합성화학제품의 과잉사용은 인축 및 생태환경 안전성에 부작용을 점점 초래하고 있어 최근들어 천연제품에 대한 관심과 수요가 증가하고 있다. 아울러 석유자원의 고갈이 예상되고 있는 상황이기 때문에 플라스틱 및 화학섬유와 같은 여러 화학제품의 원료를 석유 또는 석탄으로부터 바이오자원으로 전환할 필요성이 요구되고 있다. 천연식물섬유(natural plant fibers)는 인류의 생존과 더불어 의·식·주에 다양한 형태로 가장 많이 활용되어왔던 소재이다. 매년 지구전체에서 합성, 분해되는 천연섬유는 10¹⁰−10¹¹ ton에 이른다(Helbert et al., 1996). 기원에 따라 크게 목재섬유(wood fiber)와 비목재섬유(non-wood fibers)로 구분된다(Thakur and Thakur, 2014). 목재섬유는 활엽수(soft wood) 섬유와 침엽수(hard wood) 섬유로 나누며, 비목재섬유는 다시 인피섬유(Bast fibers: 삼, 아마, 황마, 모시, kenaf, Hibiscus sabdariffa, Grewia optiva 등), 잎섬유(Leaf fibers: 바나나, sisal, henequen, abaca, pines, esparto 등), 짚섬유(볏짚, 밀짚, 보리짚 등), 종자섬유(Seed fibers: 목화, kapok, milkweed 등), Grass fibers(대나무, 갈대, 사탕수수, esparto, switchgrass, sabai grass, Saccaharum cilliare 등)으로 나눈다(Thakur and Thakur, 2014).

이들 식물섬유는 자체 또는 가공을 통하여 다양한 제품의 원료로 이용되는데 Keijsers et al. (2013)은 시장분야를 9가지로 즉, 1) 직물(textiles), 2) 부직포(Non-woven), 3) 목재 및 판재, 4) 펄프, 종이 및 판지(board), 5) 셀룰로오스 용해 펄프(Cellulose dissolving pulp), 6) 셀룰로오스계 필름, 7) 건축재료, 8) 셀룰로오스계 섬유 복합재료, 9) 녹색 화합물(Green chemicals)로 나누어 제시하고 있다. 이들 중 최근 가장 관심을 받고 있는 것은 바이오복합재료(bio-composite) 연구분야, 즉 식물의 고분자물질(전분, 셀룰로오스, 다당류, 리그닌 등)을 자체만으로 또는 화학수지와 복합시켜 새로운 기능의 소재를 만들거나, 생분해성이 높은 수지 또는 경량화 소재 등을 개발하여 전자, 자동차, 화장품, 의료 및 농식품용 화학소재로 활용하려는 분야이다(Faruk et al., 2012; Klemm et al., 2011; Mohanty et al., 2000; Pandey et al., 2010; Reddy et al., 2013; Siqueira et al., 2010; Thakur and Thakur, 2014). 이를 위한 소재의 원료로서는 목재펄프, 비목재 섬유(볏짚, 옥수수대, 황마, 아마, 목화, 모시 등) 또는 재생 섬유(폐지, 폐의류) 등이 검토되고 있으며(Faruk et al., 2012; Keijsers et al., 2013; Klemm et al., 2011; Pandey et al., 2010) 아울러 새로운 특징의 소재를 얻기 위해 신규 자원을 여러 식물로부터 탐색하는 연구(Fiore et al., 2014; Indran et al., 2014; Maity et al., 2014; Saravanakumar et al., 2013)도 추진되고 있는 상황이다.

그런데 신규자원을 탐색함에 있어서 특히 고려하여야 할 사항은 미래환경을 대비하여 무엇보다 친환경적이면서 저에너지 투입으로 원료가 확보되도록 하는 것이 필요하다. 보통 목질계 식물섬유의 획득과정은 수집, 건조, 마쇄, 전처리, 펄핑, 표백, 분리정제, 추가 가공등의 과정을 거치는데 특히 전처리, 펄핑, 표백과정에서 고에너지 및 고농도 약품이 요구된다. 따라서 친환경적이면서 저에너지 투입으로 양질의 섬유를 확보하려면 저에너지 및 저농도 약품으로 펄핑이 용이하게 되는 식물 또는 식물기관을 사용하는 것이 필요한데 그 방안중의 하나로서 리그닌이 거의 없다고 알려진 해조류와 같은 식물을 대상으로 섬유를 획득하거나(Seo et al., 2010), 목면과 같이 상대적으로 순도가 높은 섬유로 밀집되어 있는 식물기관을 이용하는 방안이다(Klemm et al., 2011). 특히 후자는 상대적으로 고함량의 섬유로 구성된 식물기관을 이용하기 때문에 섬유 이외의 불순물 제거가 보다 용이하고, 상대적으로 수율이 높기 때문에 공정규모가 작아도 되는 장점을 가진다(Morais et al., 2013). 잡초 중에는 종자에 섬유(fiber)를 가지고 있는 종들이 있는데 이들 종자섬유는 줄기나 잎과는 달리 비교적 소수의 단순한 성분으로 이루어져 있을 뿐만 아니라 바이오매스 무게 대비 셀룰로오스 함량이 상대적으로 높은 편이다. 그리고 섬유로서의 완벽한 형태를 가지고 있어 때에 따라서는 펄핑과정 없이 여러 용도로 직접 사용할 수도 있다.

따라서 본 연구에서는 그동안 연구되지 않았던 잡초 종자섬유의 형태적 특징, 생산성 및 수확 용이성 등을 조사하여, 향후 여러 분야로의 활용을 위한 기초자료를 마련하고자 수행하였다.

야외에서 조뱅이[Breea segetum (Bunge) Kitamura]를 포함한 21종의 잡초에 대해서(Table 1) 종자섬유를 채취한 다음, 45°C 열풍건조기에 2-3일 건조시킨 후 지퍼백에 보관하여 이를 실험용 재료로 사용하였다.

[Table 1.] Length, width and classificatory types of the investigated weed seed fibers.

Length, width and classificatory types of the investigated weed seed fibers.

종자섬유의 형태적 특징은 광학현미경 및 전자현미경(FESEM, JSM-6700F)을 통해 관찰하였다. 전자현미경 시료준비를 위한 전처리 코팅은 Cressington Sputter Coater 108을 이용하여 백금으로 300초 동안 하였고, 가속전압은 10 kV였다.

본 연구에서는 잡초종의 학문적 분류를 위하기 보다는 활용측면에서의 유용성을 대변하도록 새로운 분류체계를 세워 이용하고자 하였다. 이를 위해 4가지 특징, 즉 종자를 기점으로 한 섬유 발생위치, 섬유의 분지 유무, 섬유표면형태(피침형 돌기 발생 정도), 섬유 구성세포 형태를 분류키로 설정하여 종자섬유 특징에 따른 유형(type)을 분류하였으며 구체적인 분류기준 설명은 Table 2에서와 같다.

[Table 2.] Identification keys for classifying a type of weed seed fibers.

Identification keys for classifying a type of weed seed fibers.

수집된 21종의 잡초 종자섬유에 대해 본 연구의 분류기준(Table 2)에 따라 형태를 관찰해 보았을 때, 11가지 유형으로 나뉘어져 각 종자마다 독특한 형태와 존재양식의 섬유를 가지고 있음을 알 수 있었다(Table 1). 서로 유사한 유형으로 그룹화 할 수 있었던 종들은 붉은서나물(EREHI), 벌씀바귀(IXEPO), 솜방망이(SENPI), 개쑥갓(SENVU), 큰방가지똥(SONAS), 방가지똥(SONOL), 보리뺑이(YOUJA) 등이 B0T3 type에 속하였고, 수크령(PENAL)과 강아지풀(SETVI)이 D0S3 type에 속하였으며, 조뱅이(BRESE)와 엉겅퀴(CIRJA)는 B2N0 type으로 분류할 수 있었다.

종자를 기점으로 섬유가 어느 위치에서 발생하는지에 대해 보았을 때, 종자 상부에 일정간격 격리후 발생하는 것(민들레, 왕고들빼기), 종자 상부에 직접 부착되어 발생하는 것(방가지똥, 큰방가지똥, 털머위, 박주가리, 붉은서나물, 지칭개, 사위질빵, 솜방망이, 개쑥갓, 엉겅퀴, 조뱅이, 벌씀바귀, 보리뺑이), 종자 상하부 전체에서 섬유가 발생되는 것(물억새, 할미꽃), 종자 하부에 직접 부착되어 발생하는 것(강아지풀, 수크령, 띠), 종자 하부에 일정간격 떨어져서 발생하는 것(큰부들)으로 분류할 수 있었다(Table 2). 종자 상하부 전체에 섬유가 발생되는 것은 섬유 정선을 위해 종자를 제거하려 할 때 상대적으로 어려울 수 있다.

종자섬유의 분지 유무를 보았을 때, 분지없이 한가닥의 섬유가 밀생하여 존재하는 것이 대부분이었고(박주가리, 물억새, 띠, 민들레, 왕고들빼기, 큰방가지똥, 방가지똥, 붉은서나물, 털머위, 강아지풀, 수크령, 솜방망이, 개쑥갓, 벌씀바귀, 보리뺑이), 한 개의 주경에 여러 개의 섬유가 분지되어 존재하는 것으로서 사위질빵, 큰부들, 할미꽃 등이 있었다. 특이하게도 지칭개, 엉겅퀴, 조뱅이는 여러 개의 주경에 여러 개의 섬유가 분지되어 존재하는 특징을 보였다(Table 2). 분지가 없는 잡초종의 종자섬유는 섬유간 균일성이 높아 활용폭이 넓지만, 분지가 있는 종은 상대적으로 섬유의 균일성이 낮아 섬유로 직접 사용할 경우 용도의 제한이(예, 충진제) 따를 것으로 여겨진다.

한편, 종자섬유 표면에 피침형 돌기 발생 정도를 보았을 때, 피침형 돌기 없이 매끄러운 형태를 지니는 것은 지칭개, 박주가리, 물억새, 띠, 사위질빵, 할미꽃, 엉겅퀴, 조뱅이 등이었고 나머지는 피침형 돌기가 미약하게 존재하거나(부들, 붉은서나물, 왕고들빼기, 방가지똥, 큰방가지똥, 솜 방망이, 개쑥갓, 벌씀바귀, 보리뺑이), 피침형 돌기가 현저하게 발달한 것들 이었다(강아지풀, 수크령, 털머위, 민들레)(Table 2). 종자섬유에 돌기가 있는 것이 섬유 활용 측면에서 어떠한 장점이 있는지에 대해서는 추후 연구가 필요할 것이다.

섬유 구성세포수와 형태는 궁극적으로 섬유의 폭과 길이, 섬유간 균일성 등에 영향을 미치므로 섬유 특징을 구성하는데 중요하다. 세포 격막 없이 한 개의 장세포로 이루어진 종들로서는 지칭개, 박주가리, 물억새, 띠, 사위질빵, 할미꽃, 엉겅퀴, 조뱅이 등이 있었고, 나머지(큰부들, 왕고들빼기, 방가지똥, 큰방가지똥, 붉은서나물, 털머위, 강아지풀, 수크령, 민들레, 솜방망이, 개쑥갓, 벌씀바귀, 보리뺑이)는 2개 이상의 장세포가 다발로 뭉쳐 있는 특징을 보였다(Table 2). 흥미롭게도 부들의 경우 다른 잡초종자섬유와는 달리 장세포 내에 격막이 존재하는 특징을 가졌다(Fig. 1).

[Fig. 1.] Generation and morphological photograph of Typha latifolia (TYPLA) seed fibers. A: Cattail head (fruit), B: Fluffy seeds, C: Microscopic view of seed fiber, D: Electron microscopic view of fiber.

잡초종자섬유의 섬유의 길이와 폭은 종에 따라 큰 차이를 보였다. 길이가 가장 큰 것은 할미꽃으로서 20-50mm이었고 다음으로 긴 것들은 박주가리(10-45mm), 조뱅이(13-20 mm), 엉겅퀴(13-20 mm), 붉은서나물(10-15 mm), 방가지똥(10-15 mm) 등이었다. 제일 작은 길이의 종자섬유는 보리뺑이(3-4 mm), 벌씀바귀(3.8-4.3 mm), 사위질빵(1-4 mm) 등이었다. 기타는 이들 중간범위에 속하였다(Table 1).

한편 섬유폭의 경우 대부분 10 μm 이상으로서 잡초종류마다 다른 크기를 나타내었다. 분지성 종자섬유의 경우 주섬유(main fiber)의 폭이 가장 큰 것은 할미꽃(200-500 μm)이었고, 지칭개, 큰부들, 조뱅이, 엉겅퀴는 각각 50-85, 45-55, 25-75, 37.5-50 μm를 나타내었다. 이들의 분지섬유(branch fiber)는 할미꽃, 큰부들, 지칭개, 엉겅퀴, 조뱅이가 각각 12.5-22.5, 10-20, 8-10, 7.5-12.5, 5-10 μm 크기를 가졌다. 비분지성 종자섬유의 경우, 섬유폭이 매우 크고 딱딱한 것은 강아지풀(90-600 μm), 털머위(40-90 μm), 솜방망이(30-87.5 μm), 수크령(37-65 μm) 이었다. 기타 잡초의 종자섬유폭은 10-30 μm 크기를 나타내는 경향이었다(Table 1). 일반적으로 종자섬유의 크기는 유전적 특성과 재배환경적 요인들에 의해 변화되지만(Faruk et al., 2012; Thakur and Thakur, 2014), 대략의 섬유크기는 침엽수 1-2mm × 10-20 μm, 활엽수 3-4mm × 30-40 μm, 목화린터 10-40mm × 12-38 μm, 닥나무 섬유 6-20mm × 25-35 μm로 보고되고 있다(Mudit, 1998; Katri, 2001). 이들과 비교해 볼 때, 본 연구에서의 잡초 종자섬유는 길이에 있어서 이들보다 길었고, 섬유 폭은 비슷한 크기를 보임을 알 수 있었다. 한편 잡초종자섬유의 특징은 섬유내 빈 공간(lumen)이 매우 큰 것들이 많았는데(큰부들, 박주가리, 민들레, 붉은서나물 등) 이는 종자의 공중 비산을 돕기위한 구조때문으로 여겨지며, 오일흡수제로 종자섬유를 활용하고자 할 때 장점이 될 수 있다. 또한 큰부들(Fig. 1), 붉은서나물(Fig. 5), 왕고들빼기, 방가지똥, 솜방망이, 개쑥갓 등은 종자섬유 표면에 거치를 가졌는데 이는 비산과 함께 타 물체에 부착이 잘 되어 종자 전파에 도움을 주기 위한 구조적 기능으로 여겨진다. 한편 관찰 결과, 잡초종자 크기와 종자섬유 크기간에는 상관이 없는 것 같았다.

[Fig. 5.] Generation and morphological photograph of Erechtites hieracifolia (EREHI) seed fibers. A: Mature plant with fruit, B: Fruits, C: Brown seeds with a tuft of bright white hairs, D: Electron microscopic view of seed fiber.

잡초종자섬유를 산업적으로 활용하기 위해서는 섬유의 대량확보가 용이해야 하고, 섬유의 물리적, 화학적 특성이 우수해야 할 것이다. 전반적으로 수집의 용이성, 생산성, 종자섬유의 형태적 특성들을 기준으로 판단해 볼 때(Table 1, Table 3) 향후 실용화 가능성이 있을 것으로 여겨져 추가 검토가 필요하다고 제안하고 싶은 잡초종자섬유는 큰부들, 박주가리, 지칭개, 띠, 붉은서나물 등 이었다.

[Table 3.] Productivity and harvesting easiness of the investigated weed seed fibers.

Productivity and harvesting easiness of the investigated weed seed fibers.

다년생 수초의 논잡초로서 종자와 근경으로 번식하며 번식력이 매우 강하다고 알려져 있다. 봄에 연못, 늪, 논, 논둑, 휴경답 습지 등에서 발생해서 6-8월에 개화한다. 전초는 잘 자랐을 경우 1-2m에 이르고 꽃은 줄기끝 아래쪽에 자화수(20-30 cm)가 달리며 바로 위에 간극없이 웅화수가 붙는다. 종자는 화수당 평균 222,000립 달린다고 하며, 종자 아랫쪽에 붙어있는 종자섬유(관모)는 백색으로서 부드러운 편이다(Kim and Park, 2009). 종자마다 하부에 한개의 섬유가닥(주경섬유)이 붙어있고 주경에 가는 섬유가 여러 개 분지되어 있다. 주경섬유의 폭은 40-55 μm이며, 지경섬유의 크기는 6-10mm × 10-20 μm로서 독특한 세포구조를 갖는다(Fig. 1) 섬유표면에 거치(피침형 돌기)가 없이 매끄러운 모습이다(Fig. 1). 전체적으로 보았을 때 섬유의 균일성은 보통수준이다. 큰부들은 다양한 용도를 가지고 있어 줄기는 돗자리용으로, 잎은 편물용으로 하며, 근경은 식용으로, 화분은 지혈제 또는 이뇨재로 쓴다(Kim and Park, 2009). 암꽃 추출물을 상처 치료제로(Akkol et al., 2011), 전초를 바이오에탄올 생산과(Kim et al., 2010) 제지 및 바이오복합소재(Jahan et al., 2007; Seo et al., 2013; Wuzella et al., 2011), 오일 흡수제(Wang et al., 2010)로 이용가능하다고 보고하였다. 한편 부들 종자섬유의 이용사례로서는 이불, 베개등의 충진제(Kim and Park, 2009), 제지, 오일흡수제(Lavoie, 2012), 위생티슈 제작(Vinson and Franklin, 2010) 등이 보고되고 있지만, 필요에 따라 적당한 공정을 통해 새로운 섬유소재로서의 활용방안이 강구될 수 있을 것으로 여겨진다.

다년생 덩굴성 초본식물이다. 양지의 건조한 곳이나 하천의 제방 그리고 경작지 주변에서 강건하게 생육하며 번식력이 강한 잡초이다. 열매에는 길고 흰털이 달린 종자가 많이 나오는데 바람에 날려 흩어진다(Kim and Park, 2009). 생육특성상 종자섬유 대량생산이 가능할 것 같고, 수집이 비교적 용이할 것으로 추측된다(Table 3). 종자 상부에 수십-수백개의 섬유가닥이 비교적 균일한 형태로 밀생해 있고, 그의 크기는 10-45mm × 14-19 μm이며, 표면에 거치(피침형 돌기)가 없이 매끄럽다(Fig. 2). 박주가리 종자섬유의 이용사례는 health-care fabrics 제조(Chen, 2011), 지혈용의 민간약 및 도장밥/바늘쌈지 제조 등에(Kim and Park, 2009) 쓰인 적이 보고되고 있지만, 필요에 따라 적당한 공정을 통해 새로운 섬유소재로서의 활용방안이 강구될 수 있을 것으로 여겨진다. 한편 외국에서는 박주가리와 유사한 종자섬유를 가지는 종(Calotropis procera)의 종자섬유를 펄프제조에 이용한 사례도 있다(Khristova and Tissot, 1995).

[Fig. 2.] Generation and morphological photograph of Metaplexis japonica (METJA) seed fibers. A: Mature plants and flower, B: Fluffy seeds, C: Seeds and seed-fibers in pod, D: Electron microscopic view of fiber.

월년생초본 밭잡초로서 벼를 이앙하기 전의 논, 논둑, 밭, 길가, 빈터, 황무지 그리고 들판 등지에서 잘 자라며, 전초는 잘 자랐을 경우 0.8m에 이르고 꽃은 5-7월에 피며 가지 끝에 두화가 다수 달린다. 많은 종자가 결실되며 여기에 붙어있는 종자섬유(관모)는 우모상의 백색으로서 부드러운 편이다(Kim and Park, 2009). 생육특성상 종자섬유 대량생산이 가능할 것 같고, 수집이 비교적 용이할 것으로 추측된다(Table 3). 종자 상부에 수십개의 섬유가닥(주경섬유)이 붙어있고 주경에 가는 섬유가 분지되어 있다. 주경섬유의 크기는 8-11mm × 50-85 μm이며, 지경섬유의 폭은 8-10 μm로서 매우 가늘다. 섬유표면에 거치(피침형 돌기)가 없이 매끄러운 모습이다. 전체적으로 보았을 때 섬유의 균일성은 떨어진다(Fig. 3). 지칭개 종자섬유의 이용사례는 아직 보고된 적이 없지만, 필요에 따라 섬유로 직접 이용하든지 또는 적당한 공정을 통해 새로운 섬유소재로서의 활용방안이 강구될 수 있을 것으로 여겨진다.

[Fig. 3.] Generation and morphological photograph of Hemistepta lyrata (HEMLY) seed fibers. A: Mature plant with fruit, B: Brown seeds with a bright white hairs, C: Microscopic view of seed fiber, D: Electron microscopic view of fiber.

다년생 초본 밭잡초로서 논, 논둑, 밭, 길가, 과원, 빈터, 황무지 그리고 들판 등 여러 곳에서 잘 자라며, 전초는 잘 자랐을 경우 0.8 m에 이르고 꽃은 5월에 피며 응축원축화서는 길이 10-20 cm이고 은백색 긴털로 덮인다. 개체당 3,000립 이상의 많은 작은 종자가 결실되며 여기에 붙어있는 종자섬유(관모)는 백색으로서 질긴 편이며 부드럽다(Kim and Park, 2009). 생육특성상 종자섬유 대량생산이 가능할 것 같고, 수집이 비교적 용이할 것으로 추측된다(Table 3). 미세종자 하부를 중심으로 수십-수백개의 섬유가닥이 밀생 해 있고, 그의 크기는 7-15mm × 12.5 μm이며, 표면에 거치(피침형 돌기)가 없이 매끄럽다(Fig. 4). 전체적으로 보았을 때 섬유길이의 균일성은 떨어지지만 섬유폭의 균일성은 우수한 편이었다. 띠를 사료, 잡초방제용 피복재 또는 제지원료로 사용하기 위한 검토가 있었으나(Kim and Park, 2009) 띠 종자섬유의 이용사례는 아직 보고된 적이 없다. 대량생산이 된다면 띠 관모를 섬유로 직접 이용하든지 또는 적당한 공정을 통해 새로운 섬유소재로서의 활용방안이 강구될 수 있을 것으로 여겨진다.

[Fig. 4.] Generation and morphological photograph of Imperata cylindrica var. koenigii (IMPCK) seed fibers. A: Mature plants with seedheads, B: Fluffy-white panicles (seedheads), C: Spikelet with silky hairs, D: Electron microscopic view of fiber.

일년생 초본 밭잡초로서 전초는 잘 자랐을 경우 1.5m에 이르고 꽃은 9-10월에 피며 산방화서를 이룬다. 많은 종자가 결실되며 여기에 붙어있는 종자섬유(관모)는 백색으로서 부드럽다(Kim and Park, 2009). 생육특성상 종자섬유 대량생산이 가능할 것 같고, 수집이 비교적 용이할 것으로 추측된다(Table 3). 종자 상부에 수십-수백개의 섬유가닥이 비교적 균일한 형태로 밀생해 있고, 그의 크기는 10-15mm × 15 μm이며, 표면에 거치(피침형 돌기)가 미약하게 존재해 있다(Fig. 5). 붉은서나물 종자섬유의 이용사례는 아직 보고된 적이 없지만, 필요에 따라 섬유로 직접 이용하든지 또는 적당한 공정을 통해 새로운 섬유소재로서의 활용방안이 강구될 수 있을 것으로 여겨진다.

셀룰로오스계 천연식물섬유는 다양한 용도에 활용될 수 있는데 사용목적에 따라 이에 부합하는 품질의 섬유를 요구하고 있다. 예를 들면 직물용으로서는 순도/색/섬유 길이 분포/광택/부드러움/위생 측면에서 우수한 것을, 복합재료용 셀룰로오스계 섬유의 경우는 친화성(compatibility)이 우수한 것이 필요하다(Keijsers et al., 2013). 따라서 본 연구에서 조사된 잡초종자 섬유의 경우도 향후 제반 특성 파악과 함께 이의 활용방법을 개발하면 산업발전에 기여할 미래의 바이오화학 천연자원으로서 역할을 할 수 있을 것으로 여겨진다.