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I. 서론
최근 국내에서 빈번히 발생하는 황사와 스모그로 인한 실외공기 오염은 실내공기질에도 악영향을 미치고 있다. 환기 부족과 인공건축자재 등에서 발생되는 오염물질로 인한 실내공기질 악화는 실내생활을 많이 하는 현대인들에게 심각한 사회문제로 대두되고 있다 (BéruBé et al., 2004). 공기 중 오염물질은 입자상 물질과 가스상 물질로 분류되며, 입자상 오염물질인 먼지는 입자의 크기에 따라 총부유분진 (Total Suspended Particles), 지름이 10mm 이하인 미세먼지 (Particulate Matter, PM10), 지름이 2.5mm 이하인 초미세먼지 (PM2.5) 로 나눠지며, 고체상․액체상의 입자상 물질을 총칭한다. 입자상 오염물질은 햇볕을 차단하여 농업 생산물 감소와 구루병 증가와 같은 간접적인 영향을 미치며, 호흡을 통해 인체의 조직, 기관 등에 영향을 미쳐 각종 질환을 유발하는 직접적인 영향을 미치기도 한다 (Kim et al., 1994). 가스상 오염물질은 공기 중 확산되며, 입자상 오염물질은 배출장소에 머물러 있거나, 다른 곳으로 이동한다 (Farmer, 2002). 특히 미세먼지는 난방, 자동차, 공장 등의 연소과정 등 인간의 모든 활동에서 발생하며, 실․내외 어느 곳에나 존재하는 건강에 유해한 대기오염물질이다.
식물은 오염물질을 지상부에서 흡착 및 흡수하여 제거하고, 식재 기반의 미생물에 의한 정화가 가능한 장점이 있다 (Beckett et al., 1998). 도시에서 발생되는 중금속을 포함한 미세먼지를 도로변, 옥상녹화를 비롯한 기타의 환경에서 식물을 이용하여 제거하는 연구가 꾸준히 있어 왔으며 (Ottelé et al., 2010; Yang et al., 2008), Espinosa and Oliva (2006)은 중금속 오염도가 다른 두 도시에서 Nerium oleander와 Lantana camara의 잎에서 중금속을 분석한 결과, Nerium oleander가 특정 성분을 포함한 PM10 함량 간에 양의 상관관계가 나타나, 거리 미세먼지의 중금속 바이오마커에 적합하다는 연구결과를 보고하였다. Dzierżanowski et al. (2011) 은 가로수로 사용된 목본, 관목, 덩굴식물에 대해서, Sæbø et al. (2012) 은 교통량과 환경오염의 차이가 큰 두 도시의 가로수에서 잎을 채취하여 입자별 중량 측정분석 및 표면과 왁스 층의 미세먼지를 정량화하였다. Speak et al. (2012) 은 4종 옥상 녹화 식물을 통한 도시 미세먼지 저감 연구를 통해 영국 맨체스터의 옥상녹화가 가능한 곳에 세덤을 이용하여 저관리형으로 녹화한다면 PM10을 약 2.3% 감소가 가능하다는 경제적 효과도 연구되고 있다.
쾌적한 실내 공기질을 위해서 다양한 형태의 공기정화기를 복합적으로 사용하고 있으나, 공기정화기의 잦은 필터 교체에 따른 번거로움과 비용을 해결하기 위한 지속 가능한 친환경 소재 필터의 필요성에 따라 식물이나 미생물 등을 이용한 바이오필터가 실내공기 오염 제거 방안으로 주목 받고 있다 (Lee, 2003; Soreanu et al., 2013). Lohr and Pearson-Mims (1996)는 실내공간의 20%를 관엽식물로 식재하면 실내 미세먼지 축적을 감소시킬 수 있다고 하였고, Gawrońska and Bakera (2015)는 식물표면보다 왁스 층에 더 많은 먼지를 축적한다고 하였다. 광도 차이에 따른 식물체의 포름알데히드 제거능 연구 (Kil et al., 2008) 와 같은 실내 가스상 오염물질 제거에 관한 연구가 있었다. 실내공간은 작업 활동 종류에 따라 광도가 달라지며, 이러한 광조건은 식물의 생육을 위한 광합성에 있어 자연환경에서보다 많은 제약을 받는다. 기존의 연구에서 식물을 이용하여 공기정화가 가능하며, 광량에 따른 가스상 오염물질 제거에 관한 연구가 있었으나, 여전히 실내 광환경에 따른 입자상 오염물질 제거에 있어 효율적인 식물종 선택에 관한 연구는 부족한 실정이다. 따라서 본 연구는 디펜바키아와 스파티필럼의 광량에 따른 입자상 오염물질인 PM1 (입경 < 1µm) 과 PM10 (입경 < 10µm) 의 제거효과를 구명하고자 수행하였다.
II. 재료 및 방법
실내에서의 이용도 및 기호도가 높은 디펜바키아 (Dieffenbachia amoena ‘Marianne’) 와 스파티필럼 (Spathiphyllum spp.) 을 사용하였다 (Park et al., 2010). 디펜바키아는 반입식물로 엽록소의 함량이 적거나 엽록소가 없어 잎에 무늬를 만들어 다양한 색상을 표현할 수 있고, 광 요구도가 낮아 실내식물로 많이 사용되고 있다 (Park et al., 2013). 스파티필럼은 벤젠, 포름알데히드 등의 공기 오염 물질의 정화력이 뛰어나다 (Wolverton et al., 1989; Yoon, 1989). 따라서 스파티필럼과 광요구도가 낮은 반입식물인 디펜바키아의 광조건에 따른 미세먼지 제거능을 비교하기 위해 두 식물을 선정하였다. 이들 식물은 일반 농원 (양촌화훼, 청주시) 에서 10cm 포트식물을 일괄 구입하여 원예용 상토 (Wonjo Mix, Nongkyung, Korea) 로 분갈이하여 이용하였다.
실내 공간을 모형화한 아크릴챔버 (600×800×1,200mm, L× W×H) 와 공기정화 장치인 그린바이오필터 (495×495×1,000mm, L×W×H) 를 아크릴로 제작하였다. 챔버와 바이오필터, 송풍기 (HRB-101, Hwang Hae Electric, Korea) 를 실리콘 호스로 연결하였다. 외부 광에 의한 영향을 차단하기 위해 전체를 차광률 90%의 암막 커튼으로 감쌌다. Kwon and Park (2015)의 연구에서 엽면적이 비교적 넓은 디펜비키아와 스파티필럼은 15–60µmol․m−2․s−1PPFD 범위에서 초장, 엽장, 엽폭, 엽면적 등의 생육에 유의적인 차이가 없는 것으로 나타났다. 따라서 실험기간이 길어짐에 따른 생육차이를 최소화 하기 위해, 광량은 바이오필터 바닥면으로부터 50cm 위치에서 백색 광원을 사용하여 0, 30, 60µmol․m−2․s−1 PPFD의 3조건으로 설정하였다. 그린바이오필터 내 식재는 일반화분과 같은 구조인 아크릴 사각화분을 사용하였고, 10cm 포트 식물을 16주씩 식재하였다. 미세먼지 오염원으로는 환경담배연기 (Environmental Tobacco Smoke: ETS) 를 사용하였는데, 이는 가스상과 입자상의 수천종의 화합물로 존재하며 (Baek and Park, 2005), Yoon et al. (2000) 과 Kwon and Park (2014)의 식물을 이용한 미세먼지제거효과 연구에서 사용되고 있기 때문이다. 스모킹테스터 (Smoking Tester, Three Shine, Korea) 를 이용하여 담배 (THIS, KT&G, Korea) 연기를 주입하였다. PM1과 PM10은 미세먼지측정기 (GT-531, MET One Instruments, Inc. USA) 를 이용하여 질량농도법 (µg․m−3) 으로 측정하였고, 이산화탄소는 실내 종합 환경측정기 (IQ-610Xtra, Gray Wolf, USA) 를 이용하여 측정하였다. 온도는 28.7±0.9℃, 토양수분은 22.0± 4.9%, 풍속은 약 1cm․s−1의 챔버 환경에서 실시하였다. 4가지 관엽식물을 이용한 바이오필터의 미세먼지 제거효과 (Kwon and Park, 2014) 연구에서 미세먼지의 제거효과는 단순히 엽면적에 비례하지 않으며, 식물의 기공수 등 관련이 있다고 보고하여 기공수를 Paek and Jun (1995)의 방법으로 측정하였다. 휴대용 광합성 측정기 (LI-6400, Li-COR Inc., USA) 를 이용하여 잘 전개된 상위 제3엽을 사용하여 광합성률, 기공전도도를 오전 10시부터 오후 3시 사이에 측정하였다. 이때 Leaf 챔버 내 유입되는 공기의 유량은 250µmol․s−1, 온도는 25℃, 광량은 400µmol․m−2․s−1, 이산화탄소 농도는 400µmolCO2․mol−1조건으로 설정한 후 측정하였다.
미세먼지 제거 및 공기정화 실험은 각 광량별로 3반복하여 실시하였고, 데이터는 컴퓨터를 이용하여 자동기록하였다. 통계분석은 SAS 9.3 프로그램 (SAS Institute Inc., USA) 을 이용하였고, 처리 평균간 차이는 Duncan's multiple range test (DMRT) 로 5% 유의수준에서 실시하였다.
III. 결과 및 고찰
챔버 내 초기 ETS의 PM10 주입량은 323.5±18.9µg이었으며, 1µg이 될 때까지의 시간을 측정하였다 (Table 1 참조). 디펜바키아는 0µmol․m−2․s−1에서는 약 180분간 미세먼지가 잔류한 반면에, 30과 60µmol․m−2․s−1에서는 약 130분 정도 미세먼지가 잔류하는 것으로 나타났다. 스파티필럼은 0과 30 µmol․m−2․s−1에서 약 140분간 미세먼지가 잔류하였으나, 60µmol․m−2․s−1에서는 약 115분간 미세먼지가 잔류하는 것으로 나타났다.
| Light intensity (µmol ․ m−2 ․ s−1) | Dieffenbachia amoena | Spathiphyllum spp. |
|---|---|---|
| 0 | 181.3az | 139.7a |
| 30 | 132.0b | 141.3a |
| 60 | 132.3b | 114.0b |
두 식물의 광합성율은 60µmol․m−2․s−1이 30µmol․m−2․s−1에서 보다 모두 유의적으로 높게 나타났고, 스파티필럼이 디펜바키아보다 약 3배 높게 나타났다 (Table 2 참조). 기공전도율은 같은 식물에서는 광량에 따른 유의적 차이가 없었으나, 스파티필럼이 디펜바키아보다 약 5–13배 높게 나타났다. 기공수는 디펜바키아는 광량이 높을수록 그 수가 적었으며, 스파티필럼은 광량이 높을수록 많게 나타났다. 또한 디펜바키아는 잎의 앞면에서는 기공이 관찰되지 않았으나, 스파티필럼은 잎의 앞면에서도 나타났다. Kim (2003) 은 광합성률이 우수한 식물이 분진 제거에 효과적인 것으로 보고하였으며, 본 연구에서도 식물의 광합성율이 높으면 미세먼지 제거 효과가 높아지는 것으로 나타났다. 디펜바키아는 30–60µmol․m−2․s−1 정도의 광량이 효과적이며, 스파티필럼는 60µmol․m−2․s−1 광량에서 효과적인 것으로 나타났다. 실내 환경 개선을 위한 관엽식물들의 생리적 반응에 의한 연구에서 스파티필럼의 광보상점이 디펜바키아보다 높다는 연구가 보고되어 (Park et al., 2010), 향후 스파티필름의 경우, 60µmol․m−2․s−1이상의 광량에서 미세먼지 제거에 대한 추가적인 실험이 이루어져야 할 것으로 판단된다. 0µmol․m−2․s−1에서 스파티필럼의 미세먼지 잔류시간이 디펜바키아보다 짧게 나타났다.
초기 주입한 PM10량을 100%로 하여 광량에 따른 식물별 미세먼지 감소를 10분 간격으로 나타낸 결과는 Table 3과 같다. ETS 주입 후 시간이 경과함에 따라 유의적인 차이가 나타나기 시작하였다. 두 식물 모두 광이 있을 때가 미세먼지 제거에 더 효과적이었으며, 스파티필럼이 디펜바키아보다 PM10 제거에 더 효과적이었다. 디펜바키아는 ETS 주입 초반부터 90분이 경과할 때까지 광의 유무에 따른 PM10제거 차이가 뚜렷하게 보였다. 광량 0은 광량 30, 60µmol․m−2․s−1과 10분 간격으로 비교하였을 때 유의적인 차이를 나타냈으며, 90분 동안 가장 높은 PM10 잔존율을 나타냈다. 광량 30과 60µmol․m−2․s−1에서 PM10 잔존 비율은 유의적인 차이가 나타나지 않았다. 스파티필럼은 ETS 주입 후 PM10의 경우, 10분 경과 시에 광의 유무에 의한 차이가 나타났으며, 20분 후부터는 광량이 높을수록 PM10 잔존율이 유의적으로 낮게 나타났다. 광합성과 기공전도도가 높은 정 (+) 의 상관관계가 있으며 (Bunce, 1996), 이는 스파티필럼의 광합성율과 기공전도도가 디펜바키아보다 높게 나타났기 때문으로 판단된다. 기공의 흡수로 인한 미세먼지 제거는 광합성율과 상관이 있으며, 엽면의 흡착에 의한 미세먼지 제거는 엽면적이 클수록 그 효과는 클 것으로 판단된다. 하지만 엽면 흡착에 의한 미세먼지 제거는 공기유동에 따른 미세먼지 재부유를 방지하기 위한 식물의 엽형태와 관련된 추가적인 실험을 통해 적정 식물 선정이 구명되어야 할 것이다.
초기 주입한 PM1량을 100%로 하여 식물별, 광량별 미세먼지 감소를 10분 간격으로 나타낸 결과는 Table 4와 같다. 90분경과 후 PM10은 1.4–7.3% 잔존하였으나, PM1은 5.2–26.2% 잔존하여 전체적인 감소는 PM10과 같은 형태를 나타내고 있고, 감소폭이 PM10에 비해 늦은 것으로 나타났다. 실내 벽면녹화를 이용한 미세먼지 제거 실험에서도 PM2.5의 제거효율이 PM10의 제거 효율보다 약 5% 낮은 것으로 보고되고 있어 (Irga et al., 2017), 입경이 작을수록 제거가 어려운 것으로 나타났다. 이는 직경이 큰 먼지들이 더 작은 먼지들로 분절되고, ETS 특성상 중력침강, 관성충돌에 의해 오래 부유하는 초미세먼지가 많기 때문인 것으로 판단된다 (Baek and Park, 2005). Table 5는 ETS를 주입하여 PM1과 PM10을 측정하였을 때의 이산화탄소량을 100%로 하여 식물별, 광량별 이산화탄소량의 감소를 10분 간격으로 나타낸 것이다. 0µmol․m−2․s−1에서 두 식물 모두 호흡으로 인해 이산화탄소가 증가하였으며, 60µmol․m−2․s−1에서 스파티필럼의 이산화탄소감소가 가장 활발하였다. 60µmol․m−2․s−1에서의 디펜바키아의 이산화탄소 감소량은 30µmol․m−2․s−1에서 스파티필럼과 유사하게 나타나, 입자성물질 제거가 광합성에 의한 효과임이 확인되었다.
IV. 결론
광량 차이에 따른 디펜바키아와 스파티필럼의 두 실내식물의 PM10 및 PM1 제거 효과에서, 디펜바키아는 광의 유무에 따른 차이가 유의하게 나타났으며, 30과 60µmol․m−2․s−1 PPFD 처리 간에는 유의차가 없었다. 스파티필럼은 0과 30µmol․m−2․s−1PPFD에서는 유의적인 차이가 없었으나, 60 µmol․m−2․s−1PPFD에서 유의적인 차이를 보였다. 스파티필럼은 디펜바키아보다 광합성율과 기공전도가 높았고, 기공수가 많았으며, 잎의 앞․뒷면 모두에서 기공이 관찰되었다. 이러한 식물적 특성으로 인하여 같은 광량에서 디펜바키아보다 스파티필럼의 공기정화 효과가 더 좋게 나타난 것으로 판단된다. 고정된 실내 공간의 광환경에서 효과적인 실내 공기정화를 위해서 각 식물의 광포화점, 광합성률과 기공수, 기공의 배치형태 등 식물 각각의 특성을 충분히 고려해서 선택할 필요가 있으며, 더 많은 식물에 대한 데이터가 필요하며, 미세먼지 제거를 위한 자생식물의 개발에 대한 연구도 이루어져야 할 것이다. 또한 실내 공기질오염도가 높을 경우, 식물에 의한 공기정화 효과를 높이기 위해서 국부조명을 사용하여 광량 조절을 통해 광합성률을 높이는 방법도 고려해 볼 수 있을 것으로 판단된다.
