MgO2–Silica Nanocomposite for supply of reactive oxygen species to soils = 토양 내 활성 산소종 공급을 위한 과산화마그네슘-이산화규소 나노복합체

국문 초록 (Abstract)

최근 다양한 기후변화와 강우 패턴의 불규칙성으로 인해 농경지 침수의 발생 빈도가 증가하면서, 작물 생산성이 전반적으로 저하되고 있다. 침수 기간 동안 스트레스를 완화하기 위해 직접 폭기하거나 과산화수소(H2O2)와 같은 단기간 화학적 산화제를 사용하는 방법이 시도되고 있으나, 이러한 방식은 산소 공급의 지속성이 낮고 효율이 제한적이라는 한계가 있다. 이에 본 연구는 침수 토양에서 지속적으로 산소 공급이 가능한 MgO2-silica 나노복합체 (MPSC)의 적용 가능성을 평가하였다.
MPSC는 Silica 매트릭스를 통해 MgO2 나노입자의 응집을 억제하고, 외부 금속 이온과의 직접적인 반응을 완화함으로써 표면의 H2O2 안정성을 향상시킬 수 있도록 설계되었다. 물리·화학적 동정 결과, MPSC 내 MgO2 나노입자는 공극과 표면에 균일하게 분산되어 있었으며 이로 인해 응집이 완화되었음을 확인하였다. 30일 연속 추출 시험에서, MPSC는 Bulk MgO2 대비 응집을 완화하여 30일 내 완벽한 활성화가 가능함을 DTA 분석을 통해 확인하였다. 초기 pH 조건에 따른 용출 거동 실험에서 MPSC는 brucite (Mg(OH)2) 피막 형성이 억제됨을 XRD와 DTA 분석을 통해서 확인하였으며, SEM을 통해서 Brucite의 결정이 생성되지 않았음을 확인하였다. 이는 H2O2 및 O2의 지속적이고 균일한 방출에 유리한 거동임을 의미한다. 침수토양에서의 용출 실험 결과, Bulk MgO2와 MPSC 모두 산소를 방출함을 통해, 단기간 침수 조건에서 지속적 산소 공급의 가능성을 제시하였다.
고추(Capsicum) 침수 재배 모니터링에서 1.5 cmol·kg-1 투입은 고농도에서 기인한 독성 반응이 관찰된 반면, 0.75 cmol·kg-1는 시들음(Wilting) 완화와 생장 유지에 유리한 처리 농도로 확인되었다. 종합하면, 적정 농도의 MPSC 투입은 실리카 매트릭스 기반의 구조적 안정화를 통해 H2O2의 안정된 방출과 산소 전환 효율 향상이 기대되며, 침수 스트레스 완화를 위한 토양 환경개선제의 효과를 나타낼 수 있는 것으로 판단된다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. Introduction 1
• Ⅱ. Materials and Methods 6
• 1. Materials 6
• 2. Synthesis of Bulk MP, MPSC 7
• 3. Sequential extractions and release kinetics in distilled water 8
• 4. Quantitative Measurement of O2 and H2O2 in Aqueous solutions with different pH 8
• 5. Redox potential and Dissolved Oxygen Measurement in flooded soil. 9
• 6. Quantitative analysis of dissolved O2 in liquid solution. 11
• 7. Quantitative analysis of dissolved H2O2 in liquid solution. 12
• 8. Pepper cultivation experiment in flooding soil. 13
• 9. Characterization 15
• Ⅲ. Results and Discussion 17
• 1. Characterization of MPSC 17
• 2. Release pattern of H2O2, O2 from MPSC in solution.. 25
• (1) Extractions and release kinetics in distilled water 25
• (2) Effect of MPSC under initial Neutral pH Conditions 28
• (3) Effect of MPSC under initial Acid pH Conditions. 33
• (4) Effect of MPSC under initial alkali pH Conditions 36
• (5) Surface Morphology under Different Initial pH Conditions. 39
• 3. MPSC behavior in soils. 42
• 4. Pepper cultivation experiment in flooding soil 45
• Ⅳ. Summary 51
• Ⅴ. Reference 53
• Ⅵ. Abstract (Korean) 59