5. 제초제 생리화학 1. 제초제명 일반적으로 제초제는 상품명·화학명·보통(普通)명의 세 가지 이름을 갖는다. 즉, 각 나라마다 고유의 언어로 지어진 이름으로서 상표가 되는 상품명과 이 상품이 갖는 유효성분의 화학구조를 기본으로 붙여진 화학명이 있고, 또 이 화학명에 특별하게 하나의 이름을 붙여서 전세계적으로 공통으로 쓰고 있는 보통명(commom name)이 있다. 보통명은 화학명을 간단하게 줄여서 만들지만, 이 이름이 보편적으로 쓰이기 위해서는 권위 있는 기관의 승인을 받아야만 한다. 국제기관으로는 국제표준기구(International Standards Organization ; ISO)가 있고, 미국 내에서는 미국국립표준연구소(American National Standards Institute ; ANSI) 또는 미국잡초학회(Weed Science Society of America ; WSSA)가 있으며, 또 영국에는 영국표준연구소(British Standards Institution ; BSI)가 있다.

    가. 제초제 화학 2. 제초제의 분류 1) 처리형태 : 처리시기와 처리방법 (1) 처리시기 : 처리시기는 제초제가 처리될 때의 작물의 생육단계 a. 파종(또는 이식(移植)) 즉 처리제(preplant herbicide) ① 파종(또는 이식) 전 경엽처리제(preplant foliar-applied herbicide)와, ② 파종(또는 이식) 전 토양혼화처리제(preplant soil-incorporated herbicide) b. 발아 전 처리제(preemergence herbicide) c. 발아 후 처리제(postemergence herbicide) (2) 처리방법 : 처리방법별로는 제초제의 흡수과정을 기초로 하여 분류한다. a. 토양처리형 제초제(soil-applied herbicide) : 식물체의 경엽부보다 는 근본적으로 토양 표면을 대상으로 처리한다. 따라서 식물체에의 흡수는 일반적으로 뿌리를 통하여 이루어진다. b. 경엽처리형 제초제(foliar-applied herbicide) : 식물체의 잎이나 줄기에 직접 처리하는 제초제로서 식물체의 녹색 지상부위를 통하여 식물체로 흡수된다.

    가. 제초제 화학 2) 제초활성 (1) 작용기구 a. 접촉(接觸)형 제초제(contact herbicide) b. 이행(移行)형 제초제(translocating 또는 systemic herbicide) (2) 선택성 a. 선택성 제초제(selective herbicide) b. 비선택성 제초제(non-selective herbicide) 3) 제초제 화학 (1) 무기제초제(inorganic herbicide) : 화학구조상 탄소를 포함하고 있지 않는 제초제 (2) 유기제초제(organic herbicide) : 제초제의 분자 내에 하나 또는 그 이상의 탄소를 가지고 있는 제초제

    가. 제초제 화학 3. 제초제 화학 유기제초제의 기본구조 : 탄소사슬을 기초로 하는 지방족(aliphatic group)과 탄소고리를 기초로 하는 방향족(aromatic group) 가장 간단한 지방족화합물은 탄소 하나와 4개의 수소로 이루어진 CH4이며, 이 탄화수소를 메탄(methane)이라고 부른다. 탄화수소에서 수소 하나가 빠진 작용기는 어미를 -yl로 고쳐 메틸(methyl)·에틸·프로필·부틸 등으로 부른다. 지방족화합물의 끝에 -COOH기가 붙어 있으면 카르복실산(carboxylic acid) 탄소사슬의 수소 하나 또는 둘이 -OH로 치환되어 있는 화합물은 알코올(alcohol) 탄소수가 2개인 탄화수소에 카르복실기가 붙어 있으면 ethanoic acid(또는 acetic acid)라 하고, 알코올기가 붙어 있으면 ethanol(또는 ethyl alcohol) 방향족화합물은 벤젠(benzene ; C6H6)의 유도체를 일컬으며, 수소 하나가 빠진 작용기(C6H5-)를 페닐(phenyl)기라 부르고, 페닐기에 -OH가 붙으면 알코올인 phenol 벤젠고리에는 치환될 수 있는 위치가 6개 있고, 이들은 모두 번호가 붙어 있다. 치환이 2개 위치에서 동시에 이루어질 때에는 치환체의 위치에 따라 이름이 다르게 붙여져서 1과 2 또는 6위치의 치환은 ortho-, 3 또는 5위치는 meta-, 그리고 4위치는 para-치환체라고 부른다.

[그림 5-1] 간단한 지방족화합물의 구조와 화학명     가. 제초제 화학 [그림 5-1] 간단한 지방족화합물의 구조와 화학명

[그림 5-2] 많은 제초제에 공통적인 주요 작용기 · 결합 및 작용체     가. 제초제 화학 [그림 5-2] 많은 제초제에 공통적인 주요 작용기 · 결합 및 작용체

[그림 5-3] 간단한 방향족화합물의 구조와 화학명     가. 제초제 화학 [그림 5-3] 간단한 방향족화합물의 구조와 화학명

나. 제초제와 식물 1. 제초제의 흡수 및 이행 1) 제초제의 흡수     나. 제초제와 식물 1. 제초제의 흡수 및 이행 1) 제초제의 흡수 주로 잎, 뿌리, 자엽초, 어린 줄기 및 종자를 통해 제초제가 흡수됨. (1) 종자에 의한 흡수 토양에 처리한 제초제가 종자에 흡착되면 제초제는 종피의 표면에 부착하며, 종자가 발아하여 종피를 뚫고 표면으로 출아할 때 유묘에 의하여 제초제가 흡수됨. 흡수된 제초제는 집단류와 확산에 의하여 종자 내로 침투. (2) 뿌리에 의한 흡수 아포플라스트(apoplast) 경로 : 세포간극·세포벽·물관 등으로 이어지는 죽은 세포조직을 통하여 이동되며, 제초제가 내피의 카스파리대(帶)(Casparian strip)를 우회하여 물관으로 들어간다. 심플라스트(symplast)를 통한 경로 : 처음에 세포벽으로 들어간 다음 표피와 피층세포의 원형질 속으로 들어가고, 제초제가 원형질에 흡수된 다음 원형질연락사(原形質連絡絲)에 의하여 내피·중심주·체관의 순으로 통과한다. 아포플라스트-심플라스트(apoplast-symplast)를 통한 경로 : 심플라스트를 통한 경로와 동일하지만 제초제가 카스라피대를 거치지 않고 세포벽으로 다시 들어간 다음 물관으로 들어감.

[그림 5-4] 식물체 내에서 제초제의 흡수 및 이행을 저해하는 데 관여하는 요인     나. 제초제와 식물 [그림 5-4] 식물체 내에서 제초제의 흡수 및 이행을 저해하는 데 관여하는 요인 <SHAW 등, 1960>

    나. 제초제와 식물 (3) 잎에 의한 흡수 큐티클층의 표면은 납질, 내면은 큐티클납질과 큐틴(cutin)으로 구성되어 있으며, 큐티클납질과 큐틴 간에는 뚜렷한 층이 있는 것이 아니고 오히려 서로 밀착되어 있다. 큐틴은 비교적 친수성이고 납질은 친유성이기 때문에 큐티클을 통하여 친수성 및 친유성 화합물을 선택적으로 통과시킬 수 있다. 큐티클납질은 비극성정도가 가장 높고, 다음으로 큐틴·펙틴의 순으로 높으며, 셀룰로오스(cellulose)는 극성(친수성) 물질이다.

나. 제초제와 식물 (4) 자엽초나 어린 줄기에 의한 흡수     나. 제초제와 식물 (4) 자엽초나 어린 줄기에 의한 흡수 일부 제초제는 잡초의 종자가 발아한 다음 지표면을 뚫고 위로 올라갈 때 자엽초와 어린 줄기에 의하여 토양으로부터 흡수된다. (5) 줄기에 의한 흡수 식물의 줄기에 의한 제초제의 직접적인 흡수는 목본식물을 제외하면 흔한 경우가 아니다. 2) 제초제의 이행 아포플라스트(apoplast) : 세포간극,·세포, 물관과 연결 부위, 죽은 세포. 심플라스트 (symplast) : 각 세포의 세포질·원형질연락사 및 체관을 포함하는 식물체 전체의 원형질부분을 의미하며 살아있는 세포로 구성되어 있다. 세포간극(intercellular space)이행 : 일반적으로 유제는 주로 세포간극을 통하여 이동하며, 정상적인 조건에서 유관속계통(vascular bundle system)을 통해서는 거의 또는 전혀 이동하지 않는다.

<ASHTON & CRAFT, 1981>     나. 제초제와 식물 [그림 5-7] 식물에서 제초제의 이행통로를 나타낸 모식도 <ASHTON & CRAFT, 1981>

    나. 제초제와 식물 3) 식물에서의 제초제의 대사 식물에서 제초제의 대사는 잡초와 작물 간 제초제 선택성의 가장 중요한 기작이다. 산화·환원·가수분해·히드록시화반응·할로겐이탈반응·탈알킬반응·탈아미노기반응·탈카르복시반응 및 식물체 내 구성성분과의 결합과 같은 반응이 식물체 내에서 제초제의 분해와 관련이 있다. [그림 5-8] 식물에서 제초제의 대사경로

    나. 제초제와 식물 4) 제초제의 분해반응 (1) 산화

    나. 제초제와 식물 (2) 환원 환원(reduction)은 산화의 역반응으로서 전자가 첨가되어 환원된 화합물에 에너지를 결합시키는 반응을 말한다. 즉, 어느 화학물에서 산소를 제거하거나 또는 수소를 첨가함으로써 그 화합물에 전자를 효과적으로 첨가하여 에너지를 결합시킨다.

    나. 제초제와 식물 (3) 가수분해

    나. 제초제와 식물 (4) 수산기 반응 수산기화반응(hydroxylation)은 한 원자 또는 기 대신에 OH기로 치환시키는 반응을 말하며, 제초제 분자환의 히드록시화가 고등식물에서 입증되었다.

    나. 제초제와 식물 그러나, benzoic acid계 제초제에서는 다음과 같이 Cl 원자의 위치가 변화되지 않고 수산기반응이 일어난다.

    나. 제초제와 식물 triazine계 제초제의 경우 수산기반응은 탈염소반응(dechlorination)·탈메톡시화반응(demethoxylation)·탈메틸티오화반응(demethylthiolation) 등과 관련이 있다.

    나. 제초제와 식물 (5) 탈카르복시 반응 phenoxy계·benzoic acid계 및 urea계 유도체를 포함하는 많은 제초제에서는 탈카르복시반응(decarboxylation)이 일어난다.   R-COOH → RH + CO2

    나. 제초제와 식물 (6) 탈알킬 반응

나. 제초제와 식물 (7) 식물체 내 물질과의 결합반응     나. 제초제와 식물 (7) 식물체 내 물질과의 결합반응 제초제는 식물체 내에서 다른 화합물과 conjugation하여 화합물을 생성한다.

[그림 5-9] 고등식물에서 acetanilide계 제초제의 대사경로 <LEAVITT, 1979>     나. 제초제와 식물 2. 제초제의 분해 경로 식물체 내에서 제초제의 분해는 매우 복잡한 과정을 거쳐 이루어지며, 고등식물에서의 일부 주요 제초제의 분해경로를 보면 그림 5-9와 같다. [그림 5-9] 고등식물에서 acetanilide계 제초제의 대사경로 <LEAVITT, 1979>

나. 제초제와 식물 3. 제초제에 대한 식물의 형태적 반응     나. 제초제와 식물 3. 제초제에 대한 식물의 형태적 반응 제초제는 세포와 조직의 파괴뿐만 아니라 세포의 분열·신장 및 분화를 변화시킨다. 이와 같은 변화에는 생장억제, 상편생장(epinasty), 잎의 황화현상(chlorosis)·백화현상·괴사(necrosis), 세포의 미세기관과 막의 변형, 큐티클 형성의 저하 등이 포함된다. 식물의 줄기와 잎이 구부러지거나 또는 비틀리는 상편생장(epinasty)

[그림 5-10] 2,4-D가 목화의 잎에 미치는 영향 (좌 : 무처리 잎)     나. 제초제와 식물 [그림 5-10] 2,4-D가 목화의 잎에 미치는 영향 (좌 : 무처리 잎) <MCILRATH, 1955>

나. 제초제와 식물 그림 5-11. 독성물질이 세포의 원형질막에 미치는 영향을 나타낸 모식도     나. 제초제와 식물 그림 5-11. 독성물질이 세포의 원형질막에 미치는 영향을 나타낸 모식도 <van OVERBEEK & BLONDEAU, 1954> A:정상의 막 B:다환탄화수소화합물에 의하여 분해된 단위 C:크실렌(xylene)과 같은 분자가 지질층으로 용해됨 D:청정제(淸淨劑)에 의하여 단백질층이 분리됨 E:단백질용해제에 의하여 단백질층이 파괴됨 F:D·E의 작용에 의하여 유발된 불안정한 지질층

    다. 제초제와 토양 1. 토양 중 지속성 지속성은 후작물(succeeding crop)에 영향을 줄지도 모르는 잔효독성 때문에도 중요 제초제 잔류에 대한 후작물의 위험성은 지속성기간, 후작물의 감수성 정도 및 작물의 종자나 뿌리에 영향을 끼칠 수 있는 토양 중에서의 잔류물의 위치 등에 따라 결정 제초제의 토양 중 지속성은 일반적으로 반감기(half life)로 나타낸다. 이것은 처리한 제초제의 1/2이 소실되는데 요하는 시간 토양에 도달한 제초제는 토양환경 내의 여러 가지 인자에 의하여 영향을 받고 지속이 결정된다. 토성·유기물함량·점토함량 및 종류·pH·토양교질의 특징·토양미생물의 군락·작물재배조건·광·강우·온도 등 모든 인자들이 독립적으로 또는 상호 관련되어 영향을 끼친다. 물리적 소실 : 식물체로의 흡수, 토양입자에의 흡착(吸着), 대기 중으로의 휘발, 토양하층으로의 용탈 및 토양 표면으로의 이동, 화학적 소실 : 본래의 구조가 화학반응에 따라 분해되거나, 광 또는 미생물에 의하여 분해

[그림 5-12] 토양 중 제초제의 소실경로 <DEVIN & DUKE, 1993>     다. 제초제와 토양 [그림 5-12] 토양 중 제초제의 소실경로 <DEVIN & DUKE, 1993>

    다. 제초제와 토양 2. 물리적 소실 1) 흡착 토양에 의한 제초제의 흡착은 토양입자 표면에의 제초제분자 또는 이온의 부착 또는 끌어당김이다. 흡착량에 따라 어느 정도의 제초제가 토양표면에 남아 있고, 어느 정도가 하층으로 용탈 소실되는가를 알 수 있다. (1) 흡착 기구 분자간인력(Van der Waal's force) 소수성 결합(hydrophobic bond) 수소결합(hydrogen bonding) 전하이동(charge transfer) 이온교환(ion exchange) 리간드교환(Ligand exchange)

    다. 제초제와 토양 2) 용탈 토양환경 내에서의 제초제의 이동은 용액(토양수) 내에서나 이동하는 특정 물질 상에 흡착된 채로 또는 휘발에 의하여 일어나는 것 등 모두를 포함한다. 토양을 통한 액상에서의 이동은 확산(diffusion)과 집단류(mass flow)에 의한. 용탈은 토양 중 물에 의한 제초제의 하방이동을 가리킨다. 그러나 실제로 용탈은 물의 이동에 따라 여러 방향 즉 상방·하방 및 측면으로 일어난다. 용탈이 옆쪽으로 일어날 때 이러한 현상을 측면이동(lateral movement)이라 부르고, 위쪽으로 일어날 경우에는 상방이동(upward movement) 또는 역용탈(reverse leaching)이라 부른다. 3) 휘발 휘발(volatilization)이란 화합물이 고체나 액체상태로부터 기체형태로 되어 대기 중으로 소실됨을 일컫는다. 약제가 휘발되는 정도는 그 화합물의 증기압에 의하여 결정되며, 증기압은 온도에 의하여 가장 크게 영향을 받는다. 따라서 일반적으로 온도가 높아지면 토양 중 약제의 휘발비율도 증가된다.

    다. 제초제와 토양 4) 표면이동 토양 표면에서의 제초제의 소실은 휘발 이외에도 물이나 바람에 의한 유실을 들 수 있다. 투과성이 좋지 않은 점토질로 이루어진 토양의 경우 심한 강우에 의하여 흘러 넘치는 빗물과 함께 소실되거나, 경사진 곳에서 토양의 침식과 함께 제초제 분자가 운반되어 버리기도 한다. 이러한 이유로 제초제 처리 직후의 심한 강우나 과다한 물 관리는 제초제의 유실을 크게 하는 결과를 가져온다. 5) 식물체에의 흡수 식물체의 지하부나 토양미생물에 의한 제초제의 흡수는 토양환경에서 일시적이나마 제초제의 소실을 가져온다. 3. 분해 토양 중에서의 주 분해과정은 화학적 및 미생물에 의한 분해이다. 또한, 광에 의한 분해는 특히 토양 표면에 존재하는 제초제에 대하여 중요한 의미를 갖는다.

    라. 제초제의 선택성 1. 선택성의 정의 제초제가 식물에 해를 주는 정도는 상대적인 차이가 있다. 즉, 일정한 농도범위에 있어서 어느 식물체는 해를 입지 않지만, 어느 식물체는 해를 입을 수 있다. 이와 같은 현상을 제초제의 선택성(selectivity)이라고 한다. 제초제가 효과를 나타내기 위해서는 대상으로 하는 식물체(이 경우 잡초)가 처리한 제초제에 대하여 반응하지 않으면 안 된다. 이러한 반응의 정도는 식물체의 감수성(susceptivility)으로 측정한다. 감수성이란 제초제에 대한 식물체의 정(+)의 반응(positive response)으로, 그 결과 식물의 어느 생장과정에서 변형이 초래된다. 변형 정도는 감지할 수 없는 상태로부터 뚜렷한 생장이상 또는 죽는 상태까지 다양하다. 한편, 내성(tolerance)은 부(-)의 반응(negative response)으로 제초제에 대하여 식물체가 반응하지 않는 정도를 나타낸다. 따라서 제초제의 선택성정도를 식물체의 감수성 또는 내성 정도로도 나타낼 수 있다. 제초제의 내성과 저항성(resistance) : 내성이란 어느 종(species) 내에 존재하는 약제에 대한 원천적이고 정규적인 변이성으로, 흔히 종내변이(intraspecific variability)에서 비교적 그리 중요하지 않거나 또는 점진적인 차이를 말한다. 한편, FAO에서는 저항성을 약제의 살포결과 동물 또는 식물종의 집단이 약제에 대하여 나타내는 저하된 반응성이라고 정의하였다.

라. 제초제의 선택성 2. 선택성 유형 제초제의 선택성 유형은 크게 물리적 선택성과 생리적 선택성으로 나눌 수 있다.     라. 제초제의 선택성 2. 선택성 유형 제초제의 선택성 유형은 크게 물리적 선택성과 생리적 선택성으로 나눌 수 있다. 물리적 선택성은 제초제와 식물체의 접촉을 최소화 또는 방해함으로써 얻어진다. 생리적 선택성은 제초제와 식물체 간의 접촉에 제한 없이 식물체 내에 형성된 생리적 기작이나 또는 생화학적 기작에 의하여 주어지는 선택성이다.

[그림 5-13] 차폐처리로 처리하는 제초제로부터 작물을 보호할 수 있다     라. 제초제의 선택성 1) 물리적 선택성 인위적인 방법에 의한 생태적 선택성(ecological selectivity)의 부여와 식제초제와 식물체 사이에 접촉을 피할 수 있는 방법은 물체의 외형적 특징에 따른 형태적 선택성(morphological selectivity)방법으로 구분 형태적 선택성은 식물체 생장점의 위치, 뿌리의 형태차이 등이 선택성을 부여한다. 단자엽의 화본과식물의 생장점이 땅속에 감추어져 있는 것과는 달리 쌍자엽의 광엽식물은 대체로 지상부에 노출되어 있어 제초제에 직접 접촉되는 기회가 많아 해를 입기 쉽다. [그림 5-13] 차폐처리로 처리하는 제초제로부터 작물을 보호할 수 있다 <ASHTON & MONACO, 1991> A : 분무액을 차폐막 내에만 처리 B : 작물을 차폐시킨 경우

라. 제초제의 선택성 2) 생리적 선택성 (1) 선별흡수     라. 제초제의 선택성 2) 생리적 선택성 (1) 선별흡수 선별흡수(differential absorption)에 따른 선택성은 식물체 경엽에서의 제초제 흡수량의 차이에 따라 결정된다. (2) 선별이행 선별이행(differential translocation)에 의한 선택성은 이행형 제초제에 있어서 중요하다. 작용점으로의 이행에 관여하는 기작은 흡수부위에서의 결합 또는 분해정도에 따라 달라진다. (3) 제초제의 선별대사 제초제의 선별대사(differential metabolism)에 따른 선택성 : 제초제 분자가 활성상태 <-> 불활성상태 (4) 제초제에 의한 선별식물대사 제초제에 의한 선별식물대사(differential plant metabolism)는 식물체내 대사에 미치는 제초제 영향의 차이 : 화본과 선택성 제초제(graminicide)

라. 제초제의 선택성 2. 제초제의 선택성에 영향을 끼치는 요인     라. 제초제의 선택성 2. 제초제의 선택성에 영향을 끼치는 요인  선택성을 결정짓는 데 관여하는 요인들은 크게 두 부문으로 나누어 볼 수 있다. 즉, 물리적인 요인과 생물학적인 요인이 주는 영향으로, 전자는 제초제와 토양을, 그리고 후자는 식물체를 주체로 생각할 수 있음. 1) 물리적 요인  제초제의 처리약량·제형·처리위치 및 방법 등에 따라 선택성의 폭이 결정된다. \ 2) 생물학적 요인  선택성에 영향을 끼치는 생물학적 요인으로는 형태적·생리적 및 대사적 요인을 들 수 있다. 형태적 요인으로는 식물체로의 제초제 흡수에 영향을 끼치는 식물의 외부 형태적 특징을 나타내는 것으로 잎·생장점·초엽(coleoptile) 및 중엽(mesocotyl)·뿌리 및 지하부 영양번식기관 등의 차이

    라. 제초제의 선택성 1) 물리적 요인  제초제의 처리약량·제형·처리위치 및 방법 등에 따라 선택성의 폭이 결정된다. 처리약량이 충분하지 못하면 식물체는 치사농도(lethal dose)까지의 흡수량에 미치지 못하므로 감수성 식물에서도 효과를 나타내지 못하고, 처리약략이 과도하여 흡수량이 과다하면 내성을 나타내는 식물도 피해를 입게 되어 선택성을 잃게 된다. 2) 생물학적 요인  선택성에 영향을 끼치는 생물학적 요인으로는 형태적·생리적 및 대사적 요인을 들 수 있다. 형태적 요인으로는 식물체로의 제초제 흡수에 영향을 끼치는 식물의 외부 형태적 특징을 나타내는 것으로 잎·생장점·초엽(coleoptile) 및 중엽(mesocotyl)·뿌리 및 지하부 영양번식기관 등의 차이를 들 수 있다.