가 일정한 수치 (보통 약 0.5bar) 이상이 될 경우, 세척할 수 있도록 권장되고 있다. 여과되어 나오는 양액의 유출속도를 시간당 4.3 m3으로 조절하여주면 최적의 여과가 가능한 것으로 발표되어 있다.

  이렇게 여과된 양액을 조사한 결과, 역병균(Phytophthora)은 거의 완벽하게 제거되었으며, 상대적으로 작은 크기의 병원균인 시들음병균(Fusarium)은 부분적으로 걸러져 그 농도를 낮추는 효과를 갖을 수 있다고 한다. 따라서, 시들음병균에 있어서는 적합하지 않은 시스템으로도 알려져 있는데, 최근의 연구결과로는 하루, 약 4 m3의 속도로 저속여과할 경우 이 병원균도 제거될 수 있음이 알려져 있다.

  실제로 유럽의 경우는 많은 농가 및 연구소가 저속모래여과시스템을 이용하는 추세를 보이고 있었는데, <사진 1>의 경우에서처럼 농가에 보급되는 소형 모래여과기의 형태와 <사진 2>의 대형 모래여과기의 형태로 나누어볼 수 있었다.

  따라서, 현재 유럽지역에서 사용 중인 양액 소독 및 여과시스템을 비교해본 결과, 표 6과 같은 결론을 얻을 수 있었다. 경제성을 비교해 볼 경우에도 저속모래여과시스템은 농가의 입장에서 매우 유리한 선택이라 할 수 있다.

 

표 6. 주요 양액여과 소독 시스템의 경제성 비교

시스템

성    능

자본투자비교z)

년간 유지비

기본비용

 감가상각비

UV-C

총계 : 250 mJ/㎠

608

166

141

UV-C

일부 : 100 mJ/㎠

387

382

94

오존소독

pH4 : 750 mv : 10g O3/㎥/h

584

578

118

가열소독

pH 4.5 : 95℃ 30초

405

402

194

H2O2＋활성제

총계 : 500 ppm

197

195

76

H2O2＋활성제

일부 : 100 ppm

197

195

41

모래여과기

선택적

100

100

100

 z)모래 여과기를 100으로 했을 때 상대적 비용

 

3. 여과기내 충진용 매질별 정화효율 조사

  가. 매질별 물리 화학적 특성 조사

  매질별로 이화학적 특성을 밝히는 과정은 이후의 실험을 위하여 매우 중요하였다(표 7, 표 8).

표 7. 매질별 물리적 특성

기본매질

가밀도

(g/cm3)

공극율

(%)

포장용수율

(%)

흡습계수

(%)

모       래

1.59

46.0

28.8

0.37

펄 라 이 트

0.19

92.1

-z)

0.62

버미큘라이트

0.46

87.0

146.3

5.07

하이드로볼

1.32

96.8

-

0.55

    z) 측정불가

  균의 흡착을 위해서는 물리적 특성중의 하나인 공극율이 상당히 중요한 변수인데, 4가지 매질 중 버미큘라이트는 포장용수량과 흡습계수가 가장 높게 나타났고, 공극율이 낮아 균의 흡착이 가장 높게 일어날 것으로 예상되었다.

  화학적 성질에 대한 결과로, 먼저 pH에 있어서는 비슷한 결과를 보였고, 유기물 함량은 버미큘라이트에서만 약간 있었을 뿐 모두 검출되지 않은 결과를 나타내었다. 이에 따라, 여과 후 양액의 pH는 사실상 큰 변화가 없을 것으로 예상되었고, 유기물의 함량의 경우는 실제로 작물의 재배시 근권부에서 유기탄소원이 미생물 번식의 주요한 판단기준이 될 수 있어 중요한 자료로 여겨졌다. 그러나, 사실상 약간 높은 유기물 함량을 보였던 버미큘라이트의 경우에도 총 유기물 함량은 무시할 수 있을 정도의 양으로 판단하였고, 이 결과는 다음 시험에서 주요한 조사자료로 이용되었다.

  양액의 재사용시 중요한 요인으로 작용할 수 있는 양이온치환용량의 경우, 모래에서는 검출되지 않았으며, 버미큘라이트에서만 12.3 me/100g으로 높게 나타났고, 유효인산의 함량이 높았다. 기타 양이온의 함량은 각 매질이 비슷한 결과를 보였다. 물론 버미큘라이트의 양이온 치환능력이 높기는 하였지만, 사실상 많은 양의 양액 여과가 지속적으로 이루어질 경우에는 연속적 치환이 이루어지므로 여과시스템 전체에 대해서는 큰 의미를 둘 수 없었다.

 

표 8. 매질별 화학적 특성

기본매질

pH

유기물

함유율

(%)

양이온

치환능력

(me/100g)

가용성 인

(ppm)

치환성 양이온

(me/100g)

K

Ca

Mg

모래

5.6

-z)

-

5.5

0.13

0.28

0.07

펄라이트

6.8

-

1.0

-

0.23

0.12

0.03

버미큘라이트

5.5

0.2

12.3

41.8

0.29

0.83

0.31

하이드로볼

5.6

-

0.5

2.1

0.21

0.15

0.30

  z) 측정불가

  

나. 매질별 균 여과 및 정화효율 검정

   (1) 매질별 균 흡착능력의 검정

  균제거 효율실험은 우선 진균류 중 기존의 모래여과 시스템으로는 spore의 크기가 다른 곰팡이에 비하여 상대적으로 작아 제거효율이 낮은 것으로 보고되어진 Fusarium oxysporum을 대상으로 하였다.

  우선 적용된 매질의 균 흡착능력을 알아보기 위하여, 1리터 용량, 높이 40 cm의 PVC 컬럼을 제작하여 200 ml/min의 유속으로 균이 접종된 양액 (0.85 x 108 spores/ml)을 통과시켰다. 이 간이 파일럿을 이용하여 균의 제거에 요구되는 최소한의 용량을 결정하였다 (표 9).

표 9. 양액 중 Fusarium oxysporum 제거에 필요한 여과시스템의 매질용량

매       질

입 경

(mm)

접종포자농도

(포자수/ml)

균제거를 위하여 요구되는 매질용량

(liter)

강   모   래

0.1 - 0.25

0.85 x 108

6.0

펄 라 이 트

0.5 - 1.0

0.85 x 108

4.5

버미큘라이트

1.0 - 5.0

0.85 x 108

3.0

하이드로볼

5.0- 10.0

0.85 x 108

6.5

 

   표 9의 결과로 볼 때, 동일 용량의 매질에 있어 균 흡착능력이 가장 뛰어난 매질은 버미큘라이트였으며, 펄라이트, 모래, 하이드로볼 순으로 흡착이 이루어졌다. 또한 균의 완전한 제거를 위해서는 최소한 6.5liter의 용량이 요구되었고(0.85 x 108 spores/ml 기준), 이들의 균 흡착 효과 및 표 8의 양이온치환용량과 치환성 양이온 함량을 비교하여 볼 때, 버미큘라이트와 펄라이트가 가장 바람직한 매질로 평가되었다.

 

 (2) 여과기 충진용 매질별 여과효율 조사

  여과기 충진용 매질별 여과효율을 알아보기 위하여 동일한 컬럼(높이 40 cm, 직경 100 mm)을 사용하여 Fusarium oxysporum, Phytophthora capsici (역병균), Colletotrichum phomoides(토마토 탄저병균), Botrytis cinerea(잿빛곰팡이병균)을 접종한 양액을 유속 0.2 m3/hr로 통과시켜 균 제거효율을 살펴보았다. 초기에는 약 20 liter의 용량으로 통과시킨 결과, 매질의 종류와 상관없이 모두 균이 제거되었다. 100 liter 이상의 용량이 여과되어지는 경우에는 하이드로볼을 이용한 파일럿에서 균이 검출되기 시작하였으나, 다른 매질을 이용한 파일럿에서는 검출되지 않았다.  제거효율은 다음 표 10과 같다.

 

표 10. 매질별 진균류 흡착 및 여과능

매   질

양액내 접종농도

(cfu/ml)

여과후 농도

(cfu/ml)

제거 효율

(%)

Fusarium oxysporum(시들음병균)

강모래

 

1504

82.3

펄라이트

 

4216

50.4

버미큘라이트

0.85 × 104

 807

90.5

하이드로볼

 

6698

21.2

활성탄

 

 637

92.5

석영모래

 

7 82

90.8

Phytophthora capsici(역병균)

강모래

 

1293

80.1

펄라이트

 

1599

75.4

버미큘라이트

0.65 × 104

1235

81.0

하이드로볼

 

2015

69.0

활성탄

 

 162

97.5

석영모래

 

 325

95.0

Colletotrichum phomoides(토마토 탄저병균)

강모래

 

1026

88.6

펄라이트

 

1512

83.2

버미큘라이트

0.9 × 104

 855

90.5

하이드로볼

 

1935

78.5

활성탄

 

 135

98.5

석영모래

 

1053

88.3

Botrytis cinerea(잿빛곰팡이병균)

강모래

 

 72

89.5

펄라이트

 

138

80.3

버미큘라이트

0.7 × 103

 52

92.6

하이드로볼

 

190

72.8

활성탄

 

 10

98.6

석영모래

 

 81

88.5

 

 

4. 한국형 양액정화 간이 pilot 시작기의 여과 및 정화효율 조사

  양액 1,500 liter 여과후, 매질별 균 제거효율은 Fusarium oxysporum을 기준으로 볼 때, 활성탄 92.5%, 석영모래 90.8%, 버미큘라이트 90.5%, 강모래 82.3%, 펄라이트 50.4%, 하이드로볼 21.2% 순으로 나타났다.

  균주별 시험의 경우, 석영모래를 기준으로 여과액에서 검정되는 최대 농도가 Fusarium oxysporum 120 cfu/ml, Collectotrichum lagenarium 98 cfu/ml, Phytophthora capsici 82 cfu/ml, Botrytis cinerea 62 cfu/ml, Pythium spp. 42 cfu/ml, Sclerotinia spp. 52 cfu/ml로 나타났다.

  본 결과는 양액재배시 양액을 통하여 발병 가능한 여러 종류의 진균류가 활성탄, 석영모래, 버미큘라이트로 효과적으로 제거될 수 있음을 보여주고 있다. 그러나, 각각의 매질은 통과유속에 차이를 보였다. 강모래의 경우, 세척이 용이하지 않았고, 이에 따라 다량의 점질물이 잔류하게 되어 통과유속에 영향을 주었으며, 활성탄의 경우 여과효율은 높으나, 다량으로 적용하기에는 검토가 이루어져야 할 것으로 나타났다. 석영모래는 입자의 형태가 일반 퇴적된 강모래와 달리, 표면이 다양한 결각의 형태를 이루어 여과효율이 높게 나타난 것으로 판단된다. 버미큘라이트의 경우에서는 소립의 다공성 입자가 균의 여과효율을 높였으며, 통과유속 또한 강모래보다 높게 나타났다. 여과후, pH 및 EC의 변화는 석영모래를 기준으로 볼 때, pH는 약 7로 유지되었고, EC는 큰 차이가 없었다.

  유럽의 경우 시스템의 양액 통과유속은 대체로 4.3 m3/hr를 기준으로 하고 있으며, 모래여과를 기본으로 하고 있는데, 이는 본 실험에 적용된 시스템이 직경 30 cm, 높이 1.0 m로 되어 있고, 충진매질의 양과 종류에 차이가 있기 때문이다. 모래를 이용한 여과기는 기존에 외국에서 실험되어 왔던  여러 가지 살균, 소독시스템(자외선, 과산화수소, 요오드처리 등) 중에서 가장 국내 재배환경에 맞고, 농가 자체제작이 가능하며, 제작시 소요비용이 가장 적게 든다는 장점을 갖고 있다. 외국에서 상용중인 모래 여과시스템은 여러 가지 형태로 분류되며, 국가마다 선호되는 형태가 조금씩 다른 실정이다. 그 이유는 우선, 국가마다 중점을 두는 작물의 종류와 품종이 달라 이에 따라 제거하여야 하는 병원균의 종류에서 차이가 나고, 각국의 온실환경과 재배환경이 상이하여 빈발하는 병원균도 같지 않기 때문이다. 또한, 각 대학 및 원예관련 연구소들이 꾸준히 기존의 모래 여과시스템을 보완, 개량하고 있으며, 균흡착용 충진물질을 다양한 방법으로 개발하고 있어 여러 가지 형태의 시스템이 제작되고 있는 상황이다.

 

5. 양액재배를 통한 여과기의 실증실험

   실험에서 여과능과 여과속도에 있어 좋은 결과를 보여준 석영모래와 버미큘라이트를 이용한 최종 여과시스템은 동일한 크기의 컬럼에 내부 충진물을 하층으로부터 굵은 자갈(??10-15 mm) 5 cm, 가는 자갈 (??3-6 mm) 5 cm, 강모래(??1-2 mm) 10 cm, 석영모래 (??5 mm) 30 cm, 활성탄 10 cm, 버미큘라이트 30 cm의 높이로 순서대로 채운 방식으로 결정하였다. 이 시스템의 여과능력은 그림 1과 같다. 여과시스템의 실증실험을 위하여 상추와 토마토를 재순환 양액재배 시스템으로 접종 후, 여과하는 방식으로 재배한 결과, 약 8-10주 후에는 약간의 균 농도가 증가하였으나, 각 작물의 근권부에서의 발병은 없었다. 접종농도가 사실상 실제 발병농도보다 매우 높은 농도임을 감안한다면, 가장 문제시되는 진균류에 대한 여과능력은 매우 높은 것으로 판단된다.

   

그림 1. 총 여과량에 따른 여과 양액 중 균 밀도 변화      

 

  총 10주간의 재배에서 양액 내의 균 밀도를 살펴보면 그림 2와 같다. 본 실험의 최저 발병가능농도(threshold level)는 F. oxysporum의 경우 0.5 x 103 cfu/ml 이었고, P. capsici는 1.0 x 102 cfu/ml 이었는데, 재배기간 중 균의 밀도가 이에 미치지 못했음을 보여주고 있다. 본 실험을 통하여 본 연구팀이 제작한 저속모래여과기가 진균류의 발병억제에 충분한 효과가 있음을 입증할 수 있었고, 동일 재배기간 동안 여과기의 유속은 차이를 보이지 않아, 넓은 면적의 재배환경에서도 충분히 사용 가능할 것으로 사료되었다.

  그림 3의 경우에서 보는 바와 같이, 토마토의 양액재배시 시들음병균의 양액접종 후, 여과시스템이 없는 처리구의 시들음병 발생비율은 10주째에 30% 이상이 발생한 반면, 저속모래여과시스템을 이용한 경우에는 병이 전혀 발생하지 않았다.

  이에 따라 실용적 측면에서의 저속모래여과기의 실증실험을 위하여 경기도농업기술원의 자동환경제어 유리온실에 한국형 MEDIA 여과 시스템을 설치하고 농가보급형으로서의 그 가능성을 타진하고자 하였다.

 

그림 2. 여과 양액의 토마토 재배기간 중 균 밀도 변화   

 

그림 3. 토마토 양액재배시 병원균 접종후 시들음병 발생비율(%)     

 

6. 한국형 media 양액 여과기(시제품)의 성능 조사

   본 실험은 고려대학교에서 개발한 간이 여과시스템을 바탕으로 하여, 기존 한국형 유리온실에 맞추어 한국형 MEDIA 양액여과기를 제작, 설치하고 실증시험을 실시하였다(구체적인 설계도는 특허출원중인 관계로 생략).

  본 실험을 통하여 약 2.2 ton의 양액여과시 pH와 EC변화를 살펴본 결과, 그림 4와 같은 결과를 얻었다. pH의 경우 여과 유량이 증가함에도 초기 pH 6.6에서 큰 변화 없이 일정수준을 유지하고 있음을 볼 수 있다. 이것은 매질에 의하여 흡착, 혹은 방출되는 이온에 의한 양액의 변화가 거의 없음을 나타내고 있다. 반면에 EC는 200 liter 여과시에 1.35에서 1.2까지 다소변화하였는데, 여과가 지속적으로 이루어지면서 회복되는 경향을 보였다.

그림 4. 양액 여과에 따른 pH와 EC의 변화

   이것은 양액 여과기를 처음 사용할 경우 내부충진 매질에 이온들이 흡착될 수 있고, 또한 여과기내의 매질을 충진하면서 세척을 하게 되는데, 이때 갖게되는 수분이 여과 초기에 배출되면서 EC가 떨어진 것으로 판단된다. 중기 이후의 EC가 지속적으로 유지되는 것으로 보아 이것은 큰 문제가 되지 않을 것으로 사료되었다. 또한, 매질의 충진시에 함유하고 있는 수분을 모두 건조시키면 이러한 문제는 많이 극복될 수 있으리라 본다.

  한국형 Media 여과시스템의 운용시 EC의 변화에 대한 구체적인 설명을 위하여 여과 전후의 양액내 무기성분 함량의 변화를 조사한 결과, 표 11과 같았다. 총 2.2 ton을 시간당 1톤의 여과속도로 여과한 결과, 여과 전후의 양액 내 성분변화는 극미한 것을 알 수 있다. 그런데, 특히 주목할만한 결과는 중금속 이온인 카드뮴(Cd)과 납(Pb)의 함량이 여과 전에는 각각 0.837, 8.886 ppb 이었던 것이, 여과 후에는 전혀 검출되지 않았음을 보여주고 있다. 이는 사용한 다공성의 버미큘라이트와 활성탄이 중금속 이온 흡착에 기여한 것으로 추론된다.

  여과기의 여과효율을 보면, 그림 5에서와 같이 극명한 결과를 볼 수 있다. 여과효율은 약 100배로 나타났는데, 이 같은 결과는 한국형 MEDIA 여과시스템이 일반 농가수준의 유리온실에서의 진균류 방제에 충분히 적용 가능한 것으로 판단되었다.

 

표 11. 여과 전·후 양액 중 무기성분 함량의 변화

무기성분

여과 전

여과 후

NH4-N (ppm)

 10.7

 10.9

NO3-N (ppm)

 99.0

 81.3

P      (ppm)

 88.6

 86.4

K      (ppm)

171.4

172.1

Ca     (ppm)

 73.7

 76.6

Mg    (ppm)

 24.1

 24.2

Fe     (ppm)

0.893

0.857

Zn     (ppm)

0.093

0.096

Cd     (ppb)

0.837

0.000

Pb     (ppb)

8.886

0.000

    실제로 10 a당 유리온실 내에 과채류 3,000주를 재식 한다면, 이때에 재배시 요구되는 양액은 1주당 2리터가 된다. 그렇다면, 하루에 총 6,000리터의 양액을 주어야 하는데, 여기에서 이용되지 못하고 유출되는 배액을 20%로 가정할 때, 1,200리터가 나오게 된다. 본 시스템의 여과 능력은 시간당 1.0 ton으로 만약, 12시간 가동할 경우 1개의 시스템으로 3,000평 규모의 유리온실에 적용 가능한 것으로 판단되며, 이때의 여과효율은 F. oxysporum을 대상균주로 하였을 경우 99% 이상 여과된다고 할 수 있다.

 

5.7×104↘

100

 

 

 

Fusarium

colony

(cfu/ml)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    4.0×102↘

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0.1

 

 

 

여과 전

 

여과 후

 

 

  그림 5.  한국형 MEDIA 여과기 여과 효율

  결론적으로, 본 연구팀에 의하여 제작되어 실증 실험된 한국형 MEDIA 여과 시스템은 농가수준의 작물 재배시에 높은 병원균 제거 능력을 보여주었으며, 타 소독시스템에서 나타나는 양액의 화학적 조성변화가 본 시스템에서는 전혀 찾아볼 수 없었고, 또한 사용한 기본적 자재가 단순하고 구입이 용이하고 제작단가가 낮아 매우 경제적이며 효율적인 시스템이라고 사료된다.

 

Ⅴ. 적 요

    본 연구는 국내 농가에서 가장 적용하기 간편하고 효율적인 저속모래여과 (slow sand filtration) 방법을 기초로 한국형 저속모래여과 시스템을 개발하고자 하였다. 본 실험을 통하여 양액전염 식물병원균 7종의 특성 조사 및 포자와 유주자 형성 조건을 확립하였으며, 해외 최신 여과 및 정화시스템의 비교를 통하여 국내의 환경에 요구되는 시스템을 구성하였다. 한국형 MEDIA 양액 여과기의 설계를 위하여 기초작업으로 여과기 충진용 매질별 정화효율을 조사하였다. 양액 1,500 liter 여과 후, 매질별 균 제거효율은 Fusarium oxysporum을 기준으로 볼 때, 활성탄 92.5%, 석영모래 90.8%, 버미큘라이트 90.5%, 강모래 82.3%, 펄라이트 50.4%, 하이드로볼 21.2% 순으로 나타났고, 균주별 시험의 경우, 석영모래를 기준으로 여과액에서 검정되는 최대 농도가 Fusarium oxysporum 120 cfu/ml, Collectotrichum lagenarium 98 cfu/ml, Phytophthora capsici 82 cfu/ml, Botrytis cinerea 62 cfu/ml, Pythium spp. 42 cfu/ml, Sclerotinia spp. 52 cfu/ml로 나타났다. 이에 따라 버미큘라이트, 석영모래, 활성탄을 선발할 수 있었다. 한국형 양액 정화용 간이 pilot 시작기를 우선 제작하여 여과 능력 및 병 발생율을 조사하여 가장 효과적인 여과기내 매질 충진 방법을 확립하였다. 간이 pilot 시작기의 실용성을 판단하기 위하여 상추 및 토마토의 양액재배시 제작한 pilot 시작기를 운용하는 실증 실험을 수행하였다. 총 10주간 양액재배 시스템에 적용한 후, 여과성능을 조사을 조사한 바, 활성탄, 버미큘라이트, 석영모래, 강모래 및 자갈을 적용한 시스템이 가장 효과적이었다.  '뚝섬 적축면' 상추와 '서광' 토마토를 담액수경으로 재배하며, 석영모래, 활성탄, 버미큘라이트를 충진물로 한 여과시스템을 적용한 결과, 균을 인위 접종 후 10주 후까지 발병하지 않아(토마토 총30주 중 대조구 발병은 12주), 본 여과 시스템으로 효과적인 균제거가 가능함을 보여주었다. 실제로 농가에 적용 가능한 한국형 MEDIA 양액여과 시작기를 제작하여 양액재배에 시스템에 적용한 결과 여과성능은 1톤/hr이었고, 여과효율은 99%(Fusarium oxysporum colony)까지 높일 수 있었으며, 여과 중 양액의 화학적 변화는 극히 미미하였다. 본 시스템은 순환식 양액재배 방법을 도입한 농가가 매우 손쉽고, 실용적으로 근권부에서 발병 가능한 진균류를 제어할 수 있도록 도움을 줄 수 있다고 사료된다.

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