식물에게 필요한 필수영양소의 종류 역할 결핍증 - 다량원소, 미량원소, 유익원소

1. 필수영양소 뜻

수경재배에 반드시 필요한 것들 중에 비료가 있습니다. 토경재배인 경우에도 토양에 양분이 부족하면 비료를 보충해주어야 하는데 수경재배는 흙을 사용하지 않기 때문에 전적으로 농부가 제공하는 비료에 식물의 성장과 발달이 달려있습니다.

 

시중에는 여러 가지 수경재배비료가 판매되고 있는데 어떤 제품을 선택하는 것이 좋은지 알아보려면 먼저 어떤 성분이 포함된 비료인지를 알아야 할 것입니다. 따라서 여러 비료의 성분표시를 이해하고 식물의 상태에 따라 어떤 성분의 비료가 부족한지 판단할 수 있도록 식물에게 필요한 필수영양소란 무엇인지 알아보겠습니다.

 

생명체가 살아가는 데 필요한 원소를 생체원소(生體元素, bioelement)라고 합니다. 이 원소들이 없으면 생명을 영위할 수 없기 때문에 필수영양소 또는 필수원소essential nutrient라고도 합니다.

 

어떤 원소가 필수영양소인지 알기 위해서 식물학자들은 해당 원소가 없는 상태에서 식물을 키웠을 때 식물의 생장 및 발달 과정에 미치는 영향을 확인했습니다. 다른 원소들은 충분하게 공급한 상태에서 특정 원소만 제한했을 때 식물이 제대로 발아, 생장, 생식하지 못하거나 식물의 구조와 대사에 이상을 초래하는 경우 필수영양소로 규정하게 됩니다. 필수원소는 아니지만 식물의 발달에 도움을 주는 원소들은 유익원소beneficial element라고 합니다.

2. 필수영양소 종류 - 다량영양소, 미량영양소

이 필수원소에는 총 17가지가 있습니다. 17가지 필수영양소는 식물체 내의 함량에 따라 다량영양소macronutrient와 미량영양소micronutrient로 나뉩니다. 다량영양소는 다량원소, 미량영양소는 미량원소라고 부르기도 합니다.

다량영양소 (9가지) macronutrient	상대적으로 많은 양이 필요한 원소.  수소(H), 탄소(C), 산소(O), 질소(N), 칼륨(K), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 인(P), 황(S) 식물 건조중량의 0.1% 이상을 차지함. 주로 식물의 분자구조와 관련이 있기 때문에, 즉 식물 몸체를 구성하는 성분이기 때문에 많이 필요한 것으로 추정됨.
미량영양소 (8가지) micronutrient	상대적으로 적은 양이 필요한 원소.  염소(Cl), 붕소(B), 철(Fe), 망간(Mn), 아연(Zn), 구리(Cu), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo) 식물의 대사에서 촉매나 조절 역할을 담당함. 일부 미량원소는 흙이나 먼지, 대기오염으로부터 쉽게 얻을 수 있으므로 비료로 공급하지 않아도 됨.
유익원소 (4가지) beneficial element	필수영양소는 아니지만 식물의 발달에 도움을 주는 원소 나트륨(Na), 규소(Si), 셀레늄(Se), 코발트(Co)

다량원소 중에서 칼슘과 마그네슘은 구조적인 역할도 하고 조절 역할도 합니다. 

3. 유익원소

식물의 필수영양소는 아니지만 일부 식물의 성장에 유익한 역할을 하는 원소를 유익원소라고 합니다. 유익원소 중의 하나인 나트륨은 수수, 사탕수수, 옥수수 등의 C4 식물에는 필수적이지만 대부분의 식물인 C3 식물에는 필수적이지 않은 것으로 알려져 있습니다. 그런데 농부들 중에서는 밭에 소금을 뿌려서 C3 식물을 재배하는 경우가 있습니다. 소금이 아니고 바닷물을 희석해서 주기적으로 살포하는 경우도 있습니다. 소금이나 바닷물을 뿌린 마늘은 줄기나 뿌리가 더 크다고 하는데 아마 그 이유는 나트륨 성분이 수분을 빨아들이기 때문이 아닌가 생각됩니다. 그러니까 소금이나 바닷물을 뿌리면 수분을 흡수해서 크기가 커지는 것이지 영양성분이 늘어나는 것은 아닙니다. 눈에 보이는 크기가 좀 커지는 효과를 얻기 위해서 중금속에 오염된 해수를 뿌리는 것은 정말이지 위험천만한 일입니다.

 

규소는 옥수수, 골풀 등 초본식물의 세포벽에 축적되어 줄기를 강화시켜 강한 비나 바람에 견딜 수 있게 해주고 곰팡이의 감염을 방지하는 역할을 합니다. 

 

코발트는 질소고정 박테리아에게 필요하므로 콩과 식물의 재배에는 필수적이며, 셀레늄은 면역력 강화에 효과가 있다고 알려져 있습니다. 

4. 비료의 부작용

다량원소는 많이 공급해도 식물체에는 거의 해가 되지 않지만 미량원소는 토양이나 배지에 과잉으로 존재하면 오히려 식물생장을 저해합니다. 미량원소의 적정범위가 좁고 상대적으로 적은 함량에도 식물에 독성을 나타내기 때문에 과량으로 공급하지 않도록 주의해야 합니다. 미량원소가 과다하면 뿌리생장이 저해되는데 이는 뿌리가 가장 먼저 영양분을 흡수하고 저장하는 장소이기 때문입니다.

 

그러나 다량원소 중에서 질소 같은 성분은 과량 시비하면 식물에는 독이 되지 않을지 몰라도 사람에게는 독이 됩니다. 상추나 루꼴라 등의 잎채소에 남은 잔류 질산염 농도가 높으면 인체는 질산염을 과다하게 섭취하게 되는데, 인체로 들어간 질산염은 아질산염으로 변화되어 여러가지 건강문제를 일으킵니다.

5. [표 1] 17가지 필수원소의 흡수형태와 함량

구분	필수영양소	기호	흡수형태	식물의 건조중량 중  평균 함량
다량원소	탄소	C		45%
	산소	O		45%
	수소	H		6%
	질소	N		1.5%
	칼륨	K		1.0%
	칼슘	Ca		0.5%
	마그네슘	Mg		0.2%
	인	P		0.2%
	황	S		0.1%
미량원소	염소	Cl		0.01%
	철	Fe		0.01%
	망간	Mn	Mn2+	0.005%
	붕소	B		0.002%
	아연	Zn		0.002%
	구리	Cu		0.0006%
	몰리브덴	Mo		0.00001%
	니켈	Ni		0.00000001 이하

다량원소 중에서 탄소, 산소, 수소는 물과 공기에서 쉽게 얻을 수 있으므로 비료로 주지는 않습니다. 그러나 다른 영양소는 식물이 흡수할 수 있도록 이온형태로 공급해야 합니다. 질소는 대기의 70%를 차지하는 성분이지만 콩과 식물처럼 질소고정 능력이 있는 식물을 제외한 다른 식물에는 비료 형태로 제공합니다.

6. [표 2] 필수원소의 기능, 식물내 이동성, 결핍증상

 

종류	기능	이동성	결핍증상
질소	단백질, 호르몬, 엽록소의 구성성분	좋음	잎의 성장이 느림, 발육 정지 늙은 잎부터 황백화. 완전히 노랗게 되거나 갈색으로 바뀌고 떨어짐  (질소과다증상 : 뿌리에 비해 지상부가 지나치게 생장함. 농작물 개화가 지연됨. 안토시아닌이 축적되어 줄기나 잎의 아랫면이 자주색으로 변함)
인	ADP, AMP와 식물의 기초대사에 필수적 토양의 pH에 영향을 많이 받음. 5.5~6.5가 적절함 알루미늄, 철, 칼슘 등과 불용성 화합물을 결성	좋음	잎이 짙은 녹색, 심하면 잎이 기형이 되고 괴사한 점들이 보임. 안토시아닌 축적으로 자주색으로 변함  줄기가 짧아지고 가늘어지고, 과실과 종자 생산이 감소함  (과량의 인은 질소와 반대로 뿌리의 생장을 자극함. 따라서 뿌리 발달을 위해서는 골분 같은 많은 인이 들어있는 비료 사용해야 함)
칼륨	대부분의 식물에 많은 양이 필요함 광합성과 호흡에 관여하는 효소를 활성화함 녹말과 단백질 합성에 관여 식물의 내한성과 연관이 있음	좋음	오래된 잎 가장자리에 얼룩무늬 또는 황백화. 괴사한 상처(노란색 죽은 조직의 점이나 줄무늬, 심하면 갈색)가 보임. 심하면 갈색이 됨  옥수수 등에서 괴사한 상처는 잎들중 오래된 끝부분에서 시작해서 잎의 기저부 근처의 어린 세포까지 가장자리를 따라 점차 진행됨 줄기는 짧아지고 약해지고, 뿌리가 썩고, 곰팡이가 잘 생기고, 쉽게 쓰러짐
칼슘	세포분열, 세포신장, 세포구조 형성에 필요함 세포벽을 물리적으로 보존하며 막의 기능에도 중요함 목질화된 식물은 칼슘 함량이 많음	대단히 나쁨	이동성이 나빠서 가장 어린 조직, 세포분열이 일어나는 분열조직에서 특징적으로 결핍증상이 나타남  과채류는 배꼽썩음병, 상추와 딸기는 어린잎 팁번, 배추와 쑥갓은 중앙의 어린 잎이 기형이거나 괴사함 뿌리 생장이 약해짐  배양액에 칼슘이 부족한 것보다 제대로 흡수하지 못하거나 전류불량으로 발생
마그네슘	세포분열, 엽록소 분자의 포르피린 구성, 리보솜 구조 안정화, 효소 활성화, ATP 관련 반응에 결정적으로 필요함 광합성과 탄소고정에 필요한 효소를 활성화함	좋음	엽맥들 사이에 있는 부위에서 엽록소가 파괴되어 황백화 현상을 보임  엽맥은 진초록, 그 사이의 조직은 연초록, 노랑, 하양  늙은 잎에서 젊은 잎으로 이동
황	단백질 구조를 형성하는 일부 아미노산의 구성성분 티아민, 비오틴, 호흡과 지방산 대사에 관여하는 조효소A의 구성성분 광합성과 질소고정의 전자전달 반응에 관여	보통	겨자, 양배추, 순무, 고추냉이등 십자화과 식물들의 매운 맛을 내는 성분인 겨자유의 구성성분 과량의 관개에 뿌리에서 쉽게 용출됨 질소결핍처럼 단백질 합성을 감소시키기 때문에 황백화 현상이 나타남 어린 잎에서 먼저 나타남
염소	광합성의 산소발생에 관여 세포 내외의 전하의 균형을 유지 자연상태에 풍부하고 물에 잘 녹아서 결핍증상이 잘 나타나지 않음	좋음	대부분의 식물은 자신이 필요한 최소량을 훨씬 초과하여 축적함 결핍되면 성장이 감소, 잎끝이 시들고 일반적인 황백화 현상을 보임
철	엽록소 합성에 필요 광합성, 호흡, 질소고정에 관여함 일부 산화환원효소의 구성성분	나쁨	엽록소가 소실되고, 엽록체 구조가 분해되어 생장점이 황화됨 pH 환경에 따라 흡수에 영향을 받음. 산성에서는 잘 흡수되지만 알칼리 토양에서는 철 결핍이 흔히 발생하므로 상대적으로 높은 농도로 공급해야 함  pH 7 이상에서는 철은 수산화철이 되어 물에 녹지 않는 칼슘화합물을 만들고, 산성에서는 알루미늄과 반응함  칼슘이나 알루미늄과 철이 결합하면 침전되어 식물이 흡수하기 힘든 상태가 되어 철결핍이 자주 발생함
망간	엽록체의 광계Ⅱ에서 전자의 전달과 효소활성화에 중요함	나쁨	곡물의 회색반점의 원인 어린 잎의 기저부에 녹회색 난상의 반점 콩 종자에서 탈색과 기형  엽맥 사이의 지나친 황백화
붕소	세포분열과 세포 신장에 관여하며, 세포벽의 구조 형성에 기여함 당분의 이동에 관여함 세포발달을 촉진하여 성장조절에 중요한 역할	대단히 나쁨	식물 안에서 이동하지 않음으므로 붕소결핍은 식물의 성장점에서 자주 발생함. 성장점이 기형적으로 형성됨 뿌리의 성장이 저해되어 뿌리가 짧고 굵으며 잔털이 많아짐 화분관의 발아와 신장이 약해짐 과일과 채소의 모양이 나쁘고 크기가 작고 속이 비어 썩음
아연	단백질 파괴에 필요함 수많은 효소의 활성인자	나쁨	식물 마디 사이가 짧아지고 잎이 더 작음  잘 이동하지않으므로 결핍증은 가장 어린 잎에서 먼저 나타남
구리	여러 산화효소에 필요한 보조인자임 금방 자른 사과와 감자의 표면이 갈색으로 변하는 것은 구리를 함유한 폴리페놀 산화효소의 활성 때문임	나쁨	생장이 위축되고 어린 잎 비틀림  여름철 가지마름병(어린 잎 소실) 발생
몰리브덴	질소 대사의 중요한 구성성분	보통	콩과 식물에서 몰리브덴 결핍은 곧 질소결핍을 초래함  어린 잎이 비틀리고 기형이 됨  늙은 잎의 엽맥을 따라 황백화와 괴사가 나타남  콩과 식물과 옥수수에서 특히 심각함
니켈	1991년에 필수영양소 목록에 추가됨 역할이 명확하지 않음	모름	극미량만 필요하며, 흡수가 잘됨  결핍증상 잘 나타나지 않음

 

식물내에서 이동성이 좋다는 것은 그 원소가 결핍되면 일단 흡수한 영양소가 오래된 잎에서 어린 새 잎으로 이동하므로 결핍증상은 늙은 잎에서 먼저 나타난다는 뜻입니다. 이동성이 나쁘면 어린 잎이 먼저 타격을 받습니다. 따라서 식물의 잎에서 이상현상이 나타났을 때 먼저 증상이 나타난 것이 어린잎인지 늙은잎인지를 먼저 판별하면 어떤 영양소가 결핍된 것인지를 추측하는 데에 도움이 됩니다. 

 

망간, 아연, 구리는 과잉되면 철결핍을 수반하는 경우가 많습니다. 배양액의 pH가 높아지면 망간, 아연, 구리 등의 흡수가 억제됩니다.

 

질소가 과다하면 지상부의 생장은 촉진되나 개화가 늦어지므로 식물이 너무 자라는 것을 억제하고 빨리 열매를 보고 싶을 때는 질소 성분을 줄이거나 끊고 인의 비율을 늘리는 것이 방법이 됩니다.

 

다음에는 수경재배 전용으로 나오는 비료 중에서 대유 물푸레(국산), 하이포넥스(일제), 제너럴 하이드로포닉스(미제)의 성분을 비교해보겠습니다.