개구리밥아과
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1. 개요
개구리밥아과는 천남성과에 속하는 수생 식물로, 줄기와 잎의 구분이 없는 엽상체와 뿌리로 이루어져 있다. 엽상체는 0.3~10mm 크기로 작고, 싹 주머니에서 새로운 엽상체를 만들어 번식하며, 꽃은 작고 수술과 암술을 갖는다. 전 세계의 온대 및 열대 지역의 담수에서 서식하며, 식용, 사료, 바이오 연료, 수질 정화 등 다양한 용도로 연구되고 있다. 빠른 번식력으로 인해 과도하게 증식하면 유해 종으로 간주될 수 있다.
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개구리밥은 전 세계 담수 환경에 서식하는 부유성 수생 식물로, 엽상체와 뿌리로 구성되어 빠른 성장 속도와 높은 단백질 함량으로 다양한 분야에서 활용 가능성이 높고 유전학 연구에도 활용된다. - 천남성과 - 좀개구리밥
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| 개구리밥아과 - [생물]에 관한 문서 | |
|---|---|
| 분류 | |
| 계 | 식물계 |
| 미분류 문 | 속씨식물군 |
| 미분류 강 | 외떡잎식물군 |
| 목 | 오모다카목 |
| 과 | 천남성과 |
| 아과 | 개구리밥아과 |
| 학명 | Lemnoideae (엥글러, 1876) |
| 속 | |
| 속 목록 | 우키쿠사속 (Spirodela) 히메우키쿠사속 (Landoltia) 아오우키쿠사속 (Lemna) Wolffiella 미진코우키쿠사속 (Wolffia) |
| 이미지 | |
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2. 형태 및 특징
개구리밥아과는 잎, 줄기, 뿌리의 구분이 명확하지 않은 단순한 구조를 가진다. 관다발은 물관이 없고, 가도관도 맥이나 수술의 화사, 일부 종의 뿌리에 한정되어 있다.[43][44] 맥이나 뿌리, 싹 주머니 내의 새로운 엽상체는 엽상체의 기부에서 정단부의 1/3 정도에 있는 마디(node)에서 생긴다.[42]
열매는 포과이며, 얇고 건조한 비열개성의 과피가 1개(때때로 수 개)의 종자를 싸고 있다.[42][43][44] 종자는 뚜껑을 가지며, 종종 세로 늑골이 있다.[44]
좀개구리밥과 개구리밥에서 게놈 염기 서열이 보고되었다.[46][47] 또한 몇몇 종에서는 엽록체 DNA 염기 서열이 보고되었다.[48][49]
2. 1. 엽상체
개구리밥아과는 매우 단순한 식물체를 가지며, 기본적으로 줄기와 잎이 분화되지 않은 '''엽상체'''와 거기에서 생기는 뿌리 (부정근)로 이루어져 있다. 하지만 개구리밥속처럼 뿌리가 없는 것도 적지 않다.[42][43][44][70] 엽상체는 지름이 0.3–10 mm이며, 보통 편평한 도란형(달걀을 거꾸로 세운 모양)이지만, 아래쪽이 팽윤(부풀어 오른)되어 있거나 곤봉(방망이) 모양, 선(가는 끈) 모양인 종도 있다.[42][43][44] 엽상체에는 때때로 1–16개의 맥이 있지만, 맥이 없는 것도 있다.[44]보통 엽상체 표면에 불규칙한 형태의 기공이 존재한다.[70] 엽상체에는 때때로 통기 조직(aerenchyma)이 발달해 부력을 준다.[44] 수산화칼슘 결정을 포함하는 경우가 있다.[43] 엽상체의 표면(윗면, 뒷면)은 녹색이며, 뒷면(아랫면, 복면)도 녹색 또는 자색을 띤다.[44] 뿌리를 갖는 경우, 엽상체의 아랫면에서 1~21개의 뿌리가 생긴다.[42][43] 뿌리는 뿌리털이 없고, 끝은 근관(뿌리골무)으로 덮여 있다.[42][44]
2. 2. 뿌리
엽상체 아랫면에서 1~21개의 뿌리가 생기는 경우가 있다.[42][43] 뿌리는 뿌리털이 없고, 끝은 근관으로 덮여 있다.[42][44] 개구리밥속처럼 뿌리가 없는 것도 적지 않다.[42][43][44][70]2. 3. 꽃
꽃은 매우 작고 엽상체 윗면의 움푹 들어간 곳이나 싹 주머니에서 핀다.[42][43] 꽃은 꽃덮이가 없고 1 또는 2개의 수술과 1개의 암술로 이루어져 있다(1개의 수술로 이루어진 수꽃과 1개의 암술로 이루어진 암꽃으로 이루어진 꽃차례로 간주되기도 한다).[42][43][44] 꽃은 때때로 막 구조(utricular scale; 불염포 spathe라고도 함)로 덮여 있다.[42][44] 보통 암술선숙이지만,[44] 수술·암술이 동시에 성숙하여 자가수분하는 종도 있다.[45]2. 4. 생식
개구리밥아과는 엽상체 좌우에 2개 또는 기부에 1개의 싹 주머니(budding pouche)를 가지며, 여기에서 새로운 엽상체를 형성하여 출아상으로 증식한다.[43][44] 새롭게 형성된 딸 엽상체는 잠시 동안 어미 엽상체에 붙어 있으며, 이를 반복하여 군체를 형성하는 경우도 많다.[42] 일부 종(좀개구리밥 등)에서는 뿌리가 없는 소형의 딸 엽상체가 전분 등을 저장하여 휴면 싹(월동아, 영아; turion)이 되어 수저에 가라앉아 생육 부적기를 보낼 수 있다.[42][44]싹 주머니 또는 엽상체 윗면의 움푹 들어간 곳(꽃구멍)에 1개(드물게 2개)의 꽃을 피우지만, 거의 꽃을 피우지 않는 경우도 많다.[42][43] 꽃은 꽃덮이를 잃고 1 또는 2개의 수술과 1개의 암술로 이루어진다(1개의 수술로 이루어진 수꽃과 1개의 암술로 이루어진 암꽃으로 이루어진 꽃차례로 간주되기도 한다).[42][43][44] 꽃은 때때로 막상 구조(utricular scale; 불염포 spathe라고도 함)로 덮여 있다.[42][44] 보통 암술선숙(암술이 먼저 성숙하고, 그 후에 수술이 성숙하여 동화수분을 피한다)이지만,[44] 수술·암술이 동시에 성숙하여 자가수분하는 종도 있다.[45] (애기개구리밥).
3. 분류
개구리밥아과는 오랫동안 독립적인 과로 여겨졌으나, 분자계통학적 연구를 통해 천남성과에 속하는 것으로 밝혀졌다.[13] 1995년부터 연구가 시작되어 천남성과 내에서의 위치가 확인되었으며, 대부분의 분류학자들은 이를 천남성과의 일부로 간주한다.[13]
개구리밥아과의 속에는 개구리밥속(`Spirodela`), 털개구리밥속(`Landoltia`), 좀개구리밥속(`Lemna`), Wolffiella|Wolffiellala, 분개구리밥속(`Wolffia`)이 있다.
DNA 염기서열 분석 결과 Wolffiella|Wolffiellala와 분개구리밥속이 다른 속들보다 더 밀접한 관련이 있는 것으로 나타났다.[15] 개구리밥속은 분류군의 기저에 위치하며, 그 다음은 좀개구리밥속, Wolffiella|Wolffiellala, 분개구리밥속 순으로 위치한다.[15]
| 형질 | 개구리밥속 | 털개구리밥속 | 좀개구리밥속 | Wolffiella|Wolffiellala | 분개구리밥속 |
|---|---|---|---|---|---|
| 엽상체 | 편평 3–10 mm | 편평 2–5 mm | 편평 1–10 mm | 편평 3–9 mm | 비편평 0.3–1.5 mm |
| 맥 | 7–16개 | 3–7개 | 1–5개 | 없음 | 없음 |
| 수산칼슘 결정 | 침상 + 집정 | 침상 + 집정 | 침상 | 없음 | 없음 |
| 색소 세포 | 있음 | 있음 | 없음 | 때때로 있음 | 때때로 있음 |
| 뿌리 | 7–21개 | 2–5개 | 1개 | 없음 | 없음 |
| 뿌리의 가도관 | 전체 | 기부만 | 없음 | – | – |
| 출아낭 | 2개 | 2개 | 2개 | 1개 | 1개 |
| 꽃의 위치 | 측면 | 측면 | 측면 | 표면 | 표면 |
| 수술 | 2개, 2반약 | 2개, 2반약 | 2개, 2반약 | 1개, 1반약 | 1개, 1반약 |
4. 분포 및 생태
개구리밥아과는 전 세계적으로 분포하며, 특히 온대와 열대 지역의 담수 환경에서 많이 발견된다.[44][70] 주로 호수, 수로, 논과 같이 물이 정체되어 있거나 완만하게 흐르는 곳에서 서식한다.[50]
개구리밥은 물새의 깃털이나 다른 수생 동물의 피부, 털 등에 달라붙어 새로운 곳으로 이동할 수 있다.[5] 홍수나 물의 흐름에 의해서도 퍼져나갈 수 있다.
4. 1. 서식 환경
개구리밥은 비옥하고 부영양화된 환경에서 잘 자라는 경향이 있다.[4] 주로 호수, 수로, 논 등 담수가 정체되어 있거나 완만하게 흐르는 곳에서 발견된다.[50] 대부분의 종은 수면에 떠서 서식하지만, 수면 바로 아래나 완전히 물속에 잠겨 서식하는 종도 있다.[44][50] -- -- 이들은 모두 토양에 뿌리를 내리지 않고 물에 떠다니며, 물속에서 질소, 인과 같은 무기 영양분을 흡수한다. 따라서 일반적으로 부영양화된 수역을 선호한다.[51]지속적인 물의 흐름이나 범람이 있는 수역에서는 개구리밥이 하류로 쓸려 내려가기 때문에, 물이 정체된 곳을 선호하는 개구리밥은 대규모로 증식하지 못한다. 그러나 일부 지역에서는 날씨 변화에 따라 순환적인 패턴이 나타나기도 하는데, 물의 이동이 적은 기간에는 크게 증식하다가 비가 오는 시기에는 쓸려 내려가는 현상이 반복된다.
4. 2. 생태적 역할
개구리밥은 물새와 여러 종류의 물고기에게 중요한 단백질 공급원이다.[44] 또한, 작은 물고기나 양서류의 치어 및 올챙이에게는 은신처를 제공하며, 황소개구리, 영원, 블루길과 같은 종들에게도 은신처 역할을 한다. 개구리밥은 수면에 그늘을 만들어 광합성 자가영양 조류의 성장을 억제하는 효과도 있다.5. 인간과의 관계
개구리밥아과는 빠른 증식 속도를 바탕으로 식용, 동물 사료, 바이오 연료, 영양 염류(질소, 인) 및 중금속 등 유독 물질 제거 (생물 정화), 독성 시험 등 다양한 분야에서 활용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.[52][53][54][55][56][57][58][59][60][61][62][63][64]
특히 미세 개구리밥은 동남아시아에서 식용으로 사용되며 (타이에서는 'khai-nam'이라고 불린다),[65][66] 개구리밥은 '부평'(浮萍)이라는 이름으로 생약으로 사용되기도 한다.[67]
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5. 1. 긍정적 측면
개구리밥아과는 여러 분야에서 활용되는 등 긍정적인 측면이 많은 식물이다.- 식용: 동남아시아 일부 지역(라오스, 태국, 미얀마)에서는 개구리밥을 식용으로 섭취한다.[6] 이스라엘에서도 채소로 재배된다.[7] 개구리밥은 콩보다 단위 면적당 더 많은 단백질을 생산하여[8] 미래의 중요한 식량 공급원으로 주목받고 있다. 미국 항공 우주국(NASA)은 화성 식량 생산 프로젝트의 최우선 후보로 개구리밥을 선정하기도 했다.[10] 한국에서는 부평(浮萍)이라고 불리며, 생약으로 사용되기도 한다.[67]
- 사료: 개구리밥은 물새와 많은 종의 물고기에게 중요한 단백질이 풍부한 먹이이다.[53][54]
- 바이오 연료: 개구리밥은 생장 속도가 빠르고, 단위 면적당 옥수수보다 5~6배 많은 전분을 생산한다.[27][28] 지구 온난화에 영향을 주지 않아 유망한 바이오 연료 후보로 평가받고 있으며,[29][30][31] 미국 에너지부(DOE) 등 여러 기관에서 연구가 진행 중이다.[25][26]
- 수질 정화: 개구리밥은 질산염을 제거하고,[33] 과도한 미네랄 영양소, 특히 질소와 인산염을 흡수하여 생물 정화에 중요한 역할을 한다.[35][36][37] 폐수 처리를 통해 독소를 포집하고 냄새를 제어하며, 모기 번식을 억제하는 데에도 활용된다.[34] 멕시코의 한 스타트업은 개구리밥을 이용하여 양식장 물을 정화하고, 동시에 물고기 사료로 사용할 수 있는 단백질을 생산하는 기술을 개발했다.[38]
- 환경 지표종: 개구리밥은 수질 오염 정도를 나타내는 지표종으로 활용된다.
- 기타: 개구리밥은 물 보존에 역할을 할 수 있다. 개구리밥 덮개는 물의 증발을 줄이는 효과가 있다.
이처럼 개구리밥아과는 식용, 사료, 바이오 연료, 수질 정화, 환경 지표종 등 다양한 분야에서 활용 가치가 높다.
5. 2. 부정적 측면
개구리밥은 영양분이 풍부한 습지 환경에서 번성하기 때문에, 전통적으로 영양분이 부족하거나 빈영양인 환경에서 과도하게 증식하는 경우 유해 종으로 간주될 수 있다.이러한 문제의 한 가지 예는 주로 빈영양 환경인 에버글레이즈에서 발생하는데, 폭풍 우수 또는 표면 유출수에 의해 과도한 화학 물질(비료 포함)이 수로로 유입될 때 발생한다.[11]
도시 유출수와 농업 오염은 주변 습지와 수로에 영양분 수준을 증가시켜 토착 생태계를 교란시킬 수 있다. 이러한 조건은 개구리밥과 같이 빠르게 성장하는 종이 정착하고, 확산하며, 사초와 같은 다른 토착 종을 대체하도록 하여, 시간이 지남에 따라 에버글레이즈 내 토착 사초 및 슬루 서식지의 생태계에 광범위한 변화를 초래한다.[12]
6. 연구 및 활용
개구리밥은 국제 개구리밥 협회[21]와 국제 개구리밥 연구 및 응용 운영 위원회[22]와 같은 국제기구를 중심으로 연구 및 활용이 활발하게 진행되고 있다.
2008년 7월, 미국 에너지부(DOE) 공동 게놈 연구소는 거대 개구리밥(''Spirodela polyrhiza'')의 게놈 시퀀싱을 지원한다고 발표했다. 이는 2009년 DOE의 우선순위 프로젝트로, 새로운 바이오매스 및 바이오에너지 프로그램 촉진을 목표로 했다.[23] 2014년 2월에 발표된 연구 결과는 개구리밥이 빠른 성장과 수생 생활 방식에 어떻게 적응하는지에 대한 통찰력을 제공한다.[24]
개구리밥은 깨끗한 에너지의 잠재적 원천으로도 연구되고 있다. 미국에서는 미국 에너지부(DOE)뿐만 아니라 럿거스 대학교와 노스캐롤라이나 주립대학교에서 개구리밥이 비용 효율적이고 깨끗한 재생 에너지의 원천이 될 수 있는지 연구 중이다.[25][26] 개구리밥은 빠르게 성장하고 단위 면적당 옥수수보다 5~6배 많은 전분을 생산하며, 지구 온난화에 기여하지 않아 좋은 바이오 연료 후보로 꼽힌다.[27][28] 또한 대기 중의 이산화탄소를 제거하여 기후 변화 완화에도 기여할 수 있다.[32]
개구리밥은 생물 정화에도 활용된다. 수확 시 질산염 제거를 제공하며, 과도한 미네랄 영양소, 특히 질소와 인산염을 흡수한다.[33] 스위스 연방 환경 과학 기술 연구소와 관련된 스위스 개발도상국 물 및 위생 부서는 개구리밥이 폐수 처리를 통해 독소를 포집하고 냄새를 제어하며, 조류 발생 방지 및 모기 번식 제어에도 사용될 수 있다고 주장한다.[34] 또한 물 보존에도 역할을 하는데, 개구리밥 덮개가 물의 증발을 줄이기 때문이다. 개구리밥은 자연 발생 수역, 인공 습지 및 폐수에서 박테리아, 질소, 인산염 및 기타 영양소와 같은 오염 물질을 효과적으로 걸러내는 생물 정화제 역할을 한다.[35][36][37]
멕시코의 스타트업 마이크로테라(microTERRA)는 양식장에서 개구리밥을 사용하여 물을 정화하고, 물고기 폐기물에서 생성된 질소와 인을 비료로 사용한다. 정화된 물은 양식 농부들이 재사용할 수 있으며, 단백질 함량이 35~42%인 개구리밥은 지속 가능한 식물성 단백질 공급원으로 수확할 수 있다.[38]
개구리밥아과의 종은 증식 속도가 매우 빠른 영양 번식을 한다. 따라서 식용[52], 유용 동물 사료[53][54], 바이오 연료[55][56], 영양 염류(질소, 인) 제거[57][58][59], 중금속 등 유독 물질 제거 (생물 정화)[60][61][62], 독성 시험[63] 등 다양한 목적으로 연구가 진행되고 있다.[64]
미세 개구리밥은 동남아시아에서 식용으로 사용되며 (타이에서는 khai-nam이라고 불린다)[65][66], 개구리밥은 부평(浮萍)이라고 불리며 생약으로 사용되기도 한다.[67]
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Ammonium and nitrate uptake by the floating plant ''Landoltia punctata''
[60]
간행물
Bioremoval of lead from water using ''Lemna minor''
[61]
간행물
Arsenic uptake by ''Lemna minor'' in hydroponic system
[62]
간행물
Responses of ''Landoltia punctata'' to cobalt and nickel: Removal, growth, photosynthesis, antioxidant system and starch metabolism
[63]
간행물
Effects of superparamagnetic iron oxide nanoparticles on photosynthesis and growth of the aquatic plant ''Lemna gibba''
[64]
간행물
Evolution of genome size in duckweeds (Lemnaceae)
[65]
간행물
Nutritional value of the duckweed species of the genus ''Wolffia'' (Lemnaceae) as human food
[66]
웹사이트
Harvesting & Cooking Wolffia In Thailand
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Palomar College
2021-07-15
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웹사이트
ウキクサ
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간행물
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웹사이트
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논문
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논문
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논문
Phylogeny and systematics of Lemnaceae, the duckweed family
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2021-07-17
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서적
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