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ISSN : 1225-5009(Print)
ISSN : 2287-772X(Online)
Flower Research Journal Vol.27 No.2 pp.135-142
DOI : https://doi.org/10.11623/frj.2019.27.2.08

Removal Effects of Formaldehyde and Total Volatile Organic Compounds of Spathiphyllum wallisii by Water Stress

Hye min Park, Ja Hee Lee, Ae Kyung Lee*
Department of Environmental Horticulture, Dankook University, Cheonan 31116, Korea
Corresponding author: Ae Kyung Lee Tel: +82-41-550-3646 E-mail: akleekr@dankook.ac.kr
27/02/2019 19/06/2019 20/06/2019

Abstract


This study aimed to investigate the pollutant removal efficiency of Spathiphyllum wallisii in an indoor space according to the degree of water stress. The control group was a without plants group, and the treatment groups included well-watered S. wallisii and water-stressed S. wallisii. The temperature in the chamber according to presence or absence of water stress of S. wallisii was maintained at 23°C ± 1°C, an indoor comfortable temperature, for both control and treatment groups. Humidity also significantly differed between the control and treatment groups, but there was no significant difference between the treatment groups. In terms of indoor pollutants owing to water stress, the formaldehyde concentration was 0.30 mg・m-3 in the control group, 0.05 mg・m-3 in the well-watered S. wallisii group, and 0.09 mg・m-3 in the water-stressed S. wallisii group. The control and treatment groups exhibited statistically significant differences, but there was no statistically significant difference between the treatment groups according to the water stress in the plants. All of the total volatile organic compounds (TVOC) of well-watering S. wallisii were removed after 5 hours, whereas 0.34 mg・m-3 of TVOC of water-stressed S. wallisii were m aintained. T VOC of t he c ontrol g roup w as 1 .25 mg・m-3. Thus, the three groups showed statistically significant differences. In addition, the carbon dioxide concentration was 459 ppm in the control group, which was not significantly different from that in the well-watered S. wallisii group. However, the carbon dioxide concentration was slightly higher in the water-stressed S. wallisii group than that in the control group. The porosity change rate of the well-watered S. wallisii group was high and that of the water-stressed S. wallisii group was low. Thus, the space containing S. wallisii showed greater indoor pollutant removal efficiency, regardless of the water stress than the space without plants. Therefore, the indoor space arranged rather than the space in which the S. wallisii not disposed is effective for the air purification, and the S. wallsii which is subjected to water-stressed drop the change of stomatal size and the carbon dioxide in the indoor pollutants removal, also moisture management is necessary to effectively remove indoor pollutants.



스파티필름의 수분 스트레스에 따른 포름알데히드 및 총 휘발성유기화합물 제거 효과

박 혜민, 이 자희, 이 애경*
단국대학교 환경원예학과

초록


    서 언

    최근 최근 과학 기술의 발전과 산업화에 따른 경제성장으로 인간의 생활 및 거주 환경은 많은 발전을 이루었으나, 동시에 환경오염 문제가 심각해지고 있다. 외부에서 발생되는 총 휘 발성유기화합물(Total Volatile Organic Compounds, TVOC), 포름알데히드, 벤젠 등의 오염물질이 실내 건축자재에서도 발 생되고 있으며, 실내 오염물질의 농도가 더 높아지는 것으로 조사되었다(Wood et al. 1998). 현대인의 80%는 하루 평균 21시간을 실내에서 생활하는 것으로 나타났으며(NIER 2009), 이는 새집증후군과 같은 오염원에 노출되는 시간이 많아져 두 통, 아토피와 같은 건강상의 문제를 야기시킨다. 이로 인해 가 전시장이 빠르게 성장하면서 실내에 가습기 및 공기청정기 등 의 다양한 제품들을 사용하였으나, 비용부담 및 부작용으로 인하여 친환경적인 방법으로 식물을 이용하기 시작하였다. 식 물은 잎의 기공을 통해 독성물질을 흡수하여 체내에서 분해하 는 대사경로를 가지고 있어 실내·외 오염물질을 제거하는 것 으로 보고되었다(Lee 2004). 또한, 식물은 심리적으로 안정감 을 주어 스트레스 경감 효과가 있으며(Yoo et al. 2015), 실내 소음을 저감시키는 효과가 있는 것으로 보고되었다(Park et al. 2005). 실내 오염물질을 해결하기 위한 식물의 공기정화 연구는 미 항공우주국(National Aeronautics and Space Administration, NASA)에서 우주에서 생장할 수 있는 식물을 이용하여 밀폐된 우주 정거장의 실내 공기를 효과적으로 제거하기 위한 연구로 시작되었으며(Wolverton et al. 1989), 국내에서도 현대인들의 실내 공기 관심도가 높아짐에 따라 식물의 종에 따른 포름알 데히드 제거에 관한 다양한 연구(Kim et al. 2010)가 이루어지 고 있다. Kim et al.(2010)은 양치류, 허브류 식물이 포름알데 히드 제거 효과가 높다고 보고하였으며, Park et al.(2010)은 실내 저광 조건에서 파키라와 인도고무나무처럼 잎이 크고 많 은 식물이 실내 이산화탄소 제거능력이 높아 공기정화에 효과 가 있다고 하였다. 또한 Kil et al.(2008)의 연구에 따르면 식 물을 재배한 토양은 지하부·지상부 유무에 상관없이 포름알 데히드 제거에 효과적이라고 보고하였으며, 이는 식물의 근권 부에 살고있는 박테리아(Chun et al. 2010)와 토양의 흡착 (Son et al. 2000)에 의해 실내 오염물질을 제거하는 것으로 연구되었다. 현재 국내 연구는 실내 오염물질의 제거와 관련 하여 식물의 종에 따른 효과, 토양의 종류에 따른 효과, 또는 식물의 특정 오염물질 제거 능력 등에 관한 연구가 주로 이루 어졌으나 이러한 연구들의 결과를 토대로 실제 실내 환경에 적용하였을 때, 식물 스트레스 정도에 따른 오염물질 제거 효 율에 관한 연구는 전무하였다. 따라서 본 연구는 스파티필름 의 수분 스트레스 정도에 따라 실내 공간 내 오염물질 제거 효과를 구명하고자 실시하였다.

    재료 및 방법

    공시재료

    본 실험에 사용된 스파티필름(Spathiphyllum wallisii’)은 경 기도 고양시 재배농가에서 직경 15cm 포트의 스파티필름을 구입 후 균일한 개체를 선별하여 실험에 사용하였다. 예비실 험을 통해 chamber 내 스파티필름이 차지하는 공간 체적 비 율은 실내 오염물질 제거 효율이 가장 좋았던 기존 연구결과 (Park et al. 2017)를 토대로 50%로 설정하였다. 처리내용은 식물이 없는 공간을 대조구로 하였으며, 관수 유·무에 따라 개체당 50mL를 관수한 관수처리구(4 pots)와 2주간 무관수처 리구(4 pots)로 구분하였다(Fig. 1). 식물의 초기 생장은 Table 1과 같았다.

    실내 광 조건은 4.8μmol・m-2・s-1 PPFD 형광등 하에서 실험 을 진행하였으며, chamber는 acrylic 소재(335 × 240 × 145mm, 60L)를 사용하였다. 외부와의 공기순환이 없도록 파라필름 (Parafilm, Bemis, USA)을 이용하여 이음새 부분을 밀봉하였 으며, 매 회 실험이 끝난 후 chamber 내부에 남아있는 오염물 질을 제거하기 위해 80% ethanol를 이용하여 표면을 소독한 후 측정을 진행하였다.

    오염물질 처리 및 조사항목

    오염물질은 예비실험 결과를 통해 실내의 오염물질이 포집 되는 최소시간 10분 동안 chamber에 실내 오염물질을 포집 한 후 밀폐시킨 뒤 실시하였다. 조사항목은 수분 스트레스에 따른 실내 오염물질 제거 효과를 알아보기 위하여 chamber 내 환경 및 오염물질(Formaldehyde, Total Volatile Organic Compound, CO2) 변화, 기공 변화율을 조사하였다. 환경분석 은 온도 및 습도를 조사하였고, 모든 chamber 내 데이터로거 (WatchDog 1450, Spectrum Technologies Inc., USA)를 부착 하여 30분 간격으로 데이터를 수집하였다. 포름알데히드, TVOC(MEF-550, Sensology, China)는 5시간 동안 1시간 간격 으로 시간당 3회씩 측정하였으며, CO2(AQPRO-3, Einstrument, USA)는 실험 전과 후에 5분 간격으로 3회 측정하여 처음 조 사값을 100%로 하여 변화율로 나타내었다. 스파티필름의 기 공측정은 기공전용 관찰키트(SUMP, Kenis, Japan)을 이용하여 3반복으로 측정하였다. 광학현미경(CX 31, Olympus, Japan)을 이용하여 기공의 크기를 조사한 후 기공 촬영은 현미경 카메 라(T500, eXcope, China)를 이용하였으며, image J 프로그램 을 사용하여 실험 전·후에 따른 스파티필름 기공의 크기를 변화율로 계산하였다.

    통계처리

    각 처리간의 각 조사에 따른 측정값의 통계분석 및 유의성 은 SAS 프로그램(SAS 9.0, SAS institute Inc., Cary, USA) Duncan의 다중검정 p ≤ 0.05 수준에서 분석하였다.

    결과 및 고찰

    스파티필름의 수분 스트레스 유무에 따른 chamber 내 온도 를 조사한 결과(Fig. 2A), 식물이 들어있지 않은 대조구는 평 균 23.2℃, 정상적인 스파티필름은 23.8℃, 수분 스트레스를 받은 스파티필름은 23.1℃로 조사되었다. 대조구와 처리구 모 두 식물의 생육 적정 범위인 23±1℃를 유지하였으며(Lee et al. 2008), 수분 스트레스를 받은 스파티필름과 정상적인 스파 티필름의 chamber 내 온도는 약 0.7℃의 차이를 보이며, 처리 간의 유의한 차이가 나타났다. 식물은 증산작용을 통하여 방 출되는 수분으로 실내 환경 내 온도조절의 효과를 갖고있어 (Snyder 1990) 정상적인 스파티필름의 경우 토양을 비롯한 식 물체 내에서 증발되는 수분으로 온도가 다른 처리구에 비해 높게 올라가는 것으로 판단된다(Han and Bang 1996). 또한, 습도의 경우(Fig. 2B) 대조구는 평균 51.3%인 반면, 정상적인 스파티필름은 74.4%, 수분 스트레스를 받은 스파티필름은 72.4%로 조사되어 대조구와 처리구가 유의차 있게 나타났으 며, 처리구간에는 유의한 차이가 없는 것으로 조사되었다. 이 는 수분 스트레스와 상관없이 스파티필름은 건조한 실내환경 을 개선 시키는데 효과적인 것으로 판단된다. 수분 스트레스 에 따른 실내 오염물질 제거효율을 조사한 결과(Fig. 3), 대조 구를 제외한 정상적인 스파티필름과 수분 스트레스를 받은 스 파티필름 모두 1시간 이후부터 감소하는 것으로 조사되었다. 실험 5시간 후 최종 포름알데히드 농도값은(Fig. 3A) 대조구 가 0.30mg・m-3, 정상적인 스파티필름은 0.05mg・m-3, 수분 스 트레스를 받은 스파티필름은 0.09mg・m-3으로 대조구와 스파 티필름이 있는 처리구는 통계적으로 유의차를 보였으나, 스파 티필름 처리구의 수분 스트레스에 따른 처리 간에는 유의차는 나타나지 않았다. 이는 Kil et al.(2008)Song(2015)의 연구 에서 정상적으로 자라는 식물과 식물의 지상부를 제거하고 뿌 리만 남아있는 토양에서 모두 실내 오염물질인 포름알데히 드를 제거하는 것으로 보고한 것과 같이 본 연구에서도 식물 의 스트레스 유무와 상관없이 실내 오염물질을 제거하는 것 으로 나타났다. 그러나, 식물을 넣지 않은 대조구에서는 포름 알데히드값이 실험 종료시까지 계속 증가하였다. 이는 포름알 데히드의 경우 식물의 기공을 통해 흡수하여 이산화탄소로 전 환 후 광합성 과정을 통해 제거되는데 대조구의 경우 식물이 없는 빈 chamber로 포름알데히드가 제거되지 못하고 시간이 지남에 따라 증가되는 것으로 판단된다(Kim et al. 2011;Schmitz 1995). 따라서, 실내 오염물질을 제거하는 요인에 있 어서 식물은 기공을 통해 오염물질을 제거하는 것 외에도 식 물의 지하부와 관련이 있는 것으로 판단된다. TVOC의 경우 (Fig. 3B), 정상적인 스파티필름 및 수분스트레스를 받은 스파 티필름은 실험 1시간 이후부터 2시간까지 통계적으로 유의차 가 나타났으며, 특히 정상적인 스파티필름은 5시간 후 0.0m g・m-3으로 모두 제거된 반면, 수분 스트레스를 받은 스파티필 름은 0.34mg・m-3으로 다소 남아 있었고, 대조구는 1.25mg・ m-3으로 많은 양이 잔존해 있는 것으로 나타났다. 대조구의 경우 포름알데히드는 시간이 지남에 따라 계속 증가한 반면, TVOC는 다소 감소된 것으로 조사되었다. TVOC는 공기 중 수분에 의해 흡착되어 제거되는 성질을 갖고 있으며(Kim et al. 2012), chamber 내 습도를 측정한 결과 50% 내로 조사되 어 이는 TVOC 제거에 영향을 미친 것으로 판단된다. 또한, TVOC는 실내에 존재하는 다양한 오염물질로 구성되어 있기 때문에 정확한 제거 요인을 파악하기 위해서는 TVOC를 구성 하는 오염물질 각각의 제거 효과에 대한 추후 세부적인 연구 가 필요할 것으로 판단된다. 실내 오염물질 제거 효과를 종합 한 결과, 정상적인 스파티필름이 수분 스트레스를 받은 스파 티필름보다 제거효과가 더 높은것으로 조사되었다. 본 연구에 사용된 스파티필름의 생육 특성 조사결과(Table 1), 수분 스트 레스를 받은 스파티필름은 정상적인 스파티필름과 비교 시 생 체중, 엽면적 등에서 통계적으로 유의한 차이를 나타내었으며, 이는 파키라, 헤데라, 인도 고무나무와 같이 엽면적이 넓은 식 물들이 광합성률이 높고(Park et al. 2010), 잎이 넓은 식물들 이 실내 공간에 차지하는 면적이 넓을수록 실내오염물질 제거 효율이 증가된다는 보고(Kim et al. 2009)와 유사하여 본 연구 에서도 수분스트레를 받은 스파티필름의 잎 형태 변화에 따른 엽면적의 감소로 실내오염물질 제거 효과가 정상식물에 비해 저하된 것으로 판단된다.

    실험 전·후 5시간동안 chamber 내 이산화탄소 함량을 조 사한 결과(Fig. 4), 실험 전 대조구 및 처리구의 chamber 내 이산화탄소 함량은 453 ± 1.4ppm으로 조사되었으며, 실험 후 대조구 chamber는 459 ± 3.4ppm, 정상적인 스파티필름 446 ± 5.0ppm로 조사되어 통계적으로 유의한 차이는 없었다. 이 는 실험실 환경의 조도가 4.8μmol・m-2・s-1 PPFD 로 낮은 광 으로 조사되었으며, 식물이 낮은 광에 순화되어 광합성을 하 는 동안 이산화탄소 농도가 저감되거나 광합성 제한에 영향을 미치는 것으로 보고된 결과와 같이(Oh et al. 2010) 본 실험 결과에서도 실험전과 정상식물의 이산화탄소 농도가 차이가 없는 것으로 나타났다. 또한, 수분 스트레스를 받은 스파티필 름은 잎의 손상으로 기공이 폐쇄되어 이산화탄소 공급과 광합 성 능력이 저해 되는 것으로 연구되었으나(Bjôrkman 1968;Lawlor and Fock 1975;Setter et al. 1980), 본 연구에서는 실 험 전에 비해 이산화탄소 농도가 높게 나타나 실내 오염물질 제거능 실험과 더불어 이산화탄소 저감 효과에 대해 추가 연 구가 되어져야 할 것으로 판단된다. 실험 전·후 스파티필름 의 기공 크기 변화율을 조사한 결과(Fig. 5), 실험 전을 100으 로 기준하여 실험 후 정상적인 스파티필름은 139.4%로 변화 율이 증가하였으며, 수분 스트레스를 받은 스파티필름은 103.4%로 전과 후의 변화율 차이가 없고, 두 처리간의 통계적 으로 유의차가 나타나는 것으로 조사되었다. Lee(2016)의 보 고에 의하면 식물체 내 이산화탄소의 감소는 기공이 열리는 초기 반응으로, 식물이 수분 스트레스를 방지하기 위해 기공 크기를 조절하며, 광합성량과 증산량을 결정한다. 그러나, 정 상 스파티필름의 경우 기공 변화율이 증가하였으나, 이산화탄 소 저감 효과가 미미한 것으로 나타났다. 이는 식물이 광합성 외 토양 내 미생물로 인해 오염물질 제거 효과가 있는 것으로 보고된 바와 같이 식물이 정상 기능을 하지 못하여도 식물의 토양에 의해 오염물질 제거 효과가 나타난 것으로 판단된다. 따라서, 식물이 없는 대조구와 비교 시 수분 스트레스 유·무 와 상관없이 스파티필름이 배치된 공간에서 실내 오염물질이 제거 되는 것으로 나타났다. 그러나, 정상적인 스파티필름 처 리구가 수분 스트레스를 받은 스파티필름 처리구보다 TVOC 제거 및 기공개폐가 잘 이루어져 기공 변화율이 높게 조사됬 으며, 스파티필름을 이용하여 실내오염물질을 효과적으로 제 거하기 위해서는 건강한 식물 선택과 함께 수분관리도 중요하 다고 판단된다. 또한, 본 연구는 스파티필름에 한정적인 부분 이며, 식물에 따라 실내 오염물질 흡수 능력이 다르고, 수분 스트레스 외 식물의 엽면적 및 토양 표면 흡착 등에 영향을 받을 수 있으므로 추가적인 연구가 필요하다고 판단된다.

    초 록

    본 연구는 스파티필름의 수분 스트레스 정도에 따라 실내 공간 내 오염물질 제거 효율을 구명하고자 수행하였다. 식물 이 없는 공간을 대조구, 정상적인 스파티필름과 수분 스트레 스를 받은 스파티필름을 각각의 처리구로 하였다. 스파티필름 의 수분 스트레스 유무에 따른 chamber 내 온도를 조사한 결 과 대조구와 처리구 모두 식물의 생육 적정 범위인 23±1℃를 유지하였으며, 처리 간의 0.7℃의 차이를 보였다. 습도의 경우 대조구와 처리구는 유의차 있게 나타났으며, 처리 간의 유의 차는 없는 것으로 나타났다. 수분 스트레스에 따른 실내 오염 물질을 조사한 결과, 포름알데히드(Formaldehyde) 경우 대조 구는 0.30mg・m-3, 정상적인 스파티필름은 0.05mg・m-3 , 수분 스트레스를 받은 스파티필름은 0.09mg・m-3으로 대조구와 처 리구는 통계적으로 유의차를 보였으며, 식물 내 수분 스트레 스에 따른 처리구간에는 유의차가 없었다. TVOC(Total Volatile Organic Compound)조사 결과, 정상적인 스파티필름 의 TVOC는 5시간 후 0.00mg・m-3 으로 모두 제거 된 반면, 수분 스트레스를 받은 스파티필름은 0.34mg・m-3으로 다소 남 아 있었으며, 대조구는 1.25mg・m-3으로 세 처리 모두 통계적 으로 유의차 있게 나타났다. 또한 이산화탄소 변화량 조사결 과, 대조구는 459ppm, 정상 스파티필름은 446ppm으로 통계 적으로 유의한 차이는 없으며, 수분 스트레스를 받은 스파티 필름이 대조구보다 이산화탄소 함량이 다소 높았다. 기공변화 율 조사 결과, 정상 스파티필름의 변화율은 높게 나타났으며, 수분 스트레스를 받은 스파티필름은 변화율이 낮은 것으로 조 사되었다. 따라서, 스파티필름이 배치되어있지 않은 공간보다 배치된 공간이 공기정화에 효과적이며, 수분 스트레스를 받은 스파티필름은 실내오염물질 제거에 있어서 기공 변화율 및 이 산화탄소 흡수능력이 저하되므로 스파티필름을 이용하여 효 과적으로 실내오염물질을 제거하기 위해서는 적절한 수분 관 리가 필요한 것으로 판단된다.

    추가 주요어: 공기정화, 실내식물, 식물생장, 식물반응, 식물스 트레스

    Figure

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    Appearance of well-watering (A) and water-stressed plants (B) of Spathiphyllum wallisii’. No irrigation for two weeks was treated as water-stress.

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    Changes in temperature (A) and relative humidity (B) of chamber without plants (control) or with well-watering and water-stressed plants of Spathiphyllum wallisii’ during experiment. No irrigation for two weeks was treated as water-stress. Vertical bars represent standard errors of the means (n = 3).

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    Changes in formaldehyde (A) and total volatile organic compounds (B) of chamber without plants (control) or with well-watering and water-stressed plants of Spathiphyllum wallisii’ during experiment. No irrigation for two weeks was treated as water-stress. Vertical bars represent standard errors of the means (n = 3).

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    Change in carbon dioxide of chamber without plants (control) or with well-watering and water-stressed plants of Spathiphyllum wallisii’ before or after experiment. No irrigation for two weeks was treated as water-stress.

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    Change in stomatal size of with well-watering and water-stressed plants of Spathiphyllum wallisii’ after experiment. No irrigation for two weeks was treated as water-stress. Vertical bars represent standard errors of the means (n = 3).

    Table

    Initial values of Spathiphyllum wallisii’ as materialized in the experiments.

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